0506 收稿日期:20210506
修回日期:20211027
移动阅读
LI Fengming，DING Xinpin，BAI Guoliang,et al. Eco-geological environment comprehensive management model of combined mining area of open-pits and underground mines in frigid plateau region[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):4033-4044.
青海祁连山地区水源涵养功能显著、高原生物多样性丰富、生态地位独特、是我国重要的生态屏障区和水源涵养地，而高寒、缺氧、土壤贫瘠等恶劣条件导致其生态环境非常脆弱，易受人类活动影响[1-2]。木里煤田位于祁连山南麓腹地，是青海最大的煤矿区，也是西北地区目前唯一的焦煤资源整装勘查区域，由江仓、聚乎更、弧山和哆嗦贡马4个矿区组成，总面积为152.70 km2。由于长期未按规划进行煤矿开发，缺乏生态保护意识，部分区域甚至出现违法违规开采的现象，截至2014年8月，在江仓和聚乎更矿区范围内共形成11个露天采坑、19座渣山，占地面积达30.47 km2，大量的采坑-渣山-工业场地导致井田内水资源、土地资源、植被资源遭到不同程度的破坏，产生了地貌景观破坏[3-4]、生态系统退化[5-7]、生态系统服务功能降低等许多生态环境问题，并带来边坡失稳、地面塌陷等一系列地质灾害隐患[8-12]。自党的十八大把生态文明建设纳入“五位一体”总体战略布局以来，生态文明建设及美丽中国建设受到国家各级政府及有关部门的高度重视。习近平总书记针对青海木里煤田开采与生态保护等问题多次作出重要指示，强调加强生态环境保护。2014—2018年，青海省对木里矿区开展了生态环境综合整治，并取得了一定成效。2020年，针对屡禁不止的非法开采问题，紧扣“青海最大的价值在于生态，最大的责任在于生态，最大的潜力也在于生态”的精神，青海省出台了《木里煤田以及祁连山南麓青海片区生态环境综合整治三年行动方案(2020—2023年)》，进行了生态环境保护决策部署，要求查清现状，分类施策，保障安全、生态优先、重点突出，科学布局，高质量完成木里煤田生态环境恢复治理工作。
江仓一号井位于江仓矿区东部，采坑长为1.8 km、宽为0.39 km，坑口面积为0.7 km2，最大深度为104 m，渣山沿帮堆弃，面积为0.67 km2，体积为1 414万m3，地面高程为3 670～3 868 m，在采坑底部布置有一井工矿，主、副、风3条斜井横贯采坑，部分巷道距离坑底仅为27.07 m，工程地质条件复杂。表土资源匮乏、复绿植物自我更新困难、原有井巷工程易受采坑回填扰动破坏等问题是江仓一号井生态地质环境修复的难点[13]。国内许多专家学者立足于高原高寒矿区生态修复理论与技术研究现状，从强化管理体制机制创新、建立综合生态监测系统、开展生态红线划定研究、加快完善生态补偿机制、加强生态修复技术应用示范等方面提出了对策建议[14-15]，同时围绕废弃采坑回填[16-17]、矸石山土壤基质改良[18-20]、冻土保护[21-22]、高寒矿区植被恢复[23-25]和生态环境监测[26-27]等方面进行了一定程度的研究，但尚未形成针对性的综合治理模式和系统化的关键技术体系，现有成果难以满足现场实际需求。以江仓一号井采坑、渣山一体化综合治理工程为背景，坚持以“山水林田湖草是一个生命共同体”理念，遵循“自然恢复为主、人工修复为辅”的原则，围绕高原高寒矿区生态地质环境现状和综合治理修复面临的难题，开展针对性、系统性的研究，构建高原高寒矿区生态地质环境综合治理关键技术体系，着力提高生态系统的自我修复能力和稳定性，促进生态系统向良性循环和正向演替发展，对于守好筑牢祁连山国家生态安全屏障具有重大而深远的意义。
在整理分析空气环境质量监测、土壤环境质量监测、地表(下)水监测和冻土监测成果的基础上[28]，辅以遥感数据解译和生态样方调查等技术手段，分别对木里煤田原生状态、2014年、2017年和2020年的生态系统结构和重要生态系统状况进行对比研究，明确了矿区生态系统结构、生态系统服务功能和重要生态系统的现状及变化特征，结合煤炭开采与生态环境综合整治回顾分析结果、环境质量状况与变化分析结果以及生态系统状况与变化分析结果，木里煤田生态地质环境问题主要表现为生态服务功能降低、生态系统退化、地形地貌景观破坏、生态地质环境风险增大等4个方面[29-13] ，具体评估结果见表1。
表1 木里煤田生态地质环境问题评估
Table 1 The evaluation of eco-geological environment problems in Muli coalfield
序号生态地质环境问题主要影响分析指标原生状态—2014年2014—2017年2017—2020年1生态服务功能降低水源涵养功能受损水源涵养功能下降832.67 t/ha(-40.12%)提升293.56 t/ha(23.62%)下降46.09 t/ha(-3.00%)土壤保持功能受损土壤保持功能下降21.8 t/ha(-17.11%)提升3.08 t/ha(2.91%)下降1.09 t/ha(-1.00%)生物多样性保护功能受到破坏生物多样性保护功能下降46.51 t/ha(-24.08%)提升17.45 t/ha(11.90%)下降3.28 t/ha(-2.00%)2生态系统退化高寒草甸生态系统退化草地面积减少31.66 km2(-1.89%)减少2.61 km2(-0.16%)减少4.92 km2(-0.30%)高寒湿地生态系统退化沼泽与河流面积减少1.50 km2增加0.77 km2减少0.50 km2多年冻土破坏冻土范围和厚度露天开采形成采坑融区和渣山融区,可能导致冻土退化和消失3矿区景观破坏露天开采挖损草地排土场堆放压占草地生态景观破碎化草地面积露天开采导致矿区约3 700 hm2草原植被消失,间接导致周边5 km范围的草原出现不同程度的退化斑块数量增加325个(13.76%)增加73个(2.72%)增加73个(5.35%)4生态地质环境风险地面沉陷与边坡失稳采坑滑坡采坑边坡一定范围内形成季节性融化层,易发生冻融滑塌,伴随坑口面积逐渐扩大的风险含水层破坏地下水位采坑及周边含水层遭到破坏,存在地下水水位下降的风险环境污染地下水和土壤中的Hg等有害物质煤炭开采过程中煤矸石和矿渣向环境介质中释放 Hg等有害物质,存在Hg等污染的风险
自2003年以来，大规模的高强度开采导致生态地质环境急剧恶化，虽然经历了2014—2017年的综合整治，截至2020年8月，木里煤田11个采坑和19座渣山仍然有部分整治效果为“较差”或“差”，距离原生状态下的生态系统服务功能仍有一定差距。生态服务功能降低主要包括水源涵养功能受损、土壤保持功能受损和生物多样性保护功能受到破坏。2014年与原生状态相比，矿区的水源涵养、土壤保持与生物多样保护功能分别下降40.12%,17.11%,24.08%。经过3 a的整治修复，到2017年，以上3项功能分别提升14.14%，2.42%和9.03%，而2020年较2017年又分别下降了3.00%,1.00%和2.00%[29-31]。实际上，生态系统服务功能修复效果受气候变化、生态修复投入、后期管护力度等多种因素的综合影响，由于木里煤田生态环境非常脆弱，极易受到人类活动的干扰，生态服务功能一旦破坏很难恢复到原生状态，若想有效提升矿区的生态系统服务功能水平，则需加大修复投入力度，按照较高标准对其进行修复与维护，生态系统服务功能修复效果仍待时间检验。
(1)高寒草甸生态系统退化严重。木里煤田植被类型分为高寒沼泽草甸和高寒草甸类。其中高寒沼泽草甸为矿区主要植被类型，常与高寒草甸类植被镶嵌交错。根据植被覆盖程度，可以把草地分为高覆盖度草地(覆盖度>50%)、中覆盖度草地(20%<覆盖度<50%)与低覆盖度草地(5%<覆盖度<20%)3种类型。调查结果表明，2003年以来，露天开采引起原有草甸植被破坏性损毁，弃渣堆放长期压占原有高寒草甸植被，直接导致矿区约37 km2草原植被消失殆尽，间接导致周边5 km范围的草原出现不同程度的退化[30-31]。以江仓一号井为例，2010年与2000年相比，矿区由高覆盖度草地转变为中覆盖度草地的面积有0.14 km2，由高覆盖度草地转变为低覆盖度草地的面积为1.95 km2，由中覆盖度草地转变为低覆盖度草地的面积为0.53 km2。2014—2017年治理期间，部分渣山植被覆盖度明显好转，但截至2020年，矿区草地面积仍呈下降趋势，现状植被类型与周边原生植被类型相比数量显著下降。江仓一号井2000年、2010年和2020年遥感监测结果如图1所示。
图1 江仓一号井生态环境遥感监测
Fig.1 Remote sensing monitoring of ecological environment in Well Jiangcang No. 1
(2)湿地生态系统扰动显著。江仓矿区位于大通河支流江仓河河谷地，属于大通河流域的源头区。该区域气候寒冷、地形平缓、地下埋藏多年冻土，成为不透水层，使降水、地表径流和冰雪融水不能下渗而聚集地表，形成地表终年积水或季节性积水坑塘，湿地生态系统在开采活动的影响下发生了一定程度退化(图2)，截至2020年，矿区内沼泽与河流面积与原生状态相比减少约2.8 km2，原河道及周边湿地植被干涸死亡明显。
图2 木里煤田湿地退化情况
Fig.2 Wetland degradation in Muli coalfield
(3)冻土生态系统遭到破坏。木里煤田周边分布有稳定型(年均地温<-3.0 ℃)、亚稳定型(年均地温-1.5～-3.0 ℃)、过渡型(年均地温-0.5～-1.5 ℃)和不稳定型(年均地温 0.5～-0.5 ℃)4种类型的多年冻土，各类型冻土在整个区域中的面积比例分别为 22.38%,38.90%,29.16%,9.56%[30-31]。调查结果表明，江仓矿区主要分布过渡型多年冻土，少量为不稳定型多年冻土。由于年均地温低于-3.0 ℃的稳定型多年冻土面积仅占22.38%，因此木里煤田周边多年冻土具有高温的特征，对外界环境的变化也非常敏感。为进一步掌握煤炭开采引起的冻土层破坏情况，在江仓一号井采坑及周边区域不同位置施工19个地温测试钻孔，深度为12～100 m，采用热敏电阻式测温系统对孔内温度进行了连续监测，结果表明：① 渣山仅在表层以下2.3～6.6 m内存在季节性冻土，该深度往下至原始地表范围内无冻土；② 多年冻土厚度在30～60 m，季节性冻土厚度在1.0～2.1 m，多年冻土地温年变化深度在11～15 m，地温随着深度的增大而升高，地温增温率在冻土层内变化为1 ℃/(22.5～46.7) m；③ 植被发育程度对其下的冻土起着保护作用，矿坑开挖和渣山堆积形成了大范围的采坑融区和渣山融区，导致矿区多年冻土生态系统的破坏。采坑地表线外扩40 m范围内已经形成贯通性融区，未复绿渣山的长期存在将导致多年冻土厚度的不断减小，甚至发展成为贯通性融区。江仓一号井典型钻孔地温监测曲线如图3所示。
图3 江仓一号井典型钻孔地温监测曲线
Fig.3 Typical ground temperature monitoring curves in borehole
采矿活动导致地形地貌景观破坏的主要表现为挖损和压占，以及由此引起的生态景观破碎化。遥感数据分析与现场调研结果表明[30-31]：截至2020年，整个木里煤田因露天开采挖损地表植被面积约16 km2，因渣山堆弃压占地表植被面积约21 km2，同时还导致了周边约 5 km 范围的高寒沼泽与高寒草甸发生了不同程度的退化，地形地貌景观遭受损毁的总面积占木里煤田总面积的25%以上。2017年木里矿区内的景观斑块数量为2 760个，2020年已经达到2 907个，矿区生态景观斑块数量逐步增加且面积逐渐减小，矿区生态景观逐渐破碎化已成为该地区生态景观演变的重要特征之一(图4)。
图4 江仓一号井地形地貌景观破坏现状
Fig.4 Present situation of landscape damage about topographyin Well Jiangcang No. 1
(1)地面沉陷与边坡失稳。矿区内采坑和渣山不规则分布，采坑深度为120～160 m，多数为积水状态，坡面岩体破碎，渣山多数沿帮排弃，高度为40～60 m。受采坑周围含水层疏干、坑内积水水蚀作用、岩土体循环冻融和渣山载荷的共同影响，采坑边坡极易产生溯源滑塌，最终诱发复合边坡的变形失稳(图5)。
图5 渣山、采坑复合边坡变形失稳示意
Fig.5 Sschematic diagram of failure and instability of composite slope
(2)含水层破坏。露天开采形成了人工负地形，地表水和含水层水体直排或通过下渗潜流，汇聚到采坑，在采坑内形成积水，长期的地下水疏干使得补给范围内的地下水水位下降，同时，天然河道和地下暗河被人为截断、改道，破坏了地表水系和地下水补给条件，造成水源流通能力和水源涵养功能的下降。
(3)环境污染。环境监测结果表明：2006—2018年，木里煤田水环境质量、土壤环境质量和大气环境质量整体呈现劣化趋势，尤以地下水和土壤最为显著(图6)。与2006年监测数据相比，矿区地下水各项指标浓度总体呈上升趋势，地下水中细菌总数增长率接近5 000%。土壤中的Hg,As和Pb元素含量呈上升趋势，其中Hg元素含量上升明显，推测以上现象与矿区的煤炭开采活动密切相关。
图6 主要监测指标变化率
Fig.6 Change rate of main monitoring indicators
(1)表土资源匮乏，覆土养分不足、结构不良，保水保肥抗侵蚀能力弱。土壤是植物生长的根本基础，良好植物种植土壤层的构建是高原高寒矿区生态修复工程成功的关键之一。由于原有土壤被严重破坏，采坑及渣山边坡岩石裸露，渣山堆积的剥离物主要为泥炭型沼泽化草甸土、砂岩、页岩、砾石和煤矸石的混合物，且不同区域的组分存在很大的异质性，表层风化物少、土层薄、有机碳和全氮等养分含量低，不能满足复绿植物长期稳定生长需求。对该区域以往生态治理工程效果、经验的调查研究显示，将草籽直接播撒在渣山边坡上，因基质保墒效果差、牧草生长所需的养分少，直接抑制了草籽发芽生根，不利于根系发展。
(2)耐寒耐旱草种缺乏，配套的种植、养护技术存在不足，植被自我更新困难。现有草种不太适合高原高寒矿区渣山表土环境，甚至是初步改良后的覆土环境。高原高寒环境下植物自身生长生物量低，结实率、萌蘖力不足，所种植物部分存活后的自身扩繁能力不足，存在“1年绿、2年黄，3年退化严重”的问题。
(3)井巷工程埋深浅，易受采坑回填扰动破坏。露天采坑下部分布有一座井工矿，井巷工程埋深较浅，目前已经关闭但不具备设备撤出条件。现有巷道系统已经达到应力平衡状态，采坑回填过程中产生的动静载荷以及回填后的附加应力将打破巷道的应力平衡状态，最终导致井巷工程破坏。为保障矿井内设备运输、通风及行人等主要通道畅通，保证后期撤出设备的安全，必须对井巷受回填工程影响的稳定性进行评估，根据评估结果采取合适的井巷保护措施。
在工程地质勘查与生态环境现状调查的基础上，深入梳理木里矿区现状生态地质环境问题，针对高原高寒矿区地质环境治理与生态环境修复面临的难点和痛点，遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念，坚持“节约优先、保护优先、自然恢复为主”的方针，以“技术可靠、经济合理、依法依规”为出发点，借鉴已有经验，按照“因地制宜、分区管控、消除隐患、贴近自然”的生态地质环境综合治理思路，将地质灾害防控与生态环境修复领域的关键理论与技术运用到采坑、渣山一体化治理中，提升生态系统的自我修复能力和稳定性，守住自然生态边界，促进自然生态系统整体改善，努力做到与周边环境融合，打造近自然、免维护、可持续的高原高寒矿区生态景观。江仓一号井生态地质环境综合治理思路如图7所示。
图7 江仓一号井生态地质环境综合治理思路
Fig.7 Thoughts on comprehensive management of eco-geological environment in Well Jiangcang No. 1
针对江仓一号井采坑、渣山生态地质环境一体化治理的难点和痛点，在以往工程经验的基础上，通过研究和探索，提出了“渣山削坡整形+采坑回填缓坡+井巷工程保护+岩壁坡面整治+微地形地貌重塑+土壤重构与植被复绿”综合治理模式，形成了基于“地质灾害防控+生态环境修复”理论的五大关键技术，分别为：地形地貌重塑技术、冻融边坡稳定控制技术、井下巷道协同保护技术、土壤改良与植被复绿技术、生态环境修复效果监测与评价技术，为综合治理工程的开展奠定了基础。
地形地貌重塑是生态环境修复的基础工作，结合一号井实际情况，地形地貌重塑工程需要达到以下目标：① 消除滑坡、地表下沉等地质灾害隐患；② 最大限度保护可用于复绿的天然土壤；③ 重塑后的地形地貌接近自然，坡度满足植被复绿条件。为了实现以上目标，针对性的提出了基于“最大限度揭露原位土、最大限度利用剥离土、最大限度与自然相协调”的地形地貌重塑技术。根据工程内容和治理目标，同时综合考虑节省土壤重构面积、贮存剥离土、回填渣土等工程内容的成本和效益，将治理范围划分为渣山清除修复区、渣山缓坡整形修复区、采坑回填区等6个分区，将地形地貌重塑过程中产生的多余渣土全部清除并用于采坑回填，清除前将20 cm厚度的现状地表土进行剥离并贮存，用于后期土壤重构。通过该技术的应用，节省土壤重构区域面积约0.65 km2，贮存剥离土约13.2万m3，实现了生态环境效益和经济效益的最大化。采坑渣山地形地貌重塑工程分区如图8所示，工程内容与实施效果见表2。
图8 地形地貌重塑工程分区示意
Fig.8 Zoning diagram topography reconstruction project
表2 地形地貌重塑工程内容与实施效果
Table 2 Work content and implementation effect of topography reconstruction project
序号治理分区面积/km2工程内容实施效果1渣山清除修复区0.47将治理范围内全部渣山清除至原地表,清除前将现状地表土进行剥离并贮存,过程中尽量不破坏原始地表土(原位土),所有渣土回填采坑,清除后进行地形地貌重塑节省土壤重构区域面积0.42 km2以上,贮存剥离土8.4万m32渣山缓坡整形修复区Ⅰ0.21自西部边界、北部边界分别向东、向南升坡进行地形地貌重塑消除滑坡等地质灾害隐患,区域内坡度<25°,贮存剥离土3.8万m33渣山缓坡整形修复区Ⅱ0.27沿外侧边界自外向内以6°升坡至现状地表形成自然缓坡,并进行地形地貌重塑贮存剥离土1万m34采坑回填区0.29将所有渣土回填采坑,压帮缓坡,并进行地形地貌重塑消除滑坡等地质灾害隐患,区域内坡度<25°5岩壁整治区0.23回填区上部岩壁清理,基岩面上部缓坡消除滑坡等地质灾害隐患,保留岩质坡面6环境整治区0.26覆土复绿生态环境改善合计1.73——
通过研究区域工程地质勘查，查明了边坡地层岩性、地质构造、软弱岩层和季节性冻土的分布特征，揭示了边坡稳定的主要影响因素，探明了含顺层弱面冻融边坡的变形失稳机理。在此基础上构建数值分析与极限平衡分析模型[32]，对边坡的变形失稳模式和现状稳定性进行了分析，结果表明，在岩质坡面循环冻融和沿帮排土场堆载的共同作用下，采坑与渣山边坡极易发生上部为圆弧、下部沿顺倾结构面的组合滑动。边坡现状稳定状态为基本稳定，随着暴露时间的增长，稳定状况将逐渐恶化。本着“经济可行、接近自然”的原则，针对性的提出了削坡减重和回填压脚相结合的冻融边坡稳定控制技术，对采坑上部松散层台阶进行削坡和缓坡处理，局部坡面角控制在25°以下，对坑底进行压帮回填。通过计算，进一步确定了回填压脚标高和削坡减重范围，保证了边坡的长期稳定，降低了地质环境风险，为种草复绿奠定了基础。基于回填压脚和削坡减重的冻融边坡稳定控制方法如图9所示。
图9 回填压脚和削坡减重工程示意
Fig.9 Schematic diagram of backfilling and slope cutting projects
在江仓一号井采坑正下方分布有一座井工矿，目前处于关闭状态，通风、供电等系统正常运行，内部设备暂时不具备撤出条件(图10)。由于井巷工程埋深最小处仅为27.07 m，易受回填工程动静载荷作用而发生破坏，因此需要在系统研究井巷工程安全影响因素及其作用规律的基础上，对回填过程中井巷工程的稳定性进行评估，根据评估结果提出合理性保护措施。针对以上技术难题，建立工程力学模型，采用弹性力学理论分别计算了回填体载荷、施工车辆载荷及其动载、采坑蓄水后水体载荷产生的最大附加应力随深度的变化值，根据附加应力随深度变化的规律，集中力引起的附加应力等值线随深度的增加而无限扩散，应力值呈指数曲线趋势递减，当附加应力减小为该点自重应力的10%时，可认为附加应力不再对巷道产生影响。为使巷道保持稳定，附加应力影响深度和巷道极限承载高度之和应小于采坑回填前的巷道顶板埋深，据此确定了井上回填安全边界和井下巷道加强支护范围，结合实际条件，提出了井上“分区施工-双向回填-缓坡推覆”和井下锚注加强支护相结合的回填施工工艺与巷道保护技术，保证了采坑回填全过程井巷系统的安全。
图10 露天采坑与井巷工程的空间对应关系
Fig.10 Spatial correspondence of open pit and tunnel engineering
天然表土缺乏、客土成本高是一号井采坑及渣山植被复绿的关键影响因素。调查研究表明，渣山堆积的剥离物主要由泥炭型沼泽化草甸土、砂岩和页岩等组成，表层存在的风化物少、土层薄、有机碳和全氮等养分含量低，基质保墒效果差，而且各部位组分异质性较大，将草籽直接播种在此类渣山边坡上，直接抑制了草籽发芽生根，不利于根系发展，因此不能满足复绿植物长期稳定生长的需求。客土是矿区生态恢复中土壤重构的常用手段，该方法通过质地良好土壤的直接覆盖快速构建植被适生土壤层，而一号井可用于客土的资源十分缺乏，且距离较远，由于需求量大，因此不能满足经济性要求。因此，就地就近获取土壤或细粒物料，人工降低复绿区域种植层中大粒径渣石含量，并经过结构改良及肥力提升形成适宜植物生长的土壤，是针对性科技研发工作的重要内容和落脚点。
3.4.1 土壤重构
在充分借鉴木里矿区土壤重构已有经验的基础上，综合确定覆土厚度为30 cm，对局部区域首先采用黏土构建相对保水、保温的人工防渗层，然后进行覆土。土壤来源为一号井现有的3类土：① 原位土，即前期渣山下部未经表土剥离而被压覆的原状土壤，地表整形清理后再次成为复绿区域表土；② 剥离土，指露天矿开采过程中对原状表土进行剥离并集中堆存的土壤，以及本次地形地貌重塑过程中对现状表土进行剥离并集中堆存的土壤，是较为理想的复绿覆土土源；③ 人工土，指矿区的泥岩、页岩等在自然风化作用或人工破碎处理后形成的细粒物料，经较大程度人工处理后形成的土壤。土壤重构遵循“最大限度使用原位土、优先采用剥离土、适当配以人工土”的原则，一号井地形地貌重塑后需土壤重构区域面积为1.08 km2(表2)，则需土总量约为32.4万m3，前期露天开采和本次地形地貌重塑过程中贮存的剥离土总量约28万m3，因此尚需从渣土中获得人工土总量为4.4万m3。按照相关标准文件要求[33]，恢复为草地区域的砾石含量应小于50%。测定结果表明，地形地貌重塑后的地表砾石颗粒粒径较大，细粒物料较少，不利于植被恢复。因此，对于采用剥离土与人工土进行土壤重构的区域，在覆土前采用筛分设备对5 cm以上粒径石块进行筛分，对于渣山清除后的原位土覆盖区域，采用捡石机对较大粒径石块进行捡拾，使土壤具备基质改良的条件。
3.4.2 基质改良
木里矿区渣山土壤测试分析结果表明，土壤pH值为6.33～7.02，密度为1.63～1.72 g/cm3，有机质含量为1.15～3.78 g/kg，全氮、全磷和全钾质量分数分别约为0.87,1.62和42.91 g/kg，由于受堆积压实等因素影响，土壤容重均高于标准要求，有机质含量总体较低，氮素较为缺乏，亟需通过改良措施实现种植层土壤容重、有机质方面的质地提升，以利于植被恢复与长期稳定生长。因此，针对性的提出了以“腐熟羊板粪基础增容-商品有机肥优化提升”为核心的快速土壤改良重构技术(表3)。
表3 各类土壤特征及其基质改良措施
Table 3 The various soil characteristics and matrix improvement measures
序号土壤类别土方总量/万m3粒径组成特点改良措施1原位土4.20～20 mm占60%;20～50 mm占35%;50～100 mm占3%;100 mm以上占2%整体结构未破坏、不漏水漏肥、孔隙度降低、供水供气能力不足、存在大粒径渣石采用“松翻—覆肥—掺混”3步式,腐熟羊板粪5 m3/亩、商品有机肥1 500 kg/亩2剥离土28.00～20 mm占50%;20～50 mm占40%;50～100 mm占6%;100 mm以上占4%土壤结构发生变化、部分养分损失、存在大粒径渣石采用腐熟羊板粪、商品有机肥掺混的方式,平地腐熟羊板粪5 m3/亩、有机肥1 500 kg/亩,坡地腐熟羊板粪5 m3/亩、有机肥2 000 kg/亩3人工土4.40～20 mm占45%;20～50 mm占35%;50～100 mm占13%;100 mm以上占7%有机质含量较低、氮素缺乏、存在大粒径渣石采用腐熟羊板粪、商品有机肥等进行人工土综合复配,加大腐熟羊板粪的施用量为5～33 m3/亩
(1)原位土就地改良技术。原位土整体保留了原有的土壤状态，富含细粒土壤基质，且整体结构未经扰动破坏，不存在漏水漏肥问题，但在长期的矸石堆压环境下，经淋洗、冻融等作用，该类土壤的物理结构及肥力水平受到不同程度的影响破坏，其在物理结构上综合表现为容重增加、孔隙度降低以及供水供气能力不足等问题，不利于植物根系生长。针对以上情况，现场采用“松翻—覆肥—掺混”的3步改土措施。首先采用以旋耕机为主、人工为辅的方式，对表层土进行松翻，然后按照平地区域的有机肥料施用量，将肥料均匀平铺到翻耕后的待治理原位土区域，最后再次以旋耕机为主、人工为辅的方式，对10 cm表层土进行充分松翻，确保肥料与表土混合均匀，进而为复绿种子萌发、生长创造适宜条件。
(2)剥离土混合提升技术。剥离土与原位土的基础材料组成基本一致，但剥离土在剥离及堆存过程中，经过了剧烈的工程扰动，土壤层次结构发生根本变化，特别是经过再次处理、回覆后，其容重、孔隙结构、持水导水性状等方面与原位土存在显著差异，另外，经过长期的堆存、淋洗等过程，剥离土也存在养分元素损失等问题。针对以上情况，剥离土在覆土前采用腐熟羊板粪、商品有机肥掺混的方式进行改良提升，所用有机肥的比例按照平地、坡地来进行主要区分，平地主要采用腐熟羊板粪5 m3/亩、有机肥1 500 kg/亩的用量，坡地采用腐熟羊板粪5m3/亩、有机肥2 000 kg/亩的用量。采用专用设备对播施肥料的地块进行耕翻并耙平，提高肥料的入土率和均匀度。
(3)人工土综合复配技术。在剥离土不足的情况下，人工土是基于高原高寒矿区缺土现实、遵循“因地制宜、就地取材、经济实用”原则而采取的针对性应对措施。与剥离土类似，人工土在覆土前需要采用腐熟羊板粪、商品有机肥等进行人工土综合复配。由于人工土的基质为渣石，养分条件、团聚结构均较差，从快速提升覆土质量出发，应提升总体有机材料的使用量，实施过程中加大腐熟羊板粪的施用量至5～33 m3/亩。
3.4.3 植被复绿
(1)截、排水沟设置。地形地貌重塑后，在研究区域范围内形成了平地和坡地两种主要地形，平地区域经土壤重构和基质改良后即可进行植被复绿。而对于坡地区域，虽然坡度已经控制在25°以下，但仍存在暴雨、大风等条件下的水蚀、风蚀问题。为防止坡面重构土壤的侵蚀破坏，需构建横坡截水与纵坡排水系统，最大限度发挥坡面径流调控功能，根据标准要求[34]，当无措施坡面的坡长太大时，应以一定间距沿坡面走向增设截水沟，在截水沟两端或较低一端与坡面等高线正交布设排水沟。结合周边已有复绿经验，截水沟间距设置为20～30 m，排水沟间距根据地形确定，排水沟水体在水质达标的情况下集中排入治理区域周边草地或汇入采坑。
(2)植被高效建植技术。立足于当地气候条件、地形条件和植被群落类型，结合已有植被复绿经验，提出了“当地适生植物筛选配比-植被种子萌发促进-幼苗期无纺布覆盖保护-植被系统自我更新功能提升”为一体的高效植被恢复技术。草种选择遵循气候环境适应性原则，以当地乡土植物作为优先选择对象，同时选择高经济效益的草种。结合2014年后木里煤田开展的生态综合整治工作经验，通过对一号井及周边的植物群落调查、地理条件和经济效益分析，选择4种植物按照1∶1∶1∶1的比例进行混播，分别为同德短芒披碱草、青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中华羊茅。经种前整地、撒播草种、种后耙地和镇压耱平等工序，为种子提供相对稳定的萌发环境。播种完成后覆盖可降解绿色无纺布来保水增温，可以使尚在幼苗期的牧草避免风蚀和水蚀，无纺布规格为(20±2)g/m2。草种萌发后采用围栏封育和建后管护等方式实现植被系统自我更新功能的提升。
在生态地质环境综合整治活动的影响下，矿区范围内的地表水、地下水、土壤、冻土、植被和大气环境等主要生态环境要素将随时间发生变化。同时，受工程经济性的影响，采坑并非完全回填至地表，滑坡等地质灾害隐患或许长期存在。因此，需要通过对这些要素进行监测与分析，获取其在时间维度和空间维度上的变化特征和规律性。在充分借鉴国内外已有经验的基础上，结合一号井实际情况，针对性的提出了集成常规环境质量监测(包括水环境、土壤环境、空气环境等)、多年冻土监测、复垦植被监测、遥感监测以及边坡变形监测等手段为一体的高原高寒矿区生态地质环境要素一体化监测技术。借助于“空-天-地”一体化多源数据融合技术和多手段在线监测系统，对生态地质环境修复前、修复中、修复后的监测要素进行提取和对比分析，对滑坡等重大地质灾害隐患进行早期识别与监测预警，为生态地质环境修复效果的综合评估提供依据。
(1)青海木里矿区生态地质环境问题主要包括生态服务功能降低、生态系统退化、地形地貌景观破坏和生态地质环境风险增加等。生态服务功能降低主要表现为水源涵养功能受损、土壤保持功能受损和生物多样性保护功能受到破坏；生态系统退化主要表现为高寒草甸生态系统退化、湿地生态系统扰动显著和冻土生态系统遭到破坏；生态地质环境风险增加主要表现为地面沉陷与边坡失稳、含水层破坏和环境污染等。
(2)表土资源匮乏、复绿植物自我更新困难、原有井巷工程易受采坑回填扰动破坏等问题是高寒露井联合矿区生态地质环境治理的难点。遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”理念，坚持“节约优先、保护优先、自然恢复为主”的方针，按照“因地制宜、分区管控、消除隐患、贴近自然”的生态地质环境综合治理思路，通过研究与探索，针对性的提出了江仓一号井“渣山削坡整形+采坑回填缓坡+井巷工程保护+岩壁坡面整治+微地形地貌重塑+土壤重构与植被复绿”采坑、渣山一体化治理模式。
(3)通过实践与应用，构建了基于“地质灾害防控+生态环境修复”理论的高原高寒矿区生态地质环境综合治理关键技术体系。在提升表土容量方面，提出了“最大限度揭露原位土、优先利用剥离土、适当配以人工土”的地形地貌重塑技术；在土壤改良方面，提出了“腐熟羊板粪基础增容—商品有机肥优化提升”为核心的快速土壤改良重构技术；在控制边坡稳定方面，提出了“削坡减重”和“回填压脚”相结合的冻融高陡复合边坡稳定控制技术；在保证井巷安全方面，提出了“分区施工-双向回填-缓坡推覆”和井下锚注加强支护相结合的回填施工工艺与巷道保护技术。
[1] 陈槐,鞠佩君,张江,等. 青藏高原高寒草地生态系统变化的归因分析[J]. 科学通报,2020,65(22):2406-2418.
CHEN Huai, JU Peijun, ZHANG Jiang, et al. Attribution analyses of changes in alpine grasslands on the Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Chinese Science Bulletin,2020,65(22):2406-2418.
[2] 张宪洲,杨永平,朴世龙,等. 青藏高原生态变化[J]. 科学通报,2015,60:3048-3056.
ZHANG Xianzhou, YANG Yongping, PIAO Shilong, et al. Ecological change on the Tibetan Plateau(in Chinsse)[J]. Chinese Science Bulletin,2015,60:3048-3056.
[3] 钱大文,颜长珍,修丽娜. 青藏高原木里矿区及其周边土地覆被变化及景观格局脆弱性响应[J]. 冰川冻土,2020,42(4):1334-1343.
QIAN Dawen, YAN Changzhen, XIU Lina. Land cover change and landscape pattern vulnerability response in Muli mining and its surrounding areas in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2020,42(4):1334-1343.
[4] 张莉,王金满,刘涛. 露天煤矿区受损土地景观重塑与再造的研究进展[J]. 地球科学进展,2016,31(12):1235-1246.
ZHANG Li, WANG Jinman, LIU Tao. Landscape reconstruction andrecreation of damaged land in opencast coal mine:A review[J]. Advances in Earth Science,2016,31(12):1235-1246.
[5] 张文杰,程维明,李宝林,等. 气候变化下的祁连山地区近 40 年多年冻土分布变化模拟[J]. 地理研究,2014(7):1275-1284.
ZHANG Wenjie, CHENG Weiming, LI Baolin, et al. Simulation of the permafrost distribution on Qilian Mountains over past 40 years under the influence of climate change[J]. Geographical Research,2014(7):1275-1284.
[6] 陆晴,吴绍洪,赵东升.1982—2013年青藏高原高寒草地覆盖变化及与气候之间的关系[J]. 地理科学,2017,37(2):292-300.
LU Qing, WU Shaohong, ZHAO Dongsheng. Variations in alpine grassland cover and its correlation with climate variables on the qinghai-tibet plateau in,1982-2013[J]. Scientia Geographica Sinica,2017,37(2):292-300.
[7] 王振兴. 高原冻土退化条件下区域地下水循环演化机制研究[D]. 北京：中国地质科学院,2020.
WANG Zhenxing. Study on the evolution mechanism of regional groundwater circulation[D]. Beijing:Chinese Academy of Geological Sciences,2020.
[8] 何芳,刘瑞平,徐友宁,等. 基于遥感的木里煤矿区矿山地质环境监测及评价[J]. 地质通报,2018,37(12):2251-2259.
HE Fang, LIU Ruiping, XU Youning, et al. Monitoring and evaluation of mine geological environment in the Muli coal mining area based on remote sensing[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(12):2251-2259.
[9] 马世斌,李生辉,安萍,等. 青海省聚乎更煤矿区矿山地质环境遥感监测及质量评价[J]. 国土资源遥感,2015,27(2):139-145.
MA Shibin, LI Shenghui, AN Ping, et al. Remote sensing monitoring and quality evaluation for the mine geological environment of the Juhugeng coal mining area in Qinghai Province[J]. Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2):139-145.
[10] 曹伟,盛煜,陈继. 青海木里煤田冻土环境评价研究[J]. 冰川冻土,2008,30(1):157-164.
CAO Wei, SHENG Yu, CHEN Ji. Study of the permafrost environmental assessment in Muli coalfield, Qinghai Province[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2008, 30(1):157-164.
[11] 刘德玉. 青海省木里煤田江仓矿区地质生态环境风险评价[D]. 北京：中国地质科学院,2013.
LIU Deyu. Risk assessment of geo-ecological environment in Jiangcang diggings Muli coal field Qinghai Province[D]. Beijing:Chinese Academy of Geological Sciences,2013.
[12] 徐拴海. 多年冻岩露天煤矿边坡稳定性演化规律研究[D]. 西安:西安理工大学,2017.
XU Shuanhai. Stability evolution law of open-pit coal mine slope in high-altitude permafrost area[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology,2017.
[13] 彭苏萍,毕银丽. 黄河流域煤矿区生态环境修复关键技术与战略思考[J]. 煤炭学报,2020,45(4):1211-1221.
PENG Suping, BI Yinli. Strategic consideration and core technology about environmental ecological restoration in coalmine areas in the Yellow River basin of China[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(4):1211-1221.
[14] 王涛,高峰,王宝,等. 祁连山生态保护与修复的现状问题与建议[J]. 冰川冻土,2017,39(2):229-234.
WANG Tao, GAO Feng, WANG Bao, et al. Status and suggestion ecological protection and restoration of Qilian Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2017,39(2):229-234.
[15] 马蓉蓉,黄雨晗,周伟,等. 祁连山山水林田湖草生态保护与修复的探索与实践[J]. 生态学报,2019,39(23):8990-8997.
MA Rongrong, HUANG Yuhan, ZHOU Wei, et al. Exploration and practice of ecological protection and restoration about mountain srivers forests farm lands Hakes-grasslands in the Qilian Mountains[J]. Acta Ecologica Sinica,2019,39(23):8990-8997.
[16] 王佟,杜斌,李聪聪,等. 高原高寒煤矿区生态环境修复治理模式与关键技术[J]. 煤炭学报,2021,46(1):230-244.
WANG Tong, DU Bin, LI Congcong, et al. Ecological environment rehabilitation management model and key technologies in plateau alpine coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):230-244.
[17] 王凯. 木里煤田江仓四号井露天采坑回填及地表生态恢复研究[J]. 煤炭工程,2019,51(8):23-26.
WANG Kai. Open-pit backfilling and surface ecological restoration in Jiangcang No. 4 mine of Muli coalfield[J]. Coal Engineering, 2019,51(8):23-26.
[18] 高志香,李希来,张静,等. 覆土处理对高寒矿区露天煤矿排土场植被和土壤特征的影响[J]. 水土保持通报,2021,41(1):82-87,96.
GAO Zhixiang, LI Xilai, ZHANG Jing, et al. Effects of replacing topsoil treatment on vegetation and soil characteristics of open-pit coal mine dump in alpine mining area [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2021,41(1):82-87,96.
[19] 党宏宇,邵明安,陈洪松,等. 不同煤矸石厚度及位置对土壤水分入渗过程的影响[J]. 水土保持学报,2012,26(3):62-66.
DANG Hongyu, SHAO Mingan, CHEN Hongsong, et al. Effect of thickness and location of coal gangue on the process of water infiltration[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2012,26(3):62-66.
[20] 王锐,李希来,张静,等. 高寒矿区人工种草对露天排土场渣山表层基质的影响[J]. 草地学报,2019,27(4):938-948.
WANG Rui, LI Xilai, ZHANG Jing, et al. Effects of artificial grass planting on surface matrix substrate on open-pit slag hill in alpine mining area[J]. Acta Agrestiasinica,2019,27(4):938-948.
[21] 徐敦祖,王家澄,张立新. 冻士物理学[M]. 北京:科学出版社，2001.
[22] 何维维,盛煜,周飞,等. 多年冻土区矿山开采研究现状及展望[J]. 冰川冻土,2011,33(2):388-396.
HE Weiwei, SHENG Yu, ZHOU Fei, et al. Mining in permafrost regions:Status and prospect [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2011,33(2):388-396.
[23] 段新伟,左伟芹,杨韶昆,等. 高寒缺氧矿区草原生态恢复探究——以青海省木里煤田为例[J]. 矿业研究与开发,2020,40(2):156-160.
DUAN Xinwei, ZUO Weiqin, YANG Shaokun, et al. Study on ecological restoration of grassland in alpine and anoxic mining areas—Taking the Muli coalfield in Qinghai Province as an example[J]. Mining Research and Development,2020,40(2):156-160.
[24] 杨鑫光,李希来,金立群,等. 不同人工恢复措施下高寒矿区煤矸石山植被和土壤恢复效果研究[J]. 草业学报,2019,28(3):1-11.
YANG Xinguang, LI Xilai, JIN Liqun, et al. Effectiveness of different artificial restoration measures for soil and vegetation recovery on coal mine tailings in an alpine area[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(3):1-11.
[25] 张燕垄,张灵菲,张新中,等. 不同草地恢复措施对高寒草甸植物根系特征的影响[J]. 兰州大学学报(自然科学版),2014,50(1):107-111.
ZHANG Yanlong, ZHANG Lingfei, ZHANG Xinzhong, et al. Effects of different range restorations on the root traits of vegetation in the alpine meadow[J]. Journal of Lanzhou University( Natural Sciences Edition), 2014, 50(1):107-111.
[26] 王晓红,聂洪峰,李成尊,等. 不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的应用[J]. 国土资源遥感,2006,18(2):69-71.
WANG Xiaohong, NIE Hongfeng, LI Chengzun, et al. The application of characteristics of different remote sensing data sources to the investigation of the mining situation and environment of mines [J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2006,18(2):69-71.
[27] 丁明军,张镱锂,刘林山,等,1982—2009年青藏高原草地覆盖度时空变化特征[J]. 自然资源学报, 2010, 25(12):2114-2122.
DING Mingjun, ZHANG Yili, LIU Linshan et al. Temporal and spatial distribution of grassland coverage change in Tibetan Plateau since,1982-2009[J]. Journal of Natural Resources, 2010, 25(12):2114-2122.
[28] 木里矿区环境质量现状监测报告[R]. 青海:青海省生态环境监测中心,2020.
[29] 木里煤田环境影响评价报告[R]. 成都:成都理工大学生态环境学院,2020.
[30] 青海省木里矿区生态环境承载力评估报告[R]. 北京:中国科学院地理科学与资源研究所,2020.
[31] 青海省木里矿区生态环境问题评估报告[R]. 北京:生态环境部环境规划院,2019.
[32] 丁鑫品. 基于3DEC的露天矿内排压脚追踪距离优化分析[J]. 煤炭工程,2018,50(5):37-40，43.
DING Xinpin. Optimization analysis on the presser foot tracing distance of internal dumping in open-pit mine based on 3DEC[J]. Coal Engineering,2018,50(5):37-40，43.
[33] TD/T 1036—2013,土地复垦质量控制标准[S].
[34] GB/T 16453—2008,水土保持综合治理技术规范[S].