王佟，劉峰，趙欣，林中月,，李聰聰，王輝，李永紅

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2. 中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100013;3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局碳中和研究院，北京 100039；4.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199；5. 廣西煤炭地質(zhì)局，廣西 南寧 530000； 6. 青海煤炭地質(zhì)局，青海 西寧 810001)

進(jìn)入新時(shí)代，國(guó)家提出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的新發(fā)展理念，環(huán)境保護(hù)成為生態(tài)文明建設(shè)的主陣地和根本措施。在礦山環(huán)境保護(hù)方面自然資源部先后頒布了《全國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理規(guī)劃》和《全國(guó)“礦山復(fù)綠”行動(dòng)方案》等方案，加大礦山環(huán)境的治理，加強(qiáng)對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)工作[1]。一些學(xué)者從不同方面開(kāi)展了大量研究工作，在黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)[2]，礦山環(huán)境治理修復(fù)模式理論、技術(shù)和治理模式[3-5]，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理[6-8]，礦山開(kāi)采后的覆巖移動(dòng)垮落、采動(dòng)裂隙分布與導(dǎo)水特征[9-11]，地表變形特征與規(guī)律[12-14]，礦山生態(tài)地質(zhì)勘查[15-20]等方面取得了許多成果，推動(dòng)了我國(guó)礦山環(huán)境和生態(tài)治理工作較大發(fā)展。

筆者從地球系統(tǒng)角度出發(fā)[21]，通過(guò)開(kāi)展煤礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)勘查[22-23]，分析了煤炭開(kāi)發(fā)造成煤炭資源裸露、土壤挖損壓占、渣山堆積、水土流失、植被破壞、地形地貌和濕地破壞、凍土挖損與破壞等對(duì)某一區(qū)域地殼表層地層系統(tǒng)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化的影響機(jī)理，提出了生態(tài)地質(zhì)層的概念，形成了將生態(tài)與地質(zhì)問(wèn)題相結(jié)合的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路，建立了包括風(fēng)化帶及土壤層、凍土層、煤層頂板及上覆巖層、含水層/隔水層等系列生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建方法，并以青海木里礦區(qū)煤炭開(kāi)采造成局部大面積地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞問(wèn)題的研究與治理為實(shí)例，對(duì)破壞的生態(tài)地質(zhì)層進(jìn)行重建與修復(fù)，解決了高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的難題，為大面積礦山生態(tài)環(huán)境治理工作提出了新的治理思路和方法。

1 煤炭開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類(lèi)型與影響機(jī)理

1.1 煤炭開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類(lèi)型

礦山開(kāi)采無(wú)論是露天還是井工開(kāi)采都會(huì)對(duì)礦區(qū)環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞，容易造成地貌景觀破壞、植被破壞、土地挖損和壓占、土地沙化與水土流失、不穩(wěn)定邊坡、水系濕地破壞與采坑或沉陷凹坑積水、礦產(chǎn)資源破壞、地下水含水層破壞等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。高原高寒凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，礦山開(kāi)采還存在凍土層破壞問(wèn)題，相較露天開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞的修復(fù)難度更大。筆者將礦山開(kāi)采造成的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從地層剖面破壞與修復(fù)角度進(jìn)一步歸納總結(jié)為5種破壞類(lèi)型，即采坑、沉陷、渣山引起的土壤層破壞，地形地貌改變，煤層及上部巖層的破壞，水系連通系統(tǒng)的破壞以及高寒地區(qū)凍土層的破壞。

(1)土壤層破壞。礦區(qū)開(kāi)采會(huì)挖毀或引起礦層上部覆蓋的土壤層的沉陷等，破壞地表植被，破壞原始地表生態(tài)系統(tǒng)。導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的損失，土壤肥力下降，進(jìn)而引起土地沙化與水土流失等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)采產(chǎn)生的煤矸石、渣石等固體廢棄物長(zhǎng)期暴露在大氣中也會(huì)對(duì)周?chē)髿?、土壤水環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生破壞影響。

(2)地形地貌破壞。礦山露天開(kāi)采形成的采坑和渣山，容易造成采坑邊幫基巖大面積出露，平臺(tái)-坡面不規(guī)整，浮石散落，采坑坑底凌亂、凸凹不平、煤層暴露。井工開(kāi)采造成地層斷裂、塌陷等破壞。露天和井工開(kāi)采改變了原始地層形態(tài)，引起地層結(jié)構(gòu)的破裂、垮塌、沉陷，造成地表采坑或沉陷，使地形地貌發(fā)生破壞和改變。

(3)煤層及上部巖層的破壞。井工開(kāi)采造成煤層上部巖層的變形和破壞，但相對(duì)隱蔽。露天開(kāi)采對(duì)地層的破壞直接暴露，主要是對(duì)上部原始地層的破壞和開(kāi)采后遺留煤層的裸露，開(kāi)采形成的采坑邊幫造成大面積基巖出露，受風(fēng)化、凍融凍脹和雨水侵蝕等外動(dòng)力地質(zhì)作用使巖石層理面或節(jié)理面形成破裂面和崩落垮塌，基本上邊坡上部或臺(tái)階頂部部位常表現(xiàn)為巖層剝落垮塌、下部形成碎石堆積。同時(shí)，開(kāi)采后裸露的煤層，容易遭受風(fēng)化自燃，成為新的污染源。

(4)水系連通系統(tǒng)的破壞。煤炭開(kāi)采形成的采坑、渣山和地面沉陷等破壞地表地下水系統(tǒng)的連通，破壞了地表土壤層及其中由植被根系交織形成的能供給植被生長(zhǎng)的水源涵養(yǎng)層，還破壞地表水系，渣山容易造成局部河道堵塞，改變河流自然流向，而流入采坑或在地勢(shì)低洼處形成新的積水坑或水泡。采坑和沉陷還引起地下含水層斷裂等破壞，造成地下潛水位(凍土地區(qū)凍結(jié)層以上)下降、原始地下水徑流條件改變與排泄動(dòng)態(tài)失衡，亦形成新的積水區(qū)，最終使水源涵養(yǎng)功能弱化，局部潛水位下降—地表水疏干—植被退化—土地沙化，原始地表生態(tài)和地下水循環(huán)連通系統(tǒng)破壞。

(5)凍土地區(qū)凍土層破壞。在高原高寒地區(qū)進(jìn)行礦山開(kāi)采，對(duì)凍土層會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)等破壞問(wèn)題。以木里礦區(qū)為例，地處青藏高原東北部，屬于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)。主要分布過(guò)渡型多年凍土，多年凍土整體為連續(xù)分布，永久性?xún)鐾梁穸纫话阍?3.08～136.00 m，具有一定差異性，埋深一般在1.5～5.4 m，平均地溫在-1.5～-0.5 ℃[24-25]。采用遙感、鉆探等空天地時(shí)一體勘查技術(shù)對(duì)破壞區(qū)凍土的特征進(jìn)行勘查和現(xiàn)狀分析[26-27]。綜合解釋得出，凍土層破壞主要表現(xiàn)為凍土季節(jié)性融化層增厚(多年凍土上限下移)、厚度減薄消失(下限上移)，采坑積水形成融區(qū)導(dǎo)致多年凍土的面積萎縮、退化現(xiàn)象等，木里聚乎更礦區(qū)7個(gè)采坑多年凍土活動(dòng)層挖損面積累計(jì)1 272.86 hm2，凍土遭到洞穿性的挖損破壞面積為229.58 hm2，渣山內(nèi)硫化物等氧化引起的異常高溫導(dǎo)致凍土消融破壞的面積約3.38 hm2。如圖1、表1所示。

圖1 木里礦區(qū)8號(hào)采坑“小火山”自燃高溫異常區(qū)Fig.1 Spontaneous combustion high temperature abnormal area of No.8 mine in Muli mining area

表1 木里礦區(qū)部分礦井多年凍土直接破壞情況

因此，采礦活動(dòng)引起礦山環(huán)境的改變與破壞，歸根到底是區(qū)域地殼淺層的變化。礦山生態(tài)環(huán)境治理，需要將地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)緊密結(jié)合，從地質(zhì)條件的研究入手研究巖層的變化，尋求更為合理、經(jīng)濟(jì)的治理技術(shù)手段和治理方案。

1.2 煤炭開(kāi)采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響機(jī)理

大規(guī)模礦山開(kāi)采對(duì)區(qū)域地殼表層巖層擾動(dòng)，形成的采坑、渣山、地面沉陷等容易造成地表沉降和塌陷、土地壓占，進(jìn)而阻斷地表水系、破壞植被生長(zhǎng)、影響生態(tài)系統(tǒng)乃至大氣環(huán)境。

礦山開(kāi)采造成生態(tài)環(huán)境破壞的根本原因是開(kāi)采對(duì)原始地層系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞，引起地層形變、位移、破裂、垮塌，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，對(duì)構(gòu)造、水系、地表產(chǎn)生影響。由此引發(fā)地下水、氣系統(tǒng)變化、運(yùn)移和重新聚集，引起凍土地區(qū)永凍層破壞，造成地表上部或淺層的巖石發(fā)生變化，最終影響到地表土壤、生態(tài)環(huán)境的改變，乃至水圈、大氣圈的變化。因此，礦山開(kāi)采改變的是原始地層結(jié)構(gòu)、地形地貌、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等，相比地表環(huán)境治理，礦山地質(zhì)環(huán)境破壞的治理和修復(fù)難度更大，如圖2所示。

圖2 煤炭勘查與開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理Fig.2 Impact mechanism of coal exploration and development on the ecological environment

1.3 礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路

針對(duì)上述對(duì)礦山開(kāi)采造成生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)問(wèn)題，提出礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路：從地質(zhì)條件研究入手，通過(guò)對(duì)區(qū)域原始地層剖面和產(chǎn)狀、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究，選用相似或相近的材料，構(gòu)建出與原始地層具有相似地質(zhì)屬性作用的相似巖性層段，通過(guò)重新構(gòu)建或修復(fù)破損部分，以恢復(fù)再造出類(lèi)似的原始地層。筆者稱(chēng)為 “將今復(fù)古”的治理原則，與破損文物的修復(fù)方法相似，需選用與文物相似的材料，仿照原始文物的樣子，再造出破損的部分，達(dá)到完整修復(fù)的目的。具體的礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)思路與步驟流程，如圖3所示。

(1)通過(guò)空天地時(shí)一體的生態(tài)地質(zhì)勘查技術(shù)，調(diào)查礦山開(kāi)采造成的環(huán)境破壞情況。首先，地形、地貌特征的調(diào)查研究。通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)與實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，研究地形起伏與坡度、土壤資源調(diào)查、采坑深度與面積、渣山高度與坡角、河流水系特征以及地面建筑物等阻隔體的分布等，結(jié)合相關(guān)模擬計(jì)算得出采坑治理后的基本地形地貌特征、渣山修復(fù)地形的穩(wěn)定坡角，水系連通范圍等具體參數(shù)。其次，地質(zhì)特征研究。特別是巖層層序剖面特征。通過(guò)分析巖石結(jié)構(gòu)成分、構(gòu)造與裂隙發(fā)育；地表風(fēng)化特征、土壤層層序與特征；凍土地區(qū)凍土層特征等，弄清地層及地質(zhì)構(gòu)造的空間關(guān)系、產(chǎn)狀要素，建立區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、地層風(fēng)化與環(huán)境變化的耦合關(guān)系。最后，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律認(rèn)識(shí)。重點(diǎn)研究環(huán)境背景(地球化學(xué))、生物種群、水系與河流生態(tài)作用、土壤與凍土層的作用以及植被發(fā)育特征。

圖3 采用地質(zhì)方法治理修復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境的思路Fig.3 Idea of geological methods for restoration of ecological damage in mines

(2)分析礦山開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類(lèi)型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和研究的綜合認(rèn)識(shí)，分析評(píng)判出礦山主要的生態(tài)環(huán)境破壞類(lèi)型，如1.1節(jié)。

(3)建立地層層序剖面。認(rèn)識(shí)清楚礦區(qū)的地形地貌和地下地層特征，針對(duì)不同破壞的地質(zhì)體，建立相對(duì)應(yīng)的原始地層層序剖面，作為后續(xù)開(kāi)展具體治理修復(fù)工作的對(duì)比依據(jù)和參照。主要包括：土壤層剖面、地層層序剖面、含水層/隔水層剖面、凍土層剖面等。

(4)分析不同類(lèi)型的生態(tài)地質(zhì)層。生態(tài)環(huán)境破壞的本質(zhì)是對(duì)地表和地下地質(zhì)條件的損壞和破壞。從地質(zhì)角度開(kāi)展礦山生態(tài)環(huán)境的治理，研究地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，分析得出不同修復(fù)對(duì)象的生態(tài)地質(zhì)層，并針對(duì)不同治理對(duì)象重點(diǎn)開(kāi)展不同生態(tài)地質(zhì)層的修復(fù)工作，2.2節(jié)將專(zhuān)門(mén)敘述。

(5)開(kāi)展生態(tài)地質(zhì)層破壞研究。分析地質(zhì)特征與生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，研究生態(tài)地質(zhì)層的破壞范圍、破壞程度以及對(duì)相鄰生態(tài)地質(zhì)層的影響。重點(diǎn)是研究生態(tài)地質(zhì)層的破壞機(jī)理以及破壞引起的地表環(huán)境效應(yīng)，確定修復(fù)對(duì)象、范圍和修復(fù)方法。

(6)構(gòu)建生態(tài)地質(zhì)層。盡管這種構(gòu)建活動(dòng)仍然形不成真正意義上的某一地層，但其對(duì)生態(tài)環(huán)境的控制作用與破壞前的某一地層具有相同或相似的屬性，主要包括土壤層、特殊巖層(煤層頂板)、含水層、隔水層以及凍土層等。通過(guò)生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)，建立不同研究對(duì)象的地層剖面，再造出相似的地層。同時(shí)，還需要考慮采用什么材料，如何修復(fù)和修復(fù)到什么程度等具體問(wèn)題。

2 生態(tài)地質(zhì)層理論的提出

礦山開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞不僅對(duì)地表植被、土壤層和地形地貌產(chǎn)生破壞，還會(huì)對(duì)這一活動(dòng)所能影響到的地下巖層等地質(zhì)體產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞，造成含(隔)水層、煤層頂板、特殊巖層產(chǎn)生破壞，引起區(qū)域地表和地下生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生變化。因此礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與治理既要考慮地表環(huán)境的破壞與效應(yīng)，還要考慮地下地層系統(tǒng)的變化及其效應(yīng)。嘗試將地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)結(jié)合，從地質(zhì)角度進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的治理修復(fù)，通過(guò)人工再造和重構(gòu)的方式，構(gòu)建出與破壞之前相似的地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。筆者曾在文獻(xiàn)[22]中提到“對(duì)覆巖關(guān)鍵層、含(隔)水層等重要關(guān)鍵層工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，能夠?yàn)榈V山開(kāi)采對(duì)區(qū)域地下水和地面環(huán)境的影響、破壞提供相關(guān)災(zāi)害預(yù)防、工程改造、環(huán)境治理參數(shù)”，但只強(qiáng)調(diào)了重要關(guān)鍵層的作用，未給出具體明確的定義和解釋?zhuān)菀自斐衫斫獾钠缌x和偏差，為此，筆者進(jìn)一步開(kāi)展了深入細(xì)致的研究，厘定提出生態(tài)地質(zhì)層概念、修復(fù)原理與思路、構(gòu)建方法。

2.1 生態(tài)地質(zhì)層

對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有控制屬性作用的地層或地層組合層段，稱(chēng)為生態(tài)地質(zhì)層。其范圍指礦山勘查與開(kāi)發(fā)及其他工程活動(dòng)影響到自地表到地殼淺層范圍的一段地層。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)和影響，其本質(zhì)是破壞了生態(tài)地質(zhì)層。礦山環(huán)境生態(tài)修復(fù)的核心問(wèn)題是針對(duì)不同的破壞對(duì)象，重構(gòu)和修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層。

2.2 生態(tài)地質(zhì)層的界定

由于礦山生態(tài)環(huán)境治理過(guò)程中，根據(jù)研究對(duì)象和破壞程度的不同，治理對(duì)象和修復(fù)重點(diǎn)在不斷變化，因此，生態(tài)地質(zhì)層是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)概念。某一層段地層破壞會(huì)引發(fā)一個(gè)或多個(gè)地質(zhì)問(wèn)題，當(dāng)?shù)貙悠茐姆秶r(shí)，可能引發(fā)某一個(gè)地質(zhì)問(wèn)題，這一破壞對(duì)象就是生態(tài)地質(zhì)層；當(dāng)?shù)貙哟蠓秶茐臅r(shí)，引發(fā)的地質(zhì)問(wèn)題可能是多個(gè)地質(zhì)問(wèn)題的聯(lián)合或復(fù)合疊加，修復(fù)對(duì)象就可能包涵多個(gè)生態(tài)地質(zhì)層，需要根據(jù)修復(fù)對(duì)象性質(zhì)的不同，進(jìn)一步詳細(xì)劃分不同對(duì)象的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4所示。

圖4 露天煤礦修復(fù)后的生態(tài)地質(zhì)層重構(gòu)剖面Fig.4 Reconstruction profile of ecological geological layer after restoration of open-pit coal mine

具體來(lái)講，露天開(kāi)采相對(duì)井工開(kāi)采對(duì)礦山環(huán)境的破壞更為嚴(yán)重，采坑形成過(guò)程中可能對(duì)包括煤層、煤層頂板、煤層上部地層、含(隔)水層、土壤層、凍土地帶凍土層等多個(gè)生態(tài)地質(zhì)層產(chǎn)生不同程度的破壞。修復(fù)過(guò)程首先針對(duì)煤層的保護(hù)問(wèn)題，需要進(jìn)行煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層再造，防止煤層裸露風(fēng)化。通常煤層的直接頂板基本以泥巖或砂泥巖為主，修復(fù)時(shí)需要構(gòu)建一層與原始煤層頂板泥巖類(lèi)性質(zhì)相似的黏土層以保護(hù)煤炭資源和防止瓦斯氣體溢散、煤火復(fù)燃等，如圖4中煤層上部用紅色黏土經(jīng)過(guò)反復(fù)碾壓形成一個(gè)厚度、強(qiáng)度和封閉性與煤層頂板泥巖層相似的生態(tài)地質(zhì)層。

對(duì)于地形地貌的重構(gòu)與修復(fù)，需要進(jìn)行地形重塑層的構(gòu)建。地形重塑層是指在渣山、采坑、巖石邊坡、地表沉陷等礦山治理修復(fù)過(guò)程中，修復(fù)范圍自地表及其地下一定范圍內(nèi)能夠起到地形地貌輪廓骨架成形作用的地質(zhì)重構(gòu)層的總成，是一個(gè)十分復(fù)雜的不規(guī)則層面，是土壤重構(gòu)與植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。由于地形地貌的重構(gòu)與修復(fù)范圍空間上比較廣泛，對(duì)這一抽象的復(fù)雜地質(zhì)重構(gòu)層，為表述簡(jiǎn)潔命名為地形重塑層，也是一種特殊的生態(tài)地質(zhì)層。

對(duì)于破壞的地表土壤層修復(fù)，就是仿造構(gòu)建一個(gè)土壤層剖面。除構(gòu)建類(lèi)似原始表土層的最上部土壤外，再造的土壤層中要滿(mǎn)足能為植被提供營(yíng)養(yǎng)和發(fā)揮涵養(yǎng)生態(tài)水源作用的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4中表土層下部的橘紅色部分就是構(gòu)建的土壤生態(tài)地質(zhì)層。

對(duì)凍土層其破壞包括兩部分，凍土層的厚度大小不等，但地質(zhì)意義重大，對(duì)地下水、煤系氣、土壤中CO2具有重要封存和隔絕作用，而且還是一層重要的隔水層。凍土層修復(fù)的關(guān)鍵是重新修復(fù)的凍土層與周邊原始地層搭接處必須選擇特殊的渣土通過(guò)特殊壓實(shí)處理，形成一套與周邊凍土層融為一體的生態(tài)地質(zhì)層，防止后期在搭接處出現(xiàn)凍融。另外，如果凍土層段存在煤層破壞，煤層頂板的修復(fù)就屬于煤層上部巖層和凍土層、隔水層3個(gè)生態(tài)地質(zhì)層的疊加復(fù)合。其修復(fù)難度更大，既是修復(fù)煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層，也是修復(fù)凍土層和隔水層2個(gè)生態(tài)地質(zhì)層。

水系破壞主要包括地表和地下2個(gè)部分。當(dāng)?shù)乇硭怠竦乇煌趽p或被阻隔體阻斷后，周?chē)脖簧L(zhǎng)受到影響，甚至一側(cè)出現(xiàn)植被退化或死亡，這里被阻隔體破壞的土壤層及其巖層或季節(jié)性?xún)鐾翆泳褪浅休d地表水系連通的生態(tài)地質(zhì)層。地下含(隔)水層破壞時(shí)，需要構(gòu)建相似巖性的地層，保證地下水滲流通道的暢通，這段相似巖性的地層就是地下水系連通的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4中季節(jié)性?xún)鐾翆又械乃{(lán)色砂巖層。

綜合來(lái)說(shuō)，生態(tài)地質(zhì)層是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的概念，生態(tài)地質(zhì)層在地殼淺層剖面上有時(shí)是單獨(dú)的，有時(shí)一個(gè)或多個(gè)呈相互嵌套或重疊關(guān)系，在不同地區(qū)其賦存空間、對(duì)生態(tài)環(huán)境的控制意義不盡相同。因此，準(zhǔn)確界定生態(tài)地質(zhì)層及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用意義重大。

3 生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建原理和修復(fù)思路

筆者選取治理難度超難的高原高寒木里地區(qū)礦山修復(fù)作為生態(tài)環(huán)境治理的案例，在木里礦區(qū)煤炭開(kāi)發(fā)方式多樣，既有露天開(kāi)采也有露-井連采的礦井[28]，這里礦山開(kāi)采對(duì)原始基巖、凍土層、煤炭資源、地下含水層以及地表草甸濕地等不同類(lèi)型的生態(tài)地質(zhì)層產(chǎn)生了破壞。礦山環(huán)境治理中需要?jiǎng)澐植煌瑢傩缘纳鷳B(tài)地質(zhì)層，針對(duì)各生態(tài)地質(zhì)層的破壞程度構(gòu)建修復(fù)出一個(gè)與開(kāi)采破壞前的原始地層結(jié)構(gòu)相似、成分相近的再造地層剖面。

3.1 土壤層

在祁連山木里礦區(qū)土壤主要為草甸沼澤土和分布面積較少的高山寒漠土。山地自然土壤土層厚度僅為20～50 cm，礦區(qū)開(kāi)采使得天然沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)成為采礦廢棄地，地表涵養(yǎng)水源的能力顯著下降。土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、陽(yáng)離子交換物、硫化物等有效養(yǎng)分的含量明顯降低，酸堿度變化較大，由弱堿性(pH=7.16)變?yōu)閴A性(pH=9.37)。工程開(kāi)挖和回填破壞了原始土壤層，特別是土壤中的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)破壞后短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)。

土壤層構(gòu)建的修復(fù)思路包括2部分：一是重構(gòu)土壤。在其他土壤肥沃地區(qū)的重構(gòu)土壤可以選取與土壤成分相似的客土進(jìn)行回填，但在土壤貧瘠的木里地區(qū)，土壤層是風(fēng)化帶的一部分，主要為風(fēng)化作用形成的大量渣石碎屑物、少量表層細(xì)土和細(xì)碎屑物，在客土方案不經(jīng)濟(jì)的情況下，就需要通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相似土壤再造，作為重構(gòu)的土壤。二是建立土壤層剖面。對(duì)治理地區(qū)的土壤層，在縱向上建立自下而上不同分層和不同功能的土壤層剖面。

3.2 地形重塑層

地形重塑層是對(duì)地表形態(tài)的修復(fù)，是土壤層修復(fù)最外在和最直觀的部分，也是后期植被種植的關(guān)鍵。治理目的是通過(guò)采坑和沉陷回填、邊坡和渣山治理等，重塑礦山的地形地貌，達(dá)到與周邊地貌與環(huán)境的協(xié)同統(tǒng)一。

木里礦區(qū)以露天開(kāi)采為主，形成了11座采坑和19座渣山，采坑渣山占地總面積3 289.83萬(wàn)m2，采坑最大深度200 m，渣山總體積4.89億m3。不但壓蓋了大片草地，對(duì)原始地貌景觀和植被產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞和影響，大氣降水的沖刷還容易造成渣山周邊環(huán)境污染，高陡的渣山本身還存在邊坡失穩(wěn)、滑塌等風(fēng)險(xiǎn)隱患，如圖5所示。

修復(fù)思路首先是保證地貌形狀的穩(wěn)定、安全和與周邊依形就勢(shì)。土壤基底層的成形作用對(duì)地貌的形態(tài)和穩(wěn)定具有控制作用，在治理時(shí)通過(guò)建立模型，計(jì)算邊坡或渣山的穩(wěn)定性外，更多的是測(cè)定當(dāng)?shù)氐匦蔚孛驳奶卣髯兓?，原始地形地貌是?jīng)過(guò)大自然不同季節(jié)風(fēng)速、溫度、氣候變化、降雨侵蝕、風(fēng)力侵蝕等多因素千錘百煉形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也為人工修復(fù)地表最佳坡角等參數(shù)的確定提供了參照；其次，利于后期植被生長(zhǎng)復(fù)綠和凍土保護(hù)。在渣土上構(gòu)建土壤層時(shí)，關(guān)鍵是通過(guò)構(gòu)建堅(jiān)硬的土壤基底層，形成類(lèi)似雞蛋殼一樣的渣山外殼，不但起到穩(wěn)定地形地貌，防止上部水土流失、涵養(yǎng)水源的作用，而且還封存了下部地層或渣土層有害元素外滲污染周邊環(huán)境。凍土地區(qū)還能保護(hù)凍土層減少凍融和熱熔作用發(fā)生，如圖6所示。

圖5 青海木里礦區(qū)開(kāi)采前后環(huán)境對(duì)比Fig.5 Comparison of environment before and after mining in Muli mining area,Qinghai Province

圖6 地形地貌構(gòu)建模式Fig.6 Topographical construction pattern

3.3 凍土層

在高寒凍土地區(qū)凍土生態(tài)地質(zhì)層的破壞對(duì)地形地貌、河湖分布及植被分布等都有重要控制作用，生態(tài)效應(yīng)明顯。按照時(shí)間的變化可將凍土層分為季節(jié)性?xún)鐾梁陀谰眯詢(xún)鐾?。永久性?xún)鐾料喈?dāng)于隔水層，季節(jié)性?xún)鐾翆觿t受氣溫變化影響，需要考慮地下水滲流，熱融作用等的影響。

修復(fù)思路是在對(duì)原始凍土層結(jié)構(gòu)挖損面積和洞穿挖損面積勘查認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，建立凍土層層序剖面，確定凍土的層狀結(jié)構(gòu)特征，并注意剖面上凍土層與原始地層的搭建面處的有效銜接，形成仿凍土層結(jié)構(gòu)，永凍層和季節(jié)性?xún)鐾翆咏y(tǒng)稱(chēng)為凍土生態(tài)地質(zhì)層。

(1)永久性?xún)鐾梁图竟?jié)性?xún)鐾恋男迯?fù)。永久性?xún)鐾翆拥男迯?fù)是通過(guò)人工措施快速形成一定強(qiáng)度和壓實(shí)度的渣土凍土層，恢復(fù)對(duì)水、氣的封存和隔絕功能。季節(jié)性?xún)鐾翆邮侵脖坏闹饕L(zhǎng)地層，修復(fù)時(shí)要選擇盡量與周邊原始地層巖性相似的渣土和碎石塊，通過(guò)適度壓實(shí)，使其形成一定的空隙，以恢復(fù)地下水的滲流場(chǎng)和與周?chē)旰猛寥缹拥壬鷳B(tài)地質(zhì)層的聯(lián)系，如圖7所示。

圖7 凍土層構(gòu)建示意Fig.7 Schematic diagram of frozen soil layer construction

(2)凍土層與原始地層搭接面的修復(fù)。以往治理中未考慮原始地層與新建凍土層連接處的搭接面構(gòu)建，后期在連接處往往發(fā)生凍融或出現(xiàn)熱融，搭接面成為水流通道，形成和斷層帶一樣的導(dǎo)通結(jié)構(gòu)。因此凍土層修復(fù)時(shí)，搭接面的構(gòu)建是凍土生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)的關(guān)鍵。要有意識(shí)挑選細(xì)碎屑巖渣土在搭接面處多次反復(fù)壓實(shí)，防止搭接面成為導(dǎo)水通道，形成水串流發(fā)生熱熔作用。

3.4 煤層上部巖層特別是煤層頂板

煤層上部巖層包括煤層頂板及其以上巖層，在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的過(guò)程中，如何有效地保護(hù)好煤炭資源，是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。露天煤礦預(yù)防煤層自燃一般采用覆蓋密閉、填充等方法避免煤層暴露與大氣接觸氧化，但在高寒凍土地區(qū)鮮有報(bào)道，木里礦區(qū)修復(fù)階段對(duì)暴露煤層通過(guò)構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層實(shí)現(xiàn)保護(hù)修復(fù)，無(wú)疑這是一項(xiàng)很有意義的創(chuàng)新。大多數(shù)井工礦井是在煤層采出后上部巖層形成垮塌、裂隙等形變。對(duì)沉陷范圍的修復(fù)治理，只有部分礦井通過(guò)充填開(kāi)采或頂板注漿加固等措施減少對(duì)煤層頂板及其上部巖層的破壞。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)木里礦區(qū)7號(hào)采坑?xùn)|段，采礦剝離形成長(zhǎng)520～1 600 m、寬度30～80 m、高度5～18 m的2條煤墻；9號(hào)采坑剝露煤層約長(zhǎng)500 m，寬約15 m。2處估算煤炭資源量約50萬(wàn)t，大量暴露的煤炭資源正在遭受不斷風(fēng)化破壞。

煤層頂板的修復(fù)思路首先是再造煤層頂板，仿煤層頂板泥巖巖石結(jié)構(gòu)，選用細(xì)黏土等材料多次反復(fù)加水壓實(shí)，達(dá)到一定強(qiáng)度和致密性，以防止煤層氣體溢散與自燃；然后在再造構(gòu)建好的煤層頂板之上進(jìn)一步進(jìn)行凍土層再造，和構(gòu)建的煤層頂板一起頂部覆土復(fù)綠，如圖7(c)所示 利用紅黏土構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層。在凍土發(fā)育地區(qū)，在凍土帶發(fā)育范圍煤層頂板以上煤系遭到擾動(dòng)破壞時(shí)采用凍土層修復(fù)方法修復(fù)。

3.5 水系連通系統(tǒng)

水系連通系統(tǒng)的構(gòu)建包括地表水系和地下水系連通。水系連通是修復(fù)水源與濕地、濕地與河流、濕地與濕地等各水體之間阻隔水力聯(lián)系的道路、場(chǎng)地、采坑等阻隔體，其分布范圍的原始土壤層、季節(jié)性?xún)鐾翆拥裙δ苁艿狡茐?，這些破壞的土壤層、季節(jié)性?xún)鐾翆泳褪切枰迯?fù)的承載水系聯(lián)通的生態(tài)地質(zhì)層。

木里礦區(qū)地表水資源豐富，地表河流湖泊發(fā)育。礦山開(kāi)采形成的負(fù)地形采坑，由于阻斷了這里原始地表水、地下潛水和地下承壓含水層的水力聯(lián)系，使得不同水源的水容易匯聚到采坑中，形成采坑積水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅木里聚乎更礦區(qū)開(kāi)采形成的采坑總積水面積達(dá)130.08萬(wàn)m2，總積水量約1 476.51萬(wàn)m3。同時(shí)，露天開(kāi)采形成的渣山，造成地表地形地貌條件改變，天然河道被人為截?cái)唷⒏牡溃茐牧说乇硭?、地表水徑流條件，導(dǎo)致礦區(qū)濕地和植被退化，水源流通能力和水源涵養(yǎng)功能下降。

修復(fù)思路包括地表水系連通和地下水系連通2部分：地表水系連通是將阻隔體用中細(xì)碎屑巖通過(guò)一定的物理改性后置換，恢復(fù)地表水和地下水滲流功能，進(jìn)而恢復(fù)植物根系之間的水力傳輸實(shí)現(xiàn)兩側(cè)水系連通。地下水系連通是建立水文地質(zhì)剖面，選擇相同或相似巖性再造出類(lèi)似的含水層和隔水層，實(shí)現(xiàn)地下水力的連通，恢復(fù)含水層的儲(chǔ)水功能和隔水層的隔水封閉功能[29]，如對(duì)砂巖含水層的修復(fù)，治理中仍然是選擇不同粒徑的砂巖渣塊構(gòu)建相似的含水層，如圖7所示。含(隔)水層與原始含(隔)水層搭接帶處也是構(gòu)建修復(fù)的關(guān)鍵，同樣需要進(jìn)行特殊壓實(shí)構(gòu)建，以防止水串流進(jìn)入其他巖層或沿搭接面流向地表。

4 生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建與修復(fù)技術(shù)方法

生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)是對(duì)已經(jīng)破壞的生態(tài)地質(zhì)層，通過(guò)人工干預(yù)或相似材料物理模擬，再造出具有與原始地層相似屬性作用的類(lèi)巖性層段?？捎糜诰ら_(kāi)采、露天開(kāi)采、露-井連采等礦山開(kāi)發(fā)造成的礦產(chǎn)資源裸露、土壤層破壞、地形地貌破壞、渣山、凍土層破壞、地表水系阻斷等不同層段破壞后的修復(fù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)煤系變形、破裂、沉陷的主動(dòng)預(yù)防和治理，地形地貌、土壤層、凍土層、地表水?dāng)嗔鞯绕茐牡闹卫砗驮僭?，達(dá)到資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的目的。根據(jù)修復(fù)對(duì)象的不同，主要可分為土壤層與地貌重塑、凍土層、煤層頂板巖層、水系連通的構(gòu)建。

4.1 土壤層的構(gòu)建與地形重塑

土壤層的構(gòu)建是在煤炭資源保護(hù)、凍土層再造、邊坡和渣山治理、地貌重塑等基礎(chǔ)上再造出的土壤層，是實(shí)現(xiàn)地表生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的關(guān)鍵[30]，因此對(duì)土壤層構(gòu)建做重點(diǎn)敘述。

4.1.1 重構(gòu)土壤的原理和方法

(1)重構(gòu)土壤的物質(zhì)組成。開(kāi)展生態(tài)環(huán)境背景測(cè)試，研究原始土壤層剖面結(jié)構(gòu)，模擬自然環(huán)境和植被生長(zhǎng)條件，提出重構(gòu)土壤方法。木里地區(qū)幾乎無(wú)土壤，重構(gòu)土壤選擇就地取材，采用渣土改良的方式，利用礦區(qū)大量存在的渣石，充當(dāng)土壤的碎屑物，起到顆粒支撐物的作用；利用羊板糞天然有機(jī)質(zhì)肥料，補(bǔ)充土壤中有機(jī)質(zhì)含量；羊板糞堆積過(guò)程中攜帶的當(dāng)?shù)卮罅勘韺蛹?xì)土和熟土，增加細(xì)碎屑物質(zhì)含量。這樣利用表層巖石風(fēng)化形成的渣土顆粒，羊板糞本身的有機(jī)質(zhì)和攜帶的表層細(xì)土，模擬出原始土壤組成結(jié)構(gòu)。

(2)土壤成分的確定。主要分析原始土壤和渣土的化學(xué)成分和有機(jī)質(zhì)組成[31]。通過(guò)多種不同結(jié)構(gòu)的測(cè)土化驗(yàn)和物理模擬實(shí)驗(yàn)，模擬出與原始土壤層pH值、物理性質(zhì)和化學(xué)成分相似的重構(gòu)土壤成分配比[32]，見(jiàn)表2。

表2 木里礦區(qū)部分礦井原土壤與開(kāi)采后土壤、重構(gòu)土壤成分測(cè)試對(duì)比

4.1.2 土壤層剖面建立

通常土壤層的剖面可分為5層，包括最上部的腐植質(zhì)層、中部的淋溶層、沉淀層、成土母質(zhì)層和最下部的基巖層。而木里地區(qū)土壤層剖面為3層，上部的表層山地自然土壤層，厚度較薄，幾乎無(wú)土壤資源，中部主要由細(xì)顆粒渣土、礫石及巖石碎塊組成，厚度幾米不等，下部基底為基巖層及其風(fēng)化凹坑充填物(含凍土層)，如圖8(a)所示。

經(jīng)研究分析再造的土壤層類(lèi)似于在風(fēng)化層上部構(gòu)建結(jié)構(gòu)相似、成分相近的土壤層，根據(jù)原始土壤層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建的土壤層劃分為人造土壤層、渣土改良層和土壤基底層3部分。由于土壤對(duì)生態(tài)環(huán)境具有重要控制作用，可進(jìn)一步細(xì)分為3個(gè)生態(tài)地質(zhì)分層，而土壤基底層的構(gòu)建既是土壤生態(tài)地質(zhì)層的核心，也是對(duì)修復(fù)后渣山地形重塑起穩(wěn)定重要作用的控制層。如圖8(c)所示。

圖8 土壤層構(gòu)建示意Fig.8 Schematic diagram of soil layer construction

(1)人造土壤層。選用篩選的渣土或就地翻耕撿石覆蓋，形成厚度20 cm以上的人造土壤層(表土層)，其中下部約15 cm厚，利用渣土、含有機(jī)質(zhì)的泥砂羊板糞、有機(jī)肥、牧草專(zhuān)用肥等形成的改良渣土，通過(guò)反復(fù)多次壓實(shí)，達(dá)到壓實(shí)度0.85以上(依據(jù)公路路基施工規(guī)范4.2.2中三、四級(jí)公路壓實(shí)度應(yīng)不小于0.85；通過(guò)測(cè)試相當(dāng)于完整泥巖、砂質(zhì)泥巖的堅(jiān)實(shí)度)；上部3～5 cm為草種的播種深度，鋪設(shè)混合有篩選出草種的改良渣土，不壓實(shí)。

(2)渣土改良層。模擬原生土壤的心土層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分、pH值，優(yōu)選一定粒度的砂質(zhì)土、黏土、渣土等材料，添加有機(jī)肥等土壤改良劑，通過(guò)機(jī)器重力鎮(zhèn)壓，形成渣土改良層，使之達(dá)到種草復(fù)綠的土壤條件。

(3)土壤基底層。模擬原生土壤母質(zhì)層的基巖結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分，優(yōu)選一定粒度的砂質(zhì)土、渣土等材料，每回填5 m進(jìn)行加水壓實(shí)處理一次，因施工季節(jié)正值冬季，反復(fù)多次壓實(shí)和凍結(jié)形成壓實(shí)度0.85以上的保溫保水土壤基底層。

4.1.3 不同類(lèi)型土壤層的構(gòu)建

木里礦區(qū)開(kāi)采形成土壤層破壞分3類(lèi)：淺坑、深坑和渣山。因此，土壤層構(gòu)建修復(fù)對(duì)象分為：深坑土壤層、淺層土壤、渣山表面土壤層3種類(lèi)型。

(1)深坑土壤層。對(duì)木里礦區(qū)開(kāi)采形成的幾十米大深坑進(jìn)行土壤層構(gòu)建。首先，構(gòu)建最底部的凍土層，詳見(jiàn)4.2節(jié)介紹；其次，構(gòu)建土壤基底層，通過(guò)碾壓、凍結(jié)形成基底層壓實(shí)度大于等于0.85，相對(duì)能保水、保溫、防滲的土壤基底層，是深坑類(lèi)型土壤生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建的重中之重。再次，構(gòu)建渣土改良層，分層回填含有機(jī)質(zhì)的細(xì)渣土，厚度不小于10 cm。最后，構(gòu)建最上部的人造土壤層，形成類(lèi)似原始表土層的人造土壤層，厚度在3～5 cm。

(2)淺層土壤層。對(duì)開(kāi)采破壞程度相對(duì)較小的山坡淺坑區(qū)進(jìn)行土壤層構(gòu)建。破壞部分僅是地表草甸，采坑深度通常在30 cm以淺，位于土壤基底層之上，構(gòu)建的對(duì)象主要是部分渣土改良層和人造土壤層。

(3)渣山表面土壤層。以往對(duì)渣山的治理，僅是在表層進(jìn)行簡(jiǎn)單壓實(shí)和種草復(fù)綠，由于渣土形成的顆粒碎屑物，幾乎無(wú)土壤，難以留存表層水分和施加的有機(jī)肥料，容易造成水分和營(yíng)養(yǎng)流失，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不易存活，如圖9(a)所示。此外，高陡的渣山容易形成滑坡和垮塌，存在極大的安全隱患。

本次治理首先采用遙感、無(wú)人機(jī)正射飛行、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)等多手段的綜合測(cè)量，對(duì)高危渣山、邊坡、活動(dòng)滑坡體不同部位的變形、滑移速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立數(shù)字高程模型，模擬計(jì)算出合理的邊坡穩(wěn)定坡角應(yīng)小于26°，再根據(jù)不同渣山的規(guī)模大小，確定出渣山穩(wěn)定的高度(h)，對(duì)渣山采坑邊坡和平臺(tái)進(jìn)行削坡卸載和整形，并通過(guò)多次反復(fù)碾壓，使渣山表面壓實(shí)度在0.85以上，構(gòu)成一個(gè)類(lèi)似像雞蛋殼的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以保證在蓄水狀態(tài)下上部邊坡的穩(wěn)定，作為人造土壤基底層。其次，在上部覆蓋渣土，構(gòu)建渣土改良層。最后，在最上部構(gòu)建人造土壤層，如圖6,9(b)所示。

未經(jīng)壓實(shí)等工程措施治理的渣山，雖然密實(shí)度相對(duì)較低，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)段的重力作用和雨水、雪融水滲入，渣土內(nèi)部已基本冰凍，2020年通過(guò)對(duì)木里礦區(qū)4號(hào)礦坑南渣山鉆探取心，鉆孔在32.4 m以下取到渣土與冰密實(shí)的冰塊，這意味著渣山內(nèi)部正在形成新的凍土層，如圖10所示。因此，對(duì)渣山在重新構(gòu)建渣山土壤基底層后，一定能起到更好的隔絕水滲流和涵養(yǎng)水源的作用，更有利于植物生長(zhǎng)，同時(shí)也重構(gòu)了地形地貌的樣式，起到了地表骨架支撐作用。2021年青海省海西州發(fā)生過(guò)2次5級(jí)以上地震，震后現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)對(duì)治理后的渣山監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)變形、滑坡等問(wèn)題；證明重構(gòu)后的渣山實(shí)現(xiàn)了山體整體穩(wěn)定?？梢?jiàn)構(gòu)建類(lèi)似雞蛋殼的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層并在其上進(jìn)行土壤層重構(gòu)是在渣土山上復(fù)綠成功的關(guān)鍵舉措。

4.2 凍土層構(gòu)建

凍土層厚度從幾十米到上百米不等，露天采坑主要在垂向上對(duì)其造成挖損破壞，甚至在局部造成多年凍土層被挖穿。通過(guò)采坑回填即要實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土層的直接恢復(fù)，同時(shí)回填后的采坑不能再次形成明顯積水。

木里礦區(qū)永久性?xún)鐾猎谔盥襁^(guò)程中，根據(jù)地層巖性變化，按通常每5 m厚度進(jìn)行分層回填壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)一般在0.85以上，再利用雨雪或?yàn)⑺畠鼋Y(jié)，往復(fù)多次一層層覆蓋，逐層構(gòu)建再造出永凍層。季節(jié)性?xún)鐾翆邮歉鶕?jù)周邊地層巖性的變化，重新構(gòu)建相同或相似的風(fēng)化帶剖面。原始地層與構(gòu)建凍土層搭接面是修復(fù)的關(guān)鍵，連接處的壓實(shí)系數(shù)通常在0.9以上，以保證更加密實(shí)，防止凍融發(fā)生，采坑回填階段通過(guò)反復(fù)壓實(shí)和加水等工程措施重構(gòu)的凍土層，將能夠形成像天然凍土層一樣穩(wěn)定，2022年7月通過(guò)對(duì)木里礦區(qū)4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)采坑治理區(qū)域人工開(kāi)挖檢查，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)認(rèn)為凍土層已經(jīng)形成并堅(jiān)硬完好。

4.3 煤層頂板巖層構(gòu)建

由于露天大規(guī)模揭蓋開(kāi)挖，采坑常遺留部分煤炭資源，部分礦坑已剝離煤層頂板形成煤層暴露。因此需要構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層予以保護(hù)煤炭資源，防止煤層裸露、風(fēng)化和自燃。

治理中首先將出露煤層挖至地表以下0.5～0.8 m，之后在煤層露頭上部覆蓋薄層紅黏土或砂質(zhì)黏土，進(jìn)行回填封堵并壓實(shí)，通過(guò)不斷反復(fù)碾壓，煤層頂部形成壓實(shí)度達(dá)0.85以上的人造煤層頂板結(jié)構(gòu)層；煤層頂板再造好后再在上部覆蓋一定厚度的細(xì)渣土進(jìn)行凍土層再造，按照該區(qū)季節(jié)性?xún)鐾磷畲笕趧?dòng)深度3.5 m計(jì)算，回填后實(shí)現(xiàn)封填保護(hù)煤層和凍土層再造的目的，如圖11所示。

4.4 水系連通的構(gòu)建

木里地區(qū)由于存在凍土層，地下水滲流主要在季節(jié)性?xún)鋈趯舆M(jìn)行。因此，水系連通系統(tǒng)的構(gòu)建重點(diǎn)是針對(duì)淺層和地表水系傳輸?shù)男迯?fù)，主要可分為水系阻斷連通和截排水溝水源涵養(yǎng)兩大類(lèi)：

(1)水系阻斷連通。水系連通是對(duì)煤礦開(kāi)采造成截流、改道的河流與周邊濕地重新連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)破壞水文地質(zhì)單元的重新修復(fù)，恢復(fù)與重塑原有的水源輸送能力和水源涵養(yǎng)功能。如圖12所示，地表水系連通的修復(fù)首先是通過(guò)渣山整形、清除水系阻斷物，然后在破壞地帶重新構(gòu)建修復(fù)被破壞的對(duì)地表水系連通起關(guān)鍵作用的土壤層、季節(jié)性?xún)鐾翆拥壬鷳B(tài)地質(zhì)層，形成新的地形重塑層，進(jìn)一步在新構(gòu)建的生態(tài)地質(zhì)層基礎(chǔ)上修建排水溝網(wǎng)，助力保水保墑加快植物根系相互連接固水和物質(zhì)、能量傳輸。

圖12 水系傳輸示意(據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)Fig.12 Schematic diagram of water system transmission(Modified by References[23])

(2)截排水溝水源涵養(yǎng)。對(duì)治理范圍內(nèi)地形起伏、匯水能力進(jìn)行調(diào)查和劃分區(qū)塊，根據(jù)地形因地制宜設(shè)置截排水系統(tǒng)，在采坑邊坡修筑形成外高內(nèi)低和1°～2°倒三角形緩斜坡，使降水流向坡腳排水溝，分主溝、支溝和毛細(xì)溝，排水溝由渣土中較大的碎石塊構(gòu)成，平臺(tái)上設(shè)置的排水溝可以在雨水較小時(shí)形成蓄水，雨水較大時(shí)及時(shí)排水；陡坡上設(shè)置的排水溝則可以減緩水的流速，減小雨水對(duì)排水溝的沖刷，不易形成垮塌，對(duì)局部出現(xiàn)的小范圍塌陷時(shí)，周邊石塊也很容易因重力作用跌落實(shí)現(xiàn)自然填補(bǔ)；主溝和支溝還可以對(duì)沖刷帶來(lái)的細(xì)小碎石，進(jìn)行攔截沉淀，進(jìn)一步增加排水溝的水源涵養(yǎng)能力，實(shí)現(xiàn)“排大水、留小水”的水涵養(yǎng)目的，并避免造成水的匯聚對(duì)地表的沖蝕破壞和防風(fēng)護(hù)草的作用，如圖13所示。通過(guò)上述地質(zhì)工程措施，將相互阻斷的水系、草甸和退化草地之間連通；進(jìn)而利用雨水、土壤水潛流以及植物根系傳輸，實(shí)現(xiàn)濕地的無(wú)阻隔連通。

5 治理工程的應(yīng)用

區(qū)別于以往礦山環(huán)境治理的原則和方法，本研究按照提出的生態(tài)地質(zhì)層理論、構(gòu)建原理與修復(fù)方法，從地質(zhì)角度出發(fā)，在進(jìn)行渣山削坡、邊坡穩(wěn)定和地貌景觀改造的同時(shí)、進(jìn)行類(lèi)似原始地層再造，實(shí)現(xiàn)煤炭資源和凍土層的保護(hù)，地表土壤層的重構(gòu)修復(fù)，最后通過(guò)水系連通修復(fù)，實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)修復(fù)。如木里礦區(qū)7號(hào)采坑，經(jīng)治理重塑的地形地貌實(shí)現(xiàn)了與周邊自然景觀渾然一體，如圖14所示。2021年植被種植后生長(zhǎng)茂盛，經(jīng)過(guò)當(dāng)年嚴(yán)冬后2022年已返綠，修復(fù)區(qū)植被恢復(fù)、水源涵養(yǎng)等自然功能得到提升。研究成果特別是在位于4 500 m以上的雪霍立礦區(qū)，以往多次治理效果均不明顯，2022年應(yīng)用生態(tài)地質(zhì)層理論開(kāi)展礦山生態(tài)環(huán)境治理取得成功。有力證明了從地質(zhì)角度開(kāi)展礦山生態(tài)治理和生態(tài)地質(zhì)層理論及其生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)方法的正確性，能夠從根本上解決礦山生態(tài)治理問(wèn)題。

圖13 坡面平臺(tái)水源涵養(yǎng)和截排水系統(tǒng)Fig.13 Slope platform water conservation and interception and drainage system

圖14 木里礦區(qū)7號(hào)采坑治理前后對(duì)比Fig.14 Comparison before and after the treatment of No.7 mine in Muli mining area

6 展 望

地球生態(tài)系統(tǒng)是多個(gè)部分長(zhǎng)期交織形成的一個(gè)整體，礦山開(kāi)采破壞改變了原始生態(tài)系統(tǒng)，造成了生態(tài)地質(zhì)層破壞。對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的治理修復(fù)不同地區(qū)不同專(zhuān)家學(xué)者思路方法不徑相同，筆者探索從地質(zhì)研究角度提出采用地質(zhì)方法開(kāi)展礦山環(huán)境治理修復(fù)，想為眾多的礦山環(huán)境治理修復(fù)走出一條地質(zhì)新路。礦山生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的關(guān)鍵是通過(guò)生態(tài)地質(zhì)勘查，查明生態(tài)地質(zhì)層的破壞程度，通過(guò)人工干預(yù)構(gòu)建與治理修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層，通過(guò)人工修復(fù)加速自然生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。其修復(fù)思路是采用“將今復(fù)古”的治理方法，對(duì)于礦山開(kāi)采破壞的地層修復(fù)，以原始地層剖面巖層結(jié)構(gòu)為參照，模擬破壞前地質(zhì)條件，再造出相類(lèi)似的地層結(jié)構(gòu)。形成與周邊生態(tài)條件一致的地質(zhì)體，使其在剖面和平面上融入?yún)^(qū)域地質(zhì)系統(tǒng)，達(dá)到與周?chē)h(huán)境的相互融合。

(1)針對(duì)不同地區(qū)礦山生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題，劃分了生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)的主要類(lèi)型。薄覆蓋層為主的礦山環(huán)境修復(fù)主要是對(duì)破壞的土壤和基巖垮塌陷落地貌修復(fù)和植被生長(zhǎng)層構(gòu)建；厚覆蓋層地區(qū)主要是針對(duì)土壤層和地形地貌的修復(fù)工作；高原高寒等特殊地區(qū)還需對(duì)破壞的凍土層等特殊生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展修復(fù)。在具體實(shí)踐中首先要分析具體的地質(zhì)問(wèn)題，建立生態(tài)地質(zhì)層剖面，分析破壞的地質(zhì)層段與生態(tài)地質(zhì)層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建與修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層。

(2)生態(tài)地質(zhì)層理論的提出為礦山被動(dòng)治理向主動(dòng)性預(yù)防與科學(xué)治理提出了一條新的有效路徑。礦山開(kāi)采在對(duì)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)，會(huì)對(duì)地表以下一定范圍的地層或地下隱伏地層產(chǎn)生影響和破壞，造成地表和一定深度范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，表現(xiàn)為地表沉降、塌陷、地層斷裂，水系阻斷、植被破壞等，并進(jìn)一步對(duì)地下礦產(chǎn)資源賦存條件和地質(zhì)特征等產(chǎn)生影響，造成永久性破壞，最終影響生態(tài)環(huán)境的變化。因此，需要改變傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源勘查開(kāi)采方式，對(duì)生態(tài)地質(zhì)層在采前、采中加強(qiáng)勘查與保護(hù)，減輕損傷，采后治理時(shí)既要考慮地表環(huán)境的修復(fù)，也要考慮一定空間地質(zhì)功能修復(fù)。礦山勘探階段對(duì)生態(tài)地質(zhì)層如煤層頂板、含水層、裂隙破裂帶等要進(jìn)行重點(diǎn)勘探，為在礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中做好生態(tài)地質(zhì)層的保護(hù)提出地質(zhì)依據(jù)；開(kāi)采中及時(shí)采用充填支護(hù)、特殊地層加固等辦法，實(shí)現(xiàn)工程措施有的放矢；開(kāi)采后對(duì)遺留資源和破壞生態(tài)地質(zhì)層進(jìn)行系統(tǒng)修復(fù)，以最大化還原原始地層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一。

致謝撰寫(xiě)過(guò)程中得到了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫亞軍教授、西安科技大學(xué)夏玉成教授和侯恩科教授、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)周偉教授的幫助，在此深表感謝！