www.8867.com-奥门新浦京8867[点击进入]

联系大家
行业动态

行业动态 | 国土空间综合整治和生态修复(06.01-06.07)

来源:??????2020/6/12 9:05:27??????点击:
一、矿山生态修复有哪些新技术

随着矿山生态修复工作的不断开展,其修复方式和技术也在不断的更新中,目前有关矿山生态修复的新技术有仿自然地貌修复技术、边采边复技术、植物与微生物修复技术。

正文内容如下(正文内容有删减):

1、仿自然地貌修复技术

(一)人工地貌

人工生态系统是由自然环境(包括生物和非生物因素)、社会环境(包括政治、经济、法律等)和人类(包括生活和生产活动)三部分组成的网络结构。人类在系统中既是消费者又是主宰者,人类的生产、生活活动必须遵循生态规律和经济规律,才能维持系统的稳定和发展。

典型的矿区人工恢复地貌如经过人工重建的绿化煤矸石山、大型堆砌排土场等,其往往具有较重的人工痕迹,形状规则结构过于工整,且花费较大,不易保持。人工生态系统需要恒久的维护,在矿区标准上,对于全国大量的大面积矿区来说,这种人工生态系统并不是最佳的选择。

(二)景观表征

对于矿山开采破坏景观的具体评价,现有研究通常通过分形理论或景观指数来表征。分形理论大多应用于对宏观大标准的地形和微观标准的土壤颗粒分布进行表征,通过单一分维数表征地形复杂水平。但分形理论对于露天煤矿排土场等中小标准的受损土地景观表征研究相对较少。

另一种表示法为景观指数。利用景观指数可以表征矿区土地景现破碎化水平,其连接性与异质性、结构、空间排列等。其主要使用指数包括:分维数、多样性、优势度、斑块数目、景观类型面积比例、景观形状指数、蔓延度、破碎度、香农多样性指数与香农均匀度指数、分离度、均匀度等,其表征意义可查阅相关参考文献。

(三)景观重塑与再造

仿自然地面要求复垦后地形与当地自然景观相协调,统筹保护土壤、水源和环境质量,复垦土地应当达到当地原有的可连续发展的景观生态环境水平。

仿自然地貌更加注重当地原有的生态系统,尽可能接近原有地貌。首先是基于景观生态学,根据斑-廊-基原理、景观格局优化原理、多样性与异质性原理等,在重建过程中增大景观多样性与异质性,规划基质与斑块组成较优的景观格局。

同时,仿自然地貌注重微地形对生态系统的影响。微地形是针对地理学中巨地形和大地形而言的小标准的地形变化,可以反映景观整体形态特征。其注重坡面、坡向、坡度对微地形的影响,据此对微地形改造,对土壤属性和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复的效果及其生态服务功能等均有重要影响,可以通过调节排土场边坡,继而构造出适宜的微地形,改善植被立地条件,预防水土流失和阻止水土侵蚀,改善土壤有机质和调节矿区小气候条件。

仿自然地貌更多的参考原地貌形态与景观、自然地貌形态特征。仿照自然地貌的设计能使重建和再造的土地景观更具协调性和稳定性,生态结构更加合理,视觉效果和经济型均有所提高。煤矿区周围临近成熟的、未扰动的地貌,同样可以为复垦区地貌设计提供便利,建设自然式缓坡地与自然河道可减少研究区地表侵蚀及水土流失的可能性。

2、边采边复技术

(一)边采边复理念与概念的定义

边开采边修复技术概念是采复一体化的体现。事实上,边采边复就是采复一体化的另一种说法,是充实考虑矿山开采与地面复垦措施耦合,规划开采措施、优选复垦时机与方案的一种思想。

边开采边修复强调开采工艺与修复工艺的充实结合,以保证按采矿计划同步进行。其基本特征是以“采矿与修复的充实有效结合,也即采矿修复一体化”为核心,以“边采矿,边修复”为特点,以“提高土地恢复率、缩短修复周期、增加修复效益”为表征,并以“实现矿区土地资源的可连续利用及矿区可连续发展”为终极目标。

边开采边修复的基本内涵为地下采矿与地面修复的有机耦合:一方面,基于既定的采矿计划,在土地沉陷发生之前或已发生但未稳定之前,通过选择适宜的修复时机和科学的修复工程技术,实现恢复土地率高、修复本钱低和修复后经济效益、生态效益最大化;另一方面,通过优选采矿位置、采区和工作面的布设方式、开采工艺和地面修复措施,实现土地恢复率高和地表损伤及修复本钱的最小化。

预复垦、超前复垦、动态复垦与边开采边修复既有联系,又有区别。预复垦、超前复垦和动态复垦往往仅针对一个采煤工作面或采区进行探讨,且主要是考虑既定采矿计划前提下的复垦措施,而边开采边修复技术从整个矿山开采过程的角度出发,不仅提出何时、何地、如何修复,而且引导整个采矿生产,是地上和地下措施的有机耦合。现阶段边开采边修复主要还是基于井下采矿工艺和时序进行的修复方案的优选,未来将逐渐过渡到井下采矿与井上修复的同步进行。

(二)露天采矿边采边复

1.基本流程

1)剥离表土。在开釆第i条带前,用推土机超前剥离表土并推存于开釆掘进的通道上。一般剥离厚度为20~30厘米,同时也应超前剥离2~3个条带,即第i+1,i+2,i+3条带。

2)在第i条带的下部较坚硬岩石上打眼放炮。

3)用巨大的剥离铲剥离经步调2)疏松的第i条带的下部较坚硬岩石,并堆放在内侧的釆空区上(即第i-1条带上)。

4)用可与剥离铲在矿坑内交叉移动的大斗轮挖掘机(BWE),挖掘第i+1条带上部较松软的土层(B和C层土),并覆盖在第i-1条带内经步调3)操纵而形成的新下部岩层———较硬岩层的剥离物。

5)在剥离铲剥离上覆岩层后,第i条带的煤层被暴露出来,用釆煤机械进行釆煤和运煤。

6)用推土机平整内排土场第i-1条带的复垦土壤———剥离物,就构成了以第i+1条带上部较疏松土层(B和C层土)的剥离物为心土层、以第i条带下部较硬岩层的剥离物为新下部土层的复垦土壤。

7)用铲运机回填表土并覆盖在复垦的心土上。

8)在复垦后的土地上种上植被(一般首先播种禾本科和豆科混合的草种),并喷洒秸秆覆盖层以利于水土保持和植被生长。

2.关键技术

露天矿边采边复的核心技术是土壤重构技术。土壤重构即重构土壤,是以工矿区破坏土地的土壤恢复或重建为目的,接纳适当的采矿和重构技术工艺,应用工程措施及物理、化学、生物、生态措施,重新构造一个适宜的土壤剖面与土壤肥力条件以及稳定的地貌景观的方法。土壤重构所用的物料既包括土壤和土壤母质,也包括各类岩石、矸石、粉煤灰、矿渣、低品位矿石等矿山废弃物,或者是其中两项或多项的混合物,只要在较短的时间内可恢复和提高重构土壤的生产力,并改善重构土壤的环境质量,就是有效的重构质料。

(四)高潜水位井工矿区边采边复

1.基本原理

通过传统稳沉后非充填复垦和边开采边修复所恢复土地率的对比分析,论述边开采边修复的基本原理。图3-5为下沉稳定后接纳非充填复垦时土地恢复示意图,在不考虑外来土源的情况下接纳挖深垫浅等措施,可在沉陷盆地的边缘区域复垦出部分土地,即A与B区。

图3-5 沉陷稳定后的复垦结果示意图

图3-6为边开采边修复时土地恢复示意图,其中图3-6a为边开采边修复的动态过程,在土地即将沉入水中或部分沉入水中(仍存在抢救表土的可能性)时预先分层剥离部分表土与心土,交错回填至将要沉陷的区域,即图中的取土区与充填区。图3-6b为边开采边修复的最终状态,通过边开采边修复可形成最终的复垦土地区A,B,C区。可见,边开采边修复较沉陷稳定后的复垦,可多复垦出区域C,土地恢复率有较大提升。

图3-6 边开采边修复的动态过程和最终状态示意图

2.关键技术

高潜水位边采边复思想的关键技术,在于动态的挖深垫浅。其中最重要的是开采沉陷的动态预计,只有掌握其塌陷的动态过程才能精准地规划边采边复时间与措施。概率积分法因算法简单、结果可靠,足以快速应对大多数开采沉陷问题,是我国目前较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一,这里简述其下沉预计的基本模型:

(1)单位开采的下沉预计

单位是工作面的归一化无量纲表示。单位开采引起地表下沉与地表水平移动表达式为

式中:r为主要影响半径;s为开采单位横坐标,x为预计点横坐标(x-s实际为预计点到开采单位水平距离)。

(2)单工作面开采的下沉预计

地表任意点(x,y)的下沉值W(x,y)为

其中

式中:W0(x)和W0(y)为走向和倾向有限开采时,主断面地表下沉值;W0为充实采动条件下地表最大下沉值;m为采厚;q为下沉系数;α为煤层倾角;l和L为走向和倾向有限开采时的计算长度(考虑拐点偏距后的长度);r1,r2和r分别为下山、上山和走向的主要影响半径。

(3)多工作面开采预计

对于多工作面预计,可分别计算每个工作面单独的模型,直接等权相加。事实上,一个矿区的m(采厚)、l和L(走向和倾向有限开采长度)、α(煤层倾角)均可知,不考虑上下山与走向的差别,读者可将概率积分法剩余部分看作5个参数r(主要影响半径)、b(水平移动系数)、q(下沉系数)、s(拐点偏移距,用于校正工作面的实际垮塌长宽)、θ0(开采影响传播角)即5个自由度的函数拟合问题,根据实测参数可以较轻松地拟合,预计下沉、倾斜、曲率、水平移动与水平变形等5个常用地表移动与变形因子。

(4)动态预计

动态预计通过构造合适的时间影响函数与静态下沉做乘积即可得到点位的动态下沉。时间影响函数多基于“塌陷从0开始,增长到静态下沉预计值”“单点下沉速度先增大后减小”“速度曲线连续,且关于最大下沉速度处对称”3条规律构造。

由于工作面开采并非一蹴而就,前后垮落时间为ti的两块不同单位显然在时刻t的时间影响函数值不同,动态预计过程需要离散化塌陷区段。为了方便计算,大家通常将工作面的整个垮落离散成一系列足够小的单位,分别按其静态下沉与到计算时刻的时间计算动态下沉,最后加和所有单位。

(5)复垦时机与土方

根据前述计算获得的动态下沉值,结合事先获得的数字地形图,可进行高潜水位边采边复结构。

3、植物与微生物修复技术

自然修复在生态、水土保持等领域有大量的研究,它是指靠自然力量(营力)修复的一种过程或方法。自然营力是指自然界存在的雨、风、重力及冻融等自然界本身存在的各种生物、化学和物理等作用,如气候的变化、土壤天然种子库和种子的自然传播、土壤和植物的各种自然特性和生物化学及物理作用。

以生态系统作为研究对象,系统内部因素的作用就是自然修复(自修复),外部人工力量修复生态系统就是人工修复。人工修复和自然修复都是对已经损毁的生态环境接纳的积极的修复措施。人工修复与自然修复相辅相成,要因地制宜,宜自然修复则自然修复,宜人工修复则人工修复,有主有次,主次结合。同时,自然修复是一种最高境界,即使人工修复,实现生态系统的自我维持能力才是最终目的。

在这种层面上考虑修复技术,目前已衍生出较新的修复方法,它们直接通过动植物、微生物进行矿区修复,在修复“质料”选取上与直接替换土壤、大量施肥等方法产生了区别。

(一)植物修复

植物修复是通过植物对土壤、空气等生态修复对象的修复作用来实现修复的手段。矿区废弃地的植物修复效益与恢复植物的选择密切相关,恢复植物的选择不仅要适应当地的地质、水文、土壤类型等自然条件,还要考虑因开采造成的具体污染情况,因地制宜选取植,才能对当地土壤起到较好的改良效果,生态演替效果良好。因此,矿区废弃地土壤植物修复乐成的关键在于恢复植物的选择与合理的配置模式。通常情况下,使用较多的生物物种,特别是将乔、灌、草、藤多条理配置结合起来进行植被恢复,建立起的植物群落的稳定性和可连续性均比单物种或少物种的效果好得多。

1.常用植物种类

恢复植物的选择要适应当地的地质、水文、土壤类型等,还要考虑因开采造成的具体情况,因地制宜选取植物,对当地土壤起到较好的改良,并能进行生态演替,不同植物产生的恢复效益存在差别。

豆科植物:有较强固N能力,改善土壤肥力,克服干旱胁迫,常用作先锋植物。

盐生植物:能降低废弃地土壤盐碱的浓度,富集金属元素。

外来植物:生长迅速,生物量大,能在相应的矿区废弃地乐成定居,但要预防生态入侵。

乡土植物:能更好地适应当地气候环境,在较为恶劣的生境以及简单粗放的管理条件下仍能表现出植物的生物学特性,但是生长缓慢。

耐性草本植物:覆盖率高,对根际土壤的改良效益较好,缺点在于植物单株生物量较小,恢复改良效益的时间较长。

2.植物挑选准则

现有的植物修复措施需要考虑众多因素,如植物抗逆性、生态适应性、植物多样性、先锋植物连续稳定性、乡土植物与外来植物相结合、园地的分区以及功能合理性的原则等。首先,植物需要有足够的抗逆性,只有具有一定抗逆性的植物才具有较强的生命力,在后期无人养护的条件下才能够实现自我维持。

其次,植物需要能够形成稳定的目标植物群落,达到植被恢复、生态修复的目的,其对于整个目标生态系统需要具有生态适应性,它不能是孤立于整个目标生态系统的植物类型。同时,挑选植被需要更多样。

(二)微生物修复

微生物修复技术是矿区土壤管理与改良的重要生物技术。利用微生物群落的优势,可以促进植物生长和植被覆盖,减少或避免土壤侵蚀,从而达到生态恢复的目的。微生物修复技术可以利用植物根际微生物的生命活动来改善植物营养条件,并同时促进植物生长和发育。随着植物修复和微生物修复的发展,矿区土壤的渗透性显著提高,其改善的土壤调节和地表径流转化能力,可以防止土壤侵蚀,改善河流水文条件。微生物在有机物质的分解、合成和转化,无机物质的氧化和还原过程中起着重要作用。它们是土壤生态系统代谢的重要驱动力,可以提高土壤肥力,使生土熟化,缩短复垦周期。

菌根技术是微生物复垦技术的一种应用,可以改善生态系统的多样性,促进矿区极端条件下植被的恢复,促进矿区环境的良性循环,形成互利共生的微生物,改善生态系统的多样性,加快二次生育的速度生态系统的演替,减轻根系对植物生长的影响,并施肥土壤,促进植物矿质营养。对矿区生态恢复和土地复垦吸取利用促进生态系统功能的改善具有重要的现实意义。其中,丛枝菌根真菌(AMF)是最常用也是土壤重要的微生物之一,能与80%以上的陆生植物形成互惠共生关系,提高矿区生态系统的多样性,促进生态系统功能的稳定与提高,在矿区复垦过程中得到广泛的应用。大家在此主要谈论最常用的丛枝菌根真菌修复。

1.丛枝菌根真菌帮助根系吸取

丛枝菌根真菌的菌丝非常纤细,其直径为2~7微米,可穿透土壤中有机物的颗粒间隙,吸取到根系所不能吸取到的养分与水分。其分枝伸长能力较强,增加了植物对营养的吸取范围和面积。

同时,磷在菌丝里移动的速度为在植物体内运输速率的10倍,保证将在根外吸取的磷等营养元素及时运输给植物。菌丝对磷的亲和力较高,可减少磷解吸的临界浓度,且丛枝菌根真菌释放有机酸和磷酸酶可促进土壤磷释放。

2.丛枝菌根真菌生成球囊霉素

丛枝菌根真菌能够产生一种被称为球囊霉素相关土壤蛋白(简称“球囊霉素”)的含有金属离子的专性糖蛋白,可产生于根内菌丝和伸展在根围土壤中的根外菌丝表面,在土壤生态系统中含量不低。球囊霉素可增加土壤有机碳库,增强土壤团聚体的稳定性,改善土壤结构与质量。球囊霉素是丛枝菌根真菌对其寄主植物生长环境的调整和适应,是微生物活动的一种积极应答机制,已证实土壤中球囊霉素量与土壤凝结稳定性、土壤含水性呈正相关。接种丛枝菌根真菌有利于土壤水分的保持与高效运输,提高水分的利用率,有利于缓解干旱对作物生长的影响。采煤沉陷区土壤结构被扰动,丛枝菌根真菌如何改善土壤结构,协调水肥供应,也是生态修复需要深入探讨的问题之一。

(三)土壤动物修复

土壤动物可帮助矿区土壤肥力维持,无脊椎动物可帮助粉碎和分解动植物残体,促进了物质的淋溶、下渗,其活动与翻动作用增加了土壤中细菌和真菌活动的接触面积,加速了养分的流动,同时也混合了土壤的物质组成。另外,土壤动物采食细菌或真菌或粉碎有机物质、微生物繁殖体等,间接改变了有效营养物质的传播,并改变了微地形,从而使土壤中的水、气、热量状况和物质的转化都受到影响,继而影响微生物群落的生物量和活动。微生物修复技术、植物修复技术、工程技术与土壤动物修复相结合,更能发挥其功能,提高修复能力。


二、浅析矿山生态修复中的建设用地指标交易激励

2019年,自然资源部出台《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》,废弃矿山建设用地复垦为耕地,腾退的用地指标是包含规划建设规模指标、新增计划用地指标和耕地占补平衡指标的“三合一”指标。目前,现有“三合一”的建设用地指标有城乡建设用地增减挂钩指标和工矿废弃地复垦利用指标。

一、首先先先容一下建设用地指标交易政策现状:

一是城乡建设用地增减挂钩。依据土地利用总体规划,将若干拟复垦为农用地的农村建设用地地块和拟用于城乡建设的地块共同组成建新拆旧项目区,通过土地复垦和调整利用,实现项目区内耕地面积有所增加、建设用地总量不扩大、结构科学合理的土地整治措施。

二是工矿废弃地复垦利用试点。将历史遗留的工矿废弃地以及交通水利等基础设施废弃地加以复垦、盘活和利用建设用地。

二、废弃矿山建设用地指标交易存在的难题有以下三点:

政策开放范围有待进一步扩大。一是废弃矿山修复为耕地难度大、本钱高,激励效果有限。二是废弃矿山修复为农用地,腾退建设用地规模大,通道未开放。政策激励效果实际打了折扣,可能会影响地方政府及社会资本投入废弃矿山生态修复的积极性。

项目管理面临政策障碍。一是以增减挂钩立项管理,增减挂钩的适用条件、允许省域流转指标的区域以及收益使用范围待调整。二是以工矿废弃地复垦利用立项管理,工矿废弃地复垦利用的适用条件、指标流转步伐有待完善。三是废弃矿山修复按原路径归口管理,管理效率较低。

建设用地指标抵押问题。在现有政府交易指标模式框架下,社会资本方不是指标直接持有的交易方,以建设用地指标为抵押物获得绿色信贷支撑的障碍较大,且缺乏相关配套管理体系,有关指标产权登记、管理、抵押物变现等领域也是空白。

三、针对以上难题所提出的相关建议有以下几点:

允许废弃矿山修复为农用地,腾退建设用地指标省域内流转。可从废弃矿山生态修复的实际情况考虑,在国家层面的“将历史遗留矿山废弃建设用地修复为耕地,腾退的建设用地指标可在省域范围内流转使用”扩大至“将历史遗留矿山废弃建设用地修复为农用地,腾退的建设用地指标可在省域范围内流转使用”,从而提升地方投入矿山生态修复积极性,有效盘活矿山废弃建设用地规模。

建立独立的矿山生态修复项目管理体系。可从国家或省级层面统筹职能,将废弃矿山生态修复所涉及的土地整治类的项目管理权限进行整合,直接交由生态修复部分统一管理,便于地方在废弃矿山生态修复立项、验收以及后续的生态产物交易等过程中形成完整的管理链条,也便于地方下一步对全域生态修复、全域土地综合整治的统筹管理。

创新建设用地指标交易模式,配套指标管理规范。现有的以政府为主导的建设用地指标交易模式在风险管控、项目管理上都形成了成熟、规范的管理链条,为了积极鼓励社会到场矿山生态修复,各地可联合财务、农业农村、林业等部分,加强部分合作,在完善规范指标授权、项目验收、指标登记等配套措施基础上,积极探索企业持指标交易模式或者政府回购(收储)模式,进一步激发市场活力,增强企业到场废弃矿山生态修复的动力。


三、国土空间生态修复| 矿山地质环境损毁的类型与特征

矿山开采的基本概念

(一)常见矿产赋存情形

1.基本概念

矿石指地壳里面的矿物集合体。在现代技术经济水平条件下,能以工业规模从中提取国民经济所必需的金属或矿物产物的,就叫矿石。一次矿山开采的效率与其矿床分布有极大关系。

2.倾角

按照倾角分划,矿床可分为近水平矿层、缓倾斜矿层、倾斜矿层、急倾斜矿层。

3.厚度按照矿床厚度分类:分为极薄、薄、中、厚、极厚。

4.总体形态由于成矿原因,矿体形态有变化。一个矿体,其厚度和倾角在走向与倾斜方向上都会有较大的变化。

(二)露天开采

1.露天开采的概念

露天开采是指直接从地表揭露并采出矿石的方法。露天开采通常将井田划分为若干水平分层,自上而下逐层开采,在空间上形成阶梯状。露天开采的采掘空间直接敞露于地表,且矿体周围的岩石及其上覆的土在开采过程中基本全部被采剥掉。与地下开采相比,露天开采的优点是资源利用充实、回采率高、贫化率低,适于用大型机械施工,建矿快,产量大,劳动生产率高,本钱低,劳动条件好,生产安全。在我国,露天煤田重要集中在内蒙古、山西、新疆、黑龙江、云南等地。

2.露天开采基本要素与工艺

(1)露天开采基本要素露天开采主要涉及台阶、采场、工作平盘3个基本要素。露天采场是具有完整的生产系统,进行露天开采的场合。自地表挖掘一系列露天沟道至露天矿园地内各个矿体,建立地面与生产台阶(在开采过程中,逐步形成的阶梯状工作面)的运输联系,从而形成露天采场到选矿厂或碎矿厂、排土场或工业广场之间的运输系统,以保证剥采工作的正常进行。

工作平盘指为进行正常生产,工作台阶需有足够的宽度,以摆设穿孔、爆破、采矿、运输设备,构成的工作平台。

(2)露天开采工艺露天开采工艺分为间断开采工艺、连续开采工艺、半连续开采工艺、拉斗铲倒堆开采工艺、综合开采工艺。间断开采工艺各主要生产环节的矿岩流是间断的。连续开采工艺系统对岩性及气候适应性差,但是随着科学技术的不断发展和接纳各种措施。露天矿的采掘、运输、排卸3大生产环节中的矿岩流是连续的。半连续工艺的生产环节,一部分是连续的,另一部分是间断的,综合了间断开采工艺的广泛适应性和连续开采工艺生产效率高的优势。然而,由于生产环节增多,也带来了中间环节的衔接和环节之间的缓冲问题。在开采深度或运距大的中硬和硬岩露天矿中,半连续开采工艺有较大的发展前景。剥离倒堆工艺就是用挖掘设备铲挖剥离物并直接堆放于旁侧的采空区,从而揭露出煤炭的开采工艺。这是一种合并式开采工艺,采掘、运输、排土3个环节合并在一起由同一种设备(挖掘设备)来完成。由于省去了剥离运输环节,生产本钱较低,且效率较高,采矿一般是另成系统。拉斗铲结构简单,维修简单,斗容比单斗铲大,可达160立方米,臂长也凌驾单斗铲,可达130米,故扩大了倒堆工艺的应用范围。综合开采工艺的同一采场内有间断、连续、半连续、倒堆开采工艺系统中任意两个(或以上)单一开采工艺系统的组合。技术适用于采场平面尺寸大或开采深度大、生产规模大的露天矿。

3.露天开采基本损毁与复垦单位

露天开采基本损毁单位主要为露天采场、排土场和煤矸石山。露天开采的开采工艺决定了露天采场经过开采后,将在原本地表形成一个巨大的坑洞,土壤、石料等资源从原地被剥离,造成生态系统中生态对象的损毁。露天开采工艺通常将剥离岩土排弃的大量岩石排弃于采场中的排土场中集中存放,以便于提高采剥效率,由于排土场占地面积较大,该过程将逐渐压覆大量土地资源。别的,露天开采获得的露天矿石经洗选后形成无法处理惩罚的残余废渣等,将在闭矿后留下尾矿库、煤矸石山。通常,关于露天开采大家更多考虑露天采场、排土场和煤矸石山这三者及三者产生与污染发展过程中的波及对象,矿山地质环境生态修复也是基于此进行的。

(三)井工开采

井工开采是通过由地面向地下开掘井巷采出矿石的方法,又称为地下开采。

井工开采基本情形如下:

1.井工开采基本要素

井工开采主要涉及采场选择、采煤系统与工作面布设、采煤方法与工艺选择及开采工序与回采。其中,采场是指用来直接大量获取煤炭场合的概称。大家将在采场内为获取煤炭所进行的一系列工作称之为回采。在采场内,最基本的单位为采煤工作面,是指在采场内进行直接回采的煤壁空间,工作面按层级构成区段、盘(翼)等,互相间均通过井下巷道来沟通,在时间上的配合以及在空间上的位置关系的采煤系统。采煤的工序可分为破、装、运、支、处(采空区处理惩罚)。采煤工作面按一定顺序完成各工序所用方法及其在时间上、空间上的相互配合构成采煤工艺。大家用采煤方法来表示采煤工艺与回采巷道摆设及其在时间上、空间上的相互配合。

2.井工开采工艺

井工煤矿采煤方法虽然种类较多,基本上可以分为壁式和柱式两大体系。壁式体系采煤法。根据煤层厚度不同,对于薄及中厚煤层,一般接纳一次采全厚的单一长壁采煤法;对于厚煤层,一般是将其分成若干中等厚度的分层,接纳分层长壁采煤法。按照回采工作面的推进方向与煤层走向的关系,壁式采煤法又可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法两种类型。

柱式体系采煤法。分为3种类型:房式、房柱式及巷柱式。房式及房柱式采煤法的实质是在煤层内开掘一些煤房,煤房与煤房之间以联络巷相通。回采在煤房中进行,煤柱可留下不采;或在煤房采完后,再回采煤柱。前者称为房式采煤法,后者称为房柱式采煤法。巷柱式采煤法也称短柱式采煤法。在区段范围内,每隔10~30米掘进横竖交叉的巷道,将煤层切割成许多长宽尺寸为10~30米的方形、长方形或菱形煤柱,然后回采煤柱,采空区顶板任其自行垮落的采煤方法。

3.井工开采基本损毁与复垦单位

与露天开采不同的是,井工开采不直接在地表产生影响,而是通过地表矿石采离后的沉陷通报影响地表。井工开采将在地表形成一定范围的塌陷地,对塌陷地内的生态对象造成严重影响,塌陷地范围与塌陷深度视开采具体情形与客观环境而定。井工开采同样留有煤矸石山,且由于工作环境位于地下,塌陷通报到地表的过程中可能破坏地下的岩层与水文情况。相比露天开采,井工开采需要考虑更大的影响范围和更多的损毁形式。

矿山环境损毁的形式与特征

(一)井工开采沉陷的基本概念

1.地表移动盆地

当地下工作面开采达到一定距离后,地下开采便波及地表,使受采动影响的地表从原有标高向下沉降,从而在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷区域,这种地表沉陷区域称为地表移动盆地,或称下沉盆地。在地表移动盆地的形成过程中,逐渐改变了地表的原有形态,引起地表标高、水平位置发生变化,从而导致位于影响范围的建(构)筑物、铁路、公路等的破坏。从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发,地表移动的状态可用垂直移动和水平移动进行描述。常用的定量指标有:下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应变。目前,对前5种指标研究比较充实,而后2种指标使用的较少,一般工程问题中不使用。

2.地表移动盆地的主断面与边界

(1)主断面地表移动盆地内下沉值最大的点和水平移动值为零的点都在采空区中心,因此通过采空区中心与矿层走向平行或垂直的断面上的地表移动值最大。通常就将地表移动盆地内通过地表最大下沉点所做的沿矿层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面。沿走向的主断面称为走向主断面,沿倾向的主断面称为倾向主断面。划定主断面将矿区开采沉陷的移动场研究转化为二维平面的主断面研究,这种转化在概率积分法模型下是一种保证一定精度又得到简化的方法。

(2)地表移动盆地边界按照地表移动变形值的大小及其对建(构)筑物、地表的影响水平,可将地表移动盆地划分出3个边界:最外边界、危险移动边界和裂缝边界。地表移动盆地的最外边界,是指以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。地表移动盆地的危险移动边界,是指以临界变形值确定的边界,表示处于该边界范围内的建(构)筑物将会产生损害,而位于该边界外的建(构)筑物则不会产生明显的损害。地表移动盆地的裂缝边界,是指根据地表移动盆地的最外侧的裂缝圈定的边界。

3.开采沉陷动态过程

(1)起动距与超前影响在走向主断面上,工作面由开切眼推进到一定距离时,岩层移动开始波及地表。随着工作面再推进,地表移动盆地的范围和移动量均增加。当工作面推进到一定位置时,地表达到充实采动,地表移动达到该地质采矿条件下的最大值。工作面再推进,地表移动范围增大,但地表下沉量不再增加,当工作面停止推进后,地表移动范围和移动量较推进过程中有所增大,说明地表动态移动量和移动范围小于稳定后的移动量和移动范围。

(2)最大下沉点地表移动的连续时间(或移动总时间),是指在充实采动或接近充实采动情况下,地表下沉值最大的点从移动开始到移动稳定连续的时间。移动的连续时间应根据地表最大下沉点求得,因为在地表移动盆地内各地表点中,地表最大下沉点的下沉量最大、下沉的时间最长。苏联专家阿威尔辛按下沉速度大小及对建(构)筑物的影响水平不同将地表点的移动过程分为以下3个阶段:

1)开始阶段。下沉量达到10毫米的时刻为移动开始时刻。从移动开始至下沉速度达到1.67毫米/日(或50毫米/月)时刻为移动开始阶段。

2)活跃阶段。下沉速度大于1.67毫米/日(或50毫米/月)的阶段。由于在该阶段内地表点的下沉占总下沉的85%~95%,地表移动剧烈,是地面建(构)筑物损坏的主要时期,因此也称该阶段为危险变形阶段。

3)衰退阶段。从下沉速度小于1.67毫米/日(或50毫米/月)起至6个月内地表各点下沉累计不凌驾30毫米时为移动衰退阶段。

开始阶段、活跃阶段、衰退阶段这3个阶段的时间总和,称为移动过程总时间或移动连续时间。影响地表移动连续时间的因素主要是岩石的物理力学性质、开采深度和工作面推进速度。一般规律如下:开采深度越大、覆岩越坚硬,地表移动连续时间越长,反之亦然。采深在100~200米时,地表移动连续时间一般为1~2年,有的可达十几年,但大多数不会凌驾5年。

4.其他地表破坏形式

(1)地表裂缝和台阶在一定条件下,地表移动盆地外边缘拉伸变形区可能产生裂缝。裂缝的深度、宽度与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有关。地表裂缝一般平行于工作面边界发展,但在推进工作面前方地表可能出现平行于工作面的裂缝。这种裂缝深度和宽度较小,随工作面推进先张开而后逐渐闭合。裂缝的形状一般呈楔形,上口大,越往深处越小,到一定深度尖灭。地表除出现张口裂缝外,在某些特殊情况下还可能出现剪切式压密裂缝。常见有3种情况:断层导致的压密裂缝、软弱夹层导致的压密裂缝、重复开采时下沉盆地边缘区主裂缝面导致的压密裂缝。

(2)塌陷坑和塌陷槽开采缓倾斜矿层和倾斜矿层时,地表破坏的主要形式是地表出现裂缝,但在某些特殊地质开采条件下,地表也可能出现漏斗状塌陷坑和塌陷槽。其类型主要有:浅部不均匀开采引起的塌陷坑、松散沙层进入井下引起的漏斗状塌陷坑、急倾斜矿层开采引起的漏斗状塌陷坑、开口大裂缝引起的漏斗状塌陷坑、导水断层引起的漏斗状塌陷坑、岩溶塌陷引起的漏斗状塌陷坑等。

(二)井工开采具体损毁形式

1.地质灾害

矿山地质灾害是指从事矿山开发利用过程中由于自然因素和人为因素引起的矿山地质生态环境恶化,对人类生产生活造成影响的地质灾害事件。根据引起矿山地质灾害的因素,矿山地质灾害包括地表塌陷、地表裂缝、冒顶片帮、岩爆、井下突水、滑坡、崩塌、地下水及环境地质破坏等。相关统计工作显示,矿山地质灾害给矿区带来了极大的危害,这种损毁形式是矿山地质环境问题中最直接、后果最严重的损毁,需要特别提高警惕,严格监督与防范。

2.土壤环境

(1)土壤物理性质改变采矿引起的塌陷对土壤物理特性的影响主要表现在随着沉陷深度的增加,从沉陷盆地的上坡到坡底,土壤密度逐渐变大,土壤总孔隙以及通气孔隙量逐渐减少,土壤变得紧实,水分含量逐渐升高,渗透速率依次下降,土壤通气透水性能变差,土内空气缺乏,影响微生物的活动及养分的转化,影响幼苗正常生长及作物根系的正常发育,且易产生地表径流。挖损和压占对土壤物理性质也有不同水平的影响,改变了耕地的有效土层厚度、土体构型等。另外,矿山开采后,地下形成采空区,地表会形成沉降塌陷,较深的沉降恒久形成湖泊,浅层的塌陷地表会出现裂缝,形成地下漏斗,进而造成土壤流失。值得注意的是,对于高潜水位地区,积水盆地中土壤因积水过深,可能完全失去利用可能,在体量上失去极大一部分土壤。对于这部分土壤来说,它们等于被完全损毁。

(2)土壤化学性质改变土壤化学性质随着地表形态及土壤物理性质的改变而发生变化。塌陷造成下沉盆地、塌陷坑及裂缝台阶等,地表形态发生变化会对土壤的养分造成一定水平的间接影响;物理性质的变化也会对土壤的化学性质改变起到一定的推动作用,从而影响作物的生长,影响矿区的耕地质量。污染土壤的重金属主要包括镉、铬、锌、铅、铜及汞等元素。

(3)土壤生物多样性损毁开采沉陷对植物与农作物以及土壤中的微生物的直接影响,是位于采动裂缝坍塌和滑坡上的植物与农作物的根系被暴露甚至拉断,有的甚至直接被埋没或跌落在裂缝与塌陷坑中,同时对土壤的微生物的也造成了直接的伤害。

3.大气与水文环境

(1)大气环境污染井工开采的大气环境污染主要由排土场扬尘、尾矿石、煤矸石等造成。尾矿石在露天堆放情况下,经受风吹、日晒和雨淋,容易产生扬尘,对周围大气环境造成污染,煤矿开采产生大量的煤矸石,煤矸石氧化时蓄积热量到一定温度引发煤矸石山自燃,产生大量扬尘并释放有毒有害气体,使周围地区经常尘雾蒙蒙,并导致酸雨形成。

(2)水文环境破坏采矿干扰了田间水文,污染水质。矿山开采、选矿和冶炼生产中,引起上覆地层产生裂缝、变形或塌陷,破坏了矿层上部的地层结构,使原来隔水层的连续性遭到破坏,起不到隔水作用,上层水流入坑道,切断了含水层下游的补给来源,也使矿采区下游的泉溪断流,引起采矿区一定范围内土地潜水位的下降,并产生两个结果:耕地土壤含水量减少,墒情变差,影响作物生长;地下水的破坏会直接影响矿区耕地周边水资源的数量和质量。同时,采矿还会排出大量的矿坑废水、选矿和冶炼废水,废水含有大量的矿物质和化学药剂,另外开采方式接纳的化学方法,势必要污染矿区的水质和耕地土壤。尤其在矿区和矿区下游的污染更为严重。

4.设施与景观

(1)设施损毁与土地压占对于井工开采,塌陷区内建(构)筑物等对象受到不同水平影响。除此之外,还将造成除了通例的资源损毁问题外的附带问题。由于矿区开采对基础设施的破坏直接导致耕地抗破坏能力下降,失去保护设施,导致耕地的使用价值下降,甚至荒废,所以对基础设施的保护不容忽视。资源压占主要指矿区生产用地,如煤矸石山、爆破器材库、排土场、尾矿库等压占土地资源,在直接资源压占上,露天与井工并无区别。值得注意的是,矿区建设用地如工业广场等压占用地由于作为人工建筑可连续利用,虽然在形式上是资源压占,但可在闭矿直接连续利用。

(2)景观破坏景观是人类精神和理想在实质环境与自然环境的具体体现,是由各种物体和形、色、质、光、声等因素相互影响、交织、配合而成的外部环境的综合反映,它只有过程和暂时的结果,并且主要凭借人的视觉通道相连接。景观包括自然景观、人工景观和人文景观。景观环境是人类空间中相对稳定的构成要素,它包括自然环境和人造环境,具有固定或相对固定的形态特征。景观环境中任一构成要素的变化都将对人产生影响。井工开采产生了地表塌陷,其堆积物如煤矸石山,地表建设用地如工业广场、爆破库等对矿区自然景观产生了严重损坏。

(三)露天开采具体损毁形式

与井工矿相比,露天矿建设速度快、资源回收率高。然而,露天开采对自然生态环境的水资源、土地资源和大气等资源的破坏和危害也很大。

1.挖损

矿种挖损是指由于露天采矿、取土、挖砂、采石等活动致使原地表形态、土壤结构等对象的直接破坏,使原地类的原有功能丧失,是对原来地表形态、地质层组、生物群的直接摧毁,原生态系统不复存在。挖损存在三方面危害。

(1)资源破坏挖损的大面积剥离表土,导致岩石裸露,破坏了相对稳定的地形、土壤结构、植被,由于挖掘的不断推进破坏了原有的表层土质,使地类(耕地)丧失了原有的使用价值,造成了减产,甚至荒废。另外,若不及时接纳相应的回填措施,将会形成几十米乃至上百米的深坑。

(2)养分与水土流失挖损改变了耕地肥力,耕地地表出现裂缝,致使有毒物质流入缝内、水土流失等,导致耕地的肥力下降,降低了使用价值;其彻底改变了土壤养分的初始条件,改变了下垫面条件,改变了地表径流水沙特性,增加了养分流失的机会,产生明显的土壤侵蚀效应。

2.压占

压占(包括临时占用)是矿产开采过程中产生的废弃岩土堆置于原地貌上,造成原生态系统的破坏和丧失。压占主要指煤矸石压占、粉煤灰压占、露天矿排弃剥离物压占及金属矿尾矿库压占土地,固体废物数量庞大,种类繁多,物理化学性质复杂而处理设施严重不足,回收利用率低下。

(1)资源损毁压占堆积的物体,初期可以用于充填塌陷地、裂缝和荒沟等,但随着堆积物量的逐日增加逐渐暴露问题。首要的是作为压占物,大面积压占直接导致原地类失去了使用价值,造成可利用面积减少。

(2)养分及水土流失压占堆积体的坡度、坡向、坡型、地表物质组成,与原土壤、植被等景观要素发生了巨大的变化。

(3)大气污染露天开采与井工开采的大气污染形式类似,此处不再赘述。

(4)水土污染金属矿开采后经洗选产生的尾矿中常含有一些有价值组分,是潜在的矿产资源,但同时往往含有有毒元素如重金属和氰化物等,堆积形成尾矿废弃地压占并污染耕地,降低了耕地的生产力。

3.景观破坏

露天开采的开采工艺,其开采任务结束后总会遗留下一个较大的深坑,原有地貌的表层土壤和岩石被挖出,地表植被和生态被摧毁,而煤炭开采完成后产生基岩裸露、坡度较陡的台阶状的深坑,原地貌景观完全被损坏。

XML 地图 | Sitemap 地图