淮南大通煤矿资源枯竭矿区生态修复技术研究

摘要

淮南为中国主要的煤炭生产基地，矿井关闭后有大量的废弃土地、遗弃厂矿等废弃遗留物，若不能很好地落实土地复垦与生态重建工作，会产生环境安全、人居安全等隐患。大通煤矿资源枯竭矿区为连接新老城区的中心区域，面积约5.7km2。鉴于研究区地理位置及其发展的重要性、紧迫性，开展淮南大通煤矿资源枯竭区生态修复技术研究，对提升区位经济结构，促进可持续发展有着重要意义，对其他资源型城市的资源枯竭矿井的治理开发也具有显著的借鉴价值。
　　本研究以大通煤矿资源枯竭矿区为研究对象，通过现场调查、取样及室内试验相结合的方法，利用地面瞬变电磁测试、网络并行电法技术对沉陷区地质稳定性进行了综合评价，对沉陷区损毁水系修复技术、生态修复技术和人工湿地构建技术等科学问题进行了研究。通过研究，主要得出:
　　(1)研究区水体稀少，水体大多为塌陷坑积水形成，水质均为Ⅴ或劣Ⅴ类，污染指标为TN、TP、COD、重金属。特别是大通湿地源头水质最为恶劣，可能受化工垃圾以及煤矸石渗滤液影响较显著，需要及时进行人工干预治理。
　　(2)综合利用了z-score标准化+主成分分析+聚类综合法，对研究区土壤养分进行了综合评价。结果表明:研究区内的土壤养分F值为-5.64～1.06，土壤养分状况属于缺乏～极缺乏。土壤重金属污染属于中～重度污染，重金属其中Cd、Cr污染严重。大通资源枯竭矿区人工恢复生态系统较为单一，尚未构成稳定的生态系统，而且植物体内重金属含量明显偏高。
　　(3)综合采用工程钻探勘—物理力学实验—综合地球物理探测手段，获得了废弃矿山采空区地表稳定性特征。结果表明，由于小煤窑的重复采动影响，导致研究区中部、东部采空区存在相对活化，此处仍属相对不稳定区，其它区域未曾受到小煤窑重复采动影响，经过数十年的残余沉降和覆岩再压密过程，上覆岩层已基本稳定。
　　(4)通过对湿地水循环基本过程、水文地质条件以及自然水循环要素性综合分析，研究了湿地水面面积、蓄水量与湿地入流量之间的响应关系，以大通采煤沉陷区封闭型湿地独有的水量平衡方程为基础，探讨湿地水面面积和湿地入流量之间的关系，构建大通湿地水循环模型。分析了造成湿地内水面面积与蓄水量少的主要原因，提出了改善湿地水文状态和生态状态的对策。
　　(5)针对该区地形地貌遭严重破坏问题，研究了大通资源枯竭矿区生态修复技术，主要包括地形重建技术、矸石堆基质剖面重构技术和污染控制技术等。通过上述技术的选择与使用，可使大通资源枯竭矿区植被覆盖，水质和生态景观得到彻底改善，形成景观效果良好、植物种类丰富、季相变化显著、生态系统多样、集休闲娱乐于一体的城市景观区。
　　(6)针对该区采石场土质坡面水土流失问题，研发了土质坡面三维植被网坡面修复技术。该技术不仅能够在采石场土质坡面成功构建以胡枝子、马棘和狗牙根为主的人工灌-草植物群落，而且能够有效地控制土质坡面的水土流失。该技术的优点在于将三维植被网技术中的无纺布覆盖改为遮阳网覆盖，克服了无纺布使用中的不足。不仅可用于建筑采石所形成的土质坡面，同时在坡度小于30°，水土流失较为严重的其他类型坡面也具有较好的实用性，即使是那些含有一定量碎石或砖块的建筑垃圾堆场、或者煤矸石堆等处仍然具有较好的应用潜力。
　　(7)针对该区化工垃圾渗滤液污染问题，研究设计了化工垃圾渗滤液处理技术，主要包括混凝沉淀和潜流湿地两个部分。首先采用混凝沉淀技术对渗滤液进行预处理，再导入人工湿地净化系统进行进一步处理。现场处理工程实施效果表明，渗滤液总氮的平均去除率达到了60％以上，氨氮的平均去除率高达72.75％，总磷的去除率为38.75％，高锰酸盐指数的平均去除率为20％左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外资源枯竭矿区修复技术研究进展

1．2．1 资源枯竭矿区生态环境修复技术

1．2．2 采煤沉陷区水资源及水生态修复技术

1．2．3 采煤沉陷区采动稳定性评价

1．3 主要研究目的、内容和技术路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第二章 研究区概况

2．1 位置和交通

2．2 自然地理

2．2．1 地形地貌

2．2．2 气象水文

2．3 地质背景

2．3．1 地层

2．3．2 地质构造与地震

2．4 开采历史

第三章 材料与方法

3．1 药品、试剂与仪器

3．1．1 药品、试剂

3．1．2 仪器设备

3．2 样品采集

3．2．1 水样采集

3．2．2 土壤样品采集

3．2．3 植被调查范围及调查方法

3．3 测试分析

3．3．1 水质分析项目与方法

3．3．2 土壤分析项目与方法

3．3．3 植被分析项目与方法

3．3．4 岩土体勘察取样方法

第四章 资源枯竭矿区环境质量评价研究

4．1 水体环境质量现状研究

4．1．1 水体中常规化学指标的含量

4．1．2 水体中重金属的含量

4．1．3 水体的环境质量评价研究

4．2 土壤的环境质量现状研究

4．2．1 土壤的肥力特征

4．2．2 土壤中重金属的含量

4．2．3 土壤中养分和环境质量评价研究

4．3 植物与植被的分布特征

4．3．1 植物和植被的分布特征

4．3．2 大通湿地公园植物和植被的分布特征

4．3．3 植物中重金属的含量

4．4 资源枯竭矿区的生态环境质量现状

4．5 小结

第五章 地质稳定性及水系修复技术研究

5．1 地质稳定性研究

5．1．1 岩土体工程地质性质

5．1．2 采空区综合地球物理探测

5．1．3 研究区地质稳定性评价

5．2 大通湿地水循环特征及水文状态

5．2．1 大通湿地水循环特性及人类活动影响分析

5．2．2 大通湿地水循环模型

5．2．3 大通湿地水系修复技术

5．3 小结

第六章 资源枯竭矿区生态修复技术研究

6．1 采煤沉陷区生态修复技术研究

6．1．1 采煤沉陷区的基本概况

6．1．2 大通采煤沉陷区生态修复技术集成

6．2 采石场生态修复技术研究

6．3 化工垃圾堆渗滤液治理技术研究

6．3．1 化工垃圾液混凝沉淀净化技术研究

6．3．2 化工垃圾液人工垂直潜流湿地处理技术研究

6．4 小结

第七章 结论与创新点

7．1 结论

7．1．2 地质稳定性及水系修复技术

7．1．3 生态修复技术

7．2 创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果