楊彥生

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

煤炭大約占全國一次能源總量的74%，是我國最重要的能源。我國在1989年成為了第一產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)量突破10億t，到了2010年其產(chǎn)量突破30億t。同時仍在以每年3.3萬～4.7萬hm的速度增加。煤炭開采造成了大量的土地破壞，同時也產(chǎn)生了大量的煤矸石。

1 土地填充的方法

1.1 煤矸石的填充

煤矸石作為礦區(qū)主要的環(huán)境污染物，是開采煤炭過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品。存放煤矸石會大量占用土地，還有可能對大氣和土壤在成一定程度的污染。目前煤矸石的作用主要是用來填充塌陷地，這些經(jīng)過煤矸石填充后的土地可以覆土后作為農(nóng)業(yè)耕地使用，也能夠直接作為建筑用地煤矸石的填充系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 煤矸石填充系統(tǒng)圖

1.2 粉煤灰的填充

粉煤灰目前每年在我國的產(chǎn)量高達(dá)數(shù)億噸，是火力發(fā)電的主要副產(chǎn)品。粉煤灰的存放也會浪費大量的土地，同時對周圍的環(huán)境會造成嚴(yán)重污染。現(xiàn)階段最常用粉煤灰處理手段就是用來填充塌陷地，這樣即可以避免環(huán)境的污染，也可以減少土地的浪費。具體的方法是將摻土70%的粉煤灰填充到塌陷地區(qū)，然后再在上面附上一層80 cm左右厚的土壤，粉煤灰的填充復(fù)墾工藝流程如圖2所示；這樣就可以作為耕地投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)了，當(dāng)然也可以在填充后壓實直接用作建筑用地。

圖2 粉煤灰填充復(fù)墾工藝流程

1.3 河湖淤泥填充

當(dāng)塌陷地區(qū)離河流湖泊較緊時，最簡單的方法就是利用淤泥進(jìn)行填充，但是這種方法有一定的限制因素，而且相比其他土壤淤泥較重，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)墾地質(zhì)過細(xì)，這樣的地質(zhì)不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.4 垃圾填充

上面提到的煤矸石填充、粉煤灰填充以及湖河淤泥填充等方法都因為原料的特質(zhì)而受到一定的限制，局限性較大。如果以垃圾作為填充原料就能夠很好的解決這些問題，垃圾的取用量大，不受地區(qū)限制，十分適用于填充塌陷地區(qū)，唯一的問題就是要對垃圾進(jìn)行處理后在進(jìn)行填充。

2 關(guān)于煤矸石充填復(fù)墾技術(shù)研究

在利用煤矸石進(jìn)行填充前，首先要調(diào)查煤矸石是否有較為嚴(yán)重的水蝕現(xiàn)象，如果有塌方和溝蝕的現(xiàn)象，則需要進(jìn)行水土保持工程。在采取水土保持措施時，還要考慮需不需要降低坡度。由于煤矸石風(fēng)化殼較薄，因此并不提倡用其來平整地面，如果利用煤矸石平整地面，需要讓其風(fēng)化一段時間使其形成風(fēng)化殼，這樣才能便于復(fù)墾。自燃完的煤矸石也不宜平整地面，防止露出下層半燃燒的矸石。此外，在實施填充前應(yīng)該對土樣及煤矸石采樣進(jìn)行風(fēng)化測定，同時對同土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行測定，這對后面選擇種植植被有只要意義。

2.1 覆蓋方式

直接復(fù)墾

因為對煤矸石的風(fēng)化度有一定要求，采取直接復(fù)墾方式其質(zhì)數(shù)的成活率比植草要更高一些。對樹木進(jìn)行選擇是要選擇健壯些的樹，并加以適當(dāng)修剪，同時斷根蹲苗一段時間，帶土移植。這一類苗木體內(nèi)蓄積了一定的養(yǎng)分，其根系可以在土球中快速生長，因此具有抗逆能力，更能夠適應(yīng)煤矸石充填復(fù)墾的土地。另外，復(fù)墾土地上應(yīng)該移栽提前挖好一段時間的樹坑，讓坑內(nèi)和掘出的煤矸石風(fēng)化。進(jìn)行栽種是還要對其進(jìn)行施肥，移栽后澆水，移植季節(jié)早春優(yōu)于秋季。如果選擇種草，則可以進(jìn)行直接播種，但是因為地面呈現(xiàn)黑色容易導(dǎo)致高溫，致使草苗燒死，所以成活率不高。為了提高其成活率，可以進(jìn)行營養(yǎng)體缽育后再進(jìn)行移栽。

薄覆蓋復(fù)墾

根據(jù)薄覆蓋復(fù)墾對風(fēng)化度和地面情況的要求，對煤矸石充填土地的覆蓋要求就是讓施加的黃土完全將黑色地面(即煤矸石填充地面)覆蓋住即可(2～5 cm)。這種方式很好的結(jié)解決了直接播種草籽保苗難的問題，順序是先將草籽播種下去，然后在薄薄地覆上一層黃土。當(dāng)然也要對其進(jìn)行施肥，入冬前需要對幼樹或小草澆一次水。在進(jìn)行復(fù)墾工作時，不僅要重視移栽、播種等方面的問題，對植物成活后的管理工作也要引起重視。

2.2 關(guān)于覆蓋土厚度的討論

在煤矸石表面蓋土的厚度，關(guān)系到植物的立地條件，以及土源和復(fù)墾的投資問題，因此在進(jìn)行復(fù)墾是，要考慮到這兩個方面。直接復(fù)墾和薄覆蓋復(fù)墾兩種方式不僅考慮到土源和投資問題，也考慮到了植物根系的生長問題。煤矸石被土壤覆蓋后，種植其上的植物絕大部分根系都扎于土壤中，只有很少的根系會深入到矸石中。所以,所蓋土壤的厚度不宜太厚，尤其某些氣候比較干旱的地區(qū)，土層很容易蒸發(fā)干旱，植物根系無法利用煤矸石中的水分，植物就會缺水，甚至萎焉，而根系扎于煤矸石中的植物就可以很好的利用煤矸石中的水分，因而不會出現(xiàn)缺水的癥狀?；诖颂岢隽吮「采w復(fù)墾和直接復(fù)墾。采用這兩種要重視植物栽培技術(shù)，確保復(fù)墾動作順利進(jìn)行。

2.3 植物種類

在選擇種植植物的種類時，會優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)乜缮L的植物。常見的是種植植物的種類有杜松、苜蓿、刺槐、芍藥、榆樹梅、小葉丁香、側(cè)柏、紅豆草、沙生冰草、無芒雀麥等等。隨著煤矸石風(fēng)化程度的加深，復(fù)墾土地表層物質(zhì)的性狀必然會發(fā)生一定程度的變化，進(jìn)而對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，因此土地復(fù)墾是一件長期的工作，并且需要進(jìn)一步的研究。

2.4 煤矸石的自燃及滅火

煤矸石自燃后其性狀會發(fā)生很大變化，硬度會變大，粘結(jié)性不好，親水性變小，且不易風(fēng)化，此外，煤矸石在自燃過程中還會破壞硅鋁酸鹽結(jié)晶產(chǎn)生灰分，可溶鹽達(dá)1%～2%，pH值5～3，有的可能還存在活性鋁。因此與未燃燒的煤矸石相比，其性狀存在很大差異，植物很難在自燃后的煤矸石上生長。

煤矸石自燃后其表層散熱良好，因此其表面還會留存一些未燃燒的煤矸石風(fēng)化層，性狀和未自燃的煤矸石相同，因此自燃后的煤矸石只要還有黑色的矸石風(fēng)化層，還是可以進(jìn)行復(fù)墾的。煤矸石自燃后，會造成嚴(yán)重的大氣污染，通常會用石灰乳灌漿，讓煤矸石表面結(jié)成不透氣層，以此來滅火，但是該方法不能完全的撲滅火源，通常會再度自燃。并且用石灰乳灌過的土地會形成一層幾厘米厚的是灰層，植物無法生長，用石灰乳滅火并不利于土地復(fù)墾。用泥漿澆灌也可以起到較為徹底的滅火作用，所以在選擇滅火方式是要結(jié)合整個復(fù)墾工程，進(jìn)行全局考量。

2.5 煤矸石充填復(fù)墾對密實度的要求

煤矸石充填復(fù)墾工程中，采取的是“由低到高、自然銜接，分層排放、分層賭徒、分層碾壓、分層平整”的作業(yè)模式，這里要求每層煤矸石的排放標(biāo)高為5 m，每一層所覆蓋的土層厚度為0.5 m，根據(jù)《土地復(fù)墾控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》頂層和坡面覆土厚度達(dá)1 m，密實度需要高于85%，以此防止煤矸石自燃。

2.6 復(fù)墾后邊坡的防護(hù)

進(jìn)行復(fù)墾工程后，為了保證過往行人的安全以及坡下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要對邊坡采取防護(hù)設(shè)計，生態(tài)防護(hù)和工程防護(hù)相結(jié)合的方法是目前最常采用的邊坡防護(hù)方法。

工程防護(hù)。復(fù)墾后為了防止煤矸石的自燃，許多國家都采用了分層壓實周邊覆土的方式來填充煤矸石，煤矸石的分層壓實堆積如圖3所示；通過實踐證明了這種方式能夠有效應(yīng)對煤矸石的自燃。在進(jìn)行土地復(fù)墾時，都要采取一些防護(hù)措施，而比較常用的方法就是護(hù)面墻，即重力式擋土墻。采用護(hù)面墻的優(yōu)點是強度高、效果好，缺點是石材的使用量過大，成本較高，并且護(hù)面墻很難形成植物覆蓋，顏色單一，景觀效果不佳，對環(huán)境保護(hù)不利。

圖3 煤矸石的分層壓實堆積

生態(tài)防護(hù)。近些年來生態(tài)防護(hù)越來越多的應(yīng)用到工程實踐中，因為其在保護(hù)坡面的同時還能改善環(huán)境，起到提升景觀的效果。常見的生態(tài)防護(hù)形式有：第一種人工植草護(hù)坡，該防護(hù)形式比較傳統(tǒng)，人為播撒草種，讓坡面上形成大面積草坯，這樣就起到了保護(hù)坡面的作用，這種防護(hù)方式比較適合土石混合邊坡、土質(zhì)邊坡，其優(yōu)點是造價低廉，施工簡單；第二種網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡，該防護(hù)形式使用最為廣泛，多用在道路工程中，這種防護(hù)方法是用磚、石等剛性材料在護(hù)坡表面形成網(wǎng)格骨架，形成剛性防護(hù)，然后再在形成的網(wǎng)格上種植植被，這樣就能有效的保護(hù)網(wǎng)格內(nèi)的土體，并且能夠有效防止水土流失，網(wǎng)格和植被形成了一個綜合護(hù)坡體系，很好的保持了邊坡的穩(wěn)定性，并且顯著恢復(fù)了邊坡的生態(tài)環(huán)境，對環(huán)境保護(hù)、防止水土流失有很大幫助，這種護(hù)坡的成本較高，更適用于大型復(fù)墾工程；第3種就是生態(tài)袋護(hù)坡，該防護(hù)形式是一種新型的護(hù)坡方法，在河道生態(tài)治理項目中應(yīng)用較多，其是通過將植物裝在有營養(yǎng)級的生態(tài)袋中，讓植物生長繁育形成坡面植被覆蓋的，以此實現(xiàn)邊坡防護(hù)和環(huán)境修復(fù)的目的，這種護(hù)坡方式能夠很好的適應(yīng)水環(huán)境和潮濕環(huán)境，但是植物的生長較為依賴生態(tài)袋的營養(yǎng)級基，對植物的長期生長限制較大，具有較差的防護(hù)持續(xù)新。

3 復(fù)墾土壤的質(zhì)量變化

3.1 物理性質(zhì)的變化

復(fù)墾土壤會因為所采用的不同復(fù)墾方法而受到不同程度的干擾，這就會在一定程度上改變復(fù)墾土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。

密度的變化，如圖4所示。由于復(fù)墾過程中對土壤施加了不同的工程措施，使土壤的密度發(fā)生變化。如在壓實土壤時，土壤中的孔隙會因碾壓變少，最終使土壤的密度增大。普通土壤的密度為1.35～1.53 g/cm，土壤密度增加為1.5～1.8 g/cm。由此可見，經(jīng)過人工填充復(fù)墾后的土壤，其容重都會有不同程度的增加。

圖4 某礦區(qū)復(fù)墾土壤密度變化曲線

土壤的透水率和孔隙度的變化，如圖5所示 。因為機械的碾壓等原因，土壤在復(fù)墾過程中會變得比較緊實，導(dǎo)致土壤孔隙變小，進(jìn)而使得復(fù)墾過后的復(fù)墾土壤的入滲率降低，而含水率升高。當(dāng)用泥漿泵復(fù)墾土壤時，水分會大量的進(jìn)入土壤，而工程的排水系統(tǒng)還沒建立完善，會使得復(fù)墾土壤的含水率增大，甚至?xí)_(dá)到普通農(nóng)業(yè)土壤的2倍，同時土壤的入滲率也會顯著降低。而使用推土機對土壤進(jìn)行復(fù)墾操作時，土壤將會被壓實，孔隙明顯減少，土壤的強度提高，導(dǎo)致入滲率降低。

圖5 某礦區(qū)復(fù)墾土壤含水率變化曲線

水分變化，在對土壤進(jìn)行復(fù)墾時，土壤會被重建，在此過程中會對土壤造成擾動，導(dǎo)致土壤的剖面層次發(fā)生較大的變化。有研究人員對經(jīng)過填充復(fù)墾后的突然的水分豎直運動進(jìn)行了研究，結(jié)果證明土壤顆粒級配和填充物顆粒級配的對比關(guān)系會影響到上層土壤的水分含量，使用煤矸石和粉煤灰進(jìn)行填充復(fù)墾后的耕地水分條件不佳，主要是因為水分的滲漏，還由于煤矸石和粉煤灰對水分的吸持力不足導(dǎo)致的，它在一定程度上阻礙了水分的上升運動，此外田間土壤中的水分還會發(fā)生較強的蒸發(fā)蒸騰，使得上層覆蓋土壤的水分流失較快，最終導(dǎo)致水土缺水。

3.2 土壤復(fù)墾后的化學(xué)性質(zhì)變化

土壤營養(yǎng)成分化學(xué)性質(zhì)變化，如圖6所示。

圖6 某礦區(qū)復(fù)墾土壤pH值變化曲線

當(dāng)前更多的是采用粉煤灰和煤矸石作為填充原料進(jìn)行土壤復(fù)墾，然后在其表面附上一層80 cm厚的土壤作為農(nóng)用地，有研究采用不同復(fù)墾方法后土壤費力逐年的變化，也有一些學(xué)者對礦山復(fù)墾土壤的營養(yǎng)元素時間空間的變化進(jìn)行了詳細(xì)研究，最后的結(jié)果都顯示：煤矸石和粉煤灰等所含有的營養(yǎng)成分都不高，因而經(jīng)過復(fù)墾后的土壤中的有機質(zhì)、全氮、速效磷等含量都比較低，但是其速效鉀和全鉀的含量十分充足，并且pH值都比8大，復(fù)墾土壤的堿性過強。隨著時間的流逝，復(fù)墾年限逐漸增加，加上人為投入肥料等因素，復(fù)墾土壤的養(yǎng)分含量會適當(dāng)?shù)奶岣?，尤其是其中的氮、磷、鉀含量都顯著提高，而土壤的pH值也慢慢的趨于中性。這說明隨著時間的延長，復(fù)墾土壤會逐漸熟化，顯著提高了復(fù)墾土壤的生產(chǎn)力，使復(fù)墾土壤慢慢的變得有利于農(nóng)作物的成長。

復(fù)墾土壤的污染及修復(fù)。煤矸石中含有Cu，Gr，Zn，Cd，Pb，Mn等污染元素，在其堆放，搬運以及處理過程中，這里元素會回落到土壤中，而對土壤造成污染，甚至?xí)S著雨水污染土壤和地下水?，F(xiàn)階段研究煤矸石填充復(fù)墾土壤的污染性還相對較少，更多的是研究復(fù)墾的方法，并且主要是研究如何增加耕地面積等，而對土壤性質(zhì)的研究很少。這些年，逐漸有學(xué)者研究土壤的污染性，并分析了復(fù)墾土壤中重金屬的分布規(guī)律，以及主要農(nóng)作物的污染，還有一些研究人員研究分析了不同復(fù)墾時間的煤矸石復(fù)墾土壤的重金屬污染，這些研究結(jié)果都表明：煤矸石中Cu、Hg、Pl、Cd等元素對復(fù)墾土壤的污染更嚴(yán)重，尤其是Cd元素的污染最嚴(yán)重，另外三種元素的影響相對較小。治理重金屬污染土壤的重要手段之一就是植物修復(fù)技術(shù)，這種方法也被全世界各國的學(xué)者重點研究。

3.3 經(jīng)過復(fù)墾的土壤生物活性分析

同原始土壤相比較，復(fù)墾土壤有其特定的環(huán)境，復(fù)墾土壤的生物物性有很大的差異，其會顯著影響土壤中化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和運輸。與原始土壤相比，復(fù)墾土壤中的菌群、微生物數(shù)量、真菌、生物活性強度等優(yōu)勢種屬都較低，此外對土壤生物活性行進(jìn)比較可以發(fā)現(xiàn)，不覆土區(qū)低于種植區(qū)，禾本科種植區(qū)低于豆科種植區(qū)。

3.4 經(jīng)過復(fù)墾后土壤生產(chǎn)力的變化分析

目前只有極少數(shù)學(xué)者分析評價了土壤的質(zhì)量?？蒲腥藛T研究分析了復(fù)墾土壤的耕作效果，還對其做了一定的評價，該研究中使用了模糊PI模型，以一個定量對土壤的生產(chǎn)力進(jìn)行了評價，這個模糊PI模型使用耕作效果指數(shù)對其耕作效果進(jìn)行評價。還有研究人員分析研究了影響土壤生產(chǎn)力的要素，還提出了復(fù)墾土壤生產(chǎn)力指數(shù)的修正模型。還有一些研究人員對徐州礦區(qū)復(fù)墾后土壤質(zhì)量進(jìn)行了評價，主要分析了兩種指標(biāo)，土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力，而復(fù)墾土壤質(zhì)量的高低則用土壤質(zhì)量評價指數(shù)評價。此外，還有學(xué)者對山西平塑露天礦的復(fù)墾土壤及其環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了研究，主要是采用單項和綜合污染指數(shù)對其做了評價，最后表明這個礦區(qū)的土壤有污染性；而土壤質(zhì)量很大程度受到復(fù)墾方法的影響，且復(fù)墾后土壤的生產(chǎn)力逐年提高。采用煤矸石填充復(fù)墾土地，其有機物的含量會高于當(dāng)?shù)氐耐寥?；而?fù)墾土壤中的營養(yǎng)成分含量則會低于當(dāng)?shù)氐耐寥?，因而土壤的質(zhì)量會較低，具體理化指標(biāo)如表1所示。

表1 某復(fù)墾區(qū)煤矸石的理化指標(biāo)統(tǒng)計

4 煤矸石復(fù)墾技術(shù)的問題和研究方向

4.1 加強復(fù)墾土壤綜合質(zhì)量的研究

盡管已經(jīng)有一些研究人員研究了復(fù)墾土壤的物理、化學(xué)、生物活性等性質(zhì)，但是大多集中在特定的一個特性上，很少有對土壤的綜合質(zhì)量進(jìn)行研究，對土壤質(zhì)量動態(tài)變化的研究則更少。因此，未來應(yīng)該重點開展這方面的研究，爭取構(gòu)建全面的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系，并且確立完善的動態(tài)檢測機制。

4.2 加強研究復(fù)墾土壤肥力提高和維持

在研究煤矸石填充土地復(fù)墾時，更多的是探討怎樣對土壤進(jìn)行復(fù)墾，和如何修復(fù)環(huán)境等，即使也有少數(shù)研究人員對復(fù)墾土壤的某些性質(zhì)進(jìn)行了研究，但是目前國內(nèi)很少看到關(guān)于如何使復(fù)墾土壤肥力提升的研究。而若是不重視復(fù)墾土壤肥力的提高，只是停留在整平土地的層面上，那么土地復(fù)墾就是去的其真正的價值。所以在今后的研究中，應(yīng)該注重研究如何提高土壤的肥力，這也是土地復(fù)墾是否成功的重要因素，還要加強對合理土壤層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建研究，同時著力與解決土壤壓實機理以及孔隙的控制問題，怎樣提高土壤的肥力等等。

4.3 對復(fù)墾土壤質(zhì)量用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行動態(tài)管理

目前大多采用傳統(tǒng)的方法研究復(fù)墾土壤的性質(zhì)，這樣會耗費大量的人工和時間，不夠及時，所以我們應(yīng)該將現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用起來，這樣可以更準(zhǔn)確更快速的得到研究數(shù)據(jù)。例如，復(fù)墾土壤植被變化的數(shù)據(jù)可以用RS采集，這種方法能夠反演土壤性質(zhì)的變化情況，充分了解土壤性質(zhì)的變化。另外，復(fù)墾土壤的質(zhì)地、層次、有機質(zhì)、含水率等可以用探地雷達(dá)進(jìn)行觀測，進(jìn)而直接檢測土壤的質(zhì)量。為了實現(xiàn)對土壤質(zhì)量的快速評價可以利用GIS強大的空間分析功能，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤質(zhì)量變化的檢測。

5 結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)耕地總面積的43%左右是煤炭資源區(qū)域。大量的煤炭開采讓塌陷區(qū)域大面積過大，所以廣泛的使用的復(fù)墾技術(shù)。過去的20多年，我國的復(fù)墾技術(shù)和方法已經(jīng)有了一定程度的發(fā)展，而復(fù)墾土壤質(zhì)量的研究相對較少，或者只有少數(shù)學(xué)者個別特征進(jìn)行了研究分析，對復(fù)墾土壤質(zhì)量的綜合評價和標(biāo)準(zhǔn)研究相對較少，同時也少見有對土壤質(zhì)量改良措施的研究。此外，利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)對復(fù)墾土壤質(zhì)量進(jìn)行無損探測還在初始階段，各種機理和方式都還需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此我們對復(fù)墾土壤的研究，要重視利用現(xiàn)代技術(shù)對復(fù)墾土壤的質(zhì)量進(jìn)行改良、修復(fù)和評價。