祁連山南麓露天采坑生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究

王鋒利，王 佟，方惠明，李聰聰，王 輝，李永紅，任虎俊

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2.中煤水文局集團(tuán)有限公司，天津 300121；3.西安科技大學(xué)，西安 710054;4.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；5.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199;6.青海煤炭地質(zhì)局，西寧 810007)

0 引言

祁連山生態(tài)系統(tǒng)在維護(hù)我國西北生態(tài)安全方面有著舉足輕重的地位。祁連山系黃河重要支流大通河源頭,也是物種遺傳基因庫生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域和青海湖水源涵養(yǎng)地[1]。20世紀(jì)開始至21世紀(jì)初，祁連山南麓木里煤田破壞性開采[2]導(dǎo)致了地貌景觀破壞、植被破壞、土地挖損和壓占、凍土破壞、水系濕地破壞與采坑積水、地下水含水層破壞、土地沙化與水土流失、不穩(wěn)定邊坡等多種類型的生態(tài)環(huán)境問題，充分暴露了人與自然互動的不和諧性[3-4]。

近年來，礦山生態(tài)修復(fù)得到了越來越多的重視和研究?，F(xiàn)有治理技術(shù)包括：削坡、護(hù)坡、場地整治等的回填整平技術(shù)[5-6]；漿砌石骨架、土工格室、土工網(wǎng)等的加固工程技術(shù)[7]；植生卷鋪蓋法、噴混植生、掛網(wǎng)客土噴播技術(shù)等的生物加固工程技術(shù)[8]；物種選擇與種群配置的植物配置養(yǎng)護(hù)技術(shù)[9]。受限于場地地質(zhì)條件的特殊性，部分學(xué)者往往將上述工程組合使用：程素珍以濟(jì)南市鋼城區(qū)某廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理為例，本著安全、環(huán)境協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)合理、因地制宜和可持續(xù)發(fā)展的治理思路，通過工程治理+綠化相結(jié)合的治理技術(shù)，對礦山內(nèi)存在安全隱患和無法為植物提供著床的場地采用場地平整、浮石清理、殘山清除、續(xù)坡工程、擋墻工程進(jìn)行治理，然后在上部進(jìn)行植被復(fù)綠工作[10]；劉德成以廢棄礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究為例，采用依山勢重塑地形、導(dǎo)疏導(dǎo)水流、柔性防護(hù)穩(wěn)定邊坡、噴播掛網(wǎng)坡面綠化等礦山生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)措施，達(dá)到廢棄礦山生態(tài)景觀恢復(fù)目的[11]。

已有礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)多針對工程地質(zhì)問題中的邊坡失穩(wěn)和植被破壞進(jìn)行修復(fù)工作，未能統(tǒng)籌山水林田湖草生命共同體概念，將采坑積水同區(qū)域地表地下水有機(jī)融合到礦山生態(tài)修復(fù)之中。本文選取祁連山南麓木里煤田系高原高寒國家自然保護(hù)區(qū)，露天采煤生態(tài)破壞為例，通過資料收集，遙感解譯，現(xiàn)場勘查等綜合技術(shù)手段，從水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)角度判斷存在的生態(tài)環(huán)境問題，根據(jù)已有生態(tài)環(huán)境問題，本著山水林田湖草生命共同體理念，提出祁連山南麓木里煤田生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)，為同類項目提供理論支撐和技術(shù)借鑒。

1 研究區(qū)概況

木里煤田位于青海海西蒙古族藏族自治州天峻縣和海北藏族自治州剛察縣境內(nèi)，屬高山地貌，是青海省最大的煤礦區(qū)，也是西北地區(qū)目前唯一的焦煤資源整裝勘查區(qū)域，由聚乎更礦區(qū)(含哆嗦公碼)、江倉礦區(qū)、弧山礦區(qū)三個礦區(qū)構(gòu)成，其中聚乎更礦區(qū)開發(fā)強(qiáng)度最大。

木里煤田聚乎更礦區(qū)煤炭資源豐富，現(xiàn)已查明煤資源的礦區(qū)12處，查明儲量33.39×108t。聚乎更礦區(qū)位于天峻縣城東北方向，直線距離90km處，地處天峻縣木里鎮(zhèn)境內(nèi)。煤礦區(qū)地處大通河河谷中生代坳陷帶西段，面積約97km2。

聚乎更礦區(qū)共有十個井田，除一號井、二號井、六號井未開采外(圖中未列出)，其他(五號井、四號井、三號井、七號井、八號井、九號井、哆嗦公碼)采坑均進(jìn)行了不同程度的露天開采(圖1)。其中開采規(guī)模較大的是五號井、四號井、三號井，其次為七號井、八號井、九號井，開采規(guī)模最小是哆嗦公碼。

圖1 聚乎更礦區(qū)井田分布及開采現(xiàn)狀Figure 1 Juhugeng mining area minefields distribution and current mining situation

2 生態(tài)環(huán)境問題

通過遙感影像數(shù)據(jù)(2020年7月25日)的解譯和分析，結(jié)合野外現(xiàn)場調(diào)查，從水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)的角度概化聚乎更礦區(qū)煤炭資源開發(fā)的主要生態(tài)環(huán)境問題為生態(tài)景觀破壞、采坑及邊坡穩(wěn)定性、采坑積水問題等類型(圖2)。

圖2 聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題分布Figure 2 Entironmental issues in Juhugeng mining area

2.1 生態(tài)景觀破壞

1)地貌景觀破壞。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，煤炭資源露天開采，共形成11個規(guī)模不等的采坑和19座渣山，另外，工業(yè)場地建設(shè)，地面上有大量的構(gòu)(建)筑物和礦區(qū)道路，嚴(yán)重破壞了該區(qū)域自然地貌景觀原始面貌，采坑-渣山與周邊自然景觀極不協(xié)調(diào)。

2)渣堆土地占用與草甸破壞。據(jù)遙感影像圖統(tǒng)計，露天開采總占用土地面積3 929萬m2，損毀土地類型為沼澤草地。其中采坑占用土地面積1 247萬m2，渣堆占用土地面積2 189萬m2。渣堆沿采坑兩側(cè)分層堆放，對地貌景觀和植被破壞嚴(yán)重；工業(yè)廣場及礦區(qū)道路占用土地面積485萬m2，炸藥庫占地面積6萬m2。

3)凍土破壞。礦區(qū)凍土常年覆蓋，凍土層每年從4月下旬開始融化，9月底至10月中旬達(dá)最大融化深度，融化速度各月稍有變化，平均0.2～0.3m/月。9月末氣溫開始下降，自上向下回凍迅速發(fā)育，到12月初季節(jié)融化層全部封凍，與此同時，發(fā)生由下限面向上回凍，但速度很小，形成厚度不大。多年凍土退化主要表現(xiàn)為凍土季節(jié)性融化層增厚(多年凍土上限下移)、厚度減薄(下界上移)、平面分布面積萎縮、局部零星凍土島消失等多年凍土的萎縮現(xiàn)象。

2.2 采坑及渣山邊坡穩(wěn)定性問題

不穩(wěn)定邊坡主要位于采挖形成的高陡邊坡和渣堆四周。坡度陡峻，基巖出露，加之物理風(fēng)化作用產(chǎn)生裂隙，地表水下滲，易沿坡體形成危巖危坡，局部穩(wěn)定性較差。開挖產(chǎn)生大量的廢石、凍土和矸石等，在采坑附近層疊堆放，形成高達(dá)四五十米的渣堆，由于壓實處理不到位、排水不及時等原因，在重力作用下坡體產(chǎn)生拉張裂縫，形成不穩(wěn)定斜坡。采坑內(nèi)邊坡臺階頂部多處存在1m左右“傘巖”，隨時可能崩落，采坑邊坡頂部臺階還有凍土融東層，夏季有臺階塌陷的現(xiàn)象發(fā)生。

區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定斜坡11處，集中發(fā)育在四號井、五號井和七號井(圖3)。從發(fā)育部位來看，大多位于渣堆的邊坡處，共9處，采坑內(nèi)多為基巖，穩(wěn)定性相對較好，不穩(wěn)定斜坡發(fā)育較少，僅2處。四號井采坑為狹長狀，呈北西-南東向展布，不穩(wěn)定斜坡位于采坑西端，開挖產(chǎn)生的松散物質(zhì)沿坡面下滑，穩(wěn)定性較差；采坑南側(cè)渣堆發(fā)育兩處不穩(wěn)定斜坡，其中一處規(guī)模較大，渣堆北部已發(fā)生坍塌，臺階狀坡體被破壞，其上發(fā)育多處拉張裂縫，穩(wěn)定性極差。五號井采坑走向與四號坑一致，不穩(wěn)定斜坡發(fā)育在采坑?xùn)|端，松散物質(zhì)沿坡體下滑，原有的開采臺階被覆蓋，采坑北側(cè)的渣堆發(fā)育4處不穩(wěn)定斜坡，其中兩處位于道路上方，底部有水滲出，穩(wěn)定性差。七號井采坑遙感影像上可見明顯的拉張裂隙，長度約300m，邊坡較陡，局部地區(qū)傾角大于60°，有裂隙變寬、坡體下滑、巖石垮塌的現(xiàn)象。

圖3 聚乎更礦區(qū)不穩(wěn)定斜坡Figure 3 Instable slope remote sensing interpretation in Juhugeng mining area

2.3 采坑積水

聚乎更礦區(qū)采坑總積水面積12 820萬m2，其中三號井采坑積水面積63 183m2，積水深度3m左右；四號井采坑積水面積521 112m2，積水深30～60m；五號井采坑積水面積67 589m2，積水深度10m左右；七號井采坑積水面積175 815m2，積水深度10m左右。

3 生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)路徑

3.1 治理原則

本文綜合考慮山水林田湖草為生命共同體，突出礦山生態(tài)修復(fù)治理綜合考慮工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)理論知識結(jié)合生態(tài)學(xué)知識，即總體治理思路為整治礦區(qū)內(nèi)邊坡失穩(wěn)的同時考慮地表及地下水的連通與保護(hù)，進(jìn)一步從生態(tài)學(xué)的角度對礦山實施以自然恢復(fù)為主，人為干預(yù)為輔的植被修復(fù)工程。

以“地質(zhì)+生態(tài)”，“自然恢復(fù)+工程治理”為總體治理原則。

1)“地質(zhì)+生態(tài)”：該區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞根源是水、土、氣、植被等的不協(xié)調(diào)共生，其治理應(yīng)以地質(zhì)科學(xué)為基礎(chǔ)，抓住生態(tài)環(huán)境破壞的根本問題，如該區(qū)因煤層開采導(dǎo)致的水源、草甸以及凍土層破壞問題，采坑千瘡百孔僅是表象，修復(fù)治理應(yīng)堅持“地質(zhì)+生態(tài)”的治理理念。

2)“自然恢復(fù)+工程治理”：根據(jù)調(diào)查情況，有的采坑進(jìn)行了邊開采邊修復(fù)治理的開采修復(fù)方式，植被及地貌恢復(fù)有一定成效。加之該區(qū)本身為生態(tài)脆弱區(qū)，較大規(guī)模的工程措施可能對環(huán)境造成更大破壞。因此，治理應(yīng)遵循“自然恢復(fù)+工程治理”的原則，提高生態(tài)自修復(fù)功能，實現(xiàn)工程措施與自修復(fù)的平衡。

3.2 治理路線

根據(jù)調(diào)查研究結(jié)果結(jié)合已有礦區(qū)勘查資料和上述治理思路，考慮到不同煤礦之間存在的差異和治理經(jīng)濟(jì)成本，本文提出“一坑一策、水源涵養(yǎng)、凍土保護(hù)、以水代填、生態(tài)恢復(fù)、分區(qū)管控”的綜合治理思路。即針對不同礦坑采用“四工程一保障”開展生態(tài)修復(fù)工作?！八墓こ獭本唧w為“邊坡整治、采坑整治、水系修復(fù)、植被復(fù)綠”四項工程措施；“一保障”指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)。具體治理技術(shù)路線見圖4。

圖4 祁連山南麓露天采坑生態(tài)修復(fù)技術(shù)路線Figure 4 Open pit ecological rehabilitation technical approaches in south foot of Qilian Mountains

4 一坑一策治理方案

依據(jù)以上治理思路和工程措施以下選取四號井、五號井和九號井為例介紹其治理方案和治理工程模式。

4.1 四號井采坑治理方案

四號井采坑坑底有大量積水，采坑西端有滑坡隱患體，南邊幫為渣山沿斜坡存在虛方堆積。擬定采用邊坡整治+植被復(fù)綠+水系修復(fù)模式實施治理。

1)邊坡整治。對南邊幫渣山采取前推式削坡，后退式回收渣石，實現(xiàn)渣山邊坡穩(wěn)定，一方面為渣山覆土復(fù)綠提供條件，另一方面利用削方渣量回填采坑；北邊幫陡峭，特別是西端臨近公路，滑坡跡象明顯，構(gòu)成不穩(wěn)定斜坡，總體采取前進(jìn)式削坡，形成臺階式坡形，西端采用抗滑樁和冠樁等措施治理滑坡，與整治后的北邊幫形成統(tǒng)一坡面；削坡形成的渣石除回填四號井采坑外，還可用于其他井采坑治理利用。

2)水系修復(fù)。四號井采坑積水業(yè)已形成一條東西向狹長水面，水面長約3km，水面寬度150～750m，面積約2km2，高程3 990m，按積水平均深度150m計算，采坑內(nèi)現(xiàn)積水量約300萬m3，可通過地表上哆嗦河補(bǔ)給增加蓄水，因地制宜，以蓄水水系修復(fù)，大大節(jié)約積水抽排和采坑渣石回填工作量，大幅節(jié)約修復(fù)經(jīng)費，且可形成一處高原生態(tài)水體，有效修復(fù)生態(tài)景觀，環(huán)境效益突出。

3)植被復(fù)綠。以上工作完成后，氣候適宜時進(jìn)行覆土復(fù)綠工作，覆土厚度大于20cm。因區(qū)內(nèi)幾乎無土可取，可采用渣山風(fēng)化的泥巖和粉砂粉末混合牛羊糞等有機(jī)肥替代土壤作為植被復(fù)綠基質(zhì)(圖5)。

圖5 四號井采坑治理工程示意Figure 5 Schematic diagram of coalmine No.4 pit governance engineering

4.2 五號井采坑治理方案

根據(jù)五號井采坑水工環(huán)災(zāi)地質(zhì)資料分析結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，擬定采用邊坡整治+采坑整治+水系修復(fù)+植被復(fù)綠模式開展治理工作。

1)邊坡整治。對南幫進(jìn)行削坡，邊坡整治，削坡工作量1 200萬m3；治理臺階10級臺階，高度10m，臺階寬度5m，坡面角度控制在30°以內(nèi)。

2)采坑整治。利用排土場渣石及邊坡削坡土石方對采坑進(jìn)行回填平整，東采場坑口初步回填至標(biāo)高4 025m，西采場坑口初步回填至標(biāo)高4 045m。

3)水系修復(fù)。采坑整治后，形成自西向東微傾的坡度地形并整治西端河道，采坑?xùn)|端與下哆嗦河相連，實現(xiàn)地表水系連通。

4)植被復(fù)綠。采用渣山風(fēng)化的泥巖和粉砂粉末混合牛羊糞作為草籽基質(zhì)于采坑底部和邊坡進(jìn)行復(fù)綠工作(圖6)。

圖6 五號井采坑治理工程示意Figure 6 Schematic diagram of coalmine No.5 pit governance engineering

4.3 九號井采坑治理方案

九號井采坑采用采坑整治+植被復(fù)綠模式開展治理，采用自然恢復(fù)和工程措施相結(jié)合的措施達(dá)到與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)。

1)采坑整治。北采場北邊坡削坡，其他地段平整修復(fù)；南采場順煤層開挖，開挖過程部分地段實施邊坡整治。

2)植被復(fù)綠。排土場和采場80%未復(fù)綠。采場位于雪線附近，自然環(huán)境惡劣，屬荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)，原生植被覆蓋較差，受水文、氣候條件影響，復(fù)綠難度較大。可采用自然恢復(fù)和工程措施結(jié)合進(jìn)行復(fù)綠修復(fù)(圖7)。

圖7 九號井采坑治理工程示意Figure 7 Schematic diagram of coalmine No.9 pit governance engineering

5 結(jié)論

1)從水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工程地質(zhì)角度出發(fā)，將祁連山南麓木里煤田露天開采導(dǎo)致區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題，劃分為生態(tài)景觀破壞、采坑及渣山邊坡穩(wěn)定性問題、采坑積水三大類。

2)提出礦山生態(tài)修復(fù)治理應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)理論知識結(jié)合生態(tài)學(xué)知識，即總體治理思路為整治礦區(qū)內(nèi)邊坡失穩(wěn)的同時考慮地表及地下水的連通與保護(hù)，進(jìn)一步從生態(tài)學(xué)的角度對礦山實施以自然恢復(fù)為主，人為干預(yù)為輔的植被修復(fù)。

3)研究提出“一坑一策、水源涵養(yǎng)、凍土保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)、分區(qū)管控、以水代填”的綜合治理思路，以及“四工程一保障”的生態(tài)修復(fù)技術(shù)?！八墓こ獭本唧w為“邊坡整治、采坑整治、水系修復(fù)、植被復(fù)綠”四項工程措施；“一保障”指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)。