煤矸石充填對土地復墾化學性質與復墾技術的影響

楊彥生

(國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719300)

煤炭大約占全國一次能源總量的74%，是我國最重要的能源。我國在1989年成為了第一產煤大國，煤炭產量突破10億t，到了2010年其產量突破30億t。同時仍在以每年3.3萬～4.7萬hm的速度增加。煤炭開采造成了大量的土地破壞，同時也產生了大量的煤矸石。

1 土地填充的方法

1.1 煤矸石的填充

煤矸石作為礦區主要的環境污染物，是開采煤炭過程中產生的主要副產品。存放煤矸石會大量占用土地，還有可能對大氣和土壤在成一定程度的污染。目前煤矸石的作用主要是用來填充塌陷地，這些經過煤矸石填充后的土地可以覆土后作為農業耕地使用，也能夠直接作為建筑用地煤矸石的填充系統，如圖1所示。

圖1 煤矸石填充系統圖

1.2 粉煤灰的填充

粉煤灰目前每年在我國的產量高達數億噸，是火力發電的主要副產品。粉煤灰的存放也會浪費大量的土地，同時對周圍的環境會造成嚴重污染。現階段最常用粉煤灰處理手段就是用來填充塌陷地，這樣即可以避免環境的污染，也可以減少土地的浪費。具體的方法是將摻土70%的粉煤灰填充到塌陷地區，然后再在上面附上一層80 cm左右厚的土壤，粉煤灰的填充復墾工藝流程如圖2所示；這樣就可以作為耕地投入農業生產了，當然也可以在填充后壓實直接用作建筑用地。

圖2 粉煤灰填充復墾工藝流程

1.3 河湖淤泥填充

當塌陷地區離河流湖泊較緊時，最簡單的方法就是利用淤泥進行填充，但是這種方法有一定的限制因素，而且相比其他土壤淤泥較重，進而導致復墾地質過細，這樣的地質不適合農業生產。

1.4 垃圾填充

上面提到的煤矸石填充、粉煤灰填充以及湖河淤泥填充等方法都因為原料的特質而受到一定的限制，局限性較大。如果以垃圾作為填充原料就能夠很好的解決這些問題，垃圾的取用量大，不受地區限制，十分適用于填充塌陷地區，唯一的問題就是要對垃圾進行處理后在進行填充。

2 關于煤矸石充填復墾技術研究

在利用煤矸石進行填充前，首先要調查煤矸石是否有較為嚴重的水蝕現象，如果有塌方和溝蝕的現象，則需要進行水土保持工程。在采取水土保持措施時，還要考慮需不需要降低坡度。由于煤矸石風化殼較薄，因此并不提倡用其來平整地面，如果利用煤矸石平整地面，需要讓其風化一段時間使其形成風化殼，這樣才能便于復墾。自燃完的煤矸石也不宜平整地面，防止露出下層半燃燒的矸石。此外，在實施填充前應該對土樣及煤矸石采樣進行風化測定，同時對同土壤的理化性質進行測定，這對后面選擇種植植被有只要意義。

2.1 覆蓋方式

直接復墾

因為對煤矸石的風化度有一定要求，采取直接復墾方式其質數的成活率比植草要更高一些。對樹木進行選擇是要選擇健壯些的樹，并加以適當修剪，同時斷根蹲苗一段時間，帶土移植。這一類苗木體內蓄積了一定的養分，其根系可以在土球中快速生長，因此具有抗逆能力，更能夠適應煤矸石充填復墾的土地。另外，復墾土地上應該移栽提前挖好一段時間的樹坑，讓坑內和掘出的煤矸石風化。進行栽種是還要對其進行施肥，移栽后澆水，移植季節早春優于秋季。如果選擇種草，則可以進行直接播種，但是因為地面呈現黑色容易導致高溫，致使草苗燒死，所以成活率不高。為了提高其成活率，可以進行營養體缽育后再進行移栽。

薄覆蓋復墾

根據薄覆蓋復墾對風化度和地面情況的要求，對煤矸石充填土地的覆蓋要求就是讓施加的黃土完全將黑色地面(即煤矸石填充地面)覆蓋住即可(2～5 cm)。這種方式很好的結解決了直接播種草籽保苗難的問題，順序是先將草籽播種下去，然后在薄薄地覆上一層黃土。當然也要對其進行施肥，入冬前需要對幼樹或小草澆一次水。在進行復墾工作時，不僅要重視移栽、播種等方面的問題，對植物成活后的管理工作也要引起重視。

2.2 關于覆蓋土厚度的討論

在煤矸石表面蓋土的厚度，關系到植物的立地條件，以及土源和復墾的投資問題，因此在進行復墾是，要考慮到這兩個方面。直接復墾和薄覆蓋復墾兩種方式不僅考慮到土源和投資問題，也考慮到了植物根系的生長問題。煤矸石被土壤覆蓋后，種植其上的植物絕大部分根系都扎于土壤中，只有很少的根系會深入到矸石中。所以,所蓋土壤的厚度不宜太厚，尤其某些氣候比較干旱的地區，土層很容易蒸發干旱，植物根系無法利用煤矸石中的水分，植物就會缺水，甚至萎焉，而根系扎于煤矸石中的植物就可以很好的利用煤矸石中的水分，因而不會出現缺水的癥狀。基于此提出了薄覆蓋復墾和直接復墾。采用這兩種要重視植物栽培技術，確保復墾動作順利進行。

2.3 植物種類

在選擇種植植物的種類時，會優先考慮當地可生長的植物。常見的是種植植物的種類有杜松、苜蓿、刺槐、芍藥、榆樹梅、小葉丁香、側柏、紅豆草、沙生冰草、無芒雀麥等等。隨著煤矸石風化程度的加深，復墾土地表層物質的性狀必然會發生一定程度的變化，進而對植物的生長發育產生影響，因此土地復墾是一件長期的工作，并且需要進一步的研究。

2.4 煤矸石的自燃及滅火

煤矸石自燃后其性狀會發生很大變化，硬度會變大，粘結性不好，親水性變小，且不易風化，此外，煤矸石在自燃過程中還會破壞硅鋁酸鹽結晶產生灰分，可溶鹽達1%～2%，pH值5～3，有的可能還存在活性鋁。因此與未燃燒的煤矸石相比，其性狀存在很大差異，植物很難在自燃后的煤矸石上生長。

煤矸石自燃后其表層散熱良好，因此其表面還會留存一些未燃燒的煤矸石風化層，性狀和未自燃的煤矸石相同，因此自燃后的煤矸石只要還有黑色的矸石風化層，還是可以進行復墾的。煤矸石自燃后，會造成嚴重的大氣污染，通常會用石灰乳灌漿，讓煤矸石表面結成不透氣層，以此來滅火，但是該方法不能完全的撲滅火源，通常會再度自燃。并且用石灰乳灌過的土地會形成一層幾厘米厚的是灰層，植物無法生長，用石灰乳滅火并不利于土地復墾。用泥漿澆灌也可以起到較為徹底的滅火作用，所以在選擇滅火方式是要結合整個復墾工程，進行全局考量。

2.5 煤矸石充填復墾對密實度的要求

煤矸石充填復墾工程中，采取的是“由低到高、自然銜接，分層排放、分層賭徒、分層碾壓、分層平整”的作業模式，這里要求每層煤矸石的排放標高為5 m，每一層所覆蓋的土層厚度為0.5 m，根據《土地復墾控制質量標準》頂層和坡面覆土厚度達1 m，密實度需要高于85%，以此防止煤矸石自燃。

2.6 復墾后邊坡的防護

進行復墾工程后，為了保證過往行人的安全以及坡下農業生產，需要對邊坡采取防護設計，生態防護和工程防護相結合的方法是目前最常采用的邊坡防護方法。

工程防護。復墾后為了防止煤矸石的自燃，許多國家都采用了分層壓實周邊覆土的方式來填充煤矸石，煤矸石的分層壓實堆積如圖3所示；通過實踐證明了這種方式能夠有效應對煤矸石的自燃。在進行土地復墾時，都要采取一些防護措施，而比較常用的方法就是護面墻，即重力式擋土墻。采用護面墻的優點是強度高、效果好，缺點是石材的使用量過大，成本較高，并且護面墻很難形成植物覆蓋，顏色單一，景觀效果不佳，對環境保護不利。

圖3 煤矸石的分層壓實堆積

生態防護。近些年來生態防護越來越多的應用到工程實踐中，因為其在保護坡面的同時還能改善環境，起到提升景觀的效果。常見的生態防護形式有：第一種人工植草護坡，該防護形式比較傳統，人為播撒草種，讓坡面上形成大面積草坯，這樣就起到了保護坡面的作用，這種防護方式比較適合土石混合邊坡、土質邊坡，其優點是造價低廉，施工簡單；第二種網格生態護坡，該防護形式使用最為廣泛，多用在道路工程中，這種防護方法是用磚、石等剛性材料在護坡表面形成網格骨架，形成剛性防護，然后再在形成的網格上種植植被，這樣就能有效的保護網格內的土體，并且能夠有效防止水土流失，網格和植被形成了一個綜合護坡體系，很好的保持了邊坡的穩定性，并且顯著恢復了邊坡的生態環境，對環境保護、防止水土流失有很大幫助，這種護坡的成本較高，更適用于大型復墾工程；第3種就是生態袋護坡，該防護形式是一種新型的護坡方法，在河道生態治理項目中應用較多，其是通過將植物裝在有營養級的生態袋中，讓植物生長繁育形成坡面植被覆蓋的，以此實現邊坡防護和環境修復的目的，這種護坡方式能夠很好的適應水環境和潮濕環境，但是植物的生長較為依賴生態袋的營養級基，對植物的長期生長限制較大，具有較差的防護持續新。

3 復墾土壤的質量變化

3.1 物理性質的變化

復墾土壤會因為所采用的不同復墾方法而受到不同程度的干擾，這就會在一定程度上改變復墾土壤的物理化學性質。

密度的變化，如圖4所示。由于復墾過程中對土壤施加了不同的工程措施，使土壤的密度發生變化。如在壓實土壤時，土壤中的孔隙會因碾壓變少，最終使土壤的密度增大。普通土壤的密度為1.35～1.53 g/cm，土壤密度增加為1.5～1.8 g/cm。由此可見，經過人工填充復墾后的土壤，其容重都會有不同程度的增加。

圖4 某礦區復墾土壤密度變化曲線

土壤的透水率和孔隙度的變化，如圖5所示 。因為機械的碾壓等原因，土壤在復墾過程中會變得比較緊實，導致土壤孔隙變小，進而使得復墾過后的復墾土壤的入滲率降低，而含水率升高。當用泥漿泵復墾土壤時，水分會大量的進入土壤，而工程的排水系統還沒建立完善，會使得復墾土壤的含水率增大，甚至會達到普通農業土壤的2倍，同時土壤的入滲率也會顯著降低。而使用推土機對土壤進行復墾操作時，土壤將會被壓實，孔隙明顯減少，土壤的強度提高，導致入滲率降低。

圖5 某礦區復墾土壤含水率變化曲線

水分變化，在對土壤進行復墾時，土壤會被重建，在此過程中會對土壤造成擾動，導致土壤的剖面層次發生較大的變化。有研究人員對經過填充復墾后的突然的水分豎直運動進行了研究，結果證明土壤顆粒級配和填充物顆粒級配的對比關系會影響到上層土壤的水分含量，使用煤矸石和粉煤灰進行填充復墾后的耕地水分條件不佳，主要是因為水分的滲漏，還由于煤矸石和粉煤灰對水分的吸持力不足導致的，它在一定程度上阻礙了水分的上升運動，此外田間土壤中的水分還會發生較強的蒸發蒸騰，使得上層覆蓋土壤的水分流失較快，最終導致水土缺水。

3.2 土壤復墾后的化學性質變化

土壤營養成分化學性質變化，如圖6所示。

圖6 某礦區復墾土壤pH值變化曲線

當前更多的是采用粉煤灰和煤矸石作為填充原料進行土壤復墾，然后在其表面附上一層80 cm厚的土壤作為農用地，有研究采用不同復墾方法后土壤費力逐年的變化，也有一些學者對礦山復墾土壤的營養元素時間空間的變化進行了詳細研究，最后的結果都顯示：煤矸石和粉煤灰等所含有的營養成分都不高，因而經過復墾后的土壤中的有機質、全氮、速效磷等含量都比較低，但是其速效鉀和全鉀的含量十分充足，并且pH值都比8大，復墾土壤的堿性過強。隨著時間的流逝，復墾年限逐漸增加，加上人為投入肥料等因素，復墾土壤的養分含量會適當的提高，尤其是其中的氮、磷、鉀含量都顯著提高，而土壤的pH值也慢慢的趨于中性。這說明隨著時間的延長，復墾土壤會逐漸熟化，顯著提高了復墾土壤的生產力，使復墾土壤慢慢的變得有利于農作物的成長。

復墾土壤的污染及修復。煤矸石中含有Cu，Gr，Zn，Cd，Pb，Mn等污染元素，在其堆放，搬運以及處理過程中，這里元素會回落到土壤中，而對土壤造成污染，甚至會隨著雨水污染土壤和地下水。現階段研究煤矸石填充復墾土壤的污染性還相對較少，更多的是研究復墾的方法，并且主要是研究如何增加耕地面積等，而對土壤性質的研究很少。這些年，逐漸有學者研究土壤的污染性，并分析了復墾土壤中重金屬的分布規律，以及主要農作物的污染，還有一些研究人員研究分析了不同復墾時間的煤矸石復墾土壤的重金屬污染，這些研究結果都表明：煤矸石中Cu、Hg、Pl、Cd等元素對復墾土壤的污染更嚴重，尤其是Cd元素的污染最嚴重，另外三種元素的影響相對較小。治理重金屬污染土壤的重要手段之一就是植物修復技術，這種方法也被全世界各國的學者重點研究。

3.3 經過復墾的土壤生物活性分析

同原始土壤相比較，復墾土壤有其特定的環境，復墾土壤的生物物性有很大的差異，其會顯著影響土壤中化學物質的轉移和運輸。與原始土壤相比，復墾土壤中的菌群、微生物數量、真菌、生物活性強度等優勢種屬都較低，此外對土壤生物活性行進比較可以發現，不覆土區低于種植區，禾本科種植區低于豆科種植區。

3.4 經過復墾后土壤生產力的變化分析

目前只有極少數學者分析評價了土壤的質量。科研人員研究分析了復墾土壤的耕作效果，還對其做了一定的評價，該研究中使用了模糊PI模型，以一個定量對土壤的生產力進行了評價，這個模糊PI模型使用耕作效果指數對其耕作效果進行評價。還有研究人員分析研究了影響土壤生產力的要素，還提出了復墾土壤生產力指數的修正模型。還有一些研究人員對徐州礦區復墾后土壤質量進行了評價，主要分析了兩種指標，土壤環境質量和土壤生產力，而復墾土壤質量的高低則用土壤質量評價指數評價。此外，還有學者對山西平塑露天礦的復墾土壤及其環境質量進行了研究，主要是采用單項和綜合污染指數對其做了評價，最后表明這個礦區的土壤有污染性；而土壤質量很大程度受到復墾方法的影響，且復墾后土壤的生產力逐年提高。采用煤矸石填充復墾土地，其有機物的含量會高于當地的土壤；而復墾土壤中的營養成分含量則會低于當地的土壤，因而土壤的質量會較低，具體理化指標如表1所示。

表1 某復墾區煤矸石的理化指標統計

4 煤矸石復墾技術的問題和研究方向

4.1 加強復墾土壤綜合質量的研究

盡管已經有一些研究人員研究了復墾土壤的物理、化學、生物活性等性質，但是大多集中在特定的一個特性上，很少有對土壤的綜合質量進行研究，對土壤質量動態變化的研究則更少。因此，未來應該重點開展這方面的研究，爭取構建全面的土壤質量評價指標體系，并且確立完善的動態檢測機制。

4.2 加強研究復墾土壤肥力提高和維持

在研究煤矸石填充土地復墾時，更多的是探討怎樣對土壤進行復墾，和如何修復環境等，即使也有少數研究人員對復墾土壤的某些性質進行了研究，但是目前國內很少看到關于如何使復墾土壤肥力提升的研究。而若是不重視復墾土壤肥力的提高，只是停留在整平土地的層面上，那么土地復墾就是去的其真正的價值。所以在今后的研究中，應該注重研究如何提高土壤的肥力，這也是土地復墾是否成功的重要因素，還要加強對合理土壤層次結構的構建研究，同時著力與解決土壤壓實機理以及孔隙的控制問題，怎樣提高土壤的肥力等等。

4.3 對復墾土壤質量用現代先進技術進行動態管理

目前大多采用傳統的方法研究復墾土壤的性質，這樣會耗費大量的人工和時間，不夠及時，所以我們應該將現代先進的科學技術應用起來，這樣可以更準確更快速的得到研究數據。例如，復墾土壤植被變化的數據可以用RS采集，這種方法能夠反演土壤性質的變化情況，充分了解土壤性質的變化。另外，復墾土壤的質地、層次、有機質、含水率等可以用探地雷達進行觀測，進而直接檢測土壤的質量。為了實現對土壤質量的快速評價可以利用GIS強大的空間分析功能，這樣能夠實現對土壤質量變化的檢測。

5 結語

據統計，國內耕地總面積的43%左右是煤炭資源區域。大量的煤炭開采讓塌陷區域大面積過大，所以廣泛的使用的復墾技術。過去的20多年，我國的復墾技術和方法已經有了一定程度的發展，而復墾土壤質量的研究相對較少，或者只有少數學者個別特征進行了研究分析，對復墾土壤質量的綜合評價和標準研究相對較少，同時也少見有對土壤質量改良措施的研究。此外，利用現代先進技術對復墾土壤質量進行無損探測還在初始階段，各種機理和方式都還需要進一步改進。因此我們對復墾土壤的研究，要重視利用現代技術對復墾土壤的質量進行改良、修復和評價。