矿山生态保护修复治理技术研究

臧 浩，焦丽梅，王程松，王 惠

(1.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 日照 276800；2.山东省日照市生态环境监测中心，山东 日照 276800)

随着矿井大规模的开采，矿山的生态环境保护和治理已经受到多方面的关注，未得到及时治理的矿山造成矿山周边环境的破坏与污染，存在重大的安全隐患[1-3]。为了对矿山生态进行有效的治理，本文设计的依据：①“实事求是、因地制宜”原则。根据矿山水文地质、工程地质、环境地质条件及矿山地质灾害等地质环境问题，制定科学合理的矿山地质环境恢复、治理措施。针对不同地段、不同的矿山地质环境问题，采取相应的治理恢复措施。②“技术可行、经济合理”原则。矿山地质环境恢复治理工程设计按照国家制定的技术规范进行，要切实可行，注重环境恢复治理的经济效益。依靠科技进步，最大限度地减少或避免矿产开发引发的矿山地质环境问题。③“先设计、后施工”原则。在矿山地质环境治理过程中，坚持先设计后施工的原则；在环境恢复治理设计实施过程中，坚持安全第一原则，确保施工人员和矿山生产人员的安全。④工程复垦工艺和生态重建相结合。采取工程措施，实现土地的再利用；生态重建即通过一定的生物措施、植被重建，实现土地的可持续发展。前者是后者的基础，后者是前者的保障。所以，采取工程措施与生态重建是相辅相成的统一结合体，实现恢复生态系统的可持续发展。⑤生态效益优先，社会、经济效益综合考虑。以控制水土流失、改善生态环境和恢复土地生产力为核心的植被重建工程，防止情况恶化。根据地区经济发展模式及主要农业结构，选择合理的生态系统结构，实现生态、经济、社会效益综合最优。⑥以生态学中的生态演替原理为指导。因地制宜，因害设防，宜农则农、宜林则林、宜园则园，合理地选择树种，优化配置恢复治理土地，保护和改善生态环境，形成草灌乔、带片网相结合的植物生态结构。遵循自然界群落演替规律并进行适当的正向人为干扰，进行生态恢复和生态重建，调节群落演替、加速群落演替速度，从而加快矿山环境恢复[4-6]。上述研究有利于人与自然协调，对形成良好的耕地、林地生态系统起到一定示范作用。

1 研究对象

此次核查调查废弃矿山32个图斑，总面积168.93 km2。分布在龙湖镇19处、郭店镇10处、薛店镇2处、新村镇1处，图斑中涉及的矿种为建筑石料用灰岩、砂岩。图斑位置如图1所示。

图1 图斑位置示意

2 主要矿山地质环境问题

2.1 矿山地质灾害

根据《地质灾害危险性评估》(DZ/T0286—2015)，结合图斑现状调查和无人机测量结论，治理区内地质灾害类型主要为落石地质灾害。现状调查发现具有落石地质灾害隐患的危岩体有9处，主要分布在龙湖镇西部，均为三叠系紫红色砂岩矿开采遗留陡坎。危岩体如图2所示。

图2 矿山地质灾害危岩体示意

2.2 含水层破坏

根据本次调查及矿山对地表水、地下水部分观测资料分析，现状条件下，根据区域地下水资料，治理区地下水位埋深大，地表露采影响深度远小于地下水位埋深，因此采矿活动没有破坏含水层，对含水层的影响较轻。

2.3 地形地貌景观破坏

治理区内采矿形成大面积的高陡边坡，渣堆随处堆放，地形起伏不平，植被稀疏，原来葱绿茂盛的生态环境变为一片荒凉，破坏了原有的地形地貌，与周边景观不协调。①高陡边坡，根据前文介绍有9处。②渣堆。治理区内共有14处渣堆，渣堆体积利用Cass 9.0三角网法计算。③水坑。由于开采地势下沉，坡面汇集雨水形成浅水坑，经调查作为蓄水池，供周边工农业用水。根据历史卫星影像图以及当地村民描述，这6处蓄水池无任何围挡设施，水面形状不规则，周边堆积碎石，地形地貌景观差。地形地貌景观破坏如图3所示。

图3 地形地貌景观破坏

2.4 土壤污染

人为活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化，并造成危害的现象，称为土壤污染。当土壤中有害物质过多，超过土壤的自净能力时，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，并且通过“土壤→植物→人体”或“土壤→水→人体”间接被人体吸收。土壤污染会导致农作物减产和农产品品质降低、农作物中某些指标超过国家标准、地下水和地表水污染、大气环境质量降低，并最终危害人体健康。本次调查为洗砂厂和畜牧养殖场排污场地、新郑市环保局土壤污染治理项目附近，2个图斑存在土壤污染的可能。

2.5 土地资源破坏

采矿活动对当地的土地利用的影响主要是井田开挖、道路建设和辅助系统等工程建设用地，这些设施对土地的占用基本是永久性的，从而使这些土地失去原有的使用功能和生态功能，对局部的土地利用产生一定的影响。

3 生态保护修复治理设计及参数选取

3.1 设计原则

设计原则：①牢固树立“山水林田湖是一个生命共同体”的理念，坚持生态优先、区域统筹、分级分类、协同共治，使治理工程综合效益最大化；②严格按照矿产资源管理、安全生产管理、环境保护等政策，开展生态环境修复；③结合治理区矿山地质环境现状，因地制宜、合理布局，并与周边环境和景观相协调、治理工程与自然环境相协调；④因地制宜、就地取材、挖填平衡，最大限度地恢复耕地和重视环境保护；⑤安全可靠、经济合理、技术先进，便于施工；⑥预防为主、防治结合、综合治理；⑦治理工程综合效益最大化；⑧按照乡镇和村民意愿。

3.2 设计条件和有关参数选取

3.2.1 设计条件

工作区地处暖温带大陆性季风气候，光热充足，降水偏少，四季分明。夏秋多雨是其主要特征。该区年平均气温在12.5～17.5 ℃，历年平均无霜期为206～234 d；年平均降水量为572.7 mm，最大降水量983.2 mm，最小降水量390.7 mm。土石方工程措施施工期应避开汛期，生物工程放在冬、春两季开展为宜。工作区地貌为丘陵岗地。区内大面积被第四系覆盖，沟谷纵横，以陡直宽阔的U字形冲沟为主，黄土资源可就地解决，砂料、石料就地购运。工程沿线城镇分布密集，劳动力资源丰富，足以满足工程需要。

(1)土源。新郑市大部地表出露第四系地层，有中更新统坡积—洪积层，上更新统冲积层和全新统冲积层，岩性因地而异，土壤丰富的区域植被覆盖完好，采矿活动强烈的区域，土壤稀缺，植被稀疏。经与市政府沟通，设计时缺少的土壤由市政府协调，运距暂按小于10.00 km计算，施工时尽可能提前剥离场地内的熟化表层土壤留用。

(2)水源。新郑市属温带大陆性季风气候，夏季多雨，冬季干旱，全年降水有限。治理区施工用水可采用罐车拉水，据调查，当地罐车拉水价格约为5.95元/m3。

3.2.2 参数选取

(1)覆土。覆土厚度与土壤质量按照《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036—2013)，考虑土壤整平压实，旱地覆土厚度设计为0.80 m，林地覆土厚度为0.50 m，草地覆土厚度为0.30 m。

(2)挡土墙规格。治理区降水偏少，较为干旱，因此基本选用干砌石挡土墙，基础开挖0.20 m，横截面为矩形，挡土墙高度以平台覆土厚度为依据，挡土墙宽度设为0.50 m。部分崖壁台阶及蓄水池边缘采用浆砌石挡墙，基础开挖0.20 m，横截面为矩形，高度以平台覆土厚度为依据，宽度0.50 m，M7.5灰浆勾缝，墙顶砂浆抹面，每10.00 m设1条伸缩缝，填塞沥青木板。

(3)复垦方向选择。根据《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036—2013)，按照黄淮海平原区土地复垦质量控制标准(表1)，根据修复后的地形：对地势比较平坦，坡度小于等于15°且面积较大区域，复垦为旱地，考虑覆土压实后土层厚度有所损失，覆土80 cm，翻耕与培肥，并进行后期管护，管护期为3 a，使3 a后达到周边地区同等土地利用现状类型水平；对不符合旱地复垦质量标准、符合有林地复垦质量控制标准的复垦为有林地，覆土50 cm，穴栽，两种树种间隔种植，以确保一年四季均有绿化效果，并撒播草籽进行复绿；对高陡边坡，无法种树及种草的，在边坡底部种植攀爬植物对边坡进行绿化，对边坡裸露基岩进行遮挡。

表1 土地复垦质量控制标准

3.3 复垦单元适宜性评价

此次设计适宜性评价面积为88.23 hm2，根据当地实际情况和类似工程土地复垦经验，共选出5项评价因子，分别为：地形坡度、土壤质地、有效土层厚度、排水条件、灌溉条件。土地复垦适宜性评价主要限制因子等级标准见表2。

表2 土地复垦适宜性评价主要限制因子等级标准

4 生态保护修复治理技术

4.1 工程修复分区

治理单元位于龙湖镇荆王村，建筑石料用灰岩矿采坑，采坑中部有一坑塘水面，采坑内大面积基岩裸露，其原地类为采矿用地、其他草地和旱地。根据现场调查及无人机测量结果，将该图斑设计恢复为旱地。在考虑相邻图斑情况下，将该治理区设计为3个平台。工程总体布置情况如图4所示。

图4 治理单元遥感影像

4.1.1 场地平整工程

由于场地内地表坑洼不平，不适于种植草木，影响绿化。设计对场地内地势高差较大、需要修整平台与斜坡的地块进行土石渣挖方与填方工作，根据现场地形对PT1、PT2、PT3平台进行挖高填低，对平台进行平整。平整过程中应将体积较大石块垫在底部，回填粒径从下至上逐渐减小，并分层压实，同时保留PT1场地内蓄水池。以CASS方格网法计算挖填方量，经计算PT1、PT2、PT3总挖方量6 750.20 m3，填方量为4 780.00 m3，挖填均为石方。平整后PT1平台标高+220.80 m；PT2平台标高+230.00 m。治理单元场地平整工作量见表3，治理单元场地挖填方如图5所示。

图5 治理单元场地挖填方示意

表3 治理单元场地平整工作量

4.1.2 挡土墙工程

(1)在PT2的外围设置挡土墙。选用干砌石挡土墙，截面设计为矩形，基础开挖0.2 m，平台覆土0.8 m，挡土墙高度为1.0 m，宽度0.5 m。

(2)为防止水土流失，在蓄水池周围设置挡土墙，以防止雨季降雨对平台的冲刷。截面设计为矩形，基础开挖0.2 m，平台覆土0.8 m，挡土墙高度为1.0 m，宽度0.5 m。挡土墙的单体设计如图6所示。

图6 治理单元挡土墙单体设计立面

挡土墙工作量见表4。

表4 治理单元干砌石挡土墙建设工作量

4.1.3 排水工程

结合野外实地勘察结果以及考虑到可实施性等多种因素，在PT1坡底设置排水沟，最终汇入蓄水池。设计排水沟为总长378.00 m、宽0.30 m、深0.30 m的浆砌石排水沟。保留PT1平台内蓄水池标高+218.00 m。治理单元排水沟工程量汇总见表5。

表5 治理单元排水沟工程量汇总

4.1.4 覆土工程

采坑内平整后，为符合绿化要求，应覆土复绿。参考当地土地利用类型，以各地块土地复垦适宜性评价结果为基准，同时考虑因地制宜的原则，恢复后的地块类型应与周边环境相适应。本次设计恢复为旱地。PT1、PT2、PT3平台设计恢复为旱地，覆土厚度0.80 m，覆土10 850.88 m3。XP2设计恢复为草地，覆土厚度0.30 m，可撒播草籽，覆土量88.17 m3。覆土时优先选用场地内熟化的表层土壤，将采坑内表层土壤剥离后堆存在采坑周边，待采坑整平后再平铺于采坑表面，其次选用客土。治理区周边土源较为丰富，采用装载机挖装自卸汽车将客土运送至场地内，运距一般在10.00 km以内。覆土工作量及土地恢复类型见表6。

表6 治理单元覆土工作量及土地恢复类型

4.1.5 绿化工程

治理区位于工作区地貌为丘陵岗地，土壤贫瘠，干旱少雨，植物的选择要适宜当地气候与环境条件，同时要达到美观的视觉效果。XP2面积为293.89 m2，XP1面积为13 671.29 hm2。恢复为其他草地，面积共1.40 hm2。以撒播草籽为主要绿化手段，草籽选用荆条籽、白羊草、羊茅草、狗牙根、长芒草、野菊等均可，也可以混合撒播，撒播密度30 kg/hm2。撒播草籽后用用耙、耱等方法覆土。治理单元PT1、PT2、PT3复垦成耕地后，耕地肥力欠佳，所以复垦后前期必须进行土壤改良，改良应从增施有机肥入手，通过增施农家肥，合理进行粮草轮作、间套种植苜蓿、紫云英等绿肥和秸秆还田、压青、客土堆垫等种养结合办法来培肥地力，提高土壤有机质含量，改善土壤结构和理化性状，从而达到改土培肥、提高地力，使土地资源能够可持续利用。根据当地经验，有机肥的使用量3 000 kg/hm2左右，在有机肥施用的基础上，配合施用化肥，结合当地化肥施用的经验，氮磷钾复合肥可按750 kg/hm2的标准施肥。土壤培肥面积为1.36 hm2，培肥后对土地进行翻耕。

4.1.6 其他工程

设计在蓄水池周围设置围挡和警示牌，避免行人靠近。围绕蓄水池设立一圈防护网进行围挡，防护网长度约100.00 m，设立警示牌1个；围绕XP1设一圈防护网进行围挡，防护网长度约304.00 m。围挡防护网共计404.00 m，高2.10 m，共计848.40 m2。设立警示牌1个，警示牌材料选用铝板覆反光膜，适合户外场合长期使用。警示牌规格50 cm×40 cm，标注“落石危险，请勿靠近”等字样。

4.2 自然修复单元

该图斑位于龙湖镇泰山村、大学南路西侧，面积1.04 hm2，详见遥感影像图(图7)。调查时发现，在南部有条冲沟需要平整，北部渣土已平整；图斑已经大量覆土，北部有一彩钢房面积29.97 m2拆除，工作量不再统计，南部有条冲沟需要平整。通过土方计算，需覆土56.00 m2，北部平台覆土0.30 m，覆土2 617.20 m3，共计覆土2 673.20 m3，临时恢复为其他草地，撒播草籽面积 1.04 hm2。

图7 治理单元遥感影像

4.3 治理单元

图斑位于郭店镇武岗村，面积4.56 hm2，为混凝土厂和洗沙厂，因占用基本农田23 729.58 m2，建议在新郑市人民政府的督导下，由郭店镇政府责令厂区责任主体自行进行拆除、复垦和绿化等工作。具体措施：房屋和硬化地面拆除后进行场地平整，占用基本农田复垦为耕地，进行翻耕和培肥，其余以撒播草籽为主要手段临时复绿，草籽选用白羊草、羊茅草、狗牙根、长芒草、野菊等均可，也可以混合撒播，撒播密度30 kg/hm2。工作量：拆除房屋面积12 526.35 m2，硬化地面4 907.69 m2，场地平整1.74 hm2，翻耕和培肥2.37 hm2，撒播草籽2.19 hm2，该部分工作量不占用重点生态保护修复治理专项资金。图斑拆除工作量见表7。

表7 图斑拆除工作量

5 经济效益分析

该项目属于新郑市2019—2020年重点生态保护修复治理项目，该项目的实施，能有效修复已破坏地形地貌景观。按目前近3年平均市场价格，计算项目区耕地经济效益详见表8。

表8 复垦后耕地经济效益

本项目工程治理治理图斑16处，自然修复7处，已治理9处，治理工程完成后，使当地生态环境与地貌景观得以改善，促进人与自然的和谐发展，可促进当地经济发展。

该项目的实施，能有效修复已破坏地形地貌景观，治理后可增加、水浇地15.016 3 hm2，旱地28.793 3 hm2。

6 结论

通过矿山生态保护修复治理技术的研究，可以达到的目的有：场地内淋滤液通过排水系统进入市政污水处理管网，阻止了降雨过程中渣堆淋滤液污染场地现象。通过挖填方工程，避免了堆积矸石与大气的直接联系，基本阻断了有害粉尘进入空气的通道，同时缓解了采场内堆积物氧化造成的大气组分动态变化。通过图斑内植物工程，对改善大气质量、当地地形地貌景观具有重要作用。