歷史遺留采礦廢棄地生態(tài)修復設計
——以晉北煤炭基地寧武煤田為例

朱 灣 ，馬 亮 ，施德剛 ，楊榮喜 ，王俊杰 ，王聞貴 ，侯湖平，付麗強

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇省徐州市， 221000；2.山西省地質勘查局二一三地質隊，山西省臨汾市，041000；3.山西地勘生態(tài)地質有限責任公司，山西省太原市，030000；4.山西省自然資源事業(yè)發(fā)展中心，山西省太原市，030000)

良好的生態(tài)環(huán)境是人類發(fā)展最重要的前提,同時也是人類賴以生存、社會得以安定的基本條件[1-2]。因此修復受污染和被破壞的生態(tài)系統(tǒng)十分重要。我國擁有十分豐富的礦產資源，這些資源的開發(fā)對于促進全國的經濟發(fā)展起到重要的戰(zhàn)略作用。但是開采產生的采礦廢棄地，引發(fā)了大量的生態(tài)環(huán)境問題，對保障國民經濟的持續(xù)健康發(fā)展形成巨大阻力[3-5]。因此對采礦廢棄地的生態(tài)環(huán)境進行修復已經刻不容緩。

晉北寧武煤田基地地處山西省寧武縣，位于蘆芽山國家自然保護區(qū)邊緣地帶，該煤田采煤歷史長，最早可追溯到民國年間[6-7]。在長期開采活動過程中，由于開采方式的粗放導致礦區(qū)植被遭到嚴重的破壞，特別是開采過程中形成大量的裸露邊坡和礦渣隨意堆放嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，導致出現水土流失、土壤污染、植被死亡、煤自燃且頻繁發(fā)生等環(huán)境問題，同時存在地面塌陷和不穩(wěn)定邊坡等礦山地質問題，產生的地質災害也嚴重威脅著附近居民的人身安全和財產安全。

筆者及其研究團隊依據自然資源部辦公廳、財政部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳2020年聯合印發(fā)的《山水林田湖草生態(tài)保護修復工程指南(試行)》，對位于晉北煤炭基地寧武煤田的項目區(qū)采取人工修復和自然恢復相結合的技術思路，將研究區(qū)劃分為6個分區(qū)，應用煤自然發(fā)火修復、地貌重塑、土壤重構、植被重建和景觀再造關鍵技術，以提高生態(tài)恢復力為生態(tài)工程目標，打造礦山廢棄地生態(tài)修復示范工程，為其他類似生態(tài)修復工程設計提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于晉北寧武煤田基地，在山西省寧武縣境內蘆芽山風景區(qū)邊緣地帶，總面積為6.9 km2。地理坐標為東經112°09′00″～112°12′36″，北緯38°54′36″～39°00′00″。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置

該區(qū)域屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為2℃～6℃，日照總時數平均為2 835 h，平均降水量為470～770 mm。地表水系屬黃河流域汾河水系，流向自北向南，汾河在寧武境內匯水面積約為1 300 km2。地貌為基巖山區(qū)和黃土丘陵區(qū)，主要土壤類型為淋溶褐土和棕壤土，土體呈弱酸性至中性，土體較厚，養(yǎng)分含量較高。植被類型主要為寒溫性針葉林帶和針闊葉混交林，比如白樺、落葉松、云杉等，而灌木主要以檸條和沙棘為主。

研究區(qū)位于原霸王嶺煤礦、原寺兒溝煤礦、原春景洼隊辦煤礦和原臥虎灣煤礦等小型礦區(qū)之間，這些煤礦從20世紀70年代開始開采，主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，煤層總厚度為13.66 m，含煤層數為6層，其中山西組含煤1層，太原組含煤5層。山西組地層厚度為37.0～87.0 m，含煤系數為0.94%；太原組地層厚度為98.7～144.0 m，含煤系數為11.64%。開采方式為井工開采和露天開采，2008年經歷資源整合被關閉整頓，現在所有的礦區(qū)都已經停止開采。

2 研究區(qū)采礦廢棄地存在的問題

筆者及其團隊采用實地調查、無人機調查和遙感影像調查等方法[8-12]，分析出研究區(qū)主要存在煤自然發(fā)火、地面塌陷和地裂縫、不穩(wěn)定邊坡、地面壓占、植被景觀破壞等問題。

2.1 煤自然發(fā)火

研究區(qū)內共有露頭火區(qū)11處，總面積約為0.097 km2。研究區(qū)內火區(qū)整體沿煤層走向呈不連續(xù)長條狀、團塊狀分布，遠處可見到濃煙，煤自然發(fā)火實景如圖2所示。

圖2 煤自然發(fā)火實景

火區(qū)內伴有濃烈刺激性異味，地表可見燒變巖及煤渣，分為單一煤層露頭型和復合型。明火區(qū)面積較小，一般發(fā)生在煤層露頭及煤層上部裂隙中。明火區(qū)煤層厚度大、出露于地表，附近有人工露頭開采的痕跡，火區(qū)中心點溫度高達235℃，CO濃度高達0.046 5%以上。

2.2 地面塌陷和地裂縫

研究區(qū)內地面塌陷和地裂縫主要是由于煤礦開采和煤層自燃所致，項目區(qū)內共有3處塌陷坑，單個面積約為119.84～171.66 m2，總面積約為459.67 m2，多為圓形或橢圓形；塌陷坑周邊可見著火點，有濃煙冒出并伴有刺激性氣味。研究區(qū)內地裂縫群共有2處，長度為1～40 m，寬度為0.01～0.80 m，深度為0.1～2.0 m。區(qū)內地裂縫群主要分布于采坑兩側，多發(fā)育于采坑逆向坡后緣，部分發(fā)育于渣堆邊坡后緣；地裂縫群整體延伸方向與采坑走向基本一致，少量地裂縫可見濃煙冒出并伴有刺激性氣味。

2.3 不穩(wěn)定邊坡

研究區(qū)內地質災害邊坡類型為采面邊坡和道路邊坡，共計60處，不穩(wěn)定邊坡主要是由于采礦開挖及采礦道路開挖引起的，邊坡下方無人員密集區(qū)。邊坡面積約為0.142 km2，投影面積約為0.075 km2。修復區(qū)采面邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)，僅部分巖質邊坡頂部可見節(jié)理切割產生少量的塊石，形成體積較小的浮石，不穩(wěn)定邊坡實景如圖3所示。

圖3 不穩(wěn)定邊坡實景

2.4 地面壓占

土地資源壓占主要表現在采煤后的廢渣堆放成山坡或在溝谷內無序堆積，壓占土地資源。壓占的土地類型主要有旱地、草地和林地等，總壓占面積為1.232 km2。

2.5 植被景觀破壞

植被景觀破壞區(qū)主要表現在坡體及原始坡面挖損導致植被景觀的不連續(xù)以及植被的損毀等，采用遙感影像分析統(tǒng)計，總破壞面積約為0.123 km2。

3 采礦廢棄地生態(tài)修復規(guī)劃設計

3.1 生態(tài)修復單元劃分情況

根據項目區(qū)生態(tài)破壞狀況的特征、礦山地質環(huán)境條件和環(huán)境問題，結合生態(tài)修復工程施工和管理的需要，共分為6個生態(tài)修復分區(qū)，修復區(qū)分區(qū)情況如圖4所示。研究區(qū)生態(tài)修復設計分區(qū)見表1。

圖4 研究區(qū)生態(tài)修復區(qū)設計分區(qū)

表1 研究區(qū)生態(tài)修復設計分區(qū)

續(xù)表1

3.2 生態(tài)修復規(guī)劃設計

根據項目區(qū)的生態(tài)破壞狀況，主要分為滅火工程設計、地貌重塑工程設計、土壤重構工程設計和植被恢復工程設計等4個方面。

3.2.1 滅火工程設計

針對研究區(qū)地下煤自燃點與地表冒煙點的空間不一致性以及潛在自燃區(qū)難以探明的問題，提出了“精準探測，分類施策，封控結合”的綜合修復思路。

(1)露頭煤滅火工程設計。根據項目區(qū)13處的煤炭露頭，采取回填覆蓋設計。其中針對位于采面坡腳的煤炭露頭，采用紅粘土分臺階覆蓋夯實的設計，采面坡腳煤炭露頭回填覆蓋設計如圖5所示。而位于采面坡面煤炭露頭采用“掛網+專用噴涂材料噴涂”覆蓋坡面，以隔絕氧氣進路、使自燃區(qū)域內部空氣耗盡，阻止煤炭自燃。

圖5 采面坡腳煤炭露頭回填覆蓋設計

(2)采空區(qū)及煤層露頭復合火區(qū)滅火工程設計。針對有采空區(qū)與煤炭露頭二者相結合火區(qū)采用“噴涂+鉆探注漿(水)封堵+表格覆蓋”進行修復，以降低自燃區(qū)溫度、隔絕氧氣進路的方式使著火區(qū)得到控制，達到降溫和綠化的目的，同時盡可能切斷采空區(qū)深部和地表漏風通道，使深部火區(qū)由于窒息而停止燃燒和緩慢熄滅。止?jié){示意圖如圖6所示。

圖6 止?jié){示意圖

3.2.2 地貌重塑工程設計

以開采產生的邊坡、采面、采坑、地裂縫為主要重塑對象，根據地形損毀的類型和程度設置不同的設計方案，因地制宜、多種恢復手段結合，在保證減少地質災害的前提下，還具有景觀美觀的功能。

(1)邊坡修復工程設計。在邊坡修復前對坡面進行清理，采用人工和機械開挖相結合的方法自上而下將采面及道路邊坡坡面危巖進行破碎后清理，同時對坡面表面風化破碎巖石和坡腳碎石塊進行清理。根據坡高和坡度，將裸露邊坡分為6類，根據不同邊坡種類采用不同方法進行修復，針對本項目區(qū)邊坡特征提出的修復方案為客土噴播復綠、主動防護網+客土噴播復綠、主動防護網、防護隔離帶、苗木栽植、擋墻+苗木栽植。邊坡分類及生態(tài)修復設計方案見表2。

表2 邊坡分類及生態(tài)修復設計方案

(2)采面修復工程設計。根據采面特征及所處位置不同，分別采用不同的方式進行修復，針對本研究區(qū)采面特征提出3種處理方案，即客土噴播復綠方案、主動防護網+防護隔離帶復綠方案、防護隔離帶復綠方案?？屯羾姴途G方案只用在坡度介于50°～75°之間的采面，在作業(yè)前要在坡頂設置截水溝，并沿坡面兩側導流至坡底，避免基質流失問題；主動防護網+防護隔離帶復綠方案主要實施在坡度大于75°的采面，在完成坡面清理后，建設主動防護網進行防護，避免坡體的碎石滾落，同時在坡底建設植被防護隔離帶；防護隔離帶復綠方案是針對于坡度較大接近直立的采面，在清理坡面后在坡底建設防護隔離帶，在通過苗木生長進行遮擋的同時，又能阻止人類與牲畜的進入。

(3)地面塌陷和地裂縫恢復方案設計。針對研究區(qū)塌陷坑和地裂縫，根據塌陷的程度進行不同的方案設計。

一是淺層塌陷區(qū)、地裂縫修復工程設計。淺層塌陷區(qū)主要采用開挖回填法修復，塌陷坑發(fā)育區(qū)修復首先開挖至底部，底部回填塊石，塊石上部澆注混凝土，混凝土密實成型后再在上部回填廢渣；地裂縫開挖一段距離后回填廢渣，廢渣需進行分層碾壓處理，頂部覆土，進行復墾綠化。

二是深層塌陷區(qū)恢復工程設計。塌陷區(qū)下部有采空區(qū)時，對塌陷區(qū)進行鉆孔注漿充填修復。先進行定點，在選定的位置點上下放套管、注漿管和澆注空口管，再將攪拌好的漿液進行灌注，在灌漿的同時，觀察注漿情況，并進行抽樣實驗，根據不同的塌陷情況確定注漿的體積，最后終止灌漿。

3.2.3 土壤重構工程設計

根據因地制宜、土方平衡的設計原則，采用機械挖除等方法，將區(qū)內高出設計標高的廢渣堆挖運移至低洼處，分層碾壓形成可利用的平臺或緩坡，平臺與周邊綠地及平臺之間削坡形成連接斜坡。通過地形地貌整治、采坑回填、廢渣清理、危巖清理等治理措施，平整場地，滿足綠化要求，而對于場地條件較好的區(qū)域經地形整治后恢復成耕地。

(1)土地平整設計方案。采坑底部平整成“平臺+緩坡”，坑兩側巖質邊坡按照邊坡工程設計修復。廢渣堆首先進行地形整理，整理后的地形呈階梯狀，由平臺和緩坡構成，在坡腳修建“擋土墻+排水溝”，平臺上修建截水溝。

(2)渣堆土地復墾設計方案。渣堆土地復墾作業(yè)分為2類，一是通過植被恢復為林草地，二是通過土壤改良恢復為耕地。植被恢復作業(yè)方案是在平臺區(qū)域回填30 cm的改良土后，通過穴植喬木幼苗和播撒草種的方式實現植被恢復；耕地復墾作業(yè)時，先選取立地條件好、距離村莊較近且地形整理后為平臺的區(qū)域，通過外購土壤、翻耕、生物改良、田埂修筑、田間道路布設、截排水溝修建及農田防護林網建設后形成符合質量標準的耕地。

3.2.4 植被恢復工程設計

(1)耕地恢復區(qū)。先進行覆土，再翻耕培肥，最后根據耕地標準播撒紫花苜蓿進行生物改良。

(2)恢復區(qū)。先進行場地覆土，再以梅花樁式栽植小云杉和小落葉松，道路兩側栽植大云杉，恢復為林地，林下以播撒混合草籽的方式實現植被恢復作業(yè)。

(3)灌木恢復區(qū)。先覆土，再栽植灌木沙棘，恢復灌木林地，林下撒播紫花苜蓿和披堿草等混合草籽。

(4)草地恢復區(qū)。先覆土，再播撒紫花苜蓿和披堿草等混合草籽，恢復草地。

(5)采面邊坡修復區(qū)。對于采面邊坡及道路邊坡，大面積的裸露與周邊生態(tài)環(huán)境極不協(xié)調，不宜在邊坡上覆土，無法在這樣的邊坡上直接植樹種草，因此設計先在靠近邊坡坡腳選取木質藤本植被爬山虎進行栽種。

4 工程實施效果

通過對研究區(qū)實施的治理與生態(tài)修復工程，取得了較好的生態(tài)效益、社會效益和經濟效益。

4.1 生態(tài)效益

研究區(qū)的植被覆蓋率明顯提高，從治理前的30%提高到70%，消除了煤自然發(fā)火，清除了地質災害，增加了生態(tài)用地，同時調節(jié)了區(qū)域氣候，控制了土壤侵蝕，還涵養(yǎng)了水源，提高了生物多樣性，良好地改善了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量。研究區(qū)生態(tài)修復工程實施前后對比如圖7所示。

圖7 研究區(qū)生態(tài)修復工程實施前后對比

4.2 社會效益

本研究嚴格落實了習近平總書記的重要指示，高水平地完成國家第三批山水林田湖草生態(tài)保護修復工程試點，其經驗和成果、關鍵技術可在山西、陜西、內蒙、甘肅、寧夏等西北礦區(qū)的生態(tài)修復工程中推廣。同時還可以推動當地旅游產業(yè)發(fā)展，提升山區(qū)農民的生活水平，助推寧武縣的鄉(xiāng)村振興。

4.3 經濟效益

生態(tài)修復后的土地利用類型通過優(yōu)化土地利用結構，可以新增耕地和林地分別為0.113 km2和0.526 km2,預計將增加12萬元的耕地經濟效益和26萬元的林地經濟效益。在保障了寧武縣重點工程的用地需求和指標異地交易的同時，還可以調整區(qū)域產業(yè)結構，打造生態(tài)產業(yè)鏈。

5 結語

晉北寧武煤田基地歷史遺留采礦廢棄地的生態(tài)修復項目通過滅火工程、地貌重塑工程、土壤重構工程、植被恢復工程、景觀功能修復等進行的生態(tài)修復，取得較好效果。在設計過程提出“精準探測，分類施策，封控結合”的綜合治理思路，并針對項目區(qū)難以解決的邊坡修復問題，采取了“削方減載+坡面CBS植被混凝土生態(tài)綠化+排水防滲”的綜合恢復措施；通過生態(tài)修復項目設計及施工建設，進行了地形重塑、植被種植；從而恢復了該地區(qū)自然生態(tài)基底、構建了健康穩(wěn)定的生態(tài)體系，改善了該地區(qū)的地質面貌和生態(tài)環(huán)境，提高了生態(tài)恢復力，增加了生態(tài)效益、社會效益和經濟效益。