（采矿工程专业论文）露天矿土地复垦方法研究与技术评价.pdf

辽宁工稃技术大学硕士学位论文 摘要 当前，我国经济已由飞速发展转为持续稳定的增长，我们对经济发展的 认识已由单一的追求经济增长转变为寻求经济、环境和社会的统一协调发 展。国家和社会对生态环境质量的改善也越发重视，这也是构建和谐社会 中必不可少的一项。因而，矿山土地复垦及其技术评价就成为值得我们研 究的一项重要课题。 本文就矿山土地的复垦方法和土地复垦的技术评价作了初步研究。其 中，复垦方法研究的主要对象是露天矿的土地复垦，对露天矿受损土地进 行总体复垦规划，确定复垦的目标，划分复垦工作的阶段，明确复垦工作 的内容和步骤。进行工程复垦阶段的研究时，对露天矿排土场进行了地表 整形设计、表土的处置、覆土厚度的计算，分析了排土场水土流失的机理 和控制方法。而生物复垦阶段则研究了覆土改良方法、人工林技术和农林 复合系统。并以元宝山露天矿为例，对其2 # 排土场进行了复垦实践分析和 研究。 土地复垦的技术评价是对矿山复垦进行评价的一项重要内容，包括矿山 土地破坏程度评价和土地适宜性评价两部分。两项评价都采用模糊数学评 价方法，根据露天矿实际情况提取土地破坏程度评价因素和土地适宜性评 价因素，建立土地复垦的技术评价指标体系，依照模糊评价原理对各评价 因素和影响因子进行分析，确定各因子权重和模糊评价步骤。 关键词土地复垦，技术评价。模糊数学评价 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，o u rc o u n t r ye c o n o m yr a t e o fr i s eh a sd r o p p e d ，i t sc o n t i n u i n g t h es t a b l eg r o w t h n o ww ea r es e e k i n gf o rt h ee c o n o m i c a l ，e n v i r o n m e n ta n d s o c i e t y sc o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n t t h ec o u n t r ya n dt h es o c i e t ya l s ot a k et o t h ei m p r o v e m e n to fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h u s ，t h em i n el a n dr e c l a m a t i o n a n di t st h et e c h n i c a la p p r a i s a lb e c o m e sa ni m p o r t a n tt o p i cw h i c hi sw o r t hu s s t u d y i n g t h i sa r t i c l eh a sd o n et h ep r e l i m i n a r ys t u d yo nt h em i n el a n dr e c l a m a t i o n m e t h o da n dt h et e c h n i c a la p p r a i s a lo fl a n d r e c l a m a t i o n ic a r r i e do nt h e o v e r a l lr e c l a m a t i o np l a no nt h ed a m a g e dl a n d ，d e t e r m i n e dt h eg o a lo f r e c l a m a t i o n ，d i v i d e dt h er e c l a m a t i o nw o r ks t a g e ，d e t e r m i n e dt h ec o n t e n ta n d t h es t e p so ft h er e c l a m a t i o nw o r k id e s i g n e dt h es u r f a c ef e a t u r eo nt h ed u m p i n gs i t eo fo p e np i tm i n e ， c a l c u l a t e dr e a s o n a b l yt h i c k n e s so fs u r f a c es o i l ia n a l y z e dt h em e c h a n i s mo f t h es o i le r o s i o n i nt h es t a g eo ft h eb i o l o g i c a lr e c l a m a t i o n ，ih a v es t u d i e dt h e s o i li m p r o v e m e n tm e t h o d ，t h ep l a n t e df o r e s tt e c h n o l o g ya n dt h ef a r m i n ga n d f o r e s t r ym u l t i p l e x e ds y s t e m t a k et h ey u a n b a o s h a no p e n p i tm i n ea st h e e x a m p l e ，i c a r r i e do nt h ep r a c t i c e a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho ft h el a n d r e c l a m a t i o n t h et e c h n i c a la p p r a i s a la b o u tt h er e c l a m a t i o no fw a s t el a n di sa n i m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ea p p r a i s a lt ot h em i n er e c l a m a t i o n i ti n c l u d e dt w o p a r t s ：s u i t a b l ea s s e s s m e n ta n dd a m a g i n ga s s e s s m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e s an e wm e t h o do f a s s e s s m e n t 。n a m e l y 。f u z z ym a t h e m a t i c s ”，w h i c h i s a p p r o p r i a t et os u i t a b l ea s s e s s m e n ta n dd a m a g i n ga s s e s s m e n t k e yw o r d s ：l a n dr e c l a m a t i o n ，t e c h n i c a la p p r a i s a l ，f u z z ym a t h e m a t i c s a p p r a i s a l 中t 程技术太学硕。 。学位论文 1 绪论 1 ，l 土地复垦熬潺义 现代化的采矿业，使采矿速度加快，矿区面积加大。困姥，采矿对环境， 地的干扰破坏日趋严鬟，追使人们必须送行环境保护秘地复垦_ i 作。 缝复垦在2 0 避纪5 0 年代末被称为“复田”、“造地复田。、“复璺8 等， 此种涵义是与当时单纯为了克服自然灾害带来的粮食鲻题，矿由职工自发 在摊主场、恳矿场上垫上土壤种穗蔬菜或粮食豹背景分不开的。随着矿山 复垦实践熬扩震，就釉涵义很挟靛显露出片西性秘不科学性。进入2 0 世纪 八十年代，因国民经济发展对矿产资源的需求因盏扩大，隧之弓| 发豹矿区 环境润题，孝圭会超题、经济问题愈发突出，因此，政府帮有关部门对地 复垦倍加重视，促使了地复垦立法及其概念的确定。1 9 8 8 年1 1 月国务 院颁发的土地复垦规定对“土地复垦”的器定是：“土地复垦是指在生 产建设过程中，因挖损、塌陷、匿占等造成破坏的主地，采取整治措施， 使其恢复到可供利用状态的活动”。 1 2 嗣内外露天煤矿土地复垦理论研究现状 1 2 ，l 国外露天煤矿土地复垦概况 国外在土地复垦领域起步较早，从5 0 年代起，就已割定了有关矿山 地复整方面的法律和法规，采取多静措施防止上地荒芜。恢复生态环境， 并建立超一些相关的土地复昼企业、科研机构、学术团体等，使矿山土地 复堡工作蓬勃发展，得到了法律上和资金上的保障，在技术猪旌和 亍政管 理上也不断深化释完善，不成为采矿鼗豹必须工程环节。 德冒对煤矿土地复垦、保持农林面积、恢复生态平衡、防止环境污染 等闽题十分重视。德国政府和威崭特论政府法令趣定“露天矿采空后要恢 复原有的农、林经济和自然景色”等条文，保证了复垦工作顺利开展。 澳大剩亚 譬为矿业为主的国家，矿山复垦已缝取得长足进展和令人瞩 目的成绩，被认为是世界上先进丽且成功建处理扰动上她的国家，复基己 为开采工艺的一部分。新开采舱矿出，除采掘以外，其他被扰动过的土地 已经或菠在被绿色掰覆盖。对予过去开采遗留下来的已封闭矿山，复垦工 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 作是由政府出资进行的。因此，矿山开采带来的土地破坏、环境影响和生 态扰动，正在有效而成功地消失。复垦后的矿山被绿色覆盖，环境自然， 空气清新，己难辨认一般矿山面貌。 美国对土地复垦也十分重视，如在露天开采控制和复垦法令中规 定开采破坏的土地必须恢复到原来的形态，原农田恢复到农用状态，原森 林要恢复到森林状态。由于国家法令的强制作用以及科研工作的进展，美 国矿区环境保护和治理成绩显著。在复垦区种植作物、矸石山植树造林和 利用电厂粉煤灰改良土壤等方面作了很多工作，积累了经验。 1 2 2 国内露天煤矿土地复垦概况 目前我国复垦利用的土地还不到被破坏土地的1 ，复垦率极低。而欧 洲、北美等发展中国家矿山土地复垦率已超过5 0 ，原苏联、美国、捷克 土地复垦率高达7 5 以上。在国外，矿山复垦是采矿业的一部分，采矿结 束，复垦完毕，才能闭坑。而我国于1 9 8 9 年才颁布土地复垦规定开始 要求把露天煤矿土地复垦纳入矿山工程设计中。 对于我国正在生产的大部分露天煤矿，由于当初设计文件没有对被破坏 土地的复垦工程作统筹规划和设计，只是因征地困难，工农业用地矛盾尖 锐，制约了矿山生产发展的条件下或在环境保护部门的要求下，部分露天 煤矿才根据各自的条件和需要，开展了土地复垦工作并取得了一定的成效。 但多数露天煤矿没能有计划，有组织地进行复垦，只在排土场及采空区开 垦种植，而且多数为个体的“小开荒”，复田地块零落，没有统一的浇灌设 施和运输通路及统一规划。 。 土地复垦是当今世界采矿业发展的必然要求，是世界各国环境与发展中 必然涉及的重要课题。随着全球性的环境、土地、人口问题的日益严重， 特别是“可持续发展”已成为当今世界的共同主题，土地复垦已越来越受 到世界各国的普遍重视。在我国，注重复垦生态环境效益。拓宽和向纵深 发展复垦技术，走“可持续发展”的道路是今后露天煤矿土地复垦发展的 必然趋势 1 3 论文研究的意义 我国是以煤炭为主要能源的国家，在能源结构中煤炭占7 0 以上，煤炭 年产量达1 4 亿万吨居世界第一。而煤炭的开发、加工、运输和利用过程中， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 往往会给人类环境带来种种不良影响，引起森林、土地的破坏和大气、水 的污染等等，甚至破坏环境的生态平衡。特别是露天开采对矿区生态环境 的破坏最为严重。据不完全统计，我国露天开采每万吨煤约破坏土地0 2 4 公顷，其中采场挖损破坏为0 0 8 公顷，外排土场压占0 1 6 公顷。由于建 设时期和开采期间没有环境规划和对环境污染的整治措施，对所在地区土 地占用量很大且没有复垦，对生态环境破坏相当严重。露天矿闭坑后，地 下水涌入采场会使其成为人工湖，将导致采场周围边坡岩体内地应力的重 新分布，使岩体内软弱夹层的力学强度减弱，这些因素的变化都会引起采 场边帮大规模的滑坡，并会在采场周边地区诱发一系列的地质活动和规模 不等的地震对露天矿周围地区的公共设施、工业设施及各类地面建筑构 成损害，造成巨大的经济损失，严重影响人民的正常生活、生产活动和矿 区的经济发展。 目前有些露天煤矿都己接近其开采寿命的末期，这些露天煤矿闭坑以 后，对这些废弃露天矿山的采场和排土场如何进行生态恢复和再利用以及 如何治理闭坑过程引起的一些地质灾害和环境影响，是我国矿山行业及矿 区城市当前所面临的矿山环境和地质灾害问题中的一个重大课题。这些问 题能否得以很好解决，对这些露天所在城市的居民生活和工农业生产及矿 区城市可持续发展都具有深远的影响。 露天矿土地复垦的主攻关键是对露天煤矿排土场的复垦，优选适宜于 相应土壤和气候的先锋位植物种类，并结合矿区城市的总体规划，探索废 弃露天煤矿采场和排土场的复垦方法和土地的再利用途径。以采矿学、工 程地质学、岩体力学、环境工程学、生态学、土壤学、农林学为理论指导， 采用理论研究和室内实验、现场工程实验相结合的研究方法，借鉴和引进 国外的成熟经验并根据我国国情，因地制宜地对我国露天煤矿闭坑后的环 境影响和地质灾害进行治理，进行生态环境恢复和土地资源的再利用，在 我国具有广阔的应用前景和推广价值。 1 4 论文研究的内容 由于目前国内没有较完整的土地复垦理论可供借鉴，在本文的理论分析 过程中，主要以露天煤矿排土场土地复垦的实践及复垦程序为线索，着重 从生态系统演替和水土保持角度，研究探讨了露天煤矿土地复垦涉及到的 问题及其相应的技术解决途径 辽宁t 程技术大学颀十学位论文 ( 1 ) 露天煤矿土地复垦规划 土地复垦规划是指在一段时间内，对土地复垦工程的总体安排，具体包 括空间、时问；规模与方法等方面。制定土地复垦规划不仅可以节约复垦 资金，合理利用土地，还可统筹安排生产，同时也是实现我国土地资源可 持续利用发展战略的重要措施之一。 ( 2 ) 露天煤矿工程复垦 工程复垦阶段的土方搬运过程，是整治排土场、恢复地形地貌、消除有 毒有害废物及控制侵蚀的最有利时机。在这部分内容中，重点研究了表土 与剥离物的分别处置方法，以及从水土保持角度探讨了地形设计中的边坡 角，坡长、平盘及排水沟区的布置原理。 ( 3 ) 露天煤矿生物复垦 农林业种植是复垦土地利用的主要形式。研究这部分内容，主要借鉴了 农业林业方面的技术来完善露天煤矿复垦种植技术系统地总结了复垦土 壤改良、植被品种筛选、植被配置模式设计以及播种、栽植和幼苗管理的 方法。 ( 4 ) 露天煤矿土地复垦技术评价 复垦技术评价是对以后矿山复垦的一项重要内容，可为土地利用规划、 土地生态复垦以及复垦工程设计提供基础数据。矿山土地破坏程度评价作 为土地综合评价的第一步，它揭示了土地的可资利用范围以及利用上的潜 在能力，对进一步研究土地的承载能力、区域可持续发展战略有重要意义。 土地适应性评价是根据土地的特定用途，给土地进行估计的过程。而矿山 破坏土地适应性评价则是对受破坏土地针对特定复垦方向的适应程度所作 出的判断分析。本文从土地破坏程度评价因素和土地适宜性评价因素两大 方面采用模糊数学评价方法对露天矿排土场土地复垦进行技术评价。 ( 5 ) 以元宝山露天矿为例，对其2 # 排土场进行了复垦实践分析和研究。 通过元宝山露天矿实例分析说明了复垦费用中工程复垦费用占较大比 重，减少工程复垦费用是提高复垦工程效益的最有效途径，而将复垦工艺 和采矿工艺相结合是减少工程复垦费用的最佳方式。 辽宁t 程技术大学硕+ 学位论文 2 露天煤矿土地复垦规划 露天煤矿土地复垦规划是对露天煤矿矿区土地复垦工程进行有效管理 的途径之一，也是矿区土地复垦工程得以科学、合理实施的重要保证。一 项成功的复垦工程往往都有周密的复垦规划和计划，反之则耗资巨大而复 垦效果不佳。 2 1 露天煤矿土地复垦对象 一般露天煤矿工业生产占用土地的类型主要可分为以下三种：露天采矿 场、外排土场和工业场地( 包括选矿厂、机修厂、污水处理厂、仓库、车道、 铁路等) 。对于正在生产的矿山来讲，废弃地主要是指己排弃到界的排土场、 露天采矿场和工业广场：对于开采完毕的露天矿山来说，废弃地将是包括整 个矿山的绝大部分区域。 2 2 露天煤矿土地复垦目标 土地一般具有自然功能和社会功能。土地的自然功能主要是地球生态系 统的基础和核心，生态系统中的生产者( 植物) 、消费者( 动物) 、分解者( 微 生物) 都是在地球土地表层上进行物质循环和能量交换的，土地是保持生态 平衡的重要保证：土地的社会功能是指土地是人类社会物质生产活动中不 可缺少的生产资料，人类要依靠土地生产和生活。显然，土地的自然功能 是社会功能的基础，离开了自然功能，为人类所利用的社会功能是很难实 现的。由于矿产资源的开发和利用，使矿区土地原有的自然功能和社会功 能受到侵扰和破坏，矿区土地复垦实际上是土地功能的恢复。由此可见， 应从生态保护和土地利用两方面来规划矿区土地复垦工程。相应地，土地 复垦目标可分为基本环境目标和发展利用目标。 基本环境目标在工程复垦阶段完成，相应地应满足以下几方面的要求： ( 1 ) 场地的安全与稳定，防止滑坡及泥石流等灾难性事故发生。 ( 2 ) 清除矿区范围内的有毒有害废物，防止其污染水体和植物。 ( 3 ) 复垦后的场地要尽可能与自然条件作用形成的地形保持一致，其景 观地貌要与周围未破坏地区相协调。 ( 4 ) 表层应具有可供植物生长的土壤环境。 ( 5 ) 控制侵蚀与保持水土。 辽宁丁程技术大学颂上学位论文 在生物复垦阶段完成复垦土地的发展利用目标，其最终用途可分为农业 用地、林业用地、牧草地和建设用地等。各复垦方向的技术要求见表2 - 1 表2 1 露天开采破坏土地复垦为各种用地的主要技术要求 复垦方向用途 技术要求 土地平整、铺表土层对粮食作物表土层不 农业用地耕地、菜园 小于0 5 m ，其中腐殖土层厚不小于0 2 - - 0 3 m 水力条件好。 地形可有适当坡度。需铺表十层对种植树 林业用地栽种树木，果园 木表土般不小于0 3 m ，树穴处局部深挖铺 土l m 左右。 牧草用地 栽种牧草技术要求稍低于农用地 公园、体育场土地需很好夯实，有水域是需设防渗层，建 休闲娱乐 人工湖等筑适当采取加固措施。 建设用地民用或工业建筑用地 土地需很好夯实，建筑适当采取加同措施。 2 3 露天煤矿土地复垦规划 2 3 1 露天煤矿排土场形成前土地复垦规划 露天煤矿排土场土地复垦规划，可将排土工艺很好地结合起来，达到减少复垦成 本的目的，其复垦程序如图2 - - 1 所示。 图卜1 露天煤矿排土场土地复垦规划 j 工宁t 程技术大学硕士学位论文 露天煤矿排土场复垦规划分为四个步骤，即调查分析、规划、实施计 划、监控计划等。调查分析阶段应着重鉴定覆岩的土壤特性、分析可利用 物料的数量和质量及不适宜植物生长的酸性与毒性物料的状况规划阶段 主要包括进行水文与水利规划、剥离物规划和植物群落规划三方面( 图 2 1 ) ，而每一方面的规划内容又是相当丰富的，如剥离物规划的内容有剥 离方法、堆放场地，表土堆存方法、防止土壤侵蚀方法、防止剥离物污染 地表与地下水体的方法等。三方面规划之间又是相互依赖、相互补充的。 实施计划是将规划付诸实施的措施，它直接影响复垦工程的进度和质量。 监控管理计划具有长期性，是复垦管理的重要内容 2 3 2 露天煤矿采后土地复垦规划 我国5 0 6 0 年代建设的露天煤矿，在建设时期和开采期间没有进行环 境规划和对环境实施整治措施，其土地复垦数量极少。因此，我国露天煤 矿采后土地复垦规划的任务较多。露天煤矿采后土地复垦规划的程序如图 2 - 2 所示。露天煤矿采后土地复垦规划编制中复垦对象分类与分类复垦方 案编制工作量较大，总体方案编制也较复杂，往往需要协调多个部门之间 的利益，才能得到复垦目标和具体的方案、措施。 图2 - 2 露天矿山采后土地复星规划 采后规划往往会引起复垦结果的不满意和费用较高，而采前规划能够做 到在环境受到危害之前进行治理，因此，采前规划能使开采对环境的影响 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 减小到最低程度，这不仅能产生令人较满意的环境效果，而且也能降低露 天煤矿土地复垦的费用，从而可达到“预防好于治理”的目的。 2 4 采矿与土地复垦阶段的划分 2 4 1 采矿阶段的划分 采矿可划分为以下阶段：地质勘探、基本建设、投产到达产、达产后的 稳定时期、产量衰减至报废等五个阶段，对应于五个阶段的煤炭产量如图 2 3 ( a ) 所示。基本建设阶段的煤炭产量主要为拉沟所获得的产量，从投 产到报废所经历的时间为服务年限，图示实曲线的稳产阶段没有经历较大 的改扩建工程，虚线则表示改扩建后的产量增加曲线。 硅 图2 - 3 采矿阶段划分及土地破坏与占用 对应于五个阶段的破坏与占用土地的积累量曲线如图2 - 3 ( b ) 地质勘 探阶段主要为钻探、勘测占用或破坏少量土地：基本建设阶段用地类型包括 工业广场与居民生活设施占用及排土场占用两部分：投产至达产阶段用地 量相对较小，每年破坏的量大致相等：稳产期是连续破坏土地的阶段，破坏 土地量逐年增加：随着矿山进入衰退期，土地破坏量逐年减少，最终为零， 表现在土地破坏与用地面积累积曲线为平衡的直线。 对应于采矿的不同阶段i 矿区生态系统特征变化为：地质勘探阶段变化 不大。基本建设阶段道路，通讯等基本设施的建设对矿区生产生活条件起 一定的改善作用，但人口的积聚增加及基建用地量的需求对矿区原有生态 系统起到了很大的干扰作用，尤其是生活设施不完善，造成矿区生态系统 功能不完善，处于消费水平激增的状况，这是矿区生态系统受到干扰的第 一个高峰。投产至达产阶段对矿区生态系统干扰的表现形式仍是矿区从事 矿业人口的增加，在此阶段矿区集镇逐步形成，矿区集镇系统包括一系列 商业服务行业及新产品加工业等。稳产期，矿区生态系统逐渐成熟，这时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 生态系统的主要干扰形式是排土场占地和“三废”污染，在此阶段，从事 农业的人员下降，土地第一性生产力水平下降，与矿产品生产、加工的行 业应运而生，如煤炭运输业、选矿业、机修，劳保等服务于矿山生产的行 业增多，此阶段为矿区生态系统受到干扰的第二高峰。衰退期，土地破坏 基本不再增加，本阶段生态系统的特点是从事矿业与农业的富余人员都增 多，从事矿业的人员需要有接替产业，从事农业的人员受可耕土地资源量 下降的影响，需要通过复垦或兴办可吸纳较多剩余劳动力的农场或企业来 解决，此阶段亦为矿区生态系统受到干扰面临选择的一个重要阶段 2 4 2 土地复垦阶段的划分 从采矿阶段的划分及不同阶段对土地的破坏与占用情况分析，土地复垦 可划分为以下三个阶段：第一阶段为预复垦阶段，从地质勘探起至开采连续 破坏土地之前，此阶段的主要目标是尽量减少土地破坏：第二阶段为平衡复 垦阶段，对应于连续破坏土地阶段，此阶段的目标是平衡复垦与破坏土地 量及充分利用复垦后的排土场：第三阶段为衰退期的大规模复垦阶段。 上述三阶段的划分，不是人为的，它符合采矿对土地破坏与占用的规律， 也就是说将土地复垦与采矿工程作到有机的结合。 预复垦阶段可以采取有效的采矿规划与采矿工艺措施达到减小土地占 用与破坏的目的，如合理规划采区边界、开采规模、排土方式、开采顺序 等。此阶段最有效的控制或管理措施是要求采矿规划设计书中应该有采后 地形地貌图及采矿过程中地形地貌的动态变化图，并使采后地形以对复垦 最为有利的方式出现，这一技术的实现可以依靠数字地图和d t m 模型实现。 事实上，在国外的露天开采实践中己广泛应用此方法进行采矿与土地复垦 相结合的工艺措施设计。 平衡复垦阶段可以有计划有步骤地对土地实施复垦措施。根据采矿对 土地的破坏规律，此阶段可以近似地认为当年稳定的排土场土地与当年破 坏的土地量相当，这样使复垦土地的最大量与当年破坏土地数量相平衡。 衰退期的大规模复垦阶段，绝大部分破坏的土地均已稳定并适宜于复 垦，此阶段矿山生产处于萎缩阶段，复垦时可充分利用矿山企业的技术力 量，闲鼍的机械设备进行复垦，并将复垦工程与矿山报废计划衔接起来。 辽宁t 程技术大学硕十学位论文 3 露天煤矿工程复垦 工程复垦主要是指利用大型的采矿复垦机械进行搬运、平整土岩工作， 使“人造场地”恢复成较合理的地形地貌。所谓合理的地形地貌是指要满 足基本环境目标和最终土地用途的需要。 3 1 露天煤矿工程复垦阶段的目的、任务 3 1 1 目的 工程复垦阶段的目的是完成规划的复垦工程量，为后期生物复星奠定 基础，达到土地可利用状态。 3 1 2 任务 在复垦规划阶段，对复垦工程各项任务和进度都进行了详细的规划。 本阶段的任务主要是按规划实施，其实质是各项土地整治工程的实施。由 于各种土地利用方向和基本条件不同，工程内容也有所差异。依据国内外 复垦实践，工程复垦可以概括为： 将采矿工艺与复垦工艺结合起来。复垦工艺与采矿工艺的有效结合 不仅提高了复垦效率而且充分利用了已有设备和人员，从而提高了整体效 率和效益。 表土的剥离和贮存。表土往往是肥沃的，含有较高的有机质和养分。 为恢复良好的农田，往往需要对表土( 耕植土) 进行预先剥离和贮存以便将 来覆土。贮存表土时应种上植被以防止流失和保肥。 排土与平整工程。主要是将剥离的岩石排弃到排土场，并加以平整。 覆盖表土与修整工程。对农田复垦常需将贮存的表土覆盖在剥离岩 层上并平整。对于供建筑用途时也需要平整土地与压实。 基本的水土保持措施。复垦土地上植被往往生长较慢，土壤极易随 水和风流失，因此必须在复垦工程的实施前期采取一定的水土保持措施。 3 2 复垦区水土流失及其控制 3 2 1 土地复垦与水土保持的关系 过去，我们注意到的矿区土地破坏有挖损和压占两种形式，而将矿区水 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 土流失忽略了，其原因是挖损和压占是土地直接破坏形式，而水土流失往 往是间接的，且主要是由上述两种土地破坏形式引起但矿区水土流失绝 不仅仅只是因上述两种破坏形式引起的。还可能是由于土地利用不当，矿 区地表、地下水文条件改变等原因引起的。既然矿区水土流失是一种主要 的土地破坏形式，土地复垦时就应针对这一破坏形式采取相应的技术措施， 所以防止水土流失也是土地复垦的一个重要方面。 水土流失与其它两种土地破坏形式的共同点都是使土地生产力下降， 不同点或者说水土流失对土地破坏的特征表现为不可逆性，流失的水土资 源难以再被收回，水土流失除对本区域产生影响外，还会对更大范围内的 土地利用、水文条件产生影响，如大面积水土流失使区域性土地荒漠化或 减产，流失的土石方淤积堵塞下游河道或使河床底板抬高，造成洪水泛滥 等危害。因此，矿区土地复垦时考虑水土保持具有重要的意义。 3 2 2 矿区水土流失的表现形式 矿区水土流失包括水文系统的破坏及土壤侵蚀两方面，水文系统破坏 又包括地表径流的增加、垂直入渗的减少及水量循环的破坏、地表地下水 文参数的破坏等方面。土壤侵蚀表现为水蚀、风蚀和重力侵蚀。 按场地类型划分，矿区水土流失的主要形式有： ( 1 ) 露天开采剥离的岩土及生产建设过程中其它废弃物的堆积场地 ( 2 ) 露天采矿和土建工程开挖及边坡等无植被或植被稀疏地段 ( 3 ) 各类表土松散、植被稀疏的复垦场地 按水土流失的危害形式划分，有以下几种形式： ( 1 ) 土地减产型。水土流失造成土地贫痔，土壤水分供应不足，因而造 成土地减产。 ( 2 ) 淤塞河道型。采矿剥离的松散堆体在雨水冲刷下很容易淤塞下游河 道而引起洪水泛滥，甚至泥石流。 ( 3 ) 矿，土贫化型。采矿过程在采出有用矿物的同时，不可避免扰动上 覆岩土，若处理不当，产生水土流失，使矿、岩、土三者互相混合，既会 使有用矿物品位降低，又会使肥沃土壤混入岩石，甚至是有毒岩石，产生 土壤贫化甚至污染现象。这一类型在露天采场附近极易发生。 ( 4 ) 土地荒漠化型我国黄土高原地区露天矿排土场极易引起土地荒漠 化，原因是这一地区干旱少雨，本来植被稀少，矿山开采后使水土流失加 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 剧，植被更加稀少，形成“植被稀少一一水土流失一一植被减少一一水土 流失”的恶性循环。 ( 5 ) 滑坡灾害型采后形成的堆积地貌，坡角大，堆体松散，在水力冲 刷下，极易产生滑坡崩塌和泥石流危险。滑坡产生的危害是多方面的，可 能堵塞交通、影响周围土地利用及居民的生命财产安全。 3 2 3 复垦区水土流失机理及其解决的办法 引起露天矿排土场水土流失的原因主要是：岩土松散，固结能力弱：有 坡面：无植被覆盖。解决此类水土流失的最好办法是对弃土方式及排土场地 貌边坡及形状作合理的规划设计，其次是尽早恢复植被( 详见后文) 。 3 3 表土的处置和覆土厚度 表土( 土壤) 处置的目的是避免采矿剥离出的有害废弃物可能对地表水 源或地下水造成的污染影响，同时为植物生长提供一个较适宜的土壤环境。 3 3 i 表土( 土壤) 处置 ( 1 ) 土体剖面构型 土壤具有层次性，自地表层到底层土壤的垂直剖面中，不同的层次具 有的性质也不同，一般矿山复垦主要涉及到的土体构型，见图3 - i 所示。 t l 然土壤的剖面是在母质、气候、生物、地形和时间五种主要成土因 素共同影响下形成的，自上而下分为残落层、腐殖质层、灰化层、淀积层、 母质层和母岩层，这段垂直剖面的深度一般在两米以内。由于人类生产活 动和自然因素的综合作用，使耕作土壤产生层次划分，其剖面从上到下大 体可分为三层：表土层，包括耕作层和犁底层，厚度约在3 0 厘米左右：心土 层，位于犁底层以下，厚度一般约2 3 3 0 厘米：底土层，一般位于士体表面 5 0 6 0 厘米以下的深度，此层植物根系分布较少而露天煤矿复垦时人工堆 造的土体构型常常是覆盖土层、土岩混合层及砾石层，若不考虑复垦要求， 最终形成的地表层则可能通体为土岩混合层。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表土层 b 心土层 c 底土层 好气层 嫌气层 广1 j 覆土层 土岩混合层 砾石层 卜一，j 卜一 耕作土壤层次示意图复垦土壤层次示意图 图3 - 1 土体剖面构型 ( 2 ) 采矿时保留表土的必要性 在采矿时，一般应保留采区的表层土壤以备复垦工程用。依据剥离区 的表土的性质特征、数量分布以及复垦后土地的用途来决定开采区域的表 土是否有必要保留。一般来说，当采后排弃的覆盖物不能满足最终复垦后 土地的用途时，或者是处理改良覆盖物或其它表土替代物的成本代价超过 剥离表土的储存与二次搬运费用时，总是要保留表土的。 国内外的复垦经验表明，当进行农业复垦时，保留采区的表土是必要 的；而进行林业或牧业复垦时，可根据覆盖物的含砾量、机械组成及养分状 况，通过调查分析或种植试验的对比来确定是否有保留表土的必要。 3 4 排土场地形设计 重整地形是工程复垦的最主要内容之一。由于采矿剥离土岩的膨胀因素 人工堆置的排土场常常是较陡、较长的斜坡，加之场地内排水系统紊乱的 状况，极易造成场地边坡的不稳定和加剧水土流失。关于边坡稳定方面， 设计技术较为成熟，一般在露天采矿工程设计时均已考虑。具体的地形设 计要求： ( 1 ) 整个排土场的景观要与周围未开采地区相协调一致 ( 2 ) 防止水土流失 ( 3 ) 满足生物复垦的要求 在实际工作中，主要依靠对边坡的整治与排水沟渠的规划来完成。地 形设计的第一步是要调查排土场所在地区的自然地理情况，包括地形、地 貌、水文、降水量、侵蚀模数、土壤的性质及植被特点。这是排土场复垦 地形设计的基础资料，由此确定排土场的斜坡角度、排水密度等指标。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 3 4 1 坡面水蚀过程分析 水力侵蚀是由于降雨产生的地面径流冲刷地面而引起的，对坡面土壤 的影响程度比较大。降雨时如果降雨强度超过土壤的入渗速度则在坡面产 生水层，并且在重力作用下沿坡面向下流动，坡面首端只有本断面产生的 水层，因此水层厚度较小，而下方各点除了本断面所产生的径流外，还有 来自上方各点的降雨径流。距坡首愈远，来水面积愈大，水层厚度也愈大。 但由于坡面首端产生的径流到达下游各点需要一定的时间，所以在降雨初 期，某一断面以上的径流并非同时到达，而是随着时间的增加，集水面积 也逐渐增加，从而也使水层的厚度逐渐增加：若降雨强度不变，当该断面最 远一点的径流已到达时，该断面的水流即达到稳定，其水层厚度将与降雨 历时无关，而仅决定于断面以上的集水面积( 或坡长) 。 在其它因素相同时，土壤流失量随着坡长和坡度的增加而增大。因而， 在工程复垦阶段整治排土场台阶的坡长、坡度是防止水土流失的关键。 3 4 2 排土场边坡设计 不同的土地用途，对于边坡角度都有一定的要求，一般存在一个上限值。 表3 1 不同的土地用途要求的最大坡度 土地用途坡度( o ) 林地 3 8 草地2 8 放牧地1 5 车辆道路 1 2 耕地 5 房屋建筑 3 ( 1 ) 排土场台阶坡面的s 形设计 若对自然界的天然斜坡形状进行仔细观察，就不难发现，多数天然斜 坡的剖面轮廓大约为s 形，见3 - 4 图。在其上部一般占总长约2 0 - 3 0 部 分为凸形，下部约占坡长约7 0 - 8 0 部分为凹形。 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 2 0 一3 0 7 0 一8 0 f _ = 、。 。 二二。一 。 4 凸形 州形 角 图3 4s 形斜坡 这种形状是天然坡面受到的侵蚀力与沉积力在经过整个地质年代长期 的相互作用而最终达到平衡稳定的结果，是环境的各种因素综合作用的结 果。这种s 形坡形应是进行排土场坡形设计时较为理想的方案，因其坡面 所受侵蚀程度最小。在这种坡面上沿坡长方向的任一点，随着离坡首的距 离增加，其集水面积虽然增大，但沿此坡面的径流流速并不是逐渐增加而 是保持在一个相对恒定的，较低的数值，从而控制了径流对坡面的冲刷力， 即有效地控制了水土流失。 ( 2 ) 排土场台阶坡面的抛物线形设计 据地貌学原理知，山坡发育到较晚阶段，将形成一上凸下凹的山坡， 即图3 - 4 示。仿自然山坡的形状，设排土台阶坡面水平宽度为l ，高度为h ， 可用指数形式表示坡的断面方程为： y = 一1 7 h e - o 8 5 9 1 _ 2 x 2 + 1 7 h( 3 1 ) 根据地貌学原理，当地壳处于长期稳定时，剥蚀作用将不断进行，最 终形成的s 形其凹形部分占较大比例，假设凹形占全部时，该坡面可表示 为： y = h x 2 l 2( 3 2 ) 因此从地貌学原理分析，式( 3 - 2 ) 应较( 3 - 1 ) 更合理，建议排土场抗侵蚀 坡面设计采用式( 3 2 ) 的抛物线形式。 ( 3 ) 排土场台阶坡面的直线形设计 由于场地及施工条件等因素的限制，当难于将坡面设计成s 形坡面或 抛物线形坡面，至少应选择边坡直线形方案，而尽可能地避免凸形边坡。 若排土场较高，斜坡较长，为了有效地控制径流流速，可在坡面中间 横向建立几个排土台阶，将整个集水区的地表径流沿坡面分为几段分别进 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 行截流疏导，从而防止土壤侵蚀，也有利于保水保肥。表3 2 为不同的边 坡角条件，可参照其设置台阶之间最大距离。 表3 - 2 防止侵蚀的排水台阶间距 坡度( o )台阶最大间距( m ) 2 1 需特殊侵蚀控制措施 3 4 3 排土场平盘整治 由于各地的自然地理条件、治理程度，土地利用方式与耕作习惯等不 同，排土场平盘整治形式各异，常用的有以下几种： ( 1 ) 水平式平盘 ( 2 ) 反坡式平盘 3 4 4 排水系统的布置 排土场大部分地区仅需从排土场复垦植被角度考虑设置渠系。具体布 设要求为：从最高平台开始，自上而下，分区划片，归整流路，形成纵横 成网的完整排水系统。横向排水渠以平台内缘排水沟为主，平台需整成微 倒坡，外侧修筑挡水墙，使径流汇入排水区内，纵向排水渠可结合排土场 道路的排水沟或利用相对较缓的切沟加固处理形成。因沉陷的影响，渠道 不宜采用窄深式渠道，因为窄深式渠道不利于清淤、添缝、整平等工作， 考虑到矿山机械化程度高，故渠道采用宽浅式非刚性材料修筑，根据水文 计算以及实践经验，可采用以下几种形式，可根据地形、材料、汇水面积 进行选择。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 4 露天煤矿生物复垦 经过工程复垦地形整治以后紧接着就应进行生物复垦，快速恢复植被， 从而可有效地控制水土流失，改善矿山的生态环境。 植被的恢复，可以通过两种途径来实现，其一，改地种树，即通过人为 改善立地条件，使其基本适应植物的生物学特性，此法虽简单有效，但由 于矿区各种限制因子往往非一般性措施可以完全克服，许多复垦的土地理 化性质处于动态变化，加上区域经济水平限制，立地条件改良并不容易实 施。其二，选树种地，即根据待复垦场地的立地条件选择或引进各种抗限 制因子的先锋植物种，随着先锋植物的繁殖，生态环境逐渐得以改善。 矿区植被建设的基本原则： ( 1 ) 认真贯彻“因地制宜，因害设防”的原则，根据不同地段的生产状 况，立地条件和水土流失特点，种植林草植被。 ( 2 ) 以建设矿区人工生态系统为目的，在土地工程复垦基础上，认真分 析造林立地条件类型，做到适地适树，适地种草，选择合理树种、草种和 造林种草技术，提高成活率。 ( 3 ) 营造以草为先锋，灌木为主体，建立草、灌、乔相结合的防护林体 系。 ( 4 ) 把林草植被建设作为矿区经济稳定发展的保障。 ( 5 ) 矿区水土流失防治与环境绿化美化相结合，建立一个环境优美、和 谐、稳定的生态型矿区。 4 1 覆盖土改良 4 1 1 覆盖土的理化性质 露天矿山土经过地形整治以后形成复垦区的表层土，称其为覆盖土。覆 盖土可能是经复土后的原采区表土与心土的混合物，也可能是未经复土的 剥离物。露天矿人工堆垫的覆盖土性质与原有或周围未经破坏的土壤性质 有较大的差别，存在着许多限制植物生长的因素 评价覆盖士的性状是否合适植物生长，主要分析以下几方面的指标：p h 值、营养元素( 大量元素n 、p 、k 微量元素如m n 、z r 、f e 等) 、有机质、 粒度、容重。 辽宁t 程技术大学硕十学位论文 ( 1 ) p h 值的影响 由于采矿剥离出的固体废弃物常常会造成表土为酸性或碱性，p h 值过 高或过低都将影响土壤营养物质的有效性 ( 2 ) 营养元素( 大量元素n 、p 、k 微量元素如m n 、z r 、f e 等) 由于矿山人工堆置土地的特殊性，多数矿有复垦土地中都较为缺乏n 和p ，而对于k 和其它微量元素的需求并不明显。缺n 的原因可能是由于 覆盖土或剥离物中的有机物含量很低且缺乏微生物的分解，不能使含氮化 合物转化成植物可利用的形态。磷元素的缺乏可能与覆盖土的p h 值有关， 磷元素的有效性对p h 值的变化较为敏感。磷元素营养对植物的苗期生长至 关重要，缺p 的植物由于根系生长不良而难以吸收足够的水分和养分，会 在干早季节死亡。 ( 3 ) 有机质 覆盖土极为缺少有机质。其原因：一方面覆盖土常常是表土、心土和底 土的混合物，本身就缺乏有机质，另一方面土壤微生物的数量较少，使得 可为植物所利用的有机质含量也相应减少。增加覆盖土中的有机质含量是 矿山种植培肥的一项重要内容。据研究，即使是在化学氮肥使用量很高的 土壤中，植物吸收的n 量中仍有5 0 9 6 以上氮元素来自土壤有机质。土壤有 机质中的磷是土壤有效磷的重要来源，同时有机质中还含有一定数量的硫、 钾、钙、镁及各种微量元素。 ( 4 ) 粒度 覆盖土的颗粒分布决定着其持水能力，随着粒径的增加，其土壤持水性 能下降。矿山复垦区多数区域的表层都含有很大比例的粗骨颗粒。 ( 5 ) 容重 自然耕作土壤的容重一般是1 卜i 5 9 c m3 ，而覆盖土由于被重型机械 压实以及含有底土或粘土的缘故，常常会造成容重值超过自然土壤的数量。 容重过大的土壤其空隙度下降，以至固、液、气三相比例不协调，水、肥、 气、热状况恶化，影响植物根系伸展。 4 1 2 覆盖土改良 露天煤矿的覆盖土一般肥力低下，主要缺n 、p 和有机质，且常伴有酸、 碱的危害，因此，土壤改良与培肥应着重从消除“危害物质”，以及围绕其 水、肥、气、热四大肥力要素的改良，采取相应的措施。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 ( 1 ) p h 改良技术 由于露天煤矿开采破坏了整个土壤剖面，因而有些酸性或碱性的矿层 物质在开采和复垦过程中会影响表层土壤的酸碱性，因此，复垦土壤的p h 问题是土壤改良的关键问题之一。土壤的p h 不仅影响植物品种的选择和植 物的生长，更重要的是影响土壤养分的活性，从而影响植物的生长发育。 ( 2 ) 施肥改良 土壤施肥是土壤改良的重要措施之一。由于复垦土壤是新构造土，复垦 土壤的培肥就是成为复垦土地生产力提高的关键问题。复垦土地上应在植 被建立的过程中进行人为辅助( 如施肥) 以减轻采矿的副作用，只有这样， 植被才有足够的力量去自己克服肥力消失后的环境压力。因此，应及时施 肥并使植被适应环境以减少其对进一步施肥的要求。另一方面，采矿严重 地破坏了土壤的平衡，影响了养分的适应性，为迅速建立一个多样化的与 采前一样多的植被群落，养分的增加是必要的。在初步施肥和期望植被建 立以后，自然的风化和养分循环过程就会使土壤保持一定的养分水平，从 而保护植物群落。 无论是覆盖表土的复垦土地还是矿山土往往都需要施肥，以增加速效养 分。覆盖土培肥改良使用的化肥主要是n ，p 肥料或n ，p 复合肥料，由于 化肥的价格较高，矿山在复垦种植时主要利用化肥作为种肥或部分植物的 追肥使用。 ( 3 ) 生物改良 土壤中的生物成分对土壤的形成发展和地表植被的生长和保持是十分 重要的。土壤中生物的存在是大多数植物品种长期生存和自然生态系统重 建的基本条件。土壤生物包括动物和植物。常见的动物有蛆叫、蚂蚁以及 各种蠕虫的幼虫。它们大多以死的或正在腐烂的植物残体为食料，因此， 有机质含量越高这些动物也就越多。此外，在土壤中还居住各种鼠类。土 壤中的动物对土壤有机质的分解起着积极的作用。土壤中生命活动最旺盛 的是土壤微生物，土壤微生物的种类很多，有细菌、真菌、放线菌、藻类 和原生动物。不同类型的微生物的生理特性和对生态条件的要求也多种多 样，因而能形成多种生物群，对各种有机质都能进行彻底分解并合成腐殖 质。土壤微生物对土壤中物质的转化、植物营养的供给和土壤肥力的提高 都有重要作用，它是使土壤具有活性的主要物质 辽宁丁程技术大学颀 学位论文 n o 2 0 4 2 牧草栽植 矿山土地复垦，建立人工牧草地，首先必须选择适宜的牧草品种，为此