煤矸石的生态修复

矸石山的修复技术

淮南市是我国重要的煤炭生产基地之一，也是未来我国重要的煤电一体化生产基地。由于煤矿开采产生的大量矿业废物——煤矸石，露天堆放,形成煤矸石山,或堆积在塌陷洼地或其他洼地处,矸石的长期堆积不但会引起环境污染,如由粉尘引起的大气污染、由酸性废水引起的水污染和土壤污染等等，而且更因为矸石堆水分含量极少，严重缺乏植物生长所必需的营养物质，使得其上难以生长植物，造成严重的土地资源浪费和生态系统的破坏。

本文主要通过对大通矸石山污染区的生态修复技术探索，阐述和推广一些矸石山环境治理与修复技术。

1. 项目现状分析

1.1 区位分析

大通矿生态环境修复区范围东至规划中兴路，西到规划淮舜南路，南起规划沿山路，北达规划洞山东路，占地面积约438公顷。地理坐标为：东经117°01′44.6″-117°03′29.8″，北纬32°36′46.4″-32°37′49.0″。

修复区紧邻淮南主城区，并在淮南市城市发展规划“东进南扩”范围之中，舜耕山将来很可能成为一座“城中山”，规划中的淮舜路和中兴路南北向贯穿于修复区，成为连接山北主城区和山南新区的主要交通干道，是两城区之间相互联系的纽带，同时也是未来淮南城市生态环境的标志性区域之一，在城市规划中占有相当重要的地位。

根据不同地区的特点和污染情况将整体修复范围划分为四个不同类型的污染区域（标识位置为重污染区）：山坡林地；矸石和垃圾堆区域；塌陷和取土坑；其余地区。其中，二号区和四号区主要为矸石山堆场。

1.2 矸石堆现状概况（图一）

二号区矸石堆场占地面积0.9hm2，表明平整，无起伏，厚度在2m至6m左右，沿斜坡逐渐增厚，矸石堆压实状况良好，表明由于堆放原煤，有车辆与行人，表明无植被，矸石堆下面是芦苇地，低处有零星积水；四号区地形破碎，区域范围比较大，面积1.2hm2，矸石堆场位于区域北侧，场地内有建筑垃圾、生活垃圾的混合物。矸石堆放混乱，地貌高低起伏，地形破碎不堪，南侧有一雨水冲刷而成的排水沟，不规则，最宽处2米左右。

分区图

二号区局部原状图 四号区局部原状图 2．土壤与水体分析

要制定准确、快速、有效的的修复方案和依据，必须对现场水体、土壤、植被等基本情况进行调查分析，从而有针对性的进行实施。

2.1 土壤分析：取不同深度土壤样本，分析样本的主要营养成分。

先分析矸石堆样本的主要营养成分。在二号区矸石堆的边坡采集混合样一个，矸石堆的中部分别采集0-20cm 9号样，20-40cm 10号样, 40-60cm 11号样各一个，(需先挖剖面，规格为 1m x 1m x 0.8m ，观察剖面形态要素后，根据剖面层次，每层从下到上取出一个土样，取下装入袋中。)每层 3—4 点重复，芦苇旁（矸石的渗漏液流经的土壤）采样12号样。对于该区域的土样化验显示，水分含量在5%—15%，含水量偏低；pH 值在2.7—5.4之间，其酸性很强。

四号区矸石堆采样22号样，垃圾、矸石混合堆放场采样三个23号，24号，25号。对于该区域的土样化验显示，含水量为15%左右；常青矿的矸石PH 值为6.2，呈微酸性，矸石垃圾混合堆放场的PH 值为7.4-8.4，有一处为11.3，呈碱性。 2.2 水体分析：分析对象包括垃圾渗出液、地表积水和地下水。

提取各类水体样本，进行水质化验，分析指标应包括DO 、COD Cr 、BOD 5、TN 、TP 、NH 3-N 、pH 和SS 。可能引起湖泊水质出现富营养化的主要污染物TN 的含量偏高。

2.3植被分析：根据不同的生境类型、植被类型，选取了不同的样方，调查内容包括物种组成、群落结构、高度、盖度、物种出现频率、重要性指数等。

通过调查显示，区域内的植被类型相对单一，乔木林全部为人工栽植。平缓林地主要有水杉林、麻栎林、洋槐林、杨树林、及侧柏林，林地中缺少亚乔木层和灌木层，而且地被草本层也很稀疏；煤矸石区植物有少量小灌木和草本植物。

煤矸石区有两种情况，一种比较坚实，表面生长的植物很少，只在边缘有少量植物。另一种堆积时间较长或较松，有灌木和草本生长，一般盖度在30%左右。 3． 数据分析 3.1 水分含量

51015202530

水分含量在2号区水分含量在5%--15%，含水量偏低，需要考虑选择耐旱性植物；4号区含水量在15%左右。 3．2 PH 值数据

2

4

6

8

10

12

2号区pH 值在2.7—5.4之间，其酸性很强

4号区，矸石为6.2，在混合垃圾堆放处，7.4-8.4，有一处呈碱性（11.3） 3.3 全氮含量数据

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

2号区，为0.2—0.4，需要使用适量的氮肥

4号区，0.05—0.3，偏低，需要土壤氮肥养分的调节。 3.4 速效磷含量数据

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

2号区：含量在1.5--3之间，含量很低，需要补充磷肥。

4号区：矸石堆出含量很低，但是混合垃圾堆处含量达到了中等水平。 3.5 速效钾含量

4号区矸石堆含量较低为9.3,在混合垃圾堆的含量18.5—30.8，含量适中。 4.修复工艺

4.1 全矸石场地（二号区）的修复方法

全矸石区域上面基本没有植物，必须采取一定的措施才能作为土壤环境。矸石由于长期的压实，使得内部结构相当的坚硬，表土基本没有植物生长。对于该类型场地的土壤修复，也可以采用以下两种方案进行，可以达到修复土壤与复林的目的。

4.1.1挖坑栽树，表面覆土10cm(经济简洁修复方法，适宜复垦成林业用地)。具体分步的工艺如下：

4.1.1.1土壤污染治理工艺

对于该区域的土样化验显示，水分含量在5%-15%，含水量偏低，定期浇水以补充水分；pH 值在2.7 -5.4之间，其酸性很强，需要对其酸性进行治理，可以施用适量的石灰石达到中和酸性的目的，也可以在上面先覆上10cm 的粉煤灰，粉煤灰呈碱性，可以中和矸石的酸性；全氮含量为0.2g/kg —0.4g/kg ，低于土壤的平均水平，需要施用适量的氮肥；速效磷含量1.5mg/kg —3mg/kg 之间，速效钾含量1.5mg/kg —5.3mg/kg 之间含量很低，需要根据所选的植被进行酌量地补充磷肥；该区为矸石堆，有机质含量较高，满足复垦绿化需要。 4.1.1.2地形地貌修复工艺

先进行表面的平整工作，在完成了基本的平整工序后，根据3×3m 的密度进行挖坑，坑大小为长宽深均为60~100cm 的结构，然后在坑内植树覆土，其余未植树区域覆上10cm 后的表土，取土按照就近原则。本区考虑离塌陷坑很近，可以考虑将塌陷坑的表土作为覆土土源，塌陷坑表土只是由于沉陷而导致不能耕种，土壤并未破坏，而且现状为茂盛的苇地，土质良好，适合作物生长，所以将其作为覆土区域土壤表土。该方案很好的解决了作物生长所需的土壤环境，而且又大大节省了施工费用与对于客土量的需求，大大降低了成本。 4.1.1.3复垦土壤的改良工艺

由于该片矸石分化还不充分，内部结构坚硬，土壤养分缺乏，所以有必要采取必要的措施改良土壤。

土壤有机质缺乏，肥力低下的特点，增施有机肥与无机肥，提高土壤养分，为林业种植提供基础。

进行深耕，改善土壤结构，增加土壤空隙度，调节有机质以及N ，P ，K 在土壤中的分布，促进土壤养分在土壤中的合理分布，定期浇水，维持土壤含水量。 4.1.1.4复垦土壤的植被选择

本着复林速度快，各方面效益好的原则，选择树形好，枝叶茂盛，生长速度快，病虫害少等优点，能迅速成林的乡土品种，采用3×3m 的造林密度，其余撒混播草仔，合理栽植，

5 10

15 20 25 30 35 40

科学管理，可以达到预期的效果。

4.1.1.5 后期维护措施

后期的维护措施为主要为苗木的抚育管理，具有重要的意义，俗称“三分栽植，七分管理”，通过对林地植被的管理与维护，为植物的成活、生长、繁殖创造良好的环境条件，使之迅速成林。无论是在幼林阶段还是在成林阶段，必要的抚育管理直接关系到植被的生长效应、防护效应与经济生态效益的发挥。

植被的抚育管理包括林地的土壤管理以及植被的保护管理两个方面。土壤管理主要有灌溉，施肥，养护等措施。植被管理主要有平茬，整形修剪，防止病虫害以及保护林木防止人畜活动对于植被的破坏。施肥应以氮肥为主，植物在生长发育时需要大量的氮肥，适当辅以磷肥钾肥，多施有机肥。合理的灌溉制度可以保证植物生长对于水分的正常需求，也能有效地改善土壤的理化性状。

4.1.2分层剥离交错回填覆土50cm工艺进行栽树（适宜景观要求较高，植物配置多样性的修复方法）。具体分步工艺如下：

4.1.2.1土壤污染治理工艺

由于该方案采用客土法覆上了50cm的新土，所以原来土壤只要进行重金属污染治理，防止污染扩散，就可以事宜植被生长。

4.1.2.2地形地貌修复工艺

用分层剥离，交错回填的工艺进行覆土。分层剥离，交错回填是个优良的土壤重构方法。首先选择一块适宜的土地，作为取土区，用分层剥离的方法，交错回填至建筑垃圾场的表面，创造了一个全新的土壤条件。其基本的实施程序为：

将取土区与建筑垃圾场划为面积一致的若干地块，分别编号。

首先把取土区一号地块的表土，表土层一般20cm，暂时堆放。

然后把取土区一号地块的深土，深土一般为30cm左右，垫于建筑垃圾地块一号之上，然后去剥离取土区二号地块的表土覆于建筑垃圾场地块一号的表面。

然后剥离取土区二号地块的深土覆于建筑垃圾场二号地块下层，然后用取土区三号地块的表土去覆建筑垃圾场二号地块的表层。

依次类推，第n块建筑垃圾场的土层是由原取土区第n块的深土与取土区第n+1块的表土构成，最后一块的表层由第一块的剥离表层构成。

这样就构成了“分层剥离，交错回填”的土壤重构修复工艺，利用专用的开采设备能方便地实现分层剥离与交错回填，从而构造出一个适宜的土壤剖面，为以后的土壤培肥与林木种植创造一个良好的土壤环境。

4.1.2.3复垦土壤的改良工艺

由于客土条件优越，所以，增施一些有机肥与无机肥增加有机质与土壤养分含量，对土壤进行深耕，改善土壤结构，增加土壤空隙度，调节有机质以及N，P，K在土壤中的分布，定期浇水保证土壤含水量。

4.1.2.4复垦土壤的植被选择

由于客土环境的优越性，使得在选择品种的时候有根大的余地，可以适当的选择一些景观苗木，进行乔、灌木与地被植物混合种植，达到很好的景观效果，完善种植管理，保证林木健康生长。

4.1.2.5 后期维护措施

后期的维护管理与方案一基本相同，科学合理的后期苗木抚育管理，可以有效地改良土壤性状以及植被的生长状况，对于区域的治理效果起了很重要的巩固作用。

4.2 矸石、垃圾混合场地（区域四）修复方法

对于主要由矸石堆组成，另外混合小部分的建筑垃圾与生活垃圾的场地，一般由于矸石堆放时间较长，矸石分化情况比较好，可以直接作为植物生长的土壤条件，只要经过适当的措施，改善立地条件，植被便可以很好的生长，该场地类型也可采用两种方案进行修复。

4.2.1由于矸石分化效果良好，可稍微进行平整，直接栽树

4.2.1.1土壤污染治理工艺

对于该区域的土样化验显示，含水量为15%左右，适当浇水；矸石PH值为6.2，呈酸性，需要对其施用一定量的石灰石或者粉煤灰进行酸性的中和，混合矸石垃圾堆放场的PH值为7.4-8.4，属于正常值，不需要改良措施；该区的全氮含量0.05g/kg—0.3g/kg，需要进行土壤氮肥养分的调节；矸石堆速效磷含量很低，只有9.53 mg/kg，在混合矸石垃圾堆处含量达到了中等水平；矸石堆速效钾含量较低为9.3 mg/kg，在混合矸石垃圾堆的含量18.5 mg/kg-30.8 mg/kg，含量适中；该区煤矸石的有机质含量较高，达到中等肥力水平。

4.2.1.2地形地貌修复工艺

对混合堆放场地进行平整，在完成了基本的平整工序后，根据3×3m的密度进行植树。对于矸石山进行修整加固，防止坍塌，一些分化良好的矸石上可以进行先休整，后植树。对于坡底的水沟进行重新布设，建成合理的排水沟，在发洪水时保证及时的排水，防止水土流失与滑坡现象。

4.2.1.3复垦土壤的改良工艺

由于复垦土壤有机质比较缺乏，土壤的空隙度，持水能力，保肥能力都不是很好，所以考虑在土壤中多施用有机肥与无机肥，补充土壤养分，改善土壤结构，定期浇水，维持土壤水分，以改善土壤的理化性状。

针对土壤有机质缺乏，肥力低下的特点，增施有机肥与无机肥，提高土壤养分，定期浇水，为林业种植提供基础。

种绿肥压青可显著提高土壤养分含量，采用绿肥比如绿豆，田菁等进行压青，可以有效改善N、P、K在土壤内的分布。

4.2.1.4复垦土壤的植被选择

考虑到当地的气候条件与品种习性，选择树形好，枝叶茂盛，生长速度快，病虫害少的乡土品种，在短期内能迅速成林，呈现出优良的生态景观。根据3×3m的造林密度进行植树，以期可以达到好的效果。

4.2.1.5 后期维护措施同方法一。

4.2.2 直接覆土20cm工艺，进行栽树。具体分步的工艺如下：

4.2.2.1土壤污染治理工艺同4.2.1.1条。

4.2.2.2地形地貌修复工艺

先对地面进行一定的修整，然后对混合垃圾堆放场进行覆土，土层厚度为20cm，表土土源按就近原则考虑，然后进行林木的栽植，这样的苗木有个比较好的土壤环境，比较容易成活，复林效果也好的多。对于矸石侧坡应进行修整加固，防止坍塌，一些分化良好的矸石上可以进行先休整，后植树，也采用覆盖20cm的客土用于改良土壤环境。

4.2.2.3复垦土壤的改良工艺

多施用一些有机肥，增加土壤有机质含量，适量施用一些无机肥，提高土壤养分，为林业种植提供基础。秸秆还地，将农作物的秸秆，树叶杂草堆肥后施于地上，进行定期的浇水，维持土壤水分，可以有效改善林业种植的立地条件，明显改善覆土后的土壤条件。

4.2.2.4复垦土壤的植被选择同4.2.1.4条。

4.2.2.5 后期维护措施同4.2.1.5条。

4.3 生态垫的使用

当表层覆土厚度较薄或矸石堆边坡较大时，覆土层下应铺设生态垫已保持水土流失。生态垫一般网孔直径为０．４－１ｍｍ，孔隙度为７０－７７％，饱和吸水率为３５１－３６５％，使用生态垫后土壤保水性为壤土类土壤的５－９倍。生态垫能在陡坡和有水流冲刷作用的岸坡等条件下起到强有力的护土作用，从而支持植物生长；另一方面，当若干年后植被已恢复，根系发达时，棕纤维作为天然材料逐渐腐烂成为肥料，对环境污染小，而此时布设在棕垫内部的聚合物网格或玻纤网格仍可起到加强植被抗冲刷能力的作用。