苑 鑫劉育萍

(1.太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西太原 030024;2.太原煤氣化股份有限公司第二焦化廠(chǎng),山西太原 030024)

采煤影響區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn)研究:以古交市為例＊

苑 鑫1劉育萍2

(1.太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西太原 030024;2.太原煤氣化股份有限公司第二焦化廠(chǎng),山西太原 030024)

隨著煤炭經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,古交市生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題日趨嚴(yán)重。本文分析了古交市采煤影響區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,根據(jù)礦區(qū)土地破壞、生態(tài)退化與環(huán)境污染等問(wèn)題討論了相應(yīng)的土地復(fù)墾、生態(tài)恢復(fù)等措施,最后根據(jù)現(xiàn)狀提出了具體的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn),為古交市開(kāi)展生態(tài)恢復(fù)工作提供了一個(gè)有益的參考,并為生態(tài)恢復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用研究提供了思路。

煤炭開(kāi)采;生態(tài)恢復(fù);技術(shù)路線(xiàn)

古交市位于山西省太原市西北部,地處北緯37°40′6″至38°8′9″,東經(jīng)111°43′8″至112°21′5″之間,總面積1551km2,是全國(guó)最大的主焦煤生產(chǎn)基地。煤田面積7 54km2,儲(chǔ)量為96億t,可開(kāi)采儲(chǔ)量50億t。隨著煤炭經(jīng)濟(jì)發(fā)展,古交市生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,本文針對(duì)古交市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,提出了采煤區(qū)生態(tài)恢復(fù)路線(xiàn)與措施。

1 煤礦建設(shè)和煤炭開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

1.1 對(duì)土地的影響

煤礦建設(shè)期間,所有工程的建設(shè)都會(huì)使土壤的理化性狀發(fā)生改變[1],而永久占地的存在更是直接造成土地的損毀。煤礦投入使用后,煤層開(kāi)采形成采空區(qū),地表土層穩(wěn)定性被破壞,引起地面塌陷,出現(xiàn)地面裂縫,嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)土體崩塌、滑坡,使土壤遭受?chē)?yán)重破壞。

煤炭開(kāi)采對(duì)土地的影響同時(shí)也體現(xiàn)在煤矸石及其它固體廢棄物堆放需要占用土地,隨著矸石量的不斷增加,原有自然地形和地理景觀改變,農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、自然環(huán)境被污染。

1.2 對(duì)水環(huán)境的影響

采煤井巷系統(tǒng)及采空區(qū)誘發(fā)頂板巖體的開(kāi)裂、剝落和位移造成淺中層地下水與礦井溝通,使地下水儲(chǔ)存空間轉(zhuǎn)為地下水漏斗滲入礦井。為了維持原煤的正常生產(chǎn),必須把礦井涌水排出,排水必然要形成以礦井為中心的區(qū)域性地下水下降漏斗,使礦區(qū)內(nèi)井水枯竭,泉水?dāng)嗔?工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水困難[2]。

長(zhǎng)年堆放的煤矸石,經(jīng)風(fēng)化、淋溶作用,特別是煤矸石自燃后經(jīng)雨水淋溶作用,可形成酸性水流入河道、滲入地下,使地表水系與淺層地下水資源受到污染。

1.3 對(duì)大氣環(huán)境的影響

煤炭在存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煤粉塵,飄逸空中,污染大氣。大量燃煤鍋爐在礦區(qū)使用,產(chǎn)生大量煙塵和二氧化硫氣體,對(duì)大氣的污染顯然無(wú)法消除。更為重要的是,露天堆放的煤矸石和其它固體廢棄物處置往往只采取簡(jiǎn)單的分層碾壓、黃土覆蓋措施,在長(zhǎng)期日曬、雨淋的環(huán)境下,極易發(fā)生自燃,釋放大量的二氧化硫和氟化物等有害氣體,可對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

1.4 對(duì)生物多樣性的影響

采煤對(duì)土地的占用與破壞往往伴隨著植被的毀損,而土地塌陷、地表裂縫、土壤退化與污染等諸多因素均導(dǎo)致礦區(qū)生物多樣性維系困難。而受損的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)則非常緩慢,通常要50-100年[3]。

2 采煤影響區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn)的確定原則

2.1 生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)并舉,避免二次破壞的原則

生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù),關(guān)系經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,關(guān)系人民生活和子孫后代的發(fā)展,因此必須堅(jiān)定不移地堅(jiān)持保護(hù)生態(tài)環(huán)境的方針,努力促進(jìn)人與自然的和諧。同時(shí),對(duì)于已遭破壞的生態(tài)環(huán)境,在按照“預(yù)防為主、防治結(jié)合、過(guò)程控制、綜合治理”的指導(dǎo)方針進(jìn)行治理的過(guò)程中,應(yīng)該避免環(huán)境遭受二次破壞。

2.2 穩(wěn)定化方法與生物方法并重的原則

采煤生態(tài)影響區(qū)生態(tài)恢復(fù)方法大體可分為穩(wěn)定化方法與生物方法兩種類(lèi)型,穩(wěn)定化方法多采用物理性措施進(jìn)行加固處理,生物方法則依托原有生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的恢復(fù)或再造,兩者相輔相成,缺一不可。

2.3 因地制宜的原則

古交市地處黃土高原,土層深厚,透水性良好,本身并無(wú)植被恢復(fù)障礙性病因,年降水量460mm也可以滿(mǎn)足多種灌木樹(shù)種的生長(zhǎng)要求,而且該市灌木樹(shù)種資源十分豐富,因此在制定生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn)的過(guò)程中,要充分考慮這些因素,并選用適合本地情況的技術(shù)方案。

同時(shí),針對(duì)不同的受影響區(qū)域,也應(yīng)該按照因地制宜的原則,考慮小區(qū)域環(huán)境狀況,在技術(shù)方法、草木種類(lèi)選擇等方面具體問(wèn)題具體分析,以最大程度地恢復(fù)區(qū)域生態(tài)。

2.4 資源化利用的原則

在進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn)選擇時(shí),盡可能變廢為寶,已成為當(dāng)今社會(huì)的共識(shí)。特別是煤矸石的處理與處置,有著巨大的可利用空間,應(yīng)予以充分的重視和考慮。

2.5 投入經(jīng)濟(jì)化原則

采礦所導(dǎo)致的環(huán)境破壞是巨大的,修復(fù)其受損生態(tài)系統(tǒng)所需的花費(fèi)亦是驚人的[4]。

3 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)種類(lèi)

3.1 土壤基質(zhì)改良技術(shù)[5]

土壤基質(zhì)改良技術(shù)主要包括地表土保存技術(shù)、廢棄地改造技術(shù)、土壤增肥改良技術(shù)等。其中廢棄地改造技術(shù)是指在進(jìn)行表土改造之前,設(shè)法灌注粘土泥漿,以便讓泥漿包裹固體廢物表面,然后再鋪上一層粘土并壓實(shí),造成一個(gè)人工隔水層,盡量減少地面水下滲,降低其淋溶水中有毒元素的含量。

3.2 植被恢復(fù)技術(shù)[6]

植被恢復(fù)技術(shù)主要有植生卷鋪蓋法、掛三維網(wǎng)植草、液壓噴播、生態(tài)多孔混凝土綠化法、漿砌空心磚培土種草和噴混植草、噴混植草、高陡巖石王邊坡綠化的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)體系等方法。

植生卷鋪蓋法適用于較緩的、低矮的需要迅速得到防護(hù)或綠化的土質(zhì)邊坡。

掛三維網(wǎng)植草適用于較緩的土質(zhì)及部分沙石土邊坡,不能用于陡坡和巖石邊坡。

漿砌空心磚培土種草和噴混植草適用于不太陡的巖質(zhì)邊坡或土少的巖、土混合邊坡。

噴混植草適用于所有巖質(zhì)坡面,可防止邊坡局部的小滑移。

高陡巖石邊坡綠化的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)體系是由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所組織成都理工大學(xué)參加共同完成的科研成果,主要是利用農(nóng)民廢棄的秸桿,制作固土的板狀結(jié)構(gòu),同時(shí)針對(duì)不同地質(zhì)條件選擇不同植物種子,最終形成植被。

3.3土地復(fù)墾技術(shù)[7]

土地復(fù)墾技術(shù)主要有疏干法、挖深墊淺法、充填復(fù)墾法、直接利用法和生態(tài)工程復(fù)墾法。

疏干法適用于少量的采煤塌陷地的緩坡地段,主要通過(guò)開(kāi)挖溝渠形成有效的水利系統(tǒng)達(dá)到將塌陷地復(fù)墾成良田的目的。

充填復(fù)墾法是將無(wú)污染或污染可以經(jīng)濟(jì)有效防治的充填物(如粉煤灰、煤矸石等)充填塌陷地。

直接利用法是指對(duì)于大面積的塌陷地,根據(jù)現(xiàn)狀因地制宜地直接加以利用,或充當(dāng)養(yǎng)殖地,或改造成為景觀點(diǎn),等等。

生態(tài)工程復(fù)墾法是將土地復(fù)墾與生態(tài)工程技術(shù)結(jié)合起來(lái),在復(fù)墾的土地上發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。

3.4 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物可以分解自然界中多種有機(jī)物,它們通過(guò)參與碳、氮循環(huán)使自然界中各類(lèi)元素及物質(zhì)可被周而復(fù)始地循環(huán)利用,從而在一定程度上維護(hù)生態(tài)平衡。而微生物聚集最多的地方是土壤,因此土壤微生物同時(shí)也是構(gòu)成土壤肥力的重要因素。此外,微生物與微生物之間,微生物與其它生物之間彼此聯(lián)系,相互影響存在互生、共生、拮抗和寄生等多種關(guān)系,對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言意義重大。

4 采煤影響區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)路線(xiàn)確定

4.1 土地復(fù)墾

古交采煤影響區(qū)發(fā)生地表塌陷不同于平地塌陷,其深陷量和坡度變化與地面原有高差和坡度相比要小得多,多表現(xiàn)為地表裂縫和滑坡等現(xiàn)象,故而在進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí),主要采取的技術(shù)手段可以是疏干法、充填復(fù)墾法、直接利用法和生態(tài)工程復(fù)墾法。

應(yīng)用疏干法時(shí)按照先進(jìn)行裂縫消除,后進(jìn)行適當(dāng)平整,最后建立簡(jiǎn)單排水系統(tǒng)的步驟予以實(shí)施,并注意平整坡度的控制,坡面梯田應(yīng)有2-5°的內(nèi)傾角,以較好地防范水土流失,而頂部或谷地則可直接整為平地,同時(shí)注重排水系統(tǒng)排布的合理性和有效性。

應(yīng)用充填復(fù)墾法時(shí)要預(yù)先對(duì)充填物進(jìn)行淋浸分析,根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的防滲措施,如采用特殊防滲材料鋪底或鋪墊粘土后壓實(shí)。充填后表面覆土可就近取用,但應(yīng)保持覆土層厚度在50 cm以上。

少數(shù)可以直接利用的大面積塌陷地在使用時(shí)也要適當(dāng)修整并進(jìn)行一定程度的植被恢復(fù)后才可以使用,如改造成為景觀用地,最好根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地貌營(yíng)造人工湖或分散的小型觀賞水池。

生態(tài)工程復(fù)墾法是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到多種學(xué)科的交叉和綜合應(yīng)用,需要進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。根據(jù)古交市的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)中應(yīng)把握以下方面:

復(fù)墾范圍內(nèi)建立人工初級(jí)生態(tài)系統(tǒng),要全面考慮食物鏈延續(xù)及各相關(guān)子系統(tǒng)主導(dǎo)功能和相互配合問(wèn)題,根據(jù)區(qū)域現(xiàn)狀及周邊環(huán)境進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),并在建成后進(jìn)行跟蹤與生態(tài)經(jīng)濟(jì)分析,并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和修正;

種植業(yè)要保持較大比例,首先滿(mǎn)足養(yǎng)殖用青貯飼料供給,之后考慮經(jīng)濟(jì)作物(如果樹(shù)、蔬菜等);

養(yǎng)殖業(yè)以旱地養(yǎng)殖為主,條件允許的情況下適當(dāng)布置水產(chǎn)養(yǎng)殖,旱地養(yǎng)殖要考慮有機(jī)肥料的綜合利用比率控制問(wèn)題;

要充分考慮原有野生動(dòng)、植物生存條件的營(yíng)造,盡量滿(mǎn)足其生存棲息需要,并合理控制其數(shù)量;

注重平衡生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系。

4.2 邊坡防護(hù)與植被恢復(fù)

發(fā)生滑坡或有滑坡傾向的邊坡首先應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理,常用方法主要有砌擋墻、漿砌護(hù)坡和格構(gòu)式護(hù)坡等。古交黃土層較為疏松,一般宜采用擋墻結(jié)合護(hù)坡的方式來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定化處理。陡坡應(yīng)先進(jìn)行削坡處理,坡度放緩到1:1.5-2為宜。

坡面植被恢復(fù)是區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的重要組成部分,相比平整后復(fù)墾地而言,坡面上植被恢復(fù)難度較大,適合古交采煤影響區(qū)的植被恢復(fù)措施以植生卷鋪蓋法、掛三維網(wǎng)植草和漿砌空心磚培土種草最為經(jīng)濟(jì)合理。特別是不太陡的巖質(zhì)邊坡或土少的巖、土混合邊坡,采用漿砌空心磚培土種草方法可有效解決植被穩(wěn)固問(wèn)題。

如存在較陡巖質(zhì)邊坡,可在坡底植種喬、灌木進(jìn)行掩蔽性防護(hù)處理,然后采用廖心北等[8]發(fā)明的“邊坡生物生態(tài)防護(hù)方法”。該方法包括以下步驟:清理坡面—安裝錨桿—掛復(fù)合材料網(wǎng)—噴射邊坡專(zhuān)用基料—噴射邊坡植物種子—蓋無(wú)紡布—后期養(yǎng)護(hù),其典型特點(diǎn)是:邊坡專(zhuān)用基料由以下組份構(gòu)成(重量百分比):菌渣50%-60%,泥炭20%-30%,農(nóng)作物秸稈5%-10%,農(nóng)家肥10%-20%,添加劑組合物5%-10%。

草木選擇在植被恢復(fù)措施中也需要因地制宜,進(jìn)行優(yōu)化選擇,根據(jù)古交市地處北緯37°40′6″-38°8′9″的地理特征,結(jié)合其年均降水量460mm、年平均蒸發(fā)量1 025 mm的氣候特征,草木選擇可按表1進(jìn)行。

4.3 矸石山治理

采煤棄矸堆積量大是古交礦區(qū)重大環(huán)境問(wèn)題,對(duì)于堆積量在200萬(wàn)t以上或已發(fā)生自燃的的矸石山,應(yīng)經(jīng)由甲級(jí)以上有資質(zhì)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),再依照審批后的設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范化處置。

矸石山治理主要包含滅火、削坡處理、擋護(hù)設(shè)施建設(shè)、排水/澆灌設(shè)施建設(shè)、植被恢復(fù)/綠化等內(nèi)容。

矸石山滅火采取鉆孔注漿方式,根據(jù)煤礦企業(yè)具體情況,可采用如下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、論證和操作:鉆孔深度應(yīng)根據(jù)溫度探測(cè)結(jié)果下延2-3m,鉆孔間距控制3-5 m,鉆孔直徑45-75 mm。滅火漿液用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過(guò)篩配制,配比1:1,水固比控制在0.7:1-0.8:1,特殊著火區(qū)可采用水泥、白灰、黃土、粉煤灰來(lái)調(diào)配滅火漿液,相應(yīng)配比調(diào)整為1:3:3:3。注漿采用間隔工作方式,以確保灌注的滅火漿液耦合作用達(dá)到最大,間隔時(shí)間控制在30-60min內(nèi)。

削坡處理按照常規(guī)操作方式進(jìn)行,削坡后同時(shí)采取防護(hù)措施,可以采用漿砌石框架網(wǎng)格或鋼制格構(gòu)梁進(jìn)行防護(hù),框架網(wǎng)格的方式進(jìn)行防護(hù)。漿砌石框架網(wǎng)格尺寸可采用2m×2m,漿砌石寬度為0.5m,厚度為0.5m;格構(gòu)鋼梁采用40×40cm、節(jié)點(diǎn)中心3m的方形格構(gòu),節(jié)點(diǎn)處設(shè)置鋼筋錨桿,所有格構(gòu)梁完全嵌入坡體。

擋護(hù)設(shè)施除上述坡面防護(hù)外,主要是攔矸壩或擋矸墻。根據(jù)測(cè)量資料、按照國(guó)家相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工即可。需要注意的是,特殊地質(zhì)條件下,應(yīng)進(jìn)行深度地質(zhì)勘測(cè),并按照國(guó)家地質(zhì)災(zāi)害防范最高等級(jí)進(jìn)行考慮。

排水或澆灌設(shè)施主要通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn):在矸石場(chǎng)四周布設(shè)截洪溝,平面臺(tái)階上設(shè)馬道,馬道上布設(shè)橫向、縱向排水溝,均采用漿砌石結(jié)構(gòu),截洪溝斷面為梯形,排水溝斷面為矩形。同時(shí),攔矸壩或擋矸墻均應(yīng)設(shè)置泄水孔。

植被恢復(fù)、綠化所采用的技術(shù)方法與前述邊坡防護(hù)中植被恢復(fù)措施類(lèi)似,只是在矸石上頂部平臺(tái)上,一般覆土厚度要達(dá)到2m以上,并栽種喬木,喬木選擇按表1。

除有效治理外,矸石山處置還可以考慮綜合利用,如發(fā)熱量在300至1 000大卡的煤矸石,可以全部或部分代替黏土,生產(chǎn)煤矸石空心磚、矸石水泥等新型建材,在進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí)充當(dāng)填充物或充當(dāng)路基,也可以用煤矸石就地充填廢礦井。

表1 植被恢復(fù)草木技術(shù)指標(biāo)

4.4 水資源保護(hù)

在進(jìn)行土地復(fù)墾或是矸石山治理過(guò)程中,為保護(hù)水資源必須采取的措施:

首先,凡有揭露和穿透水層的勘探工程,必須按照有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格做好分層止水和封孔工作,從而防止水資源被污染;

其次,生態(tài)恢復(fù)工程用水使用處理后的礦井水,同時(shí)通過(guò)改造、系統(tǒng)優(yōu)化等措施提高礦井水重復(fù)利用率;

第三,進(jìn)行矸石等固體廢物處置時(shí)做好防滲工作,避免污染地下水,同時(shí)注重保護(hù)人工湖或觀賞性水池不受污染。

4.5 微生物修復(fù)技術(shù)綜合使用

無(wú)論是土地復(fù)墾還是植被恢復(fù),微生物技術(shù)的利用都可以作為重要輔助技術(shù)手段。

土地復(fù)墾過(guò)程中,表土遷移或覆土造田后,通過(guò)人工接種方式確立特定菌類(lèi)的勢(shì)地位可以較為快速地恢復(fù)土壤墑值、逐漸提高土壤營(yíng)養(yǎng)成分,為下一步作物耕種或林木栽種打下良好基礎(chǔ)。微生物的利用技術(shù)重在生態(tài)環(huán)境中原始菌群的分離、純化和培養(yǎng)以及投入使用時(shí)的馴化。

5 結(jié) 語(yǔ)

采煤影響區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理是一項(xiàng)復(fù)雜的、系統(tǒng)的工作,項(xiàng)目實(shí)施必須在詳盡調(diào)查煤礦基礎(chǔ)環(huán)境的基礎(chǔ)上,精心規(guī)劃設(shè)計(jì),預(yù)先考慮到所有能考慮到的不確定因素。古交市采煤企業(yè)眾多,采煤影響區(qū)域占到其行政轄區(qū)的50%以上,在進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),技術(shù)路線(xiàn)的確定是重中之重。而礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目往往存在著長(zhǎng)遠(yuǎn)利益與暫時(shí)利益、全局利益與局部利益、環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益等一系列矛盾,因此在進(jìn)行技術(shù)路線(xiàn)確定時(shí),要綜合考慮,以環(huán)境效益為衡量的標(biāo)尺,兼顧經(jīng)濟(jì)投入與地方因素。

(編輯:王愛(ài)萍)

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AbstractAs the rapid development of coal economy,the ecological environmental destruction has become increasing serious in Gujiao.This paper analyzes the present status of the ecological environment in the coal mining effected area in Gujiao,discusses some correspondingmeasures on land reclamation and ecological restoration based on land destruction,ecological degradation,and environmental pollution inmining area,and advances some concrete technological rout for ecological restoration according to the present status.This paper provides a beneficial reference for the practice of ecological restoration in Gujiao,and also provides the way of thinking for the further application and research of ecological restoration technology.

Key wordscoalmining;ecological restoration;technological rout

Technological Rout of Ecological Restoration in the CaolM in ing Effected Area Taking Gujiao as an Example

YUAN Xin1L IU Yu-ping2
(1.Taiyuan Coal Gasification(Group)Corporation,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China;
2.No.2 Coal Coking Plant,Taiyuan Coal Gasification Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03專(zhuān)-0146-04

2009-10-27

苑鑫,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)榈V山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)。