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【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术

【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术

  • 分类:技术交流
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  • 发布时间:2019-11-27 10:23
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【概要描述】【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术摘要:由于矿藏的不可移动性,导致矿山在长期开采运行过程中出现了严重的环境污染情况,不仅破坏了区域动植物系统,而且导致区域水系结构出现了严重的毁损。据此,本文以矿山环境治理方法与生态修复技术为研究要点,阐述了矿山环境治理与生态修复现状,分析了矿山环境治理与生态修复中的生态环境效应,讨论了矿山环境治理与生态修复必要性。结合矿山环境治理与生态修复影响因素,对矿山

【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术

【概要描述】【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术摘要:由于矿藏的不可移动性,导致矿山在长期开采运行过程中出现了严重的环境污染情况,不仅破坏了区域动植物系统,而且导致区域水系结构出现了严重的毁损。据此,本文以矿山环境治理方法与生态修复技术为研究要点,阐述了矿山环境治理与生态修复现状,分析了矿山环境治理与生态修复中的生态环境效应,讨论了矿山环境治理与生态修复必要性。结合矿山环境治理与生态修复影响因素,对矿山

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【技术前沿】矿山环境治理方法与生态修复技术

摘要:由于矿藏的不可移动性,导致矿山在长期开采运行过程中出现了严重的环境污染情况,不仅破坏了区域动植物系统,而且导致区域水系结构出现了严重的毁损。据此,本文以矿山环境治理方法与生态修复技术为研究要点,阐述了矿山环境治理与生态修复现状,分析了矿山环境治理与生态修复中的生态环境效应,讨论了矿山环境治理与生态修复必要性。结合矿山环境治理与生态修复影响因素,对矿山环境治理与生态修复技术实践应用进行了简单的探究。

 

关键词:矿山环境;治理;生态修复

 

前言:人口、资源、环境,是当今社会可持续发展进程中面临的主要问题,实现人口、资源环境的均衡和谐发展势在必行。从理论层面进行分析,地方环境可持续发展是社会整体稳定运行的子集。而矿山生态环境治理及修复则是地方环境可持续发展的关键。据此,综合利用恢复生态学、资源经济性原理及方法,对矿山土地生产力恢复及矿山生态系统维护进行探究分析具有非常重要的意义。

一、矿山环境治理与生态修复现状

 

1.1矿山环境治理及生态恢复概述


矿山环境治理及生态恢复主要是利用人为工程手段或措施,在植被恢复不佳的矿山废弃裸地坡面位置,为区域植被生长创作适宜的土壤环境条件。同时引入先锋植物群落,对裸露地面进行初期覆盖,以避免矿山废弃地荒漠化、水土流失,为后期目标群落形成奠定基础。

 

1.2矿山环境治理及生态恢复现状

 

在近十年发展进程中,我国矿山开发事业飞速发展,矿业在国民经济中作业也直线上升,取得了突出的经济效益。但是,由于矿产资源开采是人类活动中最大规模改变地表景观、破坏地表生态系统的活动,我国大规模的矿山开采对我国土地环境造成了极大的破坏,促使矿区周边土地资源急剧减少。现阶段我国总矿山数量在20*104个以上,广泛分布于经济欠发达地区及偏远地区。由于小型采矿活动工艺较落后,且缺乏规范的管理制度,导致其存在较为严重的资源浪费问题。整体矿山管理的失控,也加剧了矿山对土壤的破坏。我国多数矿区生态恢复率大多在0左右,这种情况下,若我国不及时对小规模矿山进行有效治理,就会影响总体矿区废弃地生态恢复率。

 

从某种程度上而言,我国矿山环境治理及生态恢复大多为生态重建的方式。现阶段我国矿山生态重建主要针对采矿活动进行中造成的露天采矿场采空区、尾矿场、排土场、塌陷区进行生态重建。其中露天采矿场采空区主要生态重建方式为天然植被恢复、人工促进植被恢复两种类型。配合蓄水重建、挖深垫浅技术、农林重建等措施,可促使植被加速恢复;而尾矿场生态重建主要利用人工绿化的方式,通过矸石生态重建、塌陷区生态重建,促使生态恢复;排土场生态重建主要用技术为排土场土壤植被恢复、排土场土壤稳定技术、植被物种筛选配置技术等;塌陷区生态重建主要依据矿区采矿塌陷区重建后发展方向,综合考虑农业、水产养殖、建筑等因素,制定对应的生态重建方案。

 

二、矿山环境治理与生态修复生态环境效应

 

2.1水文地质变化及区域水质污

 

在矿山开采过程中,矿区疏干排水、矿区裂缝及塌陷等问题的发生,会直接影响矿区开采模块地下储水结构发生变化,进而导致地下水位下降、大面积疏干漏斗出现、地表径流变更等问题发生。再加上矿山开采阶段矿坑水、废水淋滤水等工业废水的排放,对矿山周边水源造成了严重的污染[1]。

 

2.2地质灾害发生概率增加

 

矿山开采作业的进行必然会导致地下采空问题发生。而地下采空问题的发生,不仅会影响矿山周边山体及斜坡的平稳安全性,而且会加剧地面开裂、坍塌、滑坡等事故发生概率。再加上矿山开采排放废渣大量堆积在山坡、沟谷位置,废石废渣与泥土混合会直接导致废石废渣摩擦力、透水性减小。此时若出现暴雨天气,则会增加泥石流发生概率。

 

2.3土壤污染与退化

 

在矿山开采后需要将表土清除并覆盖新土或矿渣,而采矿过程中大型采矿设备的重型荷载作用,会导致矿渣或新土逐渐坚硬、板结。再加上矿区地面采空塌陷问题的发生及矿山固体废渣的排放,会直接导致土壤产生裂隙。随着土壤裂隙的扩大,土壤养分会逐渐流失,矿山固体废渣中毒害成分会直接渗入土壤中,造成严重的酸碱污染、重金属污染、有机毒害物质污染。

 

2.4水土流失加剧

 

在矿山开采过程中,由于露天矿坑开挖、井工矿抽排地下水等作业,会直接破坏地表植被。进而导致矿山开采区域地下水位出现大幅度下降,逐渐形成大面积人工裸地。此时若出现大面积降雨,则会在矿山地面起伏及沟槽的作用下加速地表水流动,最终促使水土冲刷加剧。

 

三、矿山环境治理与生态修复影响因素

 

3.1土壤因素

 

土壤是矿山环境治理及生态修复作业正常运行的前提,也是岩石圈表面植被存活生长的关键因素。其不仅可以提供植被存活生长所需的矿物质元素、水分,而且可以为生态系统中生物部分、无机环境相互作业提供载体。这种情况下,土壤内酸碱值、土壤结构、母质、营养状况等因素,就直接影响了矿山环境治理与生态修复效果。

 

3.2光照强度

 

光照强度是矿区内植被光合作业主要能量提供者。根据光照强度的差异,矿区环境治理人员可选择适宜的生态恢复植被类型,如耐阴植物、阳性植物等,以保证生态修复效果。

 

3.3温度及水分

 

温度可以通过气温、地温两个渠道对植被生长活性造成影响。而植被生长活性直接影响了矿区环境治理与生态修复效率。

 

水分是植被正常存活生长的关键因数,也是植被光合作用及呼吸作用的主要参与元素。其可以为植被矿物质营养吸收、运输提供良好通道。植被供水情况,也直接影响了矿区环境治理及生态修复效果[2]。

 

 

四、矿山环境治理与生态修复典型技术

 

4.1矿山土壤污染治理典型技术

 

4.1.1表土转换及客土覆盖

 

表土转换主要是在矿区开采作业开展前期,作业人员可首先将层、亚表层土壤挖走,并储存在适宜的环境中。在矿区采矿作业结束后,将以往储存的土壤放回原处。上述方法虽然在一定程度上破坏了矿区周边制备,但是整体土壤物理性质、种子库、营养条件没有较大的变化,可以便于本土植物在较短的时间内生长存活。

 

客土覆盖主要是矿区开采后废弃地土层厚度不足时,利用异地熟土覆盖的方式,固定在矿区开采后废弃地表土层。在改良矿区开采后废弃地土壤理化性质的同时,也可以通过在客土中添加微生物、氮素、植物种子,为矿区废弃地制备重建提供良好条件。

 

4.1.2土壤物理性质改良

 

提高矿区废弃地土壤孔隙度是矿区土壤物理性质改良的主要目的。在短期内矿区土壤物理性质改良作业中,矿区环境治理人员可以采用犁地,或者农家肥施加的方式,降低土壤容重,改良矿区废弃地土壤结构。同时对于酸碱度不佳的矿区土壤环境,矿区环境治理人员可以利用生石灰,或者碳酸氢盐,进行酸碱度调节,以增加土壤中钙含量。

 

4.1.3土壤化学性质改良

 

改良矿区废弃地土壤化学性质是一项长期的工程。因此,矿区环境治理人员可在化学肥料、固氮植物应用的基础上,针对矿区土壤重金属污染及有机废弃物污染情况,采用适量微生物进行调节治理。

 

4.2矿山植被恢复典型技术

 

4.2.1植被生长卷铺盖法及高陡岩石边坡绿化法

 

植被生长卷铺盖法主要应用于坡度较缓且低矮的土质边坡,利用当地草皮进行铺种。其可在短时间内形成目标种群。

 

高陡岩石边坡绿化法主要是通过在矿山边坡面上种植植被可持续生长的基质。并将基质长时间固定在矿区开挖后岩石边坡面层。同时利用废弃秸秆制作的固土板状结构,根据不同地质条件,进行植被物种选型及室外生长实验,以保证高陡岩石边坡绿化效果。

 

4.2.2液压喷播法及喷混植草法

 

常用的液压喷播法主要包括挖沟换土液压喷播、客土液压喷播、湿法喷播等几种类型。其中挖沟换土液压喷播主要应用于土量较多且强风化演示坡面;而客土液压喷播主要应用于土量较少且岩石边坡;湿法喷播主要应用于坡度较缓的土质边坡。液压喷播法具有速度快、效率高、适用区域广、机械化程度高的特点,可在短时期内达到草坪绿化的目的。

 

喷混植草法适用于全部岩石边坡,配合锚索或锚杆框格应用,可以控制边坡局部或大体积滑移。在喷混植草方式应用过程中,矿区生态治理人员可以植被混凝土配方设计为核心,综合利用生物学、土壤学、园艺学、水土保持工程学、岩石工程力学、环境生态学等专业学科知识,考虑矿区边坡角度、岩石性质、边坡地理位置、绿化要求等因素,确定植被添加剂及草种种植比例。如水泥、腐殖质、保水剂、混凝土绿化添加剂、沙壤土、水、混合植草物种等。一般来说,在混合植草物种选择过程中,矿区生态治理人员应依据矿区生物生长特性,选择四季常青且可自然繁殖的植被物种。

 

4.2.3生态多孔混凝土绿化及挂三维网植草法

 

生态多孔混凝土绿化法最初应用于21世纪初期天津外河改造工程。其主要是在无沙大孔混凝土内,进行酸性聚合物、聚酯稀纤维的掺加。并逐层覆盖腐殖土、种子、稀释肥料、保水剂、植物纤维等物质,为植被物种生长提供良好的条件。

 

挂三维网植草法主要应用于土质较缓且存在部分砂石的边坡。其在实际应用中,需要对边坡坡面进行清理,并在矿区边坡上层废石废渣清理完毕后进行平整处理。随后进行三维网挂设及固定。根据边坡类型的差异,三维网挂设方式也具有一定变化。以挖方边坡为例,矿区生态治理人员需要将三维网预先埋入边坡坡体上部截水沟内,依据自上而下的顺序,沿边坡走向逐步平整铺设。同时采用机械搭接的方式,促使相邻三维网与坡面紧密贴合。并采用U型钉子将三维网固定在边坡坡面上,避免褶皱、悬空问题对三维网植草效果的影响。在三维网固定之后,矿区生态治理人员可采用粘性土、泥炭肥、复合肥等物质,均匀混合后注入固定三维网内。随后进行填土操作,并在土层内施加消毒剂、肥料、土壤改良剂。最后,矿区土壤治理人员可选择合适草种,利用高压喷播植草机将草种均匀喷洒在边坡三维网上。

 

除此之外,对于岩石边坡或者坡度较缓的岩土混合边坡,矿区生态治理人员也可以利用浆砌空心砖培土种草与喷混植草结合的方式。即在框格内全坡面铺设空心砖,并在空心砖内喷射草种,其可用于重灾害型矿山区。

 

4.3矿区水土流失综合治理技术

 

4.3.1矿山植被恢复工程

 

矿区植被恢复技术主要是利用当地植被,逐步调整矿区生产环境,降低水土流失问题。在矿区植被恢复技术应用过程中,矿区环境治理人员可综合考虑矿区气候、土壤条件、植被品种近期表现及长期优势、植被生物学特性等因素。优先选择成活率高、速生、固土效果好、根系发达的植被,保证植被恢复技术应用效果。

 

4.3.2边坡防护及固体废弃物拦挡工程

 

边坡防护工程主要针对矿山开采阶段形成的不同类型的边坡,在植被恢复措施实施的基础上,结合边坡稳定程度,采用石砌护坡、植被护坡的措施,保证边坡稳定。

 

固体废弃物拦挡工程主要是在矿区废弃地或者废石废渣堆积地,进行排水工程、拦渣坝、挡渣墙等设施建设,以达到防漏、拦挡的目的[3]。

 

4.3.3坡面排水及土壤整治工程

 

坡面排水工程主要针对威胁矿山安全的坡面,根据边坡长度,进行截流沟、排洪渠的分段设置。结合林草带的综合布设,可降低坡面径流对地表冲刷作用,保证矿区开采作业平稳进行。

 

土壤整治工程主要利用排蓄结合的方式,针对矿山生产阶段产生的废弃工业场地、废石堆、尾矿库等废弃区域,进行排水拦渣作业。同时对服务期满的尾矿库进行复垦措施,以保证三废问题的有效解决。

 

五、矿山环境治理方法与生态修复技术实践

 

5.1工程概述


5.1.1****矿区土壤地质条件

 

****地位于长江、澜沧江、黄河发源地,以往该地具有种群繁多的高寒草原,而在近几年的发展进程中,随着该地矿区开采作业进行,****矿区现已形成了125个废弃矿山,总占地面积750.23公顷,废弃矿渣总量132522m2。再加上全球气候变暖的影响,导致该地生态环境逐步出现了暖干化趋势。低湿草甸植被也逐渐转化为中旱生植被,整体生态环境脆弱程度逐渐增加。特别是近期矿山资源滥挖乱采,导致****地形成了大面积不同程度的裸地,该地荒漠化、沙化程度明显,沙尘暴、泥石流等灾害发生频率也大大增加[4]。

 

5.1.2****矿区水文气候条件

 

****矿区为典型高原大陆性气候,年温差较小,日温差较大。且****矿区日照时间较长、辐射强烈,无四季区分的气候特征。由于高原冷高压影响,****矿区冷季持续时间长达6个月,降雨较少且风沙较大;****矿区暖季受西南季风影响,降雨较多且气温较高。****矿区年均温为-1.8℃,最高气温及最低气温分别为25.0℃、-31.2℃,季节性冻深为1.75m。具有明显的水平、垂直分带气候特征。

 

5.2环境治理与生态恢复方案分析

 

由于****地区域内存在大面积采矿场属机械化开采区,区域内高低起伏明显,且矿坑面积较大、矿沟深度较大,无法进行简单的表层土转换覆盖作业。因此,在该区域环境治理及生态恢复方案设计时,区域环境治理人员可利用人工生态治理方案,首先,通过采取复垦平整的方式,将****矿区拟恢复区高低起伏明显的裸地进行适当处理,形成具有一定坡度的平缓地面,以便最大控制降雨对区域坡面冲蚀作用[5]。

 

其次,针对****矿区现阶段土壤情况,****矿区生态治理人员可以综合采用改土及客土回填的方式,在没有母质,或者土壤的裸露地面创造适宜的土壤环境。同时对于****矿区水分条件较恶劣的区域,可采用灌溉措施,为****矿区裸露地面制备存货生长提供良好的条件。

 

最后,****矿区生态治理人员可综合考虑****矿区水文条件、土壤地质条件,选择与本区域生长环境相适应的植被物种。通过在适宜播种季节进行植被物种的均匀撒播,或者条播的措施,可为环境治理及生态恢复提供良好的条件。

 

5.3环境治理与生态恢复措施实施


5.3.1****矿区复坑平整及引水淤灌

 

一方面,****矿区生态治理人员可选择大型推土机,沿尾矿砂回填整平——剥离砂砾石回填整平——整体地面整平的顺序,进行复坑整平措施。

 

另一方面,在确定****矿区土壤平整度符合预期处理标准后,****矿区生态治理人员可以采取引水灌溉措施,促使土层密实,以形成新的地下径流。随后****矿区生态治理人员可在砂土表层覆盖一层淤积土,以便在保证土壤湿度的同时,避免新的沟槽形成[6]。

 

5.3.2****矿区覆土回填及种子播撒

 

一方面,在尾矿砂、剥离砂砾土整平达到平顺度要求之后,****矿区生态治理人员可以利用胶轮车人工作业运土的方式,控制覆土回填厚度在0.20m以上。

 

另一方面,在覆土回填之后,****矿区生态治理人员可以在整平淤积灌溉恢复土层的地块,进行20.0cn浅耕作业。随后利用耙磨设备将表层土块细碎,促使土层与植被物种紧密接触。在这个基础上,****矿区生态治理人员可以选择经质检部门鉴定的种子,利用环形镇压器,进行滚轧断芒作业。为保证所选择的植被物种可以在****矿区正常生长,****矿区生态治理人员可以综合考虑****矿区地理气候特点及成土母质特性,从植被物种抗性(耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐污染、耐热)、区域性(当地物种)、可采集性(性能优异)等方面,依据长短结合原则,选择合理的物种,如老麦芒、垂穗披碱草等。同时考虑到****矿区生态环境较恶劣,且土壤贫瘠地层薄,整体自然环境恢复难度较大。因此,****矿区生态治理人员可综合考虑矿区当地条件、当地现有草种生物学特征及以往实践经验,选择具有一定抗逆性的多种草种混合播种。如为保证****矿区物种重新侵入,形成良好的目标植被群落,****矿区生态治理人员可以将先锋草种老麦芒、垂穗披碱草以2/3的比例混合播种。除此之外,由于****矿区土壤条件较恶劣,且植被成活率较低,为将其后期养护管理经济损耗,****矿区生态治理人员可以选择当地乡土植被,在先锋草种选择的基础上,以豆科植物作为先锋树种,进行乔木+灌木+藤本植物+草种多层植被群落的构建。其中乔木层位于最上层,可选择香樟、乌柏树等树种;灌木层位于次上层,可选择树种为野蔷薇、绣球花等种类;藤本植物位于次下层,主要种植类型为凌霄、金银花等。

 

最后,由于****矿区位于高原腹地,海拔较高且气温较低,整体制备生长时期较短。植被播种时期的选择直接影响了植被物种生长及根系发育,因此,****矿区可综合考虑植被物种根系发育及幼苗生长,在当年六月中旬或七月上旬,将播种前植被物种与河土均匀覆盖后,依据规定的播种量进行均匀条播,或者均匀撒播。并在播种后种子上覆盖3.2cm左右土层。同时考虑到修复初期****矿区边坡并不具备植被物种生长调节,****矿区生态治理人员可人为创造先锋草本植物生长调节,在固定砂石及表层植被覆盖后,****矿区生态治理人员可进行矮生灌木类植被栽植。在矮生灌木类植被、草本地皮形成后,****矿区生态治理人员可进行藤本植物、乔木植被依次种植。考虑到植被立地条件与栽植技术的关系,在****矿区采场平台坡度交缓且土壤透气性较差的区域,****矿区生态治理人员可选择生态多孔混凝土绿化及挂三维网植草法;而在****矿区采矿平台坡度较陡且土壤透气性良好的区域,****矿区生态治理人员可选择高陡岩石边坡绿化法、湿法喷播;在****矿区平台坡度较缓且土壤透气性良好的区域,****矿区生态治理人员可选择植被生长卷铺盖法及浆砌空心砖培土种草与喷混植草结合的方法;在****矿区采矿平台坡度较陡且土壤透气性不佳的区域,****矿区生态治理人员可选择挖沟换填湿法喷播及喷混植草法[7-8]。

 

此外,基于****矿区特殊情况,在高陡边坡生态修复时,以往客土换填及表土覆盖的方式并不能保证坡面喷播基材厚度达到设计标准。因此,除以往边坡修复技术应用以外,****矿区生态治理人员可利用坡面人工台阶加固引流技术,在坡面清理及分区测量的基础上,利用锚杆连接装置,将人工台阶固定在****矿区开挖平台废弃坡面上。并在人工台阶两侧,利用螺栓、插槽等固定措施,进行引流装置安装。结合人工台阶正下方坡地位置回收水槽的设置,可保证后期植被物种喷播作业正常进行。

 

表1 ****矿区坡面测量分区参数

 

 

由表1所示,在人工台阶加固引流技术应用过程中,****矿区生态治理人员可根据分区测量数据,进行台阶底板、台阶后壁长度、厚度等参数的设置。依据****矿区实际情况,****矿区生态治理人员可选择松散且无粘性的土质土坡,喷洒含有一定粘结剂且成型能力较强的基质。根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001的相关要求,为保证****矿区坡面岩体加固效果,****矿区生态治理人员可控制锚杆间距在100-120cm左右。****矿区锚杆间距为80cm*80cm。根据锚杆设计间距,****矿区生态治理人员可在不同坡面区域内标注各级人工台阶后壁轮廓。并记录对应编号的坡面倾角,以保证后期台阶安装阶段底部、台阶后壁夹角与****矿区边坡倾角互补。随后在****矿区人工台阶安装阶段,****矿区生态治理人员可以预先除去****矿区边坡外凸部分,并用水泥砂浆填充空隙。随后将台阶后壁紧贴在****矿区坡面上,依据台阶后壁标注的锚杆位置,采用钻机,打通台阶厚壁、坡面。并采用锚杆,将****矿区台阶后壁、坡面紧密、稳定连接。具体锚杆孔径、孔深,****矿区生态治理人员可依据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001的相关规定进行合理设计[9]。

 

5.3.3****矿区植被保护及管理

 

为保证****矿区植被正常生长,****矿区生态治理人员可在每亩追施磷酸二铵、尿素等肥料,每亩施加18kg。随后在播种第二年进行一次刈割。

 

5.4环境治理与生态恢复方案实施效果

 

经环境治理及生态恢复技术应用后,****矿区废弃地林草覆盖率得到了有效的提升,不仅吸引力野生动植物栖息繁衍,而且控制了区域水土流失,整体生态环境得到了有效的改善。同时****矿区废弃地环境治理及生态恢复方案实施后,土壤有机质、氮、磷、钾元素含量得到了有效的提升,土壤结构不断优化,驱动****矿区及周边区域生态环境向良性转变,有效的改善了****矿区生态环境及小气候[10-12]。在减少****矿区突然侵蚀、沙尘暴及风力侵蚀危害的同时,也减轻了滑坡、泥石流的危害,保障了****矿区周边居民身心健康。

 

六、总  结

 

综上所述,典型矿区环境污染治理及生态环境修复技术主要包括物理治理技术、生物治理技术、化学治理技术三个模块。其中生物治理技术主要从微生物、动物、植物三个方面进行修复,具有环境扰动小、投资少、设施便捷等优良特点。因此,在矿区污染治理及生态修复阶段,矿区环境治理人员可综合利用生物治理技术、物理治理技术及化学治理技术,通过矿区土壤培肥改良,同步改善矿区土壤团粒结构、酸碱值、土壤养分、有机质等模块,为矿区生态恢复目标的实现提供保障。

 

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