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仿自然地貌修復技術

（一）人工地貌

通常，在礦山開采破壞前，礦區原本的經過10年乃至百年自然形成的自然生態系統遭受破壞，繼而促使了礦山地質環境生態修復的發生。礦山地質環境生態修復遠遠不可能使其完全恢復原本的狀態，事實上，更多的時候它是人為地重建一個人工生態系統，這也是生態重建的名詞在土地復墾中被廣泛使用的原因。

人工生態系統是指經過人類干預和改造后形成的生態系統，其易受人類社會的強烈干預和影響，且不穩定，易受各種環境因素的影響，并隨人類活動而發生變化，自我調節能力差，并且系統本身不能自給自足，依賴于外系統，并受外部的調控。同時，生態系統運行的目的不是為維持自身的平衡，而是為滿足人類的需要。所以人工生態系統是由自然環境（包括生物和非生物因素）、社會環境（包括政治、經濟、法律等）和人類（包括生活和生產活動）三部分組成的網絡結構。人類在系統中既是消費者又是主宰者，人類的生產、生活活動必須遵循生態規律和經濟規律，才能維持系統的穩定和發展。

典型的礦區人工恢復地貌如經過人工重建的綠化煤矸石山、大型堆砌排土場等，其往往具有較重的人工痕跡，形狀規則布局過于工整，且花費較大，但不易保持。人工生態系統需要長期的維護，在礦區尺度上，對于全國大量的大面積礦區來說，這種人工生態系統并不是最佳的選擇。

（二）景觀表征

對于礦山開采破壞景觀的具體評價，現有研究通常通過分形理論或景觀指數來表征。分形理論大多應用于對宏觀大尺度的地形和微觀尺度的土壤顆粒分布進行表征，通過單一分維數表征地形復雜程度，如河道地貌（朱嘉偉等，2005）、土地利用結構（趙晉寶，2014）、侵蝕沖溝等；通過多重分形譜表征地形的變異特征，如土壤粒徑分布規律（王金滿等，2014）等。但分形理論對于露天煤礦排土場等中小尺度的受損土地景觀表征研究相對較少（張莉等，2016）。

另一種表示法為景觀指數。利用景觀指數可以表征礦區土地景現破碎化程度，其連接性與異質性、結構、空間排列等。其主要使用指數包括：分維數、多樣性、優勢度、斑塊數目、景觀類型面積比例、景觀形狀指數、蔓延度、破碎度、香農多樣性指數與香農均勻度指數、分離度、均勻度等（畢如田等，2007；李幸麗等，2009；萬越，2015；張前進等，2006；韓武波等，2012），其表征意義可查閱相關參考文獻。

（三）景觀重塑與再造

由于礦山開采活動形成的人造景觀與周圍原有景觀不協調，景觀連接性差，造成生態系統的不和諧，導致了一系列生態問題，由此就衍生出仿自然地貌理論（張莉等，2016）。仿自然地面要求復墾后地形與當地自然景觀相協調，統籌保護土壤、水源和環境質量，復墾土地應當達到當地原有的可持續發展的景觀生態環境水平。

仿自然地貌更加注重當地原有的生態系統，盡可能接近原有地貌。首先是基于景觀生態學，根據斑-廊-基原理、景觀格局優化原理、多樣性與異質性原理等，在重建過程中增大景觀多樣性與異質性，規劃基質與斑塊組成較優的景觀格局。

同時，仿自然地貌注重微地形對生態系統的影響。微地形是針對地理學中巨地形和大地形而言的小尺度的地形變化，可以反映景觀整體形態特征（張莉等，2016）。日本學者對丘陵地區微地形進行研究并將其分為頂坡、上邊坡、谷頭凹地、下邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷床7種類型，而露天煤礦區內的微地形主要指部分區域出現的切溝、淺溝、緩臺、塌陷和陡坎等（鄺高明等，2012）。其注重坡面、坡向、坡度對微地形的影響，據此對微地形改造，對土壤屬性和微生境、降雨入滲和水蝕過程、植被恢復的效果及其生態服務功能等均有重要影響（衛偉等，2013），可以通過調節排土場邊坡，繼而構造出適宜的微地形，改善植被立地條件，預防水土流失和阻止水土侵蝕，改善土壤有機質和調節礦區小氣候條件。

仿自然地貌更多的參考原地貌形態與景觀、自然地貌形態特征。仿照自然地貌的設計能使重建和再造的土地景觀更具協調性和穩定性，生態結構更加合理，視覺效果和經濟型均有所提高。例如，我國山西平朔露天煤礦的排土場地貌在重塑時便運用該理論，仿照黃土高原丘陵山地的層層梯田，設計出相對高差一般為100~150米，平臺與邊坡相間分布的景觀格局，達到人工景觀與自然景觀相互協調的效果（陳曉輝，2015）。煤礦區周圍臨近成熟的、未擾動的地貌，同樣可以為復墾區地貌設計提供便利，建設自然式緩坡地與自然河道可減少研究區地表侵蝕及水土流失的可能性（胡振琪，1997）。

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邊采邊復技術

（一）邊采邊復的概念產生與發展

一種較為直接的看法認為，礦山地質環境生態修復是采礦的一部分。顯然，采礦是復墾的源頭，是生態修復的驅動因素，沒有采礦并不會產生礦山地質生態環境修復問題。復墾為采礦的破壞結果提供解決方案，它作為“采礦-生態”平衡的一個重要手段出現在采礦過程中，并不應當只是閉礦后的補救措施。事實上，提早展開復墾或采復一體化給礦山地質環境生態修復帶來了額外的收益。這種看法最早源于20世紀70年代美國學者在露天采礦過程中應用的理念。1973年，美國內務部組織編寫的露天礦邊采邊復技術培訓手冊明確寫有露天礦開采過程中復墾步驟的詳細規范，1977年頒布的聯邦采礦與復墾法中也明確要求采礦與復墾同步。這種理念是較先進的生態修復理念。

在我國，系統論述邊采邊復思想的時期較晚，由于我國多是井工開采，與露天開采的差異限制了國外采復一體化經驗的引入，其理念與技術并不能較好地應用于國內。1992年平頂山礦務局首次施用了類似“超前復墾”的相關技術，對礦區即將沉陷的土地開挖水渠、降低潛水位，使沉陷后的土地不因高潛水位積水，如董祥林（2002）。之后，趙艷玲等（2008）、肖武等（2013）拓展了結合開采沉陷規律的動態預復墾。2013年，胡振琪等提出了邊開采邊復墾的概念，探討了邊采邊復的內涵與關鍵技術（胡振琪等，2013a，2013b）。至今，邊采邊復研究仍然是土地復墾的重要問題。

（二）邊采邊復理念與概念的定義

邊開采邊修復技術概念是采復一體化的體現。事實上，邊采邊復就是采復一體化的另一種說法，是充分考慮礦山開采與地面復墾措施耦合，規劃開采措施、優選復墾時機與方案的一種思想（肖武，2012）。

邊開采邊修復強調開采工藝與修復工藝的充分結合，以保證按采礦計劃同步進行。其基本特征是以“采礦與修復的充分有效結合，也即采礦修復一體化”為核心，以“邊采礦，邊修復”為特點，以“提高土地恢復率、縮短修復周期、增加修復效益”為表征，并以“實現礦區土地資源的可持續利用及礦區可持續發展”為終極目標。

邊開采邊修復的基本內涵為地下采礦與地面修復的有機耦合：一方面，基于既定的采礦計劃，在土地沉陷發生之前或已發生但未穩定之前，通過選擇適宜的修復時機和科學的修復工程技術，實現恢復土地率高、修復成本低和修復后經濟效益、生態效益最大化；另一方面，通過優選采礦位置、采區和工作面的布設方式、開采工藝和地面修復措施，實現土地恢復率高和地表損傷及修復成本的最小化。

預復墾、超前復墾、動態復墾與邊開采邊修復既有聯系，又有區別。預復墾、超前復墾和動態復墾往往僅針對一個采煤工作面或采區進行探討，且主要是考慮既定采礦計劃前提下的復墾措施，而邊開采邊修復技術從整個礦山開采過程的角度出發，不僅提出何時、何地、如何修復，而且指導整個采礦生產，是地上和地下措施的有機耦合。因此，邊開采邊修復的概念和內涵比預復墾、超前復墾和動態復墾的更大、更深刻，但預復墾、超前復墾和動態復墾的已有研究為開展邊開采邊修復研究奠定了基礎，也是邊開采邊修復技術體系的重要組成部分。現階段邊開采邊修復主要還是基于井下采礦工藝和時序進行的修復方案的優選，未來將逐漸過渡到井下采礦與井上修復的同步進行。

（三）露天采礦邊采邊復

1.基本流程

1）剝離表土。在開釆第i條帶前，用推土機超前剝離表土并推存于開釆掘進的通道上。一般剝離厚度為20~30厘米，同時也應超前剝離2~3個條帶，即第i+1，i+2，i+3條帶。

2）在第i條帶的下部較堅硬巖石上打眼放炮。

3）用巨大的剝離鏟剝離經步驟2）疏松的第i條帶的下部較堅硬巖石，并堆放在內側的釆空區上（即第i-1條帶上）。

4）用可與剝離鏟在礦坑內交叉移動的大斗輪挖掘機（BWE），挖掘第i+1條帶上部較松軟的土層（B和C層土），并覆蓋在第i-1條帶內經步驟3）操作而形成的新下部巖層———較硬巖層的剝離物。

5）在剝離鏟剝離上覆巖層后，第i條帶的煤層被暴露出來，用釆煤機械進行釆煤和運煤。

6）用推土機平整內排土場第i-1條帶的復墾土壤———剝離物，就構成了以第i+1條帶上部較疏松土層（B和C層土）的剝離物為心土層、以第i條帶下部較硬巖層的剝離物為新下部土層的復墾土壤。

7）用鏟運機回填表土并覆蓋在復墾的心土上。

8）在復墾后的土地上種上植被（一般首先播種禾本科和豆科混合的草種），并噴灑秸稈覆蓋層以利于水土保持和植被生長。

2.關鍵技術

露天礦邊采邊復的核心技術是土壤重構技術。土壤重構即重構土壤，是以工礦區破壞土地的土壤恢復或重建為目的，采取適當的采礦和重構技術工藝，應用工程措施及物理、化學、生物、生態措施，重新構造一個適宜的土壤剖面與土壤肥力條件以及穩定的地貌景觀的方法。土壤重構所用的物料既包括土壤和土壤母質，也包括各類巖石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項或多項的混合物，只要在較短的時間內可恢復和提高重構土壤的生產力，并改善重構土壤的環境質量，就是有效的重構材料。

對于土壤重構，動態的、有效的規劃露天采礦的土壤重構方案可以縮短復墾周期，提高復墾效益。其實質是對不同重構材料，按照其材料特性，進行合理充填順序與結構的合理規劃。上述“分層剝離、交錯回填”的露天邊采邊復正是這種思想的體現。例如常見的泥漿泵復墾，泥漿作為充填材料，營養貧瘠持水過多，且沉淀時間過長，采用分層剝離、交錯回填的思想，能夠極大地優化其挖土與充填順序，為泥漿沉淀獲得更多的時間，具體見參考文獻（胡振琪，1997；胡振琪等，2005；鄭禮全等，2008）。

（四）高潛水位井工礦區邊采邊復

1.基本原理

通過傳統穩沉后非充填復墾和邊開采邊修復所恢復土地率的對比分析，闡述邊開采邊修復的基本原理。圖3-5為下沉穩定后采用非充填復墾時土地恢復示意圖，在不考慮外來土源的情況下采用挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區域復墾出部分土地，即A與B區。

微信圖片_20200721142455.png圖3-6為邊開采邊修復時土地恢復示意圖，其中圖3-6a為邊開采邊修復的動態過程，在土地即將沉入水中或部分沉入水中（仍存在搶救表土的可能性）時預先分層剝離部分表土與心土，交錯回填至將要沉陷的區域，即圖中的取土區與充填區。圖3-6b為邊開采邊修復的最終狀態，通過邊開采邊修復可形成最終的復墾土地區A，B，C區。可見，邊開采邊修復較沉陷穩定后的復墾，可多復墾出區域C，土地恢復率有較大提升。

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2.關鍵技術

高潛水位邊采邊復思想的關鍵技術，在于動態的挖深墊淺。其中最重要的是開采沉陷的動態預計，只有掌握其塌陷的動態過程才能精準地規劃邊采邊復時間與措施。前文曾闡述過井工開采沉陷過程的基本靜態與動態特征，這里我們將簡要介紹開采沉陷過程的數學建模。關于該過程的模擬一直是礦山開采沉陷學的核心問題之一，長期以來涌現出多種方法，從主斷面到整個塌陷場的研究對象，從實測參數函數擬合、巖體理論模擬到相似材料模擬，研究者一直嘗試提高開采沉陷預計的精度。概率積分法因算法簡單、結果可靠，足以快速應對大多數開采沉陷問題，是我國目前較成熟的、應用最為廣泛的預計方法之一，這里簡述其下沉預計的基本模型：

（1）單元開采的下沉預計

單元是工作面的歸一化無量綱表示。單元開采引起地表下沉與地表水平移動表達式為

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式中：r為主要影響半徑；s為開采單元橫坐標，x為預計點橫坐標（x-s實際為預計點到開采單元水平距離）。

（2）單工作面開采的下沉預計

地表任意點（x，y）的下沉值W（x，y）為

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其中

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式中：W0（x）和W0（y）為走向和傾向有限開采時，主斷面地表下沉值；W0為充分采動條件下地表最大下沉值；m為采厚；q為下沉系數；α為煤層傾角；l和L為走向和傾向有限開采時的計算長度（考慮拐點偏距后的長度）；r1，r2和r分別為下山、上山和走向的主要影響半徑。

（3）多工作面開采預計

對于多工作面預計，可分別計算每個工作面單獨的模型，直接等權相加。事實上，一個礦區的m（采厚）、l和L（走向和傾向有限開采長度）、α（煤層傾角）均可知，不考慮上下山與走向的差異，讀者可將概率積分法剩余部分看作5個參數r（主要影響半徑）、b（水平移動系數）、q（下沉系數）、s（拐點偏移距，用于校正工作面的實際垮塌長寬）、θ0（開采影響傳播角）即5個自由度的函數擬合問題，根據實測參數可以較輕松地擬合，預計下沉、傾斜、曲率、水平移動與水平變形等5個常用地表移動與變形因子。經過多年的實測研究，已經有足夠的數據證實和形成一些經驗上的與地質采礦條件相關的定量關系，以幫助模型使用者在沒有實測數據的條件下選取參數。盡管這種定量關系仍然是不精確的，但根據這種經驗關系已能處理部分工程問題。對整個礦區抽樣幾處工作面作為參數反演的實測數據來源，可在整個礦區獲得不錯的精度。

（4）動態預計

動態預計通過構造合適的時間影響函數與靜態下沉做乘積即可得到點位的動態下沉。時間影響函數多基于“塌陷從0開始，增長到靜態下沉預計值”“單點下沉速度先增大后減小”“速度曲線連續，且關于最大下沉速度處對稱”3條規律構造。

由于工作面開采并非一蹴而就，前后垮落時間為ti的兩塊不同單元顯然在時刻t的時間影響函數值不同，動態預計過程需要離散化塌陷區段。為了方便計算，我們通常將工作面的整個垮落離散成一系列足夠小的單元，分別按其靜態下沉與到計算時刻的時間計算動態下沉，最后加和所有單元。

（5）復墾時機與土方

根據前述計算獲得的動態下沉值，結合事先獲得的數字地形圖，可進行高潛水位邊采邊復布局。關于高潛水位邊采邊復的復墾時機抉擇，有多種準則與實現方法，具體與實際工程條件與需要相關，具有不同的施工土方量，在此不贅述。

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植物與微生物修復技術

自然修復在生態、水土保持等領域有大量的研究，它是指靠自然力量（營力）修復的一種過程或方法。自然營力是指自然界存在的雨、風、重力及凍融等自然界本身存在的各種生物、化學和物理等作用，如氣候的變化、土壤天然種子庫和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學及物理作用。

以生態系統作為研究對象，系統內部因素的作用就是自然修復（自修復），外部人工力量修復生態系統就是人工修復。人工修復和自然修復都是對已經損毀的生態環境采取的積極的修復措施。人工修復與自然修復相輔相成，要因地制宜，宜自然修復則自然修復，宜人工修復則人工修復，有主有次，主次結合。同時，自然修復是一種最高境界，即使人工修復，實現生態系統的自我維持能力才是最終目的。

在這種層面上考慮修復技術，目前已衍生出較新的修復方法，它們直接通過動植物、微生物進行礦區修復，在修復“材料”選取上與直接替換土壤、大量施肥等方法產生了區別。

（一）植物修復

植物修復是通過植物對土壤、空氣等生態修復對象的修復作用來實現修復的手段。礦區廢棄地的植物修復效益與恢復植物的選擇密切相關，恢復植物的選擇不僅要適應當地的地質、水文、土壤類型等自然條件，還要考慮因開采造成的具體污染情況，因地制宜選取植，才能對當地土壤起到較好的改良效果，生態演替效果良好。因此，礦區廢棄地土壤植物修復成功的關鍵在于恢復植物的選擇與合理的配置模式。通常情況下，使用較多的生物物種，特別是將喬、灌、草、藤多層次配置結合起來進行植被恢復，建立起的植物群落的穩定性和可持續性均比單物種或少物種的效果好得多（畢銀麗，2017）。

1.常用植物種類

恢復植物的選擇要適應當地的地質、水文、土壤類型等，還要考慮因開采造成的具體情況，因地制宜選取植物，對當地土壤起到較好的改良，并能進行生態演替，不同植物產生的恢復效益存在差異。

豆科植物：有較強固N能力，改善土壤肥力，克服干旱脅迫，常用作先鋒植物。

鹽生植物：能降低廢棄地土壤鹽堿的濃度，富集金屬元素。

外來植物：生長迅速，生物量大，能在相應的礦區廢棄地成功定居，但要預防生態入侵。

鄉土植物：能更好地適應當地氣候環境，在較為惡劣的生境以及簡單粗放的管理條件下仍能表現出植物的生物學特性，但是生長緩慢。

耐性草本植物：覆蓋率高，對根際土壤的改良效益較好，缺點在于植物單株生物量較小，恢復改良效益的時間較長。

2.植物挑選準則

現有的植物修復措施需要考慮眾多因素，如植物抗逆性、生態適應性、植物多樣性、先鋒植物持續穩定性、鄉土植物與外來植物相結合、場地的分區以及功能合理性的原則等。首先，植物需要有足夠的抗逆性，只有具有一定抗逆性的植物才具有較強的生命力，在后期無人養護的條件下才能夠實現自我維持。

其次，植物需要能夠形成穩定的目標植物群落，達到植被恢復、生態修復的目的，其對于整個目標生態系統需要具有生態適應性，它不能是孤立于整個目標生態系統的植物類型。同時，挑選植被需要更多樣。

（二）微生物修復

微生物修復技術是礦區土壤管理與改良的重要生物技術。利用微生物群落的優勢，可以促進植物生長和植被覆蓋，減少或避免土壤侵蝕，從而達到生態恢復的目的。微生物修復技術可以利用植物根際微生物的生命活動來改善植物營養條件，并同時促進植物生長和發育。隨著植物修復和微生物修復的發展，礦區土壤的滲透性顯著提高，其改善的土壤調節和地表徑流轉化能力，可以防止土壤侵蝕，改善河流水文條件。微生物在有機物質的分解、合成和轉化，無機物質的氧化和還原過程中起著重要作用。它們是土壤生態系統代謝的重要驅動力，可以提高土壤肥力，使生土熟化，縮短復墾周期。

菌根技術是微生物復墾技術的一種應用，可以改善生態系統的多樣性，促進礦區極端條件下植被的恢復，促進礦區環境的良性循環，形成互利共生的微生物，改善生態系統的多樣性，加快二次生育的速度生態系統的演替，減輕根系對植物生長的影響，并施肥土壤，促進植物礦質營養。對礦區生態恢復和土地復墾吸收利用促進生態系統功能的改善具有重要的現實意義。其中，叢枝菌根真菌（AMF）是最常用也是土壤重要的微生物之一，能與80%以上的陸生植物形成互惠共生關系，提高礦區生態系統的多樣性，促進生態系統功能的穩定與提高，在礦區復墾過程中得到廣泛的應用。我們在此主要談論最常用的叢枝菌根真菌修復。

1.叢枝菌根真菌幫助根系吸收

叢枝菌根真菌的菌絲非常纖細，其直徑為2~7微米，可穿透土壤中有機物的顆粒間隙，吸收到根系所不能吸收到的養分與水分。其分枝伸長能力較強，增加了植物對營養的吸收范圍和面積。

同時，磷在菌絲里移動的速度為在植物體內運輸速率的10倍，保證將在根外吸收的磷等營養元素及時運輸給植物。菌絲對磷的親和力較高，可減少磷解吸的臨界濃度，且叢枝菌根真菌釋放有機酸和磷酸酶可促進土壤磷釋放。

2.叢枝菌根真菌生成球囊霉素

叢枝菌根真菌能夠產生一種被稱為球囊霉素相關土壤蛋白（簡稱“球囊霉素”）的含有金屬離子的專性糖蛋白，可產生于根內菌絲和伸展在根圍土壤中的根外菌絲表面，在土壤生態系統中含量不低。球囊霉素可增加土壤有機碳庫，增強土壤團聚體的穩定性，改善土壤結構與質量（賀學禮等，2011；黃藝等，2011）。球囊霉素一方面通過自身特點將土壤顆粒黏結在一起，達到增加土壤團聚體的目的；另一方面可間接改善土壤微環境，增加土壤中有益微生物的含量，實現退化土壤的改良。球囊霉素是叢枝菌根真菌對其寄主植物生長環境的調整和適應，是微生物活動的一種積極應答機制，已證實土壤中球囊霉素量與土壤凝結穩定性、土壤含水性呈正相關。接種叢枝菌根真菌有利于土壤水分的保持與高效運輸，提高水分的利用率，有利于緩解干旱對作物生長的影響（李少朋等，2013）。采煤沉陷區土壤結構被擾動，叢枝菌根真菌如何改善土壤結構，協調水肥供應，也是生態修復需要深入探討的問題之一。

（三）土壤動物修復

土壤動物可幫助礦區土壤肥力維持，無脊椎動物可幫助粉碎和分解動植物殘體，促進了物質的淋溶、下滲，其活動與翻動作用增加了土壤中細菌和真菌活動的接觸面積，加速了養分的流動，同時也混合了土壤的物質組成。另外，土壤動物采食細菌或真菌或粉碎有機物質、微生物繁殖體等，間接改變了有效營養物質的傳播，并改變了微地形，從而使土壤中的水、氣、熱量狀況和物質的轉化都受到影響，繼而影響微生物群落的生物量和活動。微生物修復技術、植物修復技術、工程技術與土壤動物修復相結合，更能發揮其功能，提高修復能力。