Measures and effects of eco-geological restoration in well No.4 in the Muli mining area, Qinghai Province, China
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摘要:目的
青海木里矿区地处祁连山腹地,为黄河重要支流大通河源头,属高原高寒冻土地带,生态环境敏感、脆弱。本世纪初,矿区煤炭无序开采对生态环境造成了破坏,其中四号井开采后面临高陡不稳定渣山边坡、大量采坑积水、冻土挖毁破坏、渣石占地与草甸破坏4类生态环境修复难题。
方法从地质修复的角度,模拟原始地层结构和属性,对不同地质体进行生态地质层构建和再造修复。通过对南渣山滑坡后缘中部进行削顶减载,渣山表层构建坚硬的土壤基底层,采坑坑壁边坡清理、整治形成台阶或平台状,东侧坑底回填和冻土层修复,采坑积水整治形成高原湖泊,渣山采坑边坡人造土壤层和种草覆绿等多种生态地质修复措施,重新塑造四号井开采后的地形地貌形态。
结果和结论本次治理范围总面积达1 670.31万m2,累计完成回填渣土916.03万m3,种草覆绿面积296.8万m2。经历3年的生态恢复,木里矿区四号井的渣山山体整体稳定,用渣土成功构建出的人造土壤,自然生长的草种长势旺盛,地表水质良好,已实现地形地貌、生态环境与周边环境整体自然融合的高原新景观。研究方法和效果为高原高寒地区的生态屏障保护和其他地区生态修复提供了成功经验和借鉴。
Abstract:ObjectiveThe Muli mining area, located in the hinterland of the Qilian Mountains, Qinghai Province, serves as the source of the Datong River—a major tributary of the Yellow River. This area falls within the alpine permafrost region, exhibiting a sensitive, fragile ecosystem. In the early 21st century, disordered coal mining in this area has caused ecological damage. This has notably posed four challenges in the ecological restoration of well No.4 in this area: (1) high, steep, and unstable slopes of spoil heaps; (2) a large volume of water accumulating in mining pits; (3) permafrost excavation and destruction, and (4) land occupation and meadow destruction by spoil.
MethodsThis study simulated the geological structure and properties of original strata from the perspective of geological restoration. Accordingly, it constructed eco-geological layers and performed reconstruction and restoration for varying geobodies. Multiple measures for eco-geological restoration were adopted in well No.4, including (1) roof cutting and unloading of the southern spoil heap from the middle part at the rear of its landslide; (2) constructing a hard base layer of soils on the surface of spoil heaps; (3) cleaning the slopes of mining pit wall and shaping them into steps or platforms; (4) backfilling and permafrost restoration at the bottom of the eastern part of the mining pit; (5) converting water accumulating in the western part of the mining pit into a plateau lake, and (6) introducing artificial soil layers and grass mulching on slopes of spoil heaps and mining pits. These measures have collectively reshaped the post-mining terrain and geomorphology of well No.4.
Results and ConclusionsThe treatment of well No.4 in the Muli mining area involved an area of 16.703 1 million m², a cumulative backfilling volume of spoil reaching 9.160 3 million m³, and a grass mulching area of 2.968 million m². After three years of dedicated ecological restoration, the spoil heaps in well No.4 generally remain stable. The artificial soils, created using spoil, contribute to the vigorous natural growth of grass species and high-quality surface water. This treatment has created a new plateau landscape where the topography, geomorphology, and ecological environment of well No.4 are harmoniously integrated with the surrounding environment. The treatment method and achieved effects of this study offer successful experience and references for both the protection of ecological barriers in alpine regions and ecological restoration in other areas.
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煤矿开采在保障国家能源消费供给的同时,也不同程度地造成了地表沉陷垮塌、露天采坑、煤矸石山和粉煤灰等固体堆积物,引发土壤和环境污染、水资源破坏、次生地质灾害等问题[1-2]。党的十八大以来,国家将生态文明建设提升到前所未有的高度,特别是黄河流域生态保护和高质量发展工作越来越得到重视。目前,我国学者围绕矿山地表沉陷垮落[3-4]、采动裂隙分布与导水特征[5-6]、排土场复垦[7-8]、尾矿库复垦[9-10]、边坡治理[11-12]、矿山水资源修复[13-14]、矿山土壤修复[15-16]等方面开展了大量研究工作,形成了矿山环境修复治理模式和修复关键技术[17-18],通过人工干预的方式,恢复受损生态系统的结构和功能,保障了矿区绿色发展。在高原高寒矿区生态治理与修复方面,边坡治理时常面临冻融循环、滑坡垮塌、泥石流、岩体破碎等问题及次生地质灾害,主要采用挡土墙、抗滑桩、锚杆支护等方法,提高边坡稳定性[19-20]。土壤修复面临低温、缺氧、土壤贫瘠等挑战,常采用客土法、换土法、深耕翻土法、化学淋洗法、化学固定法等,再通过添加有机肥、牧草专用肥等措施改善土壤条件[21-22]。植被恢复时多选择耐寒、耐旱、耐贫瘠的植物种类,构建稳定的植物群落[23-24]。这里自然条件更为恶劣,生态环境更加脆弱,矿山开采导致的土地沙化、草地退化、水土流失、冻融循环等生态系统退化问题更加严重,治理难度更大[25-27]。
王佟等[25]提出的生态地质层理论,强调了采用地质手段开展生态环境修复与治理,核心目标是修复和再造出与原始地层剖面结构相似的生态地层。因此,笔者进一步以青海省木里矿区聚乎更四号井为对象,详细介绍生态地质层理论与地质修复技术在高原高寒矿区不稳定边坡、采坑积水、土壤层重构、冻土层修复治理时的具体应用和效果,为青藏高原及其他地区生态修复提供经验和借鉴。
1 矿区采后生态环境治理难点
木里矿区聚乎更区四号井位于高程4 000 m的青海省海西州天峻县木里镇内。四号井多年的露天开采形成了一个西北至东南走向的巨大采坑,采坑长3.73 km,宽1.05 km,开采深度180~200 m,坑口面积304.64万m2。采坑周边渣山3处,占地645.83万m2。煤炭开采导致四号井与周边自然生态环境不协调,开采堆积形成的高陡渣堆边坡,易发生滑坡等地质灾害。地表挖毁的土壤和冻土随着冻融循环以及雨水的冲刷和淋滤、渗透作用,极易产生水土流失等生态环境问题,威胁区域生态安全。过度开采加速资源耗尽和生态破坏,影响当地经济可持续发展,生态修复和污染治理费用高昂,增加财政负担。木里矿区的生态环境破坏问题一度引起国内外媒体的多次报道和关注,引发了一系列社会、经济和环境问题。
2020年8月矿区开展大面积生态环境整治,通过遥感影像数据的解译和分析,结合野外现场调查,得出四号井采坑生态环境修复的难点为不稳定边坡、采坑积水、冻土破坏、渣石占地与草甸破坏4种主要类型。
1) 不稳定边坡
位于四号采坑南部渣山北侧的不稳定边坡和采坑西北隅高陡边帮处均发现滑坡现象。四号井南渣山由矿山开采堆积的渣石组成,属特大型滑坡体,呈上缓下陡的凸状斜坡。滑坡东西宽780~1 520 m,南北长1 000 m,高差约173 m。滑坡中后缘发育多个东西延伸的拉裂缝带;前缘相对较陡,地形坡度为40°~50°,变形强烈,已发生滑塌,局部鼓胀凸起,发育多条东西向贯穿性裂缝和多级错台,滑坡体表面几乎无植被[28-29](图1a)。采坑西北隅为高陡边帮处滑坡体,其主要由腐殖土、砂黏土、砂砾石,山坡堆积的角砾、砾石等组成,滑坡高度157 m,坡面平均坡度37°,滑坡体向采坑方向滑动,存在滑坡蠕滑变形。
2) 采坑积水
四号井共形成3个水坑,最大采坑容积22 930.30万m3,积水深度42.63 m[30]。四号采坑原来是上哆嗦河穿越的位置,矿山开采前人为对穿越段的上游约1.5 km处提前改道,使河流环绕四号井的西侧和北侧外围径流,最终汇聚至大通河。虽地表水沿人工河道径流,但很难改变地下潜水原有的径流和排泄方向,采坑南渣山的西南侧外围因上哆嗦河地下潜水不断渗流,导致大量地下潜水渗溢滞留,不同水源的水汇集到采坑处形成大面积的积水,影响了采坑及渣山的边坡稳定性(图1b)。
3) 冻土破坏
木里矿区多年冻土层底界深度约为120 m,四号井采坑深度180~200 m[31],露天开采使得冻土层揭穿,增加了冻土层的融化速度与融化深度,直接破坏了冻土层的隔水性能,使得局部地表水与地下水连通(图1c)。
4) 渣山占地与草甸损毁
采坑周边渣山3处,其中采坑东侧渣山占地177.47万m2,体积4 689万m3;南侧渣山占地175.51万m2,体积6 228万m3;天木公路北侧渣山占地292.85万m2,体积10 318万m3[28]。矿山开采堆积的渣山造成了沼泽湿地退化、土地沙化和草甸植物枯萎和死亡,以往虽经局部覆绿,但由于土壤层发育薄,高寒高海拔气候条件恶劣,大部分植被发生退化(图1d)。
2 生态地质修复治理
2.1 修复方案
根据王佟[25](2021)提出的生态地质层修复理论,按照“地质+生态”“自然恢复+工程治理”的综合治理思路,从地质角度,通过对破坏的生态地质层再造修复,消除地质灾害隐患,开展矿山生态治理与修复。治理方案是对采坑南侧高危渣山削顶减载,采坑坑壁边坡清理,坑底回填和冻土层修复、采坑积水整治形成高原湖泊,治理范围内土壤重构和覆土覆绿。采坑整治完成后,南北边坡与坑底形成新的高原景观(图2)。
2.2 边坡整治
2.2.1 高危渣山降高减载
四号井采坑南侧的渣山距离采坑非常近,开采堆积形成的南渣山在原上哆嗦河床河道地下水持续渗流和重力的作用下,南侧长期积水,北侧向坑内发生滑动,初步分析渣山底部已形成蠕动面。
1) 南渣山削顶减载
采用理论计算与现场观测相结合的方式分析渣山滑坡体的稳定性,确定适宜的渣山坡面角。理论计算方面,本次采用极限平衡法中的瑞典条分法计算边坡的安全系数K,再根据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》对边坡稳定系数的要求,确定出四号井边坡的最大坡面角为26°。
$$ K=\frac{\displaystyle\sum _{{i}=1}^{{n}}\left(c{H}_{i}+{W}_{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{i}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\varphi \right)}{\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{W}_{i}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{i}} $$ (1) 现场通过对木里地区30多个自然边坡和以往治理修复边坡岩层的岩性类别、边坡外形轮廓、草种生长情况、受雨水冰雪冲刷情况等观测,得出适宜植物生长的坡度角应小于30°。因此,最终确定出边坡稳定的适宜坡度角应控制在26° 以下。
为保证四号采坑南渣山稳定,对南渣山滑坡后缘中部进行削顶减载,并从东西两侧向渣山中部进行削顶减载,中部形成马鞍状通道和由南向北倾斜的大缓坡,使渣山边坡达到稳定状态。从南渣山西侧坡和东侧坡以坡面角小于26°为标准,分别向中部进行渣山削坡整形和重型机械碾压,每10 m高设置5 m宽平台,新形成的平台在4 032 m以下与中部大缓坡衔接,将渣山塑造为稳定的种植床,并在坡面上修筑跌水沟,台阶边缘修筑截水沟,以涵养水源。中部为保证通道排水通畅,减少水流对渣山的冲刷,削方形成由南向北倾斜的大缓坡,南端形成宽约200 m,高程4 032 m的平台,向北高程逐渐降低为4 015 m。南渣山削顶减载范围为71.13万m2,开挖方量900万m3。这样通过后载削坡的方式,有效减载降低渣山整体滑坡的冲击性,便于南渣山南部的积水流入采坑。之后在渣山表层构建土壤基底层,为渣山表层人造土壤层和后期覆绿创造良好的立地条件。
2) 渣山表层构建生态地质层
渣山削坡减荷后,进一步对表层5 m范围内的渣土进行反复多次碾压,形成实度达到0.8~0.9的坚硬压实层,构建渣山外部表层类似“鸡蛋壳”一样坚固的生态地质层,相当于木里地区原始砂泥岩风化带,重塑渣山外形骨架,之后在其上进行土壤层再造。“鸡蛋壳”可有效防止土壤中的水分和养分快速渗流到渣山内部,避免植物因缺水而枯萎。同时,促使和引导植物根系由纵向生长转向横向生长,在渣山表面有限的土壤层中形成更加复杂紧密的根系网,有助于植物抗风耐寒、涵养水源,在高原极寒的恶劣环境中生存繁衍。
2.2.2 采坑边坡整治
1) 采坑西北隅边帮滑坡
四号采坑边坡的地质灾害隐患主要是西北侧存在边坡基岩滑坡风险。该滑坡体主要由侏罗系杂色泥岩和薄层状灰黑色粉砂岩组成的岩质边坡。岩石表层风化淋滤强烈,哆嗦河和F6平移断层旁侧岩层变形强烈,地表水和冻结层上水沿断层导水裂隙带下渗,泥岩遇水软化,多处已发生小范围地质灾害。
治理时考虑岩性变化,将斜坡分成多个小段,每个段落之间设计成台阶或平台状,从而减小边坡内部的塑性应变,分散边坡承受的应力,降低因应力集中导致的滑坡风险。同时,采用引流的方式清除地表积水,减少后期地表水的渗流对边坡的冲刷作用,间接减小因水流冲刷而导致的下滑力。
2) 其他地段清坡修整
现场勘测采坑边坡其他地段坑壁总体为稳定的硬质岩,综合分析这些位置的边坡总体安全稳定,仅对局部存在不稳定岩块及散落的渣土进行清理,对稳定岩质边坡自上而下逐级清理坡面不稳定岩块和渣土,为覆绿创造种床条件。
2.3 采坑治理
2.3.1 东侧坑底回填
四号采坑东侧开采形成了由东向西排列的2个小型积水采坑,采用回填治理的方式。首先,根据已挖损的采坑深度和地形现状建立模型,计算回填深度。其次,采用分级放坡处理,控制边坡坡度小于26°的前提下,在坑底形成台阶状结构,形成矿坑治理修复后的基本框架样式,以保持边坡稳定,防止后期周围边坡在水力冲蚀和重力作用下形成二次滑坡或坍塌等,最后,在其上进行冻土层构建和土壤层重构与植被恢复,具体方法如下。
东采坑西侧的小采坑回填至高程为3 936 m后,按1∶3坡率分级放坡回填至高程3 955 m,之后在东侧小采坑东部和北部边坡按比例是1∶2.5坡率回填至高程
3990 m,在3 975 m设置5 m宽平台;在高程3 990 m处设置15 m宽的大平台,高程3 990 m以上按1∶3坡率回填至高程4 005 m,在高程4 005 m设置30 m宽的大平台,再按1∶3的坡率回填整平至高程4 025 m的坡顶位置,与坡顶地形自然衔接。2.3.2 采坑积水保留
根据四号井采坑西侧积水情况,结合现场地势情况调查,采取保留采坑积水,涵养水源,形成高原湖泊的修复方式。待积水蓄满后,引入高地势的上哆嗦河,逐步恢复四号井采坑积水同外部河流之间的连通。
2.4 冻土层修复
由于采坑坑底的冻土层已全部挖穿,因此在东侧坑底回填时需要人工再造二元结构的冻土生态地质层[25],即多年冻土层和季节性冻土层,以实现重构冻土层物质结构、地下含隔水层结构及水力联系、水源涵养能力相似与原始冻土层及其功能搭接融合的修复。
对于多年冻土层,其底界设计在地表以深120 m处,回填过程中选用相似岩性的渣土和碎石块,按照每5 m进行分层回填和反复压实,压实系数一般在0.85以上,配合人工施水或大气降雪,往复多次层层覆盖,回填上限埋深一般在0.4~3.5 m。本次在人造多年冻土层与原始冻土层相拼接的位置,特别采用了台阶状的搭接面结构,选择泥质细渣土进行反复压实处理,压实系数要求在0.90以上,并在上部构建碎石散热层,以减小修复后的冻土层在纵向上产生裂隙导通,降低融沉变形、热熔滑塌等问题出现。
对于季节性冻土层,考虑到上哆嗦河地下水渗流的影响,重点是修复冻土层中被阻断的地下含水层,重构地下水系连通作用。具体做法是根据原始地层岩性、厚度和埋深变化,选择与之相似的渣土、砂泥岩、碎石块等,通过分层回填,隔水层压实,含水层适度压实等工程措施,人工重构出与原始季节性冻土层属性相似的人造季节性冻土层(图3)。人造季节性冻土层厚度通常在2 m左右,在其之上进行土壤层再造。
2.5 土壤重构与植被覆绿
木里高原矿区风化土壤层极薄,厚度5~10 cm,可用于覆土的土壤奇缺。由于客土覆盖法所需要的土壤量巨大,附近无可调配用于修复的土壤。因此,需要仿造风化带土壤层物质成分,在无土地区重新构建土壤。通过土壤材料地表调查,四号采坑南渣山中段滑坡体泥多砂少,细粒碎屑占比高,有机碳质含量高,可作为土壤材料优选源地。
首先,构建出不同分层和功能的三元结构土壤生态地质层剖面[25]。主要包括底部的土壤基底层、中间的渣土改良层和上部的人造土壤层。土壤基底层是一种特殊的生态地质关键层,是保水保温的关键。通过选配一定粒度和湿度的渣土,模拟原始渣土层剖面结构、化学成分和pH值,通过碾压、施水、冻结形成基底层压实度大于等于0.85,相对能保水、保温、防渗的土壤基底层;渣土改良层采用分层回填富含有机质的细渣土,通过转运、翻耕、捡石、往复碾压等重构出具有一定粒度和湿度的渣土层,厚度不小于10 cm;最上部是人造土壤层(图4a)。
其次,无土地区人工重构土壤。选用渣土、草种、羊板粪、有机肥、牧草专用肥等材料,在高原现场开展了上千次不同结构组合和草种配比的测土化验和室内花盆实验,得出最佳的土壤层构建和肥力改良方案[32]。通过铺设在渣土改良层上部,形成类似原始表土层的人造土壤层,厚度在3~5 cm(图4b)。实现与原始土壤结构、物质成分相似的重构土壤。
最后,土壤植被覆绿。草种选用青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、青海中华羊茅、同德短芒披碱草按1∶1∶1∶1比例混播。通过在重构的土壤层上修建排水沟、播种、耙耱镇压、铺设无纺布等多个步骤播种种草,保障种草快速高效种植(图4c)。
3 治理效果
3.1 渣山与采坑边坡稳定性
2021—2024年,青海省海西州共发生过7次5级以上地震,2024年利用InSAR数据,通过相位差异推断修复后地表渣山和采坑边坡的微小形变,结果显示,地表在−0.1~0.1 m内发生微小沉积,治理后的渣山监测未发现变形、滑坡等问题,有力证明重构后的渣山实现了山体整体稳定(图5)。
3.2 地表水质
2022—2024年,连续3 a在四号采坑相同地点的水质取样测试结果显示,地表水pH值从8.750下降至8.275,导电率从2 299 μЅ/cm下降至433 μЅ/cm。2024年第3次水质测试结果显示,除溶解氧外,其他水质监测各项指标已达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中地表水质量Ⅰ级标准(表1)。说明四号采坑中的地表水质量逐渐恢复良好。
表 1 木里矿区四号采坑水质变化情况Table 1. Changes in water quality in well No.4 in the Muli mining area年份 pH 导电率/
(μЅ·cm−1)参数等级 溶解氧(DO) 高锰酸盐指数(IMN) 五日生化需氧量(BOD5) 化学需氧量(COD) 总磷(TP) 氟化物(F−) 2022 8.750 2 299 — Ⅰ — Ⅱ Ⅱ Ⅰ 2023 8.580 1 649 Ⅱ Ⅰ Ⅰ — Ⅱ Ⅰ 2024 8.275 433 Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ 3.3 植被覆绿
经历3 a严冬的自然生长,种草覆绿总体效果良好[33],表层草种长势旺盛,平均株高可达16 cm,最高株高为36 cm,植被覆盖度72%~100%,平均87%。人工开挖修复后的土壤层与原始土壤层对比显示,渣土与有机质重构出的人造土壤层与原始土壤层的物质结构和功能相似(图6a和图6b),人造土壤生态地质层解决了木里矿区“覆绿无土”的难题,实现了无土地区的土壤再造,保障了后续的种草覆绿和植物繁衍生长。
四号采坑治理范围总面积达1 670.31万m2,累计完成回填渣土916.03万m3,种草覆绿面积296.8万m2。通过系统治理,人工景观与周边自然景观协调融入,修复治理效果显著,整体上达到了矿区生态环境的提升(图6c和图6d)。
4 结 论
(1) 高原高寒地区自然条件恶劣,生态环境脆弱,矿山开采导致的土地沙化、草地退化、水土流失等生态系统问题治理难度大。通过遥感影像数据的解译和野外现场调查得出,木里矿区四号井生态环境修复的难点为不稳定边坡、采坑积水、冻土破坏、渣石占地与草甸破坏4种主要类型。
(2) 按照“地质+生态”“自然恢复+工程治理”的综合治理思路,模拟原始地层结构和属性,对不同地质体进行生态地质层构建和再造修复,对采坑南侧高危渣山削顶减载,采坑坑壁边坡清理,东侧坑底回填和冻土层修复、采坑积水整治,治理范围内人造土壤重构和种草覆绿。
(3) 修复治理后的四号井消除了采坑和渣山边坡滑坡垮塌的风险,实现了冻土层修复、无土地区渣土改良和种草覆绿,形成了与周边生态条件相互融合一致的地质体。矿区治理有效保护了高原高寒生态脆弱区的生态环境,修复了湿地生态结构和功能。
(4) 生态地质层理论与地质修复技术已推广应用于青海木里煤田包括聚乎更、哆嗦贡玛以及江仓、雪霍里、雷尼克、瓦乎寺等地区以及宁夏、山西、湖南等地的生态环境治理工程,社会及生态效益显著。
符号注释:
c为垂直土条滑面的黏聚力,kPa;Hi为第i个垂直土条的滑动面长度,m;K为边坡的安全系数;n为采坑斜面所包括的垂直土条的个数;Wi为第i个垂直土条的单位长度的自重,kN/m;θi为第i个垂直土条的重力线与通过此垂直土条底面中点的半径之间的夹角,(°);φ为采坑边坡岩体的内摩擦角,根据采坑岩性种类确定。
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表 1 木里矿区四号采坑水质变化情况
Table 1 Changes in water quality in well No.4 in the Muli mining area
年份 pH 导电率/
(μЅ·cm−1)参数等级 溶解氧(DO) 高锰酸盐指数(IMN) 五日生化需氧量(BOD5) 化学需氧量(COD) 总磷(TP) 氟化物(F−) 2022 8.750 2 299 — Ⅰ — Ⅱ Ⅱ Ⅰ 2023 8.580 1 649 Ⅱ Ⅰ Ⅰ — Ⅱ Ⅰ 2024 8.275 433 Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ -
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