一种废弃矿山生态修复系统及修复方法与流程

1.本发明涉及矿山生态修复技术领域，特别是涉及一种废弃矿山生态修复系统及修复方法。


背景技术：

2.矿山开采，尤其是露天开采作业，破坏了山坡土体结构，导致植被消失和水土流失；而且，矿山废渣中的有害成分进入土壤中，造成土壤酸性污染和重金属污染等。废弃矿山生态修复成为备受关注的环境治理难题。
3.如申请公布号为cn105961120a、申请公布日为2016.09.28的中国发明专利申请公开了一种适用于干旱区矿山生态修复边坡植被快速修复方法，具体包括以下四部分：坡面防护方法、设置集水装置、进行土壤改良、进行植被配置；首先，对边坡进行台阶式削坡，每一级平台内侧设生态截水沟，台阶上每隔一定距离设置沉沙池与集水坑；集水坑内安装集水装置，与沉沙池、截水沟相连接，集水装置另一端设可控排水口，与坡面灌溉系统相连接；平台与坡面均覆土，每一级平台开挖种植穴，每一级坡面采用生态袋+生态毯的方式，将土壤改良剂与异地客土混合，填充于种植穴、生态袋和生态毯中，为植物生长提供良好的水肥条件；选择适宜的乔灌草进行植被配置。
4.现有技术中的适用于干旱区矿山生态修复边坡植被快速修复方法采用了在边坡的每一级平台内侧开设截水沟的设计，用以收集坡面径流，为旱季灌溉提供水源，防止坡面冲刷减少水土流失。
5.但是，由于山体表面多为裸露的废矿石和矿渣等，雨水下渗后会溶入废矿石和矿渣中的酸性成分，将收集的坡面径流直接用于植被灌溉，则容易造成植被的中毒枯死。因此，现有修复方法仅能够使边坡短时间复绿，无法有效地消除废矿中有害成分的长期危害，土壤和水源受到长期污染的风险大，不能从根本上实现废弃矿山的生态修复。


技术实现要素：

6.（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种废弃矿山生态修复系统及修复方法，解决了现有修复方法仅能够使边坡短时间复绿，无法有效地消除废矿中有害成分的长期危害，土壤和水源受到长期污染的风险大，不能从根本上实现废弃矿山生态修复的问题。
7.（二）技术方案本发明提供如下技术方案：废弃矿山生态修复系统包括设置于边坡上部的围堰结构、设置于坡脚的挡坝结构，以及设置于所述围堰结构与所述挡坝结构之间的多个导流板，多个所述导流板沿坡面斜向下延伸布置；所述围堰结构围设于所述边坡的坡面外侧，所述围堰结构与所述边坡之间形成第一容置腔，所述第一容纳腔中沿所述围堰结构的内轮廓间隔设有多个支撑板，以分隔形成
不同的储料仓，所述支撑板的下部预埋在所述边坡中，所述支撑板的上部与所述围堰结构固定连接；所述围堰结构的下部开设有多个通孔，所述通孔与对应的所述储料仓连通设置，所述储料仓中堆积有碱性混合料，所述碱性混合料的上部覆盖有透水布，所述碱性混合料包括煤渣、粉煤灰和石灰，且不同所述储料仓中的碱性混合料的成分比例不等；所述挡坝结构围设于所述边坡的底部外侧，所述挡坝结构与所述边坡之间形成第二容纳腔，多个所述导流板在所述第二容纳腔的内侧间隔分布，以分隔形成多个修复区，且不同的所述修复区与对应的储料仓相连通；所述第二容纳腔中自下而上依次堆积有矿渣层、活性炭层、秸秆木屑层、客土层和腐殖层；所述挡坝结构的外侧还设置有土壤监测站，所述土壤监测站中安装有土壤检测仪，以检测多个所述修复区的酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量。
8.优选的，所述围堰结构为弧形围堰结构，所述弧形围堰结构的中部朝所述边坡的外侧凸出设置，所述弧形围堰结构的两端以及下侧嵌固于所述边坡中；所述弧形围堰结构的外侧还固定有多个斜撑支脚，多个所述斜撑支脚沿所述弧形外墙结构的外轮廓呈间隔分布，且所述斜撑支脚的下部嵌固于所述边坡中。
9.优选的，所述斜撑支脚与所述支撑板为一体成型的三角形支板，所述弧形围堰结构、所述三角形支板均为预制式混凝土构件；所述弧形围堰结构的下部开设有多个第一卡槽，所述三角形支板的顶角处开设有第二卡槽，所述第一卡槽与所述第二卡槽呈十字榫接配合。
10.优选的，所述第一容置腔中设有四个所述储料仓，四个所述储料仓依次分别为第一储料仓、第二储料仓、第三储料仓和第四储料仓；在四个所述储料仓中，所述煤渣的成分占比呈等差关系设置，和/或所述石灰的成分占比呈等差关系设置。
11.优选的，所述第一储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为3：3：4，所述第二储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为4：3：3，所述第三储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为5：3：2，所述第四储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为6：3：1。
12.优选的，所述挡坝结构为弧形挡坝结构，所述弧形挡坝结构的中部朝远离坡脚的方向凸出设置，所述弧形挡坝结构的两端以及下侧嵌固于所述边坡中；所述导流板为分体式结构，其包括至少两个长条板和一个梯形板，所述梯形板与所述第二容纳腔的横截面凹凸配合，两个所述长条板之间、所述长条板与所述梯形板之间均设有锚桩，所述长条板、所述梯形板分别与所述锚桩可拆连接。
13.优选的，所述矿渣层与所述活性炭层之间还设有隔离网，所述隔离网的网孔小于活性炭的粒度，所述活性炭层的厚度沿远离坡脚的方向呈逐渐减小设置，所述活性炭层的平均厚度介于100mm至400mm之间。
14.优选的，所述秸秆木屑层为秸秆打底、木屑均铺而成，其中，所述秸秆包括麦秸、玉米秸、稻草和杂草，所述秸秆的打底厚度不小于200mm，所述木屑的均铺厚度不小于100mm。
15.优选的，所述挡坝结构的外侧下部设有多个取样口，多个所述取样口分别与对应的所述修复区相连通，所述取样口用于供所述土壤检测仪获取所述修复区的土样。
16.应用于上述废弃矿山生态修复系统的修复方法，包括：s1、削坡降陡，先清理边坡
的表面废矿石和矿渣，使整个坡面的斜度介于15
°
至45
°
之间的任意角度；s2、按照围堰结构的轮廓形状和支撑板的数量，在坡顶开凿出设定深度的凹槽，将所述围堰结构和多个支撑板嵌固在坡顶位置；s3、在所述围堰结构的外侧固定安装多个导流板，多个所述导流板沿坡面斜向下呈外扩形布置，直至多个所述导流板的下端延伸至坡脚位置；s4、将坡脚的废矿石和矿渣朝靠近坡面的一侧聚拢，清理平整出施工区，以构建挡坝结构和土壤监测站；s5、向所述围堰结构中堆积碱性混合料，各个储料仓中的碱性混合料的成分比例不等；向所述挡坝结构中自下而上依次堆积矿渣层、活性炭层、秸秆木屑层、客土层和腐殖层；s6、运用土壤检测仪监测各个修复区的土壤酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量，经过三个月至十二个月的培育期，调整各个储料仓的碱性混合料的成分比例，使各个修复区的土壤达到最佳状态；s7、清理所述围堰结构内残留的碱性混合料，在所述修复区种植乔、灌、草或藤类植被。
17.（三）有益效果与现有技术相比，本发明提供了一种废弃矿山生态修复系统及修复方法，具备以下有益效果：该废弃矿山生态修复系统包括围堰结构、挡坝结构以及多个导流板，围堰结构设置于边坡的上部并形成有第一容置腔，在第一容纳腔中堆积有碱性混合料，挡坝结构设置于边坡的下部并形成有第二容纳腔，在第二容纳腔中堆积有修复土；导流板介于围堰结构和挡板结构之间，在边坡上构建出了多个流道，供溶解有碱性混合料的雨水沿流道自上而下冲刷边坡，对山体边坡起到酸碱中和的作用。
18.其中，煤渣不仅与粉煤灰、石灰共同组合成了碱性混合料，雨水先冲刷碱性混合料，石灰和粉煤灰的碱性成分溶入雨水中变为碱性雨水，通过坡面排水对整个边坡起到酸碱改良的目的。而且，煤渣具有良好的透气性、透水性和吸附特性，当雨水冲刷碱性混合料时，通过煤渣可对碱性雨水进行初步吸附过滤，避免了粉煤灰中的重金属成分进入修复系统内，防止碱性雨水冲刷边坡时可能引发二次污染。
19.另外，在煤渣粉化后，主要固体颗粒为二氧化硅成分，随着雨水进入坡面并填充缝隙，并提供了植被生长所需的氮、磷、钾元素，可加快边坡的土质化改良。而且，修复区中包含有活性炭层、秸秆木屑层、客土层和腐殖层，活性炭层可吸附边坡排水中的重金属成分及其它有毒成分；秸秆木屑层位于客土层的下侧，木屑具有极强的吸水性和无污染性，能够满足了客土层长期保水保墒的要求，腐殖层为修复植被的生长提供必要的有机质。
20.在生态修复系统建成后，运用土壤检测仪监测各个修复区的土壤酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量，经过三个月至十二个月的培育期，调整各个储料仓的碱性混合料的成分比例，使各个修复区的土壤达到最佳状态；最后，清理围堰结构内残留的碱性混合料，在修复区种植乔、灌、草或藤类植被。该系统能够有效地消除废矿中有害成分的长期危害，避免了土壤和水源受到长期污染，从根本上实现了废弃矿山的生态修复。
附图说明
21.图1为本发明的废弃矿山生态修复系统的具体实施例中废弃矿山生态修复系统的立体示意图；图2为本发明的废弃矿山生态修复系统的具体实施例中废弃矿山生态修复系统的剖视示意图；图3为本发明的废弃矿山生态修复系统的具体实施例中围堰结构与三角形支板的分解示意图。
22.图中：1-围堰结构、10-储料仓、11-三角形支板、110-第二卡槽、111-穿孔、12-通孔、13-第一卡槽、14-煤渣、15-粉煤灰、16-石灰；2-挡坝结构、20-修复区、200-取样口、21-矿渣层、22-活性炭层、23-秸秆木屑层、24-客土层、25-腐殖层、3-导流板、4-土壤监测站。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明的废弃矿山生态修复系统，如图1至图3所示，包括设置于边坡上部的围堰结构1、设置于坡脚的挡坝结构2，以及设置于围堰结构1与挡坝结构2之间的多个导流板3，多个导流板3沿坡面斜向下延伸布置；围堰结构1围设于边坡的坡面外侧，围堰结构1与边坡之间形成第一容置腔，第一容纳腔中沿围堰结构1的内轮廓间隔设有多个支撑板，以分隔形成不同的储料仓10。
25.支撑板的下部预埋在边坡中，支撑板的上部与围堰结构1固定连接；围堰结构1的下部开设有多个通孔12，通孔12与对应的储料仓10连通设置，储料仓10中堆积有碱性混合料，碱性混合料的上部覆盖有透水布（图中未示出），碱性混合料包括煤渣14、粉煤灰15和石灰16，且不同储料仓10中的碱性混合料的成分比例不等。
26.挡坝结构2围设于边坡的底部外侧，挡坝结构2与边坡之间形成第二容纳腔，多个导流板3在第二容纳腔的内侧间隔分布，以分隔形成多个修复区20，且不同的修复区20与对应的储料仓10相连通；第二容纳腔中自下而上依次堆积有矿渣层21、活性炭层22、秸秆木屑层23、客土层24和腐殖层25；挡坝结构2的外侧还设置有土壤监测站4，土壤监测站4中安装有土壤检测仪，以检测多个修复区20的酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量。
27.该废弃矿山生态修复系统包括围堰结构1、挡坝结构2以及多个导流板3，围堰结构1设置于边坡的上部并形成有第一容置腔，在第一容纳腔中堆积有碱性混合料，挡坝结构2设置于边坡的下部并形成有第二容纳腔，在第二容纳腔中堆积有修复土；导流板3介于围堰结构1和挡板结构2之间，在边坡上构建出了多个流道，供溶解有碱性混合料的雨水沿流道自上而下冲刷边坡，对山体边坡起到酸碱中和的作用。
28.其中，煤渣14不仅与粉煤灰15、石灰16共同组合成了碱性混合料，雨水先冲刷碱性混合料，石灰16和粉煤灰15的碱性成分溶入雨水中变为碱性雨水，通过坡面排水对整个边坡起到酸碱改良的目的。而且，煤渣14具有良好的透气性、透水性和吸附特性，当雨水冲刷
碱性混合料时，通过煤渣14可对碱性雨水进行初步吸附过滤，避免了粉煤灰15中的重金属成分进入修复系统内，防止碱性雨水冲刷边坡时可能引发二次污染。
29.另外，在煤渣14粉化后，主要固体颗粒为二氧化硅成分，随着雨水进入坡面并填充缝隙，并提供了植被生长所需的氮、磷、钾元素，可加快边坡的土质化改良。而且，修复区20中包含有活性炭层22、秸秆木屑层23、客土层24和腐殖层25，活性炭层22可吸附边坡排水中的重金属成分及其它有毒成分；秸秆木屑层23位于客土层24的下侧，木屑具有极强的吸水性和无污染性，能够满足了客土层24长期保水保墒的要求，腐殖层25为修复植被的生长提供必要的有机质。
30.在生态修复系统建成后，运用土壤检测仪监测各个修复区20的土壤酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量，经过三个月至十二个月的培育期，调整各个储料仓的碱性混合料的成分比例，使各个修复区20的土壤达到最佳状态；最后，清理围堰结构1内残留的碱性混合料，在修复区20种植乔、灌、草或藤类植被。该系统能够有效地消除废矿中有害成分的长期危害，避免了土壤和水源受到长期污染，从根本上实现了废弃矿山的生态修复。
31.在本实施例中，围堰结构1为弧形围堰结构，弧形围堰结构的中部朝边坡的外侧凸出设置，弧形围堰结构的两端以及下侧嵌固于边坡中；弧形围堰结构的外侧还固定有多个斜撑支脚，多个斜撑支脚沿弧形外墙结构的外轮廓呈间隔分布，且斜撑支脚的下部嵌固于边坡中。利用多个斜撑支脚固定连接于弧形围堰结构与边坡之间，对弧形围堰结构起到由外向内的顶撑作用，提高了围堰结构1的整体强度和耐久性，可确保在围堰结构1承受过大的土压力时，不至于出现损毁破坏的情况。
32.具体的，如图3所示，斜撑支脚与支撑板为一体成型的三角形支板11，弧形围堰结构、三角形支板11均为预制式混凝土构件，三角形支板11贯通设置有穿孔111，向穿孔111插入钢钎，从而将三角形支板11固定在山体上；弧形围堰结构的下部开设有多个第一卡槽13，三角形支板11的顶角处开设有第二卡槽110，第一卡槽13与第二卡槽110呈十字榫接配合。弧形围堰结构和多个三角形支板11均为预制式混凝土构件，预先在坡顶开凿出设定深度的凹槽，即可将其嵌固安装到位，简化了现场施工的作业难度，采用十字榫接实现了围堰结构1的组装，便于后期拆除和重复利用，满足了非永久性工程的实际需求。
33.其中，第一容置腔中设有四个储料仓10，四个储料仓10依次分别为第一储料仓、第二储料仓、第三储料仓和第四储料仓；在四个储料仓中，煤渣的成分占比呈等差关系设置，和/或石灰的成分占比呈等差关系设置。在本实施例中，第一储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为3：3：4，第二储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为4：3：3，第三储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为5：3：2，第四储料仓中的煤渣、粉煤灰和石灰的重量配比为6：3：1。
34.也就是说，在围堰结构1的内部沿其内轮廓依次为第一储料仓、第二储料仓、第三储料仓和第四储料仓，四个储料仓中的碱性混合料的成分比例不等，四种成分比例的碱性混合料用作对照试验，通过检测位于坡脚的修复区的土壤性质，从而得出最佳的碱性混合料的成分比例，以使整个修复区的土壤达到最佳状态。
35.以我国华北某废弃矿山为例，四个修复区（在六个月内）的ph值变化，如下表： 组一组二组三组四一月3.74.03.93.8
二月5.45.24.74.3三月6.56.35.65.0四月7.87.16.85.6五月9.08.77.25.8六月10.19.57.15.7煤渣14作为一种常见的工业废物，本方案中煤渣14具有良好的透气性、透水性和吸附特性，当雨水冲刷碱性混合料时，石灰16和粉煤灰15的碱性成分溶入雨水中变为碱性雨水，通过煤渣14可对碱性雨水进行初步吸附过滤，避免了粉煤灰15中的重金属成分进入修复系统内，防止碱性雨水冲刷边坡时可能引发二次污染。另外，在煤渣14粉化后，主要固体颗粒为二氧化硅成分，随着雨水进入坡面并填充缝隙，可加快边坡的土质化改良。
36.在本实施例中，挡坝结构2为弧形挡坝结构，弧形挡坝结构的中部朝远离坡脚的方向凸出设置，弧形挡坝结构的两端以及下侧嵌固于边坡中；并且，导流板3为分体式结构，其包括至少两个长条板和一个梯形板（图中未示出），梯形板与第二容纳腔的横截面凹凸配合，两个长条板之间、长条板与梯形板之间均设有锚桩，长条板、梯形板分别与锚桩可拆连接。导流板3的长条形板部分起到了构建坡面流道的作用，导流板3的梯形板部分起到了分隔第二容纳腔以构建修复区20的作用，采用分体式设计的导流板3便于现场施工，在整个修复系统建立后，可随时拆除并重复使用，降低了系统工程的成本。
37.作为进一步的优选方案，矿渣层21与活性炭层22之间还设有隔离网，隔离网的网孔小于活性炭的粒度，活性炭层22的厚度沿远离坡脚的方向呈逐渐减小设置，活性炭层22的平均厚度介于100mm至400mm之间。通过隔离网可防止活性炭颗粒下漏至矿渣层21的缝隙中，保证了活性炭层22的长期稳定可靠，而且，活性炭层22靠近坡脚一侧的厚度大，由于靠近坡脚一侧的坡面径流量大，确保能充分地吸附坡面排水中的毒害成分，避免直接下渗至土壤和水源中造成环境污染。
38.而且，秸秆木屑层23为秸秆打底、木屑均铺而成，其中，秸秆包括麦秸、玉米秸、稻草和杂草，秸秆的打底厚度不小于200mm，木屑的均铺厚度不小于100mm。秸秆打底可有效地隔离木屑和活性炭层22，防止出现木屑快速流失的情况，木屑具有极强的吸水性和无污染性，能够作为高效的保水材料，满足了修复区20中客土层24长期保水保墒的要求。另外，挡坝结构2的外侧下部设有多个取样口200，多个取样口200分别与对应的修复区20相连通，取样口200用于供土壤检测仪获取修复区20的土样。
39.应用于上述废弃矿山生态修复系统的修复方法，包括以下步骤：s1、削坡降陡，先清理边坡的表面废矿石和矿渣，使整个坡面的斜度介于15
°
至45
°
之间的任意角度；作为进一步的优选方案，确保削坡降陡后整个坡面的斜度为30
°
至40
°
之间的角度为佳。
40.s2、按照围堰结构1的轮廓形状和支撑板的数量，在坡顶开凿出设定深度的凹槽，将围堰结构1和多个支撑板嵌固在坡顶位置；具体的，为了简化了现场施工的作业难度，采用十字榫接实现了围堰结构1的组装，便于后期拆除和重复利用，满足了非永久性工程的实际需求。
41.s3、在围堰结构1的外侧固定安装多个导流板3，多个导流板3沿坡面斜向下呈外扩形布置，直至多个导流板3的下端延伸至坡脚位置；导流板3为分体式结构，导流板3的长条
形板部分起到了构建坡面流道的作用，导流板3的梯形板部分起到了分隔第二容纳腔，以构建多个修复区20的作用。
42.s4、将坡脚的废矿石和矿渣朝靠近坡面的一侧聚拢，清理平整出施工区，以构建挡坝结构2和土壤监测站4。
43.s5、向围堰结构1中堆积碱性混合料，各个储料仓10中的碱性混合料的成分比例不等；向挡坝结构2中自下而上依次堆积矿渣层21、活性炭层22、秸秆木屑层23、客土层24和腐殖层25。
44.s6、运用土壤检测仪监测各个修复区20的土壤酸碱度、重金属含量，以及氮、磷、钾含量，经过三个月至十二个月的培育期，调整各个储料仓10的碱性混合料的成分比例，使各个修复区20的土壤达到最佳状态；s7、清理围堰结构1内残留的碱性混合料，在修复区20种植乔、灌、草或藤类植被。
45.本发明的废弃矿山生态修复方法的具体实施例，与本发明的废弃矿山生态修复系统的具体实施方式中应用于该废弃矿山生态修复系统的修复方法相同，在此不再赘述。
46.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。