全 文 ：87D— 7j一
第 19卷第 6期
1999年 n 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．19．No．6
Nov．，1999
大型露天煤矿生态系统受损研究
露天煤矿为例
以平朔
L
，赵景逵 ，圭重 ，王文英 ，卢崇恩 ，丁新启。，柴书杰。，陈建
／7／ ：
(1．山西农业大学土化系，太答 030801I 2．山西省生物研究所．太原 030008l 3．平朔安太堡露天煤矿，朔卅1 038508)
摘叠 ：矿区受损生态系统 的恢复与重建是脆弱生志环境综合整治的重点和难点。13a的平朔露天煤矿受掼生态系统定点
研究表明，大型露天煤矿生态系统演变过程为 3十阶段、4十类型。生态受损引发因子包括挖损 ，压占、占用和污染。生态
受损特征表现为原生境在 1OOa左右 的时间尺度下，以每年 7800万 左右的岩土搬运速度，累计捎失 180kinz左右。而
新形成的生境与戚生境相比，虽烤墼清失使地貌形态趋于简单，但重新组合堆置的同相岩土结构捂散．地层层序紊乱、地
表物质更趋复杂、土壤性质更趋恶化 ，加之区域性气候干旱，天拣植被恢复无法使受损生态系统发生顺向演替 ，新的侵蚀
地貌会加建形成．
美■词：大型露天煤矿 ，受损 各 f女J fj
Ecosystem damage in a large opencast coal mine — — A case study
OD Pingshuo Surface Cpal M ine，Cbina
BAI Zhong—Ke ，ZHAO Jing—Kui ，LI Jin—Chuan ，W ANG W en—Ying ，LU Chong—En ，
DING Xin—Qi ，CHAI Shu—Jie ，CHEN Jian～Jun (1 Sh口 Agricuttural um ．? g Shan．zi
030801，ChinaI2． 4^ BiologicadInstitute，Taiyuan Shan．,+i 030008，Chinaj 3．PingshuoAntalbao SurfaceCoalMine，
S^ 4ozhou Shah 038508，China)
Abstract：The restoration and rehabilitation for damaged ecosystems in mined areas is regarded as a key
proj~t．A study on the degraded ecosystem in the Pingshuo Surface Coal Mine for 19 years shows that de—
velopment of this degradation can be divided into 9 stages and 4 types．The factors causing ecosystem dam—
age include improper excavation，cover occupation and pollution of the land．As a result an area of 160 km。
has been destroyed．at a stripped rate of about 7800× 10‘m ·a to rock and loess during the past i00
years．In comparison of habitatstbetween the original and post mining activities，the site is found under air
extreme degrada tion，with looser pile to particle ot rock and loess，disorder to geological strata，more coin—
plex surface material composition．exceptional infertile of soils，more serious erosion and irreversible natu—
ral vegetation restoration owing to arid climate except trending in simple topograph appearance for original
guly filled．As the result．日new eros ion landforms could be developed quickly if there was no effective arti—
ficial vegetation．
Key words：large opencast mine；ecosystem ；da mage
文章■号，1000-0933(1999)06—0870一舢 中田分奠号 ：TD 98 S／Z8 文献标识码 ：A
露天开采同井工开采相比，劳动生产率高 5～10倍 ，回采率高 30 ～4O ．在安全上 ，更有井工开采不
基童疆 目： 九五 国家重点科技攻关子专题(96 930—13—03—03)部分内窖
参加研究的还有中国科学院地理所张立诚研究员、吴家燕研究员等。
收瞢日期 1998—09—10；修订 日期 】999一O1 28
科 一 中
白～军
维普资讯 http://www.cqvip.com
6期 白中科等：大型露天煤矿生态系统受损研究——以平朔露天煤矿为倒 871
可 比拟的效果 。因此 ．全世界 目前 2／3矿产原料是用露天开采，其中露天采煤最多的国家是德国、美国和前
苏联 ，德国露天采煤为 75 ，美 国一半以上，前苏联为 1／6。我国煤炭资源总探 明可采储量约 9760亿 t·其
中露天可采储量约 4600亿 t，占总储量的 4．8 ，虽其比例不高 ，但其建设速度和规模却会远远高出煤炭工
业发展的平均值。另外，在同样条 件下，规模大的露天矿其经济效益忧于规模小的露天矿。因此 ，我国 已把
优先发展露天开采作为煤炭工业建设的基本技术政策，而且，在未来的 20a中，我国露天开采以大 型露天
矿占主导地位，并有足够的条件 ，在未来 20a内．把露天采煤 比例 由目前的 4 提高到 15 ll叫]。
然而，我国的大型露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱区，如平朔矿 区、准格尔矿 区位于黄土高
原水土流失严重区，霍林河矿区、伊敏河矿区位于草原风沙区．神府东胜矿 区位于毛乌索沙漠和西北 黄土
高原过菠地带的抄化区。故我国大型露天采煤 区的生态环境问题更应引起高度重视 。
本文以我国最先开发的大型露天煤矿 ，即平朔露天煤 矿为研究对象 ，旨在探讨大型露天煤矿生态系统
演变过程及受损特征 ，为生态恢复与重建提供基础理论依据 。
l 研究区概况
1．1 地理位置和 自然概况 平朔矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带 ，山西省的北部 ．地理坐标
为东经 1lZ。45 58”至 110。53 ，北纬 39。3 45”至 39。58 29 。
地质历史时期．本区为森林草原景观。近 2000a来，由于破坏了面积广大的原有植被，促使了侵蚀地貌
的形成。目前 ．本区地貌为黄土低山丘陵，海拔高度 1300~1400m。年均降雨量 450ram，且 65 集中在 6～
9月，年均蒸发量 2160mm，年均温 6．2℃，年均风速 2．3～4．7m／s，最大风速 20m／s。地带性植被属千草原
类型 。地带性土壤为栗钙土，土壤有机质含量低、结掏差，水蚀模数为 10000t／kin a。风蚀模数为 z0om／
km。·a。因此 ，本 区生态系统抗逆能力很差 ，属黄土高原典型的生态脆弱区。
囤 1 平朔矿区地理位置及三大露天煤矿示意囤
F ．1 A sketch map showing geographical pc~itlon oI Ping shuo M ine aad its thine large Sudace Coal Mines
1．2 工程概况 平朔矿区位于山西省朔州市境内，属宁武煤田北部区域，面积 380km ，地质储量 127．5亿
t。
平朔矿区建设规模为 6500万 t，其中 ，国家大型露天煤矿 4500万 t，地方煤矿 Z000万 t。国家大型露天
煤矿划分为 3个矿田，即安太堡露天煤矿(以下简称 ATB矿)、安家岭露天煤矿 (以下简称 AJL矿)和东露
天煤矿(以下简称D矿)，每个矿田的规模均为 1 500万t。ATB矿是平朔矿区第 1个开发建设的大型露天
维普资讯 http://www.cqvip.com
872 生 态 学 报 1 9卷
煤 矿 ，面积 60kin。左右，服务年 限 92a(1985～
2077年) AJL煤矿是平朔矿区第 2十开发投产
的大 型露 天煤 矿，面积 53km。左右 ，服务年 限
97a(I g98～2095年) 正在筹建 中的 D矿是平朔
矿 区第 3个开 发投 产的 大 型露 天煤 矿，面积
46km 左右 ，服务年限待定 平朔矿区地理位置
及其三大露天煤矿总体布局如图 1所示
2 研究方法
在大量 调 查、分析的 基础上 ．采用类 比方
法，对新形成的 400余公顷的生境(排土场)和原
生境(黄土低 山丘陵)进行了系统全面地对 比分
析，内容包括 时空扰 动、挖损堆垫状况、岩土结
持状况、地 层层序、地面形态、地表物质组成、土
壤性状和植被恢复等方面。
主要参教 测试方法 ①水 分测 定 烘 干
法 ；@容重测定 一般土层用环刀法，紧实土层
用特殊容重取土器 ，石砾土层用充水法(平地 )
和填砂 法(坡地 )：③穿透阻力测定 土壤坚实
度计 ；④渗透 系数测定 田间双环渗透法 I⑤径
流系数测定 针孔式小型 人工降雨器‘@径流
模数和侵蚀模数测定 径流小区法‘⑦细掏侵
蚀和浅淘侵蚀测定 体积测算法‘⑧溯源侵蚀
速度测定 野外谓查法 ‘@岩土成分测定 采
用 I _R．Hossner(美)博士主编。露天矿土地复
垦(Reclamation of Surface Mined Land)”中的
“剥离物化学成分分析方法-，[ 。
3 结集与分析
3．1 矿区生态系统演变过程
矿医生态系统是以矿 山生产作业 区为核心
的一个独特的人工、半人工生态 系统 ，其辐射范
演变类 型(2
：塑量堕
囤 2 矿区生卷系统演变的阶段和类型
Fig 2 Stages of development of ecosystem in mined area and
it s types
(1)Develop stages(2】Develop types(3)De velop process
(4)Damage stage of the mined ecosystem
(5 Rudimentary formation stage of the mined ecosystem
(6)Dynamic equdibrium stage of the mined ecosystem
(7)Original fragile ecosystem
(8)Extremely degraded ecosystem
(9】Rudimentary of rehabilitated ecosystem
(】0)RaIative stable reha bilitated ecosystem
(11)Loss process of stricture and function
(12)Regu Lation process of struction and function
<13)Sustainable develop process of struetion and function
围包括矿 山职工及矿区农 民所在地 ，甚至包括依托矿业演替而形成的多镇 、县市及工业小区。由于我国大
多矿 区处于生态脆弱区，故演系统在受损前的资耀特点是地上光温资源较充足、地表水土资携『较 贫痛、地
下矿产资源较丰富；该系统在受损后 ，光温不变、水土废弃、矿产耗竭 。该系统结构和功能的变化极大地
受着矿 山生产的性质、规模及服务年限的影响
研究表明，大型露天矿生态系统演变分为 3个阶段 、4个类型，如图 2所示。由原瞻弱生态演变为极度
退化生态为第 1阶段，即矿区生态系统破损阶段f由极度退化生态演变为生态重建雏形为第 2阶段，即矿
区生态系统雏形建立阶段 I由重建生态雏形演变为重建生态相对稳定型为第 3阶段 ，即矿 区生态系统动态
平衡阶段。第 1阶段为结掏、功能完全丧失过程 ，并产生较大的负效益 (不考虑从 系统 中摄取的采矿利润)。
第 2阶段为结构与功能骨架恢复与调整过程 ，其主要目的是重塑地貌 、再造土体、改善生境 ，所采取的措施
主要是起水土保持 、防风固沙等 防护性功能 ，故产生的效益只能是以生态效益为主 同时，此阶段的社会效
益也仅仅体现在减轻 自然灾害方面．如保护新造土地不遭沟蚀破坏与石化 、沙化 ，减轻矿区下游洪涝灾害
与泥沙危害等，此阶段也可能获得少量的经济效益 。第 3阶段为结构合理 、功能高效 的持续过程，此阶段园
保水、保土效益 及生态效益较好，矿 区生态系统已具有 生产性 功能的基本条件，即可考虑以经济效益为主
维普资讯 http://www.cqvip.com
6期 白中科等：大型露 煤矿 态 系统爱损研究 乎蛔露天煤矿为例 873
导 同时，此阶段的社尝效益 仪体现在减轻 自然灾害上 ．而Ⅱ 已上升到促进社会进步，如改善农业基础 殳
施，提高土地生产率 ，使失去上地的矿区农 民重返家周 ．调整土地利用结掏和 农村生产结构 ，适应市场经
济．提高环境质量，缓解人地矛盾．促进脱贫致富奔小康 等。此阶段 ．才可能是矿区经济效益、生态教益和社
会效益高度统一阶段 ．同时，由围 3可知栗取台理的生态恢复重建方案可随少破坏阶段的效益损失、缩短
重建生态雏型和重建生巷相对稳定型的形成时间
图 3 矿区生态重建效益演变示意图
Fig 3 A sketchⅡLa。of benefit from eco]oglcal rehahd
itation in mined area
一 ～ 不台理的重建方案 Irratlona[rehablfitated p【a
— — 台理的重建方案 Ratlona[rehabilitated pIan
固矿区生态系统演变的第 2阶段和第 3阶段必顽
建 在第 1阶段的基础上，故本文将第 1阶段的研究
作为重点 ．此阶段 ．其生态受损引发因子包括函挖损，
时原地表形态、地层层序、生物种群的直接破坏，原 生
态 采统不复存在 ；②压占 ．挖损产生的废 弃岩土直接 堆
置于原地貌上 ，造成原生态系统的丧失。@ 占用 ，原有
的土地利 用类型变为容纳厂房、选煤场、运煤 铁路 、排
土道路、供电通讯线路以及给排水管道的工业， 场 ．这
部分土地的占用仍然发挥着土地的使 用价值 ，但 占用
过程会造成水污染和粉尘污染等。④污染，挖损、压 占
和 占用过程中的粉 尘污染、水土流失以及酸性 、碱性、
毒性物质通过径流水对周围土地 、水 系和大气造成的
污染，其影响面积超过矿区生产作业区=4个因子中．挖
损和压占是直接的引发固子。
3．2 矿区生态系统受损特征
3．2．1 受损生态系统的时空扰 动 表 1比较了当代走型露天开采和 往小型露天 开采的不同，町 看
出 ，采矿使用的机械铲斗容由 3～4m 发展为 24m ，大 6～8倍 {运输卡车载重由 27t、60t发展为 1 54t、190t，
载重增长 3～7倍}年产原煤由 50万 t、100万 t发展为 i000万 t、1200万 t和 1500万 t，增长 10～30倍 ，即
日前一个大型露天矿 的采煤量相 当于 80年代 l0t15个统配露天矿的产煤量 、2O～30个地方露天煤矿 的
产煤量 据统计，21世纪露天采煤规摸和设备更趋大型化 。因此 ，原生态系统的醯损程度将 随着采矿规模
和设备的大型化发生明显的变化 ，以 ATB矿为倒说明。
ATB矿服务年限 92a，开采期 内将至少触及 4代人的生存空间；水平直接扰动面积 60km ，垂直挖损深
度 lOOt150m，垂直堆垫高度 3O～150m，故大气圈、土壤圈、岩土 圈、水圈、生物 圈在矿区的那部分几乎垒
被扰动。另外 ，截至 1 996年 ，因采矿需搬迁 6村 、518户、21 57人 ，搬迁 2个煤广(年产原煤 29万 t)、1个砖
厂(年产 1800万块)、1个瓷厂 (年产 180万套 )，征地 2481．4hm。，加之文物探挖、附着物赔偿等 ，共需费用
约 1．5亿元。故大型露天开采不仅严重扰动 自然环境 ，而且严重扰动了社会 与经济环境。如果连同AJL矿
和 D矿再相继动工，在未来的 lOOa左右 ，160km。左右的原生态系统将全部消失。
衰 1 当代大型露天开采与以往小型露天开采比较
Imble 1 A comparison between modern Isrge open-pit mining and trmltlonal small opeⅡ一pj‘mining
①Capacity of~hoveI F@Load oftruck【 Output of coal：④ n valuefrom 21 coalMine underthe unified allocation
system{@Mean value from 32 coal mine under the local aIocatlon sys r
维普资讯 http://www.cqvip.com
874 生 态 学 报 1 9卷
3．2．2 受损生态系统重组岩土结持状况 大约在 中更新世 ，矿 区是一十 以堆积作用为主的地质环境 ，黄
土类物质经过沉积、胶结 、固结形成厚度几十米至上百米较稳定 的黄土地貌。而新造的排土场属典型的人
工堆垫地貌 ，为松散介质体，在数年 内就堆垫形成 ，很不稳定。
衰 2 大型露哭矿与小型露哭矿捧±塌比较
Tl bJe 2 A COrnC OB betw~ dumping sites In Im3e open-pit ElS e and one8 In sta l 0 -pit mine
① Capacity 0f rock andloe．sI@Rate dumpingI⑨Rate of coveredland；④Base area{@Underlying surface of base．
* 山西阳泉露天铝矿排土场 1968~1990年统计 资料 Infor~ tion from Yangquaa Surface Bauxite Mine duing 1966～
1990{**ATB矿 1985～1998年统计资料及 AJL矿 1988~2019年统计资料 In：formationfromATBMine duing 1985~
1992 and AJL Mine duing 1988～ 2019
由表 2可知 ，大型露天矿排土场单位面积的岩
土容量为小型露天矿排土场单位面积岩土容量 的
1．4～2倍，但前者的排弃速率和占地速率却是后者
的数十倍 ，即填充同样的空间，大型露天矿要 比小
型露天矿快数十倍 。同时 由表 还可看出，大型露
天矿排土 场的基底面积一般也要 比小型露天矿排
土场的基底面积大数十倍 ，这就必然造成基底下垫
面多样化 ，加之排弃 橱空间分布很 不均 一．故对上
覆排弃层承载力不同 ，造成不同部位压缩沉降速率
不一，即所谓的。非均匀沉降 。据资料．一般排土
场的沉降率波动在 10 ～20 (沉降系数为 1．1～
1．2)之间 ，沉降过程 延续数年，但 在前 3年沉降量
可达 到 总沉 降量 的 80 ．且夏 季 >春秋 季 >冬
季 ：，故排土场重组岩土颗粒 间结持松散、容 易变
形
3．2．3 受损生态系统地面形态及地层层序 由图 4
可知 ．ATB矿原地貌是低山丘陵地貌 ，其地面形态多
样，有平地、缓坡、陡坡、沟壑 、河漫滩等 而堆垫形成
的排土场呈平 台、边坡相 间分布的阶梯式地形 ．相对
高度 100t150m，台阶坡 面高度 20～40m，台阶坡面
角>30。 故排土场除少部分排弃运输路面为 5～15。
的缓坡外，再很少有过蘸坡面 同时，由图 5中的地层
Z
担
t350l 地层柱状钻孔
一 薹
1450 地层栏状钻孔
图 4 ATB矿地形断面示意图
Fig．4 A sketch map showing landform section ATB
Mine
a原地貌 Original landform。b外拌土场 Occupied dump—
ing 。c内排土场 Filled dumping．f1)地层柱状钻孔。(2)煤
层
柱状 图可看出，原地貌地层层序为 C ·C⋯P N _Q Q ，而堆垫形成的外排土场是在原地层层序上增加了一
十高 l∞～150ra的岩土混合排弃层，内排土场是在缺损原地层层序 C。·P N-Q-·Q 的情况下，在 C 上添
加了一十 300~350m 左右的岩土混合排弃层 。故排土场地层层序缺损或紊乱。
3．2．4 受损生态系统地表物质组成及其性状 原地貌地表被第四纪黄土广泛覆盖 。但 由于采矿对原地层
不同岩土层的彻底扰动 ，使排土场地表物质组成，绝大部分为赋存于表土下的数十米厚的土状物质和石状
一￡一i _
维普资讯 http://www.cqvip.com
6期 白中科等 大型露天煤矿生态系统受损研究—— 以平朔露天煤矿为倒 875
物质，即有黄土 、红土 、红黄土 、土石混堆物 、易风化的炭质页岩、泥岩和难风化的砂岩、砾石及少量废煤等。
对赋存 43．Om范围内的黄土母质及易风化的矸石分段采样后进行分析化验 ，结果表明，有机质 1．4～
3．8g／kg ：9)，全氮 0．12～0．24g／kg(n：9)，全磷 0．29～0．55g／kg(n：9)．全钾 14．O～21．1g／kg( ：9)·
速氮 l1．0～18．Omg／kg(n：5)，速礴 2．2～6．7mg／kg(n：9) ，故除钾外植物所需养分更趋贫乏。同时 ，由
于洗煤矸石台硫 1．07 ～3．19 ，如果集中堆放 、暴露地表 ．将会引起 自燃及土壤酸化。另外，由于本矿岩
土堆垫采用载重 l54～190t的重型卡车，此类卡车载重和规格已超过国家公路运输 网络标准 ，所以称为“非
公路卡车”(of high—way dump trucks) 因此，虽然捧土场整体岩土结持松散 ．但其平台地表却严重压实 ，
容重 1．6～ 1．9g／cm。，比原 生境大 0．2～0．5g／cm ；稳渗 率为 0．16～0．28ram／rain．比原 生境 小 0．12～
0．84ram／rain)根系穿透阻力为 30~60kg／cm ，比原生境大 23．88~57．87kg／cm ；径流系数高达 68．8 ．是
原生境的 2．9～6．1倍 。故排土场地表物质更趋复杂、土壤理化性状更加恶化 。
圈 5 ATB矿地层柱状示意图
Fig．5 A ske~h map s~ wing geologic columm of
ATB mine．
a原地 貌 Original landform，b外 排土 场 Occupied
dumping 内排土 墒 Filled dumping，(1)地层名静，
(2)地层柱状．(91平均厚度 ．(4)岩土混排层
3．2．5 受损生态系统的稳定性 及抗逆 能力 研究表
明．矿区受损生态系统的稳定性 及抗逆 能力决定于该
系统 的生境稳定性和植被恢复状况，尤其是排土场边
坡稳定性更为重要。由于排土场边坡较陡，表层覆土松
散 ．养分缺乏 ，加之降水量少且暴雨集 中．天然植被侵
入极少 ，盖度不到 lO ，极易侵蚀 如 1994年 6～8月
期间 ，共降雨 10次 ．累计 331mm．边坡水蚀模数累计高
达 27530t／km (按 土壤 侵蚀强度分级 指标，>1500Or／
km 为剧烈侵蚀)，其中 23000t／km 是在百年不遇 的一
次暴雨中发生．为人工植被边坡水蚀模数的 6．9倍。同
时，由于平台严重压实 ，径 流汇集 边坡 ，平均切沟溯源
侵蚀速度为 5．7m／a，是原地貌 的 7．4倍．加之排土 场
初期 压缩沉降剧 烈 ，如果工 程措施 不宜，导致径流紊
乱 ，极易发生崩塌、滑坡、泥石流等地 质灾害。故受损生
态 系统生境授差，对 自然灾 害抵 抗能力更弱 ，天然 植被
恢复无法使系统发生顺 向演替 。如果人工植被速度赶不
上，将会加剧新的侵蚀地貌形成。此种极度受损的生态
系统 ，必须借助人工支持和诱 导．首先进行 控制水土
流失、改善生境为核心的植被 重建工 程，才能遏止其再
度恶化 故其生态系统受损控制对策不仅需要引进与矿
区生态恢复重建有关的传统技术，更需要针对出现的新问题 ，研究新技术
参考文献
[1] 张艋缓 当代露天开采与发展 ．露天采煤技术 ．1994，(4)；l～7．
[2] 罗菇权 ．未来二十年中国露天煤矿的开发设想 ．能源基地建设 ，1999，(4) 3～5．
3] 罗德权 ．中国露天煤矿的可持续资源估计 ．露天采煤技术 ．1995，(2)：2～6．
[4] 中国科学院南京土壤研究所 ．土壤理化分析 ．上海；上海科学技术出版社·1981
[5： 安太量露天煤矿土地复垦协怍组编 ．黄土高原地区露天煤矿土地复垦研究论文集(第一集)·北京 中国科学技术
出版 社 ，1995．
[9] 白中科，赵景迪．朱荫泪 ．试论矿区生态重建 ．自然资源学报 ．1999，14(1)：35～41
[7] 苏文贤 ．高台阶排土场的稳定性 ，矿山技术 ，1988-(9) 11～16．
维普资讯 http://www.cqvip.com