本文探讨矿山生态修复新技术。
仿自然地貌修复技术
(一)人工地貌
通常，在矿害发生之前，矿区自然形成的10年甚至上百年的自然生态系统遭到破坏，进而促使矿山地质环境的生态恢复。 矿山地质环境的生态修复还远远不能完全恢复到原始状态。 事实上，更多的时候是人为地重建一个人工生态系统。 这就是为什么生态重建一词在土地复垦中被广泛使用的原因。 。
人工生态系统是指经过人类干预和改造而形成的生态系统。 它易受人类社会的强烈干预和影响，不稳定，易受各种环境因素的影响，随人类活动而变化，并具有自我调节作用。 能力差，系统本身不能自给自足，依赖外部系统，受外部调节。 同时，生态系统运行的目的不是为了维持自身的平衡，而是为了满足人类的需求。 因此，人工生态系统是由自然环境（包括生物和非生物因素）、社会环境（包括政治、经济、法律等）和人类（包括生活和生产活动）三部分组成的网络结构。 人类既是体系中的消费者，又是体系中的统治者。 人类的生产生活活动必须遵循生态经济规律，才能维持系统的稳定和发展。
矿区典型的人工修复地貌，如人工改造的绿色煤矸石山、大型堆放场等，往往人工痕迹较重，形状和布局过于规整，造价昂贵，维护难度大。 人工生态系统需要长期维护。 从采矿规模来看，这种人工生态系统对于全国大量大面积矿区来说并不是最佳选择。
(2)景观表现
对于采矿破坏景观的具体评价，现有研究通常采用分形理论或景观指数来表征。 分形理论多用于表征宏观尺度地形和微观尺度土壤颗粒分布，并通过单一分形维数来表征地形的复杂程度，如河流地貌（朱家伟等，2005）、土地利用结构（赵金宝，2014），侵蚀沟壑等； 利用多重分形谱来表征地形的变化特征，如土壤粒径分布等(王金满等，2014)等。但分形理论对于中小规模受损土地的表征研究相对较少露天煤矿堆场等景观（Zhang Li et al., 2016）。
另一种表示是景观指数。 景观指数可用来表征矿区土地景观的破碎程度、连通性和异质性、结构、空间排列等。其主要指标包括：分形维数、多样性、优势度、斑块数量、景观类型面积比、景观形状指数、分布、破碎化、香农多样性指数和香农均匀度指数、分离度和均匀度。 毕如田等，2007；李兴丽等，2009；万悦，2015；张前进等，2006；韩武波等，2012）。 其代表性意义请参见相关参考文献。
(3)景观重塑与重建
由于采矿活动形成的人工景观与周围原有景观不相适应，景观连通性差，造成生态系统不和谐，引发一系列生态问题。 由此衍生出模仿自然地貌的理论（张莉等，2016）。 仿自然地面要求填海地形与当地自然景观相协调，整体保护土壤、水源和环境质量。 复垦土地应达到当地景观生态环境原有可持续发展水平。
模仿自然地貌更注重当地原有的生态系统，尽可能接近原始地貌。 首先，基于景观生态学，根据斑块廊道基础原则、景观格局优化原则、多样性和异质性原则等，在重建过程中增加景观多样性和异质性，规划矩阵和斑块组成为比较优秀的景观格局。
同时，模仿自然地貌注重微观地形对生态系统的影响。 微地形是指地理学中宏观地形和宏观地形中的小规模地形变化，能够反映景观的整体形态特征（张莉等，2016）。 日本学者对丘陵地区的微地形进行了研究，将丘陵地区分为顶坡、上坡、谷头洼地、下坡、坡脚、淹阶地和谷床七种类型。 露天煤矿区的微地形主要是指部分地区出现切沟、浅沟、平缓台地、塌陷、陡坎等(匡高明等，2012)。 它重点研究坡度、坡向和坡度对微地形的影响。 基于此，微地形的改造对土壤性质和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复效果及其生态服务功能产生重要影响。 （魏伟等，2013）通过调整堆场坡度，可以构建适宜的微地形，改善植被立地条件，防止水土流失，防止水土流失，提高土壤有机质，提高土壤肥力。调节矿区小气候条件。
模仿自然地貌更多的是指原始地貌、景观、自然地貌。 模仿自然地貌的设计可以使改造重建的土地景观更加协调稳定，使生态结构更加合理，提高视觉效果和经济性。 例如，在重塑我国山西平朔露天煤矿排土地貌时就运用了这一理论。 它仿照黄土高原丘陵山地的层层梯田，相对高差一般在100米至150米，台地和坡地交替分布。 景观格局达到了人工景观与自然景观相互协调的效果（陈晓辉，2015）。 煤矿区周围靠近成熟的、未受干扰的地貌也有利于复垦区的地貌设计。 天然缓坡和天然河流的建设可以减少研究区地表侵蚀和水土流失的可能性(胡振奇，1997)。
采矿和回收技术
（一）收割并举理念的产生和发展
更直接的观点是，矿山地质环境的生态恢复是采矿业的一部分。 显然，采矿是围垦的源泉，是生态恢复的驱动因素。 不开采，就不存在矿山地质生态环境恢复问题。 复垦为采矿造成的破坏提供了解决方案。 它作为“矿业-生态”平衡的重要手段出现在采矿过程中，不应只是矿山关闭后的补救措施。 事实上，早期实施复垦或采采一体化，为矿山地质环境的生态恢复带来了额外的效益。 这种观点最早源于20世纪70年代美国学者在露天采矿过程中应用的概念。 1973年，美国内政部编制的《露天采矿和露天矿山复垦技术培训手册》明确规定了露天采矿过程中复垦步骤的详细规范。 1977年颁布的《联邦采矿和复垦法》也明确要求采矿和复垦。 肯同步。 这个理念是更先进的生态修复理念。
在我国，对采矿与回收同时进行的思想的系统讨论比较晚。 由于我国大部分地区都是地下开采，与露天开采的差异，限制了国外采采一体化经验的引进，其理念和技术不能得到很好的应用。 国内的。 1992年，平顶山矿务局首次实施了类似“高级复垦”的相关技术，在矿区即将塌陷的土地上挖沟降低水位，使塌陷的土地不致积水。由于水位高。 例如，董祥林（2002）。 后来，赵燕玲等人。 （2008）和小吴等人。 (2013)结合采矿沉陷规律扩大动态预复垦。 2013年，胡振奇等人。 提出了边采边复垦的概念，并探讨了边采边复垦的内涵和关键技术（胡振奇等，2013a，2013b）。 迄今为止，采矿与复垦研究仍然是土地复垦领域的一个重要问题。
（二）采矿与回收的概念及概念界定
同时开采与恢复的技术理念是开采与恢复一体化的体现。 事实上，同时开采和恢复是开采和恢复一体化的另一种说法。 是充分考虑采矿与土地复垦措施的耦合性，规划采矿措施，优化复垦时机和计划（小吴，2012）。
边采矿边修复强调采矿技术与回收技术的充分融合，确保采矿计划同步。 其基本特征是以“开采与恢复充分有效结合，即开采与恢复一体化”为核心，以“边开采边恢复”为特点，以“提高土地恢复率、缩短恢复周期”为核心。 ，并增加恢复效益。” 以“实现矿区土地资源可持续利用、矿区可持续发展”为最终目标。
边采边恢复的基本内涵是地下开采与地面恢复的有机耦合：一方面，根据既定的开采计划，在地面沉降发生前或沉降发生但尚未稳定之前，选择适当的恢复时机，进行边采边恢复。科学的修复工程技术，实现土地修复率高、修复成本低，实现修复后经济效益和生态效益最大化； 另一方面，通过优化采矿地点、矿区和工作面的布置方法、采矿工艺以及地面恢复措施，实现土地恢复率高、地表破坏和修复成本最小化。
预复垦、超前复垦、动态复垦和边开采边恢复既有联系又有不同。 预复垦、超前复垦和动态复垦往往只针对一个采煤工作面或采区进行讨论，主要考虑在既定开采计划前提下的复垦措施，而开采与修复技术则考虑整个采矿过程。 从采矿的角度来看，它不仅提出何时、何地、如何修复，而且指导整个采矿生产。 它是地上和地下措施的有机结合。 因此，边采边恢复的概念和内涵比预复垦、超前复垦和动态复垦的概念和内涵更大、更深刻。 恢复研究是边采边修复技术体系的基础和重要组成部分。 目前，边采边修复的方法主要是根据地下开采技术和时机优化修复方案。 未来将逐步过渡到地下开采与地上修复同步实施。
(3)露天开采同时进行开采和回收
一、基本流程
1) 剥去表土。 在第i条带打开之前，用推土机提前剥离表土，推到隧道上进行开挖。 一般剥离厚度为20～30厘米。 同时，应提前剥离2至3条，即第i+1、i+2、i+3条。
2) 在 i 条带下部较硬的岩石上钻孔并射击。
3）用巨大的剥离铲将步骤2）中松散的第i条带下部的硬岩剥去，堆放在内部空心区域（即第i-1条带）上。
4）用矿井内可与剥离铲交叉移动的大型斗轮挖掘机（BWE）挖掘i+1带上部较软的土层（B层和C层），并覆盖在i+1带内。 -1带 由步骤3)中的操作形成的新的下部岩石层——较硬的岩石层的剥落。
5）剥离铲剥离上覆岩层后，第i区煤层暴露出来，采用采煤机械开采和运输煤炭。
6）用推土机平整内堆场i-1条带内的复垦土——剥落物，以i+1条带上部松散土层（B、C层）为中心。 土层，条带i下部硬岩层的剥落材料用作新的下部土层的再生土。
7）用刮刀回填表土并覆盖复垦的芯土。
8）在开垦的土地上种植植被（一般先播草科和豆科草种的混合物），并喷洒秸秆覆盖层，以利于水土保持和植被生长。
2、关键技术
露天开采与回收的核心技术是土壤重构技术。 土壤重建是指对土壤进行重建。 旨在恢复或重建工矿区受损土地的土壤。 采用适当的开采和重建技术，应用工程措施和物理、化学、生物和生态措施，重建适宜的土壤。 土壤剖面和土壤肥力条件以及稳定景观的方法。 土壤重建所用的材料包括土壤和土壤母质，以及各类岩石、煤矸石、粉煤灰、矿渣、低品位矿石和其他采矿废料，或其中两种或多种的混合物，只要符合它在短时间内可以在一定时间内恢复和提高重建土壤的生产力，改善重建土壤的环境质量，是一种有效的重建材料。
对于土壤重建而言，动态有效地规划露天采矿土壤重建方案，可以缩短复垦周期，提高复垦效益。 其本质是根据不同重建材料的材料特性，对其填充顺序和结构进行合理规划。 上述“分层剥采、交错回填”露天开采与恢复就是这一理念的体现。 例如，在常见的泥浆泵回收中，采用泥浆作为填充材料。 其营养成分贫乏，持水过多，沉降时间过长。 采用分层剥离、交错回填的思路，可以极大优化开挖、充填顺序，为泥浆沉淀提供更好的条件。 如需更多时间，请参阅参考文献（胡振奇，1997；胡振奇等，2005；郑立泉等，2008）。
（四）高水位地下矿区开采及回收
一、基本原则
通过对传统稳定、边采复垦后非充填复垦土地恢复率的比较分析，阐述了边采边复垦的基本原理。 图3-5是沉降稳定后采用免填复垦方式恢复土地的示意图。 在不考虑外部土源的情况下，可以通过挖深、挖浅等措施，在沉陷盆地边缘地区开垦部分土地。 即A区和B区。
图3-6是采矿恢复过程中土地恢复示意图。 图3-6a展示了挖矿时恢复的动态过程。 当土地即将下沉或部分下沉到水中时（仍有打捞表土的可能性），将部分表土和核心土分层剥离，然后交错回填到将沉降的区域，即也就是图中的借位区和填充区。 图3-6b显示了同时采矿和恢复的最终状态。 通过同时开采和恢复，可形成最终复垦土地A、B、C区。 可见，与沉陷稳定后复垦相比，边开采边恢复可以复垦更多的C区，土地复垦率大大提高。
2、关键技术
高水位开采和回收思路的关键技术在于动态挖掘更深和更浅。 其中最重要的是采矿沉陷的动态预测。 只有掌握沉陷的动态过程，才能准确规划开采和恢复的时间和措施。 前面已经解释了地下采矿沉陷过程的基本静态和动态特征。 这里简单介绍一下采矿沉陷过程的数学模型。 这一过程的模拟一直是采矿沉陷科学的核心问题之一。 长期以来出现了多种方法，从主要断面到整个沉陷场研究对象，从实测参数函数拟合、岩体理论模拟到相似材料模拟，研究人员一直在努力提高开采沉陷预测的准确性。 。 概率积分法因其算法简单、结果可靠，是我国较为成熟、应用最广泛的预测方法之一，足以快速处理大多数采矿沉陷问题。 下面简单介绍一下其基本的沉降预测模型：
(1) 单位开采沉降量估算
该单元是工作面的归一化无量纲表示。单元开采引起的地表沉降和水平地表移动的表达式为：
式中：r为主要影响半径； s为采矿单元的横坐标，x为期望点的横坐标（xs实际上是期望点到采矿单元的水平距离）。
(2) 单工作面开采沉陷量估算
地表任意点(x,y)的沉降量W(x,y)为
在
式中：W0(x)、W0(y)为主断面有限走向、有限倾角开采时的地表沉降值； W0为满采条件下的最大地表沉降值； m为开采厚度； q 为沉降系数； α为煤层倾斜角； l、L为有限走向和倾斜开采时的计算长度（考虑拐点偏移后的长度）； r1、r2、r分别为下坡、上坡、趋势的主要影响半径。
(3)多工作面开采预测
对于多工作面估算，可以对每个工作面单独计算模型，并直接等权相加。 事实上，矿区的m（开采厚度）、l和L（走向和倾斜的极限开采长度）以及α（煤层倾斜角）都是可以知道的。 不管上坡、下坡和罢工有什么区别，读者可以看到概率积分法的剩余部分。 制定五个参数r（主要影响半径）、b（水平移动系数）、q（下沉系数）、s（拐点偏移量，用于修正工作面实际塌陷长度和宽度）、θ0（采矿影响传播角度） ) ) 是一个具有 5 个自由度的函数拟合问题。 可根据测量参数方便地进行拟合。 预计沉降、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等五种常用的地表运动和变形因子。 经过多年的现场实测研究，已有足够的数据证实并形成一些与地质开采条件相关的经验定量关系，以帮助模型使用者在没有现场实测数据的情况下选择参数。 尽管这种定量关系仍然不精确，但根据这种经验关系可以解决一些工程问题。 通过对整个矿区的几个工作面进行采样，作为实测数据源进行参数反演，可以在整个矿区获得良好的精度。
(4)动态预测
动态预测可以通过构造合适的时间影响函数并与静态沉降相乘来获得点的动态沉降。 时间影响函数大多基于“塌陷从0开始增长到估计的静沉降值”、“单点沉降速度先增大后减小”和“速度曲线连续且关于最大沉降速度对称”三个规则。 ”。 。
由于工作面的开采不是一蹴而就的，前后塌陷时间ti的两个不同单元在t时刻明显具有不同的时间影响函数值，动态预测过程需要对塌陷断面进行离散化。 为了计算方便，我们通常将工作面整个塌陷离散成一系列足够小的单元，根据其静沉降以及到计算时刻的时间来计算动沉降，最后将所有单元相加。
（5）复垦时机和土方量
根据上述计算得到的动态沉降值，结合预先获取的数字地形图，可以进行高水位开采和回收布置。 关于采矿和高水位复垦期间的复垦时机，有多种标准和实施方法，与实际工程条件和需要有关，需要不同的施工土方量，这里不再赘述。
植物和微生物修复技术
自然恢复在生态学、水土保持等领域有很多研究，是指依靠自然力（力量）进行恢复的过程或方法。 自然力是指自然界存在的各种生物、化学和物理作用如雨、风、重力、冻融等，如气候变化、土壤的天然种子库和种子的自然传播等，以及土壤和植物的生长和发育。 各种自然特性以及生化和物理效应。
以生态系统为研究对象，系统内部因素的作用是自然恢复（自我修复），外部人为力量对生态系统的恢复是人工恢复。 人工修复和自然修复都是对受损生态环境的主动修复措施。 人工修复与自然修复相辅相成，应因地制宜。 如果适合自然修复，则进行自然修复。 如果适合进行人工修复，则进行人工修复。 有主次之分，也有主次并举之分。 同时，自然还原才是最高境界。 即使进行人工修复，实现生态系统的自我维持才是最终目标。
考虑到这个级别的修复技术，已经衍生出更新的修复方法。 他们直接利用动物、植物和微生物来恢复矿区。 修复“材料”的选择不同于直接换土、大规模施肥等方法。
(1) 植物修复
植物修复是通过植物对土壤、空气等生态修复对象的修复作用实现修复的方法。 废弃矿区的植物修复效益与修复植物的选择密切相关。 恢复植物的选择不仅要适应当地的地质、水文、土壤类型等自然条件，还要考虑采矿造成的具体污染。 应因地制宜地选择植物。 对当地土壤有良好的改良作用，具有良好的生态演替效果。 因此，废弃矿区土壤植物修复成功的关键在于恢复植物的选择和合理配置。 通常，采用较多的生物物种，特别是结合多层乔、灌木、草、藤进行植被恢复，所建立的植物群落的稳定性和可持续性优于单一物种或少数物种。 效果要好得多（毕银丽，2017）。
1.常用植物种类
恢复植物的选择应适应当地的地质、水文、土壤类型等，并考虑采矿造成的具体条件。 因地制宜选择植物，可以更好地改良当地土壤，实现生态演替。 不同植物的生产回收效益存在差异。
豆类：固氮能力强，可提高土壤肥力，克服干旱胁迫，常被用作先锋植物。
盐生植物：可降低废弃地土壤盐碱浓度，富集金属元素。
外来植物：生长迅速，生物量大，可以成功定居在相应的废弃矿区，但必须防止生态入侵。
乡土植物：能较好地适应当地的气候和环境，在恶劣的生境和简单粗放的管理条件下仍能表现出植物的生物学特性，但生长缓慢。
耐性草本植物：覆盖率高，对根际土壤改良效果好。 缺点是单株生物量小，恢复改善效果需要较长时间。
2. 工厂选择标准
现有的植物修复措施需要考虑多种因素，如植物抗逆性、生态适应性、植物多样性、先锋植物的持续稳定性、本土植物与外来植物的结合、立地分区和功能合理性原则等。要有足够的抗压能力。 只有具有一定抗逆能力的植物，生命力才旺盛，在后期无人维护的条件下才能实现自我维持。
其次，植物需要能够形成稳定的目标植物群落，以达到植被恢复和生态恢复的目的。 它需要在生态上适应整个目标生态系统，并且不能是与整个目标生态系统隔离的植物类型。 同时，植被的选择需要更加多样化。
(2)微生物修复
微生物修复技术是矿区土壤管理和改良的重要生物技术。 利用微生物群落的优势，可以促进植物生长和植被覆盖，减少或避免水土流失，实现生态修复。 微生物修复技术可以利用植物根际微生物的生命活动，改善植物营养条件，同时促进植物生长发育。 随着植物修复和微生物修复的发展，矿区土壤的渗透性得到显着改善，其改善的土壤调理和地表径流转化能力可以防止水土流失，改善河流水文条件。 微生物在有机物的分解、合成和转化以及无机物的氧化和还原中发挥着重要作用。 它们是土壤生态系统代谢的重要驱动力，可以提高土壤肥力、成熟土壤、缩短开垦周期。
菌根技术是微生物再生技术的应用。 可以提高生态系统的多样性，促进矿区极端条件下植被的恢复，促进矿区环境良性循环，形成互利共生微生物，提高生态系统的多样性。 加快二次繁殖和生态系统演替速度，减少根系对植物生长的影响，给土壤施肥，促进植物矿质营养。 对推进矿区生态修复和土地复垦利用、改善生态系统功能具有重要的现实意义。 其中，丛枝菌根真菌（AMF）是最常用、最重要的土壤微生物。 They can form a mutualistic symbiotic relationship with more than 80% of terrestrial plants, improve the diversity of mining area ecosystems, and promote the stability and function of ecosystems. Improved and widely used in mining area reclamation process. We are talking here mainly about the most commonly used arbuscular mycorrhizal fungal remediation.
1. Arbuscular mycorrhizal fungi help root absorption
The hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi are very thin, with a diameter of 2 to 7 microns. They can penetrate the gaps between organic matter particles in the soil and absorb nutrients and water that cannot be absorbed by the roots. Its branch elongation ability is strong, which increases the plant’s nutrient absorption range and area.
At the same time, the speed of phosphorus moving in the hyphae is 10 times that of transport within the plant, ensuring that phosphorus and other nutrients absorbed outside the roots are transported to the plant in a timely manner. The hyphae have a high affinity for phosphorus, which can reduce the critical concentration for phosphorus desorption, and the release of organic acids and phosphatases from arbuscular mycorrhizal fungi can promote soil phosphorus release.
2. Arbuscular mycorrhizal fungi produce glomalin
Arbuscular mycorrhizal fungi can produce an obligate metal ion-containing glycoprotein called glomalin-related soil protein (“globulomycin”), which can be produced in hyphae within the root and stretched around the root. The surface of extra-root hyphae in the soil has a high content in the soil ecosystem. Glomycin can increase soil organic carbon pools, enhance the stability of soil aggregates, and improve soil structure and quality (He Xueli et al., 2011; Huang Yi et al., 2011). On the one hand, glomalin binds soil particles together through its own characteristics to increase soil aggregates; on the other hand, it can indirectly improve the soil microenvironment, increase the content of beneficial microorganisms in the soil, and achieve the improvement of degraded soil. Glomycin is an adjustment and adaptation of arbuscular mycorrhizal fungi to the growth environment of its host plant. It is a positive response mechanism for microbial activities. It has been confirmed that the amount of glomalin in the soil is positively related to soil coagulation stability and soil moisture content. 有关的。 Inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi is beneficial to the maintenance and efficient transportation of soil moisture, improves water utilization efficiency, and helps alleviate the impact of drought on crop growth (Li Shaopeng et al., 2013). The soil structure in the coal mining subsidence area is disturbed. How arbuscular mycorrhizal fungi improve the soil structure and coordinate the supply of water and fertilizer is also one of the issues that need to be discussed in depth in ecological restoration.
(3) Soil animal restoration
Soil animals can help maintain soil fertility in mining areas, and invertebrates can help crush and decompose animal and plant residues, promoting the leaching and infiltration of materials. Their activities and turning functions increase the contact area for bacteria and fungi in the soil, accelerating It improves the flow of nutrients and also mixes the material composition of the soil. In addition, soil animals eat bacteria or fungi or crush organic matter, microbial propagules, etc., which indirectly changes the spread of effective nutrients and changes the micro-topography, thereby affecting the water, gas, heat conditions and material transformation in the soil. are affected, which in turn affects the biomass and activity of the microbial community. The combination of microbial remediation technology, phytoremediation technology, and engineering technology with soil animal remediation can better exert its functions and improve remediation capabilities.
