程睿

(深圳市如茵生態(tài)環(huán)境建設有限公司，廣東 深圳518057)

自二十世紀五十年代以來，露天采礦工藝因適合大規(guī)模和機械化開采，且具有前期基建工程量少、周期短、后期作業(yè)條件好、生產效率及回采率高等優(yōu)點，成為礦產資源開采的首選方式并始終占據(jù)主導地位[1]。目前，我國露采礦山眾多，其中鐵礦山占80%，有色金屬礦山(其中90%重點金屬礦)占50%，化工礦山占70%。值得注意地是，近100%的建材礦山均采用露天開采[2]。據(jù)中國地質調查局的調查結果[3]，截止到2018年，全國涉及露天開采的各類礦山近19萬個，廢棄的露采礦山8萬余座。露天采礦所形成的底平面、終了邊坡及邊幫構成了巨大的采場境界面，占到礦山總面積的近三成。在礦山各種廢棄地中，由采坑幫面、臺階、采掘、運輸平臺和坑底所構成的采坑廢棄地面積占比最大。

我國露采礦山主要采取全境界開采方式，普遍采用陡幫、高臺階和穿爆等現(xiàn)代采礦技術開采作業(yè)。現(xiàn)代化采礦技術顯著提高了露天開采強度和效率[3]，但也帶來了一系列的環(huán)境問題。例如：陡幫開采造成開采面坡度(50°～70°)較大，局部崩塌后呈倒坡狀；高臺階開采的單臺階高度多在25～30 m，甚至45～50 m,當巖石強度不足時臺階坡面受到高應力干擾，則長自由邊界的巖體易形成爆裂體而發(fā)生崩塌；穿爆作業(yè)造成開采面巖體結構碎裂嚴重，危巖聳立，淺表巖體穩(wěn)定性差等。露采礦山開采壽命一般長達數(shù)十年，隨著采礦場的延深，露天境界面越來越大，采坑地質環(huán)境長期受風蝕、雨蝕、采礦爆破振動等外力因素的破壞也更嚴重。同時，隨著礦山生命的延續(xù)，暴露在空氣中的硫礦物越多，時間越久，礦區(qū)土壤酸化和重金屬污染水平也更嚴重，造成采坑廢棄地數(shù)十年都難以自然恢復植被。當前，采坑廢棄地生態(tài)修復問題已成為我國露采礦山普遍面臨的難題。因此，開展采坑廢棄地生態(tài)修復技術研究，提出可行的生態(tài)修復模式已成為一項緊迫且極其重要的課題。近年，國內關于礦山修復技術的研究頗多[4-8]，但關于典型的露采金屬礦山采坑廢棄地的生態(tài)治理研究的報道卻很少[9-11]。本研究以江西某露采銅礦為研究對象，開展采坑廢棄地生態(tài)修復技術模式研究，以期為同類廢棄地的生態(tài)治理提供借鑒。

1 治理區(qū)基本情況

1.1 礦山開采歷史及現(xiàn)狀

該銅礦于二十世紀八十年代建成投產，后經延深擴幫開采，至今已30余年，因露采資源殆盡，即將閉坑?，F(xiàn)礦區(qū)總面積超過13 km2，露天開采境界面積約180 hm2。目前，露采境界面內遺留大面積采坑裸巖邊坡及采掘、運輸平臺等廢棄地，已生態(tài)治理面積尚不足15%。

1.2 礦山地質概況

1.2.1 地形地貌

礦區(qū)為低山、丘陵地貌，其露天采場為不規(guī)則的環(huán)形深凹采坑，極限高程為-55～441 m，最大高差約500 m。采坑坡面基巖裸露，坡度多在60°～80°，臺階高差25～30 m，各級平臺寬度從數(shù)米到十數(shù)米不等，多有松散堆積的廢礦或崩塌的較大碎石塊。

1.2.2 地層巖性

礦區(qū)位于揚子與華南兩板塊的拼接地帶，萍鄉(xiāng)—廣豐深斷裂南側的晚古生代裂陷海槽內，地層主要為前震旦紀周潭群和晚古生界[12]，由基底地層和蓋層地層組成。礦體圍巖以混合巖為主，含礦層和近礦圍巖，主要為矽卡巖，其次為常與矽卡巖、礦體呈夾層或互層狀的千枚巖和頁巖。礦物為典型的多金屬硫化礦,主要為黃銅礦(CuFeS2)，方鉛礦(PbS)、閃鋅礦(ZnS)和黃鐵礦(FeS2)，脈石礦物主要為石英和絹云母等。

1.2.3 地質構造

地質構造以近南北向的侯家—嵩山倒轉背斜與F1(應天寺—火燒崗逆掩斷層)和F2(天排山逆斷層)斷層為主，區(qū)內出露的最大侵入巖為十字頭巖體。

1.2.4 氣象水文

礦區(qū)地處中亞熱帶季風氣候區(qū)，日照充足，雨量充沛。年平均氣溫在17.2～19.6 ℃之間，無霜期為225～270 d，年均降水量1 700～2 100 mm，主要集中在4—6月份，常年以東南風為主。

1.2.5 自然植被

礦區(qū)屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域，周邊自然植物群落以亞熱帶常綠闊葉林為主，如青岡櫟、苦櫧、木荷等，人工植被群落以馬尾松等亞熱帶針葉林為主，其次是荒山灌木草叢。

2 露采境界面生態(tài)環(huán)境問題識別及破 壞成因分析

2.1 生態(tài)環(huán)境問題識別

2.1.1 原生態(tài)系統(tǒng)和地貌景觀損毀嚴重

露采境界面內的原生植被和表土被徹底剝離殆盡，邊坡基巖裸露，使植物徹底失去生長的立地條件。原有生態(tài)系統(tǒng)徹底損毀，造成礦區(qū)水土流失、植被退化、生物棲息地破壞以及生物多樣性降低。巨大的裸露創(chuàng)面破壞了礦區(qū)地貌景觀，支離破碎的山體也破壞了自然生態(tài)景觀的連續(xù)性和協(xié)調性。

2.1.2 裸露創(chuàng)面自然修復能力差

露采境界面內除采坑頂幫剝離區(qū)的一兩級土質或強風化坡面及平臺等有少量野生植被侵入之外，其他坡面和平臺無植被覆蓋，而且嚴重缺乏土壤種子庫和土、肥、水等植被恢復所需的基本要素，完全不具備自然修復能力。

2.1.3 采坑邊坡長高陡峭易崩塌

采坑裸巖坡面長、高、陡、峭，不僅巖體節(jié)理發(fā)育，結構碎裂；受爆破振動、風蝕、雨蝕尤其酸蝕等外力破壞嚴重，采坑邊坡危巖聳立，巖體穩(wěn)定性較差，風化脫落現(xiàn)象嚴重，滑坡、崩塌等地質災害隱患較大，局部崩塌的碎巖在平臺松散雜亂堆積。

2.1.4 酸性廢水及重金屬污染嚴重

采坑巖體表面和巖縫裂隙附存大量酸性沉積物，受降雨和地表水影響，巖縫裂隙不斷有酸性礦山廢水(Acid Mine Drainage，AMD)濾出，與平臺遺留或崩塌的廢礦堆浸出的AMD(pH 1.0～3.0)匯聚在凹地；尤其是雨季，容易導致暗紅色的AMD積聚，從而加劇對廢礦的酸浸，使大量的有害重金屬持續(xù)浸出，向環(huán)境釋放，對下游開采面形成嚴重的酸蝕和環(huán)境污染(見圖1)。

2.2 生態(tài)環(huán)境破壞成因分析

造成礦區(qū)生態(tài)破壞和環(huán)境污染的成因雖復雜多樣，但主要歸為人為因素和自然因素。人為因素首先是露采清表和采礦剝離直接造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，基巖裸露，廢礦碎渣雜亂堆積并暴露于空氣。其次是陡幫和高臺階開采方式必然形成高陡的臨空面，增加巖體變形崩塌風險。另外，采掘過程中穿爆作業(yè)造成開采面受爆破影響，不僅巖體結構被破壞，導致裂隙加劇，碎裂松散，而且坡面地形凹凸不平、陡石嶙峋，危巖聳立。

自然因素主要是礦區(qū)地處中亞熱帶季風氣候區(qū)，溫度高、雨量多、濕度大和光照足，適宜的氣候環(huán)境加上暴露于空氣的金屬硫化礦物，促使嗜酸和產酸性環(huán)境微生物比較活躍，繁殖快、活性高，造成礦區(qū)環(huán)境持續(xù)酸化。其次是各種環(huán)境因素的綜合作用加速了裸巖坡面風化和裂隙發(fā)育，增加滑坡、崩塌風險，促使結構碎裂的裸露巖體和崩塌的松散碎石堆中的金屬硫化礦物暴露面更大，也更易氧化酸化。第三是受地表水影響，含硫化礦廢石堆及裸露巖面會浸出大量AMD，不僅通過酸浸效應持續(xù)向環(huán)境釋放有害重金屬，加劇環(huán)境污染，造成惡性循環(huán)，而且對裸巖表面和裂隙長期形成酸蝕效應破壞巖體結構，加劇巖體裂隙發(fā)育、變形、崩解，誘發(fā)地質災害。此外，暴雨沖刷、水土侵蝕及泥石流沖擊均加劇了地質環(huán)境破壞。

3 露采境界面生態(tài)修復工程技術模式

3.1 生態(tài)修復模式

3.2 地質地貌工程修復及防護技術

3.2.1 清危排險，重塑地貌

不宜機械施工作業(yè)的采坑坡面，借助人工清理坡面松動的危巖、浮石、陡石，消除墜落、崩塌等安全隱患。平臺溝道等采用機械修整殘留或崩塌的碎石廢礦，重塑地形地貌，使平臺場地以2%坡度指向坡腳，以利平臺截排水。對強風化不穩(wěn)定或滑坡體廢石坡面進行適當?shù)南髌滦遁d，重塑穩(wěn)定的地形條件。通過清危排險和地形地貌修整，穩(wěn)固坡體，消除安全隱患，重塑有利地形，為圍堰防護、攔蓄分流和植被恢復創(chuàng)造立地條件。

3.2.2 完善水系，清污分流

采坑坡體長、平臺寬，各級坡體與平臺均構成較大匯水面。遵循因勢利導、分級截留的原則梳理水系，沿幫頂和各級平臺構筑必要的截排水網以截流排洪，減少水土侵蝕及泥石流災害，同時將清污分流以遏制污染擴散，消減AMD流量，降低后續(xù)AMD處理負荷。采場周邊及平臺縱向排水溝采用梯形漿砌石或現(xiàn)澆混凝土結構，平臺排水溝采用矩形混凝土結構。參照《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》[16](DZ/T 0219—2006)中計算方法，截排水溝設計流量為：

當F≥3 km時Qp=φSpF2/3

當F<3 km時Qp=φSpF

式中，Qp為設計頻率地表匯水量(單位：m3/s)；φ為徑流系數(shù)；Sp為設計降雨強度(單位：mm/h)；F為匯水面積(單位：km2)。

過流量計算公式為：

3.學生在課堂中學習了一些有趣事實之后，通過Brainstorm的形式讓學生總結可以表達情感和觀點的形容詞，學生給出的詞匯非常豐富。

式中，Q為洪峰流量(單位：m3/s)；W為過水斷面(單位：m2)；C為流速系數(shù)(單位：m/s)，C=R1/6/n，n為溝渠斷面粗糙系數(shù)，混凝土護面取0.015，漿砌塊石護面取0.02；R為水力半徑(單位：m)，為過水斷面面積與濕周之比；i為水力坡降，取2%。

3.2.3 圍堰加固，柔性防護為先

排土場坡腳及山體缺口的圍堰加固，應優(yōu)先采用柔性固土防護技術，即生態(tài)型圍堰防護技術。生態(tài)圍堰固土修復技術是在較復雜地形條件下利用生態(tài)袋進行圍堰固土和植被防護的一種柔性防護措施。如表1所示，在崩塌或失穩(wěn)坡腳臨空面及坡面崩塌或侵蝕缺口等，結合植被恢復采用生態(tài)袋壘砌的生態(tài)圍堰設施修復微地形地貌環(huán)境；在滑塌形成的松散填方邊坡，結合植被恢復技術采用生態(tài)袋加抗滑木樁加固的生態(tài)圍堰設施進行固土護坡。用于生態(tài)圍堰的生態(tài)袋內充填改良的有機營養(yǎng)客土和喬、灌植物種子，匹配地形條件按品字形靈活碼放并用連接扣固定，進行植被恢復后形成生態(tài)型擋墻，即有傳統(tǒng)工程攔擋、保持水土的作用，同時避免了工程攔擋措施致景觀效果差的缺點。

表1 露采礦山采坑廢棄地固土護坡輔助措施 Table1 Auxiliary measures for slope protection of wasteland in open pit mines

3.2.4 固土護坡，工程為輔

采坑廢棄地固土護坡遵循植被為主，工程為輔原則。在存在巖體崩塌甚至滑坡等地質災害隱患的邊坡坡腳臨空面，采用必要的工程加固措施進行防護。如表1所示，在坡腳基礎較為穩(wěn)定，坡度≥45°有崩塌隱患的中風化邊坡坡腳，采用C15及以上混凝土澆筑1.5～2 m高的重力式擋墻進行攔擋，防止?jié)L石滑落或巖體崩塌；在坡腳基礎松軟，坡度≥45°有滑坡隱患的強風化邊坡坡腳，采用C15及以上混凝土澆筑1.5～2 m高懸臂式擋墻，并進行回填壓腳處理，消除臨空面，穩(wěn)固邊坡；坡度<45°的坡面或坡腳采用生態(tài)袋防護。在采坑作業(yè)區(qū)上一級平臺邊沿，設置附加有鐵絲網的被動防護網，對上游區(qū)域形成全面防護，阻止墜落碎石威脅下游生產、運輸作業(yè)人員及財產安全。

3.3 采坑裸巖邊坡原位固化及客土重建技術

采坑高臺階采空面即沒有植物生長所需的土肥水，也基本不具備穩(wěn)定固持土壤的立地條件，還面臨嚴重的AMD污染問題。原位固化修復及客土重建技術是專門針對采坑酸性裸巖邊坡的特殊地質條件和環(huán)境特征開發(fā)的生態(tài)防護技術，其中，原位固化修復工藝簡單高效，能有效解決酸性沉積物造成的存量污染及遏制硫礦物氧化釋酸造成的增量污染問題；而客土重建技術將工程措施與生物技術緊密結合，技術模式成熟可靠，能在復雜立地條件營造穩(wěn)定的土肥水條件。技術要點如下：

3.3.1 酸性裸巖原位固化修復

根據(jù)酸性裸巖污染和環(huán)境特征，利用堿性鈍化劑、固結劑及表面活性劑等阻控材料噴漿法對裸巖表面及裂隙的酸性沉積物進行浸透式中和、鈍化，同時對其進行固化封阻，防止持續(xù)氧化酸化和污染浸出。

3.3.2 掛網及植生條

沿裸巖坡面自上而下掛12號鍍鋅鐵絲網，網孔50 mm×50 mm，鐵絲網間搭接寬度≥10 cm，采用涂有防銹漆的L型12號螺紋鋼進行錨固。錨桿長度30 cm，按2 m×2 m布置，出露6 cm。同時沿坡面縱向每隔30 cm，在網面與坡面之間水平方向掛由無紡布制作，并填充有改良營養(yǎng)客土及喬灌木種子的直徑不小于6 cm的植生條，用扎絲與鐵絲網固定，使網面與坡面保持不小于6 cm的空間。

3.3.3 微地形條件營造

在地形極不規(guī)則或復雜多變的裸露巖面，充分利用微地形條件在坡面凹坑、臺階、陡石等臨空面混凝土澆筑或漿砌飄臺、種植坑、魚鱗坑等；在較為平整但坡度≥60°的裸巖邊坡，沿坡面縱向間隔1.5～2 m，橫向現(xiàn)澆V型種植槽。充分利用微地形條件營造具有攔土、儲水、保肥、種植等功能的微工程設施營造微地形條件，是改善立地條件和小氣候環(huán)境的重要措施。

3.3.4 有機營養(yǎng)客土噴播

有機營養(yǎng)客土由80%的耕植土、10%的生物有機肥、5%的谷糠、4%的土壤調理劑及1%的復合肥、鈣鎂磷肥等組成，添加喬灌草植物種子后，利用液壓濕噴機或多功能噴漿機噴播有機營養(yǎng)客土層，噴播厚度不小于8 cm。

3.4 溝底平臺及松散渣土邊坡土壤重構技術

溝底平臺及渣土邊坡的土壤質地極差，營養(yǎng)極度貧瘠，污染極為嚴重。土壤重構技術采用化學改良修復本底污染，生物基質提高土壤肥力，微生物改善土壤生物學特性，通過多技術協(xié)同優(yōu)勢能全面改善礦區(qū)廢棄地土壤環(huán)境、肥力和健康狀況。技術要點如下：

3.4.1 土壤化學改良

修復酸性和重金屬污染是土壤環(huán)境重構的重要內容。采坑平臺溝道及松散渣土邊坡雖較裸巖坡面立地條件稍好，但酸性廢水和重金屬污染則更為嚴重。尤其雨季酸性廢水在平臺、溝道等洼地積聚，對廢礦渣形成持續(xù)酸浸并向環(huán)境釋放有害重金屬。撒施石灰是快速高效中和土壤酸性的化學改良方式，還能利用Ca2+的拮抗作用有效降低重金屬有害性。石灰用量一般15～45 t/hm2，撒施后對表層15～20 cm土壤進行松耙，強化修復效果。

3.4.2 生物基質改良

良好的土壤環(huán)境是植被快速恢復和健康生長發(fā)育的關鍵。采坑平臺等廢棄地以強風化碎石渣土為主，土壤介質性能差，而且極度貧瘠，缺乏必要的營養(yǎng)元素和有機質。采用生物基質原位改良法，能快速改善土壤理化性質，重構土壤環(huán)境，恢復土壤生產力。生物基質包括腐熟或半腐熟的雞糞、豬糞與谷糠等組分，同時添加復合肥、鈣鎂磷肥等。生物基質用量75～150 t/hm2，撒施后人工松耙深度改良土壤，為植被恢復創(chuàng)造肥沃的土壤條件。

3.4.3 微生物改良

在生物基質改良基礎上施用微生物菌劑以重建土壤微生物群落體系，能抑制產酸、嗜酸微生物活動，重建土壤生態(tài)功能，恢復土壤自凈功能，強化土壤改良效果，加快土壤發(fā)育進程。此外，微生物還能通過吸附、積累和礦化作用修復重金屬污染，尤其與生物基質并用能輔助固定化微生物并強化微生物修復效果[17]。

3.5 立體植被群落恢復及撫育技術

采坑廢棄地地質條件復雜，立地條件差，小氣候環(huán)境惡劣，人工干預恢復植被離不開科學建植和高效撫育，三分建植加七分撫育，才能確保礦山生態(tài)修復的成功。立體植被群落恢復及撫育技術不僅種養(yǎng)并重，而且植被群落建植速度快，植物適應性好，共生互補性強，生物多樣性高，群落自然演替能力強。技術要點如下：

3.5.1 植物配置選擇

植物選擇耐旱、耐酸、耐貧瘠及抗逆性強的種類，尤其是礦區(qū)適應性強、根系發(fā)達的鄉(xiāng)土植物。采用喬、灌、藤、草立體植物配置模式，豆科固氮植物優(yōu)先，多科屬結合，營建多樣性高、層次結構合理、可穩(wěn)定演替的立體植被群落(如表2)。

3.5.2 植物種植方案

適宜的種植方案即是植被恢復成功的技術保障，也是植被群落快速恢復、穩(wěn)定演替的關鍵。先鋒草本生長迅速，但不利于發(fā)芽周期長、苗期生長慢、長勢弱的喬灌木植物?；趯嵺`經驗，采用栽植營養(yǎng)袋苗與播種相結合的直接植被種植方案能促進立體植被快速恢復。其中，播種方案是將經過適當催芽處理的喬、灌、藤種子與草本植物種子及保水劑、膠粉、復合肥、植物纖維、水等進行混合噴播。營養(yǎng)袋苗栽植方案是利用喬灌木種子在苗圃直接培育或利用地苗移栽的兩年袋苗，間隔栽植于經過原位土壤改良的平臺溝道等，以及回填有機營養(yǎng)客土的V型槽、種植坑、飄臺等立地條件較好的區(qū)域。

3.5.3 植被撫育

充足的水分供應是植被正常生長的關鍵，也是植被撫育需要解決的首要問題。采坑廢棄地小氣候環(huán)境差，僅靠微地形工程設施攔蓄自然降水不足以滿足植被生長對水分的需要。根據(jù)治理面積，在幫頂或平臺修砌適當容量的蓄水池，就近由采場給水管網取水送入蓄水池，以供植被養(yǎng)護需要。采坑高程過大、距離過遠則根據(jù)高差、距離在輸水管中部加裝加壓泵接力輸送，或按高差在中間平臺修砌中轉水池逐級向上輸水。用于植被撫育的養(yǎng)護管網由上游蓄水池引出，借助重力作用采用節(jié)水型滴管或噴灌進行養(yǎng)護為主，人工養(yǎng)護為輔。

表2 亞熱帶礦區(qū)生態(tài)修復適生植物及種植方式Table 2 Suitable plants and planting patterns for ecological restoration in subtropical mining areas

4 結論與討論

地質損毀、環(huán)境污染和生態(tài)破壞是礦山生態(tài)修復需要解決的三大難題[18]。因此，礦山修復是一項復雜性、系統(tǒng)性工作，不只是簡單的植被恢復，而是生態(tài)系統(tǒng)重建與功能的恢復。采坑作為露采金屬礦山典型廢棄地，不具備自然修復條件，但借助人工修復措施，已建立起覆蓋度大、層次結構合理、多樣性高、均勻度好的立體植被系統(tǒng)，生態(tài)修復工作日見成效，其修復技術模式對同類廢棄地生態(tài)修復具有借鑒意義。

(1)采坑裸巖受人為和自然因素影響，結構碎裂松散，裂隙發(fā)育，風化侵蝕嚴重，崩塌滑坡風險較大。梳理水系、修復地貌、穩(wěn)固地形，并結合必要工程防護措施消除安全隱患、固土保水，才能為植被恢復創(chuàng)造有利條件。

(2)不同立地條件的采坑廢棄地污染特征差異很大。原位固化法通過浸透式中和、鈍化及封阻能夠有效修復裸巖表面和裂隙沉積的酸性污染物；原位化學改良對地形及土壤介質條件較好的平臺及渣土邊坡土壤污染具有非常好的修復效果。

(3)營養(yǎng)客土的配置及穩(wěn)定固持、污染土壤的改良修復是采坑廢棄地植被恢復的關鍵。采坑邊坡長、高、陡、峭，結合掛網加植生條工藝噴播營養(yǎng)客土才能穩(wěn)定固持，充分營造種植槽、魚鱗坑及V型槽等創(chuàng)造種植條件，有利于在巖面營建多層次的植被群落結構和景觀效果。平臺溝道及渣土邊坡等廢棄地，利用生物基質和微生物原位改良能有效改善土壤理化性質，修復土壤生態(tài)功能。此外，生態(tài)圍堰也是復雜地形創(chuàng)造有利立地條件、恢復植被、保持水土的有效措施。

(4)濕地松、大葉女貞、刺槐、紫穗槐、鹽膚木、多花木蘭、苧麻等喬灌木植物品種及狗牙根、黑麥草等草本植物均表現(xiàn)出良好的適應性，是礦區(qū)生態(tài)修復重要的供選植物。

(5)栽植營養(yǎng)袋苗與播種相結合的種植方案能促進立體植被快速恢復，提高植被覆蓋率和群落多樣性、均勻度及植被群落的自然演替能力。