海州露天矿环境修复技术

1、辽宁工程技术大学海州露天矿环境修复技术课程：环境修复技术学院：环境科学与工程学院专业：环境科学班级：环科13-2姓名：毕月妍、付睦慧、李朋格、李隹慧刘嘉欣、刘美君、卢自强、鲁蒙、林枫_成绩：日期：2017年1月5日目录前百31矿区废弃地环境影响要素分析31.1.1 景观异质性增强31.1.2 稳定性被破坏31.1.3 废弃地生态修复的基本涵养32矿区废弃地生态修复规划与结构设计61.1.1 矿区废弃地生态修复的理论基础61.1.2 生态位理论61.1.3 食物链理论61.1.4 结构合理，功能协调，共同进化理论61.1.5 效益协调统一理论62.2 矿区废弃地生态修复规划72.3 矿区废弃地生

2、态修复工程的结构设计73矿区废弃地生态修复的技术体系83.1 土地复垦技术83.1.1 排土场复垦83.2 露天采矿复垦83.2.1 浅采矿场复垦83.2.2 倾斜或急倾斜矿床体复垦93.2.3 山坡采矿场复垦93.3 煤矿塌陷地复垦93.4 植被修复技术104参考实例125结束语13参考文献14摘要本文在回顾中国矿区土地修复与恢复重建研究工作的历史基础上，着重从土壤科学与生态学的角度综述(1)矿区土地修复与生态恢复的限制因素；(2)矿区退化土壤的物理和化学修复;(3)矿区金属污染土壤的植物稳定和提取修复;(4)矿区污染土壤的植物-微生物及动物协同修复；(5)矿区土地修复的技术要求与管理;(6

3、)矿区土地修复与生态恢复的未来研究与发展。旨在推动中国矿区土地资源修复与生态环境恢复的理论研究和技术发展。关键词：矿区，土地复垦，生态恢复，生物修复前言2005年5月31日，亚洲最大的露天煤矿一一阜新海州煤矿因资源枯竭，正式宣告破产关闭，留下了目前世界上最大的废弃矿坑。2006年，国土资源部将该矿区定为首批28家矿山公园之一。3个年头过去了，矿坑边上，当年由采矿堆积起来的高100米占地、15平方公里并随时可能自燃的光秃秃的什石山，如今已是草长莺飞的绿色高地。阜新是工业遗产项目中，起步较早的老工业基地之一，它的成绩与困惑都具有一定的典型意义。自从20世纪50年代以来，中国的金属、工业矿物、建筑材

4、料和能源材料等矿产资源被大量开采给陆地自然环境带来了相当大的损害。据估计，1994年中国就有500万手工矿业工人工作在28万个矿区。大量的小规模手工采矿业，虽然发挥了重要的经济作用，也提供了许多就业机会，但是加剧了对周边地表植被和水文条件的破坏和对大气、水体、土壤的污染。据报道，中国受采矿业影响的土地大约有300万hm2,其中受乡镇企影响的占1/3,在上世纪末中国每年因采矿造成的废弃地面积达3.3万hmf。中国矿区受损土地的恢复相当缓慢，但其比例在逐年提高。在上世纪80年代初得到恢复的矿区废弃地只有0.7%1%到了80年代末提高到了2%,90年代初增至6.7%,94年已达到13.3%。1994

5、年得至IJ修复禾1J用的矿区土地面积是1992年和1993年的总和网，占全国在1987至1995年期间共修复土地的3.7%(根据Yang4数据换算)。目前，有关矿区土地的修复与生态恢复工作仍存在一些具有挑战性的问题50如果由各种原因所造成的土地破坏总量的一半能被恢复并用于农业生产，那么中国每年的粮食产量会提高400亿kg6。可见，修复与恢复矿区土地的生产力和生态系统健康对中国农业生产、环境保护、生态建设以及区域社会经济可持续发展均具有重要的现实意义。为了进一步推动中国矿区土地修复与恢复重建的理论研究和技术发展，本文回顾了相关研究工作的发展阶段，并结合自身的一些前期研究工作，着重从土壤科学与生态

6、学的角度综述(1)矿区土地修复与生态恢复的限制因素；(2)矿区退化土壤的物理和化学修复;(3)矿区金属污染土壤的绿色植物稳定和提取修复；(4)矿区污染土壤的植物-微生物及动物协同修复；(5)矿区土地修复的技术要求与管理；和(6)矿区土壤修复与生态恢复的未来研究与发展1矿区废充地环境影响要素分析矿区废弃地是指因采矿活动所破坏的，不经过治理而无法使用的土地。就煤矿而言，矿区废弃地可分为3种主要类型。排土场：伴随着露天煤炭开采，由剥离的表土和分选出的各种固体废弃物堆积形成的废弃地。采煤沉陷地：井工煤炭开采后，由采空区域塌陷形成的地表废弃地。什石山：由井工开采伴随着煤炭排出的煤什石固体废弃物并在地表堆

7、积形成的废弃地。从景观生态学角度分析，矿区废弃地具有如下景观生态特征：1.1.1 景观异质性增强矿石废弃地表现出比采矿前更大的景观异质性，采矿活动实际上就是将原来较为均质的景观进行异质化的过程，开采后的采矿地包括采矿点、尾矿、堆场、排土场、塌陷地等景观类型和厂房、矿井、采掘设施、道路等景观要素，使原本均质的景观变得破碎化了，同时具有斑块、廊道和基质的典型镶嵌格局特征。1.1.2 稳定性被破坏强烈的干扰超出了当地景观生态系统本身的自我恢复能力，干扰甚至导致生态系统的退化，最明显的标志是生态系统生产力降低，生物多样性减少或丧失，土壤养分维持能力和物质循环效率降低及外来物种入侵和非乡土固有优势种增加

8、等；随着干扰的加剧，生态系统自身的生态平衡和稳定性受到破坏。1.1.3 生态过程受到影响采矿地与周边环境是一个完整的生态系统。采矿活动势必会影响到区域生态格局与各种生态过程的连续，如水的过程，物种迁徙的过程，同时造成污染扩散。1.2矿区废弃地生态修复的基本涵养矿区废弃地生态修复实质是矿区废弃地基制改良、土壤侵蚀控制和植物种类的筛选，并在正确评价废弃地类型、特征的基础上，进行植被的恢复与重建，进而使生态系统实现自行恢复并达到良性循环。当前的“修复”更多的是指“改造”和“恢复”。为了保证未来我国土地修复与生态恢复工作的良性发展，应该强调以下的几个观念：土地修复是一个长期过程，复垦是有效的修复手段，

9、应最大限度的修护修复土地的生物多样性和生态系统及人体健康；修复的土地质量应该高于或至少维持在被开发前的水平；修复土地上种植植物的生产量应该达到标准允许水平，存活率应超过80%90%;修复土地被用于农业生产，应给予特别的关注并采用特殊的修复技术，进行风险评价和监测，以确保有毒物质没有通过食物链转移和富集；应恢复原始地貌，如果可能，土地破坏前初始的覆盖应被用于修复工程；应减少修复土地与邻近地区之间物质流的不平衡；修复过程应尽量减少对野生动物群落包括鸟类、哺乳动物和鱼类的干扰。矿山生态修复的主要任务，是在目前技术经济水平的条件下，将受到开发影响的主要环境问题，通过科学、系统的生态修复工程和长期的生态

10、抚育措施，使被破坏的、受损的矿山环境功能逐步恢复，使之生态环境自身可持续良性发展，逐步形成自我维持的繁衍生态平衡体系。矿山的主要生态修复对象包括：露天采矿场地、地下开采的采动影响区、排土场、选矿尾矿库、堆浸场、输送管线填埋区、道路、各工业场地等。矿山生态修复的时期，目前传统的是在开采完成后再来修复。随着复垦工作的深入，和对矿业开发历程的理解，正确的复垦和生态修复活动，应伴随矿山全部开发过程，实施全程动态恢复。也就是生态恢复工作，应贯穿在矿山建设期、运营期和关闭期，以及后延的生态抚育期的全部开发过程。伴随生产时序，实施及时的复垦工程，恢复措施，使其被破坏的工业场地得以科学的、及时地恢复。矿区不同

11、的开发阶段，蕴含着不同的生态修复重点内容。在矿山基本建设阶段，矿山生态环境修复的主要方面，是矿山开拓阶段形成的道路、边坡、受影响的场地，表土的剥离、贮存和保护，场地恢复的规划设计，植被品种的选择及小区试验、设计，恢复工程材料的筛选和获取。在矿山运营阶段，应按开发建设时序，在运营期长达10-30年的范围内，可按工程进展划分时间段，不同的时间段有不同的复垦生态恢复任务、对象。在尾矿库、排土场、堆浸场、露天采矿场地，已经最终完成的堆筑作业的边坡、台阶、平台或局部场地，应是此阶段的及时、动态安排复垦工程的重点。在大面积完成顶部平台、沉积滩、台阶、道路等场地，应集中安排复垦工程，生态恢复措施。在接近开采

12、完成或闭矿阶段，应重点完成各类场地的生态恢复工程，补充修复质量不能保证正常成活场地的恢复工作。对于建有永久建筑的场地和设施，应评估其质量和依据需要决定保留和拆除。使即将关闭的矿区，保留的设施为当地所用，不能遗留污染场地。拆除的建构筑物和设施，清理后根据最终的利用去向，实施复垦或利用，合理安排各得其所。贯穿在各阶段中的一项不可缺少的任务，是对已经完成复垦生态恢复的场地和区域，实施持续几年的生态抚育和跟踪，确保恢复修复的质量，实现生态修复取得可持续、自我维持的良性循环机制。经过人工强化的复垦工程，生态修复等措施。经过几年、十几年的生态循环和演替，矿区生态系统一定可以逐渐朝着恢复到采前的生态环境发展

13、。2矿区废充地生态修复规划与结构设计2.1.1矿区废弃地生态修复的理论基础生物的生长和发育依赖于各种生态因子的综合应用，其中限制生物生存的因子即是限制性因子。矿区废弃地生态修复土壤中的氮、磷等营养元素是植物生存的限制性因子。1.1.2 生态位理论生态位通常是指生物种群所占据的基本生活单元，是指其生存所必须的或可被利用的各种生态因子关系的集合。在矿区生态系统中，可应用生态位原理进行物种的合理布局，加速植被恢复充分利用光、气、热、水和肥资源，提高土地生产力增加经济效益减少环境污染。1.1.3 食物链理论生态系统中存在许多种生物，他们之间通过食物营养关系相互依存相互制约，并存在单方向的营养和能量传递

14、关系，即食物链。矿区废弃的生产修复时应合理构建食物链，形成稳定的食物网，实现能量的多级利用与物质的再生循环。1.1.4 结构合理，功能协调，共同进化理论生态系统的结构合理可保证功能的正常运转，实现生物与生物、生物与环境之间的协调，实现生态系统的稳定性和可持续性。矿区废弃地生态修复只有遵循这些原则，因地制宜，合理布局与规划，才能提高资源利用率，充分保护环境。1.1.5 效益协调统一理论矿区是一个社会-经济-自然复合生态系统，包括经济再生产和自然再生产过程，具有多种功能和效益。矿区废弃的是一种被嫉妒干扰的新生裸地，不具备正常土壤的基本结构和肥力，在没人未继续破坏的情况下，恢复到原状的生物过程和物理

15、过程将十分缓慢。过用时间/印洌甘道心生物过程1-50是在肺物的入侵-50通过植物科定居1-10/物捕获的姗同留物成愿程1-100植物从土案小物质11狭制养外的索出1-100牛物陶陆、大气中输入武揩积1-20布利上堞4机坊国累的机物、动物区系的睦人1-20国植物、土挑动恂微生物作用，土堞睛构改？L看机就循那L-30土壤姑构变化a改善壤持水硅力10-1000有机质根根,上濯服忤整小1-1000郛打风化和自然沉积的物质积累1-1000风化的土堞十物质分解L-LOO土壤由效水分含喳国整1-1000j堞小物养分释放1-10000R般层到深信可稀同物电淋溶1-1OODO府成土堞剖面层新生裸地生态系统的演替

16、过程和时间跨度2.2. 矿区废弃地生态修复规划矿区废弃地生态修复计划，包括总体规划、小区规划和工程设计三个方面。总体规划是在小区规划前对修复土地的利用方向及所采取的修复措施等问题做决策分析。是修复工程得以实施的前提。工程设计是在总体规划和小区规划的基础上对主体工程及其配套工程的详细规划和说明。2.3. 矿区废弃地生态修复工程的结构设计依据废弃的自身破坏情况及具体生态条件，总结出如下几种生态修复工程的结构设计类型：耕作型结构设计水陆并举型结构设计水养型结构设计乡村综合开发型结构设计水上游乐型结构设计绿化造林型结构设计建设用地型结构设计3矿区废充地生态修复的技术体系3.1. 土地复垦技术3.1.1

17、 排土场复垦排土场排弃物料中岩石居多，土壤较少，在岩石层上恢复有一定困难，所以排土场主要适用于林业复垦，少量用于农业复垦或其他用途。(1)排土场顶部复垦工艺根据排土工艺和设备的不同，排土厂顶部形状有等锥形、连脊形、横向弧形和平坦形(铁路、汽车排土场形成的)四种。从复垦工作量来看，平坦形最小，锥形排土场最大，具次为脊型和弧形排土场。为了防止排土场上表面受到水侵蚀，要求平整的复垦场地坡度为：用作农业种植时不宜超过1-2。，坡度在3-5。时应有保护措施；用作牧场或草场时为2-4。；用于林地时适宜的坡度为10以下，横向坡度不应超过4。(2)排除场边坡构筑工艺边坡地约占排土场总面积的30%边坡占地面积随

18、着排土厂堆积的废石量的增加相应扩大，对排土厂边坡的复垦可防御水和风对排土场的侵蚀。排土场的边坡角与剥离物即废石的自然安息角相近，露天金属矿和煤矿实际的排土场边坡角一般为35_45。排土场的边坡不宜太陡，边坡角必须减缓，以满足环境的要求及保证再种植需要。(3)排土场覆盖工艺排土厂覆盖工艺可分为土壤覆盖工艺和其它物料覆盖工艺。土壤覆盖工艺土壤覆盖工艺较为简单，与露天覆盖土壤相同。即将采矿剥离后贮存的表土和底土按顺序覆盖于排土厂表面，进行土地平整后利用。排土场复垦用于造林时，如有足够的土壤，可在全部场地上覆盖表层土层；若缺少土壤时，可只在植树的坑内施足底肥后覆盖土壤。3.2. 露天采矿复垦露天采矿场

19、的复垦主要取决于矿床赋存与地形条件，其次与围岩、表土及当地实际需要有关。3.2.1 浅采矿场复垦浅采矿场一般为水平或缓斜赋存，具造地工艺与矿山开采工艺紧密结合，主要工艺为：采区的合理划分：在采矿场安排两个或两个以上的采区。每个采区沿矿体走向再划分为若干个采厂用开采块段，当第一采区开采时，第二采区进行剥离，第二采区剥离时第一采区开采，交替连续进行，录U、采互不干扰，避免二次搬运。表土储存：采区表层肥沃的土壤是土地复垦时进行再种植成功的关键，因此必须妥善就近储存并与底土分别堆放，防止岩石混入使土质恶化，尽可能做到回填保持原有的土壤结构，以利种植。回填、覆土：将开采中形成的废岩土回填至采空区，使采矿

20、与废石回填相互配合，质量使废岩土在采区内解决，避免往返运输，缩短造地周期。3.2.2 倾斜或急倾斜矿床体复垦开采倾斜或急倾斜矿床体的露天矿可采用内排法，其复垦工艺流程是：将矿体分为若干小矿田，对剥离系数最小的一块矿田进行强化开采，尽快将矿物采出以腾出空间；将剥离的表土暂时堆砌在该矿田周围边上，在开采另一块矿田，并将剥离物填在已腾出空间的采空区上，将其周边的表土覆盖上去并整平。3.2.3 山坡采矿场复垦对于倾斜或急倾斜的坡积矿床，用水力开采或随等高线开挖后，裸露的石坡一般成“石林”状，这类地形的复垦可就地取材修筑梯田，即按等高线堆砌石墙，并尽量与“石林”联结，然后再墙内填尾矿，待尾矿干涸后即成为

21、可供农业或林业用的梯田。具造地工艺具体为：将表土和底土驳运至场外贮存：在采空区周围用尾矿砂筑坝；将水力剥离的泥浆和选矿厂排弃的尾矿矿浆用泥浆泵吸取，经过管道直接充填采矿区；尾矿回填到设计标准后，即在尾砂池四周开沟排水，使泥浆彻底干缩以免大面积下沉，积压疏干后要保持5以上的坡度，已满足复垦时排灌的要求；在平整后的地面上铺土整平，覆盖土层厚度一般不少于0.4-0.5m,以满足农业或林业种植要求。3.3. 煤矿塌陷地复垦(1)以煤什石为填充物复垦工艺煤石干石填充工艺流程用煤什石填充复垦可分为两种情况，即新排肝复垦和预排肝覆田。新排什石复垦是指不在起新什石山，将矿井新产生的煤什石直接排入塌陷坑，推平覆

22、土造地，称为排什复垦方法。预排肝覆田，是指建井过程中和生产初期，塌陷区未形成前或未终止沉降时，在采区上方，将沉降区域的表土先剥离取出堆放在四周，然后根据地表下沉预计的等值线图预先排放肝石，待塌陷稳定下沉后再覆土造田(2)以粉煤灰为填充物复垦工艺发电*粉煤J1管道水力输出矿区采煤一r局陷区一剥离点上一建坝种植或建房-糊土还HI-沉淀排水一冲灰到设计高度粉煤灰为填充物复垦工艺流程粉煤灰是煤矿塌陷区复垦造田的重要材料来源之一。利用电厂粉煤灰复垦，方法简单,经济，安全。矿区电厂离煤矿距离较近，一般以10-15km之内，利用电厂原有设备和增加所需要的输灰管道，便可将灰水直接充填塌陷区。贮灰场沉积的粉煤灰

23、达到设计标高后停止充灰，将水排净，而后覆土，覆土厚度为10-50cm。利用煤矿塌陷区作贮灰场复垦后的土地可种植各种农作物以及盖厂房、平房等。3.4. 植被修复技术植被修复流程与技术植被恢复的立地评价砂石、废渣、植被恢复前，应首先进行立地分类，按矿区地表将立地质量划分为什石、塌陷等不同立地类型，然后对每种矿区立地类型的土地土壤进行评价。植被恢复过程中的整地措施。整地措施包括场地平整，覆盖表土等。植被恢复中的植物材料选择。原则：生长快，适应性强，抗逆性好；优先选择固氮植物；栽植容易成活率高；适应矿山自然环境、地理位置和气候条件，有较高的经济价值或改善矿山环境质量的能力。植物栽植技术对于草本植物，一

24、般采用播种方式。对于木本植物，大多采用栽植技术。植被的施肥管理技术风化肝石由于缺乏微生物和腐殖质，没有经过生物富集作用，所以肥力状况不良，因此利用肝石复垦种植必须采取有效的施肥与管理措施4参考实例海州露天矿的生态修复可以参考岱沟露天煤矿土地生态修复工程方案(1)排土场工程复垦的设计与施工。黑岱沟露天煤矿采用了开采排土造地整治复垦管理“一体化”的复垦工艺，在开采生产时就兼顾了最终土地复垦的需要，这就大大减轻了工程复垦的工作量。在排弃剥离物时，设计多层台阶排土场，台阶高度15m最小台阶宽度40m自然边坡角38,500这样既增加了排土场的稳定性，又有利复垦种植和防止水土流失。覆土过程是剥离、排土过程

25、密切结合而成一体的。当排土厂各台阶的岩土排弃接近最终设计标高时，开始覆土，最终达到平台、台阶覆土厚度，为进一步的生物复垦奠定基础。矿区内及周围土壤类型主要是：栗钙土、栗淤土、风砂土、黄土及黄绵土。随着深度增加有机质含量下降，而速P、速K含量增加。根据实际情况如果保留表土，将其运往需要复垦的地方，则投资大、生产费用高。而采用剥离黄土覆土后，通过生土熟化和快速培肥技术，完全可以达到原表土的肥力状况。这种方法投资少、效果好。故该矿外排土场采用剥离黄土排弃方式进行复土，不单独采集表土用于覆土，不做二次倒土，不强调覆原表土。工程复垦的主要环节有：有计划排弃和覆土；及时采取土工措施，防止水土流失；平台或台

26、阶建立道路系统，平台主干道宽度为10-12m,次干道为6-8m;平面初步整平，做到大不平而小平，再分网格打畦梁，网格规格一般为30-40米；在东排土场轮斗系统覆土时，有时落差较大，采用修梯田，进行整地；坡面采用不同规格的鱼鳞坑进行整地。(2)排除场生物复垦的设计与施工在复垦区地形整治完工后，紧接着就应快速恢复植被，从而有效地控制水土流失，改善矿山生态环境，同时恢复土地的生产力。生物复垦措施是复垦工作的核心与重点，不仅决定着土壤的改良、植被的恢复，更承载着保持水土的重任，他的得当与否，直接关系着矿区复垦的成败。因此，应在不断探索的同时，积极推广研究成果，始终坚持科学治理，因地制宜。5结束语“绿色

27、开采”是一种遵循循环经济绿色工业的原则，形成开采与环境协调一致，实现“低开采、高效率、低排放”的开采技术。矿区绿色开采是煤炭工业健康发展的必由之路。举办矿区“绿色开采技术高级研修班”旨在，防止或尽可能减轻煤矿开采对环境造成的不良影响，使煤炭资源开发能够取得最佳的经济效益和环境效益。矿区绿色开采是一个开放的复杂大系统，需解决大量基础理论、技术工艺、系统优化及政策法规等方面的问题。这些问题分属自然科学、工程技术与社会科学等领域。研究内容包括：保水开采技术、土地与建筑物保护与生态重建技术、煤与瓦斯协调开采技术、瓦斯浓缩利用技术、固体废弃物利用技术、矿产资源清洁开发与加工技术、矿区废弃的生产修复技术、

28、矿产开发效益效果评价、矿区资源环境安全与监测预警、矿区资源立体综合开发与矿业生产工业园优化、生态矿业系统分析、循环经济等。因此，实现煤炭开采与矿区生态与环境的友好，即实施绿色开采，是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。立足于煤炭开采的源头，通过对采煤方法和工艺，岩层控制及以及相关技术、实验研究平台等的开发和建设，改变传统开采工艺造成的生态与环境破坏问题，实现煤炭资源的环保、高效，高回收率和安全开采，是实现我国采矿工业的可持续发展的必由之路。1许延娜，牛明雷，张晓云.我国重金属污染来源及污染现状概J.资源节约与环保，2013(2):55.2杨文瑜，聂呈荣，邓日烈.化学改良剂对污染土壤治理效果的

29、研究进展J.佛山科学技术学院学报：自然科学版，2010,28(6):7-10.3黄秋婵，韦友欢，吴颖珍.硅对胁迫下水稻幼苗体内镉分布规律的研究J.湖北农业科学，2010,49(2):303-306.4周建斌，邓丛静，陈金林，等.棉秆炭对污染土壤的修复效果J.生态环境，2008,17(5):1857-1860.5徐应星，李军.硅和磷配合施入对污染土壤的修复改良J.生态环境学报，2010,19(2):340-343.6江春玉，盛下放，何琳燕，等.一株铅镉抗性菌株WS34的生物学特性及其对植物修复铅镉污染土壤的强化作用J.环境科学学报，2008,28(10):1961-19677张亚丽，沈其荣，姜洋

30、.有机肥料对污染土壤的改良效应J.土壤学报，2001,38(2):212-218.8卫泽斌，郭晓方，丘锦荣，等.问套作体系在污染土壤修复中的应用研究进展J.农业环境科学学报，2010,29(S1):267-272.9蒋玉根.农艺措施对降低污染土壤重金属活性的影响J.土壤，2002,34(3):145-147.10汪雅各.客土改良菜区重金属污染土壤J.上海农业学报，1990,6(3):50.11HANSONAT.TransportandRemediationofsubsurfaleContaminatantsM.WashangtonDC:AmericanChemicalsociety,1992.12MORIMOTOKTATSUMIKKURODAKI.Peroxidescatalyzedco-polymerizationofpenta