露天煤礦剝離物制備表土替代材料的影響因素

楊 卓，盛世博，劉 娜，辛建寶

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

表土替代材料作為新土源，對(duì)露天煤礦復(fù)墾具有重大意義[1]，露天煤礦表土替代材料是由于土地復(fù)墾的需要，通過對(duì)不同剝離物和廢棄物的理化性質(zhì)重新搭配，營造出的適宜植物生長的新環(huán)境[2]?，F(xiàn)階段由于露天煤礦以外排土場居多，地形重塑導(dǎo)致邊坡增加，復(fù)墾需土量陡然增加，導(dǎo)致表土匱乏。目前國內(nèi)解決露天礦土地復(fù)墾主要依靠客土技術(shù)，通過對(duì)客土比例的改變控制復(fù)墾效果[3-5]。對(duì)于表土豐富區(qū)域，客土一般選用露天礦剝離表土或當(dāng)?shù)乇硗?，?duì)于表土稀薄地區(qū)只能選用原有剝離表土，表土資源作為不可再生資源。通過對(duì)剝離表土的堆存，不可避免地會(huì)使表土肥力流失，導(dǎo)致復(fù)墾效果打折扣，因此客土技術(shù)并不一定是露天礦復(fù)墾的最優(yōu)選擇。我國從2000 年開始研究表土替代材料領(lǐng)域，取得了一定的研究成果[6-7]，但表土替代材料少有廣泛應(yīng)用，在研發(fā)、生產(chǎn)、使用過程中仍然存在諸多問題，為此，通過梳理其中關(guān)鍵問題，凝練制備表土替代材料的思路，為后續(xù)研究提供理論參考。

1 表土替代材料用料選取及制備過程

1.1 基質(zhì)選取

1）基質(zhì)從廣義來講是生命的載體，是維系生命的必要條件，就表土替代材料而言，基質(zhì)是植物的扎根環(huán)境。對(duì)于植物生長只要孔隙度可以滿足植物萌發(fā)的物質(zhì)都可以作為基質(zhì)，輔以營養(yǎng)液植物都可以生長，露天煤礦剝離物作為基質(zhì)的條件應(yīng)考慮：①剝離物的初始性狀；②有一定營養(yǎng)價(jià)值；③無毒性。

2）大多露天煤礦的剝離物主要礦質(zhì)組成為長石和石英，制備剝離物應(yīng)充分了解各層剝離物性狀和組分含量，在篩選剝離物時(shí)，一般不能選取較大粒徑固體物質(zhì)作為基質(zhì)。盡管植物萌發(fā)階段對(duì)養(yǎng)分和環(huán)境要求較低，但基質(zhì)需為植物全生命周期提供生長環(huán)境，其保肥保墑能力同樣是重要考核指標(biāo)，選取時(shí)可以篩選初始團(tuán)聚體含量較高或利于團(tuán)聚的物質(zhì)作為基質(zhì)材料。

3）剝離物是否具有營養(yǎng)價(jià)值同樣是選取的重要因素，優(yōu)先選取有營養(yǎng)價(jià)值的剝離物作為基質(zhì)可以促進(jìn)植物生長，減少養(yǎng)分補(bǔ)充量。剝離物中很多成分是經(jīng)過成百上千年才形成的，只有充分利用剝離物中的營養(yǎng)物質(zhì)才能篩選出適宜的表土替代材料，一般評(píng)定剝離物養(yǎng)分的參數(shù)主要包括有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及其他微量元素等指標(biāo)。

4）基質(zhì)材料作為表土替代材料中含量最大、對(duì)表土替代材料性質(zhì)改變最大的組成部分，毒性影響不容忽視。一般煤礦剝離物毒性檢測主要為重金屬（汞、鎘、鉻、鉛、砷、銅、鋅等）、多環(huán)芳烴和農(nóng)藥殘留（六六六、滴滴涕等）。如果礦產(chǎn)資源開發(fā)前土地利用類型為非農(nóng)用地，農(nóng)藥殘留可以考慮不進(jìn)行檢測。對(duì)于露天煤礦基質(zhì)選取應(yīng)該根據(jù)露天礦實(shí)際情況，針對(duì)采坑各平盤從上至下逐次挑選。現(xiàn)階段常用的剝離物一般包括表土、黃土、亞黏土、煤矸石等[8]，在煤礦附近有火電廠的情況下可選用粉煤灰[9]。

1.2 改良劑選取

1）改良劑的種類繁多，種類主要?jiǎng)澐譃樘烊桓牧紕袡C(jī)物、人工合成改良劑和生物改良劑。天然改良劑主要包括石膏、石灰、沸石、蛭石和膨潤土等，主要用于改良土壤酸堿性和陰陽離子交換量。同時(shí)膨潤土性狀改良劑還可以作為性狀改良劑使用[10]。有機(jī)物主要包括污泥、秸稈、綠肥和動(dòng)物糞便等，主要用于提升肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)。人工合成改良劑主要包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和尿醛樹脂等，它們?cè)诟纳菩誀畹耐瑫r(shí)增加表土替代材料吸附性，提升保肥和保墑能力。生物改良劑主要包括各種菌及菌根和蚯蚓等，主要提升表土替代材料微生物活性，提升表土替代材料生物含量。

2）改良劑的選取應(yīng)本著與基質(zhì)材料相輔相成的特點(diǎn)，改良劑的性質(zhì)盡量不要與基質(zhì)和其他改良劑相沖。同時(shí)所選取的廢棄物改良劑應(yīng)盡量選取成分可控的廢棄物（秸稈、酒糟），不要選取磷石膏、污水處理廠的污泥等物質(zhì)，以磷石膏為例，主要成分為二水硫酸鈣（含量70%以上），但其他成分要根據(jù)磷礦石中雜質(zhì)的成分確定，礦石品位不同，重金屬含量不同，所以磷石膏的成分也無法確定。針對(duì)某礦山選用廢棄物作為改良劑時(shí)，應(yīng)先對(duì)其檢測，確保不產(chǎn)生二次污染后再選用和施加改良劑。

1.3 表土替代材料制備方法限制因素

1）現(xiàn)階段很多礦山存在缺乏表土的問題，但表土替代材料制備成本較高，現(xiàn)階段制備過程中首先過2 mm 篩，取篩下物進(jìn)行配置，顆粒物較大將涉及破碎問題。如果構(gòu)建表土替代材料制造設(shè)備，將提高表土替代材料生產(chǎn)成本，同時(shí)制備工藝較復(fù)雜，形成集成設(shè)備成本更高。建立表土替代材料生產(chǎn)線，占用大量空間，提升人工成本和倒運(yùn)成本。同時(shí)考慮制造設(shè)備的生產(chǎn)能力，如果生產(chǎn)能力過大將產(chǎn)生堆存問題，如果生產(chǎn)能力過小用途有限。

2）通過調(diào)整礦山生產(chǎn)流程，利用現(xiàn)有設(shè)備（或引進(jìn)簡易設(shè)備）可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)墾區(qū)域制備表土替代材料要求，但難度較大的是表土替代材料必須隨產(chǎn)隨用，否則在礦山內(nèi)難以長久堆存，仍然要產(chǎn)生二次倒運(yùn)的費(fèi)用，從而失去了在復(fù)墾區(qū)域內(nèi)制備的價(jià)值。如果替代材料基質(zhì)為深層剝離物，對(duì)于露天開采來講，需要較為成熟的采排復(fù)一體化技術(shù)才可以實(shí)現(xiàn)表土替代材料的制備，這對(duì)于露天煤礦物流、剝采排順序、表土替代材料制備方法等都是一種挑戰(zhàn)。

2 表土替代材料性狀控制

2.1 表土替代材料物理性質(zhì)

表土替代材料物理性質(zhì)主要決定2 方面性能：①是替代材料對(duì)植物生長的影響，例如土壤保肥、保墑能力、出苗率及植物長勢等；②是替代材料自身性質(zhì)，自身性質(zhì)主要包括其侵蝕強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。制備表土替代材料應(yīng)充分考慮表土替代材料的物理性質(zhì)，土壤的物理性質(zhì)大多取決于基質(zhì)的物理性質(zhì)，但某些物理性質(zhì)也可以通過兩種物質(zhì)混合進(jìn)行改良。表土替代材料物理性質(zhì)主要包括土壤團(tuán)聚體、孔隙度、土壤保水性、土壤空氣、土壤內(nèi)摩擦角（內(nèi)摩擦力）、土壤團(tuán)聚體等特性。

2.1.1 表土替代材料粒徑選取及團(tuán)聚體

粒徑選取是表土替代材料物理性質(zhì)的一個(gè)重要過程，配置表土替代材料時(shí)選擇合適的粒徑可以使表土替代材料級(jí)配組成和團(tuán)聚體達(dá)到合理的水平。表土替代材料初始粒徑應(yīng)根據(jù)不同的基質(zhì)選取合適的粒徑范圍，砂石粒徑選取一般不能選取4 mm 以上的粒徑，配置替代材料粒徑范圍應(yīng)充分考慮壤土粒徑的分布特征或目標(biāo)地區(qū)表土的粒徑分布特征。對(duì)于不易黏結(jié)團(tuán)聚的基質(zhì)材料，可考慮添加膨潤土或類似性質(zhì)的改良劑。露天煤礦剝離物的種類繁多，應(yīng)挑選黏粒含量較小的剝離物作為主要基質(zhì)，這樣可以減小土壤板結(jié)，增加土壤松散程度，為形成團(tuán)聚體打好基礎(chǔ)。

土壤團(tuán)聚體是側(cè)面反映土壤肥沃程度的參數(shù)，是土壤經(jīng)歷長期的微生物作用、干濕交替以及凍融作用所形成的團(tuán)粒，這也是表土替代材料所缺乏的。表土替代材料團(tuán)聚體含量與土壤孔隙度、土壤保水性和土壤空氣都呈正相關(guān)。礦山剝離物普遍存在孔隙度較小，團(tuán)聚體較少的情況，土壤質(zhì)地不夠松散，保水保肥能力弱。對(duì)雨水截留能力過強(qiáng)，導(dǎo)致出現(xiàn)水蝕現(xiàn)象。只有合理搭配土壤粒徑，通過植物和微生物共同作用，促成土壤團(tuán)聚體形成，才能使表土替代材料趨于表土性狀。

2.1.2 表土替代材料穩(wěn)定性及持水性

表土替代材料抗蝕性和穩(wěn)定性是表土替代材料推廣應(yīng)用的另一制約因素，主要反饋指標(biāo)為土壤抗沖性、土壤抗剪強(qiáng)度和土壤黏著性等。露天煤礦主要以巖石居多，如果僅靠機(jī)械破碎所形成的固體物質(zhì)性質(zhì)類似于砂石，其抗沖、抗剪能力較弱，在外力作用下易產(chǎn)生強(qiáng)烈的水土流失，甚至滑坡產(chǎn)生危害。提升土壤抗蝕性及穩(wěn)定性的方法目前主要通過施加土壤穩(wěn)定劑及土壤固化劑的方式，土壤穩(wěn)定劑的種類繁多，包括生物穩(wěn)定劑，高分子穩(wěn)定劑等等，主要就是通過提升土壤膠體的含量和質(zhì)量、提高電解質(zhì)濃度、使凝聚能力增強(qiáng)。

表土替代材料持水性是衡量干旱缺水地區(qū)表土替代材料適用性的重要指標(biāo)，露天煤礦多分布于內(nèi)蒙、新疆等干旱半干旱地區(qū)，降雨量較小。由于排土場面積過大，盡管實(shí)施輪灌但仍然要10～15 d 可以對(duì)每個(gè)地塊進(jìn)行灌溉，持水能力過差會(huì)導(dǎo)致復(fù)墾效果降低。一般反應(yīng)表土替代材料持水性的指標(biāo)包括最大田間持水量和凋萎系數(shù)這2 個(gè)指標(biāo)，因此無論是實(shí)驗(yàn)階段還是表土替代材料使用階段都應(yīng)有明確的最大田間持水量和凋萎系數(shù)，確保灌溉制度建立的準(zhǔn)確性。

2.2 表土替代材料化學(xué)性質(zhì)

2.2.1 表土替代材料pH 及養(yǎng)分

決定植物生長的重要因素就是化學(xué)性質(zhì)，其中pH 值是表土替代材料所營造的基礎(chǔ)環(huán)境。表土替代材料的初始pH 值是復(fù)墾植物選取的標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)基質(zhì)的選取和配置，營造適宜植物生長的pH 環(huán)境是表土替代材料配置的重要環(huán)節(jié)?？梢酝ㄟ^施加緩沖溶液或者調(diào)整配比使pH 控制在一定的范圍內(nèi)。

表土替代材料的養(yǎng)分指標(biāo)也是重要的化學(xué)性質(zhì)，主要包括氮（全氮和有效氮）、磷（全磷和有效磷）、鉀（全鉀和有效鉀）和有機(jī)質(zhì)，根據(jù)目標(biāo)植物的不同需要考慮鈣、鎂、硫及其他微量元素等。提升替代材料氮磷鉀等元素的含量，現(xiàn)階段肥料種類較多，易于提升改善。但表土替代材料與土壤最大的區(qū)別在于替代材料作為人工配置的物質(zhì)，缺少微生物活動(dòng)，生物量嚴(yán)重不足，有機(jī)質(zhì)含量較低。在配置階段優(yōu)先考慮如何提升有機(jī)質(zhì)含量，如何提升微生物量是決定表土替代材料能否使用的決定性因素。

2.2.2 表土替代材料化學(xué)性質(zhì)改良方式

化學(xué)性質(zhì)改良與物理性質(zhì)相輔相成，提升化學(xué)性質(zhì)方法可概括為“增”、“轉(zhuǎn)”和“保”3 個(gè)過程，在合理的范圍內(nèi)增加某些元素含量，將這些元素盡可能轉(zhuǎn)化為可以被植物吸收利用的速效態(tài)，要注重對(duì)土壤肥力的保存?！霸觥?、“轉(zhuǎn)”一般通過施加養(yǎng)料（改良劑）和微生物作用共同完成，“增”目前比較常用的方法為施加化肥，施加有機(jī)肥，添加生物改良劑等方法；“轉(zhuǎn)”主要通過微生物硝化、固化、吸附和礦化等等過程實(shí)現(xiàn)；而“?！奔匆紤]土壤的團(tuán)聚體性質(zhì)，通過物理吸附和化學(xué)吸收兩種形式保持土壤肥力。

2.3 植物對(duì)表土替代材料的響應(yīng)

1）露天煤礦表土替代材料作為人工合成的物質(zhì)，主要用途便是礦山的復(fù)墾，那么植物對(duì)于表土替代材料的反饋較為重要。一般表土替代材料微生物活動(dòng)較弱。種植植物后，逐漸形成微生物物群落，在植物生長過程中，根際土壤和非根際土壤的微生物和養(yǎng)分變化是對(duì)表土替代材料優(yōu)良的重要反饋。同時(shí)植物根系可以較好的改善滲透率、團(tuán)聚體、抗剪強(qiáng)度等土壤物理性質(zhì)[11]。

2）由于表土替代材料微生物活動(dòng)較少，后期栽植植物對(duì)其微生物重構(gòu)貢獻(xiàn)較大，且不同的植物根系對(duì)土壤微生物的特異性影響較大[12]，不同植物對(duì)土壤養(yǎng)分含量、微生物含量和呼吸作用所造成的影響均存在顯著差異。因此，表土替代材料可以適用于定向培養(yǎng)某種或某類適宜其土壤環(huán)境的植物。通過此類方法，可以對(duì)不同的區(qū)域、不同的礦山、不同的目標(biāo)植物研制適宜的表土替代材料。

3）植物的地上部分對(duì)表土替代材料的影響同樣不同，一般表土替代材料不宜直接復(fù)墾為等級(jí)較高的喬木，應(yīng)選用先鋒草樹種提升土壤內(nèi)微生物含量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力后方可栽植喬木。對(duì)于冠幅較小的草樹種，其對(duì)地表土壤的保護(hù)能力較強(qiáng)，可以減小降雨動(dòng)能，減輕濺蝕和面蝕對(duì)土壤造成的危害。植物的枯落物可以有效的截蓄水源，減緩滲透效率，提升替代材料對(duì)水分的涵養(yǎng)能力。同時(shí)枯落物可以為替代材料提供無機(jī)物和有機(jī)物，以此增加提升替代材料肥力。

3 結(jié)語

1）在制備材料方面，基于露天礦剝離物制備表土替代材料應(yīng)提升基質(zhì)材料的種類，盡可能挖掘露天礦剝離物作為替代材料的潛力，解決露天礦復(fù)墾用土、剝離物占地等諸多問題。

2）在制備方法方面，應(yīng)優(yōu)先結(jié)合采礦工藝和時(shí)序進(jìn)行制備，盡可能利用現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備進(jìn)行篩分和剝離。表土替代材料制備工序應(yīng)與采排復(fù)一體化工序相協(xié)調(diào)，減少現(xiàn)場倒運(yùn)頻次，降本增效。

3）在定向使用方面，表土替代材料的研發(fā)應(yīng)根據(jù)復(fù)墾所適宜或需要的先鋒草樹種進(jìn)行，替代材料應(yīng)定向適應(yīng)某個(gè)區(qū)域、某個(gè)礦山或某個(gè)草樹種的復(fù)墾，保障復(fù)墾效果。

4）在機(jī)理研究方面，在不同表土替代材料的養(yǎng)分運(yùn)移、理化性質(zhì)變化規(guī)律和不同植物對(duì)表土替代材料影響等方面應(yīng)進(jìn)行深入研究。