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仿自然地貌修復(fù)技術(shù)

（一）人工地貌

通常，在礦山開(kāi)采破壞前，礦區(qū)原本的經(jīng)過(guò)10年乃至百年自然形成的自然生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，繼而促使了礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)的發(fā)生。礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能使其完全恢復(fù)原本的狀態(tài)，事實(shí)上，更多的時(shí)候它是人為地重建一個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)，這也是生態(tài)重建的名詞在土地復(fù)墾中被廣泛使用的原因。

人工生態(tài)系統(tǒng)是指經(jīng)過(guò)人類干預(yù)和改造后形成的生態(tài)系統(tǒng)，其易受人類社會(huì)的強(qiáng)烈干預(yù)和影響，且不穩(wěn)定，易受各種環(huán)境因素的影響，并隨人類活動(dòng)而發(fā)生變化，自我調(diào)節(jié)能力差，并且系統(tǒng)本身不能自給自足，依賴于外系統(tǒng)，并受外部的調(diào)控。同時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的目的不是為維持自身的平衡，而是為滿足人類的需要。所以人工生態(tài)系統(tǒng)是由自然環(huán)境（包括生物和非生物因素）、社會(huì)環(huán)境（包括政治、經(jīng)濟(jì)、法律等）和人類（包括生活和生產(chǎn)活動(dòng)）三部分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。人類在系統(tǒng)中既是消費(fèi)者又是主宰者，人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)必須遵循生態(tài)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展。

典型的礦區(qū)人工恢復(fù)地貌如經(jīng)過(guò)人工重建的綠化煤矸石山、大型堆砌排土場(chǎng)等，其往往具有較重的人工痕跡，形狀規(guī)則布局過(guò)于工整，且花費(fèi)較大，但不易保持。人工生態(tài)系統(tǒng)需要長(zhǎng)期的維護(hù)，在礦區(qū)尺度上，對(duì)于全國(guó)大量的大面積礦區(qū)來(lái)說(shuō)，這種人工生態(tài)系統(tǒng)并不是最佳的選擇。

（二）景觀表征

對(duì)于礦山開(kāi)采破壞景觀的具體評(píng)價(jià)，現(xiàn)有研究通常通過(guò)分形理論或景觀指數(shù)來(lái)表征。分形理論大多應(yīng)用于對(duì)宏觀大尺度的地形和微觀尺度的土壤顆粒分布進(jìn)行表征，通過(guò)單一分維數(shù)表征地形復(fù)雜程度，如河道地貌（朱嘉偉等，2005）、土地利用結(jié)構(gòu)（趙晉寶，2014）、侵蝕沖溝等；通過(guò)多重分形譜表征地形的變異特征，如土壤粒徑分布規(guī)律（王金滿等，2014）等。但分形理論對(duì)于露天煤礦排土場(chǎng)等中小尺度的受損土地景觀表征研究相對(duì)較少（張莉等，2016）。

另一種表示法為景觀指數(shù)。利用景觀指數(shù)可以表征礦區(qū)土地景現(xiàn)破碎化程度，其連接性與異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)、空間排列等。其主要使用指數(shù)包括：分維數(shù)、多樣性、優(yōu)勢(shì)度、斑塊數(shù)目、景觀類型面積比例、景觀形狀指數(shù)、蔓延度、破碎度、香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)、分離度、均勻度等（畢如田等，2007；李幸麗等，2009；萬(wàn)越，2015；張前進(jìn)等，2006；韓武波等，2012），其表征意義可查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)。

（三）景觀重塑與再造

由于礦山開(kāi)采活動(dòng)形成的人造景觀與周圍原有景觀不協(xié)調(diào)，景觀連接性差，造成生態(tài)系統(tǒng)的不和諧，導(dǎo)致了一系列生態(tài)問(wèn)題，由此就衍生出仿自然地貌理論（張莉等，2016）。仿自然地面要求復(fù)墾后地形與當(dāng)?shù)刈匀痪坝^相協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌保護(hù)土壤、水源和環(huán)境質(zhì)量，復(fù)墾土地應(yīng)當(dāng)達(dá)到當(dāng)?shù)卦械目沙掷m(xù)發(fā)展的景觀生態(tài)環(huán)境水平。

仿自然地貌更加注重當(dāng)?shù)卦械纳鷳B(tài)系統(tǒng)，盡可能接近原有地貌。首先是基于景觀生態(tài)學(xué)，根據(jù)斑-廊-基原理、景觀格局優(yōu)化原理、多樣性與異質(zhì)性原理等，在重建過(guò)程中增大景觀多樣性與異質(zhì)性，規(guī)劃基質(zhì)與斑塊組成較優(yōu)的景觀格局。

同時(shí)，仿自然地貌注重微地形對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。微地形是針對(duì)地理學(xué)中巨地形和大地形而言的小尺度的地形變化，可以反映景觀整體形態(tài)特征（張莉等，2016）。日本學(xué)者對(duì)丘陵地區(qū)微地形進(jìn)行研究并將其分為頂坡、上邊坡、谷頭凹地、下邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷床7種類型，而露天煤礦區(qū)內(nèi)的微地形主要指部分區(qū)域出現(xiàn)的切溝、淺溝、緩臺(tái)、塌陷和陡坎等（鄺高明等，2012）。其注重坡面、坡向、坡度對(duì)微地形的影響，據(jù)此對(duì)微地形改造，對(duì)土壤屬性和微生境、降雨入滲和水蝕過(guò)程、植被恢復(fù)的效果及其生態(tài)服務(wù)功能等均有重要影響（衛(wèi)偉等，2013），可以通過(guò)調(diào)節(jié)排土場(chǎng)邊坡，繼而構(gòu)造出適宜的微地形，改善植被立地條件，預(yù)防水土流失和阻止水土侵蝕，改善土壤有機(jī)質(zhì)和調(diào)節(jié)礦區(qū)小氣候條件。

仿自然地貌更多的參考原地貌形態(tài)與景觀、自然地貌形態(tài)特征。仿照自然地貌的設(shè)計(jì)能使重建和再造的土地景觀更具協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，生態(tài)結(jié)構(gòu)更加合理，視覺(jué)效果和經(jīng)濟(jì)型均有所提高。例如，我國(guó)山西平朔露天煤礦的排土場(chǎng)地貌在重塑時(shí)便運(yùn)用該理論，仿照黃土高原丘陵山地的層層梯田，設(shè)計(jì)出相對(duì)高差一般為100~150米，平臺(tái)與邊坡相間分布的景觀格局，達(dá)到人工景觀與自然景觀相互協(xié)調(diào)的效果（陳曉輝，2015）。煤礦區(qū)周圍臨近成熟的、未擾動(dòng)的地貌，同樣可以為復(fù)墾區(qū)地貌設(shè)計(jì)提供便利，建設(shè)自然式緩坡地與自然河道可減少研究區(qū)地表侵蝕及水土流失的可能性（胡振琪，1997）。

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邊采邊復(fù)技術(shù)

（一）邊采邊復(fù)的概念產(chǎn)生與發(fā)展

一種較為直接的看法認(rèn)為，礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)是采礦的一部分。顯然，采礦是復(fù)墾的源頭，是生態(tài)修復(fù)的驅(qū)動(dòng)因素，沒(méi)有采礦并不會(huì)產(chǎn)生礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)問(wèn)題。復(fù)墾為采礦的破壞結(jié)果提供解決方案，它作為“采礦-生態(tài)”平衡的一個(gè)重要手段出現(xiàn)在采礦過(guò)程中，并不應(yīng)當(dāng)只是閉礦后的補(bǔ)救措施。事實(shí)上，提早展開(kāi)復(fù)墾或采復(fù)一體化給礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)帶來(lái)了額外的收益。這種看法最早源于20世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者在露天采礦過(guò)程中應(yīng)用的理念。1973年，美國(guó)內(nèi)務(wù)部組織編寫(xiě)的露天礦邊采邊復(fù)技術(shù)培訓(xùn)手冊(cè)明確寫(xiě)有露天礦開(kāi)采過(guò)程中復(fù)墾步驟的詳細(xì)規(guī)范，1977年頒布的聯(lián)邦采礦與復(fù)墾法中也明確要求采礦與復(fù)墾同步。這種理念是較先進(jìn)的生態(tài)修復(fù)理念。

在我國(guó)，系統(tǒng)論述邊采邊復(fù)思想的時(shí)期較晚，由于我國(guó)多是井工開(kāi)采，與露天開(kāi)采的差異限制了國(guó)外采復(fù)一體化經(jīng)驗(yàn)的引入，其理念與技術(shù)并不能較好地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)。1992年平頂山礦務(wù)局首次施用了類似“超前復(fù)墾”的相關(guān)技術(shù)，對(duì)礦區(qū)即將沉陷的土地開(kāi)挖水渠、降低潛水位，使沉陷后的土地不因高潛水位積水，如董祥林（2002）。之后，趙艷玲等（2008）、肖武等（2013）拓展了結(jié)合開(kāi)采沉陷規(guī)律的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾。2013年，胡振琪等提出了邊開(kāi)采邊復(fù)墾的概念，探討了邊采邊復(fù)的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)（胡振琪等，2013a，2013b）。至今，邊采邊復(fù)研究仍然是土地復(fù)墾的重要問(wèn)題。

（二）邊采邊復(fù)理念與概念的定義

邊開(kāi)采邊修復(fù)技術(shù)概念是采復(fù)一體化的體現(xiàn)。事實(shí)上，邊采邊復(fù)就是采復(fù)一體化的另一種說(shuō)法，是充分考慮礦山開(kāi)采與地面復(fù)墾措施耦合，規(guī)劃開(kāi)采措施、優(yōu)選復(fù)墾時(shí)機(jī)與方案的一種思想（肖武，2012）。

邊開(kāi)采邊修復(fù)強(qiáng)調(diào)開(kāi)采工藝與修復(fù)工藝的充分結(jié)合，以保證按采礦計(jì)劃同步進(jìn)行。其基本特征是以“采礦與修復(fù)的充分有效結(jié)合，也即采礦修復(fù)一體化”為核心，以“邊采礦，邊修復(fù)”為特點(diǎn)，以“提高土地恢復(fù)率、縮短修復(fù)周期、增加修復(fù)效益”為表征，并以“實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展”為終極目標(biāo)。

邊開(kāi)采邊修復(fù)的基本內(nèi)涵為地下采礦與地面修復(fù)的有機(jī)耦合：一方面，基于既定的采礦計(jì)劃，在土地沉陷發(fā)生之前或已發(fā)生但未穩(wěn)定之前，通過(guò)選擇適宜的修復(fù)時(shí)機(jī)和科學(xué)的修復(fù)工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)土地率高、修復(fù)成本低和修復(fù)后經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益最大化；另一方面，通過(guò)優(yōu)選采礦位置、采區(qū)和工作面的布設(shè)方式、開(kāi)采工藝和地面修復(fù)措施，實(shí)現(xiàn)土地恢復(fù)率高和地表?yè)p傷及修復(fù)成本的最小化。

預(yù)復(fù)墾、超前復(fù)墾、動(dòng)態(tài)復(fù)墾與邊開(kāi)采邊修復(fù)既有聯(lián)系，又有區(qū)別。預(yù)復(fù)墾、超前復(fù)墾和動(dòng)態(tài)復(fù)墾往往僅針對(duì)一個(gè)采煤工作面或采區(qū)進(jìn)行探討，且主要是考慮既定采礦計(jì)劃前提下的復(fù)墾措施，而邊開(kāi)采邊修復(fù)技術(shù)從整個(gè)礦山開(kāi)采過(guò)程的角度出發(fā)，不僅提出何時(shí)、何地、如何修復(fù)，而且指導(dǎo)整個(gè)采礦生產(chǎn)，是地上和地下措施的有機(jī)耦合。因此，邊開(kāi)采邊修復(fù)的概念和內(nèi)涵比預(yù)復(fù)墾、超前復(fù)墾和動(dòng)態(tài)復(fù)墾的更大、更深刻，但預(yù)復(fù)墾、超前復(fù)墾和動(dòng)態(tài)復(fù)墾的已有研究為開(kāi)展邊開(kāi)采邊修復(fù)研究奠定了基礎(chǔ)，也是邊開(kāi)采邊修復(fù)技術(shù)體系的重要組成部分?，F(xiàn)階段邊開(kāi)采邊修復(fù)主要還是基于井下采礦工藝和時(shí)序進(jìn)行的修復(fù)方案的優(yōu)選，未來(lái)將逐漸過(guò)渡到井下采礦與井上修復(fù)的同步進(jìn)行。

（三）露天采礦邊采邊復(fù)

1.基本流程

1）剝離表土。在開(kāi)釆第i條帶前，用推土機(jī)超前剝離表土并推存于開(kāi)釆掘進(jìn)的通道上。一般剝離厚度為20~30厘米，同時(shí)也應(yīng)超前剝離2~3個(gè)條帶，即第i+1，i+2，i+3條帶。

2）在第i條帶的下部較堅(jiān)硬巖石上打眼放炮。

3）用巨大的剝離鏟剝離經(jīng)步驟2）疏松的第i條帶的下部較堅(jiān)硬巖石，并堆放在內(nèi)側(cè)的釆空區(qū)上（即第i-1條帶上）。

4）用可與剝離鏟在礦坑內(nèi)交叉移動(dòng)的大斗輪挖掘機(jī)（BWE），挖掘第i+1條帶上部較松軟的土層（B和C層土），并覆蓋在第i-1條帶內(nèi)經(jīng)步驟3）操作而形成的新下部巖層———較硬巖層的剝離物。

5）在剝離鏟剝離上覆巖層后，第i條帶的煤層被暴露出來(lái)，用釆煤機(jī)械進(jìn)行釆煤和運(yùn)煤。

6）用推土機(jī)平整內(nèi)排土場(chǎng)第i-1條帶的復(fù)墾土壤———?jiǎng)冸x物，就構(gòu)成了以第i+1條帶上部較疏松土層（B和C層土）的剝離物為心土層、以第i條帶下部較硬巖層的剝離物為新下部土層的復(fù)墾土壤。

7）用鏟運(yùn)機(jī)回填表土并覆蓋在復(fù)墾的心土上。

8）在復(fù)墾后的土地上種上植被（一般首先播種禾本科和豆科混合的草種），并噴灑秸稈覆蓋層以利于水土保持和植被生長(zhǎng)。

2.關(guān)鍵技術(shù)

露天礦邊采邊復(fù)的核心技術(shù)是土壤重構(gòu)技術(shù)。土壤重構(gòu)即重構(gòu)土壤，是以工礦區(qū)破壞土地的土壤恢復(fù)或重建為目的，采取適當(dāng)?shù)牟傻V和重構(gòu)技術(shù)工藝，應(yīng)用工程措施及物理、化學(xué)、生物、生態(tài)措施，重新構(gòu)造一個(gè)適宜的土壤剖面與土壤肥力條件以及穩(wěn)定的地貌景觀的方法。土壤重構(gòu)所用的物料既包括土壤和土壤母質(zhì)，也包括各類巖石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項(xiàng)或多項(xiàng)的混合物，只要在較短的時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)和提高重構(gòu)土壤的生產(chǎn)力，并改善重構(gòu)土壤的環(huán)境質(zhì)量，就是有效的重構(gòu)材料。

對(duì)于土壤重構(gòu)，動(dòng)態(tài)的、有效的規(guī)劃露天采礦的土壤重構(gòu)方案可以縮短復(fù)墾周期，提高復(fù)墾效益。其實(shí)質(zhì)是對(duì)不同重構(gòu)材料，按照其材料特性，進(jìn)行合理充填順序與結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃。上述“分層剝離、交錯(cuò)回填”的露天邊采邊復(fù)正是這種思想的體現(xiàn)。例如常見(jiàn)的泥漿泵復(fù)墾，泥漿作為充填材料，營(yíng)養(yǎng)貧瘠持水過(guò)多，且沉淀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采用分層剝離、交錯(cuò)回填的思想，能夠極大地優(yōu)化其挖土與充填順序，為泥漿沉淀獲得更多的時(shí)間，具體見(jiàn)參考文獻(xiàn)（胡振琪，1997；胡振琪等，2005；鄭禮全等，2008）。

（四）高潛水位井工礦區(qū)邊采邊復(fù)

1.基本原理

通過(guò)傳統(tǒng)穩(wěn)沉后非充填復(fù)墾和邊開(kāi)采邊修復(fù)所恢復(fù)土地率的對(duì)比分析，闡述邊開(kāi)采邊修復(fù)的基本原理。圖3-5為下沉穩(wěn)定后采用非充填復(fù)墾時(shí)土地恢復(fù)示意圖，在不考慮外來(lái)土源的情況下采用挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區(qū)域復(fù)墾出部分土地，即A與B區(qū)。

微信圖片_20200721142455.png圖3-6為邊開(kāi)采邊修復(fù)時(shí)土地恢復(fù)示意圖，其中圖3-6a為邊開(kāi)采邊修復(fù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在土地即將沉入水中或部分沉入水中（仍存在搶救表土的可能性）時(shí)預(yù)先分層剝離部分表土與心土，交錯(cuò)回填至將要沉陷的區(qū)域，即圖中的取土區(qū)與充填區(qū)。圖3-6b為邊開(kāi)采邊修復(fù)的最終狀態(tài)，通過(guò)邊開(kāi)采邊修復(fù)可形成最終的復(fù)墾土地區(qū)A，B，C區(qū)?？梢?jiàn)，邊開(kāi)采邊修復(fù)較沉陷穩(wěn)定后的復(fù)墾，可多復(fù)墾出區(qū)域C，土地恢復(fù)率有較大提升。

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2.關(guān)鍵技術(shù)

高潛水位邊采邊復(fù)思想的關(guān)鍵技術(shù)，在于動(dòng)態(tài)的挖深墊淺。其中最重要的是開(kāi)采沉陷的動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)，只有掌握其塌陷的動(dòng)態(tài)過(guò)程才能精準(zhǔn)地規(guī)劃邊采邊復(fù)時(shí)間與措施。前文曾闡述過(guò)井工開(kāi)采沉陷過(guò)程的基本靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特征，這里我們將簡(jiǎn)要介紹開(kāi)采沉陷過(guò)程的數(shù)學(xué)建模。關(guān)于該過(guò)程的模擬一直是礦山開(kāi)采沉陷學(xué)的核心問(wèn)題之一，長(zhǎng)期以來(lái)涌現(xiàn)出多種方法，從主斷面到整個(gè)塌陷場(chǎng)的研究對(duì)象，從實(shí)測(cè)參數(shù)函數(shù)擬合、巖體理論模擬到相似材料模擬，研究者一直嘗試提高開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的精度。概率積分法因算法簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，足以快速應(yīng)對(duì)大多數(shù)開(kāi)采沉陷問(wèn)題，是我國(guó)目前較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)方法之一，這里簡(jiǎn)述其下沉預(yù)計(jì)的基本模型：

（1）單元開(kāi)采的下沉預(yù)計(jì)

單元是工作面的歸一化無(wú)量綱表示。單元開(kāi)采引起地表下沉與地表水平移動(dòng)表達(dá)式為

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式中：r為主要影響半徑；s為開(kāi)采單元橫坐標(biāo)，x為預(yù)計(jì)點(diǎn)橫坐標(biāo)（x-s實(shí)際為預(yù)計(jì)點(diǎn)到開(kāi)采單元水平距離）。

（2）單工作面開(kāi)采的下沉預(yù)計(jì)

地表任意點(diǎn)（x，y）的下沉值W（x，y）為

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其中

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式中：W0（x）和W0（y）為走向和傾向有限開(kāi)采時(shí)，主斷面地表下沉值；W0為充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值；m為采厚；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角；l和L為走向和傾向有限開(kāi)采時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度（考慮拐點(diǎn)偏距后的長(zhǎng)度）；r1，r2和r分別為下山、上山和走向的主要影響半徑。

（3）多工作面開(kāi)采預(yù)計(jì)

對(duì)于多工作面預(yù)計(jì)，可分別計(jì)算每個(gè)工作面單獨(dú)的模型，直接等權(quán)相加。事實(shí)上，一個(gè)礦區(qū)的m（采厚）、l和L（走向和傾向有限開(kāi)采長(zhǎng)度）、α（煤層傾角）均可知，不考慮上下山與走向的差異，讀者可將概率積分法剩余部分看作5個(gè)參數(shù)r（主要影響半徑）、b（水平移動(dòng)系數(shù)）、q（下沉系數(shù)）、s（拐點(diǎn)偏移距，用于校正工作面的實(shí)際垮塌長(zhǎng)寬）、θ0（開(kāi)采影響傳播角）即5個(gè)自由度的函數(shù)擬合問(wèn)題，根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)可以較輕松地?cái)M合，預(yù)計(jì)下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)與水平變形等5個(gè)常用地表移動(dòng)與變形因子。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)測(cè)研究，已經(jīng)有足夠的數(shù)據(jù)證實(shí)和形成一些經(jīng)驗(yàn)上的與地質(zhì)采礦條件相關(guān)的定量關(guān)系，以幫助模型使用者在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下選取參數(shù)。盡管這種定量關(guān)系仍然是不精確的，但根據(jù)這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系已能處理部分工程問(wèn)題。對(duì)整個(gè)礦區(qū)抽樣幾處工作面作為參數(shù)反演的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源，可在整個(gè)礦區(qū)獲得不錯(cuò)的精度。

（4）動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)

動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)通過(guò)構(gòu)造合適的時(shí)間影響函數(shù)與靜態(tài)下沉做乘積即可得到點(diǎn)位的動(dòng)態(tài)下沉。時(shí)間影響函數(shù)多基于“塌陷從0開(kāi)始，增長(zhǎng)到靜態(tài)下沉預(yù)計(jì)值”“單點(diǎn)下沉速度先增大后減小”“速度曲線連續(xù)，且關(guān)于最大下沉速度處對(duì)稱”3條規(guī)律構(gòu)造。

由于工作面開(kāi)采并非一蹴而就，前后垮落時(shí)間為ti的兩塊不同單元顯然在時(shí)刻t的時(shí)間影響函數(shù)值不同，動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)過(guò)程需要離散化塌陷區(qū)段。為了方便計(jì)算，我們通常將工作面的整個(gè)垮落離散成一系列足夠小的單元，分別按其靜態(tài)下沉與到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間計(jì)算動(dòng)態(tài)下沉，最后加和所有單元。

（5）復(fù)墾時(shí)機(jī)與土方

根據(jù)前述計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)下沉值，結(jié)合事先獲得的數(shù)字地形圖，可進(jìn)行高潛水位邊采邊復(fù)布局。關(guān)于高潛水位邊采邊復(fù)的復(fù)墾時(shí)機(jī)抉擇，有多種準(zhǔn)則與實(shí)現(xiàn)方法，具體與實(shí)際工程條件與需要相關(guān)，具有不同的施工土方量，在此不贅述。

3

植物與微生物修復(fù)技術(shù)

自然修復(fù)在生態(tài)、水土保持等領(lǐng)域有大量的研究，它是指靠自然力量（營(yíng)力）修復(fù)的一種過(guò)程或方法。自然營(yíng)力是指自然界存在的雨、風(fēng)、重力及凍融等自然界本身存在的各種生物、化學(xué)和物理等作用，如氣候的變化、土壤天然種子庫(kù)和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學(xué)及物理作用。

以生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)內(nèi)部因素的作用就是自然修復(fù)（自修復(fù)），外部人工力量修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)就是人工修復(fù)。人工修復(fù)和自然修復(fù)都是對(duì)已經(jīng)損毀的生態(tài)環(huán)境采取的積極的修復(fù)措施。人工修復(fù)與自然修復(fù)相輔相成，要因地制宜，宜自然修復(fù)則自然修復(fù)，宜人工修復(fù)則人工修復(fù)，有主有次，主次結(jié)合。同時(shí)，自然修復(fù)是一種最高境界，即使人工修復(fù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力才是最終目的。

在這種層面上考慮修復(fù)技術(shù)，目前已衍生出較新的修復(fù)方法，它們直接通過(guò)動(dòng)植物、微生物進(jìn)行礦區(qū)修復(fù)，在修復(fù)“材料”選取上與直接替換土壤、大量施肥等方法產(chǎn)生了區(qū)別。

（一）植物修復(fù)

植物修復(fù)是通過(guò)植物對(duì)土壤、空氣等生態(tài)修復(fù)對(duì)象的修復(fù)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)修復(fù)的手段。礦區(qū)廢棄地的植物修復(fù)效益與恢復(fù)植物的選擇密切相關(guān)，恢復(fù)植物的選擇不僅要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文、土壤類型等自然條件，還要考慮因開(kāi)采造成的具體污染情況，因地制宜選取植，才能對(duì)當(dāng)?shù)赝寥榔鸬捷^好的改良效果，生態(tài)演替效果良好。因此，礦區(qū)廢棄地土壤植物修復(fù)成功的關(guān)鍵在于恢復(fù)植物的選擇與合理的配置模式。通常情況下，使用較多的生物物種，特別是將喬、灌、草、藤多層次配置結(jié)合起來(lái)進(jìn)行植被恢復(fù)，建立起的植物群落的穩(wěn)定性和可持續(xù)性均比單物種或少物種的效果好得多（畢銀麗，2017）。

1.常用植物種類

恢復(fù)植物的選擇要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文、土壤類型等，還要考慮因開(kāi)采造成的具體情況，因地制宜選取植物，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥榔鸬捷^好的改良，并能進(jìn)行生態(tài)演替，不同植物產(chǎn)生的恢復(fù)效益存在差異。

豆科植物：有較強(qiáng)固N(yùn)能力，改善土壤肥力，克服干旱脅迫，常用作先鋒植物。

鹽生植物：能降低廢棄地土壤鹽堿的濃度，富集金屬元素。

外來(lái)植物：生長(zhǎng)迅速，生物量大，能在相應(yīng)的礦區(qū)廢棄地成功定居，但要預(yù)防生態(tài)入侵。

鄉(xiāng)土植物：能更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，在較為惡劣的生境以及簡(jiǎn)單粗放的管理?xiàng)l件下仍能表現(xiàn)出植物的生物學(xué)特性，但是生長(zhǎng)緩慢。

耐性草本植物：覆蓋率高，對(duì)根際土壤的改良效益較好，缺點(diǎn)在于植物單株生物量較小，恢復(fù)改良效益的時(shí)間較長(zhǎng)。

2.植物挑選準(zhǔn)則

現(xiàn)有的植物修復(fù)措施需要考慮眾多因素，如植物抗逆性、生態(tài)適應(yīng)性、植物多樣性、先鋒植物持續(xù)穩(wěn)定性、鄉(xiāng)土植物與外來(lái)植物相結(jié)合、場(chǎng)地的分區(qū)以及功能合理性的原則等。首先，植物需要有足夠的抗逆性，只有具有一定抗逆性的植物才具有較強(qiáng)的生命力，在后期無(wú)人養(yǎng)護(hù)的條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)自我維持。

其次，植物需要能夠形成穩(wěn)定的目標(biāo)植物群落，達(dá)到植被恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)的目的，其對(duì)于整個(gè)目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)需要具有生態(tài)適應(yīng)性，它不能是孤立于整個(gè)目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)的植物類型。同時(shí)，挑選植被需要更多樣。

（二）微生物修復(fù)

微生物修復(fù)技術(shù)是礦區(qū)土壤管理與改良的重要生物技術(shù)。利用微生物群落的優(yōu)勢(shì)，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)和植被覆蓋，減少或避免土壤侵蝕，從而達(dá)到生態(tài)恢復(fù)的目的。微生物修復(fù)技術(shù)可以利用植物根際微生物的生命活動(dòng)來(lái)改善植物營(yíng)養(yǎng)條件，并同時(shí)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和發(fā)育。隨著植物修復(fù)和微生物修復(fù)的發(fā)展，礦區(qū)土壤的滲透性顯著提高，其改善的土壤調(diào)節(jié)和地表徑流轉(zhuǎn)化能力，可以防止土壤侵蝕，改善河流水文條件。微生物在有機(jī)物質(zhì)的分解、合成和轉(zhuǎn)化，無(wú)機(jī)物質(zhì)的氧化和還原過(guò)程中起著重要作用。它們是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要驅(qū)動(dòng)力，可以提高土壤肥力，使生土熟化，縮短復(fù)墾周期。

菌根技術(shù)是微生物復(fù)墾技術(shù)的一種應(yīng)用，可以改善生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進(jìn)礦區(qū)極端條件下植被的恢復(fù)，促進(jìn)礦區(qū)環(huán)境的良性循環(huán)，形成互利共生的微生物，改善生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，加快二次生育的速度生態(tài)系統(tǒng)的演替，減輕根系對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，并施肥土壤，促進(jìn)植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。對(duì)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和土地復(fù)墾吸收利用促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。其中，叢枝菌根真菌（AMF）是最常用也是土壤重要的微生物之一，能與80%以上的陸生植物形成互惠共生關(guān)系，提高礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定與提高，在礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用。我們?cè)诖酥饕務(wù)撟畛Ｓ玫膮仓婢迯?fù)。

1.叢枝菌根真菌幫助根系吸收

叢枝菌根真菌的菌絲非常纖細(xì)，其直徑為2~7微米，可穿透土壤中有機(jī)物的顆粒間隙，吸收到根系所不能吸收到的養(yǎng)分與水分。其分枝伸長(zhǎng)能力較強(qiáng)，增加了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收范圍和面積。

同時(shí)，磷在菌絲里移動(dòng)的速度為在植物體內(nèi)運(yùn)輸速率的10倍，保證將在根外吸收的磷等營(yíng)養(yǎng)元素及時(shí)運(yùn)輸給植物。菌絲對(duì)磷的親和力較高，可減少磷解吸的臨界濃度，且叢枝菌根真菌釋放有機(jī)酸和磷酸酶可促進(jìn)土壤磷釋放。

2.叢枝菌根真菌生成球囊霉素

叢枝菌根真菌能夠產(chǎn)生一種被稱為球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（簡(jiǎn)稱“球囊霉素”）的含有金屬離子的專性糖蛋白，可產(chǎn)生于根內(nèi)菌絲和伸展在根圍土壤中的根外菌絲表面，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中含量不低。球囊霉素可增加土壤有機(jī)碳庫(kù)，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)量（賀學(xué)禮等，2011；黃藝等，2011）。球囊霉素一方面通過(guò)自身特點(diǎn)將土壤顆粒黏結(jié)在一起，達(dá)到增加土壤團(tuán)聚體的目的；另一方面可間接改善土壤微環(huán)境，增加土壤中有益微生物的含量，實(shí)現(xiàn)退化土壤的改良。球囊霉素是叢枝菌根真菌對(duì)其寄主植物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)整和適應(yīng)，是微生物活動(dòng)的一種積極應(yīng)答機(jī)制，已證實(shí)土壤中球囊霉素量與土壤凝結(jié)穩(wěn)定性、土壤含水性呈正相關(guān)。接種叢枝菌根真菌有利于土壤水分的保持與高效運(yùn)輸，提高水分的利用率，有利于緩解干旱對(duì)作物生長(zhǎng)的影響（李少朋等，2013）。采煤沉陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)，叢枝菌根真菌如何改善土壤結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)水肥供應(yīng)，也是生態(tài)修復(fù)需要深入探討的問(wèn)題之一。

（三）土壤動(dòng)物修復(fù)

土壤動(dòng)物可幫助礦區(qū)土壤肥力維持，無(wú)脊椎動(dòng)物可幫助粉碎和分解動(dòng)植物殘?bào)w，促進(jìn)了物質(zhì)的淋溶、下滲，其活動(dòng)與翻動(dòng)作用增加了土壤中細(xì)菌和真菌活動(dòng)的接觸面積，加速了養(yǎng)分的流動(dòng)，同時(shí)也混合了土壤的物質(zhì)組成。另外，土壤動(dòng)物采食細(xì)菌或真菌或粉碎有機(jī)物質(zhì)、微生物繁殖體等，間接改變了有效營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳播，并改變了微地形，從而使土壤中的水、氣、熱量狀況和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化都受到影響，繼而影響微生物群落的生物量和活動(dòng)。微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、工程技術(shù)與土壤動(dòng)物修復(fù)相結(jié)合，更能發(fā)揮其功能，提高修復(fù)能力。