河西走廊寒旱區(qū)廢棄礦山生態(tài)治理研究

摘要：某煤礦位于河西走廊寒旱區(qū)，因歷史開采手段粗放，未進行生態(tài)治理，致使礦區(qū)周圍土地資源、地形地貌景觀破壞及生態(tài)環(huán)境惡化等方面的問題突出。采用一種集高儲水、防蒸發(fā)、保溫隔熱、促進植被生長等特性于一體的技術(shù)進行廢棄礦山生態(tài)治理，進而降低生態(tài)修復(fù)成本，縮短生態(tài)修復(fù)時間，提高生態(tài)修復(fù)成功率。

關(guān)鍵詞：廢棄礦山；生態(tài)治理；寒旱區(qū)；河西走廊

中圖分類號：X171.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.041

Research on Ecological Treatment of Abandoned Mines in Cold and Arid Areas of Hexi Corridor

HE Jinniu

（Gansu Nonferrous Engineering Survey， Design and Research Institute， Lanzhou 730000， China）

Abstract： A certain coal mine is located in the cold and arid area of the Hexi Corridor， due to extensive historical mining methods， ecological treatment has not been carried out， resulting in prominent issues such as damage to land resources， terrain and landscape， and deterioration of the ecological environment around the mining area. A technology is adopted that integrates high water storage， anti evaporation， thermal insulation， and promotion of vegetation growth for ecological treatment of abandoned mines， thereby reducing ecological restoration costs， shortening ecological restoration time， and improving the success rate of ecological restoration.

Keywords： abandoned mines; ecological treatment; cold and arid areas; Hexi Corridor

河西走廊的礦產(chǎn)資源豐富，但早期礦山企業(yè)開采技術(shù)落后，開采條件簡陋，致使諸多礦區(qū)周圍地質(zhì)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，造成自然景觀破壞、植被破壞、水土流失及生態(tài)環(huán)境惡化等，成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[1]。河西走廊屬于寒旱區(qū)，生態(tài)修復(fù)需要考慮水源、保溫等條件，下面以某廢棄煤礦為例，基于功能性復(fù)層式植生基材進行礦區(qū)生態(tài)治理研究。

1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

該廢棄煤礦地處內(nèi)陸干旱區(qū)，位于溫帶大陸性氣候區(qū)，全年多風(fēng)，屬環(huán)境脆弱區(qū)[1]。該煤礦采用井采方式，自開采以來，長期存在亂采亂挖、渣堆無序堆放的現(xiàn)象，加之早期礦山企業(yè)開采技術(shù)落后，開采條件簡陋，開采手段粗放，挖損和壓占周邊的草地資源，與周邊原始地形地貌景觀形成較大反差，導(dǎo)致水土流失，嚴(yán)重破壞土地資源、地形地貌景觀及生態(tài)環(huán)境等，生態(tài)環(huán)境問題突出。該廢棄煤礦位于甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)外圍，礦區(qū)周圍地質(zhì)環(huán)境和自然景觀遭到破壞，生態(tài)環(huán)境惡化。

1.1 礦業(yè)活動對土地資源的破壞

礦業(yè)活動主要以挖損、壓占的形式對土地資源造成破壞[2]。其中，礦洞有34處，渣堆有18處，挖損面積為0.04 hm2，壓占面積為2.88 hm2，破壞土地總面積為2.92 hm2，渣堆總體積為54 965 m3，對土地資源的破壞較為嚴(yán)重。

1.1.1 挖損破壞

礦業(yè)活動對土地資源的挖損破壞主要表現(xiàn)在礦洞開挖，導(dǎo)致地表草皮和上部土層剝離，部分坑壁已坍塌。區(qū)內(nèi)開挖形成34處礦洞，礦洞平均長度為3.4～6.6 m，平均寬度為1.8～3.0 m，深度一般為4.1～6.3 m，單個礦洞開挖面積為6.12～19.80 m2，礦洞挖損破壞總面積為400.5 m2。

1.1.2 壓占破壞

礦區(qū)內(nèi)大量的渣堆順坡或沿坡腳一帶無序堆放，共計18處，破壞土地資源總面積為28 805 m2，渣堆總體積為54 965 m3。大量渣堆對原生草地造成破壞，壓占的廢渣成分由圍巖碎塊、粉煤灰和砂巖碎屑等組成，多為灰黑色，密實度為松散-稍密。各渣堆組成物質(zhì)中，粒徑2～200 mm的細(xì)顆粒物質(zhì)含量較多，占比超過55%，粒徑大于200 mm的含量較少，最大粒徑為0.4 m。

1.2 礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響

礦業(yè)活動以礦洞挖損和渣堆壓占等方式破壞地形地貌景觀。該廢棄煤礦地處低山丘陵區(qū)，采礦活動改變原始山體的地形地貌景觀，嚴(yán)重影響公路兩側(cè)可視范圍內(nèi)地形地貌景觀的原始性、連續(xù)性、完整性和觀賞性[2]。

1.2.1 觀賞性

礦區(qū)內(nèi)礦洞漫山遍野，洞口坍塌，廢渣隨意堆放在洞口坡面，渣堆起伏，雜亂無章，顏色呈黑色，造成礦區(qū)地形地貌與周邊原始地貌有較大差異，礦山自然景觀整體觀賞性較差，對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響嚴(yán)重。

1.2.2 連續(xù)性

礦區(qū)位于公路兩側(cè)，坡面較緩，坡度為25°～40°，連續(xù)性較好。受采礦活動的影響，無序開采形成的渣堆和礦洞改變原有的地形條件與地貌特征，使礦區(qū)山體連續(xù)性遭到破壞，對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響嚴(yán)重。

1.2.3 完整性

采礦活動破壞地形地貌景觀的區(qū)域面積為2.92 hm2。其中，挖損坡體及草地形成大小不同的34處礦洞，挖損面積約為0.04 hm2；礦區(qū)18處渣堆無序堆放于采坑周邊坡體，渣堆厚度為0.7～2.2 m，渣堆壓占總面積約為2.88 hm2，渣堆大小不一，高低起伏。礦洞、渣堆對山體和草地的完整性和原始性造成破壞。

1.2.4 原始性

礦區(qū)原始地形地貌景觀為低山區(qū)，原始山體整體完整，坡面形成多條沖溝，植被生長較好。受采礦活動的影響，礦洞和廢渣的隨意分布破壞礦區(qū)的地形地貌景觀的原始性，對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大，對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響嚴(yán)重。

1.3 水土污染評價

煤矸石是采煤過程排放的固體廢物，是成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。礦渣堆放在礦區(qū)周邊，經(jīng)試驗分析，礦區(qū)廢渣pH保持在5.95～6.92，易溶鹽總含量介于7 879～17 960，其中SO42-含量較高，廢渣具有弱腐蝕性。在雨淋的情況下，渣堆會產(chǎn)生部分污水，但不會造成大面積的水土污染。經(jīng)分析，礦區(qū)出露礦石及礦渣含有的CaSO4微溶于水，在常溫下不會分解而產(chǎn)生SO2。該礦已停產(chǎn)多年，經(jīng)多年自然沉降及雨淋，渣堆坡體已趨于穩(wěn)定，周邊植被生長狀況良好，未見大量的水土流失和大面積的水土污染，故判定礦區(qū)水土污染對礦山環(huán)境的影響較小。

2 廢棄礦山生態(tài)治理方案

礦區(qū)氣候和地質(zhì)環(huán)境條件惡劣，生態(tài)治理存在技術(shù)難度大、修復(fù)成本高、修復(fù)時間長和修復(fù)效果差等問題，需要解決儲水、保水和保溫等關(guān)鍵技術(shù)難題[2-3]。一是干旱缺水，生態(tài)修復(fù)所需水難解決。礦區(qū)位于河西走廊中部，氣候干旱，年降水量僅為140～350 mm，蒸發(fā)量大，因此生態(tài)修復(fù)嚴(yán)重依賴人工澆灌來提供水源。礦區(qū)土壤為含礫石粉質(zhì)砂土，滲透性強，持水能力低，難以將灌溉水長時間地存儲在植被幼苗根系主要分布的淺表地層。區(qū)域空氣干燥、多風(fēng)，導(dǎo)致地層蒸發(fā)量大。干旱缺水大幅增加礦山生態(tài)修復(fù)的技術(shù)難度。二是冬季寒冷，修復(fù)初期植被幼苗易發(fā)生凍害。礦區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，每年12月至次年2月為凍期，礦山生態(tài)修復(fù)時，第一年植被還處于幼苗期，植被根系處在凍土層，易發(fā)生凍害，導(dǎo)致2年以上的中長期礦山生態(tài)修復(fù)效果差，修復(fù)時間大幅增加。

為解決廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的技術(shù)難題，提出一種適用于寒旱區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的技術(shù)，即開發(fā)一種集高儲水、防蒸發(fā)、保溫隔熱和促進植被生長等特性于一體的功能性復(fù)層式植生基材。根據(jù)不同的功能，該基材分為3層，即儲水層、植生層和保溫防蒸發(fā)層，如圖1所示。該技術(shù)可以提高寒旱區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)效果，降低修復(fù)成本，尤其是后期植被養(yǎng)護的用水成本，縮短生態(tài)修復(fù)時間。結(jié)合技術(shù)路線，開展功能性復(fù)層式植生基材性能測試。

2.1 儲水層性能

礦區(qū)采用現(xiàn)場天然土、水泥、粉煤灰、高分子保水劑和玉米秸稈等作為原料，配制不同比例的儲水層基材。綜合考慮儲水性能和經(jīng)濟性，選出最佳配比，作為儲水層基材的配制方案。

2.1.1 吸水性能

浸水初期，不同配比的試樣吸水速率都很快，吸水速率減慢的時間拐點均在8～10 h。高分子保水劑含量對儲水層吸水性能影響最大，玉米秸稈次之，但影響顯著，粉煤灰影響甚小。

2.1.2 脫水性能

脫水初期，不同配比的試樣脫水速率差別很大，整體來看，高分子保水劑和玉米秸稈的含量會顯著降低試樣的脫水速度，能大幅提高試樣的保水性能。綜合考慮經(jīng)濟性，選用天然土含量為84%、水泥含量為4%、高分子保水劑含量為2%和玉米秸稈含量為10%的配比作為儲水層基材的配制方案。與高分子保水劑含量為5%的方案相比，該方案綜合成本減少50%，吸水率達(dá)到85%左右。同時，相比現(xiàn)場天然土，該方案儲水層基材保水性明顯提升。

2.2 植生層性能

植生層只需要提供種子和必要的有機肥，現(xiàn)場天然土、玉米秸稈與有機肥的配比為86∶10∶4。此外，在配制好的植生層基材中拌入植物種子，植物種子拌入量為500 g/m3，沙拐棗、白刺和豬毛菜的配比為40∶40∶20。

2.3 保溫防蒸發(fā)層性能

保溫防蒸發(fā)層的主要目的為阻止毛細(xì)作用、阻隔地表風(fēng)進入土層、減少蒸發(fā)和保溫防凍等，因此保溫防蒸發(fā)層設(shè)計為礫石層和保溫層兩層。

2.3.1 蒸發(fā)性能

礫石層中，隨著粒徑增大，毛細(xì)水上升高度降低，可以有效防止水分蒸發(fā)。但是，由于砂粒間空隙的增加，風(fēng)蝕作用會加快水分蒸發(fā)速度。

2.3.2 保溫性能

秸稈含量為5%時，保溫基材的導(dǎo)熱系數(shù)為0.051 8 W/（m·K），而當(dāng)?shù)胤弁粒S土）的天然導(dǎo)熱系數(shù)為1.02～1.16 W/（m·K）。干密度條件下，粉土（黃土）的導(dǎo)熱系數(shù)是秸稈含量為5%的保溫基材的19.7～22.4倍。由此可見，秸稈含量為5%的保溫基材保溫效果顯著。

2.3.3 秸稈含量、礫石層厚度對保溫防蒸發(fā)層蒸發(fā)性能的影響

秸稈含量對保溫防蒸發(fā)層的蒸發(fā)性能影響不大，在相同厚度的礫石層中，隨著秸稈含量的增加，蒸發(fā)量減少，秸稈含量為5%與含量為10%的蒸發(fā)量差別不大。礫石層厚度對保溫防蒸發(fā)層的蒸發(fā)性能影響也不大，在秸稈含量相同、礫石層厚度不同的條件下，隨著礫石層厚度的增加，保溫防蒸發(fā)層的蒸發(fā)量基本一致。在實際施工中，施工誤差和松散土粒進入礫石層會造成非毛細(xì)高度的減少，礫石層厚度采用偏保守的4 cm。

3 結(jié)論

河西走廊屬寒旱區(qū)，干旱缺水和冬季寒冷增加礦區(qū)生態(tài)治理難度。因此，做好儲水、保水和保溫是區(qū)域生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。研究表明，采用高儲水、防蒸發(fā)、保溫隔熱和促進植被生長等特性于一體的技術(shù)進行廢棄礦山生態(tài)治理，可以降低生態(tài)修復(fù)成本，尤其是后期植被養(yǎng)護的用水成本，縮短生態(tài)修復(fù)時間。

參考文獻

1 劉艷紅.從恢復(fù)生態(tài)學(xué)角度探討西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)[J].甘肅科技，2000（5）：6.

2 彭蘇萍，畢銀麗.錢鳴高院士指導(dǎo)西部干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2023（5）：857-860.

3 朱迪生.我國礦山環(huán)境恢復(fù)治理存在的主要問題及對策[J].中國資源綜合利用，2019（2）：157-159.

基金項目：甘肅省自然資源廳科技創(chuàng)新項目“甘肅金昌干旱區(qū)廢棄煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研發(fā)與示范項目”（202233）。

作者簡介：何金牛（1985—），男，甘肅禮縣人，工程師。研究方向：水工環(huán)地質(zhì)與管理。