矿区植被恢复策略及装置设计

Vegetation Restoration Strategy and Device Design in Mining Areas

摘要

针对矿山生态修复面临的地形复杂、土壤贫瘠、效率低下及专用装备缺乏等问题，需要开发一种高效、低成本、适于机械化作业的矿山植被恢复的新方法，以克服传统技术的局限性。为此，提出一种创新型矿区植被恢复策略，该策略的装置由育种绳和铺设装置2个模块组成，育种绳可以预先在工厂进行标准化生产，然后通过铺设装置将育种绳铺设在植被修补处。通过植树效率和经济效益评估其植树恢复效果。研究表明，新方法种植效率达200~260 m²/h，综合成本约为50元/m²。在治理矿区时，新方法耗时比挂网喷播等技术耗时少，陡坡大的工况下优势更显著。动力学仿真验证，驱动轴工作扭矩小于12.2 kN·m，满足强度设计要求，液压系统最大载荷小于25 kN且留有充足裕度，表明装备核心部件的可靠性。该育种绳技术与配套装备，为矿山生态修复提供可量化、可推广的高效解决方案，该方案显著提升了植树效率及经济效益，对推动矿山绿化从人工模式向机械化、规模化转型具有重要意义。

Abstract

Mine ecological restoration faces challenges such as complex terrain， poor soil quality， low efficiency， and a lack of specialized equipment. This study aims to develop a new， efficient， low-cost， and mechanization-friendly vegetation restoration method for mines to overcome the limitations of traditional techniques. An innovative vegetation restoration strategy for mining areas is proposed. The device of this strategy consists of two modules： a breeding rope and a laying device. The breeding rope can be pre-produced standardized in factories and then deployed at vegetation restoration sites using the laying device. The effectiveness of afforestation restoration is compared in terms of efficiency and economic benefits. The study demonstrates that the new method achieves a planting efficiency of 200-260 m²/h， with a comprehensive cost of approximately RMB 50 per square meter. In mine restoration， the new method requires less time compared to techniques such as spray seeding with mesh reinforcement， with its advantages becoming more pronounced on steeper slopes. Kinetic simulations verifies the reliability of the core components of the equipment： the working torque of the drive shaft is less than 12.2 kN·m， meeting strength design requirements， and the maximum load of the hydraulic system is less than 25 kN with sufficient margin. The breeding rope technology and its supporting equipment provide a quantifiable and scalable efficient solution for mine ecological restoration. This approach significantly enhances afforestation efficiency and economic benefits， playing a crucial role in advancing the transformation of mine greening from manual methods to mechanized and large-scale operations.

Graphical abstract

关键词

矿山生态恢复 / 机械化作业 / 种植效率 / 育种绳 / 铺设装置 / 陡坡工况 / 成本分析 / 仿真验证

Key words

Mine ecological restoration / mechanized operation / planting efficiency / breeding rope / laying device / steep slope condition / cost analysis / simulation verification

0 引言

随着工业化进程的加速，矿山资源的开发在促进经济发展的同时也给生态环境带来了土地荒芜、水土流失和生态失衡等问题，在这种背景下，矿山生态恢复方法的研究具有极其重大的意义。矿山植树可以高效地在矿山地区进行植树造林，通过树木的根系固定土壤，减少水土流失^［1］。树木的枝叶还能阻挡雨水的直接冲刷，降低水流速度，从而减轻水土流失的程度^［2］。同时，树木在生长过程中会吸收空气中的二氧化碳，释放氧气，改善空气质量^［3］。矿山资源是有限的，一旦资源枯竭，矿区的经济发展将面临困境^［4］。通过矿山植树进行矿山生态修复，可以为矿区带来新的发展机遇。例如，修复后的矿山地区可以发展生态旅游、林下经济等产业，实现资源的可持续利用^［5］。同时，良好的生态环境也有利于吸引投资，促进矿区经济的转型和升级。然而，矿山植树的研究也面临着一些挑战。例如，矿山地区的地形复杂，土壤条件恶劣，对植树方法的适应性和可靠性提出了更高的要求^［6］。当前国内外在矿区植树装备的研究方面较薄弱，在国内外专用的矿区植树方法仍然是空白，尚未发现有正式的产品大规模用于生产^［7］。而现有的矿山技术如挂网喷播绿化、生态袋防护、三维土工网垫植草护坡、鱼鳞坑蓄土绿化和飘台绿化等有一定的局限性。

根据上述问题，本研究提出一种能够用于矿山植树的新型方法。该方法的预期结果能够解决矿山地区造林效率不高、缓解矿山造林劳动强度大的问题，进一步提高矿山植树造林效率^［8］，可以减少对人力的依赖，有效降低劳动成本，降低植树困难，并且可以快速地实现矿山复绿。

1 植被修复策略

根据现有矿山复绿技术的局限性，本研究提出一种新型的矿山植被恢复方法，该方法通过育种绳预先培育树苗和机械铺设，从而实现矿山复杂地形的快速生态恢复。首先通过工厂实现育种绳的生产和树苗预先培育，将筛选处理好的种子放在培养钵中进行培育，待树种萌发到树干有5~10 cm后将整个培养钵放在已经生产的育种绳中，育种绳中提前填充培养土。然后将育种绳缠绕到矿区植被铺设装置上，该装置通过液压控制机器运行，使滚筒转动，将育种绳沿着矿山自上而下地铺设，铺设装置滚筒上育种绳铺设完成后，可以替换另一个滚筒，实现工作的连贯性。育种绳内的土壤形成天然“微型水库”，雨季蓄水、旱季释以维持幼苗存活；根系则沿引导腔向岩缝深处延展，逐步固结土壤并重建生态微循环，最终实现矿山岩壁的水土保持与植被连续覆盖。

1.1 植被育种方法

针对东北地区的矿区土壤贫瘠、环境恶劣的挑战，本研究将播种法与移植法相结合，以优化树苗早期生长。具体方法为：先将松树种子播种于培养钵中进行初期培育，待其根系初步发育完善后，再将树苗连同培养钵整体移植至特制的育种绳中，有效避免了传统移植法起苗时对根系的损伤。此策略成功的关键在于严格把控以下核心要素：品种选择依据矿区大陆性半干旱气候（春季风沙大、降水少且集中，土壤多为砂土或黏土）选定耐寒旱、土壤适应性强（能在酸性、中性及弱碱性土壤如沙质、黏质和壤土中生长）的松树^［9］；种子筛选与处理至关重要，需从健壮无病虫害的母树采集生理成熟的种子^［10］，经晾晒除杂（自然光风干燥并定时翻动防霉）、必要时控温烘烤（避免高温损伤）降低含水量，最后经清洁后妥善防潮防虫储存以保持活力^［11］；树种处理好后，在准备好的育种钵中进行培育，待生长5~10 cm时，移栽到育种绳上，其移植密度采用80 cm株距（研究表明，此间距下单株生物量最高，苗木品质更优）^［12］，培养钵内覆土厚度严格控制在0.5~1 cm，以利保湿并防止鸟兽破坏^［13］；培养土成分需科学配制，混合沙土、苗圃表土、森林腐殖质、火烧土、泥炭土，并添加菌根土、火土灰及过磷酸钙提升肥力，经精细混合和7 d堆沤发酵确保养分充分释放^［14］；育种绳由聚酯纤维无纺布制成（具透气透水性、可降解、耐腐蚀、成本低，利于根系发育和提高造林成活率）^［15］；设计长4.2 m、直径8 cm的管状，内部填充上述营养土，管体每隔80 cm开设4 cm孔位用于安放育苗钵，外部编织草绳加固（两端留余量便于连接）以增强结构稳定性防止破损，配重块用草绳缠于育种管前方，育种绳示意图如图1所示。

1.2 矿区植被铺设装置设计

1.2.1 装置总体设计

矿区植被铺设装置由底盘机构、滚筒机构、上层机架机构、下层机架机构、定位机构、带轮传动系统、提升架机构以及液压动力机构组成。其中，底盘机构是对整个机构起到运送作用，底盘机构与下层机架固连；滚筒机构通过与驱动轴连接放置在下层机架机构上；上层机架机构通过回转支撑结构与下层机架机构连接，其上有固定轴用来与液压杆连接，实现提升传递滚筒机构的作用；下层机架机构是由倾斜的面构成，实现滚筒在下层滚动传送；定位机构与下层机架机构连接，主要起到定位滚筒位置的作用；提升架机构主要是由提升架、销轴和液压连接座组成的，用来实现滚筒提升、传递滚筒的作用；带轮传动系统主要是为滚筒转动提供动力；液压动力系统主要是由液压杆、液压马达、液压泵和液压阀组成，主要是为整个机构提供动力的作用。装置总体设计的结构示意图如图2所示。

滚筒机构是整个机构的核心部件，需要对滚筒的轴结构进行计算，确保轴结构的强度和刚度满足工作时的需求，并综合考虑滚筒在工作时的不同运动状态变化，根据相关资料，选择45^#钢作为轴的材料，对其进行正火处理，以提高其韧性。驱动轴需要同时承受弯矩和扭矩，将带轮输出的动力传递给滚筒，需要对其进行轴径分析计算。轴在传递扭矩时会发生扭转变形，在设计轴径时，要求轴的单位长度扭转角小于许用扭转角^［16］，相对应的刚度条件为

{\phi }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{5.836}\times \frac{M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{G{d}^{\mathrm{4}}}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{6}}\le \left[\phi \right]。（1）

式中：{\phi }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为驱动轴的单位长度最大扭转角，°/m；M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为根据传动效率\eta计算的最大扭矩，N·m；G为驱动轴材料的切转模量，MPa；d为驱动轴的直径，mm；\left[\phi \right]为许用扭转角，对于悬臂梁许用扭转角\left[\phi \right]=0.35°/m。

其中，驱动轴根据传动效率\eta计算的最大扭矩M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}的计算公式为

{M_{\eta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{9}\mathrm{550}\frac{P_{\mathrm{N}}}{n}\eta。（2）

式中：P_{\mathrm{N}}为液压马达的额定功率，8.6 kW；n为驱动轴的转速，r/min；\eta为传动效率。

结合式（1）和式（2）可得出主驱动轴直径d₁需要满足的不等式为

d_{\mathrm{1}}\ge \mathrm{485.92}{\left(\frac{P_{\mathrm{N}}\eta }{Gn\left[\phi \right]}\right)}^{{}_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}}。（3）

除需校核刚度条件外，还需要校核驱动轴的强度，即要求轴上的最大切应力小于材料的许用切应力，根据相关资料，驱动轴的强度条件为

{\tau }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{\sqrt[]{M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{\mathrm{2}}+M^{\mathrm{2}}}}{W_{\mathrm{P}}}\le \left[\tau \right]。（4）

式中：M为轴上弯矩总和，N·m；W_{\mathrm{P}}为轴的扭转截面系数，对于实心轴W_{\mathrm{p}}=\frac{\mathrm{\pi }{d}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{16}}，{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}；\left[\tau \right]为材料的许用切应力，对于45^#钢\left[\tau \right] = 40 MPa。

按照强度条件计算驱动轴的直径d₂应满足不等式

d_{\mathrm{2}}\ge \mathrm{17.2}{\left(\frac{\sqrt[]{M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{\mathrm{2}}+M^{\mathrm{2}}}}{\left[\tau \right]}\right)}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}。（5）

查阅相关资料可知，45^#钢的切变模量G=7.94×10⁴ MPa，通过不等式（2）可计算出最大扭矩M_{\eta \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=12 176.25 N·m。通过不等式（3）与（5）可计算出主驱动轴直径的刚度条件为d₁≥59.8 mm，强度条件为d₂≥81.85 mm，取两者中的较大值，即轴径d≥81.85 mm。由于驱动轴要将链轮和滚筒连接，需要在轴上开键槽，为了使驱动轴具有足够的强度和刚度，即确保驱动轴有足够的安全系数，将驱动轴（阶梯轴）的最小直径设计为90 mm，中间段的直径设计为110 mm，最大直径设计为130 mm。

1.2.2 工作过程

矿区植被铺设装置的系统化作业流程包含3个紧密衔接的核心环节，确保育种绳在复杂地形中的高效、精准铺设。

第1阶段：滚筒预装与智能调度，在作业基地，工人将预制完成的育种绳紧密缠绕于2个专用滚筒上，并在绳体端部牢固系结圆柱形配重块，该设计确保铺设初始阶段育种绳能克服重力影响垂直下放至作业起点。通过精确计算矿山待修复区域的面积与坡度，系统规划所需育种绳缠绕长度。装载完成后，装置由专用运输车辆按施工序列运抵山顶作业平台，实现物料科学调度。

第2阶段：双滚筒协同铺设作业，装置启动时，在牵引车的牵引下，2个满载滚筒同步安装于特制支架。液压驱动系统精准控制滚筒转速，在滚筒转动过程中，配重块牵引首段育种绳垂直定位，随后滚筒持续释放绳体，使育种绳从山体上方自上而下均匀覆被岩壁。双滚筒配置形成连续供给能力，大幅提升单次作业覆盖范围。其中牵引车为轮式拖拉机或履带式拖拉机等通用的工程机械。

第3阶段：动态轮换与持续作业，当首位滚筒释放完毕，操作员启动液压切换机构，使第2滚筒立即接续工作；同时，第1个空滚筒被移栽至缠苗处，并迅速为其装填上预先准备好的育种绳。该循环系统通过人工补充-机械切换的协同模式，彻底消除设备待料间隙。整个过程形成"作业—替换—再装载"的闭环工作流，保障装置在全作业周期内实现无间断高效运行，显著提升矿山生态修复的工程效率与植被覆盖连续性。

2 策略分析

在矿山生态修复中，植被恢复技术的选择需要综合考量经济成本和实施效率。本研究运用MATLAB的数据处理与可视化能力，对当前主流的几种矿山植被恢复技术和新策略进行系统性的成本与种植速度的对比分析，从不同面积及相同面积不同坡度2个维度进行系统性分析，面积取1 000、5 000、10 000 m²，坡度取0°~30°、30°~50°、50°~80°。其中，主流的植被恢复技术的数据来自文献和工程案例，经MATLAB整理为技术、成本、时间和面积的结构化数据集。

2.1 现有矿区植被恢复方法

通过对文献和各省市矿山恢复报告的查阅，归纳现有的矿山植被恢复技术，主要有挂网喷播绿化、生态袋防护、三维土工网垫植草护坡、鱼鳞坑蓄土绿化和飘台绿化技术，其主要的技术内容、局限性、种植效率、成本^［17］和适用坡度见表1。

2.2 对比分析

通过计算和仿真分析得出，育种绳新技术绿化成本为50元/m²，种植速度为200~260 m²/h，通过对比新技术和现有表1中5种技术在不同面积和相同面积不同坡度下的成本和种植速度的关系，分析新技术的优势，其种植速度和成本情况如图3所示。由图3可以看出，在不同面积和相同面积不同坡度的情况下，育种绳新技术在成本和种植速度上都具有明显的优势。图4为不同面积的矿区及相同面积不同坡度下各种技术的完成时间，挂网喷播和三维土工网垫植草护坡时间是相同的，但是其完成时间都多于育种绳新技术，并且完成面积越大育种绳新技术的优势越明显，而且二者的成本都高于育种绳新技术。生态袋防护、鱼鳞坑蓄土绿化和飘台绿化完成的时间更长，不满足东北地区季节性种植的要求。

3 铺设装置工作稳定性分析

为了研究矿区铺设机构的滚筒是否具有良好的转动性，即能否在重力作用下顺利向前旋转，因此本研究采用基于机械系统动力学自动分析软件（Automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）对矿山铺设的滚筒机构向前旋转的运动过程进行动力学仿真。在仿真过程中，去掉装置的其余部件，本次试验主要仿真滚筒在重力作用下能不能沿下层机架滚动到指定位置和在带轮驱动下转动是否满足轴的设计要求。

3.1 导入矿山铺设装置模型

首先在SolidWorks中装配好模型，然后将模型导入ADAMS中，导入后定义重力加速度（9.8 m/s²）沿y轴负方向，因为模型在运动过程中变形很小，为简化计算，将滚筒机构的材料密度设计为2.85×10³ kg/m²，其余机构的材料密度设计为7.85×10³ kg/m²，导入的模型如图5所示。

3.2 添加矿山铺设装置约束与驱动

滚筒的转动仿真分为2部分，第1部分是在带轮的带动下进行转动的，第2部分是通过重力的作用使其滚动，根据动力学分析过程，第1部分将滚筒设置为转动副，给转动副添加1 r/min的转速，并且添加摩擦力。第2部分将第2滚筒设置于机架碰撞，设置摩擦系数为0.15，并且设计和定位机构碰撞。

3.3 运动仿真和结果分析

设计仿真步数为500步，其仿真结果如图6所示。

由图6（a）和6（d）可以看出，滚筒在运动的过程中位移x轴方向没有发生位移，符合设计要求，确保滚动时不脱离机架。由图6（b）—图6（f）可以看出，前后滚筒在y轴和z轴的质心变化符合工作过程中滚筒转动的运动状态。由图6（h）和6（g）上层机架液压杆和提升架液压杆的推力最大不超过25 000 N和900 N，选用的液压杆额定推力高于结果中的数值，所以满足设计要求，还有很大的裕度。由图6（i）滚筒的轴转矩小于计算时的转矩设计，所以设计的轴满足设计要求。

4 结论

本研究提出一种新型的矿区植被恢复策略，并且设计了铺设装置，用该铺设装置完成植被恢复工作，将其完成情况与现有的矿山植被恢复技术进行了对比分析，并通过仿真分析了该铺设装置的工作稳定性。

1）技术经济性优势显著。通过MATLAB对比分析5种主流技术，本研究提出的方法将综合成本控制在50元/m²，显著低于挂网喷播绿化100~500元/m²和鱼鳞坑300~600元/m²等高成本方案。同时，其种植效率达到200~260 m²/h，远超生态袋防护20~60 m²/h、鱼鳞坑蓄土绿化5~-20 m²/h等技术。在万平方米级别的治理面积上，新方法可缩短工期，经济成本上与种植效率上的优势随治理规模扩大而愈发明显。

2）装备设计与性能可靠。基于ADAMS的动力学仿真证实，所设计的铺设装置核心驱动轴工作扭矩小于设计值，安全裕度充足；液压系统最大推力不超过25 000 N，远低于额定值，运行稳定可靠。

3）创新性突出。本策略首次将“育种绳”概念与专用铺设装备相结合，创造了“预培育-机械化铺设”一体化的新模式，为国内外在矿山植树专用装备领域中提供了新的方法。

本研究为后续工作奠定了基础，但所设计装置目前仍存在一定局限性：1）当前装置对极端复杂地形（如倒倾坡）的适应性有待进一步验证；2）作为初期研究，装置的自动化与智能化水平尚有提升空间。

未来工作将聚焦于：1）优化装置结构，开发轻量化、模块化机型，以适应更狭窄的作业环境；2）集成远程遥控与自动驾驶技术，提升作业安全性与精准度。

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