0.   引　　言

露天煤矿因其建设速度快、开采能力强和生产成本低等优势，成为保障我国能源安全的“压舱石”和“稳定器”^[1]。2023年，我国露天煤矿的原煤产量达到11.8亿t，占全国煤炭总产量的近25%，全年采剥总量超过70亿m^3[2]。露天开采时所剥离下来的大量废石（岩石和土）的排弃过程称为排土工作 ^[3]，当采掘工程逐渐向深部发展时，排土场成为必然选择^[4]。受临时用地政策或征地的限制，露天矿普遍面临内排空间不足，进而引起边坡角过大、超设计标高排土、煤矿产能扩张难等问题。

我国大型露天煤矿主要分布在黄土高原区，约占国土面积的1/20，却赋存了全国2/3的煤炭资源^[5]。黄土沟壑区作为黄土高原的重要组成部分，面积超过该区域70%，同时也是我国水土流失最为严重的地区之一^[6]。黄土沟壑地区露天矿周边的大量自然沟壑面临严重的雨水冲蚀和破碎沟壑土地难以利用等。大量自然沟壑的治理必然需要大量的土方、经费和政策支持。现阶段我国露天矿治理工作多聚焦于排土场的修复，缺乏对排土场与其周边的自然生态问题协同治理的系统性考虑。因此，迫切需要一种绿色开采与生态治理相协同的新模式，以有效缓解露天矿内排空间不足和占用大量土地，以及周边自然沟壑侵蚀发育难治理的问题。

2018年9月，习近平总书记在抚顺矿业集团西露天矿矿坑考察时提出，“要本着科学的态度，认真搞好评估论证，把产业发展与生态环境协同起来，决不能为治理而治理”。为此，本文提出了一种面向露天矿周边自然沟壑治理的排土场“选、运、填、复”协同开采治理模式，为协同改善矿区及其周边生态环境质量，同步提升绿色开采和生态修复技术水平提供科学参考。在内蒙古准格尔旗某露天煤矿区开展实例研究，并利用CLiDE地貌与侵蚀演化模型，模拟评价了协同治理后30年矿区地貌与土壤侵蚀控制效果，并提出了针对性的技术实施政策建议。

1.   露天煤矿周边沟壑“选−运−填−复”协同开采治理模式

本文以矿山自然沟壑地貌与绿色开采协同治理为理论指导，顾及黄土沟壑区露天煤矿本底特征，结合同心矩形窗口遍历算法、充填地貌求解和CLiED演化模型等方法，提出了适用于黄土沟壑区露天煤矿周边自然沟壑治理的“选−运-填−复”协同开采治理模式；其主要原理是，基于技术经济环境效益分析，将原本要排弃到排土场的部分适宜的剥离岩土，仿自然地层地貌重构过程将运移物料回填到矿区外适宜治理的邻近沟壑，最后再覆土与植被建设，从而实现节约排土空间，增大采场作用空间的效果，同时实现沟壑区的土地再利用，减少土壤侵蚀。该技术模式一方面可有效减少黄土沟壑区露天矿排土空间不足、占用正常土地问题，另一方面可解决自然沟壑治理所需要的大量土方和经费问题。

图  1  露天煤矿周边沟壑协同开采治理原理与技术路线图

Figure  1.  Principle and technical roadmap for collaborative mining and remediation of gullies surrounding open-pit coal mines

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.1   待治理沟壑选址与填料筛选

DSM（数字表面模型）中的植被往往会影响地面高程误差较大，导致矿区DSM数据无法直接用于沟壑提取^[7-9]。因此，本研究利用EXG（超绿指数）^[10]结合最邻近插值法^[11]对植被所在区域DSM进行矫正处理，再进行沟壑区域的精确提取。根据侵蚀沟壑的定义，研究将沟壑对应坡面及底部表面以作为沟壑提取的基础单元。基于研究区地形数据设计了沟壑提取算法，即通过构建直径大小分别为Φ_b、Φ_s的两个同心矩形窗口，遍历计算各窗口内高程均值，当内部小窗口高程均值低于外部大窗口高程均值时，将中心栅格定义为沟壑，此时沟道识别结果中对应栅格(i, j)的值为1，否则为0。计算式如下：

式中：river(i, j)表示沟道识别结果中栅格(i, j)的值；$ {S}_{\Phi_b}(i,j) $、$ {S}_{\Phi_b}(i,j) $是直径分别为Φ_b、Φ_s的两个同心矩形窗口，栅格(i, j)是两个窗口中心栅格所对应行列位置，其余参数解释同上。根据对研究区DEM数据的目视分析，确定小、小同心矩形窗口的直径分别为10 m、20 m。

笔者将沟壑区域的精确识别结果作为目标点，排土剥离区作为源点，对矿区边界进行缓冲区分析，最后结合矿区排弃方案规划等筛选出与剥离区距离较近的待治理沟壑区域。沟壑治理过程中需要的大量岩土物料，需要选用开采过程中剥离的无污染废石，再对剥离物料按照岩土的理化特性进行初步分类，最后结合矿区地层调查结果和钻孔资料进一步筛选，旨在使填料能够基本符合恢复原始自然地层结构的条件。因此，需要对自然沟壑的表土及其原生植被进行剥离和移植。本文采用就近原则临时存放表土，以减少运输过程中的损耗和破坏、降低运成本。

沟壑治理前沟壑底部表土剥离前应当播撒有机肥、植物秸秆粉末、腐殖酸类、纤维素类等，以增加剥离表土孔隙度和土壤肥力。应当选择在植物结籽后进行剥离，以尽可能保存土壤中的种子库。避免在雨季时进行剥离，防止土壤紧实度过高、土壤结构破坏及微生物活性过低。表土剥离总厚度应当根据沟壑区表土厚度及土方需求量等因素确定。

1.2   面向协同治理的最优土方运输路径设计

露天矿物料向沟壑区的运输路径优化是整个治理工程成本较高的环节，必须进行最优土方运输路径设计。本文依据矿区现有道路条件，提出了面向协同治理的最优填土运输路径设计，划分3种路径情景：情景1，当存在现有道路时，优先选用该道路作为运输路径，实现高效运输；情景2，当无现有道路时，基于最小成本路径规划算法构建全新的最优填土路径^[12-15]，路径规划优先考虑坡度和地形起伏度阻力因素，坡度赋权重60%，地形起伏度因素赋权重30%，景观分类赋权重10%，基于累计阻力面及阻力方向数据，计算出从源点至目标点的最小累计阻力路径，即最优的填土路径；情景3，若现有道路仅覆盖部分汇到源的区域，则选用现有道路作为主路径，通过最小成本路径规划设计辅路，应用改进的PageRank识别算法确定主辅路径的汇合点^[16]，从而优化路径连接效率，以实现全面覆盖，算法公式如下：

式中：PR是衡量一个节点的重要性分数，值越高则代表该节点在路径中越重要，W(j, i)为从节点j到节点i的阻力加权因子（此处依然选用60%坡度、30%地形起伏度、10%景观类型）；d为阻尼系数，N为节点总数，M(i)为节点i的入邻节点集合，L(j)为节点j的出度。

1.3   基于近自然地貌重塑的沟壑区域填沟造地

填沟造地并非简单的岩土物料堆放，而是一个科学的地层重构过程，若将剥离物料混堆，会导致土层内部存在大量裂隙、水肥渗漏、土壤营养不足，无法为植被提供稳定水分和充足养分。因此，合理的土壤层序结构需效仿自然土壤的水分存储和运移机制，为植物生长提供必要的营养和水分条件^[1]。考虑到黄土沟壑区多属于半干旱地区，降水集中于夏季，地表径流量大且冲刷强烈，需考虑蓄排结合的地层和土壤结构；在沟壑底部承载力较低的情况下，需要加强底层填充物的密实度。基于沟壑自然地层的特点和生态集水蓄水用水的需求，本文设计了由下至上分别为“沟壑地层−缓渗黏土层-蓄水砂岩层−有机表土层”的沟壑复填土壤层序结构。缓渗层采用砂质黏土和红黏土等黏土类物料，有效防止水分下渗，起到阻隔水分渗漏作用。蓄水层主要采用粉砂岩、细粒砂岩和粗粒砂岩，按粒径从大到小、由上到下的顺序逐层填充，既有助于近地层蓄水和植被生态供水，也能减少水土流失。

1.4   协同治理沟壑区域土地复垦

在沟壑回填到设计标高后，需要进行表土层土壤重构与植被重建。表土层可根据实际情况优先使用治理前剥离的沟壑区表土，不足情况下可适当调用露天矿剥离区的表土。剥离表土需均匀覆盖在沟壑填充后的表层，并根据矿区复垦植被规划和土壤肥力等标准，确保填充厚度符合设计要求。覆土时应避免过度压实或分层不均，以为植被提供适宜的生境条件。根据治理后土地的利用方向和表土的养分情况，可进一步实施土壤改良。

黄土沟壑区土地复垦需以防治水土流失为重点，应选择适应性强且耐干旱、耐贫瘠土壤的本地植物进行种植，确保其快速生长恢复植被覆盖，促进土壤稳定。其次，可采用苗木栽植、种子撒播或混合栽种等方式，确保植物多样性和生长稳定，形成乔灌草均匀分布的多层次植被结构。考虑到区域水分不均衡问题，可采用生物修复剂、灌溉和施肥等手段加速植物生长和土壤恢复。

在土地复垦过程中，还需考虑土地的长期可持续利用。由于黄土区干旱少雨，自然条件脆弱，不合理的利用方式极可能会造成重建土地生态系统的二次退化。再利用过程中应遵循土地利用调控机制与生态学机理，确保矿区重建的土地生态系统得到全程管控与保护。

2.   露天煤矿“选−运-填−复”协同开采治理模式案例研究

2.1   研究区概况与数据来源

本文选取内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗某露天煤矿作为研究区域（图2）；矿井面积约9.58 km²。矿区中部地势较高，南北两侧相对较低，冲沟发育明显，呈“V”型分布。矿区目前拥有1个露天采场，已实现内排，另有2个外排土场，排土场总面积占矿区的23%。截至2022年，矿区扩能增量已达到年产500万t。该矿区属于中温带大陆性半干旱气候，四季分明，日照充足，降水集中在每年7、8、9三个月，年降水量为 230.2～544.1 mm。土壤类型主要为黄土和黄绵土，由于长期受到强烈水蚀和风蚀的影响，存在较为严重的沙化现象，加之脆弱的本底条件，部分区域水土流失严重。

图  2  研究区域概况与周边待治理沟壑分布图

Figure  2.  Overview of the study area and distribution map of nearby gullies

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本研究所使用的地形数据通过无人机航测与人工野外实地定点测量等手段获取，分辨率为0.07×0.07 m。气象数据来源于国家气象数据网站及“小麦芽”气象数据软件，包含年降水量、月降水量、月最高与最低气温以及降雨天数等信息。

2.2   待治理沟壑与填土物料选取结果

本文通过缓冲区分析初步筛选出距离源点小于2 km的沟壑区域。在所选的沟壑区域中，结合矿区排弃方案规划等，最终确定了一个符合治理需求的沟壑区域，该沟壑区域位于研究区的北侧（如图2所示）。根据研究区地层调查及矿区74、430号钻孔资料，在剥离物料中筛选出8种主要物料，包括风化煤、煤矸石、粉砂岩、细粒砂岩、中砂岩、粗粒砂岩、砂质黏土和红黏土。

2.3   最优填土运输路径选取结果

实地调查表明，剥离区源点（Source）和待治理沟壑目标点（End）之间尚无现有路径覆盖，因此基于最优路径策略中的情景2，采用最小成本路径规划算法构建全新的填土运输路径。在黄土沟壑露天矿区的路径规划中，更为关注坡度与地形起伏度对运输的阻力，而景观类型对阻力的影响较小。计算结果显示，矿区的阻力系数范围为1～91，最大阻力为91，最小阻力为1。依据生成的累计阻力面与阻力方向数据，计算出从源点到目标点的最小累计阻力路径，即最小成本路径（如图3）。

图  3  最优土方运输路径

Figure  3.  Optimal earthwork transportation route

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   “选、运、填、复”协同开采治理模式评价分析

在协同开采治理模式下，沟壑治理区域高程变化结果如图4所示，沟壑填充总面积约为2.588×10⁵m²，覆盖主要沟壑8条。通过叠加统计充填地貌与原始地貌，并结合分区统计获取沟壑充填地貌总量，统计结果表明，研究区的沟壑充填可为该矿区节约1.536×10⁷ m³的土方内排空间。

图  4  填充前后高程对比图

Figure  4.  Comparison of elevation before and after filling

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本文引入CLiDE地貌演化与土壤侵蚀评估模型，以科学评价沟壑治理后对区域地貌的长期影响^[19]。相较传统的模型，CLiDE模型通过其独特的分布式水文模块，可实现地表水与地下水的相互交换与补给过程的真实模拟，使得模拟结果更贴合实际的自然演变规律。以5 年时间为步长，模拟并记录原始地貌与治理地貌在30年间地形和土壤侵蚀变化情况，模拟结果如表1所示。

表  1  协同治理前后地形与土壤侵蚀量统计表

Table  1.  Statistical table of terrain and soil erosion volume before and after collaborative management

沟壑状态	坡度/[(°)/m2]	地形起伏度/m	土壤侵蚀量/m3
协同治理前	14.67	40.55	1081.35
协同治理后	11.19	32.73	361.94

下载: 导出CSV 

| 显示表格

结合图表可知，在协同开采治理模式下，原本作为土壤冲蚀高发区的沟壑斜坡区域得到了有效填埋，显著消除了沟壑的高程落差，进而减少了土壤侵蚀的面积，土壤侵蚀量减少约66.53%。这一结果表明，基于近自然地貌重塑的沟壑复填措施，通过削减高陡坡区域的地形特征，显著降低了这些区域表土因水蚀而快速流失的风险，从而有效保护了周边地貌的稳定性。

3.   讨　　论

上述分析表明，本研究提出的面向露天煤矿周边自然沟壑的排土填沟造地协同开采治理模式，为解决黄土沟壑区露天矿排土空间不足、占用正常土地；以及协同治理周边自然沟壑问题提供了新的技术路径，解决了周边沟壑治理面临的充填岩土物料和治理经费来源问题，避免了给当地政府部门和社会增加经济负担，符合当前煤矿绿色开采与生态环境问题协同治理的发展方向，有利于区域生态环境质量和社会经济效益的综合提升。然而，露天矿排土场填沟造地协同治理模式主要适用于露天矿周边有自然沟壑地区，能否顺利实施不仅需要技术可行，尤其还需要经济可行和政策支持，取决于煤矿企业的经济利润与生产管理设计调整。目前，受土地、水利、能源等方面的政策限制，该模式还没有实施推广。因此，希望通过本论文的分析阐述，能引起社会各界的关注。

值得注意的是，本文在治理沟壑区回填岩土物料和地层重构时，一方面要禁止采用污染物超标的岩土物料，另一方面由于不同区域剥离岩土物料的物理、化学特性存在差异，这可能影响土壤透水性、养分含量及微生物群落构成。因此，在复填前应对回填岩土物料性质进行全面分析，确保选择适宜的岩土类型进行分层回填，并在必要时采取措施改善表层覆土的肥力与结构稳定性。尤其在黄土沟壑区，土壤的湿陷性可能对填土后的稳定性和植物生长产生长期影响。沟壑复填形成的地形地貌要与沟壑两边的自然地貌相衔接，或考虑治理后的土地再利用方向，如作为耕作使用时要求回填的地块平整度较高，以方便耕作。在本案例中由于沟壑治理后，治理前整个区域破碎的地块之间的完整性得到了显著提升，此前无法利用的破碎地块也可以进行连片使用了，这也就使整个区域可供利用土地资源远大于沟壑回填造地的面积2.588*10⁵m²。

受限于论文篇幅与具体的工程设计与施工概算的复杂性，本文主要露天矿排土场填沟造地协同治理模式社会经济环境综合效益的核算思路。露天煤矿的生产过程主要包括：覆盖物移除、表上剥离、穿孔爆破、采装、运输、排土、整平、植被恢复等。因此，本文提出的治理模式成本相比于原开采方式，主要体现在剥离岩土物料外运至沟壑区的运输成本，以及少量的沟壑区表土剥离成本。因此，沟壑合理选址与最优运输路径是影响煤矿排土填沟造地成本的关键因素。在政策允许和鼓励前提下，该技术经济可行主要取决于煤矿因节约内排空间提升煤炭产量带来的经济收益M和减少边坡治理的安全成本效益X之和是否大于沟壑治理的岩土物料运距增加成本T和沟壑区表土剥离D等成本之和，其核算原理如公式1所示。实施该模式后的带来的经济生态总效益Z，至少包括为企业带来的新增利润B、造地后新增连片可利用土地带来的经济收益L、以及治理后新增的生态服务价值E和社会效益S，其核算原理如公式2所示。

目前，矿山企业和地方政府对矿区周边生态环境问题协同治理的关注度日益加强。露天矿排土场填沟造地协同治理模式的实施需要政府、企业和社会各界的共同努力，并推进落实以下任务：①推广“排土填沟造地”协同治理模式的政策支持，合理使用地质环境治理恢复基金，结合黄土沟壑区的特殊地形与水文环境特点，制定相应的生态修复技术标准和操作规范，鼓励积极试点示范应用；②建立严格的“排土填沟造地”过程动态监管机制与措施，建立包括土壤质量、水文动态、植被恢复、地貌稳定性等方面的动态监测系统，特别是土壤污染、水系沟道占用、非沟壑土地压占等风险监测；③根据各矿山企业面临的实际情况，优化开采设计与技术工艺，合理控制协同开采治理的经济成本，尽可能扩大周边沟壑治理的范围，实现经济社会环境效益最大化。

4.   结　　论

针对黄土沟壑区露天矿排土空间不足、占用正常土地，以及治理周边自然沟壑土壤侵蚀严重，沟壑土地无法正常利用等问题，本文提出了面向露天矿周边自然沟壑排土填沟造地协同开采治理技术模式。该技术模式主要包括区域自然沟壑识别与治理沟壑的选址、基于“源汇”理论统筹排土场土方调配路径优化、基于近自然地貌重塑的沟壑区域复填、治理沟壑区域地层重构与填土铺设策略，以及协同开采治理的生态效果评价等关键步骤。

本文以内蒙古准格尔旗某露天煤矿案例研究分析表明，该模式治理的露天矿周边自然沟壑总面积为2.588×10⁵ m²，为矿区减少约1.536×10⁷ m³的土方内排量，能够有效缓解该矿内排空间不足的问题；结合CLiDE地貌演化与土壤侵蚀评估模型，模拟并评价了30a期间周边沟壑协同治理后区域土壤侵蚀量减少66.53%，同时协同治理后的地貌表现出较为稳定的演变趋势，水土保持效果显著，景观连通性与地块完整性得到提升，新增可供利用土地将远大于384亩的沟壑治理面积，达到“一土两用”目的。总体表明，该技术模式可为黄土沟壑区露天煤矿绿色开采与区域生态保护修复提供了一种新的解决方案。

为保障该技术模式的应用推广与综合效益最大化，建议有关政府部门根据实际情况制定相应的政策，鼓励矿山企业积极开展露天矿周边沟壑协同治理，并建立严格的全过程监管措施，防止技术实施过程中产生新的土壤污染、水系沟道占用、非沟壑土地压占等其他问题，避免偏离了协同开采治理的初衷。