露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術體系研究

楊 卓

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天煤礦具有生產安全、資源回收率高、高產高效等優點，近年來得到快速發展，但是其在生態環境保護方面仍然存在一些制約因素，比如露天開采對地層結構的顛覆以及對生物群落的破壞[1]，開采形成的排土場巖土混排等，均不利于礦山生態修復。露天開采前期及時對表土進行留存，在形成排土場以后，需要進行生態修復的排土場臺階與邊坡面積也遠大于原開采區的地表面積，前期留存的表土數量不足以滿足需要，表土層貧瘠的區域表土缺失量更為巨大[2]。近年來有較多學者對露天煤礦表土替代材料進行研究[3-8]，以期解決礦山土壤缺乏的問題，研究主要集中于土層篩選及改良后表土替代材料的植被適應性，但未建立完整的表土替代材料控制體系。我國學者胡振琪等[9]對露天礦上覆巖土層中可用剝離物進行了篩選，證明了亞黏土適宜作為表土替代材料的基質，但是國內對于巖石剝離物的適用情況研究較少。國內對于露天礦生態修復改良劑研究較多，但是針對于改良后的評價體系研究較少。基于以上研究成果，總結礦山生態修復及表土替代材料制備相關經驗，構建基于露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術體系，以期為解決礦山生態修復過程中表土匱乏的問題提供指導。

1 表土替代材料制備技術體系

基于露天煤礦剝離物制備表土替代材料是解決國內露天礦山復墾用土的新手段，礦山剝離物既是廢棄物也是資源，尤其是長時間風化后的巖石可以作為土壤母質，為表土替代材料提供物質基礎和植物所需礦物養分的最初來源，因此應當引入完善表土替代材料的構建體系及評價體系。露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術體系見表1。

表1 露天煤礦剝離物制備表土替代材料技術體系

1）對礦山剝離物進行篩選。篩選的內容應包括剝離物儲量指標（地層結構及儲量），剝離物可塑性指標（堅固系數）、剝離物基本性質（剝離物機械組成、剝離物成分、養分特征）以及剝離物污染強度指標（重金屬及毒性）。其中剝離物儲量指標、可塑性指標、污染物強度指標為篩選基礎，剝離物儲量較小制作出表土替代材料也沒有推廣價值，剝離物可塑性較差難以重構粒徑范圍，剝離物重金屬及毒性含量過高易造成二次污染。剝離物基本性質為輔助指標，主要判定哪種剝離物更適宜作為表土替代材料，從而篩選出可利用的剝離物。

2）對于篩選出的剝離物應進行性狀控制。針對第1 階段篩選出的剝離物進行混合試驗，篩選不同剝離物合適的粒徑范圍，通過施加不同質量占比的剝離物控制表土替代材料性狀。表土替代材料以剝離物為基質，通過施加改良劑調節表土替代材料保水性、透水性、養分等特征，得到適宜的表土替代材料配方。

3）對表土替代材料水分特征、養分特征以及經濟性進行分析，評價表土替代材料適宜性，如果不適宜重復上述過程。

2 表土替代材料制備環節

2.1 礦山剝離物篩選

通過地質勘探建立礦山地質模型，確定礦山各地層結構的剝離物種類。一般表土替代材料需要剝離物具有一定的可塑性，可以將表土替代材料粒徑控制在需要的范圍內，因此在篩選過程中應控制剝離物為不堅固巖石（堅固性系數f<3），選取的剝離物一般包括心土、底板土以及軟巖。隨后計算各種剝離物含量，將剝離物含量由大到小進行排序，優先選用剝離物儲量豐富的作為表土替代材料基質。然后測定各種剝離物的基本性質，主要包括有機質、組成成分、機械組成、養分特征、重金屬含量和毒性含量，在測定過程中對不同剝離物的物理性質、化學性質和毒性進一步明確，篩選出不適宜的剝離物，例如粉粒含量較高的剝離物透水性和孔隙度不良，毒性或重金屬含量較高的剝離物制作的表土替代材料容易產生二次污染（應符合GB 15618—2018 土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準的要求）。

2.2 表土替代材料性狀控制及改良

結合前階段篩選出的礦山剝離物進行表土替代材料性狀控制，為后期經濟性及產業化考慮，表土替代材料性狀控制應以剝離物自身性狀為主，改良劑進行輔助。由于剝離物均為生土及軟巖，在用于制備表土替代材料前需進行破碎，剝離物粒徑應根據其特性進行控制，例如心土及底板土控制粒徑在10 mm 以下為宜，軟巖應控制粒徑在5 mm 以下為宜。若破碎后粉粒占比過高應對小粒徑范圍內的剝離物進行篩分剔除。首先進行單一種類剝離物的性狀改良，對篩選出的各層剝離物單獨進行改良，尋找是否有通過施加改良劑便可以利用的剝離物，隨后依據剝離物的土、巖、沙等形態進行混合，尋找適宜的剝離物組合形式和添加量。

目前土壤改良的方式較多，表土替代材料改良劑選取應充分考慮以下幾個問題：①能否綜合利用廢棄物：結合礦區周圍區域特點，綜合利用礦區附近的廢棄物，如酒糟、廢菌包、生物糞便及活性污泥等等，或者利用礦區廢棄物和廢棄物經過加工后的改良劑，如煤矸石、風化煤、煤粉及利用風化煤制作的腐殖酸；②考慮經濟性：表土替代材料改良劑主要是輔助生態恢復的，改良劑添加量并非越多越好，成分并非越多越好，應篩選出最合適的改良劑添加量及成分，并合理控制運距，選擇成本更低的改良劑；③表土替代材料改良劑添加目的要明確：改良劑添加目的應定向解決表土替代材料存在的問題，如保水性差、孔隙度過低、替代材料肥力不足等等問題。

2.3 表土替代材料水分特征評價體系

表土替代材料水分特征是表土替代材料的重要的指示因子，在干旱半干旱地區表土替代涵養水分的能力直接決定表土替代材料是否適宜，通過測定表土替代材料田間持水量以及凋萎系數可以初步判定表土替代材料的持水能力，同時這2 項指標也是判定表土替代材料與當地表土間差異的決定性指標，如果持水能力遠弱于當地表土，表土替代材料便不易應用于露天礦復墾。

表土替代材料水分變化規律及流失效率可以動態監測，其基質勢與含水量變化的特征可以反映出土壤持水能力和水分運移規律，通過對照成熟的土壤水分特征曲線模型，判定表土替代材料含水量與基質勢之間的關系，確定表土替代材料水分特征是否符合要求。參考的評價模型為Kosugi 在1999 年得出的土壤水分特征曲線模型。

式中：θ 為含水量；θs為飽和土壤含水量；θr為殘余含水量；h 為基質勢；hm為孔隙毛細管壓力分布函數的峰值；δ 為孔隙毛管壓力分布函數的標準差，與孔隙半徑分布的寬度有關；erfc 為互補誤差函數。

2.4 表土替代材料養分評價體系

養分豐度評價體系的建立結合第二次全國土壤普查制定的土壤養分分級表，劃分養分豐度等級，通過模糊綜合評價法[10]進行綜合評判。

模糊綜合評價的單級評判模型步驟如下：

1）首先建立評判對象的因素集U={u1，u2，…，um}，主要包含m 個評價指標um，評價指標應從全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀、有機質及其他微量元素中選取，不少于7 項；n 個待評價事物，評價事物主要為不同種類的表土替代材料。

2）建立評判集V={v1，v2，…，va}，參照第二次全國土壤普查制定的土壤養分分級表將表土替代材料各指標的評價等級分為{很高，高，中，低}4 個等級，分別進行賦值{4，3，2，1}。

3）確定權重W={w1，w2，…，wn}，采用熵權法[11]確定各指標的權重。

4）建立單因素模糊綜合判斷矩陣，首先求得歸一化指標關于等級的隸屬度，從而得到單因素評判矩陣Ri={ri1，ri2，…，rin}。

5）進行綜合評判。根據評價矩陣R 和因素權重向量W 后，通過模糊變化將U 上的模糊向量A 變為V 上的模糊向量B 矩陣，模糊綜合評判為B=W·R。

綜合評判后，B 可看作是V 上的模糊向量，即為B={b1，b2，…，bm}，B 是對每個評判對象綜合狀況的分等級描述，它不能直接用于被評對象間的排序，需要對評判等級進行賦值，得出相當于各評判等級規定的參數列向量S=（s1，s2，…，sm）T，二者相乘得出等級參數的評判結果p，其可將各個指標綜合效應量化。通過計算結果p 的大小判定表土替代材料養分豐缺程度。通過試驗對各表土替代材料養分變化進行動態監測，觀測養分流失速率，對表土替代材料養分進行綜合評判。

2.5 表土替代材料經濟性分析及可行性分析

表土替代材料制備固定成本主要包括破碎設備、篩分設備、攪拌設備等投入，相關設備技術成熟，成本較為穩定。

表土替代材料制備變動成本主要包括剝離物破碎及篩分成本、改良劑添加成本、表土替代材料倒運成本。剝離物破碎需要根據要求破碎到10 mm 以下的粒徑范圍內，破碎設備成本較為固定，破碎到相應粒徑范圍的破碎設備相對成熟；對破碎后的剝離物進行篩分，得到適宜粒徑的剝離物，該階段技術難度并不大，應尋找最適宜的技術降低該部分成本，但由于表土替代材料需求粒徑較小，需保證過篩時剝離物的濕度不能過高，防止影響過篩效率。

改良劑添加主要考慮的主要因素包括：①改良劑的選取：基于礦山剝離物制備表土替代材料的特點，選用的改良劑不宜占比過高，應以剝離物為基質，一方面減少成本，另一方面可以綜合利用剝離物，改良劑應以成本較低的廢棄物為主，結合區域特點，以綠肥、糞肥等為優先考慮對象；②改良劑的來源：改良劑成本主要包含自身成本及運距，一般選用農業廢棄物作為改良劑，改良劑成本較低，主要成本來源于運輸成本，合理控制改良劑的來源是降低成本的重要因素。

影響變動成本的重要因素之一是表土替代材料倒運，由于破碎、篩分、攪拌等環節需要進行銜接，表土替代材料的倒運成本隨著產量逐漸增加。研發一體化表土替代材料生產設備是減少表土替代材料倒運成本的重要環節，通過構建一體化設備，減少固定成本投入和變動成本投入，一舉多得。

3 結語

通過對表土替代材料制備技術體系進行梳理，從礦山剝離物篩選、表土替代材料性狀控制及改良、表土替代材料評價體系3 個方面共12 項內容提出約束，在礦山剝離物篩選方面，主要考慮了剝離物儲量，剝離物可塑性、剝離物基本性質以及剝離物污染強度等4 各方面共6 項指標；在表土替代材料性狀控制及改良方面，選取了粒徑范圍、改良劑以及性狀等3 個方向對表土替代材料進行改良；在表土替代材料評價體系方面，選取表土替代材料水分特征、養分特征、經濟性3 個方面進行分析。

表土替代材料配置是一項復雜的工程，將礦山剝離物進行加工用于礦山生態修復影響指標較多，結合生產實際主要歸納了其中12 項可以保障礦山復墾的重要指標，以經濟合理性和產業化合理性為目標，形成可復制、可推廣的表土替代材料制造評價體系。在未來的礦山生態修復過程中應注重對礦山剝離物的篩選與分類，做到分類保存、分類處理、分類利用，充分挖掘礦山剝離物的潛力，利用其制造表土替代材料或成土母質，提升礦山復墾效率。