露天煤矿剥离物制备表土替代材料技术体系研究

杨 卓

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天煤矿具有生产安全、资源回收率高、高产高效等优点，近年来得到快速发展，但是其在生态环境保护方面仍然存在一些制约因素，比如露天开采对地层结构的颠覆以及对生物群落的破坏[1]，开采形成的排土场岩土混排等，均不利于矿山生态修复。露天开采前期及时对表土进行留存，在形成排土场以后，需要进行生态修复的排土场台阶与边坡面积也远大于原开采区的地表面积，前期留存的表土数量不足以满足需要，表土层贫瘠的区域表土缺失量更为巨大[2]。近年来有较多学者对露天煤矿表土替代材料进行研究[3-8]，以期解决矿山土壤缺乏的问题，研究主要集中于土层筛选及改良后表土替代材料的植被适应性，但未建立完整的表土替代材料控制体系。我国学者胡振琪等[9]对露天矿上覆岩土层中可用剥离物进行了筛选，证明了亚黏土适宜作为表土替代材料的基质，但是国内对于岩石剥离物的适用情况研究较少。国内对于露天矿生态修复改良剂研究较多，但是针对于改良后的评价体系研究较少。基于以上研究成果，总结矿山生态修复及表土替代材料制备相关经验，构建基于露天煤矿剥离物制备表土替代材料技术体系，以期为解决矿山生态修复过程中表土匮乏的问题提供指导。

1 表土替代材料制备技术体系

基于露天煤矿剥离物制备表土替代材料是解决国内露天矿山复垦用土的新手段，矿山剥离物既是废弃物也是资源，尤其是长时间风化后的岩石可以作为土壤母质，为表土替代材料提供物质基础和植物所需矿物养分的最初来源，因此应当引入完善表土替代材料的构建体系及评价体系。露天煤矿剥离物制备表土替代材料技术体系见表1。

表1 露天煤矿剥离物制备表土替代材料技术体系

1）对矿山剥离物进行筛选。筛选的内容应包括剥离物储量指标（地层结构及储量），剥离物可塑性指标（坚固系数）、剥离物基本性质（剥离物机械组成、剥离物成分、养分特征）以及剥离物污染强度指标（重金属及毒性）。其中剥离物储量指标、可塑性指标、污染物强度指标为筛选基础，剥离物储量较小制作出表土替代材料也没有推广价值，剥离物可塑性较差难以重构粒径范围，剥离物重金属及毒性含量过高易造成二次污染。剥离物基本性质为辅助指标，主要判定哪种剥离物更适宜作为表土替代材料，从而筛选出可利用的剥离物。

2）对于筛选出的剥离物应进行性状控制。针对第1 阶段筛选出的剥离物进行混合试验，筛选不同剥离物合适的粒径范围，通过施加不同质量占比的剥离物控制表土替代材料性状。表土替代材料以剥离物为基质，通过施加改良剂调节表土替代材料保水性、透水性、养分等特征，得到适宜的表土替代材料配方。

3）对表土替代材料水分特征、养分特征以及经济性进行分析，评价表土替代材料适宜性，如果不适宜重复上述过程。

2 表土替代材料制备环节

2.1 矿山剥离物筛选

通过地质勘探建立矿山地质模型，确定矿山各地层结构的剥离物种类。一般表土替代材料需要剥离物具有一定的可塑性，可以将表土替代材料粒径控制在需要的范围内，因此在筛选过程中应控制剥离物为不坚固岩石（坚固性系数f<3），选取的剥离物一般包括心土、底板土以及软岩。随后计算各种剥离物含量，将剥离物含量由大到小进行排序，优先选用剥离物储量丰富的作为表土替代材料基质。然后测定各种剥离物的基本性质，主要包括有机质、组成成分、机械组成、养分特征、重金属含量和毒性含量，在测定过程中对不同剥离物的物理性质、化学性质和毒性进一步明确，筛选出不适宜的剥离物，例如粉粒含量较高的剥离物透水性和孔隙度不良，毒性或重金属含量较高的剥离物制作的表土替代材料容易产生二次污染（应符合GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准的要求）。

2.2 表土替代材料性状控制及改良

结合前阶段筛选出的矿山剥离物进行表土替代材料性状控制，为后期经济性及产业化考虑，表土替代材料性状控制应以剥离物自身性状为主，改良剂进行辅助。由于剥离物均为生土及软岩，在用于制备表土替代材料前需进行破碎，剥离物粒径应根据其特性进行控制，例如心土及底板土控制粒径在10 mm 以下为宜，软岩应控制粒径在5 mm 以下为宜。若破碎后粉粒占比过高应对小粒径范围内的剥离物进行筛分剔除。首先进行单一种类剥离物的性状改良，对筛选出的各层剥离物单独进行改良，寻找是否有通过施加改良剂便可以利用的剥离物，随后依据剥离物的土、岩、沙等形态进行混合，寻找适宜的剥离物组合形式和添加量。

目前土壤改良的方式较多，表土替代材料改良剂选取应充分考虑以下几个问题：①能否综合利用废弃物：结合矿区周围区域特点，综合利用矿区附近的废弃物，如酒糟、废菌包、生物粪便及活性污泥等等，或者利用矿区废弃物和废弃物经过加工后的改良剂，如煤矸石、风化煤、煤粉及利用风化煤制作的腐殖酸；②考虑经济性：表土替代材料改良剂主要是辅助生态恢复的，改良剂添加量并非越多越好，成分并非越多越好，应筛选出最合适的改良剂添加量及成分，并合理控制运距，选择成本更低的改良剂；③表土替代材料改良剂添加目的要明确：改良剂添加目的应定向解决表土替代材料存在的问题，如保水性差、孔隙度过低、替代材料肥力不足等等问题。

2.3 表土替代材料水分特征评价体系

表土替代材料水分特征是表土替代材料的重要的指示因子，在干旱半干旱地区表土替代涵养水分的能力直接决定表土替代材料是否适宜，通过测定表土替代材料田间持水量以及凋萎系数可以初步判定表土替代材料的持水能力，同时这2 项指标也是判定表土替代材料与当地表土间差异的决定性指标，如果持水能力远弱于当地表土，表土替代材料便不易应用于露天矿复垦。

表土替代材料水分变化规律及流失效率可以动态监测，其基质势与含水量变化的特征可以反映出土壤持水能力和水分运移规律，通过对照成熟的土壤水分特征曲线模型，判定表土替代材料含水量与基质势之间的关系，确定表土替代材料水分特征是否符合要求。参考的评价模型为Kosugi 在1999 年得出的土壤水分特征曲线模型。

式中：θ 为含水量；θs为饱和土壤含水量；θr为残余含水量；h 为基质势；hm为孔隙毛细管压力分布函数的峰值；δ 为孔隙毛管压力分布函数的标准差，与孔隙半径分布的宽度有关；erfc 为互补误差函数。

2.4 表土替代材料养分评价体系

养分丰度评价体系的建立结合第二次全国土壤普查制定的土壤养分分级表，划分养分丰度等级，通过模糊综合评价法[10]进行综合评判。

模糊综合评价的单级评判模型步骤如下：

1）首先建立评判对象的因素集U={u1，u2，…，um}，主要包含m 个评价指标um，评价指标应从全氮、全磷、全钾、速效磷、速效氮、速效钾、有机质及其他微量元素中选取，不少于7 项；n 个待评价事物，评价事物主要为不同种类的表土替代材料。

2）建立评判集V={v1，v2，…，va}，参照第二次全国土壤普查制定的土壤养分分级表将表土替代材料各指标的评价等级分为{很高，高，中，低}4 个等级，分别进行赋值{4，3，2，1}。

3）确定权重W={w1，w2，…，wn}，采用熵权法[11]确定各指标的权重。

4）建立单因素模糊综合判断矩阵，首先求得归一化指标关于等级的隶属度，从而得到单因素评判矩阵Ri={ri1，ri2，…，rin}。

5）进行综合评判。根据评价矩阵R 和因素权重向量W 后，通过模糊变化将U 上的模糊向量A 变为V 上的模糊向量B 矩阵，模糊综合评判为B=W·R。

综合评判后，B 可看作是V 上的模糊向量，即为B={b1，b2，…，bm}，B 是对每个评判对象综合状况的分等级描述，它不能直接用于被评对象间的排序，需要对评判等级进行赋值，得出相当于各评判等级规定的参数列向量S=（s1，s2，…，sm）T，二者相乘得出等级参数的评判结果p，其可将各个指标综合效应量化。通过计算结果p 的大小判定表土替代材料养分丰缺程度。通过试验对各表土替代材料养分变化进行动态监测，观测养分流失速率，对表土替代材料养分进行综合评判。

2.5 表土替代材料经济性分析及可行性分析

表土替代材料制备固定成本主要包括破碎设备、筛分设备、搅拌设备等投入，相关设备技术成熟，成本较为稳定。

表土替代材料制备变动成本主要包括剥离物破碎及筛分成本、改良剂添加成本、表土替代材料倒运成本。剥离物破碎需要根据要求破碎到10 mm 以下的粒径范围内，破碎设备成本较为固定，破碎到相应粒径范围的破碎设备相对成熟；对破碎后的剥离物进行筛分，得到适宜粒径的剥离物，该阶段技术难度并不大，应寻找最适宜的技术降低该部分成本，但由于表土替代材料需求粒径较小，需保证过筛时剥离物的湿度不能过高，防止影响过筛效率。

改良剂添加主要考虑的主要因素包括：①改良剂的选取：基于矿山剥离物制备表土替代材料的特点，选用的改良剂不宜占比过高，应以剥离物为基质，一方面减少成本，另一方面可以综合利用剥离物，改良剂应以成本较低的废弃物为主，结合区域特点，以绿肥、粪肥等为优先考虑对象；②改良剂的来源：改良剂成本主要包含自身成本及运距，一般选用农业废弃物作为改良剂，改良剂成本较低，主要成本来源于运输成本，合理控制改良剂的来源是降低成本的重要因素。

影响变动成本的重要因素之一是表土替代材料倒运，由于破碎、筛分、搅拌等环节需要进行衔接，表土替代材料的倒运成本随着产量逐渐增加。研发一体化表土替代材料生产设备是减少表土替代材料倒运成本的重要环节，通过构建一体化设备，减少固定成本投入和变动成本投入，一举多得。

3 结语

通过对表土替代材料制备技术体系进行梳理，从矿山剥离物筛选、表土替代材料性状控制及改良、表土替代材料评价体系3 个方面共12 项内容提出约束，在矿山剥离物筛选方面，主要考虑了剥离物储量，剥离物可塑性、剥离物基本性质以及剥离物污染强度等4 各方面共6 项指标；在表土替代材料性状控制及改良方面，选取了粒径范围、改良剂以及性状等3 个方向对表土替代材料进行改良；在表土替代材料评价体系方面，选取表土替代材料水分特征、养分特征、经济性3 个方面进行分析。

表土替代材料配置是一项复杂的工程，将矿山剥离物进行加工用于矿山生态修复影响指标较多，结合生产实际主要归纳了其中12 项可以保障矿山复垦的重要指标，以经济合理性和产业化合理性为目标，形成可复制、可推广的表土替代材料制造评价体系。在未来的矿山生态修复过程中应注重对矿山剥离物的筛选与分类，做到分类保存、分类处理、分类利用，充分挖掘矿山剥离物的潜力，利用其制造表土替代材料或成土母质，提升矿山复垦效率。