礦山生態修復有哪些新技術？

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北極星環境修復網訊：本篇內容為礦山生態修復中的新技術探討。

仿自然地貌修復技術

（一）人工地貌

通常，在礦山開採破壞前，礦區原本的經過10年乃至百年自然形成的自然生態系統遭受破壞，繼而促使了礦山地質環境生態修復的發生。礦山地質環境生態修復遠遠不可能使其完全恢復原本的狀態，事實上，更多的時候它是人為地重建一個人工生態系統，這也是生態重建的名詞在土地復墾中被廣泛使用的原因。

人工生態系統是指經過人類干預和改造後形成的生態系統，其易受人類社會的強烈干預和影響，且不穩定，易受各種環境因素的影響，並隨人類活動而發生變化，自我調節能力差，並且系統本身不能自給自足，依賴於外系統，並受外部的調控。同時，生態系統執行的目的不是為維持自身的平衡，而是為滿足人類的需要。所以人工生態系統是由自然環境（包括生物和非生物因素）、社會環境（包括政治、經濟、法律等）和人類（包括生活和生產活動）三部分組成的網路結構。人類在系統中既是消費者又是主宰者，人類的生產、生活活動必須遵循生態規律和經濟規律，才能維持系統的穩定和發展。

典型的礦區人工恢復地貌如經過人工重建的綠化煤矸石山、大型堆砌排土場等，其往往具有較重的人工痕跡，形狀規則佈局過於工整，且花費較大，但不易保持。人工生態系統需要長期的維護，在礦區尺度上，對於全國大量的大面積礦區來說，這種人工生態系統並不是最佳的選擇。

（二）景觀表徵

對於礦山開採破壞景觀的具體評價，現有研究通常透過分形理論或景觀指數來表徵。分形理論大多應用於對宏觀大尺度的地形和微觀尺度的土壤顆粒分佈進行表徵，透過單一分維數表徵地形複雜程度，如河道地貌（朱嘉偉等，2005）、土地利用結構（趙晉寶，2014）、侵蝕沖溝等；透過多重分形譜表徵地形的變異特徵，如土壤粒徑分佈規律（王金滿等，2014）等。但分形理論對於露天煤礦排土場等中小尺度的受損土地景觀表徵研究相對較少（張莉等，2016）。

另一種表示法為景觀指數。利用景觀指數可以表徵礦區土地景現破碎化程度，其連線性與異質性、結構、空間排列等。其主要使用指數包括：分維數、多樣性、優勢度、斑塊數目、景觀型別面積比例、景觀形狀指數、蔓延度、破碎度、夏農多樣性指數與夏農均勻度指數、分離度、均勻度等（畢如田等，2007；李幸麗等，2009；萬越，2015；張前進等，2006；韓武波等，2012），其表徵意義可查閱相關參考文獻。

（三）景觀重塑與再造

由於礦山開採活動形成的人造景觀與周圍原有景觀不協調，景觀連線性差，造成生態系統的不和諧，導致了一系列生態問題，由此就衍生出仿自然地貌理論（張莉等，2016）。仿自然地面要求復墾後地形與當地自然景觀相協調，統籌保護土壤、水源和環境質量，復墾土地應當達到當地原有的可持續發展的景觀生態環境水平。

仿自然地貌更加註重當地原有的生態系統，儘可能接近原有地貌。首先是基於景觀生態學，根據斑-廊-基原理、景觀格局最佳化原理、多樣性與異質性原理等，在重建過程中增大景觀多樣性與異質性，規劃基質與斑塊組成較優的景觀格局。

同時，仿自然地貌注重微地形對生態系統的影響。微地形是針對地理學中巨地形和大地形而言的小尺度的地形變化，可以反映景觀整體形態特徵（張莉等，2016）。日本學者對丘陵地區微地形進行研究並將其分為頂坡、上邊坡、谷頭凹地、下邊坡、麓坡、氾濫性階地和谷床7種類型，而露天煤礦區內的微地形主要指部分割槽域出現的切溝、淺溝、緩臺、塌陷和陡坎等（鄺高明等，2012）。其注重坡面、坡向、坡度對微地形的影響，據此對微地形改造，對土壤屬性和微生境、降雨入滲和水蝕過程、植被恢復的效果及其生態服務功能等均有重要影響（衛偉等，2013），可以透過調節排土場邊坡，繼而構造出適宜的微地形，改善植被立地條件，預防水土流失和阻止水土侵蝕，改善土壤有機質和調節礦區小氣候條件。

仿自然地貌更多的參考原地貌形態與景觀、自然地貌形態特徵。仿照自然地貌的設計能使重建和再造的土地景觀更具協調性和穩定性，生態結構更加合理，視覺效果和經濟型均有所提高。例如，我國山西平朔露天煤礦的排土場地貌在重塑時便運用該理論，仿照黃土高原丘陵山地的層層梯田，設計出相對高差一般為100~150米，平臺與邊坡相間分佈的景觀格局，達到人工景觀與自然景觀相互協調的效果（陳曉輝，2015）。煤礦區周圍臨近成熟的、未擾動的地貌，同樣可以為復墾區地貌設計提供便利，建設自然式緩坡地與自然河道可減少研究區地表侵蝕及水土流失的可能性（胡振琪，1997）。

邊採邊復技術

（一）邊採邊復的概念產生與發展

一種較為直接的看法認為，礦山地質環境生態修復是採礦的一部分。顯然，採礦是復墾的源頭，是生態修復的驅動因素，沒有采礦並不會產生礦山地質生態環境修復問題。復墾為採礦的破壞結果提供解決方案，它作為“採礦-生態”平衡的一個重要手段出現在採礦過程中，並不應當只是閉礦後的補救措施。事實上，提早展開復墾或採復一體化給礦山地質環境生態修復帶來了額外的收益。這種看法最早源於20世紀70年代美國學者在露天採礦過程中應用的理念。1973年，美國內務部組織編寫的露天礦邊採邊復技術培訓手冊明確寫有露天礦開採過程中復墾步驟的詳細規範，1977年頒佈的聯邦採礦與復墾法中也明確要求採礦與復墾同步。這種理念是較先進的生態修復理念。

在我國，系統論述邊採邊復思想的時期較晚，由於我國多是井工開採，與露天開採的差異限制了國外採復一體化經驗的引入，其理念與技術並不能較好地應用於國內。1992年平頂山礦務局首次施用了類似“超前復墾”的相關技術，對礦區即將沉陷的土地開挖水渠、降低潛水位，使沉陷後的土地不因高潛水位積水，如董祥林（2002）。之後，趙豔玲等（2008）、肖武等（2013）拓展了結合開採沉陷規律的動態預復墾。2013年，胡振琪等提出了邊開採邊復墾的概念，探討了邊採邊復的內涵與關鍵技術（胡振琪等，2013ａ，2013ｂ）。至今，邊採邊復研究仍然是土地復墾的重要問題。

（二）邊採邊復理念與概念的定義

邊開採邊修復技術概念是採復一體化的體現。事實上，邊採邊復就是採復一體化的另一種說法，是充分考慮礦山開採與地面復墾措施耦合，規劃開採措施、優選復墾時機與方案的一種思想（肖武，2012）。

邊開採邊修復強調開採工藝與修復工藝的充分結合，以保證按採礦計劃同步進行。其基本特徵是以“採礦與修復的充分有效結合，也即採礦修復一體化”為核心，以“邊採礦，邊修復”為特點，以“提高土地恢復率、縮短修復週期、增加修復效益”為表徵，並以“實現礦區土地資源的可持續利用及礦區可持續發展”為終極目標。

邊開採邊修復的基本內涵為地下采礦與地面修復的有機耦合：一方面，基於既定的採礦計劃，在土地沉陷發生之前或已發生但未穩定之前，透過選擇適宜的修復時機和科學的修復工程技術，實現恢復土地率高、修復成本低和修復後經濟效益、生態效益最大化；另一方面，透過優選採礦位置、採區和工作面的佈設方式、開採工藝和地面修復措施，實現土地恢復率高和地表損傷及修復成本的最小化。

預復墾、超前復墾、動態復墾與邊開採邊修復既有聯絡，又有區別。預復墾、超前復墾和動態復墾往往僅針對一個採煤工作面或採區進行探討，且主要是考慮既定採礦計劃前提下的復墾措施，而邊開採邊修復技術從整個礦山開採過程的角度出發，不僅提出何時、何地、如何修復，而且指導整個採礦生產，是地上和地下措施的有機耦合。因此，邊開採邊修復的概念和內涵比預復墾、超前復墾和動態復墾的更大、更深刻，但預復墾、超前復墾和動態復墾的已有研究為開展邊開採邊修復研究奠定了基礎，也是邊開採邊修復技術體系的重要組成部分。現階段邊開採邊修復主要還是基於井下采礦工藝和時序進行的修復方案的優選，未來將逐漸過渡到井下采礦與井上修復的同步進行。

（三）露天採礦邊採邊復

1.基本流程

1）剝離表土。在開釆第ｉ條帶前，用推土機超前剝離表土並推存於開釆掘進的通道上。一般剝離厚度為20~30釐米，同時也應超前剝離2~3個條帶，即第ｉ＋1，ｉ＋2，ｉ＋3條帶。

2）在第ｉ條帶的下部較堅硬岩石上打眼放炮。

3）用巨大的剝離鏟剝離經步驟2）疏鬆的第ｉ條帶的下部較堅硬岩石，並堆放在內側的釆空區上（即第ｉ-1條帶上）。

4）用可與剝離鏟在礦坑內交叉移動的大斗輪挖掘機（BWE），挖掘第ｉ＋1條帶上部較鬆軟的土層（Ｂ和Ｃ層土），並覆蓋在第ｉ-1條帶內經步驟3）操作而形成的新下部岩層———較硬岩層的剝離物。

5）在剝離鏟剝離上覆岩層後，第ｉ條帶的煤層被暴露出來，用釆煤機械進行釆煤和運煤。

6）用推土機平整內排土場第ｉ-1條帶的復墾土壤———剝離物，就構成了以第ｉ＋1條帶上部較疏鬆土層（Ｂ和Ｃ層土）的剝離物為心土層、以第ｉ條帶下部較硬岩層的剝離物為新下部土層的復墾土壤。

7）用鏟運機回填表土並覆蓋在復墾的心土上。

8）在復墾後的土地上種上植被（一般首先播種禾本科和豆科混合的草種），並噴灑秸稈覆蓋層以利於水土保持和植被生長。

2.關鍵技術

露天礦邊採邊復的核心技術是土壤重構技術。土壤重構即重構土壤，是以工礦區破壞土地的土壤恢復或重建為目的，採取適當的採礦和重構技術工藝，應用工程措施及物理、化學、生物、生態措施，重新構造一個適宜的土壤剖面與土壤肥力條件以及穩定的地貌景觀的方法。土壤重構所用的物料既包括土壤和土壤母質，也包括各類岩石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項或多項的混合物，只要在較短的時間內可恢復和提高重構土壤的生產力，並改善重構土壤的環境質量，就是有效的重構材料。

對於土壤重構，動態的、有效的規劃露天採礦的土壤重構方案可以縮短復墾週期，提高復墾效益。其實質是對不同重構材料，按照其材料特性，進行合理充填順序與結構的合理規劃。上述“分層剝離、交錯回填”的露天邊採邊復正是這種思想的體現。例如常見的泥漿泵復墾，泥漿作為充填材料，營養貧瘠持水過多，且沉澱時間過長，採用分層剝離、交錯回填的思想，能夠極大地最佳化其挖土與充填順序，為泥漿沉澱獲得更多的時間，具體見參考文獻（胡振琪，1997；胡振琪等，2005；鄭禮全等，2008）。

（四）高潛水位井工礦區邊採邊復

1.基本原理

透過傳統穩沉後非充填復墾和邊開採邊修復所恢復土地率的對比分析，闡述邊開採邊修復的基本原理。圖3-5為下沉穩定後採用非充填復墾時土地恢復示意圖，在不考慮外來土源的情況下采用挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區域復墾出部分土地，即Ａ與Ｂ區。

圖3-6為邊開採邊修復時土地恢復示意圖，其中圖3-6ａ為邊開採邊修復的動態過程，在土地即將沉入水中或部分沉入水中（仍存在搶救表土的可能性）時預先分層剝離部分表土與心土，交錯回填至將要沉陷的區域，即圖中的取土區與充填區。圖3-6ｂ為邊開採邊修復的最終狀態，透過邊開採邊修復可形成最終的復墾土地區Ａ，Ｂ，Ｃ區。可見，邊開採邊修復較沉陷穩定後的復墾，可多復墾出區域Ｃ，土地恢復率有較大提升。

2.關鍵技術

高潛水位邊採邊復思想的關鍵技術，在於動態的挖深墊淺。其中最重要的是開採沉陷的動態預計，只有掌握其塌陷的動態過程才能精準地規劃邊採邊復時間與措施。前文曾闡述過井工開採沉陷過程的基本靜態與動態特徵，這裡我們將簡要介紹開採沉陷過程的數學建模。關於該過程的模擬一直是礦山開採沉陷學的核心問題之一，長期以來湧現出多種方法，從主斷面到整個塌陷場的研究物件，從實測引數函式擬合、巖體理論模擬到相似材料模擬，研究者一直嘗試提高開採沉陷預計的精度。機率積分法因演算法簡單、結果可靠，足以快速應對大多數開採沉陷問題，是我國目前較成熟的、應用最為廣泛的預計方法之一，這裡簡述其下沉預計的基本模型：

（1）單元開採的下沉預計

單元是工作面的歸一化無量綱表示。單元開採引起地表下沉與地表水平移動表示式為

式中：ｒ為主要影響半徑；ｓ為開採單元橫座標，ｘ為預計點橫座標（ｘ-ｓ實際為預計點到開採單元水平距離）。

（2）單工作面開採的下沉預計

地表任意點（x，y）的下沉值W（x，y）為

其中

式中：Ｗ0（x）和Ｗ0（y）為走向和傾向有限開採時，主斷面地表下沉值；W0為充分採動條件下地表最大下沉值；m為採厚；q為下沉係數；α為煤層傾角；l和L為走向和傾向有限開採時的計算長度（考慮拐點偏距後的長度）；r1，r2和r分別為下山、上山和走向的主要影響半徑。

（3）多工作面開採預計

對於多工作面預計，可分別計算每個工作面單獨的模型，直接等權相加。事實上，一個礦區的ｍ（採厚）、l和L（走向和傾向有限開採長度）、α（煤層傾角）均可知，不考慮上下山與走向的差異，讀者可將機率積分法剩餘部分看作5個引數r（主要影響半徑）、b（水平移動係數）、q（下沉係數）、s（拐點偏移距，用於校正工作面的實際垮塌長寬）、θ0（開採影響傳播角）即5個自由度的函式擬合問題，根據實測引數可以較輕鬆地擬合，預計下沉、傾斜、曲率、水平移動與水平變形等5個常用地表移動與變形因子。經過多年的實測研究，已經有足夠的資料證實和形成一些經驗上的與地質採礦條件相關的定量關係，以幫助模型使用者在沒有實測資料的條件下選取引數。儘管這種定量關係仍然是不精確的，但根據這種經驗關係已能處理部分工程問題。對整個礦區抽樣幾處工作面作為引數反演的實測資料來源，可在整個礦區獲得不錯的精度。

（4）動態預計

動態預計透過構造合適的時間影響函式與靜態下沉做乘積即可得到點位的動態下沉。時間影響函式多基於“塌陷從0開始，增長到靜態下沉預計值”“單點下沉速度先增大後減小”“速度曲線連續，且關於最大下沉速度處對稱”3條規律構造。

由於工作面開採並非一蹴而就，前後垮落時間為ti的兩塊不同單元顯然在時刻t的時間影響函式值不同，動態預計過程需要離散化塌陷區段。為了方便計算，我們通常將工作面的整個垮落離散成一系列足夠小的單元，分別按其靜態下沉與到計算時刻的時間計算動態下沉，最後加和所有單元。

（5）復墾時機與土方

根據前述計算獲得的動態下沉值，結合事先獲得的數字地形圖，可進行高潛水位邊採邊復佈局。關於高潛水位邊採邊復的復墾時機抉擇，有多種準則與實現方法，具體與實際工程條件與需要相關，具有不同的施工土方量，在此不贅述。

植物與微生物修復技術

自然修復在生態、水土保持等領域有大量的研究，它是指靠自然力量（營力）修復的一種過程或方法。自然營力是指自然界存在的雨、風、重力及凍融等自然界本身存在的各種生物、化學和物理等作用，如氣候的變化、土壤天然種子庫和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學及物理作用。

以生態系統作為研究物件，系統內部因素的作用就是自然修復（自修復），外部人工力量修復生態系統就是人工修復。人工修復和自然修復都是對已經損毀的生態環境採取的積極的修復措施。人工修復與自然修復相輔相成，要因地制宜，宜自然修復則自然修復，宜人工修復則人工修復，有主有次，主次結合。同時，自然修復是一種最高境界，即使人工修復，實現生態系統的自我維持能力才是最終目的。

在這種層面上考慮修復技術，目前已衍生出較新的修復方法，它們直接透過動植物、微生物進行礦區修復，在修復“材料”選取上與直接替換土壤、大量施肥等方法產生了區別。

（一）植物修復

植物修復是透過植物對土壤、空氣等生態修復物件的修復作用來實現修復的手段。礦區廢棄地的植物修復效益與恢復植物的選擇密切相關，恢復植物的選擇不僅要適應當地的地質、水文、土壤型別等自然條件，還要考慮因開採造成的具體汙染情況，因地制宜選取植，才能對當地土壤起到較好的改良效果，生態演替效果良好。因此，礦區廢棄地土壤植物修復成功的關鍵在於恢復植物的選擇與合理的配置模式。通常情況下，使用較多的生物物種，特別是將喬、灌、草、藤多層次配置結合起來進行植被恢復，建立起的植物群落的穩定性和可持續性均比單物種或少物種的效果好得多（畢銀麗，2017）。

1.常用植物種類

恢復植物的選擇要適應當地的地質、水文、土壤型別等，還要考慮因開採造成的具體情況，因地制宜選取植物，對當地土壤起到較好的改良，並能進行生態演替，不同植物產生的恢復效益存在差異。

豆科植物：有較強固Ｎ能力，改善土壤肥力，克服乾旱脅迫，常用作先鋒植物。

鹽生植物：能降低廢棄地土壤鹽鹼的濃度，富集金屬元素。

外來植物：生長迅速，生物量大，能在相應的礦區廢棄地成功定居，但要預防生態入侵。

鄉土植物：能更好地適應當地氣候環境，在較為惡劣的生境以及簡單粗放的管理條件下仍能表現出植物的生物學特性，但是生長緩慢。

耐性草本植物：覆蓋率高，對根際土壤的改良效益較好，缺點在於植物單株生物量較小，恢復改良效益的時間較長。

2.植物挑選準則

現有的植物修復措施需要考慮眾多因素，如植物抗逆性、生態適應性、植物多樣性、先鋒植物持續穩定性、鄉土植物與外來植物相結合、場地的分割槽以及功能合理性的原則等。首先，植物需要有足夠的抗逆性，只有具有一定抗逆性的植物才具有較強的生命力，在後期無人養護的條件下才能夠實現自我維持。

其次，植物需要能夠形成穩定的目標植物群落，達到植被恢復、生態修復的目的，其對於整個目標生態系統需要具有生態適應性，它不能是孤立於整個目標生態系統的植物型別。同時，挑選植被需要更多樣。

（二）微生物修復

微生物修復技術是礦區土壤管理與改良的重要生物技術。利用微生物群落的優勢，可以促進植物生長和植被覆蓋，減少或避免土壤侵蝕，從而達到生態恢復的目的。微生物修復技術可以利用植物根際微生物的生命活動來改善植物營養條件，並同時促進植物生長和發育。隨著植物修復和微生物修復的發展，礦區土壤的滲透性顯著提高，其改善的土壤調節和地表徑流轉化能力，可以防止土壤侵蝕，改善河流水文條件。微生物在有機物質的分解、合成和轉化，無機物質的氧化和還原過程中起著重要作用。它們是土壤生態系統代謝的重要驅動力，可以提高土壤肥力，使生土熟化，縮短復墾週期。

菌根技術是微生物復墾技術的一種應用，可以改善生態系統的多樣性，促進礦區極端條件下植被的恢復，促進礦區環境的良性迴圈，形成互利共生的微生物，改善生態系統的多樣性，加快二次生育的速度生態系統的演替，減輕根系對植物生長的影響，並施肥土壤，促進植物礦質營養。對礦區生態恢復和土地復墾吸收利用促進生態系統功能的改善具有重要的現實意義。其中，叢枝菌根真菌（AMF）是最常用也是土壤重要的微生物之一，能與80％以上的陸生植物形成互惠共生關係，提高礦區生態系統的多樣性，促進生態系統功能的穩定與提高，在礦區復墾過程中得到廣泛的應用。我們在此主要談論最常用的叢枝菌根真菌修復。

1.叢枝菌根真菌幫助根系吸收

叢枝菌根真菌的菌絲非常纖細，其直徑為2~7微米，可穿透土壤中有機物的顆粒間隙，吸收到根系所不能吸收到的養分與水分。其分枝伸長能力較強，增加了植物對營養的吸收範圍和麵積。

同時，磷在菌絲裡移動的速度為在植物體內運輸速率的10倍，保證將在根外吸收的磷等營養元素及時運輸給植物。菌絲對磷的親和力較高，可減少磷解吸的臨界濃度，且叢枝菌根真菌釋放有機酸和磷酸酶可促進土壤磷釋放。

2.叢枝菌根真菌生成球囊黴素

叢枝菌根真菌能夠產生一種被稱為球囊黴素相關土壤蛋白（簡稱“球囊黴素”）的含有金屬離子的專性糖蛋白，可產生於根內菌絲和伸展在根圍土壤中的根外菌絲表面，在土壤生態系統中含量不低。球囊黴素可增加土壤有機碳庫，增強土壤團聚體的穩定性，改善土壤結構與質量（賀學禮等，2011；黃藝等，2011）。球囊黴素一方面透過自身特點將土壤顆粒黏結在一起，達到增加土壤團聚體的目的；另一方面可間接改善土壤微環境，增加土壤中有益微生物的含量，實現退化土壤的改良。球囊黴素是叢枝菌根真菌對其寄主植物生長環境的調整和適應，是微生物活動的一種積極應答機制，已證實土壤中球囊黴素量與土壤凝結穩定性、土壤含水性呈正相關。接種叢枝菌根真菌有利於土壤水分的保持與高效運輸，提高水分的利用率，有利於緩解乾旱對作物生長的影響（李少朋等，2013）。採煤沉陷區土壤結構被擾動，叢枝菌根真菌如何改善土壤結構，協調水肥供應，也是生態修復需要深入探討的問題之一。

（三）土壤動物修復

土壤動物可幫助礦區土壤肥力維持，無脊椎動物可幫助粉碎和分解動植物殘體，促進了物質的淋溶、下滲，其活動與翻動作用增加了土壤中細菌和真菌活動的接觸面積，加速了養分的流動，同時也混合了土壤的物質組成。另外，土壤動物採食細菌或真菌或粉碎有機物質、微生物繁殖體等，間接改變了有效營養物質的傳播，並改變了微地形，從而使土壤中的水、氣、熱量狀況和物質的轉化都受到影響，繼而影響微生物群落的生物量和活動。微生物修復技術、植物修復技術、工程技術與土壤動物修復相結合，更能發揮其功能，提高修復能力。