礦區土地復墾與生態環境恢復綜述

黃丹勇

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

礦區土地復墾與生態環境恢復綜述

黃丹勇

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

礦區土地復墾與生態恢復已成為礦業可持續發展的重要問題,綜合我國有色金屬礦、鐵礦和煤礦土地復墾和生態恢復研究進展和實踐,提出礦山環境治理的對策。

環境工程;土地復墾;綜述;礦區;生態恢復

礦產資源是經濟、社會發展的重要物質基礎,但在礦產資源的大量開發過程中,不可避免地要破壞自然環境,造成大氣、水體、土壤污染。礦山開采帶來的最直接的環境問題是礦區生態破壞。我國是一個礦產大國,礦山開采造成的生態破壞和環境污染點多、量大、面廣。隨著人口的增長和經濟快速發展,人均資源占有量快速下降,資源短缺、生態環境惡化,資源保護和經濟建設之間的矛盾日益突出,資源與環境問題也將更加顯著,已經成為制約我國社會、經濟可持續發展的重要因素。隨著經濟的發展,預計今后每年僅國有煤礦開采破壞的土地就會以每年幾萬公頃的速度增加,其中露天采場、排土場和尾礦場占地量占其面積的70%左右,由于缺乏必要的復墾措施,加劇了當地水土流失程度,使礦區生態系統遭到破壞,地表水體污染嚴重,同時使部分區域地下水位下降,造成水源枯竭或河水斷流,誘發地震。礦山開采不僅造成山體崩塌、地面沉陷,地形、地貌發生巨大改變,同時大量的廢石、尾礦等固體廢棄物數量越積越多,不僅占用大量土地,還成為嚴重的污染源。加強恢復利用礦山開采破壞土地,搞好礦山生態建設已成為礦業可持續發展的重要問題。

1 礦區開采對生態環境破壞的特征

1.1 有色金屬開采對生態環境的破壞

有色金屬礦由于品位低、提取工藝復雜,固體廢棄物產量大,破壞和壓占了大量土地。同時,我國2/3礦山處于中后期開采,隨著開采深度增加,金屬品位下降,廢棄物產生量更大。多年來重開發、輕治理,歷史“欠帳”積深,面臨的土地復墾與生態恢復問題十分嚴重。有色礦山土地復墾涉及到尾礦庫、排土場、廢石堆、露采場、污染土地、塌陷地等。尾礦庫是現今選礦工業中用于廢水、廢渣處理最常見形式,是重要的礦山生產設施。含有金屬硫化物和混合硫酸鹽的尾礦,在許多礦區引起了地表水和地下水的嚴重污染,尾砂干灘飛揚的粉塵也引起了嚴重的空氣污染。據有關部門調查,危庫、險庫在30%以上。尾礦庫壩坡的穩定已經成為礦山安全的重要課題,暴雨季節受到尾礦水土流失和泥石流的威脅,垮壩事故時常發生,造成人民生命和財產的巨大損失。我國有色金屬以硫化物賦存于礦物中的比例很大,露天堆置條件下,這類礦山廢棄物中殘存含量相當高的硫化物,容易被空氣氧化,遇降雨形成強烈的酸性水,并挾帶大量的重金屬離子。我國不少礦山多年來為這一污染問題所困擾,酸性污染十分嚴重。有的廢石堆、尾礦庫數十年仍呈強烈酸性,地表寸草不生,建立植被困難,有的甚至污染并影響到礦區周圍的地表水、地下水以及土壤,造成了惡劣的環境影響,嚴重制約了礦區社會經濟的可持續發展。赤泥是氧化鋁工業的廢棄物,每生產1 t氧化鋁就需要排出0.9～1.3 t赤泥。赤泥污染問題突出,成為繼礦山尾礦、電廠粉煤灰后的又一大社會公害。赤泥中含有高濃度堿及鹽類,從而污染水體和農田,嚴重破壞了耕地動態平衡礦區生態環境,影響了人民的身心健康。

1.2 煤礦開采對生態環境的破壞

煤炭資源的大規模開采,一方面滿足了我國經濟建設的需要,另一方面也帶來了一系列生態環境問題,其中土地破壞是最為明顯的生態破壞。據不完全統計,平均每開采萬噸煤地表塌陷0.2 hm2,露天礦每開采萬噸煤要挖損土地約0.1 hm2,外排土場壓占土地為挖損土地量的1.5～2.0倍,露天礦正常生產時每采萬噸煤,排土場平均壓占0.16 hm2土地。據此推算我國煤炭地下開采歷年塌陷土地總量在66萬hm2,露天開采挖損與壓占土地總量在4.5萬hm2左右。由于開采地表塌陷造成我國東部平原礦區土地大面積積水、受淹和鹽堿化,不僅使區內耕地面積急劇減少,而且還加劇了人口與土地、煤炭與農業的矛盾。西部礦區的地面塌陷加速了水土流失和土地荒漠化。同時采煤引起的地表塌陷還誘發大量山體滑坡、崩塌和泥石流等自然災害,嚴重破壞礦區的土地資源和生態環境。礦區的地表塌陷同時對地面的建筑物、道路、鐵路、橋梁和輸電線造成不同程度的破壞,特別是在村莊稠密的平原地區,土地塌陷使村莊破壞引起人口遷移,一般生產1 000萬t煤炭需遷移約2 000人。采煤排放大量煤矸石,矸石排出量為原煤的15%～20%。據有關統計資料,全國工業固體廢棄物最多的為煤矸石,全國歷年累計工業固體廢棄物約60億噸,其中煤矸石約12億t,每年全國工業的固體廢棄物排放約5～6億t,其中煤矸石有1億多t,現有800多座矸石山占地約6 000 hm2,造成矸石山大量占地的局面。在干旱地區或旱季,矸石堆排放大量粉塵,在雨季,由于矸石風化產生的酸性物質被雨水淋溶,造成水體和周圍土壤的酸污染和重金屬污染,矸石山自燃問題也很嚴重。矸石雖可發電,用作建筑材料、化工原料,但限于經濟技術等原因,綜合利用程度不高,目前利用率還不到15%,采煤大省山西省利用的矸石僅占排出量的3%～5%。目前把矸石用作塌陷區復墾的充填物料,僅在淮北、徐州、唐山等礦區實現,且充填后主要用作建設用地,歷史遺留下來的矸石堆仍占用大量土地。

1.3 鐵礦開采對生態環境的破壞

我國鋼鐵工業的迅速發展帶動了鐵礦業的發展,但我國鐵礦資源總體上屬于貧鐵礦,平均含鐵量32.1%。據資料分析,我國探明的鐵礦總含量中,貧鐵礦占94.05%,富鐵礦5.95%。因此,鐵山礦具有采掘量大、排棄量大等特點,剝采比一般都在2.0以上。每生產1 t成品,平均需要采剝約8 t左右的礦巖,排棄7 t左右的廢石、尾礦和5 t左右的廢水。隨著機械化開采程度的提高,易采資源的枯竭,促使露天開采的剝采比日趨增大,廢石排棄量越來越大。我國鐵礦排土場一般占地約占鐵礦總占地面積的18%,有些礦山則高達40%～50%。我國鐵礦尾礦占地平均占鐵礦總占地11%左右,而有些鐵礦則超過20%。隨著鐵礦資源的貧化,礦石越來越貧雜難選,選礦比越來越高,生產1 t精礦粉需要排棄的尾礦越來越多,采場、廢石、尾礦、廢水等占地越來越多,對環境的污染越來越大。據國外資料統計,每開采1萬t金屬礦石大約破壞333.3 m2的土地。由此可見,目前我國開采鐵礦石對土地的破壞量遠遠高于國外水平。

2 礦區開采土地復墾及生態環境恢復技術方法

礦區開采分為露天采礦和地下采礦兩種。其土地生態重建包括露天礦井和井下礦井的生態重建。

2.1 露天礦生態重建技術

2.1.1 生產過程中的優化控制和土地復墾

排土場的選位原則:(1)靠近采區,滿足近距離排棄的要求;(2)遵循內外排土場相結合的原則;(3)在滿足外排總量和邊坡穩定的前提條件下,選擇低洼地形高排,盡量減少占地面積的原則。

排土場的施工時序:其中排棄時序應符合水土保持“先攔后排”的要求,即先實施攔擋工程,后排棄剝離物。即在外排土場外圍先修筑擋土圍埂,然后在圍埂內棄土,以減輕排土對周邊的擾動。

施工工藝:排土場的排土方式盡可能采用內排土與復墾工藝相結合的內排土采礦工藝,減少排土場外排土,少占用土地。原則上只在基建期內剝離物全部排往排土場,投產后逐步轉入內排。實行分區開采,將下一采區的表土,排至前采區的外部排土場的表層,進行土地復墾。

堆放方式:要合理選擇排土場和尾礦場的堆放方式,對排土場進行削坡處理,確定其穩定的坡比,提高排土場高度,以減少占地面積。

2.1.2 廢棄或臨近閉坑露天礦山崗的土地復墾技術

廢棄或臨近閉坑露天礦山崗的土地復墾主要包括露天采場和排土場的復墾技術。

采場的土地復墾技術:露天礦剝離物實行土、巖分排,表土單獨堆放。露天采場的復墾主要指采區內排土完成服務年限后,在巖土排棄物上覆50～100 cm的表土,形成可供農業或林業生產的用地,恢復植被。

排土場的土地復墾技術:排土場復墾主要包括排棄物料的分采分堆和土場的整治。分采分堆是根據土壤和圍巖的物理化學性質,實現排棄物料的合理立體分布,形成符合農業或林業的土層。排土場整治主要指排土場的后期土地整平、削坡措施等。

生態農業技術:根據生態學、生態經濟學原理,應用工程技術和生態工程技術,通過合理配置植物、動物、微生物等,進行立體種植、養殖和加工。

生物復墾技術:生物復墾包括土壤培肥、植被重建,其核心是迅速建成人工植被群落,即在建好的生態環境上建立人工植被,形成人工群落,關鍵技術在于解決土壤熟化和培肥問題,加速復墾地“生土”熟化過程。

微生物復墾技術:利用微生物活化劑或微生物與有機物的混合劑,對復墾后的貧瘠土地進行熟化和改良,恢復土壤肥力和活性。

2.2 采煤塌陷復墾技術

采煤塌陷區的土地復墾主要包括疏干法、挖深墊淺法、充填復墾法、生態工程復墾法。

2.2.1 疏干法

疏干法是指開挖大量排水渠,使塌陷區的積水排干,再加以必要的整修工程,使塌陷區不再積水,并得以恢復利用。

2.2.2 挖深墊淺法

挖深墊淺法是用挖掘機械將塌陷深的區域再挖深,形成水塘,取出的土方充填塌陷坑淺的區域,形成耕地,達到水產養殖和農業種植并舉的目的。

2.2.3 充填復墾法

充填復墾法是將土地復墾技術與生態工程技術結合起來,綜合利用生物學、生態經濟學、環境科學、農業技術以及系統工程學等理論,運用生態系統的物種共生和物質循環再生原理,對破壞土地所設計的多層次利用的工藝技術。

2.2.4 生態工程復墾法

生態工程復墾法是在工程復墾的基礎上,采取植物措施,以改善土壤的理化性質,達到改良土壤、恢復地力的作用。待地力恢復后,視具體情況,恢復其原有的用地方式。

3 礦區土地復墾與生態環境恢復研究進展和實踐

3.1 尾礦庫農業種植與生態恢復

1993～1997年原中國有色金屬工業總公司和澳大利亞政府合作進行了長達4年的礦區生態復墾技術合作項目。合作項目取得了豐碩的成果,獲得了國家科技進步二等獎和國家環保總局最佳實用推廣技術。合作項目建立了銅陵有色公司五公里尾礦庫無土植被示范場,提出了“兼綠地與建筑用地為一體”的復墾模式。無土復墾技術大大節省了土源和費用,使用了對豆科植物根瘤菌接種技術,直接在尾沙上種植各種具有觀賞價值的樹木、草坪草和豆科植物,控制了尾沙對環境的污染,恢復了生態環境。銅陵獅子山礦水木沖尾礦庫邊坡無土植被穩定技術研究,經過小型試驗、擴大試驗,已經成功地應用在后期壩的護坡上。在控制壩坡水土流失,特別是控制尾礦庫邊坡在汛期險情上,取得良好的效果。同時在抑制尾沙污染發揮了作用,大量節省了土源和工程費,減少了耕地的破壞,經濟、社會、環境效益顯著。無土植被護坡工程比覆土節約50%以上的資金投入。田間試驗和示范工程結果表明,用少量黃土與尾砂混合覆蓋,改良了尾沙結構,提高了田間持水能力,縮短了土壤熟化時間,復墾投入少、作物產量高,是一種經濟有效的復墾方法。

3.2 露天煤礦土地復墾與生態重建

平朔露天礦區地處黃土高原東部、山西省北部的朔州市平魯區境內,溝壑縱橫、植被稀疏,對環境改變反應敏感,維持自身穩定的可塑性較小。平朔露天礦區是20世紀末我國最大的露天煤炭生產基地。大規模的露天煤炭開采,使原脆弱生態系統完全破壞。其土地復墾與生態環境重建的復雜性和艱難程度很大。山西省生物研究所、山西農業大學、山西省農業科學院畜牧研究所、山西省環境保護研究所、中國科學院地理研究所和安太堡露天煤礦合作,對平朔露天煤礦的土地復墾問題進行了十余年的研究,認為平朔露天礦區采煤廢棄地的復墾重點是重建生態系統。平朔露天礦區采煤廢棄地復墾與生態環境重建的技術框架包括土地重塑、土壤重構和植被重建。持久的植被重建模式是“草、灌、喬同時并舉,合理配置”。控制水土流失有效的植被覆蓋度應大于85%。實施“采掘、排棄、造地、復墾”一體化,減少巖土污染、重塑地形坡度、地表物質組成,使重塑的土地、重構的土壤符合水土保持、環境保護和土地復墾的要求,給后續的植被重建打好基礎。平朔露天礦區采煤廢棄地生態環境重建的效益可分為三個階段,第一階段為零效益或負效益為主的生態系統破損階段。這階段采礦可獲得效益,但對土地、環境、生態是破壞。這階段只能要求減少破壞、清潔生產。第二階段以生態效益為主的生態系統雛形建立階段。包括排土場的建設及水土保持、地面整理、土壤熟化、樹草種植等。此階段需大量投資,建成可利用的土地,主要是投資,而不是獲得效益。第三階段為生態效益、經濟效益和社會效益高度統一的生態系統動態平衡階段。此階段土地已建成,樹草已生長,農田已可種植農作物,此時才可真正獲得穩定的效益。

4 礦區土地復墾與生態重建研究展望與對策

土地復墾是關系到國土整治、環境治理、造福后代的系統工程。國內外的研究實踐證明。土地復墾與植被恢復是解決礦山環境保護和綜合治理的最有效途徑。綜合目前該領域的研究現狀和存在的問題,礦區土地復墾與生態重建研究的重點有三個方面:

1.土地復墾與生態重建的基礎理論問題,包括礦區土地質量變化規律研究,礦區生態退化機理與修復等。

2.礦區土地復墾與生態重建實用技術,包括采礦控制土地與環境破壞的技術、土壤重構技術、景觀重塑技術、植被恢復技術、固體廢棄物資源化與無害化技術。

3.礦區域土地與生態環境管理的綜合研究。從復墾的形式分,礦山的工程復墾技術分為充填和非充填復墾兩種形式。結合復墾土地的利用方向和土地破壞的形式、程度,常用的工程復墾技術有:就地整平復墾、梯田式整平復墾、挖深墊淺式復墾和充填法復墾技術等。

我國目前的礦山生態環境問題是歷史和當今礦業活動的綜合產物,是過去環境意識不強和目前管理不嚴的雙重影響結果。根據我國礦山生態環境的基本現狀,目前的礦山生態環境恢復治理工作主要分為三類。一是廢棄礦山,二是即將關閉的礦山,三是新上礦山。要從根本上遏制礦山生態環境進一步惡化的趨勢,對這三種類型礦山的生態環境問題應區別對待,采取不同的措施。一方面需要國家加大投資力度,恢復治理歷史遺留下來的老問題,另一方面需要加強礦山生態環境管理和執法監督,從源頭斷絕礦山生態環境問題滋生的根源,避免出現邊治理邊破壞、治理趕不上破壞的局面。

[1] 張梁.我國礦山生態環境恢復治理現狀和對策[J].中國地質礦產經濟,2002,(2):26-29.

[2] 卞正富,周連碧,崔龍鵬.我國煤礦區土地復墾與生態重建研究進展[A].卞正富,周連碧,崔龍鵬,等.土地整理與農村發展論文集[C].北京:中國土地整理與復墾分會,2004.47-50.

[3] 胡少偉,周躍.鐵礦山土地復墾研究初探[J].礦山安全與環保,2004,31(1):34-37.

Investigation and Practice on Mining Land Rehabilitation

HUANG Dan-yong
(Hunan L abour Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

The mining land rehabilitation and ecological reconstruction isone of major problemsfor mining industry sustainable development.The research development and practice achievements on mining land rehabilitation and ecological reconstruction in nonferrous mine,iron mine and coal mine in China are reviewed and some counter-measures for improving mine environment are proposed.

environmental engineering;land rehabilitation;review;mining area;ecological reconstruction

X53

A

1003-5540(2011)06-0045-04

黃丹勇(1981-),男,助理工程師,主要從事環境工程、土地復墾、水土保持工作。

2011-11-10