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排土场的改造及利用现状的调查报告
2013-09-13
排土场的改造及利用现状的调查报告。
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排土场改造的背景及意义

矿业是国民经济的基础产业,矿产资源开发的特殊性决定了矿业发展循环经济的客观要求和现实需要,矿业循环经济的发展对整个工业和其他行业循环经济的发展具有十分重要的带动和示范作用。循环经济的理念提出后,在国内外逐渐得到实践并产生了好的生态效应和环境效益。在我国,循环经济已跻身于主流的经济概念。在较短的时间里,循环经济很快就从一种理念转化为国家战略和政策,成为我国可持续发展的重要手段。

我国冶金矿山80%的矿石量来自于露天开采。因而,露天矿山对我国钢铁工业的可持续发展具有特殊重要的意义。目前,我国的大多数大型露天矿山已进入了中后期开采,随着开采深度的增加,开采的安全性越来越差,开采的难度越来越大,生产成本急剧上升,经济效益下滑。如现有的16 座大型冶金露天矿山中,已有15 座由山坡开采转入凹陷开采,最大凹陷深度将达到或超过400m,最终边坡垂直高度将达到600~700m。这给岩石力学科技工作者提出了新的课题,确保矿山现在和未来安全、经济高效的开采矿山开采造成了大量的土地资源破坏,加剧了人地矛盾。为加强土地复垦工作,2007年开始实施了土地复垦方案编制、评审制度。经过3年的实施发现,复垦方案编制水平参差不齐,煤矿的土地复垦方案要比金属矿复垦方案做的好些,因为煤矿的复垦技术和复垦方式相对于金属矿来说更成熟和稳定。金属矿土地复垦对在土地破坏预测、土地复垦方式、复垦资金提取等方面的技术和方法还不成熟,导致金属矿土地复垦方案编制达不到评审的的要求,复垦方案通过率不高。国土资源部出台了《关于组织土地复垦方案编报和审查有关问题的通知》(国土资发[2007]81号文)。本文从需求上分析国土部门对土地复垦方案编制内容和深度的审查要求;从技术上分析评审专家对土地复垦方案的关键内容和重点内容评审要求,总结归纳出土地复垦方案编制的重点和难点。通过金属矿和煤矿的对比,指出井工开采的金属矿在矿体赋存和开采方式的差异性,导致其在土地破坏形式、土地复垦方式上的有本身的特性:土地塌陷预测采用半定性半定量的预测方法,而不能采用传统煤矿的概率积分法;土地适应性评价的重点是尾矿库、排土场等污染和压占的破坏土地,和煤矿把塌陷范围作为适应性评价的重点不一样;土地复垦工程设计,工程措施除了考虑充填、平整等工程设计外,,还要有针对性的对潜在的金属污染进行及时的阻隔,然后,选择合适的重金属超积累植物控制和治理污染破坏的土地;土地复垦资金还应包括风险金等,风险金可以用定性和定量结合的方式计算等。由于露天开采有着资源回收率高、机械化程度高、开采强度火、规模大、劳动生产率高、生产成本低、有利于伴随采出其他矿物、木材消耗低、生产安全、劳动条件好,建设速度快产量保证度强等优点,所以我国露天矿开采的范围和生产规模日益增长。但是露采也存在占用土地多的严重问题. 这不仅表现在采场占用土地, 而且剥离的废石堆积也要占用大片土地。

根据有关研究表明,中国92%以上的一次能源、80%的工业原材料、70%以上的农业生产资料来自于矿产资源。矿业产业在我国的国民经济中发挥了极其重要的作用。矿产资源供需安全的保障程度直接关系着国家的经济安全和国防安全,因此,矿产资源的实力是综合国力的重要组成部分。一个国家的强盛与矿产资源密切相关,国家的兴衰荣辱也与其开发自然资源的历史紧密联系在一起。英国、美国和法国等西方国家曾将其经济发展建立在煤、铁的基上,这些国家在工业化时期通过大规模开发甚至掠夺世界各地的矿产源而发展成为经济实力雄厚的资本主义大国,进而确立了它们在世界政治、经济事务中的霸主地位。矿产资源的有限性和不可再生性,使矿产资源日趋不足的问题日益尖锐,从矿业发展的特有规律来看,势必要大力进行矿业循环经济建设。从20 世纪后期至进入21 世纪以来,我国房地产、汽车、城市基础设施建设超高速发展,引起以钢铁、有色金属、建材、化工、机械等行业高速发展,最终导致石油、煤炭、电力等重要资源供应紧张,经济发展受到矿产资源的约束更加突出,一些关系到国际民生的重要矿产资源严重短缺已成为我国经济社会可持续发展的严重制约因素。从矿业的特殊性可以看出其发展循环经济的重要性和必要性。(1)矿产品是产业链和产品链的最前端,是全社会物质流源头中的最大产业,也是固体废弃物和工业废水排放量最多的行业,具有发展循环经济的现实要求;(2)矿业要转变经济增长方式,提高效益,控制污染和降低消耗,只有发展循环经济,摆脱低效高耗、重污染的状况;(3)矿产资源的共伴生矿物,生产排放的固体废弃物、矿井水,开采占用的土地,以及大量堆放的尾矿,都存在着可观的经济价值,具有发展循环经济的巨大潜力;(4)矿山日益恶化的环境问题,需要通过发展循环经济来解决;(5)矿业的产业链每延伸一步,就增加了矿产资源加工转化带来的附加值,并相应地减少了“三废”排放,这一增一减,对矿山企业提高经济效益,控制环境污染和推动社会经济发展有积极的推动作用。因此,在矿业领域发展循环经济,对于减少资源浪费,延长资源的使用年限,控制和减少环境污染具有非常重要的意义,同时对我们国家整个社会的循环经济发展具有重要的带动和示范意义。

矿业毕竟是资源型产业,它自身具有有限性和不可再生性。随着人口日益增长对矿产的需求量也就日益加大,自改革开放以来各类矿山日渐举起,这也使得原有耕地迅速下降濒临吞没,一些原本品味地的矿也开始进行开采,这就增加了排岩排土量。并且与之配套的排土场也不得不进行相应的改造以适应矿山的发展。

排土场优化

矿山排土场稳定与否不仅影响到企业生产的安全,而且关系到排土场周边居民及相关市政设施的安全。因此急需排土场优化设计的合理布局以及开发一些新的技术,以此主要完成如下内容:

1)排土场水土保持设计

2)生态学在露天矿排土场生态恢复中的应用

3)GIS技术在排土场建设及改造过程中的应用

1 排土场的水土保持

1. 1工程措施

一般采用“截”、“拦”、“导”、“整”的工程措施。“截”主要应对地面径流。在排土场的使用初期就进行截断,阻止径流对排土场内土体的冲刷。“拦”即在排土场周围较为合适的地方建造坝体。“导”针对雨水较大的矿山,应对排土场的边坡及平盘有规则地疏导降水,避免因降水冲刷而形成水土流失和破坏排土场的稳定。“整”即对排土场的边坡和平盘实行整地和复土,为绿化做准备。

1. 2植物措施

    在工程措施基础上在排土场的最终平盘、边坡及排土场周界,种植草、灌、乔植物。植物措施能更好的保持水土,改善生态环境。其基本是先种草,后造林,林草结合植被绿化。

排土场是矿区水土保持的重点,排土场的水土保持必须在合理的工程措施基础上,进行草、灌、乔结合的绿化,才能从根本上预防水土流失。

2. 生态学在露天矿排土场生态恢复中的应用

2. 1 生物复垦是在工程复垦结束后进行的土地复垦的重要环节,其作用是快速恢复植被,有效地控制水土流失,改善矿区的生态环境,它是实现废弃土地农业复垦的关键。其主要内容有:土壤评价、土壤改良方法、植被品种的筛选和植被工艺等技术。矿区植被建设应遵循以下基本原则:

  (1)认真贯彻因地制宜的原则,根据不同地段立地条件、土壤结构、毒害矿物分布和水土流失情况等因素,进行复垦植被。

  (2)以建立矿区人工生态系统为复垦目标,在工程复垦的基础上,进行土地适宜性评价,做到适树种树、适草种草。

  (3)在土壤有机质较低的区域,以草为先锋,灌木为主体,建立草、灌、乔三者相结合的防护林体系。

  (4)把矿区水土流失与矿区环境绿化、美化相结合,是复垦后的矿区空气清洁,环境优雅,风景宜人。

2. 2 复垦土地适宜性评价

复垦土地适宜性评价是针对复垦区的土地资源(主要指被破坏的土地)进行的潜在适宜性评价。即依据破坏土地的自然属性和破坏状况,适当将社会经济因素作为背景条件来评定未来土地复垦治理后对农、林、牧、副、渔建设及其他利用方向的适宜性及适宜程度、限制性及限制程度,是一种预测性的土地适宜性评价。

2. 3 土壤改良

2. 3. 1覆盖土壤的性质

复垦区的土壤可能是原采区表土与心土的混合物,也可能是未经过覆土处理的原剥离物。新形成的覆盖土的土壤性质与原有地表的土壤性质有较大差别,严重地影响了复垦植物的生长。

2. 3. 2 土壤改良遵循的生态学原理

在土壤改良过程中,应遵循协同适应原理。生物与其生存环境之间的适应和反适应是一个持续的、螺旋式的发展过程。随着选择压力的不断作用,会导致一种稳定状态。此时,每一方都以这样的方式发生适应,即尽量减少对对方的干扰和损害,从而最大限度地减少对方的反适应。生物与其生存环境是相互依赖共同生存的,生物的发展促进了环境的发展,适宜的环境为生物的发展提供了有利的生存条件。所以在土壤改良的过程中,从改善土壤结构,提高土壤肥力的角度出发,应当首先选择一些牧草、豆科植物作为先锋植物,达到种地养地、改良土壤的目的。只有生物与环境协同进化、相互适应才能使整个生态系统形成良性循环。

2. 3. 3 复垦区土壤的改良方法

(1)绿肥法。这种方法的特点是在复垦区种植多年生或一年生豆科草本植物,能有效地增加土壤

中氮的含量,其根系腐烂后能有效地增加土壤的胶结和团聚的作用。

(2)化学法。主要应用酸碱中和技术改良土壤的酸碱度。中和酸性土壤常用石灰作掺合剂。

(3)客土法。对过沙、过粘土壤,采用“ 沙入泥,泥掺沙”的方法,改善土壤的粒度和容重,调节土壤的透水性,提高土壤肥力。

(4)施肥法。施用大量的有机肥料来提高土壤中的有机物含量,改良土壤的结构,消除土壤过沙、过粘的不良理化特性

(5)微生物改良。利用微生物活化剂或微生物和有机物的混合剂对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良,恢复土壤肥力和活性。

2. 3. 4 复垦区种植物种的选择

结合复垦适宜性评价结果,进行种植物种的选择。复垦工作实践证明,种植物种的选择至关重要,关系到复垦工作的成败。

1)选择种植物种遵循的生态学原理

实践证明,在选择种植物种时应遵循生态演替原理。群落是一个动态系统,能量和营养物质不停地在群落中循环流动。如果群落一旦受到干扰和破坏,它还能慢慢重建。首先是先锋植物在遭到破坏的地方定居,后来又被其他种植物所取代。总是后来者占优,直到群落恢复它原来的外貌和物种成分为止。在一个遭到破坏的群落地点所发生的一系列变化就是演替。黑岱沟露天煤矿工程复垦后的土地土壤贫瘠、有机质含量低、土壤结构不合理、渗透性差。首先应种植豆科灌木或牧草(有固氮作用)等先锋植物迅速恢复植被,控制水土流失。随着土壤肥力的提高,在开放的阳光下,草本植物演替的后期,喜阳的灌木会出现并在竞争中取胜。在灌木群落所形成的潮湿遮荫的地面上,为各种树种的萌发创造了有利条件。于是树木就会成长起来,并最终成为优势种。所以根据这一原则,应在复垦区逐步增植一些抗耐性较强的灌木、乔木,逐步形成草、灌木、乔木的立体景观,从而加强了整个生态系统的结构稳定性与功能协调能力。

2)牧草选择

选择合适的先锋植物是植被重建的关键措施之一。牧草的选择必须作到与当地的气候条件、矿区的周边环境、覆盖土的性质等自然条件相吻合,起到发展生产与改良土壤构成,提高土地生产力相结合。所以,选择的植被应具有以下特征:

①适应脆弱环境生长,抗性强,抗旱、抗寒、抗瘠薄、抗病虫害等。

②生长快,能固定大气中的氮素,加速土壤熟化。

③根系发达,萌蘖能力强,防风固土,发挥生态作用。

④播种、栽植容易,成活率高

3)树种的选择

 牧草种植,对控制初期的水土保持是非常有效的,但由于气候干旱等原因,长期效果较差,因此在牧草种植的同时要开展林业复垦。林业复垦对复垦区内控制初期的水土保持效果不如草本植物,但是作为植物群落重要组成部分的乔木和灌木,有着各自不同的生长密度和空间层次,占据着巨大的生态空间,为各种生物提供了广阔的生长、栖息环境;加之植物的枝叶茂盛,太阳光的利用率极高;再加之根系发达,能够充分利用气候和土壤条件,生产巨大的生物量,对于维持地表的稳定和增加地下水的蓄积量起着重要的作用,这有利于矿山复垦成果的保持。此外,在复垦区内种植的部分树种,还具有良好的经济效益。

树种选择正确与否,将直接影响着整个造林工程的效果。矿区复垦种植的树种选择,要考虑多方面的因素,如复垦目标、场地条件、气候条件、社会经济条件等,力争做到所选树木的生态特征与矿区复垦种植条件相吻合,达到生态效益与经济效益的统一。

  矿区复垦种植树种的选择一般要遵循以下原则:

①优先选择乡土树种。乡土树种是指自然分布在当地的树种,是自然界长期进化的结果,一般来说,造林成活率较高,生长迅速,适应能力强。

②选择肥料树种。矿山复垦区的土壤一般比较贫瘠、肥力低下,因此一般在造林的时候选择耐贫瘠的树种,尤其是选择具有固氮能力的豆科树种,如刺槐、紫穗槐等,和具有固氮能力的非豆科树种,如沙棘。这些树种不但适应能力极强,并且对土壤具有改良的作用。

③具有较强的生态效益和经济效益。复垦区种植的树木,一般包括2种用途,一种是起到防风固沙的防护林,对其要求是根系发达、树冠茂密。另一种是经济林和用材林,对其要求是速生、丰产、优质。

3. GIS技术在排土场建设及改造过程中的应用

以露天矿的形式开发矿产资源,对环境的破坏是很大的。人类赖以生存的自然环境,在某种意义上比矿产资源更重要。因此,露天矿的建设和生产过程中,要统筹考虑环境问题。

排土场一般面积很大,极易污染城市及周边地区环境,因此有必要开展矿山废弃土地的复垦,借助高科技快速高效地获取废弃地地面和环境信息,为矿山企业生态恢复、环境保护、废弃地治理等方面的整体规划决策和技术实施提供可靠依据。

随着空间信息技术的发展,利用多时相影像在植被信息提取、土地利用变化监测、农作物估产、林业资源调查、全球和局部环境污染监测等方面得到拓展,高光谱技术在精准农业的土壤和植被生化指标定量模型研究上获得广泛应用。利用遥感光谱技术实现对矿区土地利用、土壤资源、植被覆盖、环境等进行监测调查与评估,可以为矿区复垦决策提供快速、高效、大范围的信息来源。遥感在矿山测量中与信息获取的关键理论与技术应用研究正逐步展开。而如何提高遥感影像数据的专题信息提取精度,是应用中的主要问题之一。在实践中,综合利用多源遥感信息参与分类和信息提取过程,提高影像分类的精度,从而提高遥感数据的空间分辨率和利用率。

利用多元遥感技术,经过对矿区地物的信息提取,对排土场植被恢复进行分级。通过分析排土场植被恢复能力和恢复模式,为矿区废弃地的复垦和植被恢复提供快速辅助决策,对矿区植被生长覆盖度进行大范围监测、预测。

    GIS应用于环境规划和土地复垦规划,可在矿山环境影响评价基础上,制定科学的环境规划确定环境治理措施的布局。露天矿山对到达边界的排土场或废弃采场进行土地复垦,建立基于GIS的土地复垦信息系统,在计算机屏幕上动态显示现在与未来矿区土地覆盖变化,对未来土地复垦后的景观进行预测模拟,从而有效的指导和评价土地复垦作业。

排土场矿石回收

石人沟铁矿经过近30年的开采,现已进入露天开采后期。至2001年底,露天采场仅结存矿石储量126.02万t,主要作业台阶为40 ITI和28 ITI,露天底设计为16 m水平。随着采掘作业面的变窄,原有的设备(KY一250牙轮钻机、WK一4电铲及20 t自卸矿车)效率受到较大影响,出矿能力明显降低,以至由原来的100万t/a以上,降为2002年的55万t。矿石资源紧缺,选厂供矿不足的矛盾日益突出。对此,矿里积极采取了2项技术措施,一是对采场北边帮残存的矿体采用平硐方式进行追脉开采,每年出矿近30万t;二是对采场13勘探线以南28 In水平以下的狭窄地段,利用小型民采设备(D一80钻机、1m3反铲、5 t自卸汽车)进行陡帮开采,每年出矿约20万t。以上2项措施的实施,在很大程度上弥补了供矿能力的不足,但按选矿工序要求,仍有一定的矿石缺口。为此,矿里又组织有关工程技术人员,对已废弃的排土场进行了充分的考察、分析和论证,在利用原有闲置设备的基础上,又投资60万元,成功地实施了对排土场残存矿石进行回收的探索,收到了较好的效果。

1 排土场资源状况分析

我矿在稳产期,每年采场出矿100~ 120万t,实际矿石损失率为5%~ 6%,在开采过程中,每年将有5~ 7万t矿石混入岩石而废弃到排土场,岩石中平均矿石混入率在2.5%~ 3%,造成矿产资源的损失。通过对排土场矿石进行块度分析,发现其中约有40%的矿量为单向尺寸大于250 IBm 的块矿,对于该部分矿石,完全可以用装载机倒料,人工及专用工具配合进行挑选。而对于块度小于250mm的矿石,则可采用“大块磁滑轮”工艺进行回收。对于回收矿石的质量,通过现场取样化验,平均Tl品位可达到28% ,完全满足选厂加工的要求。由于石人沟铁矿已废弃的6个排土场中,1#~5#排土场已进行了土地复垦,不具备回收条件,唯有南采区排土场,尚未复垦,总排岩量为3 200万t,可实施矿石的回收工作。

2 矿石回收工艺、设备

2.1 主要设备

根据我矿排土场的资源状况、作业场地以及工艺技术要求,需配备相应的矿石回收设备(计8台套)。

2.2 生产工艺

对排土场回收矿石,大致可划分为2部分进行。其一是对岩石(含混入的矿石)块度较大且相对集中的部位,直接采用装载机掘斜沟,使之形成段高6~8 m、作业带宽度20~ 30 m的掌子面,然后水平推进,推进过程中由装载机落料,人工及专用工具配合,将混入岩石中的矿石挑出,装入3 t翻斗车运至指定地点,废石可就近排弃或运出,但须保持正常的开拓运输系统及基本的作业空间,同时须满足整体规划要求。对于岩石(含矿石)较破碎的地段,则采用“大块磁滑轮”工艺进行回收。具体程序为:在平整的排土场顶面适当位置,用挖掘机掘斜沟,一般坡度≤8% ,使之形成段高8~ 10 m、采掘带宽度20~ 25 m的掌子面,再改掘段沟,水平推进约25 m,掌子面宽度扩至30~ 35 m,即可安装磁滑轮系统设施,一般该系统布置于段沟中心线上,出料方向与掌子面推进方向相反较为合理。待上述工作完成后,即可进行正常作业。首先用挖掘机将含矿岩料装入磁滑轮受料槽,通过电振给料到运行皮带,当物料经过磁滑轮时,便可将矿、岩自动分离,矿石吸附于磁滑轮的皮带表面,在反程特定位置卸载,经矿石溜槽落至临时堆放点;岩石经磁滑轮直接抛尾至排岩车内,运到指定地点排弃。当掌子面推进和扩展到一定程度后,须及时对磁滑轮系统进行移设,以保证各工序设备能力的正常发挥。一般说来,每次移设步距在30~ 35 m较为合理。值得说明的是,受磁滑轮选别性能的影响,在挖掘机作业过程中,须加强对大块(一般单向尺寸>~300 mm)矿岩的挑选,该部分大块,可由人工配合将矿石挑出后,直接用挖掘机装入排岩车排弃。

2.3 作业制度及定员

对于手捡场,由于场地较为分散,灵活性较大,不便于安装照明设施,且主要靠人工辨别挑选矿石,从安全和技术角度考虑,只适应白天作业,故工作制度确定为每天白班生产,工作时间视季节变化,安排8~ 10 h。具体定员情况视装载机的能力和所开辟手捡场的数量来确定。石人沟铁矿在1台装载机的情况下,共开辟手捡场4个,安排手捡矿工14人,装载机司机2名。对于“磁滑轮系统”,由于作业场地较为集中,工作稳定性较强,可安装照明设施,且完全靠机械选别分离矿岩,可昼夜生产,故工作制度确定为每天2大班作业,各班作业时间8~ 10 h,职工定员计13人(含管理人员)。

3 经济效果评价

石人沟铁矿排土场回收矿石项目,于2002年5月开始实施,6月进行了空负荷及投料调试,7月份转入了正常生产。经过近半年的生产运行,现已初步收到了较好的经济效果。

3.1 回收矿石成本较低,获得了直接经济效益

由于在排土场回收矿石工艺简单,节省了在正常露天开采条件下的穿孔、爆破及排水等项费用,只是增加了岩、矿比和磁滑轮系统运营费,但从综合成本看,仍然较低。按实际情况测算,在正常生产条件下,平均矿石成本约为29元/t,而当地同等质量矿石市场价为38元/t(不含运费),按年回收矿石2.8万t计,每年可获得直接经济效益25.2万元,投资

收益率为42% 。

3.2 合理回收了矿石资源,弥补了选厂供矿不足

该项目实施后,预计当年下半年共可由排土场回收矿石1.3万t,2003年计划出矿2.8万t,在目前石人沟铁矿露天开采即将闭坑,矿石资源异常紧缺的情况下,有效弥补了选厂供矿能力的不足。同时,加工处理该部分矿石,每年可使选厂获得直接经济效益40余万元。

排土场的复垦

1. 矿山土地复垦技术

1. 1 技术特点

矿山土地复垦需应用各种知识, 具有明显的多学科性, 涉及自然科学、技术科学和社会科学等,是一项复杂的系统工程, 因此, 决定了矿区土地复垦技术的复杂性、广泛性、多样性。科学的矿山土地复垦技术就是要很好地将各学科中先进、成熟和在推广中的新技术融为一体, 从长远的角度进行土地利用和生态环境的优化[

1. 2 矿山土地复垦基本模式

矿山土地复垦按复垦的顺序一般包括工程和生物复垦两个阶段。工程复垦是指根据采矿后形成废弃地的地形、地貌现状, 按照规划的新复垦地利用方向的要求, 并结合采矿工程特点, 采用采矿设备, 纳入采矿工艺, 对破坏土地进行顺序回填、平整、覆土及综合整治, 其核心是造地, 为生物复垦阶段生物群落的建立, 创造一个良好的生态环境;生物复垦包括土壤培肥、植被重建, 其核心是迅速建成人工植被群落, 即在建好的生态环境上建立人工植被, 形成人工群落, 关键技术在于解决土壤熟化和培肥问题, 加速复垦地“生土”熟化过程

1. 2. 1 工程复垦

从复垦的形式分, 矿山的工程复垦技术分为充填和非充填复垦两种形式。结合复垦土地的利用方向和土地破坏的形式、程度, 常用的工程复垦技术有: 就地整平复垦、梯田式整平复垦、挖深垫浅式复垦和充填法复垦技术等。

1. 2. 2 生物复垦

新造复垦地的土壤经过大型设备的挖掘、搬运和碾压等人为活动的扰动, 在很大程度上承袭了母质的特性, 其通气透水性、蓄水保水性、保肥供肥性经常发生矛盾, 严重影响植物的生长, 土壤培肥显得十分必要。矿区土壤培肥就是通过采取各种培肥措施, 加速复垦地的生土熟化的过程。地表有土性的土壤培肥, 主要是通过施有机肥、无机肥和种植绿色植物等措施, 来迅速建立土壤的有机库和氮库, 实现土壤培肥; 地表无土型培肥, 一般用易风化的泥岩和砂岩混合的碎砾作为土体, 调整其比例, 在空气中进行物理和化学风化,同时种植一些特殊的耐性植物进行生物风化, 以达到土壤熟化的目的。微生物培肥技术, 是利用微生物和化学药剂或微生物和有机物的混合剂, 对贫瘠土地进行熟化和改良, 恢复其土壤肥力的方法。其中菌根技术是现代微生物的高新技术, 张文敏等[9 ] 进行的VA 菌用于矿山复垦的基础研究, 证明了此种技术对挖掘土壤潜在肥力和迅速培肥土壤, 缩短矿山复垦周期具有突出作用, 具有经济、高效、持久、无污染的优点。在国外, 微生物肥料, 如固氮菌、磷细菌、钾细菌肥料等, 已在复垦土壤培肥中得到工业化应用, 我国应加快此项目的研究。

1. 3 植被重建

植被的恢复大体可通过两种途径实现[ 4 ] : 1)选树选草适地, 即根据当地的立地条件选择或引进各种限制因子较少的先锋植物定居, 随着植物的生长、繁殖、环境逐渐得到改善, 同时其它植物物种入侵, 最终演替为顶极群落; 2) 改地适树适草,即通过人为地改善立地条件, 使其基本适应植物的生长。植被品种的筛选一般应遵循以下程序[ 7 ] : 1)广泛进行适宜的植被品种资源调查, 选择可行性好的品种, 在实验室进行抗逆性能筛选; 2) 中选者参加田间小区模试验, 表现最好的进人生物复垦工业试验。选出的植物品种应有较强的固氮能力、根系发达、生产快、产量高、适应性强、抗逆性好、耐贫瘠等。植被重建, 应加强新建植被的维护和管理工作, 如禁止放牧、乱砍滥伐, 加强病虫害防治等

1. 4 几种废弃地的复垦模式

我国金属矿床分布地域广阔, 由于露天矿山的矿体一般埋藏短而浅, 剥采比较大, 地下采矿常造成地表的大量塌陷。据统计, 在冶金矿山中每形成1 万t 矿石生产能力, 平均占地为3197 hm2 , 每生产1 万t 矿石占地0104~011 hm2 , 其中排土场、采矿场、尾矿场地占地量达70 % , 从长远的角度考虑, 对其进行复垦具有重要的意义, 复垦模式见图1 、2 、3[5 ] 。

图1  排土场复垦工艺流程图

  

图2  采矿场复垦工艺流程图

图3  尾矿场复垦工艺流程图

2. 我国部分矿山排土场复垦状况及评价

(1)马钢姑山铁矿排土场复垦物种选择与土壤的关系

不同时期的土壤状况分析表明,两个时段的土壤pH值均在7.0~7.BY_间。体现了该排土场土壤环境为弱碱性。同时排土场中石渣的有机质含量均比其它区域的有机质含量低。前期石渣中全氮含量最高,而在后期则为风化黄土中含量最高。前期黄粘土中速效磷含量最高,达到T6mg/kg,后期剐以风化黄土最高。为118.979/kg。早期速效钾含量以黑泥沙中最高,后期则以风化黄土中含量为最高。从同一时期的土壤含量分析来看,前期各类土样的测定指标的最大值较为分散,而后期相对集中,风化黄土各指标值(pH值除外)均比其它土样高。后期各类土样中有机质和全氮含量均比前期要高,这可能与长时间的风化和人为活动有关.实验结果表明,所选植物在准盆栽方式下均能成活。在自然条件下,先锋植物种植均能正常发芽:黑莓在生长后期大部分能开花结果,但大多数果实成熟之前均自然脱落,这可能与根系生长环境和肥力不足的有关。杜仲等树木。在不浇水的状况下,均全部成话且长势旺盛。边坡种植的弯叶画眉草生长良好,且保水保±效益明显,说明其适宜用于排土场边坡的植被恢复。另外,排土场植被恢复所选的乔木物种均表现了较强的生态适应性。后期所采用的客土栽植提高了植物的成活率。所选物种以速生乔木、乡土树种及改良物种为主。其中乔木栽植是该排土场植被恢复的主要模式。实验区选用杨树和香樟块状混交造林,该模式主要应用于高速公路两边,从树木成活率和生长状况来看,该模式具有较好的生态效益和经济效益。另外,恢复过程中在排土场内部平台种植了部分构树,生长状况良好,且自身繁殖更新效果较好,说明其可以被广泛应用于排土场的生态恢复。另外,后期恢复中的果园模式为葡萄园和油桃园模式,两种果树在栽植早期均能正常成活,且在2~3年之后均达到了相应的产量,但葡萄苗木在果实成熟之前存在严重的脱落、果裂和病态症状,这可能与其所在区域的土壤特性有关。排土场在堆积过程中,为了保证稳定,各平台均采用了碾压后向上堆积的工艺,因此果实脱落可能与根系生长碰到压实层、土壤肥力过低有关。因此在选取物种时应考虑排土场的形成过程,或对土壤进行人工改良。草本植物的应用是为了改良土壤和迅速实现植被恢复。选取的三叶草采用撒播方式,出苗率较高,但其植株明显较小,而且叶色发黄,表现出生长不良的状况,这可能是受土壤板结和土壤肥力的影响。金针菜种植在平台边坡,其适应性良好,可在排土场角地广泛种植,具有较好的经济效益.顶层平台采用全面覆流沙客土种植的模式。厚度为0.5m。该模式从植物的生长状况来看,植物长势良好,完全没有表现出受土壤板结的影响,这可能与所覆流沙性质有关。该流沙来源于矿山开采过程中的第

四系流沙层,其养分含量相对较高,能够适应植物的生长,但该模式成本相对较高且工作量较大,不利于大范围推广。从前后两种复垦模式的比较来看,客土栽植模式更利于植被的生长。选取物种时选用当地乡土树种和改良性草本有利于迅速恢复当地的生态环境,而且便于管理,不会产生生物入侵等危害。通过分析,不同时期的物种选择和复垦模式对于矿区植被恢复都有重要的指导作用,但还应更加系统完善,以提高当地的生态效益和经济效益。


    建议通过对不同时期的研究结果进行分析,明确了排土场生态恢复中应注意的两大问题,即土壤问题和物种选择问题。结合当地实际情况,应进一步加强后续研究,为以后同一地区的矿山环境治理提供参考。同时应在排土场复垦过程中,采用多种农艺方法,通过合理的耕作制度来改善土壤特性,增加其可垦性。另外,应合理规划矿山生产活动,采用采矿一排土一复垦一体化模式。边排边复垦,防止其板结、提高植被覆盖率。

(2)白云鄂博铁矿排土场复垦研究

a.排土场现状:

白云鄂博铁矿经过50年的开采,已形成两个大的露天采坑,目前还在生产开采中,除了运到包钢选矿厂的铁矿石外,在白云铁矿还有中贫矿堆置场一处,其他岩石根据有用组分的不同而分别在规划的排土场部位堆置,目前排土场已经占用的土地主要包括东矿3。、4。、4—1。公路排土场,主矿5—2。、6。、7。公路排土场及南排土、东排土和西排土等ll条铁路排土线三个排土场,总面积达9 km2,主要围绕白云鄂博铁矿主东矿采场分布,直属白云鄂博矿管辖。由于这些排土场大部分都在服务使用,有的还在继续扩大,所以一直未对其进行复垦,长期不用的部位压实后不产生粉尘,并且在排土停止两年后的部位自然生长杂草。排土场产生的污染主要是排卸时的岩石粉尘污染和压占草场,导致草场面积减少.周围生态比较脆弱。现在已停止排土的排土场主要有西排土场和主矿后5—2。排土场、4。、4一l’公路排土场,合计约有3.5 km2,其中可以对约75%的排土场进行复垦。3.2规划排土场使用土地情况预测白云鄂博铁矿规划排土场总面积为17.7 km2.目前已经使用9 km2,还有近9 km2的规划使用土地在今后继续使用。按照目前矿山生产能力,东、主矿到闭坑时,还有1.53亿rn3的岩石需要排放,其中东矿2 300万In’,主矿13 000万In3。由于白云鄂博矿产资源比较丰富,排放的岩石可分为有用岩和废岩,有用岩又分为稀土岩和混合岩(含铌岩),这就需要分设好几个排土场,所以需要占用大量的土地。根据排土场土地使用规划,2008—2024年,每年将占用0.47 km2的土地进行排岩,势必造成0.47 km2/a的土地被压占,而2025—2031年,每年将占用0.188km2的土地进行排岩,造成0.188 iun2/a的土地被压占。这些压占的土地主要是东矿3。、4。、4一l。公路排土场,主矿5—2。、6。、7。公路排土场及南排土、东排土和西排土等ll条铁路排土线组成的三个大型排土场。今后排土场的污染同现在一样。

b.生态环境影响分析

对水的影响:由于白云鄂博矿区距附近的阿木赛尔河支流哈拉脑包河、白云布拉格河支流阿希克套河、阿德格音乌素河等3条内陆间歇性小河较远.加上白云鄂博矿区气候干燥,蒸发量远远大于降水量,故基本上对周围的地表、地下水没有污染。对植被和土壤的影响:白云鄂博矿区植被较薄,并且主要为草地。基本上没有树木。排土场压占了草地,破坏了植被,会对周围的生态环境产生一定的影响;排土场的岩石经风化和水的化学作用后会分解产生一些金属阳离子和酸根离子,也会影响排土场周围的土壤成分,但范围不大,因为地表土壤为第四系的洪积层,主要由砂质粘土、粘土等组成,粘土富水性和透水性均差,加上蒸发量远大于降水量,所以靠水的运动来污染附近的草场可能性不大。

c.土地复垦可行性评价

自云鄂博铁矿排土场压占的土地主要是铁矿周围的第四纪地层,由水期沉积物砾石、红色和黄色粘土、钙质胶结的砾石和现代沉积物砂土、砂砾、红黄色粘土等组成,过去曾为放牧区,草地的养分主要是动物(如羊、牛、马、兔、鼠类等)排泄物和土壤中的岩屑经风化剥蚀及化学分解后产生的矿物质等。现在由于矿山开采排土破坏了周围的草地生态,本着谁破坏谁复垦的原则,根据实际情况进行适当的复垦工作,以防周围草地沙漠化。

d.水土保持措施

随着白云铁矿胶带运输系统的建立,东、南、西排土场增加的堆存量将逐年减少,但已经停止堆存的排土场临空面需采用挡土墙和植物护坡,使排土场边坡稳定,排土场平台采用覆土种草种树,专用排土场外侧低洼处设挡渣墙,四周设截水沟;公路两侧设公路护坎和排水沟,可预防水土流失。3.4.2矿山排土场植被恢复矿山的建设和生产不可避免地会对环境产生影响,而我们最大限度地减少对环境影响的同时,通过有计划的植被恢复,某种程度上补偿自然环境。我们可参考其它矿山对植被恢复的实践经验,并结合本矿山的实际情况,分别制定出中长期和年度植被恢复计划,并严格按计划执行;同时,不断总结实施效果并将其反馈到计划中,不断完善和提高植被恢复计划。植被恢复的区域:公路两侧、矿山排土场平台及坡面,复垦面积约9 km2。植被恢复植物种类:矿区植被稀疏,以中旱生、旱中生类植物为主.本地主要草本植物有克氏针茅、糙隐子草、冷蒿、羊草、寸草苔、麦瓶草及杂类草等;灌木平均高度14.4 cm,草本高约10 cm左右.产草量低,由于超载放牧和工业项目的建设,使风蚀、水蚀加重,植被稀疏,草场呈中度退化。因此要种植适合当地海拔高度、地形地质、气候及水文地质条件,易成活、耐旱并生长快的本地木本和草本植物,路边和矿山排土场平台及坡面种植榆树、克氏针茅、杂类草等。植被恢复时间:从现在开始到矿山闭坑结束。’植被恢复方法:路边按5—10 m的间距挖坑栽树,不具备挖坑条件的利用废旧轮胎或油桶等装土栽树、种草;最终排土场平台顶面停止排土后,由固定不排土的部位逐年向前恢复植被,方法是在其上堆l~1.5 m厚的土壤。内高外低,外侧坡沿留0.5m左右的安全距离;在堆土的中间或内侧交叉种植一排或两排树木,同时种草;在堆土外侧和内侧分别按3—5 m间距插栽一些可以攀爬生长的植物,内侧的由固定的木棍和铁丝、绳等引导向上爬,外侧的向下爬,分别绿化排土场平台和坡面,或者撒一些拌了草籽的含有一定养分的土,来进行排土场坡面的绿化工作,一直到排土终了。植被恢复土壤:利用排土过程中压占的地表土和外地取土。植被恢复用水:可在排土场附近建立储水池或高位水池,采用水泵加压技术,用管道输水,每年春季浇足水一次,冬季来临之前浇足水一次,其它用水在植物生长期通过喷灌技术实施补水。

e.复垦工程设计

在东排土和南排土铁路排土场中间的三角河建立储水池(水源为采场排出的废水和生活污水净化后的水)。

在西排土附近建立储水池或利用附近的高位水池。

    公路排土场复垦利用60 m3洒水车洒水。

 在服务期限已满的排土场部位平整场地,架设输水喷灌网线。

从包头附近拉运黄土和砂土以及能够种植杂草的熟土覆盖复垦区。

在道路两侧利用废旧轮胎或油桶等装土栽树、种草。

从周边养殖户和牧民家里收集家畜等动物类的有机肥对复垦区进行施肥,同时施以适量的碳氨、磷肥、尿素等化学肥料来增加肥力和改良土壤。

  人工播种一些当地易成活、耐旱的草本植物或灌木,如沙棘、沙打旺、草木犀、紫花苜蓿、冰草等。以达到排土场表面植本的自然恢复,最终完成对排土场的复垦。

f.土地复垦效益分析

由于本地无霜期短暂。土壤肥力低,需大量施加肥力,种植的草本受气候条件的影响,平均高度仅为10 em左右,产草量极低,最多只能起到保持水土少流失的作用。根据本地气候变化.一年四季中风较大。尤其秋、冬、春季,有可能把土刮走,甚至还会引起扬尘扬沙等天气,所以基本上没有经济价值。本地种植的树木由于根系无法深入,造成许多树在长大后无法深入扎根,导致缺水缺肥而死亡,也不具经济价值。由此可知,排土场复垦后,基于本地的气候气象条件,植被生长期短,导致植物覆盖率低,还可能造成扬尘扬沙等恶劣的天气,基本上无经济效益,但可以达到恢复草原微弱的生态平衡。

复垦之前的照片

复垦之后的

(3)阜新海州矿排土场复垦的研究

覆盖土改良措施

覆盖土的改良与培肥应着重从消除“危害物质”,以及围绕其水、肥、气、热四大肥力要素的改善,采取相应的措施。

a.施用石膏、石灰改良。对于造成覆盖土酸、碱性危害的剥离物,应妥善处理,常用石膏和石灰。石膏主要用于碱性含盐量较高的状况,从而可以改善土壤结构,增加水的渗透和土壤孔隙度,降低土壤的板结程度。

b.施肥改良。覆盖土培肥改良施用的化肥主要是N、P肥料或N、p复合肥料。作为大规模覆盖土的肥料主要还是有机肥或杂肥。

c.种植绿肥。用作肥料的植物绿色体称为绿肥。绿肥能增加土壤有机质的有效养分,从而改善覆盖土的理化性质。

牧草栽培种植牧草是矿山排土场复垦采用最为广泛的一种方法。牧草覆盖有以下几方面的优势和作用:

(a)可以迅速地植被覆盖,绿色景观较为明显。

(b)可以改良覆盖土的理化性质。

(c)牧草具有丰富的根系,水土保持作用强。

(d)牧草易成活,对地形、土壤条件的要求不高。

(e)牧草栽培和管理费用相对较低

(4)大孤山铁矿绿化复垦

大孤山铁矿,位于鞍山市千山区大孤山乡,处于著名美丽的风景区千山脚下,从风景区五佛顶可总揽大孤山矿区全貌。经过几十年的开采,已由原海拔280 米的山头变为长1600 米、宽1200 米、深180 米的大型深凹露天采矿场,工业区和生活区位于采场西侧。近几年来,工业区绿化及环境治理已初具规模,绿化覆盖率达37,达到花园式清洁工厂标准。但是,由于采矿场、排土场的面积大,绿化复垦进度迟缓,成为千山风景区主要污染源,直接影响风景区环境指数,是需要进一步治理的重点。①采矿场绿化:由于采区表土层较薄,在采矿场境界内固定帮范围内30 公顷面积边坡,采取喷固化剂形式(将泥土、草籽、固化剂按一定比例混和进行喷洒)绿化,间隔种植五叶地锦,达到防尘绿化效果,形成现代矿山生产新景观,使之与千山风景区相协调一致。②铁路排土场:排土场北部及东部已基本稳定,延绵长5.5 公里,平均高差40米,宛如一座土长城将鞍山市区与千山区风景分开,成为千山景区玉佩上的瑕疵。排土场边坡采取坡面分段喷固化剂、泥土、草籽形式,配合平台复土种植五叶地锦或紫藤等藤科植物进行垂直绿化;坡顶采取喷固化剂防扬尘,挖坑换土栽植高大乔木及经济林260.9 公顷。形成“绿色长城”,使排土场与风景区融为一体,改善鞍山市区东部生态环境及千山风景区整体环境有利于鞍山旅游业的发展。③汽车排土场:位于采矿场东部,顶部较平缓地带,进行填土覆盖0.5 米,种植棉槐、山楂、柳树、槐树、地锦等74.2 公顷果树及经济类植物。可以使千山脚下被破坏的林地复原,既美化环境又可获经济效益。

3.矿山土地复垦的问题及建议

存在的问题:

我国土地复垦工作起步较晚, 近几年虽取得了一定的成绩, 但也暴露出了不少问题, 如有些地区的地方政府和企业对土地复垦工作仍不够重视, 国家有关土地复垦的政策并没有得到很好的贯彻执行; 一些地方因征地而导致土地使用权权属不清,使土地复垦中“谁复垦, 谁受益”的原则不能得到充分体现, 严重挫伤了企业土地复垦的积极性; 许多企业由于经济效益差, 很难筹集到多余的资金用于土地复垦工作; 土地复垦多采用工程性土地复垦技术, 缺乏对生物性土地复垦技术的研究等

建议:

加大环境保护和矿山土地复垦工作宣传力度, 使各级人员充分认识其重要性, 增强复垦意识, 将其作为企业工作的一部分。

———制定详细的土地复垦规划, 在减少复垦土地增量的同时, 加快对矿区存量土地复垦的步伐,提高矿山土地复垦率。

———各级政府应制定矿区土地复垦专项条例,鼓励对矿山土地进行复垦, 并按照“谁复垦, 谁受益”的指导思想, 给予从事矿山土地复垦的单位和个人的政策优惠。

———通过鼓励企业和私人基金注入、吸引社会及外部资金等手段建立矿山土地复垦的专项基金,保证土地复垦工作的顺利开展。

———建立“参与型”土地复垦示范区, 推动其土地复垦模式在全国的推广应用, 实现矿山土地复垦的可持续发展。

———建立监督检查管理体系, 保证土地复垦的有效执行。对不履行土地复垦责任或不按期完成复垦任务应视为违法行为, 要承担法律责任。

———矿山土地复垦是一项复杂的系统工程, 应加强各部门的协同合作, 加强国内外的技交流,建立一支稳固的复垦技术队伍。

总结

露天矿山对我国钢铁工业的可持续发展具有特殊重要的意。随着铁矿资源的消耗,对排土场的改造及利用显得极为重要。本文从排土场的水土保持设计等三个方面介绍了排土场在新技术下的优化;以石人沟铁矿的实际案例介绍了排土场矿石回收方案、工艺和效益;介绍了马钢姑山铁矿排土场、白云鄂博铁矿排土场和阜新海州矿排土场的复垦案例以及大孤山铁矿的绿化案例。

在当今国内矿石资源逐年减少,而资源已难以再生的情况下,开发利用“三废”,实施“排土场回收矿石”项目更具有重要的现实意义和广阔的发展前景。排土场复垦生态重建是改善矿山环境,造福人类的一项系统工程,是全面提高社会、生态和经济效益的事业。复垦工程需要采矿学、环境学、土壤学、生物学等多学科,多领域的理论综合运用和指导。

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