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“矿山生态修复”专题

历史遗留采矿废弃地生态修复设计
——以晋北煤炭基地宁武煤田为例

朱 湾 1,马 亮 2,施德刚 3,杨荣喜 2,王俊杰 2,王闻贵 2,侯湖平1,付丽强 4

(1.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏省徐州市, 221000;2.山西省地质勘查局二一三地质队,山西省临汾市,041000;3.山西地勘生态地质有限责任公司,山西省太原市,030000;4.山西省自然资源事业发展中心,山西省太原市,030000)

摘 要 历史遗留采矿废弃地的生态修复和设计是矿区生态修复的主要任务之一,如何合理设计采矿废弃地的生态修复是保证修复后矿区可持续发展的关键。以晋北宁武煤田采矿废弃地为例,调查和分析了该区域生态修复中存在的主要问题,阐述了该区域相关的关键工程,如灭火工程、地貌重塑工程、土壤重构工程和植被修复工程的生态修复设计,通过在研究区实施的生态修复与治理,在矿区恢复了自然生态基底,构建了健康稳定的生态体系且提高了生态恢复力,增加了生态效益、社会效益和经济效益。

关键词 宁武煤田;采矿废弃地;生态修复;工程设计

良好的生态环境是人类发展最重要的前提,同时也是人类赖以生存、社会得以安定的基本条件[1-2]。因此修复受污染和被破坏的生态系统十分重要。我国拥有十分丰富的矿产资源,这些资源的开发对于促进全国的经济发展起到重要的战略作用。但是开采产生的采矿废弃地,引发了大量的生态环境问题,对保障国民经济的持续健康发展形成巨大阻力[3-5]。因此对采矿废弃地的生态环境进行修复已经刻不容缓。

晋北宁武煤田基地地处山西省宁武县,位于芦芽山国家自然保护区边缘地带,该煤田采煤历史长,最早可追溯到民国年间[6-7]。在长期开采活动过程中,由于开采方式的粗放导致矿区植被遭到严重的破坏,特别是开采过程中形成大量的裸露边坡和矿渣随意堆放严重破坏了矿区的生态环境,导致出现水土流失、土壤污染、植被死亡、煤自燃且频繁发生等环境问题,同时存在地面塌陷和不稳定边坡等矿山地质问题,产生的地质灾害也严重威胁着附近居民的人身安全和财产安全。

笔者及其研究团队依据自然资源部办公厅、财政部办公厅、生态环境部办公厅2020年联合印发的《山水林田湖草生态保护修复工程指南(试行)》,对位于晋北煤炭基地宁武煤田的项目区采取人工修复和自然恢复相结合的技术思路,将研究区划分为6个分区,应用煤自然发火修复、地貌重塑、土壤重构、植被重建和景观再造关键技术,以提高生态恢复力为生态工程目标,打造矿山废弃地生态修复示范工程,为其他类似生态修复工程设计提供借鉴。

1 研究区概况

研究区位于晋北宁武煤田基地,在山西省宁武县境内芦芽山风景区边缘地带,总面积为6.9 km2。地理坐标为东经112°09′00″~112°12′36″,北纬38°54′36″~39°00′00″。研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置

该区域属温带大陆性气候,年平均气温为2℃~6℃,日照总时数平均为2 835 h,平均降水量为470~770 mm。地表水系属黄河流域汾河水系,流向自北向南,汾河在宁武境内汇水面积约为1 300 km2。地貌为基岩山区和黄土丘陵区,主要土壤类型为淋溶褐土和棕壤土,土体呈弱酸性至中性,土体较厚,养分含量较高。植被类型主要为寒温性针叶林带和针阔叶混交林,比如白桦、落叶松、云杉等,而灌木主要以柠条和沙棘为主。

研究区位于原霸王岭煤矿、原寺儿沟煤矿、原春景洼队办煤矿和原卧虎湾煤矿等小型矿区之间,这些煤矿从20世纪70年代开始开采,主要含煤地层为二叠系下统山西组(P1s)和石炭系上统太原组(C3t),煤层总厚度为13.66 m,含煤层数为6层,其中山西组含煤1层,太原组含煤5层。山西组地层厚度为37.0~87.0 m,含煤系数为0.94%;太原组地层厚度为98.7~144.0 m,含煤系数为11.64%。开采方式为井工开采和露天开采,2008年经历资源整合被关闭整顿,现在所有的矿区都已经停止开采。

2 研究区采矿废弃地存在的问题

笔者及其团队采用实地调查、无人机调查和遥感影像调查等方法[8-12],分析出研究区主要存在煤自然发火、地面塌陷和地裂缝、不稳定边坡、地面压占、植被景观破坏等问题。

2.1 煤自然发火

研究区内共有露头火区11处,总面积约为0.097 km2。研究区内火区整体沿煤层走向呈不连续长条状、团块状分布,远处可见到浓烟,煤自然发火实景如图2所示。

图2 煤自然发火实景

火区内伴有浓烈刺激性异味,地表可见烧变岩及煤渣,分为单一煤层露头型和复合型。明火区面积较小,一般发生在煤层露头及煤层上部裂隙中。明火区煤层厚度大、出露于地表,附近有人工露头开采的痕迹,火区中心点温度高达235℃,CO浓度高达0.046 5%以上。

2.2 地面塌陷和地裂缝

研究区内地面塌陷和地裂缝主要是由于煤矿开采和煤层自燃所致,项目区内共有3处塌陷坑,单个面积约为119.84~171.66 m2,总面积约为459.67 m2,多为圆形或椭圆形;塌陷坑周边可见着火点,有浓烟冒出并伴有刺激性气味。研究区内地裂缝群共有2处,长度为1~40 m,宽度为0.01~0.80 m,深度为0.1~2.0 m。区内地裂缝群主要分布于采坑两侧,多发育于采坑逆向坡后缘,部分发育于渣堆边坡后缘;地裂缝群整体延伸方向与采坑走向基本一致,少量地裂缝可见浓烟冒出并伴有刺激性气味。

2.3 不稳定边坡

研究区内地质灾害边坡类型为采面边坡和道路边坡,共计60处,不稳定边坡主要是由于采矿开挖及采矿道路开挖引起的,边坡下方无人员密集区。边坡面积约为0.142 km2,投影面积约为0.075 km2。修复区采面边坡处于基本稳定状态和稳定状态,仅部分岩质边坡顶部可见节理切割产生少量的块石,形成体积较小的浮石,不稳定边坡实景如图3所示。

图3 不稳定边坡实景

2.4 地面压占

土地资源压占主要表现在采煤后的废渣堆放成山坡或在沟谷内无序堆积,压占土地资源。压占的土地类型主要有旱地、草地和林地等,总压占面积为1.232 km2

2.5 植被景观破坏

植被景观破坏区主要表现在坡体及原始坡面挖损导致植被景观的不连续以及植被的损毁等,采用遥感影像分析统计,总破坏面积约为0.123 km2

3 采矿废弃地生态修复规划设计

3.1 生态修复单元划分情况

根据项目区生态破坏状况的特征、矿山地质环境条件和环境问题,结合生态修复工程施工和管理的需要,共分为6个生态修复分区,修复区分区情况如图4所示。研究区生态修复设计分区见表1。

图4 研究区生态修复区设计分区

表1 研究区生态修复设计分区

单元划分涉及村庄地质和环境问题生态环境面积/km2I区边坡治理与修复区霸王岭村、李家山村、孟家窑村、王家山村采面及边坡7处、渣堆19处、煤炭露头填埋4处地表植被损毁,以草地为主0.371II区边坡治理与修复区寺儿沟村采面及边坡12处、渣堆22处、煤炭露头填埋4处、火区修复1处植被破坏,以农地为主0.279III区边坡治理与修复区寺儿沟村、西张家沟村采面及边坡4处、渣堆9处、煤炭露头填埋1处植被破坏,以林地为主0.177

续表1

单元划分涉及村庄地质和环境问题生态环境面积/km2IV区植被修复区寺儿沟村、春景洼村、硫磺沟村、正洼村边坡7处植被损毁,以林地为主0.007Ⅴ区煤自然发火治理与修复区春景洼村、榆树坪村、薛家沟村采面及边坡11处、渣堆7处、煤炭露头填埋1处、火区修复4处植被烧死,以林地为主0.179Ⅵ区煤自然发火治理与修复区春景洼村、正洼村采面及边坡19处、渣堆17处、煤炭露头填埋3处、火区修复6处植被损毁和烧死,以林地为主0.220

3.2 生态修复规划设计

根据项目区的生态破坏状况,主要分为灭火工程设计、地貌重塑工程设计、土壤重构工程设计和植被恢复工程设计等4个方面。

3.2.1 灭火工程设计

针对研究区地下煤自燃点与地表冒烟点的空间不一致性以及潜在自燃区难以探明的问题,提出了“精准探测,分类施策,封控结合”的综合修复思路。

(1)露头煤灭火工程设计。根据项目区13处的煤炭露头,采取回填覆盖设计。其中针对位于采面坡脚的煤炭露头,采用红粘土分台阶覆盖夯实的设计,采面坡脚煤炭露头回填覆盖设计如图5所示。而位于采面坡面煤炭露头采用“挂网+专用喷涂材料喷涂”覆盖坡面,以隔绝氧气进路、使自燃区域内部空气耗尽,阻止煤炭自燃。

图5 采面坡脚煤炭露头回填覆盖设计

(2)采空区及煤层露头复合火区灭火工程设计。针对有采空区与煤炭露头二者相结合火区采用“喷涂+钻探注浆(水)封堵+表格覆盖”进行修复,以降低自燃区温度、隔绝氧气进路的方式使着火区得到控制,达到降温和绿化的目的,同时尽可能切断采空区深部和地表漏风通道,使深部火区由于窒息而停止燃烧和缓慢熄灭。止浆示意图如图6所示。

图6 止浆示意图

3.2.2 地貌重塑工程设计

以开采产生的边坡、采面、采坑、地裂缝为主要重塑对象,根据地形损毁的类型和程度设置不同的设计方案,因地制宜、多种恢复手段结合,在保证减少地质灾害的前提下,还具有景观美观的功能。

(1)边坡修复工程设计。在边坡修复前对坡面进行清理,采用人工和机械开挖相结合的方法自上而下将采面及道路边坡坡面危岩进行破碎后清理,同时对坡面表面风化破碎岩石和坡脚碎石块进行清理。根据坡高和坡度,将裸露边坡分为6类,根据不同边坡种类采用不同方法进行修复,针对本项目区边坡特征提出的修复方案为客土喷播复绿、主动防护网+客土喷播复绿、主动防护网、防护隔离带、苗木栽植、挡墙+苗木栽植。边坡分类及生态修复设计方案见表2。

表2 边坡分类及生态修复设计方案

类别坡度/(°)坡高/m坡宽/m设计方案濒临道路,具有放坡空间60~705~10216坡面放坡、客土喷播复绿、布设草捆濒临道路,岩体较为破碎,不具备放坡条件53~602~10112~230主动防护网+客土喷播复绿、布设草捆、挡墙+苗木栽植紧邻道路,岩体破碎835~7122主动防护网、挡墙+苗木栽植坡度大,岩体稳定>658~15-防护隔离带坡体高度<450~340~150苗木栽植濒临道路且具备挡墙建设空间,岩体较为稳定>652~5-挡墙+苗木栽植

(2)采面修复工程设计。根据采面特征及所处位置不同,分别采用不同的方式进行修复,针对本研究区采面特征提出3种处理方案,即客土喷播复绿方案、主动防护网+防护隔离带复绿方案、防护隔离带复绿方案。客土喷播复绿方案只用在坡度介于50°~75°之间的采面,在作业前要在坡顶设置截水沟,并沿坡面两侧导流至坡底,避免基质流失问题;主动防护网+防护隔离带复绿方案主要实施在坡度大于75°的采面,在完成坡面清理后,建设主动防护网进行防护,避免坡体的碎石滚落,同时在坡底建设植被防护隔离带;防护隔离带复绿方案是针对于坡度较大接近直立的采面,在清理坡面后在坡底建设防护隔离带,在通过苗木生长进行遮挡的同时,又能阻止人类与牲畜的进入。

(3)地面塌陷和地裂缝恢复方案设计。针对研究区塌陷坑和地裂缝,根据塌陷的程度进行不同的方案设计。

一是浅层塌陷区、地裂缝修复工程设计。浅层塌陷区主要采用开挖回填法修复,塌陷坑发育区修复首先开挖至底部,底部回填块石,块石上部浇注混凝土,混凝土密实成型后再在上部回填废渣;地裂缝开挖一段距离后回填废渣,废渣需进行分层碾压处理,顶部覆土,进行复垦绿化。

二是深层塌陷区恢复工程设计。塌陷区下部有采空区时,对塌陷区进行钻孔注浆充填修复。先进行定点,在选定的位置点上下放套管、注浆管和浇注空口管,再将搅拌好的浆液进行灌注,在灌浆的同时,观察注浆情况,并进行抽样实验,根据不同的塌陷情况确定注浆的体积,最后终止灌浆。

3.2.3 土壤重构工程设计

根据因地制宜、土方平衡的设计原则,采用机械挖除等方法,将区内高出设计标高的废渣堆挖运移至低洼处,分层碾压形成可利用的平台或缓坡,平台与周边绿地及平台之间削坡形成连接斜坡。通过地形地貌整治、采坑回填、废渣清理、危岩清理等治理措施,平整场地,满足绿化要求,而对于场地条件较好的区域经地形整治后恢复成耕地。

(1)土地平整设计方案。采坑底部平整成“平台+缓坡”,坑两侧岩质边坡按照边坡工程设计修复。废渣堆首先进行地形整理,整理后的地形呈阶梯状,由平台和缓坡构成,在坡脚修建“挡土墙+排水沟”,平台上修建截水沟。

(2)渣堆土地复垦设计方案。渣堆土地复垦作业分为2类,一是通过植被恢复为林草地,二是通过土壤改良恢复为耕地。植被恢复作业方案是在平台区域回填30 cm的改良土后,通过穴植乔木幼苗和播撒草种的方式实现植被恢复;耕地复垦作业时,先选取立地条件好、距离村庄较近且地形整理后为平台的区域,通过外购土壤、翻耕、生物改良、田埂修筑、田间道路布设、截排水沟修建及农田防护林网建设后形成符合质量标准的耕地。

3.2.4 植被恢复工程设计

(1)耕地恢复区。先进行覆土,再翻耕培肥,最后根据耕地标准播撒紫花苜蓿进行生物改良。

(2)恢复区。先进行场地覆土,再以梅花桩式栽植小云杉和小落叶松,道路两侧栽植大云杉,恢复为林地,林下以播撒混合草籽的方式实现植被恢复作业。

(3)灌木恢复区。先覆土,再栽植灌木沙棘,恢复灌木林地,林下撒播紫花苜蓿和披碱草等混合草籽。

(4)草地恢复区。先覆土,再播撒紫花苜蓿和披碱草等混合草籽,恢复草地。

(5)采面边坡修复区。对于采面边坡及道路边坡,大面积的裸露与周边生态环境极不协调,不宜在边坡上覆土,无法在这样的边坡上直接植树种草,因此设计先在靠近边坡坡脚选取木质藤本植被爬山虎进行栽种。

4 工程实施效果

通过对研究区实施的治理与生态修复工程,取得了较好的生态效益、社会效益和经济效益。

4.1 生态效益

研究区的植被覆盖率明显提高,从治理前的30%提高到70%,消除了煤自然发火,清除了地质灾害,增加了生态用地,同时调节了区域气候,控制了土壤侵蚀,还涵养了水源,提高了生物多样性,良好地改善了区域的生态环境质量。研究区生态修复工程实施前后对比如图7所示。

图7 研究区生态修复工程实施前后对比

4.2 社会效益

本研究严格落实了习近平总书记的重要指示,高水平地完成国家第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点,其经验和成果、关键技术可在山西、陕西、内蒙、甘肃、宁夏等西北矿区的生态修复工程中推广。同时还可以推动当地旅游产业发展,提升山区农民的生活水平,助推宁武县的乡村振兴。

4.3 经济效益

生态修复后的土地利用类型通过优化土地利用结构,可以新增耕地和林地分别为0.113 km2和0.526 km2,预计将增加12万元的耕地经济效益和26万元的林地经济效益。在保障了宁武县重点工程的用地需求和指标异地交易的同时,还可以调整区域产业结构,打造生态产业链。

5 结语

晋北宁武煤田基地历史遗留采矿废弃地的生态修复项目通过灭火工程、地貌重塑工程、土壤重构工程、植被恢复工程、景观功能修复等进行的生态修复,取得较好效果。在设计过程提出“精准探测,分类施策,封控结合”的综合治理思路,并针对项目区难以解决的边坡修复问题,采取了“削方减载+坡面CBS植被混凝土生态绿化+排水防渗”的综合恢复措施;通过生态修复项目设计及施工建设,进行了地形重塑、植被种植;从而恢复了该地区自然生态基底、构建了健康稳定的生态体系,改善了该地区的地质面貌和生态环境,提高了生态恢复力,增加了生态效益、社会效益和经济效益。

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Ecological restoration design of historical mining wasteland
——taking Ningwu coalfield in Northern Shanxi coal base as an example

ZHU Wan1, MA Liang2, SHI Degang3, YANG Rongxi2, WANG Junjie2,WANG Wengui2, HOU Huping1, FU Liqiang4

(1. School of Environment and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology,Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.213 GeologicalTeam of Shanxi Provincial Geological Prospecting Bureau, Linfen, Shanxi 041000, China;3.Shanxi Geological Prospecting Ecological Geology Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030000, China;4.Shanxi Natural Resources Development Center, Taiyuan, Shanxi 030000, China)

Abstract The ecological restoration and design of historical mining wasteland is one of the main tasks of ecological restoration in mining areas, how to rationally design ecological restoration mining wasteland for is the key to ensure the sustainable development of mining areas after restoration. Taking the mining wasteland of Ningwu coalfield in northern Shanxi as an example, the main problems in ecological restoration in this area were investigated and analyzed, and the ecological restoration designs of ralated key projects in this area were elaborated, such as fire extinguish project, landform remodeling project, soil reconstruction project and vegetation restoration project. On the basis of ecological restoration and treatment implemented in the area, the natural ecological base was restored, a healthy and stable ecological system was constructed and the ecological resilience was improved, the ecological, social and economic benefits were increased.

Key words Ningwu coalfield; mining wasteland; ecological restoration; engineering design

中图分类号 TD991

文献标志码 A

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引用格式:朱湾,马亮,施德刚,等. 历史遗留采矿废弃地生态修复设计—以晋北煤炭基地宁武煤田为例[J].中国煤炭,2021,47(9):8-15. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.09.002

ZHU Wan,MA Liang,SHI Degang,et al. Ecological restoration design of historical mining wasteland——taking Ningwu coalfield in Northern Shanxi coal base as an example[J]. China Coal, 2021,47(9):8-15. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.09.002

基金项目:山西省汾河中上游山水林田湖草生态保护修复工程试点——宁武县汾河源头矿山地质环境治理(二期)工程(国家第三批试点工程)(2021100028)

作者简介:朱湾(1998-),女,安徽宿松县人,硕士研究生,主要研究方向为矿山生态修复。E-mail:zhuwancumt@163.com

(责任编辑 王雅琴)