Technology and application of damage reduction mining and ecosystem restoration of open-pit coal mines in eastern grassland area
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摘要:
东部草原区是我国重要的煤能源基地，煤炭开发为东北区能源保供和我国经济发展做出了巨大贡献。东部草原区气候酷寒干旱、土壤瘠薄、植被抗扰动能力低，而煤炭大规模开发导致了当地草原退化和水位下降等问题，因此开展了东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复研究，提出了露天煤矿源头减损−过程控制−末端治理的生态修复理念，研发了开采节地减损、物料跨时空调配储用和“生态窗口期”协同修复等技术，并在胜利露天矿和宝日希勒露天矿进行技术应用和示范。结果表明：胜利露天矿原排土工作帮坡角提高了2.9 °，可开展生态修复时间提前0.9 a，采场占地面积缩小75.2 hm2；仅在宝日希勒露天矿南帮实施冻结期靠帮开采−快速回填技术多回收煤炭资源69.55万t，占年生产能力的2%，在满足露天矿生产能力的前提下少征地2.4 hm2/a。研究成果为相似露天矿开展减损开采与生态修复工作提供了技术支撑，具有广泛的应用和推广价值。
Abstract:The eastern grassland region is an important coal energy base in China, and coal development has made great contributions to the energy security supply of the northeast region and the economic development of China. In response to the problems of cold and arid climate, thin soil and low vegetation disturbance resistance in the eastern grassland area, and the large-scale development of coal has led to the degradation of the local grassland and the decline of water level, we have carried out research on the loss reduction mining and ecosystem restoration in the eastern grassland area, put forward the ecological restoration concept of loss reduction at the source - process control - end treatment in the open pit coal mine, and developed the technologies of loss reduction by mining, material deployment and storage across time and space, and “ecological window” collaborative restoration. The research has developed the technologies of mining loss reduction, inter-temporal material deployment and storage, and “ecological window” collaborative restoration, and has been applied and demonstrated in the shengli open pit mine and baorixile open pit mine. The results show that: the slope angle of the original drainage work gang of the shengli open pit mine has been increased by 2.9° and the ecological restoration can be carried out 0.9 years earlier, and the area covered by the quarry has been reduced by 75.2 hm2; only in the south gang of the baorixile open pit mine, the implementation of the freeze-period mining-rapid backfill technology has recovered 695 500 tons more coal resources, accounting for 2% of the annual production capacity, and 2.4 hm2/a less land acquisition while meeting the production capacity of the open pit mine. The results of the study provide an opportunity for similar open-pit mines to reduce the amount of coal resources. The research results provide technical support for similar open pit mines to carry out damage reduction mining and ecological restoration work, and have wide application and promotion value.
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0. 引 言
东部草原区位于我国生态安全“三区四带”的北方防沙带，具有酷寒（−40 ℃）、半干旱、土壤瘠薄等生态脆弱特征[1-2]，是我国以露天开采为主的重要大型煤炭基地，煤炭产能超过4 亿t，占东北区产能57%，“十三五”期间供应东三省煤炭消费总量的60%以上[3-4]。东部草原区露天煤矿开发在保障我国东北地区能源供应的同时，也引起了地下水位下降、土地压占挖损、土壤沙化、植被退化、景观破损等生态问题[5]，煤炭开发与生态保护矛盾突出，直接影响区域和国家生态安全。因此，研发东部草原区露天煤矿开采生态减损与系统修复技术，为大型露天煤矿开采与生态环境保护相协调提供科技支撑，显得尤为迫切。
露天开采是一个“在实体里构造空间和在空间里构造实体”的过程，其核心是巨量物料的采掘、运移和排卸作业[6-7]。因此露天开采最显著的是改变了原始的地形地貌和土地用途，其对生态环境的影响是显性的，主要表现为以下3种形式：一是在开采边界范围内改变了土地用途，将原来的森林、草原、耕地、荒漠、村庄等用途的土地变成矿产资源开发基地，重点表现为土地的挖损[8-9]；二是根据露天矿剥−采−排的作业规律，在矿山建设和生产过程中不可避免的出现物料排弃，包括剥离物、尾矿等，进而形成一定体积的排土场，改变了矿区的地形地貌和某些土地的用途，重点表现为土地的压占[10]；三是露天开采改变了矿区的地层联系和地形地貌，造成地表和地下水流场变化，进而影响到露天矿区周边的生态系统，重点表现为生态要素的变化[11]。
针对上述问题，国内外专家学者开展了相关研究。李全生等[12-15]创建多层次、多要素、多尺度、长时序生态监测体系，量化揭示了区域煤炭开发生态影响范围；赵玉国等[16]构建了蒙东典型大型露天矿生态储存指标体系，揭示了露天矿生态储存效应；宋子恒等[17]研究揭示了东部草原露天矿伴生黏土生物物理改良作用及其生态效应，研发了露天煤矿植被修复关键技术；孙维然[18]提出了露天矿生态修复与景观营造策略；闻彩焕等[19]通过无人机倾斜摄影测量技术进行了露天矿生态修复勘察测绘研究。然而，露天矿减损开采与系统生态修复思路和理念尚未得到系统的阐述和提炼，相应的技术体系尚未成形和示范应用。为此，笔者提出了东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复理念与思路，研发并创建了集开采节地减损、物料跨时空调配储用和“生态窗口期”协同修复为一体的技术体系，并开展应用示范，为全国露天煤矿生态修复工作提供借鉴，为大型煤炭基地露天开采和生态环境保护相协调提供科技支撑。
1. 露天煤矿减损开采与生态系统修复理念与思路
针对东部草原露天矿区脆弱生态修复难题，提出了露天煤矿“减损开采与生态系统修复”的理念，以“源头减损”为核心，优化和动态调整露天矿开采布局与工艺参数，实现采矿源头主动减损；以“过程控制”为主线，采用采排复一体化、水资源保护利用、土地整治与土壤重构等技术，实现开采过程损伤控制和生态保护；以“系统修复”为关键，研发露天矿生态全要素（水、土、植物）的系统修复技术，实现露天开采生态环境损伤最小化和修复效果最大化，露天煤矿减损开采与生态系统修复技术思路如图1所示。
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图 1 露天煤矿减损开采与生态系统修复技术思路Figure 1. Technical ideas for loss reduction mining and ecosystem restoration in open-pit coal mines该理念以降低资源开发的生态损伤和提高开发后生态修复质量为目标，从开采工艺选择、设备选型、边坡角度、开采参数、开采程序、开拓运输系统、总平面布置等方面开展协同研究，创建露天矿生态减损型开采技术体系，实现采排复协同作业。以表土为例，通过工艺设备、作业方式、采集时间、损伤控制的协同优化，在保证排土场生态修复使用的前提下最大限度的降低存储量和时间，实现低成本高效利用。
2. 露天矿减损开采与生态系统修复技术体系
2.1 开采节地减损技术
为了实现露天开采生态损伤控制，源头上减少煤炭开采对土地的挖损和占用，压缩占用和影响时间，如图2所示。
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图 2 露天开采节地减损示意Figure 2. Schematic diagram of land saving decomposition for open-pit mining1）提出酷寒区软岩条件下冻结期靠帮开采-快速回填方法，通过提高最终帮坡角（包括非工作帮、端帮、最终帮），增大工作线推进强度和内排土场台阶高度，减小端帮边坡暴露时间，提高回采率，减少相同资源开发量（从单位时间看表现为生产能力）的土地挖损和占用，实现了最大限度的降低损伤，如图3所示。
2）露天矿内排具有减少排土用地规模、有利于采空区复垦、运距短和成本低等特点，但在建矿初期，无法采取内排方式进行排土，只能采取外排方式。因此通过提高边坡控制能力实现境界内沿帮排土，可减少甚至避免外排土场新增占地，从而最大限度的压缩资源开发对土地资源的占用。沿帮排土在后续开采过程中会产生二次剥离，增加露天矿生产成本，但具有显著的经济生态效益。首先，避免了外排土场新增占地，降低了资源开发的生态影响；其次，将沿帮排弃物料临时存放，灵活调配物料，在内排后用于地形重塑；再次，减少外排土场占地费用，在一定程度上冲抵二次剥离费用，并通过沿帮排土缩短剥离物的外排运距，减少建矿初期的物料运输费用和后期二次剥离费用；最后，开采境界内的沿帮排土场可以作为开采区的土地调节池，降低露天矿生产受征地影响的程度，使露天矿能够按照国家和市场需求组织生产，实现资源开发效益最大化。
3）优化开采程序、生产系统和开拓运输系统布置，在符合经济性约束的条件下将生产系统和运输通道尽量布置在开采占用的空间内，避免新增占地。在露天矿生产中，将破碎站、运输道路、带式输送机等系统布置在采场或内排土场实现，随剥采排工程发展进行移设，降低原煤卡车运距和提升高程的同时避免系统移设新增占地。国能宝日希勒能源有限公司一号露天煤矿（以下简称“宝日希勒露天矿”）原煤破碎站采场内布置方案如图4所示。
2.2 物料跨时空调配储用技术
基于现代管理学物资最优存储理论[20]，建立表土存储状态优化模型，分析露天矿表土合理的流量与流向，露天矿表土资源流优化存储状态如图5所示。
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图 5 露天矿表土资源流优化存储状态Figure 5. Optimized storage state diagram of topsoil resource flow in open-pit mines结合储存状态图，将模型一个生产周期中的各个生产阶段分别阐述如下：
0~t0时段缺土量L=（E−F）t0；t0~t1时段表土消耗量W=（E−F）（t1−t0）；t1~t2时段表土消耗量W=F（t2−t1）；t2~T时段缺土量L=F（T−t2）。
式中：t0为达到最少允许表土储存量B的时间；t1为达到最大存储量M的时间；E为表土补充速度；F为表土消耗速度。
由以上各式得：
$$ (E-F){t}_{0}=F(T-{t}_{2}) $$ (1) 解上式得：
$$ T = \dfrac{E}{F}{t_1} $$ (2) 模型中的土地复垦总投资I为：
$$ \begin{split} I =& \dfrac{1}{2}{C_2}t_0^2(E - F) + \dfrac{1}{2}{C_1}({t_2} - {t_0})(E - F)({t_1} - {t_0}) +\\ &\qquad\dfrac{1}{2}{C_2}{(T - {t_2})^2}F + {C_3}D + C_4^{} + C_5 \end{split} $$ (3) 式中：C1为单位表土存储费；C2为单位表土缺货费；C3为单位表土订购费；C4为单位表土生产费；C5为单位表土铺设费；D为运距为常数。
故一个生产周期内的平均复垦费用为：
$$\begin{split} & {I}^{\prime}=\dfrac{{E}({E}-{F})}{{2F}}\left[\dfrac{{{C}}_{1}{F}^{2}}{{E}^{2}}T-\dfrac{2{C}_{1}F}{E}{t}_{0} +\dfrac{({C}_{1}+{C}_{2})}{T}{t}_{0}^{2}\right]+\\ &\qquad\qquad\quad\dfrac{{C}_{3}D+{C}_{4}^{}+{C}_{5}^{}}{{T}}\\[-15pt] \end{split}$$ (4) 表土最优采集周期为：
$$ T^* = \sqrt {\dfrac{{2E({C_3}D + {C_4} + C_5^{})}}{{{C_1}F(E - F)}}} $$ 表土经济采集批量为：
$$ Q^*=F T^*=\sqrt {\dfrac{{2EF({C_3}D + {C_4} + C_5^{})}}{{{C_1}(E - F)}}}$$ 表土停止供应的时间为：
$$ {t_1}^* = \dfrac{{Q^*}}{E} = \dfrac{{FT^*}}{E} = \sqrt {\dfrac{{2F({C_3}D + {C_4} + C_5^{})}}{{{C_1}E(E - F)}}}$$ 表土补充的最大值为：
$$ M^* = F(T^* - {t_1}^*) = \dfrac{{F(E - F)}}{E}T^*$$ 2.3 基于“生态窗口期”的协同修复技术
1）“生态窗口期”协同利用増时技术。以气候条件为刚性约束，草原现有植被及其生长规律为基础，结合露天矿采排复工程特点和表土使用规律，确定露天矿“生态窗口期”，相比南方地区，北方“生态窗口期”更短（图6），因此更需要合理利用“生态窗口期”开展生态修复工作。
合理利用“生态窗口期”需要考虑东部草原地区季节性剥离特性，而季节性剥离给露天矿生态修复造成的主要影响是不存在冬季到界的排土场，因此年初采集的表土资源只能用于上一年度末形成的到界排土场复垦或储存起来，待本年度形成到界排土场后再使用。考虑到各台阶从上到下的制约关系，表土剥离采用2种方式保证排土场复垦需要：①储存一定量的表土（约一个采掘带的量），待排土场到界后再铺设；②表土剥离超前一个采掘带，使表土的采集、运输、排卸铺设作业一体化（图7）。
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图 7 季节剥离条件下排土场生态重建流程Figure 7. Ecological reconstruction process of dumping site under seasonal stripping conditions2）地层重构技术。针对传统剥离物混排方式造成的原地层物质流阻断及潜在生态恢复影响延续问题，提出排土场生态型层位（含水层−近地表结构层−土壤层）重构模式，如图8所示。
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图 8 内排土场近自然地层重构Figure 8. Near-natural stratigraphic reconstruction of inner drainage site内排土场近自然地层重构技术是在开采造成煤层缺失的条件下，最大限度的修复地下含水层和近地表生态层。一是创建含水层-近地表储水层-近自然坡面-近自然地貌的排弃地层剖面原态重构模式，修复矿区地层序和地形相貌；二是研发基于露天开采剥离物的隔水层再造技术和含水层物料性质保持技术，实现排土场含水层长期稳定和地下水力联系修复；三是提出草原区表土瘠薄条件下优选的近地表土壤层序结构，满足修复生态系统土壤环境重塑需要。
3. 露天矿减损开采与生态系统修复应用示范
3.1 源头减损应用示范
在以自营剥离为主的锡林浩特胜利西一号露天矿（以下简称“胜利露天矿”），其大部分剥离作业是全年进行的，但受限于冻结等因素，表土剥离作业仍只在气温较高的季节进行。露天矿对土地的占用始于工作帮的开采，工作帮坡角是决定土地占用超前资源开采时间的关键。如图9a所示，2016年胜利露天矿工作帮坡角为8.4°，其中5号煤层上部的剥离台阶的帮坡角仅为5.9°。按照240 m/a设计推进度估算，土地占用超前于6号煤层底板揭露（具备内排的基本条件）6.1 a。通过工作帮开采程序优化，2020年工作帮坡角提高至9.3°，其中5号煤层上部的剥离台阶的帮坡角提高至8.7°（图9b），土地占用超前于6号煤层底板揭露5.5 a。
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图 9 工作帮开采程序对采场占地时间和面积的影响Figure 9. Impact of work gang mining procedure on time and area of the stope如图9a所示，胜利露天矿原排土工作帮坡角为9.6°，说明开采后至少4.3 a才能进行生态修复；如图9b所示，配合工作帮开采程序调整进行剥离物运输系统和排土参数优化，排土工作帮坡角提高至12.5°，煤层开采后3.5 a具备生态修复的基本条件。同时，土地占用时间的缩短，表现为采场占地面积的缩小，对比图9c和9d可知，胜利露天矿采场占地面积缩小75.17万m2（合计75.2 hm2）。
遵循截流、保边护底，以控制水土流失，增加植被稳定性、改善边坡生态系统为核心的调控原则，基于胜利矿区的草原水土流失特征和排土场场区局限性，提出斜坡式整形模型（图10）：将排土场终了台阶边坡由33°削为11°左右，设置挡水墙，截、排水沟。
宝日希勒露天矿是我国目前产能最大的露天煤矿之一，也是我国纬度最高的特大型露天煤矿，生态修复具有典型性。针对矿区地层以软岩为主的特点和帮坡角小、蠕变量大、受冻融循环影响大、露天矿开采土地挖损面积大等问题，从2018年开始规划、设计、应用生态减损与系统修复技术体系，2019年度靠帮开采技术试验区如图11a所示，并在2020年进一步推广应用如图11b所示。
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图 11 宝日希勒露天矿生态减损型采排复一体化技术应用区Figure 11. Ecological damage reduction type mining and recovery integrated technology application area同时针对宝日希勒露天煤矿南帮剖面现状边坡采用极限平衡分析软件Geo-Slope进行了稳定性分析，如图12所示，边坡高度94.08 m，稳定性为1.02，整体边坡角为27°，1煤以上边坡角为24°，边坡处于极限平衡状态，小于安全储备系数1.2的要求，存在安全隐患。同时表明弱层是影响边坡稳定性的主控因素。
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图 12 南帮剖面现状稳定性评价结果Figure 12. Assessment results of the current stability of the southern slope profile针对南帮稳定性问题，采取靠帮开采后回填方法进行资源利用，同时保证南帮稳定，如图13所示。
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图 13 宝日希勒露天矿生态减损型采排复一体化技术实施现场Figure 13. Implementation site of integrated technology of ecological loss-reduction mining, drainage and restoration现场应用该技术体系结果表明，在地表境界变的情况下，利用冬季冻结期边坡稳定性改善的条件实施靠帮开采，仅南帮就多回收煤炭资源69.55万t，占年生产能力的2%，在满足露天矿生产能力的前提下可少征地2.4 hm2/a。
3.2 过程控制应用示范
结合示范区生态修复条件特点，基于物料跨时空调配储用技术，研究提出表土采集、存储、利用方案，如图14所示。
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图 14 开采程序优化后年度表土使用情况Figure 14. Annual topsoil use after optimization of mining procedures充分利用秋末冬初植被基本死亡但地温未降低到土壤深度冻结的时期，采集工作帮前方一定区域（ 预计的冬季开采范围）内的表土并堆存在排土场合适位置；同时采用合适的方式避免堆存的表土严重冻结，在进入生态修复窗口期间完成到界排土场的覆土作业。除当季生产使用外，表土的采集、铺设作业均不占用生态修复窗口期，因此可从源头上减少对区域生态环境造成的影响（在植物生长季的超前剥离量基本为零）和提高排土场生态修复速度（在进入生态修复窗口期前完成表土铺设）。
3.3 系统修复应用示范
借鉴台阶追踪推进的开采方式，研究提出一种优化的台阶开采程序，如图15所示。将表土剥离台阶超前一个年度开采，可实现表土采集、运输、排卸铺设作业一体化，从而使生态修复窗口期得到充分利用。表土剥离作业是在草原植被生产期结束后进行，从表面看露天矿采场占用面积增大，但未造成地表植被和生产系统破坏面积增大。若采用第二年春天剥离表土进行采排复一体化作业，会造成生产组织管理紧张，导致生态修复窗口期难以充分利用，优化开采程序生态修复窗口期如图16所示。该开采程序和作业方式充分利用了“生态修复窗口期”，提高了排土场复垦速度和生态修复质量。
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图 15 季节性剥离条件下推荐的逐台阶工作帮开采程序Figure 15. Recommended step-by-step work procedure under seasonal stripping conditions![]()
图 16 优化开采程序生态修复窗口期Figure 16. Window period of ecological restoration after optimizing mining procedures露天矿重构各地层的实际位置与当年的采排关系有关，由于采排关系不同，不同年份的露天矿排土场最上台阶高程也不同。为保证地层重构效果，应使各重构地层层位在平面上具有连续性。一方面，尽量编制露天矿长远规划，以实现排土场整体排弃效果达到仿自然地貌的目标；另一方面，在内排土场与端帮、非工作帮自然地层之间有良好的过渡，不同年份之间的内排土场也应保证连续性良好，含水层过渡如图17所示。
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图 17 露天矿重构地层与周边地层的连续性Figure 17. Open-pit mine reconstructs the continuity of the formation with the surrounding strata根据胜利露天煤矿开采地层中物料赋存情况，提出如下3个地层（5个区域）重构方案（图18）。对比分析各方案如下：
根据胜利露天煤矿现场实验结果，区块3植物生长情况最好。
4. 结 论
1）提出了露天矿减损开采与生态系统修复理念，以“源头减损”为核心，“过程控制”为主线，“系统修复”为关键的理念，实现露天开采生态环境损伤最小化和修复效果最大化，为露天矿生态修复提供依据。
2）以露天矿减损开采与生态系统修复理念为指导，研发并创建了以开采节地减损技术、物料跨时空调配储用技术和“生态窗口期”协同修复技术为核心的系统修复技术体系，为露天矿生态修复提供技术支撑。
3）以露天矿生态减损与系统修复技术为基础，通过在锡林浩特胜利西一号露天矿和宝日希勒露天矿进行技术应用和示范。胜利露天矿工作帮坡角和内排帮坡角分别提高了0.9°和2.9°，缩短矿区土地挖损修复时间1.4 a，采场占地面积缩小75.2 hm2；仅在宝日希勒露天矿南帮实施靠帮开采即多回收煤炭资源69.55万t，占年生产能力的2%，在满足露天矿生产能力的前提下可少征地2.4 hm2/a；同时针对两大露天矿表土使用情况进行了系统优化，提高了“生态修复窗口期”的利用率，实现了露天矿内排土场地层生态重构。
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图 1 露天煤矿减损开采与生态系统修复技术思路
Figure 1. Technical ideas for loss reduction mining and ecosystem restoration in open-pit coal mines
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图 2 露天开采节地减损示意
Figure 2. Schematic diagram of land saving decomposition for open-pit mining
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图 5 露天矿表土资源流优化存储状态
Figure 5. Optimized storage state diagram of topsoil resource flow in open-pit mines
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图 7 季节剥离条件下排土场生态重建流程
Figure 7. Ecological reconstruction process of dumping site under seasonal stripping conditions
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图 8 内排土场近自然地层重构
Figure 8. Near-natural stratigraphic reconstruction of inner drainage site
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图 9 工作帮开采程序对采场占地时间和面积的影响
Figure 9. Impact of work gang mining procedure on time and area of the stope
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图 11 宝日希勒露天矿生态减损型采排复一体化技术应用区
Figure 11. Ecological damage reduction type mining and recovery integrated technology application area
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图 12 南帮剖面现状稳定性评价结果
Figure 12. Assessment results of the current stability of the southern slope profile
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图 13 宝日希勒露天矿生态减损型采排复一体化技术实施现场
Figure 13. Implementation site of integrated technology of ecological loss-reduction mining, drainage and restoration
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图 14 开采程序优化后年度表土使用情况
Figure 14. Annual topsoil use after optimization of mining procedures
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图 15 季节性剥离条件下推荐的逐台阶工作帮开采程序
Figure 15. Recommended step-by-step work procedure under seasonal stripping conditions
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图 16 优化开采程序生态修复窗口期
Figure 16. Window period of ecological restoration after optimizing mining procedures
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图 17 露天矿重构地层与周边地层的连续性
Figure 17. Open-pit mine reconstructs the continuity of the formation with the surrounding strata
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