木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受損特征及治理方法研究

李鳳明，白國良，韓科明

(1.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復科技研究院有限公司，北京 100013；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

木里礦區(qū)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)，是青海省最大的煤礦區(qū)，也是西北地區(qū)重要的煉焦煤資源產(chǎn)地，由聚乎更區(qū)、江倉區(qū)、弧山區(qū)和哆嗦公馬區(qū)四部分構成，其中聚乎更區(qū)和江倉區(qū)開發(fā)強度相對較大，對生態(tài)環(huán)境擾動和破壞明顯。

木里礦區(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。20世紀70年代在聚乎更區(qū)和江倉區(qū)開始小規(guī)模開采，20世紀80年代之后先后在江倉區(qū)和聚乎更區(qū)進行煤礦開采活動。2002—2012年，先后有8家相關企業(yè)單位進入木里礦區(qū)，在各個規(guī)劃礦區(qū)進行了不同規(guī)模開采活動。目前，木里礦區(qū)共有12座礦井進行了露天開采，共形成11個露天礦坑、19座渣山，采坑總面積1433.04m2，采坑容積68242.94萬m3(不含采坑積水)，渣山總面積1856.79萬m2，渣山總體積48946.62萬m3，采坑渣山總占地面積達3289.83萬m2。煤炭資源開采帶來了嚴重的礦山生態(tài)環(huán)境問題，致使地貌景觀、植被資源、土地資源、水資源遭到破壞，水域涵養(yǎng)功能下降，加重沼澤草甸退化和水土流失。

1 木里礦區(qū)的生態(tài)特點

木里礦區(qū)地處黃河重要支流大通河的發(fā)源地，是祁連山區(qū)域水源涵養(yǎng)地和生態(tài)安全屏障的重要組成部分，生態(tài)地位極為重要。同時礦區(qū)地處高原高寒草原沼澤濕地地區(qū)，屬于青藏高原典型的生態(tài)脆弱區(qū)，區(qū)內(nèi)多分布大片凍土和高寒草甸等濕地植被，區(qū)域生態(tài)敏感脆弱，一旦遭破壞，就難以恢復。礦區(qū)為典型的高原、高寒，低氧、低氣壓地區(qū)。

1.1 氣候特征

木里礦區(qū)具有典型的高原高寒氣候特征。該礦區(qū)地處高寒地帶，平均海拔高度4000m，主要以高原冰緣地貌類型為主，包括冰緣湖沼平原、冰緣剝蝕平原、冰緣低臺地、冰緣平緩低丘陵、冰緣平緩高山等地貌類型。該區(qū)域高原大陸性氣候特征明顯，干燥寒冷，年平均氣溫-5.3℃，最冷月(1月)平均溫度為-17.2℃，最熱月(7月)平均溫度為15.6℃，四季不明顯，氣候寒冷，晝夜溫差大，西南部筆架山一帶雪線4500m以上常年積雪，屬典型的高原大陸性氣候。年降雨量平均400～500mm，蒸發(fā)量最大1762.4mm，最小794.2mm，年平均1544.84mm。每年6月至8月為雨季，11月至來年5月以降雪為主。一年四季多風，12月至翌年4月風力最大，風速可達 21m/s和12級狂風。其含氧量為海平面含氧量的69%、大氣壓為海平面正常氣壓的60%。

1.2 植被條件

受山地氣候垂直地帶性的影響，區(qū)域植被呈現(xiàn)垂直地帶性分布主要植被類型，常與高寒草甸類植被鑲嵌交錯，植被低矮、結構簡單，草群密集生長，植物以矮生墊狀，蓮座狀形態(tài)出現(xiàn)，生草層密實。

礦區(qū)植被由耐寒旱的多年生叢生禾草和根莖苔草為優(yōu)勢種所形成的植物群落為青藏高原典型的高寒植被類型，具有很強的耐寒、耐旱特性。但群落種類組成貧乏，群落結構簡單，植被稀疏，對人類活動的抗干擾力較弱。木里礦區(qū)植被類型分為高寒沼澤類和高寒草甸類。其中高寒沼澤類為礦區(qū)主要植被類型，常與高寒草甸類植被鑲嵌交錯，植被低矮、結構簡單，草群密集生長，覆蓋度70%～90%。高寒沼澤類植被屬隱域性植被，是由冷濕中生多年生草本植物為主要成分構成的植物群落。主要優(yōu)勢種為藏嵩草和圓囊苔草，伴生植物種有紫羊茅、羊茅、沙生蒿、垂穗鵝冠草、異葉 青蘭、黑穗苔草、粗喙苔草、海韭菜、水麥冬、三尖水葫蘆等。高寒草甸類植被構成以寒中生、短根莖的蒿草屬植物為主，具有植株低矮密叢、貼地面生長等耐害特征，層次分化不明顯。主要優(yōu)勢種有小蒿草、線葉蒿草、矮蒿草等、垂穗披堿草等。

1.3 礦區(qū)土壤

礦區(qū)土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主；其母質(zhì)為湖積、洪積物，土層厚度大于50cm，pH值7.5，有機質(zhì)含量21.99%，碳酸鈣含量4.5%，全氮1.126%，全磷0.114%，全鉀2.16%，碳氮比12.4 此外，木里礦區(qū)位于高山嚴寒地帶，區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育凍土，下部土壤為常年不透水凍土層，凍土厚度為50～90m左右，最大融化深度小于3m。上部土壤因降水或冰川融雪補給致長期過濕而發(fā)育成沼澤，在高山帶的中部地區(qū)主要分布有高山草甸土。介于沼澤土與高山草甸土之間分布有草甸沼澤土，因地表不積水或僅臨時性積水，無明顯的泥炭積聚。

沼澤草甸土零星分布3800m以上山區(qū)的溝腦部位，地勢低洼、潮濕，喜水植物茂密，覆蓋程度較好，多呈灰黑色，富含腐殖質(zhì)，具臭味。

1.4 區(qū)內(nèi)凍土發(fā)育

青藏高原多年凍土是我國凍土分布面積最廣的凍土區(qū)。木里礦區(qū)地處青藏高原東北部，屬于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)是典型的高海拔多年凍土，區(qū)內(nèi)凍土極為發(fā)育。

受地形地貌、大氣對流、地質(zhì)構造、地表水系、坡向等因素影響，木里煤田各礦區(qū)凍土分布厚度具有一定差異性，多年凍土整體為連續(xù)分布，局部為島狀分布。木里礦區(qū)凍土厚度為：聚乎更礦區(qū)多年凍土厚度40～160m，平均120m；江倉礦區(qū)多年凍土厚度30～86.7m；哆嗦公馬多年凍土厚度35～84.1m。

在整個礦區(qū)域中，年均地溫低于-3.0℃的穩(wěn)定型多年凍土面積只占 22.38%，高于-3.0℃的其余類型的多年凍土所占面積為 77.62%。由此，木里礦區(qū)周邊多年凍土具有高溫的特征，對外界環(huán)境的變化也非常敏感。

2 木里礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境受損特征

木里礦區(qū)共有12個礦井開采，一個井工礦開采。形成11個露天采坑，其中一個采坑由露、井聯(lián)采形成，即江倉一號井。露天開采對地面的影響顯而易見，但對生態(tài)的影響更加深遠有些甚至是不可逆。

木里礦區(qū)地處高海拔地區(qū)，主要以高山高原冰緣地貌為主，包括冰緣湖沼平原、冰緣剝蝕平原、冰緣作用的低臺地、冰緣作用的平緩低丘陵、冰緣作用的平緩高山。地表大部分被草甸濕地覆蓋，植被較為發(fā)育。采礦活動主要發(fā)生在除高山和丘陵之外的平原和臺地區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)中高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒灌叢和河流生態(tài)系統(tǒng)是該區(qū)生態(tài)體系中具有維持和調(diào)控作用的成分，其面積比重最大，其生態(tài)環(huán)境狀況直接影響到項目區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受損特征表現(xiàn)為以下幾個方面。

2.1 地表、地貌破壞

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，地面上有大量的構(建)筑物和礦區(qū)道路，嚴重破壞了自然地貌景觀、高寒沼澤草甸及原河流生態(tài)系統(tǒng)，采坑-渣山-工業(yè)場地等工程景觀與周邊自然景觀顯得極不協(xié)調(diào)。

露天開采產(chǎn)生大量的廢石、廢渣、凍土和矸石等，通常沿采坑周圍分層堆放，礦區(qū)存在大量渣石山，占地面積巨大，高度從數(shù)米到數(shù)十米，最高可達四五十米，壓占了大片草原，對地貌景觀和植被破壞嚴重。

由于地處高原草甸，地表多為沼澤，給建設工程中的辦公區(qū)、生活區(qū)、礦區(qū)道路等工程施工帶來了極大的困難。因此，礦區(qū)的辦公區(qū)和生活區(qū)大多是在渣堆上搭建的臨時彩鋼房，道路也多為渣石鋪筑的簡易公路，但地面建設工程破壞了地表植被，對地貌景觀影響嚴重如圖1、圖2所示。

2.2 礦區(qū)植被破壞

高原高寒礦區(qū)露天開采直接對地表植被進行挖損破壞，渣山在排棄過程中的渣體對原有草原植被直接占壓破壞，同時露天采場、渣山、工業(yè)場地、運輸?shù)缆泛蜕罘崭綄僭O施等區(qū)域改變了周邊毗鄰區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件，導致草甸濕地破壞。

通過對木里礦區(qū)不同時間遙感影像的解譯及對比分析可知，近年來因開采直接導致木里礦區(qū)約37km2草原植被消失殆盡，間接導致周邊5km范圍的草原出現(xiàn)不同程度的退化。

2.3 土地的損、毀、占

2020年7月25日北京二號高分遙感解譯結果顯示，聚乎更礦區(qū)主要土地類型為天然牧草地。礦山開發(fā)占損土地共計3798.29hm2，損毀土地類型為沼澤草地。其中采場1206.43hm2，有6個采坑，位于礦區(qū)的中部，沿北西方向展布；渣堆占地面積2105.96hm2，沿采坑兩側(cè)分層堆放；工業(yè)廣場包括辦公區(qū)、生活區(qū)、礦區(qū)道路等，面積485.90hm2。

2.4 凍土破壞

由于煤炭資源露天開挖，形成規(guī)模不等、深度不一的采坑，揭露并破壞了原有的凍融層和多年凍土層，導致多年凍土層上限下移和側(cè)移；采坑內(nèi)有大量積水時，會在坑底形成融區(qū)，從而阻礙凍土層的形成，造成凍結層下水失去隔水層，形成地下水“天窗”，地下水長期補給采坑，又維持了融區(qū)，使得坑底難以形成多年凍土(巖)層。渣石堆放形成渣山，改變了凍融層下限，破壞了原有的凍-融平衡。礦井工業(yè)場地建設和工程擾動，造成凍融層下限下移，打破了原有的凍-融平衡。

區(qū)內(nèi)多年凍土層是凍結層上水和凍結層下水的重要隔水層，采坑(積水)-渣山改變了原有的多年凍土層埋藏深度、厚度、破壞原有的凍-融平衡關系。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(下限上移)、面積萎縮、局部零星凍土島消失等多年凍土的萎縮現(xiàn)象。凍土層的工程擾動改變原有的水生態(tài)系統(tǒng)，影響甚至破壞地表水水文和地下水文地質(zhì)條件，打破了地下水原有的補徑排條件和動態(tài)平衡，使得地表水、地下潛水和地下裂隙承壓水發(fā)生直接水力聯(lián)系，從而降低水源涵養(yǎng)功能和地表水源輸送。

2.5 開采擾動造成邊坡失穩(wěn)

不穩(wěn)定邊坡主要位于采挖形成的高陡邊坡和渣堆四周，邊坡失穩(wěn)直接導致地表植被破壞。坡度陡峻，基巖出露，加之物理風化作用和雨水沖刷產(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、凍土和渣石等，在采坑附近層疊堆放，形成高達四五十米的渣堆，由于壓實處理不到位、排水不及時，加之區(qū)內(nèi)特有的凍脹融沉作用等原因，在重力作用下坡體產(chǎn)生拉張裂縫，形成邊坡失穩(wěn)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凍層，夏季有臺階坍塌的現(xiàn)象發(fā)生。

3 木里礦區(qū)生態(tài)綜合治理

3.1 治理理念與思路

青海木里礦區(qū)自然條件極為嚴酷，植被自然恢復緩慢，種草復綠土壤基底等立地條件差，客土十分困難，面臨的技術難題多。木里礦區(qū)種草復綠的難點是地貌重塑、水土保持和表層土壤重構，一層30cm的土壤，自然形成需要3000～8000a，高山草甸形成需要千萬年。礦區(qū)表層土壤已遭到破壞，要用科學手段模仿自然，對礦區(qū)土壤進行恢復。因此，整個礦區(qū)的治理原則是遵循“山水林田湖草”生命共同體理念，以“技術可靠、經(jīng)濟合理、邊坡穩(wěn)定、景觀融合、貼近自然”為出發(fā)點，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果結合以往勘查資料，按照“一坑一策、水源涵養(yǎng)、凍土保護、生態(tài)恢復、資源儲備、分區(qū)管控、以水代填；依法依規(guī)、經(jīng)濟合理、創(chuàng)新支撐、實現(xiàn)生態(tài)保護與節(jié)約優(yōu)先，自然恢復與人工修復有機結合”的綜合治理思路，因地制宜，分型施策。采用“三工程一保障”綜合治理體系實施修復，其中“三工程”指采坑整治、邊坡與渣山治理和水系自然疏通或水系修復重塑三類工程措施；“一保障”指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)。

“地質(zhì)+生態(tài)”治理思路：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，其根源應以地學科學為基礎，抓住生態(tài)環(huán)境破壞的根本問題，如該區(qū)因煤層開采導致的水源破壞問題、草甸破壞以及凍土層破壞問題，采坑千瘡百孔僅是表象，因此，方案編制及治理均應堅持“地質(zhì)+生態(tài)”的治理思路。

“自然恢復+工程治理”治理思路：根據(jù)調(diào)查情況，有的礦區(qū)進行了邊開采邊修復治理的開采修復方式，植被及地貌恢復有一定成效。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，治理應遵循“自然恢復+工程治理”的治理思路。借助大自然的自我恢復能力，能自然恢復的就不再投入修復治理工程，盡可能減少投入，節(jié)省經(jīng)費。

3.2 治理案例

木里礦區(qū)江倉一號井屬于新建礦井，由青海中奧能源發(fā)展有限公司于2009年8月開工，開拓方式為明斜井開拓，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。目前井下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)形成，生產(chǎn)設備也全部安裝完畢。與木里礦區(qū)其他礦井為單一露天開采的方式不同，江倉一號井深部設計的井工開采的方式，露天回采下限為3670m水平，故設計將井工開采的上限確定為3650m水平，3650～3670m之間資源儲量留設為露天坑保護煤柱。

2020年8月江倉一號井形成1個露天采坑，坑口長1.8km，寬0.39km，面積總計70.02萬m2，采坑容積2727.34萬m3，項目區(qū)1個渣山，總面積67萬m2，總體積1414.18萬m3，如圖3所示。

圖3 江倉一號井采坑、渣山位置圖

江倉一號井的治理經(jīng)多方案比較，構建了“采坑回填緩坡+邊坡與渣山整治+土壤重構與植被復綠+濕地與巖壁景觀塑造”治理模式。其工程內(nèi)容為現(xiàn)場調(diào)查與工程測繪、渣山清除及采坑回填、采坑上部削坡、巖壁與濕地塑形。其治理區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 治理區(qū)域劃分圖

應用三維軟件3Dmine對青海省自然資源廳提供的一號井渣山現(xiàn)狀圖進行三維建模，根據(jù)方案設計，通過三維模型對渣山削方量及采坑回填量進行平衡，經(jīng)過三維模型計算，渣山清除量為1000萬m3，采坑削坡量為60萬m3，巖壁景觀區(qū)清方量為40萬m3，渣山總量為1100m3填入采坑，采坑回填后標高為+3742m(圖5)。為減少回填對井工巷道的影響，采坑下部有井工巷道區(qū)域85m×20m范圍內(nèi)回填至+3713標高后以單臺階高度10m，角度25°，平盤寬度13m的回填至+3742m(圖6、圖7)。此外，綜合治理工程內(nèi)容還有道路整修工程、截排水工程、礦井水與礦坑水處置利用、濕地修復與保護等。

圖5 推薦方案斷面圖(m)

圖6 井下巷道與采坑回填體位置關系Ⅰ-Ⅰ剖面圖(m)

圖7 井下巷道與采坑回填體位置關系Ⅱ-Ⅱ剖面圖(m)

由圖6、圖7可知，采坑回填之后的回填體最低點與原采坑坑底垂直高差為24m?；靥詈笠粎^(qū)段回風石門起坡點上方巖柱高度31.64m，回填體高度34.03m；一區(qū)段回風斜巷最小巖柱高度27.07m，回填體高度24.13m；+3650膠帶和運輸石門上方巖柱高度33.9m～76.7m，回填體高度0～35m。因此對回填體及車輛載荷對現(xiàn)有井巷的影響在考慮積水最不利的情況下按水體、回填體計算產(chǎn)生的最大附加應力影響深度及巷道穩(wěn)定狀態(tài)進行了評價，計算出一區(qū)段回風斜巷在H點以下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為保證巷道安全，應采取巷道維護措施(圖8)。

圖8 回風斜巷加強維護段范圍(剖面)(m)

針對高原高寒礦區(qū)天然表土缺乏、客土成本高、植被生境差等問題，進行立地條件治理分區(qū)，提出了基于原位表土、開采剝離表土、人工土的土壤重構方法，構建了“腐熟羊板糞基礎增容+商品有機肥優(yōu)化提升”為核心的快速土壤改良方法，通過對礦區(qū)及周邊的植物群落調(diào)查、地理條件分析和經(jīng)濟效益的綜合考慮，選擇了同德短芒披堿草(Elymus breviaristatus Keng cv.Tongde)、青海草地早熟禾(Poa pratensis.Qinghai)、青海冷地早熟禾(Poa crymophila Keng cv.Qinghai)、青海中華羊茅(Festuca.sinensis Keng cv.Qinghai)4種高寒地區(qū)植物種，按照1∶1∶1∶1的比例進行混播。采取無紡布覆蓋、圍欄封育、禁牧等管護措施。

4 結 論

1)經(jīng)過多年的開采和工業(yè)生產(chǎn)活動，對原生草原進行了重度的挖損和壓占，對項目區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境造成了破壞，生態(tài)環(huán)境破壞主要為草甸植被破壞、水土流失、凍土破壞、水系濕地破壞、地貌景觀破壞、邊坡失穩(wěn)等類型。

2)遵循“山水林田湖草”生命共同體以及因地制宜、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟高效的治理理念，采用“采坑回填緩坡+邊坡與渣山整治+土壤重構與植被復綠+濕地與巖壁景觀塑造”治理模式，整治后將形成渣山清除區(qū)、緩坡整形區(qū)、巖壁景觀區(qū)和采坑回填區(qū)。

3)以木里礦區(qū)江倉一號井為例，針對煤炭開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，結合項目區(qū)地處高海拔、高寒地區(qū)極其脆弱生態(tài)環(huán)境，制定了礦井采坑、渣山一體化治理方案，符合習近平生態(tài)文明思想和對青海工作的重要講話、批示精神，踐行了“綠水青山就是金山銀山”的理念，能夠?qū)崿F(xiàn)其預期的治理目標。