李鳳明，丁鑫品，白國良，劉祥宏，孫家愷，桑 盛，任慧君，郭孝理

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán) 北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

青海祁連山地區(qū)水源涵養(yǎng)功能顯著、高原生物多樣性豐富、生態(tài)地位獨(dú)特、是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)和水源涵養(yǎng)地，而高寒、缺氧、土壤貧瘠等惡劣條件導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境非常脆弱，易受人類活動(dòng)影響[1-2]。木里煤田位于祁連山南麓腹地，是青海最大的煤礦區(qū)，也是西北地區(qū)目前唯一的焦煤資源整裝勘查區(qū)域，由江倉、聚乎更、弧山和哆嗦貢馬4個(gè)礦區(qū)組成，總面積為152.70 km2。由于長期未按規(guī)劃進(jìn)行煤礦開發(fā)，缺乏生態(tài)保護(hù)意識(shí)，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)違法違規(guī)開采的現(xiàn)象，截至2014年8月，在江倉和聚乎更礦區(qū)范圍內(nèi)共形成11個(gè)露天采坑、19座渣山，占地面積達(dá)30.47 km2，大量的采坑-渣山-工業(yè)場地導(dǎo)致井田內(nèi)水資源、土地資源、植被資源遭到不同程度的破壞，產(chǎn)生了地貌景觀破壞[3-4]、生態(tài)系統(tǒng)退化[5-7]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低等許多生態(tài)環(huán)境問題，并帶來邊坡失穩(wěn)、地面塌陷等一系列地質(zhì)災(zāi)害隱患[8-12]。自黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”總體戰(zhàn)略布局以來，生態(tài)文明建設(shè)及美麗中國建設(shè)受到國家各級(jí)政府及有關(guān)部門的高度重視。習(xí)近平總書記針對(duì)青海木里煤田開采與生態(tài)保護(hù)等問題多次作出重要指示，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。2014—2018年，青海省對(duì)木里礦區(qū)開展了生態(tài)環(huán)境綜合整治，并取得了一定成效。2020年，針對(duì)屢禁不止的非法開采問題，緊扣“青海最大的價(jià)值在于生態(tài)，最大的責(zé)任在于生態(tài)，最大的潛力也在于生態(tài)”的精神，青海省出臺(tái)了《木里煤田以及祁連山南麓青海片區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治三年行動(dòng)方案(2020—2023年)》，進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策部署，要求查清現(xiàn)狀，分類施策，保障安全、生態(tài)優(yōu)先、重點(diǎn)突出，科學(xué)布局，高質(zhì)量完成木里煤田生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工作。

江倉一號(hào)井位于江倉礦區(qū)東部，采坑長為1.8 km、寬為0.39 km，坑口面積為0.7 km2，最大深度為104 m，渣山沿幫堆棄，面積為0.67 km2，體積為1 414萬m3，地面高程為3 670～3 868 m，在采坑底部布置有一井工礦，主、副、風(fēng)3條斜井橫貫采坑，部分巷道距離坑底僅為27.07 m，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。表土資源匱乏、復(fù)綠植物自我更新困難、原有井巷工程易受采坑回填擾動(dòng)破壞等問題是江倉一號(hào)井生態(tài)地質(zhì)環(huán)境修復(fù)的難點(diǎn)[13]。國內(nèi)許多專家學(xué)者立足于高原高寒礦區(qū)生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀，從強(qiáng)化管理體制機(jī)制創(chuàng)新、建立綜合生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、開展生態(tài)紅線劃定研究、加快完善生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制、加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用示范等方面提出了對(duì)策建議[14-15]，同時(shí)圍繞廢棄采坑回填[16-17]、矸石山土壤基質(zhì)改良[18-20]、凍土保護(hù)[21-22]、高寒礦區(qū)植被恢復(fù)[23-25]和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[26-27]等方面進(jìn)行了一定程度的研究，但尚未形成針對(duì)性的綜合治理模式和系統(tǒng)化的關(guān)鍵技術(shù)體系，現(xiàn)有成果難以滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。以江倉一號(hào)井采坑、渣山一體化綜合治理工程為背景，堅(jiān)持以“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念，遵循“自然恢復(fù)為主、人工修復(fù)為輔”的原則，圍繞高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀和綜合治理修復(fù)面臨的難題，開展針對(duì)性、系統(tǒng)性的研究，構(gòu)建高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系，著力提高生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力和穩(wěn)定性，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)和正向演替發(fā)展，對(duì)于守好筑牢祁連山國家生態(tài)安全屏障具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 煤炭開采引起的高原地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題

在整理分析空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、地表(下)水監(jiān)測和凍土監(jiān)測成果的基礎(chǔ)上[28]，輔以遙感數(shù)據(jù)解譯和生態(tài)樣方調(diào)查等技術(shù)手段，分別對(duì)木里煤田原生狀態(tài)、2014年、2017年和2020年的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和重要生態(tài)系統(tǒng)狀況進(jìn)行對(duì)比研究，明確了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和重要生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及變化特征，結(jié)合煤炭開采與生態(tài)環(huán)境綜合整治回顧分析結(jié)果、環(huán)境質(zhì)量狀況與變化分析結(jié)果以及生態(tài)系統(tǒng)狀況與變化分析結(jié)果，木里煤田生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為生態(tài)服務(wù)功能降低、生態(tài)系統(tǒng)退化、地形地貌景觀破壞、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大等4個(gè)方面[29-13]，具體評(píng)估結(jié)果見表1。

表1 木里煤田生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題評(píng)估

1.1 生態(tài)服務(wù)功能降低

自2003年以來，大規(guī)模的高強(qiáng)度開采導(dǎo)致生態(tài)地質(zhì)環(huán)境急劇惡化，雖然經(jīng)歷了2014—2017年的綜合整治，截至2020年8月，木里煤田11個(gè)采坑和19座渣山仍然有部分整治效果為“較差”或“差”，距離原生狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能仍有一定差距。生態(tài)服務(wù)功能降低主要包括水源涵養(yǎng)功能受損、土壤保持功能受損和生物多樣性保護(hù)功能受到破壞。2014年與原生狀態(tài)相比，礦區(qū)的水源涵養(yǎng)、土壤保持與生物多樣保護(hù)功能分別下降40.12%,17.11%,24.08%。經(jīng)過3 a的整治修復(fù)，到2017年，以上3項(xiàng)功能分別提升14.14%，2.42%和9.03%，而2020年較2017年又分別下降了3.00%,1.00%和2.00%[29-31]。實(shí)際上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能修復(fù)效果受氣候變化、生態(tài)修復(fù)投入、后期管護(hù)力度等多種因素的綜合影響，由于木里煤田生態(tài)環(huán)境非常脆弱，極易受到人類活動(dòng)的干擾，生態(tài)服務(wù)功能一旦破壞很難恢復(fù)到原生狀態(tài)，若想有效提升礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能水平，則需加大修復(fù)投入力度，按照較高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)與維護(hù)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能修復(fù)效果仍待時(shí)間檢驗(yàn)。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)退化

(1)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。木里煤田植被類型分為高寒沼澤草甸和高寒草甸類。其中高寒沼澤草甸為礦區(qū)主要植被類型，常與高寒草甸類植被鑲嵌交錯(cuò)。根據(jù)植被覆蓋程度，可以把草地分為高覆蓋度草地(覆蓋度>50%)、中覆蓋度草地(20%<覆蓋度<50%)與低覆蓋度草地(5%<覆蓋度<20%)3種類型。調(diào)查結(jié)果表明，2003年以來，露天開采引起原有草甸植被破壞性損毀，棄渣堆放長期壓占原有高寒草甸植被，直接導(dǎo)致礦區(qū)約37 km2草原植被消失殆盡，間接導(dǎo)致周邊5 km范圍的草原出現(xiàn)不同程度的退化[30-31]。以江倉一號(hào)井為例，2010年與2000年相比，礦區(qū)由高覆蓋度草地轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈采w度草地的面積有0.14 km2，由高覆蓋度草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草地的面積為1.95 km2，由中覆蓋度草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草地的面積為0.53 km2。2014—2017年治理期間，部分渣山植被覆蓋度明顯好轉(zhuǎn)，但截至2020年，礦區(qū)草地面積仍呈下降趨勢，現(xiàn)狀植被類型與周邊原生植被類型相比數(shù)量顯著下降。江倉一號(hào)井2000年、2010年和2020年遙感監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

(2)濕地生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)顯著。江倉礦區(qū)位于大通河支流江倉河河谷地，屬于大通河流域的源頭區(qū)。該區(qū)域氣候寒冷、地形平緩、地下埋藏多年凍土，成為不透水層，使降水、地表徑流和冰雪融水不能下滲而聚集地表，形成地表終年積水或季節(jié)性積水坑塘，濕地生態(tài)系統(tǒng)在開采活動(dòng)的影響下發(fā)生了一定程度退化(圖2)，截至2020年，礦區(qū)內(nèi)沼澤與河流面積與原生狀態(tài)相比減少約2.8 km2，原河道及周邊濕地植被干涸死亡明顯。

(3)凍土生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。木里煤田周邊分布有穩(wěn)定型(年均地溫<-3.0 ℃)、亞穩(wěn)定型(年均地溫-1.5～-3.0 ℃)、過渡型(年均地溫-0.5～-1.5 ℃)和不穩(wěn)定型(年均地溫 0.5～-0.5 ℃)4種類型的多年凍土，各類型凍土在整個(gè)區(qū)域中的面積比例分別為 22.38%,38.90%,29.16%,9.56%[30-31]。調(diào)查結(jié)果表明，江倉礦區(qū)主要分布過渡型多年凍土，少量為不穩(wěn)定型多年凍土。由于年均地溫低于-3.0 ℃的穩(wěn)定型多年凍土面積僅占22.38%，因此木里煤田周邊多年凍土具有高溫的特征，對(duì)外界環(huán)境的變化也非常敏感。為進(jìn)一步掌握煤炭開采引起的凍土層破壞情況，在江倉一號(hào)井采坑及周邊區(qū)域不同位置施工19個(gè)地溫測試鉆孔，深度為12～100 m，采用熱敏電阻式測溫系統(tǒng)對(duì)孔內(nèi)溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果表明：① 渣山僅在表層以下2.3～6.6 m內(nèi)存在季節(jié)性凍土，該深度往下至原始地表范圍內(nèi)無凍土；② 多年凍土厚度在30～60 m，季節(jié)性凍土厚度在1.0～2.1 m，多年凍土地溫年變化深度在11～15 m，地溫隨著深度的增大而升高，地溫增溫率在凍土層內(nèi)變化為1 ℃/(22.5～46.7) m；③ 植被發(fā)育程度對(duì)其下的凍土起著保護(hù)作用，礦坑開挖和渣山堆積形成了大范圍的采坑融區(qū)和渣山融區(qū)，導(dǎo)致礦區(qū)多年凍土生態(tài)系統(tǒng)的破壞。采坑地表線外擴(kuò)40 m范圍內(nèi)已經(jīng)形成貫通性融區(qū)，未復(fù)綠渣山的長期存在將導(dǎo)致多年凍土厚度的不斷減小，甚至發(fā)展成為貫通性融區(qū)。江倉一號(hào)井典型鉆孔地溫監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 江倉一號(hào)井典型鉆孔地溫監(jiān)測曲線

1.3 地形地貌景觀破壞

采礦活動(dòng)導(dǎo)致地形地貌景觀破壞的主要表現(xiàn)為挖損和壓占，以及由此引起的生態(tài)景觀破碎化。遙感數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明[30-31]：截至2020年，整個(gè)木里煤田因露天開采挖損地表植被面積約16 km2，因渣山堆棄壓占地表植被面積約21 km2，同時(shí)還導(dǎo)致了周邊約 5 km 范圍的高寒沼澤與高寒草甸發(fā)生了不同程度的退化，地形地貌景觀遭受損毀的總面積占木里煤田總面積的25%以上。2017年木里礦區(qū)內(nèi)的景觀斑塊數(shù)量為2 760個(gè)，2020年已經(jīng)達(dá)到2 907個(gè)，礦區(qū)生態(tài)景觀斑塊數(shù)量逐步增加且面積逐漸減小，礦區(qū)生態(tài)景觀逐漸破碎化已成為該地區(qū)生態(tài)景觀演變的重要特征之一(圖4)。

圖4 江倉一號(hào)井地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀

1.4 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加

(1)地面沉陷與邊坡失穩(wěn)。礦區(qū)內(nèi)采坑和渣山不規(guī)則分布，采坑深度為120～160 m，多數(shù)為積水狀態(tài)，坡面巖體破碎，渣山多數(shù)沿幫排棄，高度為40～60 m。受采坑周圍含水層疏干、坑內(nèi)積水水蝕作用、巖土體循環(huán)凍融和渣山載荷的共同影響，采坑邊坡極易產(chǎn)生溯源滑塌，最終誘發(fā)復(fù)合邊坡的變形失穩(wěn)(圖5)。

(2)含水層破壞。露天開采形成了人工負(fù)地形，地表水和含水層水體直排或通過下滲潛流，匯聚到采坑，在采坑內(nèi)形成積水，長期的地下水疏干使得補(bǔ)給范圍內(nèi)的地下水水位下降，同時(shí)，天然河道和地下暗河被人為截?cái)?、改道，破壞了地表水系和地下水補(bǔ)給條件，造成水源流通能力和水源涵養(yǎng)功能的下降。

(3)環(huán)境污染。環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明：2006—2018年，木里煤田水環(huán)境質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和大氣環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)劣化趨勢，尤以地下水和土壤最為顯著(圖6)。與2006年監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，礦區(qū)地下水各項(xiàng)指標(biāo)濃度總體呈上升趨勢，地下水中細(xì)菌總數(shù)增長率接近5 000%。土壤中的Hg,As和Pb元素含量呈上升趨勢，其中Hg元素含量上升明顯，推測以上現(xiàn)象與礦區(qū)的煤炭開采活動(dòng)密切相關(guān)。

圖6 主要監(jiān)測指標(biāo)變化率

2 高原高寒露井聯(lián)合礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境治理的難點(diǎn)與思路

2.1 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境治理的難點(diǎn)

(1)表土資源匱乏，覆土養(yǎng)分不足、結(jié)構(gòu)不良，保水保肥抗侵蝕能力弱。土壤是植物生長的根本基礎(chǔ)，良好植物種植土壤層的構(gòu)建是高原高寒礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程成功的關(guān)鍵之一。由于原有土壤被嚴(yán)重破壞，采坑及渣山邊坡巖石裸露，渣山堆積的剝離物主要為泥炭型沼澤化草甸土、砂巖、頁巖、礫石和煤矸石的混合物，且不同區(qū)域的組分存在很大的異質(zhì)性，表層風(fēng)化物少、土層薄、有機(jī)碳和全氮等養(yǎng)分含量低，不能滿足復(fù)綠植物長期穩(wěn)定生長需求。對(duì)該區(qū)域以往生態(tài)治理工程效果、經(jīng)驗(yàn)的調(diào)查研究顯示，將草籽直接播撒在渣山邊坡上，因基質(zhì)保墑效果差、牧草生長所需的養(yǎng)分少，直接抑制了草籽發(fā)芽生根，不利于根系發(fā)展。

(2)耐寒耐旱草種缺乏，配套的種植、養(yǎng)護(hù)技術(shù)存在不足，植被自我更新困難?，F(xiàn)有草種不太適合高原高寒礦區(qū)渣山表土環(huán)境，甚至是初步改良后的覆土環(huán)境。高原高寒環(huán)境下植物自身生長生物量低，結(jié)實(shí)率、萌蘗力不足，所種植物部分存活后的自身擴(kuò)繁能力不足，存在“1年綠、2年黃，3年退化嚴(yán)重”的問題。

(3)井巷工程埋深淺，易受采坑回填擾動(dòng)破壞。露天采坑下部分布有一座井工礦，井巷工程埋深較淺，目前已經(jīng)關(guān)閉但不具備設(shè)備撤出條件。現(xiàn)有巷道系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，采坑回填過程中產(chǎn)生的動(dòng)靜載荷以及回填后的附加應(yīng)力將打破巷道的應(yīng)力平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致井巷工程破壞。為保障礦井內(nèi)設(shè)備運(yùn)輸、通風(fēng)及行人等主要通道暢通，保證后期撤出設(shè)備的安全，必須對(duì)井巷受回填工程影響的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取合適的井巷保護(hù)措施。

2.2 治理理念與工作思路

在工程地質(zhì)勘查與生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，深入梳理木里礦區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題，針對(duì)高原高寒礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理與生態(tài)環(huán)境修復(fù)面臨的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，遵循“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的理念，堅(jiān)持“節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”的方針，以“技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、依法依規(guī)”為出發(fā)點(diǎn)，借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，按照“因地制宜、分區(qū)管控、消除隱患、貼近自然”的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理思路，將地質(zhì)災(zāi)害防控與生態(tài)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的關(guān)鍵理論與技術(shù)運(yùn)用到采坑、渣山一體化治理中，提升生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力和穩(wěn)定性，守住自然生態(tài)邊界，促進(jìn)自然生態(tài)系統(tǒng)整體改善，努力做到與周邊環(huán)境融合，打造近自然、免維護(hù)、可持續(xù)的高原高寒礦區(qū)生態(tài)景觀。江倉一號(hào)井生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理思路如圖7所示。

圖7 江倉一號(hào)井生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理思路

3 江倉一號(hào)井生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理模式與關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)江倉一號(hào)井采坑、渣山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境一體化治理的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過研究和探索，提出了“渣山削坡整形+采坑回填緩坡+井巷工程保護(hù)+巖壁坡面整治+微地形地貌重塑+土壤重構(gòu)與植被復(fù)綠”綜合治理模式，形成了基于“地質(zhì)災(zāi)害防控+生態(tài)環(huán)境修復(fù)”理論的五大關(guān)鍵技術(shù)，分別為：地形地貌重塑技術(shù)、凍融邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)、井下巷道協(xié)同保護(hù)技術(shù)、土壤改良與植被復(fù)綠技術(shù)、生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果監(jiān)測與評(píng)價(jià)技術(shù)，為綜合治理工程的開展奠定了基礎(chǔ)。

3.1 采坑渣山地形地貌重塑技術(shù)

地形地貌重塑是生態(tài)環(huán)境修復(fù)的基礎(chǔ)工作，結(jié)合一號(hào)井實(shí)際情況，地形地貌重塑工程需要達(dá)到以下目標(biāo)：① 消除滑坡、地表下沉等地質(zhì)災(zāi)害隱患；② 最大限度保護(hù)可用于復(fù)綠的天然土壤；③ 重塑后的地形地貌接近自然，坡度滿足植被復(fù)綠條件。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，針對(duì)性的提出了基于“最大限度揭露原位土、最大限度利用剝離土、最大限度與自然相協(xié)調(diào)”的地形地貌重塑技術(shù)。根據(jù)工程內(nèi)容和治理目標(biāo)，同時(shí)綜合考慮節(jié)省土壤重構(gòu)面積、貯存剝離土、回填渣土等工程內(nèi)容的成本和效益，將治理范圍劃分為渣山清除修復(fù)區(qū)、渣山緩坡整形修復(fù)區(qū)、采坑回填區(qū)等6個(gè)分區(qū)，將地形地貌重塑過程中產(chǎn)生的多余渣土全部清除并用于采坑回填，清除前將20 cm厚度的現(xiàn)狀地表土進(jìn)行剝離并貯存，用于后期土壤重構(gòu)。通過該技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)省土壤重構(gòu)區(qū)域面積約0.65 km2，貯存剝離土約13.2萬m3，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。采坑渣山地形地貌重塑工程分區(qū)如圖8所示，工程內(nèi)容與實(shí)施效果見表2。

圖8 地形地貌重塑工程分區(qū)示意

表2 地形地貌重塑工程內(nèi)容與實(shí)施效果

3.2 凍融邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)

通過研究區(qū)域工程地質(zhì)勘查，查明了邊坡地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、軟弱巖層和季節(jié)性凍土的分布特征，揭示了邊坡穩(wěn)定的主要影響因素，探明了含順層弱面凍融邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)值分析與極限平衡分析模型[32]，對(duì)邊坡的變形失穩(wěn)模式和現(xiàn)狀穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在巖質(zhì)坡面循環(huán)凍融和沿幫排土場堆載的共同作用下，采坑與渣山邊坡極易發(fā)生上部為圓弧、下部沿順傾結(jié)構(gòu)面的組合滑動(dòng)。邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，隨著暴露時(shí)間的增長，穩(wěn)定狀況將逐漸惡化。本著“經(jīng)濟(jì)可行、接近自然”的原則，針對(duì)性的提出了削坡減重和回填壓腳相結(jié)合的凍融邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)，對(duì)采坑上部松散層臺(tái)階進(jìn)行削坡和緩坡處理，局部坡面角控制在25°以下，對(duì)坑底進(jìn)行壓幫回填。通過計(jì)算，進(jìn)一步確定了回填壓腳標(biāo)高和削坡減重范圍，保證了邊坡的長期穩(wěn)定，降低了地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為種草復(fù)綠奠定了基礎(chǔ)。基于回填壓腳和削坡減重的凍融邊坡穩(wěn)定控制方法如圖9所示。

圖9 回填壓腳和削坡減重工程示意

3.3 井下巷道協(xié)同保護(hù)技術(shù)

在江倉一號(hào)井采坑正下方分布有一座井工礦，目前處于關(guān)閉狀態(tài)，通風(fēng)、供電等系統(tǒng)正常運(yùn)行，內(nèi)部設(shè)備暫時(shí)不具備撤出條件(圖10)。由于井巷工程埋深最小處僅為27.07 m，易受回填工程動(dòng)靜載荷作用而發(fā)生破壞，因此需要在系統(tǒng)研究井巷工程安全影響因素及其作用規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)回填過程中井巷工程的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出合理性保護(hù)措施。針對(duì)以上技術(shù)難題，建立工程力學(xué)模型，采用彈性力學(xué)理論分別計(jì)算了回填體載荷、施工車輛載荷及其動(dòng)載、采坑蓄水后水體載荷產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力隨深度的變化值，根據(jù)附加應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律，集中力引起的附加應(yīng)力等值線隨深度的增加而無限擴(kuò)散，應(yīng)力值呈指數(shù)曲線趨勢遞減，當(dāng)附加應(yīng)力減小為該點(diǎn)自重應(yīng)力的10%時(shí)，可認(rèn)為附加應(yīng)力不再對(duì)巷道產(chǎn)生影響。為使巷道保持穩(wěn)定，附加應(yīng)力影響深度和巷道極限承載高度之和應(yīng)小于采坑回填前的巷道頂板埋深，據(jù)此確定了井上回填安全邊界和井下巷道加強(qiáng)支護(hù)范圍，結(jié)合實(shí)際條件，提出了井上“分區(qū)施工-雙向回填-緩坡推覆”和井下錨注加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的回填施工工藝與巷道保護(hù)技術(shù)，保證了采坑回填全過程井巷系統(tǒng)的安全。

圖10 露天采坑與井巷工程的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.4 土壤重構(gòu)與植被復(fù)綠技術(shù)

天然表土缺乏、客土成本高是一號(hào)井采坑及渣山植被復(fù)綠的關(guān)鍵影響因素。調(diào)查研究表明，渣山堆積的剝離物主要由泥炭型沼澤化草甸土、砂巖和頁巖等組成，表層存在的風(fēng)化物少、土層薄、有機(jī)碳和全氮等養(yǎng)分含量低，基質(zhì)保墑效果差，而且各部位組分異質(zhì)性較大，將草籽直接播種在此類渣山邊坡上，直接抑制了草籽發(fā)芽生根，不利于根系發(fā)展，因此不能滿足復(fù)綠植物長期穩(wěn)定生長的需求?？屯潦堑V區(qū)生態(tài)恢復(fù)中土壤重構(gòu)的常用手段，該方法通過質(zhì)地良好土壤的直接覆蓋快速構(gòu)建植被適生土壤層，而一號(hào)井可用于客土的資源十分缺乏，且距離較遠(yuǎn)，由于需求量大，因此不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求。因此，就地就近獲取土壤或細(xì)粒物料，人工降低復(fù)綠區(qū)域種植層中大粒徑渣石含量，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)改良及肥力提升形成適宜植物生長的土壤，是針對(duì)性科技研發(fā)工作的重要內(nèi)容和落腳點(diǎn)。

3.4.1土壤重構(gòu)

在充分借鑒木里礦區(qū)土壤重構(gòu)已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合確定覆土厚度為30 cm，對(duì)局部區(qū)域首先采用黏土構(gòu)建相對(duì)保水、保溫的人工防滲層，然后進(jìn)行覆土。土壤來源為一號(hào)井現(xiàn)有的3類土：① 原位土，即前期渣山下部未經(jīng)表土剝離而被壓覆的原狀土壤，地表整形清理后再次成為復(fù)綠區(qū)域表土；② 剝離土，指露天礦開采過程中對(duì)原狀表土進(jìn)行剝離并集中堆存的土壤，以及本次地形地貌重塑過程中對(duì)現(xiàn)狀表土進(jìn)行剝離并集中堆存的土壤，是較為理想的復(fù)綠覆土土源；③ 人工土，指礦區(qū)的泥巖、頁巖等在自然風(fēng)化作用或人工破碎處理后形成的細(xì)粒物料，經(jīng)較大程度人工處理后形成的土壤。土壤重構(gòu)遵循“最大限度使用原位土、優(yōu)先采用剝離土、適當(dāng)配以人工土”的原則，一號(hào)井地形地貌重塑后需土壤重構(gòu)區(qū)域面積為1.08 km2(表2)，則需土總量約為32.4萬m3，前期露天開采和本次地形地貌重塑過程中貯存的剝離土總量約28萬m3，因此尚需從渣土中獲得人工土總量為4.4萬m3。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件要求[33]，恢復(fù)為草地區(qū)域的礫石含量應(yīng)小于50%。測定結(jié)果表明，地形地貌重塑后的地表礫石顆粒粒徑較大，細(xì)粒物料較少，不利于植被恢復(fù)。因此，對(duì)于采用剝離土與人工土進(jìn)行土壤重構(gòu)的區(qū)域，在覆土前采用篩分設(shè)備對(duì)5 cm以上粒徑石塊進(jìn)行篩分，對(duì)于渣山清除后的原位土覆蓋區(qū)域，采用撿石機(jī)對(duì)較大粒徑石塊進(jìn)行撿拾，使土壤具備基質(zhì)改良的條件。

3.4.2基質(zhì)改良

木里礦區(qū)渣山土壤測試分析結(jié)果表明，土壤pH值為6.33～7.02，密度為1.63～1.72 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為1.15～3.78 g/kg，全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為0.87,1.62和42.91 g/kg，由于受堆積壓實(shí)等因素影響，土壤容重均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，有機(jī)質(zhì)含量總體較低，氮素較為缺乏，亟需通過改良措施實(shí)現(xiàn)種植層土壤容重、有機(jī)質(zhì)方面的質(zhì)地提升，以利于植被恢復(fù)與長期穩(wěn)定生長。因此，針對(duì)性的提出了以“腐熟羊板糞基礎(chǔ)增容-商品有機(jī)肥優(yōu)化提升”為核心的快速土壤改良重構(gòu)技術(shù)(表3)。

表3 各類土壤特征及其基質(zhì)改良措施

(1)原位土就地改良技術(shù)。原位土整體保留了原有的土壤狀態(tài)，富含細(xì)粒土壤基質(zhì)，且整體結(jié)構(gòu)未經(jīng)擾動(dòng)破壞，不存在漏水漏肥問題，但在長期的矸石堆壓環(huán)境下，經(jīng)淋洗、凍融等作用，該類土壤的物理結(jié)構(gòu)及肥力水平受到不同程度的影響破壞，其在物理結(jié)構(gòu)上綜合表現(xiàn)為容重增加、孔隙度降低以及供水供氣能力不足等問題，不利于植物根系生長。針對(duì)以上情況，現(xiàn)場采用“松翻—覆肥—摻混”的3步改土措施。首先采用以旋耕機(jī)為主、人工為輔的方式，對(duì)表層土進(jìn)行松翻，然后按照平地區(qū)域的有機(jī)肥料施用量，將肥料均勻平鋪到翻耕后的待治理原位土區(qū)域，最后再次以旋耕機(jī)為主、人工為輔的方式，對(duì)10 cm表層土進(jìn)行充分松翻，確保肥料與表土混合均勻，進(jìn)而為復(fù)綠種子萌發(fā)、生長創(chuàng)造適宜條件。

(2)剝離土混合提升技術(shù)。剝離土與原位土的基礎(chǔ)材料組成基本一致，但剝離土在剝離及堆存過程中，經(jīng)過了劇烈的工程擾動(dòng)，土壤層次結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，特別是經(jīng)過再次處理、回覆后，其容重、孔隙結(jié)構(gòu)、持水導(dǎo)水性狀等方面與原位土存在顯著差異，另外，經(jīng)過長期的堆存、淋洗等過程，剝離土也存在養(yǎng)分元素?fù)p失等問題。針對(duì)以上情況，剝離土在覆土前采用腐熟羊板糞、商品有機(jī)肥摻混的方式進(jìn)行改良提升，所用有機(jī)肥的比例按照平地、坡地來進(jìn)行主要區(qū)分，平地主要采用腐熟羊板糞5 m3/畝、有機(jī)肥1 500 kg/畝的用量，坡地采用腐熟羊板糞5m3/畝、有機(jī)肥2 000 kg/畝的用量。采用專用設(shè)備對(duì)播施肥料的地塊進(jìn)行耕翻并耙平，提高肥料的入土率和均勻度。

(3)人工土綜合復(fù)配技術(shù)。在剝離土不足的情況下，人工土是基于高原高寒礦區(qū)缺土現(xiàn)實(shí)、遵循“因地制宜、就地取材、經(jīng)濟(jì)實(shí)用”原則而采取的針對(duì)性應(yīng)對(duì)措施。與剝離土類似，人工土在覆土前需要采用腐熟羊板糞、商品有機(jī)肥等進(jìn)行人工土綜合復(fù)配。由于人工土的基質(zhì)為渣石，養(yǎng)分條件、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)均較差，從快速提升覆土質(zhì)量出發(fā)，應(yīng)提升總體有機(jī)材料的使用量，實(shí)施過程中加大腐熟羊板糞的施用量至5～33 m3/畝。

3.4.3植被復(fù)綠

(1)截、排水溝設(shè)置。地形地貌重塑后，在研究區(qū)域范圍內(nèi)形成了平地和坡地兩種主要地形，平地區(qū)域經(jīng)土壤重構(gòu)和基質(zhì)改良后即可進(jìn)行植被復(fù)綠。而對(duì)于坡地區(qū)域，雖然坡度已經(jīng)控制在25°以下，但仍存在暴雨、大風(fēng)等條件下的水蝕、風(fēng)蝕問題。為防止坡面重構(gòu)土壤的侵蝕破壞，需構(gòu)建橫坡截水與縱坡排水系統(tǒng)，最大限度發(fā)揮坡面徑流調(diào)控功能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[34]，當(dāng)無措施坡面的坡長太大時(shí)，應(yīng)以一定間距沿坡面走向增設(shè)截水溝，在截水溝兩端或較低一端與坡面等高線正交布設(shè)排水溝。結(jié)合周邊已有復(fù)綠經(jīng)驗(yàn)，截水溝間距設(shè)置為20～30 m，排水溝間距根據(jù)地形確定，排水溝水體在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下集中排入治理區(qū)域周邊草地或匯入采坑。

(2)植被高效建植技術(shù)。立足于當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地形條件和植被群落類型，結(jié)合已有植被復(fù)綠經(jīng)驗(yàn)，提出了“當(dāng)?shù)剡m生植物篩選配比-植被種子萌發(fā)促進(jìn)-幼苗期無紡布覆蓋保護(hù)-植被系統(tǒng)自我更新功能提升”為一體的高效植被恢復(fù)技術(shù)。草種選擇遵循氣候環(huán)境適應(yīng)性原則，以當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物作為優(yōu)先選擇對(duì)象，同時(shí)選擇高經(jīng)濟(jì)效益的草種。結(jié)合2014年后木里煤田開展的生態(tài)綜合整治工作經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)一號(hào)井及周邊的植物群落調(diào)查、地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)效益分析，選擇4種植物按照1∶1∶1∶1的比例進(jìn)行混播，分別為同德短芒披堿草、青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅。經(jīng)種前整地、撒播草種、種后耙地和鎮(zhèn)壓耱平等工序，為種子提供相對(duì)穩(wěn)定的萌發(fā)環(huán)境。播種完成后覆蓋可降解綠色無紡布來保水增溫，可以使尚在幼苗期的牧草避免風(fēng)蝕和水蝕，無紡布規(guī)格為(20±2)g/m2。草種萌發(fā)后采用圍欄封育和建后管護(hù)等方式實(shí)現(xiàn)植被系統(tǒng)自我更新功能的提升。

3.5 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境修復(fù)效果與環(huán)境要素一體化監(jiān)測技術(shù)

在生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合整治活動(dòng)的影響下，礦區(qū)范圍內(nèi)的地表水、地下水、土壤、凍土、植被和大氣環(huán)境等主要生態(tài)環(huán)境要素將隨時(shí)間發(fā)生變化。同時(shí)，受工程經(jīng)濟(jì)性的影響，采坑并非完全回填至地表，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患或許長期存在。因此，需要通過對(duì)這些要素進(jìn)行監(jiān)測與分析，獲取其在時(shí)間維度和空間維度上的變化特征和規(guī)律性。在充分借鑒國內(nèi)外已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合一號(hào)井實(shí)際情況，針對(duì)性的提出了集成常規(guī)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(包括水環(huán)境、土壤環(huán)境、空氣環(huán)境等)、多年凍土監(jiān)測、復(fù)墾植被監(jiān)測、遙感監(jiān)測以及邊坡變形監(jiān)測等手段為一體的高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境要素一體化監(jiān)測技術(shù)。借助于“空-天-地”一體化多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和多手段在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境修復(fù)前、修復(fù)中、修復(fù)后的監(jiān)測要素進(jìn)行提取和對(duì)比分析，對(duì)滑坡等重大地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行早期識(shí)別與監(jiān)測預(yù)警，為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境修復(fù)效果的綜合評(píng)估提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)青海木里礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題主要包括生態(tài)服務(wù)功能降低、生態(tài)系統(tǒng)退化、地形地貌景觀破壞和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加等。生態(tài)服務(wù)功能降低主要表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)功能受損、土壤保持功能受損和生物多樣性保護(hù)功能受到破壞；生態(tài)系統(tǒng)退化主要表現(xiàn)為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化、濕地生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)顯著和凍土生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞；生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加主要表現(xiàn)為地面沉陷與邊坡失穩(wěn)、含水層破壞和環(huán)境污染等。

(2)表土資源匱乏、復(fù)綠植物自我更新困難、原有井巷工程易受采坑回填擾動(dòng)破壞等問題是高寒露井聯(lián)合礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境治理的難點(diǎn)。遵循“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念，堅(jiān)持“節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”的方針，按照“因地制宜、分區(qū)管控、消除隱患、貼近自然”的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理思路，通過研究與探索，針對(duì)性的提出了江倉一號(hào)井“渣山削坡整形+采坑回填緩坡+井巷工程保護(hù)+巖壁坡面整治+微地形地貌重塑+土壤重構(gòu)與植被復(fù)綠”采坑、渣山一體化治理模式。

(3)通過實(shí)踐與應(yīng)用，構(gòu)建了基于“地質(zhì)災(zāi)害防控+生態(tài)環(huán)境修復(fù)”理論的高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系。在提升表土容量方面，提出了“最大限度揭露原位土、優(yōu)先利用剝離土、適當(dāng)配以人工土”的地形地貌重塑技術(shù)；在土壤改良方面，提出了“腐熟羊板糞基礎(chǔ)增容—商品有機(jī)肥優(yōu)化提升”為核心的快速土壤改良重構(gòu)技術(shù)；在控制邊坡穩(wěn)定方面，提出了“削坡減重”和“回填壓腳”相結(jié)合的凍融高陡復(fù)合邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)；在保證井巷安全方面，提出了“分區(qū)施工-雙向回填-緩坡推覆”和井下錨注加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的回填施工工藝與巷道保護(hù)技術(shù)。