金属矿水土流失特点探析

2019-05-15孔东莲郭孟霞潘玉娟

中国水土保持 2019年5期

关键词：排土场金属矿尾矿库

孔东莲,郭孟霞,潘玉娟

(北京水保生态工程咨询有限公司，北京 100055)

1 金属矿项目特点

1.1 选址和开采方式具有唯一性

金属矿一般是根据地下是否有可开发利用价值的矿藏来选址(相关法律法规禁止开采的范围不包括在内)，没有选址的比选方案。开采方式主要根据矿床地质赋存条件、生产安全和经济效益来确定，矿床埋藏较浅则采用露天开采，埋藏较深则采用地下开采。

1.2 剥离岩土(废石)量大

金属矿露天开采工程在开采过程中矿石上部的岩土均须全部剥离排弃，除了在基建期大量开挖，在生产运行期也要持续不断开挖。据统计，我国冶金露天矿每年排弃废石量约5亿t[1]。通过对收集到的2000年以来水利部批复的55个金属矿项目水土保持方案和水土保持设施验收资料进行统计分析，得知其中的露天矿生产期年排土量最大的达1 575万m3，平均为1 000万m3。由此可见，露天金属矿在开采过程中产生了大量的废石。

1.3 排弃尾矿量巨大

受技术条件的限制，目前国内在开采加工金属矿产资源过程中，有用矿物的回收率比较低，综合利用水平也较差，导致产生的尾矿量比较大。一般而言，在黑色金属矿山中，尾矿量要占到入选矿石量的 50% ～80% ；有色金属矿山中，有用矿物的回收率仅为50%～60% ，伴生有色金属回收率也只有40% 左右，尾矿量占入选矿石量的 70% ～95% ；黄金、钼、钽、铌等稀有金属矿山中，尾矿量更是占到 99% 以上[2]，尾矿量巨大。所收集资料中，年最大排尾矿量9 775万m3，平均为979万m3，可见金属矿在开采过程中要排放大量的尾矿。

1.4 形成大范围采空区

地下开采在矿区范围内采掘地下资源，形成大量采空区，进而引发地面的沉降、塌陷，一般塌陷区面积是矿区范围的110%～120%[3]。地表塌陷极易造成地下水位下降、土壤干化、生态环境变化等，降低土地的水土保持功能，影响当地群众生产生活。

1.5 存在巨大的安全与生态隐患

尾矿的大量堆存，存在着巨大的安全与生态隐患。一方面，由于尾矿的大量堆存，占用了大量的土地资源，堆存的尾矿还易产生次生危害[2]；同时，尾矿的堆存也容易产生大量的扬尘，污染矿山及周边的生态环境；此外，尾矿的堆存还会破坏矿山的环境与生态系统，尤其在黄金及有色金属矿山，在尾矿堆放过程中有些重金属元素会随着喷淋水或雨水，流入到江河湖泊中或渗透到土壤中，造成重金属污染。

2 水土流失特点

2.1 造成的水土流失面广量大

金属矿尤其是露天金属矿在基建过程及生产过程中将会产生大量的废石弃渣及尾矿，须设置专门的废石场和尾矿库进行堆存。随着金属矿工程建成投产，剥离矿山面积增加，排土弃渣量增大，扰动的土地和植被面积持续增大，产生水土流失的面积也逐年增加。金属矿露天开采工程是各行业中单项工程土石方挖填量、地表扰动强度和面积最大的行业。例如，首钢水厂铁矿是首钢总公司的主要原料基地，自1968年建成投产至今，累计采出矿石量3.50亿t，累计剥岩量达到10.31亿 t；包钢公司白云鄂博铁矿西矿采选工程(1 000万t/a)建设期扰动地表面积达2 060.96 hm2；陕西大西沟铁矿工程在施工期间可能造成的水土流失面积为219.174 hm2，可能产生的土壤流失量为21.34万t，新增土壤流失量20.01万t，生产运行期的前7年可能产生的土壤流失量为10.67万t，新增土壤流失量7.57万t。

2.2 产生水土流失时间长

金属矿通常为采、选一体化的生产建设类项目，不同于其他类型的建设项目，水土流失不仅发生在建设期，在试运行期和运行期仍会产生大量的水土流失。金属矿的露天采场、排土场(废石场)和尾矿库均有持续排弃和破坏的特点，开挖面松散，堆积体裸露时间相对较长。金属矿在开采过程中露天采场不断持续推进，排土场和尾矿库持续增高堆放，水土流失防护措施难以及时布设，而且金属矿的服务年限相对较长。据统计，大型金属矿排土场和尾矿库使用年限最少为3年，最长达60年，平均服务年限为21.3年，由此可见金属矿水土流失时间较其他行业的更长。

2.3 易诱发剧烈的水蚀、风蚀和重力侵蚀

金属矿开采活动在地面和地下大幅度地扰动表土和岩层, 使地面植被和土壤受到严重破坏, 地面变得松散、裸露, 新的地貌取代了原有的地貌形态, 地面坡度的变化和松散物的增加使得侵蚀加剧，诱发性的水土流失普遍发生。在山区、丘陵区、风沙区的采矿活动一般分布在沟岸、河岸或山坡上, 开挖、爆破、剥离、堆垫等极易导致山坡、岸坡失稳[4], 诱发严重的水蚀和重力侵蚀。尤其是大量金属矿岩土和尾矿表面松散，堆积体不稳定和抗蚀力极差，在降雨条件下易产生水土流失，造成滑坡、泥石流，极端情况下发生溃坝，威胁下游人民群众及公共设施安全。如山西襄汾县新塔矿业有限公司塔儿山铁矿，因其尾矿库防护措施不当，违规超量堆放等，于2008年发生了特别重大的溃坝事故，造成277人死亡、34人受伤，尾沙冲毁耕地、道路、车辆、民宅等，受灾群众达1 047人，造成直接经济损失1 000余万元，以及无法估量的环境损失。图1为山西襄汾溃坝事故现场。

3 水土流失防治分区与防治重点

3.1 水土流失防治分区

为了科学合理地布设防治措施，根据项目主体工程布局、施工扰动特点、建设时序及时间、地形地貌特征、自然属性和水土流失影响因子等因素进行水土流失分区。露天开采的金属矿通常划分为露天采场区、工业场地区(含露天采矿工业场地、选矿厂和附属设施区)、排土场区(废石场)、尾矿库区、矿内外道路区、矿内外管线区、供电线路区和施工生产生活区8个区，地下开采的金属矿通常划分为工业场地区(含地下采矿工业场地、选矿厂、充填站和附属设施区)、排土场区(废石场)、尾矿库区、矿内外道路区、矿内外管线区、供电线路区和施工生产生活区7个区。无论是露天开采还是地下开采，金属矿采矿工业场地、选矿厂、生活办公区、其他辅助设施区和地下开采工程的充填站，其施工工艺、水土流失类型、水土流失主导因子相似，布设的水土保持措施比较相近，因此统一划归为工业场地区。

图1 山西襄汾溃坝事故现场

3.2 水土流失防治重点

结合金属矿的特点和水土流失特点，在基建期水土流失主要发生于工业场地等各场地的平整、表土剥离和道路修建，生产运行期水土流失主要发生在露天采场、排土场(废石场)和尾矿库。因此，金属矿建设期防治重点为工业场地，运行期防治重点为露天采场、排土场(废石场)和尾矿库。

3.2.1 露天采场

露天采场在开采过程中需要对采矿范围内的地表进行开挖，将地表附着的植被、表土全部剥离，分层分台阶自上而下开采，如图2、图3所示。露天采场在剥离作业过程中，对地表破坏极其严重，地表破坏面积随着采矿的向下深入而逐年扩大，产生水土流失的面积也逐年增加，直到矿山开采进入封闭圈。露天采场破坏面积大、开采面坡度陡、基岩裸露，造成了严重的水土流失，且恢复治理难，水土流失主要发生在生产运行期。

图2 黑龙江多宝山铜矿露天采场剥离作业

3.2.2 排土场(废石场)

排土场是人为形成的台阶状岩土松散堆积体(见图4)，其土壤结构、植被、地貌形态和组成物质同原地貌迥然不同，土岩体裸露时间长，易造成水土流失。排土场边坡受降雨影响形成的侵蚀沟，如防护不当，在降雨条件下极易造成滑坡、泥石流等灾害，是露天矿水土流失的主要发生地(图5)。据统计，我国排土场占地为矿山总占地面积的 35%～50%[1]，排土场的容量也越来越大大。根据收集的资料，单个排土场最大容量为3.4亿m3，平均达9 282万m3。金属矿的排土量逐年持续增加，扰动土地面积逐年增加，产生的水土流失量也在逐年增加，因此排土场是金属矿水土流失防治的重点区域。

图3 凤城翁泉沟硼铁矿露天采场施工现场

图4 凤城翁泉沟硼铁矿排土场

图5 毕力赫金矿区排土场边坡侵蚀沟

3.2.3 尾矿库

尾矿库是金属矿山采选建设项目工程建设内容的重要组成部分，用以贮存金属矿山进行矿石选别后排出的尾矿。该类尾矿多由散离体自然沉积形成, 具有非均质、各向异性及坝体复杂多样性等特点[5]，不仅数量大，而且矿物成分复杂，部分尾矿还含有有毒物质，植物难以生长，在降雨条件下极易产生水土流失(图6)；尾矿渣或以矿浆形式由选矿厂排出，或以干沙状态排出，极易形成风蚀(图7)，会对周围环境造成严重污染，破坏当地生态，威胁下游安全。