露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術(shù)體系研究

楊 卓

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

露天煤礦具有生產(chǎn)安全、資源回收率高、高產(chǎn)高效等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到快速發(fā)展，但是其在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面仍然存在一些制約因素，比如露天開采對(duì)地層結(jié)構(gòu)的顛覆以及對(duì)生物群落的破壞[1]，開采形成的排土場(chǎng)巖土混排等，均不利于礦山生態(tài)修復(fù)。露天開采前期及時(shí)對(duì)表土進(jìn)行留存，在形成排土場(chǎng)以后，需要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的排土場(chǎng)臺(tái)階與邊坡面積也遠(yuǎn)大于原開采區(qū)的地表面積，前期留存的表土數(shù)量不足以滿足需要，表土層貧瘠的區(qū)域表土缺失量更為巨大[2]。近年來(lái)有較多學(xué)者對(duì)露天煤礦表土替代材料進(jìn)行研究[3-8]，以期解決礦山土壤缺乏的問(wèn)題，研究主要集中于土層篩選及改良后表土替代材料的植被適應(yīng)性，但未建立完整的表土替代材料控制體系。我國(guó)學(xué)者胡振琪等[9]對(duì)露天礦上覆巖土層中可用剝離物進(jìn)行了篩選，證明了亞黏土適宜作為表土替代材料的基質(zhì)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于巖石剝離物的適用情況研究較少。國(guó)內(nèi)對(duì)于露天礦生態(tài)修復(fù)改良劑研究較多，但是針對(duì)于改良后的評(píng)價(jià)體系研究較少?；谝陨涎芯砍晒偨Y(jié)礦山生態(tài)修復(fù)及表土替代材料制備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建基于露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術(shù)體系，以期為解決礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程中表土匱乏的問(wèn)題提供指導(dǎo)。

1 表土替代材料制備技術(shù)體系

基于露天煤礦剝離物制備表土替代材料是解決國(guó)內(nèi)露天礦山復(fù)墾用土的新手段，礦山剝離物既是廢棄物也是資源，尤其是長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化后的巖石可以作為土壤母質(zhì)，為表土替代材料提供物質(zhì)基礎(chǔ)和植物所需礦物養(yǎng)分的最初來(lái)源，因此應(yīng)當(dāng)引入完善表土替代材料的構(gòu)建體系及評(píng)價(jià)體系。露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術(shù)體系見表1。

表1 露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術(shù)體系

1）對(duì)礦山剝離物進(jìn)行篩選。篩選的內(nèi)容應(yīng)包括剝離物儲(chǔ)量指標(biāo)（地層結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)量），剝離物可塑性指標(biāo)（堅(jiān)固系數(shù)）、剝離物基本性質(zhì)（剝離物機(jī)械組成、剝離物成分、養(yǎng)分特征）以及剝離物污染強(qiáng)度指標(biāo)（重金屬及毒性）。其中剝離物儲(chǔ)量指標(biāo)、可塑性指標(biāo)、污染物強(qiáng)度指標(biāo)為篩選基礎(chǔ)，剝離物儲(chǔ)量較小制作出表土替代材料也沒有推廣價(jià)值，剝離物可塑性較差難以重構(gòu)粒徑范圍，剝離物重金屬及毒性含量過(guò)高易造成二次污染。剝離物基本性質(zhì)為輔助指標(biāo)，主要判定哪種剝離物更適宜作為表土替代材料，從而篩選出可利用的剝離物。

2）對(duì)于篩選出的剝離物應(yīng)進(jìn)行性狀控制。針對(duì)第1 階段篩選出的剝離物進(jìn)行混合試驗(yàn)，篩選不同剝離物合適的粒徑范圍，通過(guò)施加不同質(zhì)量占比的剝離物控制表土替代材料性狀。表土替代材料以剝離物為基質(zhì)，通過(guò)施加改良劑調(diào)節(jié)表土替代材料保水性、透水性、養(yǎng)分等特征，得到適宜的表土替代材料配方。

3）對(duì)表土替代材料水分特征、養(yǎng)分特征以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)表土替代材料適宜性，如果不適宜重復(fù)上述過(guò)程。

2 表土替代材料制備環(huán)節(jié)

2.1 礦山剝離物篩選

通過(guò)地質(zhì)勘探建立礦山地質(zhì)模型，確定礦山各地層結(jié)構(gòu)的剝離物種類。一般表土替代材料需要?jiǎng)冸x物具有一定的可塑性，可以將表土替代材料粒徑控制在需要的范圍內(nèi)，因此在篩選過(guò)程中應(yīng)控制剝離物為不堅(jiān)固巖石（堅(jiān)固性系數(shù)f<3），選取的剝離物一般包括心土、底板土以及軟巖。隨后計(jì)算各種剝離物含量，將剝離物含量由大到小進(jìn)行排序，優(yōu)先選用剝離物儲(chǔ)量豐富的作為表土替代材料基質(zhì)。然后測(cè)定各種剝離物的基本性質(zhì)，主要包括有機(jī)質(zhì)、組成成分、機(jī)械組成、養(yǎng)分特征、重金屬含量和毒性含量，在測(cè)定過(guò)程中對(duì)不同剝離物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和毒性進(jìn)一步明確，篩選出不適宜的剝離物，例如粉粒含量較高的剝離物透水性和孔隙度不良，毒性或重金屬含量較高的剝離物制作的表土替代材料容易產(chǎn)生二次污染（應(yīng)符合GB 15618—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)的要求）。

2.2 表土替代材料性狀控制及改良

結(jié)合前階段篩選出的礦山剝離物進(jìn)行表土替代材料性狀控制，為后期經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)業(yè)化考慮，表土替代材料性狀控制應(yīng)以剝離物自身性狀為主，改良劑進(jìn)行輔助。由于剝離物均為生土及軟巖，在用于制備表土替代材料前需進(jìn)行破碎，剝離物粒徑應(yīng)根據(jù)其特性進(jìn)行控制，例如心土及底板土控制粒徑在10 mm 以下為宜，軟巖應(yīng)控制粒徑在5 mm 以下為宜。若破碎后粉粒占比過(guò)高應(yīng)對(duì)小粒徑范圍內(nèi)的剝離物進(jìn)行篩分剔除。首先進(jìn)行單一種類剝離物的性狀改良，對(duì)篩選出的各層剝離物單獨(dú)進(jìn)行改良，尋找是否有通過(guò)施加改良劑便可以利用的剝離物，隨后依據(jù)剝離物的土、巖、沙等形態(tài)進(jìn)行混合，尋找適宜的剝離物組合形式和添加量。

目前土壤改良的方式較多，表土替代材料改良劑選取應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：①能否綜合利用廢棄物：結(jié)合礦區(qū)周圍區(qū)域特點(diǎn)，綜合利用礦區(qū)附近的廢棄物，如酒糟、廢菌包、生物糞便及活性污泥等等，或者利用礦區(qū)廢棄物和廢棄物經(jīng)過(guò)加工后的改良劑，如煤矸石、風(fēng)化煤、煤粉及利用風(fēng)化煤制作的腐殖酸；②考慮經(jīng)濟(jì)性：表土替代材料改良劑主要是輔助生態(tài)恢復(fù)的，改良劑添加量并非越多越好，成分并非越多越好，應(yīng)篩選出最合適的改良劑添加量及成分，并合理控制運(yùn)距，選擇成本更低的改良劑；③表土替代材料改良劑添加目的要明確：改良劑添加目的應(yīng)定向解決表土替代材料存在的問(wèn)題，如保水性差、孔隙度過(guò)低、替代材料肥力不足等等問(wèn)題。

2.3 表土替代材料水分特征評(píng)價(jià)體系

表土替代材料水分特征是表土替代材料的重要的指示因子，在干旱半干旱地區(qū)表土替代涵養(yǎng)水分的能力直接決定表土替代材料是否適宜，通過(guò)測(cè)定表土替代材料田間持水量以及凋萎系數(shù)可以初步判定表土替代材料的持水能力，同時(shí)這2 項(xiàng)指標(biāo)也是判定表土替代材料與當(dāng)?shù)乇硗灵g差異的決定性指標(biāo)，如果持水能力遠(yuǎn)弱于當(dāng)?shù)乇硗粒硗撂娲牧媳悴灰讘?yīng)用于露天礦復(fù)墾。

表土替代材料水分變化規(guī)律及流失效率可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其基質(zhì)勢(shì)與含水量變化的特征可以反映出土壤持水能力和水分運(yùn)移規(guī)律，通過(guò)對(duì)照成熟的土壤水分特征曲線模型，判定表土替代材料含水量與基質(zhì)勢(shì)之間的關(guān)系，確定表土替代材料水分特征是否符合要求。參考的評(píng)價(jià)模型為Kosugi 在1999 年得出的土壤水分特征曲線模型。

式中：θ 為含水量；θs為飽和土壤含水量；θr為殘余含水量；h 為基質(zhì)勢(shì)；hm為孔隙毛細(xì)管壓力分布函數(shù)的峰值；δ 為孔隙毛管壓力分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，與孔隙半徑分布的寬度有關(guān)；erfc 為互補(bǔ)誤差函數(shù)。

2.4 表土替代材料養(yǎng)分評(píng)價(jià)體系

養(yǎng)分豐度評(píng)價(jià)體系的建立結(jié)合第二次全國(guó)土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級(jí)表，劃分養(yǎng)分豐度等級(jí)，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法[10]進(jìn)行綜合評(píng)判。

模糊綜合評(píng)價(jià)的單級(jí)評(píng)判模型步驟如下：

1）首先建立評(píng)判對(duì)象的因素集U={u1，u2，…，um}，主要包含m 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)um，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)從全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)及其他微量元素中選取，不少于7 項(xiàng)；n 個(gè)待評(píng)價(jià)事物，評(píng)價(jià)事物主要為不同種類的表土替代材料。

2）建立評(píng)判集V={v1，v2，…，va}，參照第二次全國(guó)土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級(jí)表將表土替代材料各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為{很高，高，中，低}4 個(gè)等級(jí)，分別進(jìn)行賦值{4，3，2，1}。

3）確定權(quán)重W={w1，w2，…，wn}，采用熵權(quán)法[11]確定各指標(biāo)的權(quán)重。

4）建立單因素模糊綜合判斷矩陣，首先求得歸一化指標(biāo)關(guān)于等級(jí)的隸屬度，從而得到單因素評(píng)判矩陣Ri={ri1，ri2，…，rin}。

5）進(jìn)行綜合評(píng)判。根據(jù)評(píng)價(jià)矩陣R 和因素權(quán)重向量W 后，通過(guò)模糊變化將U 上的模糊向量A 變?yōu)閂 上的模糊向量B 矩陣，模糊綜合評(píng)判為B=W·R。

綜合評(píng)判后，B 可看作是V 上的模糊向量，即為B={b1，b2，…，bm}，B 是對(duì)每個(gè)評(píng)判對(duì)象綜合狀況的分等級(jí)描述，它不能直接用于被評(píng)對(duì)象間的排序，需要對(duì)評(píng)判等級(jí)進(jìn)行賦值，得出相當(dāng)于各評(píng)判等級(jí)規(guī)定的參數(shù)列向量S=（s1，s2，…，sm）T，二者相乘得出等級(jí)參數(shù)的評(píng)判結(jié)果p，其可將各個(gè)指標(biāo)綜合效應(yīng)量化。通過(guò)計(jì)算結(jié)果p 的大小判定表土替代材料養(yǎng)分豐缺程度。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各表土替代材料養(yǎng)分變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)養(yǎng)分流失速率，對(duì)表土替代材料養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)判。

2.5 表土替代材料經(jīng)濟(jì)性分析及可行性分析

表土替代材料制備固定成本主要包括破碎設(shè)備、篩分設(shè)備、攪拌設(shè)備等投入，相關(guān)設(shè)備技術(shù)成熟，成本較為穩(wěn)定。

表土替代材料制備變動(dòng)成本主要包括剝離物破碎及篩分成本、改良劑添加成本、表土替代材料倒運(yùn)成本。剝離物破碎需要根據(jù)要求破碎到10 mm 以下的粒徑范圍內(nèi)，破碎設(shè)備成本較為固定，破碎到相應(yīng)粒徑范圍的破碎設(shè)備相對(duì)成熟；對(duì)破碎后的剝離物進(jìn)行篩分，得到適宜粒徑的剝離物，該階段技術(shù)難度并不大，應(yīng)尋找最適宜的技術(shù)降低該部分成本，但由于表土替代材料需求粒徑較小，需保證過(guò)篩時(shí)剝離物的濕度不能過(guò)高，防止影響過(guò)篩效率。

改良劑添加主要考慮的主要因素包括：①改良劑的選?。夯诘V山剝離物制備表土替代材料的特點(diǎn)，選用的改良劑不宜占比過(guò)高，應(yīng)以剝離物為基質(zhì)，一方面減少成本，另一方面可以綜合利用剝離物，改良劑應(yīng)以成本較低的廢棄物為主，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，以綠肥、糞肥等為優(yōu)先考慮對(duì)象；②改良劑的來(lái)源：改良劑成本主要包含自身成本及運(yùn)距，一般選用農(nóng)業(yè)廢棄物作為改良劑，改良劑成本較低，主要成本來(lái)源于運(yùn)輸成本，合理控制改良劑的來(lái)源是降低成本的重要因素。

影響變動(dòng)成本的重要因素之一是表土替代材料倒運(yùn)，由于破碎、篩分、攪拌等環(huán)節(jié)需要進(jìn)行銜接，表土替代材料的倒運(yùn)成本隨著產(chǎn)量逐漸增加。研發(fā)一體化表土替代材料生產(chǎn)設(shè)備是減少表土替代材料倒運(yùn)成本的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)構(gòu)建一體化設(shè)備，減少固定成本投入和變動(dòng)成本投入，一舉多得。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)表土替代材料制備技術(shù)體系進(jìn)行梳理，從礦山剝離物篩選、表土替代材料性狀控制及改良、表土替代材料評(píng)價(jià)體系3 個(gè)方面共12 項(xiàng)內(nèi)容提出約束，在礦山剝離物篩選方面，主要考慮了剝離物儲(chǔ)量，剝離物可塑性、剝離物基本性質(zhì)以及剝離物污染強(qiáng)度等4 各方面共6 項(xiàng)指標(biāo)；在表土替代材料性狀控制及改良方面，選取了粒徑范圍、改良劑以及性狀等3 個(gè)方向?qū)Ρ硗撂娲牧线M(jìn)行改良；在表土替代材料評(píng)價(jià)體系方面，選取表土替代材料水分特征、養(yǎng)分特征、經(jīng)濟(jì)性3 個(gè)方面進(jìn)行分析。

表土替代材料配置是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，將礦山剝離物進(jìn)行加工用于礦山生態(tài)修復(fù)影響指標(biāo)較多，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際主要?dú)w納了其中12 項(xiàng)可以保障礦山復(fù)墾的重要指標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)合理性和產(chǎn)業(yè)化合理性為目標(biāo)，形成可復(fù)制、可推廣的表土替代材料制造評(píng)價(jià)體系。在未來(lái)的礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)礦山剝離物的篩選與分類，做到分類保存、分類處理、分類利用，充分挖掘礦山剝離物的潛力，利用其制造表土替代材料或成土母質(zhì)，提升礦山復(fù)墾效率。