矿山开采产生的主要环境问题与防控手段分析

2020-07-17李昌明常国华李开明台喜生李昂孙海丽徐世健高天鹏

环境与发展 2020年6期

李昌明　常国华　李开明　台喜生　李昂　孙海丽　徐世健　高天鹏

摘要：我国矿山开采历史久远，为国民生产提供了大量的物质矿产资源，但是随着开采日益增长，所引发的环境问题也随之加重。本文根据大量调查资料综合分析，发现目前矿山开采过程中主要引发的环境问题有以下三类：（1）地质环境问题，例如地表塌陷、滑坡、泥石流;（2）资源环境问题，例如对水系、大气、土壤和景观资源的污染;（3）生态环境问题，例如污染物在食物链中的传递富集、生态系统各个界面的地球化学迁移。本文在总结上述三类环境问题的同时，提出了相应的预防、控制措施，以便在明确矿山环境问题诱发因素的同时，发掘精准的污染治理研究方向，保障产业经济绿色可持续发展。

关键词：矿山开采;资源环境;地质环境;生态环境;环境修复;可持续发展

中图分类号：X75 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）06-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.118

The main environmental problems in ore mining and its prevention and control measures

Li Changming1，4，Chang Guohua1，4，Li Kaiming1，4，Tai Xisheng1，Li Ang1，Sun Haili1，Xu Shijian3，Gao Tianpeng1，2，4

（1.College of Geography and Environmental Engineering，Lanzhou City University，Lanzhou Gansu 730000，China;2.College of Biology and Environmental Engineering，Xian University，Xian Shaanxi 710000，China;3.College of Life Science，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730000，China;4.Gansu Mining Area Pollution Control and Ecological Rehabilitation Engineering Research Center，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：China has a long history of mining， which provides a large amount of mineral resources for national production.Based on a comprehensive analysis of a large number of survey data， this paper found that there are three main types of environmental problems caused by mining.（1）Geological environment problems， such as surface collapse，landslide and debris flow.（2）Resource and environmental issues， such as pollution of water system，atmosphere，soil and landscape resources.（3）Ecological and environmental problems， such as the transfer and accumulation of pollutants in the food chain， and geochemical migration at various interfaces of the ecosystem.While summarizing the three types of environmental problems mentioned above， this paper puts forward the corresponding prevention and control measures. So as to identify the causes of environmental problems in mines and explore the precise research direction of pollution control， that ensured the green and sustainable development of industrial economy.

Key words：Mining;Geology environment;Resources environment;Ecological environment; Environment restoration;Sustainable development

我国矿产储量丰富，开采历史悠久。2004年以来我国铅锌矿产量增幅分别在15%和 12%，铅锌产量的增加主要是靠扩大采、选、冶企业的规模，此问题在我国西部地区更为突出，随着产量和需求的快速增长，资源匮乏、能耗增加和环境破坏问题也逐渐凸显出来[1]。截止到目前，我國各种工矿废弃地累计超过400万hm2，目前仍以每年 3.3万～4.7 万 hm 2 的速度增加[2]。而矿区受污染面积达到开采区域面积的 50 倍以上，且这些污染区一旦形成将很难治理和恢复[3]。本文就矿山开采过程中产生的资源、地质、生态环境问题做相关梳理，并提出了相应的预防控制措施，并归纳未来环境问题治理的重点研究方向。

1 矿区开采产生的三类环境问题

1.1 地质环境问题

矿山在开采过程中，采石场、铁路、公路修建产生的尾矿库、废石堆，以及煤矿开采产生的千石碓，会改变区域水热结构，影响地下水位和排灌系统[4-5]，进而诱发滑坡、泥石流等地质灾害。地下开采过程中，地下巷道、采空区出现应力集中，会使坑道变形，地表塌陷;露天开采产生的尾矿库、废石堆、排土场等改变了天然应力状态产生边坡失稳的地质隐患[6]。利用遥感调查与监测技术对我国矿山连续5年（2006—2010年）的研究中发现，监测各类地质灾害（点）累计6 596处，其中滑坡359处、崩塌170处、泥石流307处、地面（采空）塌陷293处（塌陷坑总计4 168个）、地裂缝855处、煤火自燃106处、工业石漠化338处，分别占总量的15%、7%、13%、12%、35%、4%和14%。发现矿山开采对地质环境严重影响区域面积达19 030 km2、较重影响区域达157 756 km2、一般区域面积达475 122 km2，分别占总量的3%、24%和73%[7]。

1.2 资源环境问题

矿产资源在被开采、发掘，实现其工业生产价值的同时，也会对其他土壤资源、水资源、空气资源、景观资源造成破坏，引发较为严重的资源环境问题。金属矿山开采过程中的重金属释放、迁移与转化是土壤、水和空气资源受到污染的主要来源[8]。以贵州汞金属开采为例，由于开采历史久远且开采量居全国第一，研究显示1994年以来，汞散布到大气的累计排放量达745 t，通过废水进入水生生态系统的排放量达40t，以废渣形势进入陆地生态系统的年排放量达 450t/a[9]。

由于矿山开采活动，给水资源带来的环境问题主要有，酸污染、盐化、重金属污染和化学药剂污染四大类：酸污染。硫化物型矿山所形成的酸性矿山废水（Acid mining water， AMW），在微生物的催化作用下硫化矿物与水、氧（例如硫铁矿石，FeS2+3.5 O2+H2O=Fe+2.0 SO42++2.0 H+）接触反应增加了水酸度，进而形成酸性废水。我国每年酸性矿山废水的排出量占全国工业废水总排量的10%[10-11]。重金属污染。指裸露的矿石收到风吹、日晒、雨水冲刷的风化、淋滤作用，矿石中的金属元素进入水体。另一方面，硫化物金属矿石所形成的酸性废水，在水中酸度增加的同时不光溶解了矿石中的铁离子，还可溶解锰、铜、镉、铅等金属元素，使得废水相对于地壳平均化学成分出现富集作用[12-13]，而进一步加剧水体资源的重金属污染。盐碱化。是指当采矿引起地下应力场变化，会使非含水层倒灌入地下水，盐分进入含水层，而另一方面酸性废水中高浓度的含酸量可进一步溶解Ca、Mg等使水分盐度、硬度增加。化学药剂污染。指矿石精选、冶炼、浸提等生产过程中所使用的化学药剂，例如活化剂硫酸铜，捕收剂黄药、黑药、白药，抑制剂石灰石、氰化物和硫酸锌[14]等，这些选矿工艺中外源添加物中，要么含有重金属离子，要么存在剧毒属性，也会随降雨、冶炼废水进入地表、地下水系。

由于矿山开采活动，给大气资源带来的主要环境问题有细颗粒物污染和携带有污染物的飞灰、扬尘。露天采矿及地下开采工作面的钻孔、爆破以及矿石、废石的装载运输过程中产生的粉尘、细颗粒物，废石场废石（特别是煤矸石）的氧化和自然释放出的大量有害物，可随扬尘、尾矿风化物扩散，在干燥气候与大风作用会产生尘暴等，部分污染物可随冶炼炉产生的高温废气扩散[15]。有研究显示进入大气中的汞在大气中的居留时间可长达0.5～2a[16]，成为参与全球大气循环的全球性污染物[17]。Vleeschouwer[18]研究发现大气中Pb的污染甚至能追随到罗马帝国早起矿物开采的时代。当然矿山开采、矿石冶炼过程中的爆破、研磨与运输等环节，均会产生噪声污染，根据周边居住人群敏感受体的密度，所产生的污染程度有所不同。

由于矿山开采，土壤资源的环境问题主要有两大类，土壤退化和土壤污染。土壤退化的主要诱因包括：露天开采过程中的表土剥离;露天开采与地下开采过程中，尾矿、排土场堆砌过程中对植被的破坏，通常情况下矿区附属面积是开采面积的5～20倍，有效土地资源受到侵蚀。土壤污染的来源主要包括：矿石提炼过程中使用的化学药剂、与金属矿石研磨过程中所产生废渣、废浆的直接输入（金属矿石中含有高浓度的重金属元素，而部分稀土矿石中含有放射性核素）;尾矿碓、裸露矿坑收到雨水的冲刷，污染物随雨水渗透、淋滤的间接输入;携带污染物的地下、地表水系的流动所造成的流经地区土壤污染，以及利用携带有污染物的水系进行农业灌溉，导致农用土地资源污染;携带有污染的大气颗粒，在下风向区域扩散，沉降进入表土所产生的污染。

此外，矿山开采导致基岩和土层裸露，造成景观资源视觉污染[19]。所谓环境视觉污染，是指因人类活动不当和管理不善而对环境在视觉质量上造成不利影响甚至破坏的现象[20]。

1.3 生态环境问题

矿山开采过程中，对所处生态系统将造成持久不可逆的破坏，其过程并不是对单一生命或非生命体的破坏，而是对无机、有机体联合侵蚀的过程。尾矿库堆放的尾砂是下游酸性废水形成和重金属释放的主要源头，这些尾砂矿物暴露在空气中，受到风化与降雨淋滤的影响，会进一步破碎细化从而释放出高浓度的重金属进入水体，地表水与地下水系会将这些污染物带入所流经区域的表土与地下土壤;大气中细颗粒所携带的污染物也会随降雨等沉降进入地表土壤、植物叶片表面;植物生长过程中便经根系吸收，将污染富集在自身体内，植食性动物已此种植物作为食物会进一步将污染物带入体内，人类在使用这些动物、植物，例如牛羊、蔬菜存在进一步将污染物摄入体内的风险[21]。可见矿山开采活动，存在将污染物传递进入食物链[22]，对人体健康存在潜在危害风险（图1[21]）。我国白云鄂博稀土矿山开采过程中，研究人员监测发现，在尾矿、高炉渣、排土场均检出钍元素的放射性污染痕迹，其中排土场钍元素平均含量為0.14%，α总比活度为4.31×103-1.03×104Bq·kg-1，而矿区周围动植物、土壤中232Th比活度分析显示：羊骨55.9 Bq·kg-1、比对照高1.18倍（25.79 Bq·kg-1），牧草83.9 Bq·kg-1、比对照高32倍（2.52 Bq·kg-1），牧草土壤87.3 Bq·kg-1、比对照高1.7倍（32.2 Bq·kg-1）[23]。

矿山开采所产生的危害物不仅可在食物链上不断传递、富集，还在生态环境系统中的各个环境界面上进行传递。付善明[21]对广州大宝山铅锌矿区环境界面研究显示：尾砂/水反应界面，决定重金属从源头尾砂中的释放;水/沉积物反应界面，决定重金属在水体中与河流沉积物的沉淀与释放的平衡;土壤/间隙水溶液界面，决定土壤生物有效性;土壤/植物界面，决定生物对重金属的吸收与利用。此四个界面反应过程决定着重金属污染物在生态环境介质中的归趋。

而我国西部地区生态系统更为脆弱，受到开采活动的影响，将对此生态系统造成深度扰动[24]。这种扰动问题并不是独立出现，而是相互关联存在系列的诱发关系，当千石碓对场区覆盖植被倾轧影响后，场区土壤便会失去植物根系的固持，土层保水过滤作用变低、渗透性增大，污染物的扩散效应也相应地会被放大[15]。另外地下开采过程中，会使地下水发生位移，产生地下漏斗，地下水的持续疏干会使漏斗不断扩大，进而引发地面塌陷，严重的还会引发地震等地质灾害[6]。矿山开采对生态环境的影响还具有隐蔽性、长期性和累积性：一些矿山关闭几十年、上百年甚至更长的时间内，尾矿淋滤液对环境生态系统的影响仍然存在，如开采了244年的湖南双峰县原坳头山硫磺矿，自1981年关闭以来留下许多灾难[25]。

2 针对三类环境问题的预防、控制措施

2.1 针对地质环境问题的预防、控制措施

为预防地质灾害环境问题的发生，应采取科学的开采方法，利用空间模拟软件，预先计算采空后可能会导致的地下区域地质问题，在有效评估的基础上划分恢复治理区域（重点防治区、次重点防治区、一般防治区），根据不同区域制定相应的治理模式[26]。科学的对采空区顶板进行有效管理，对采空区域及时进行泥浆填充，或采用条带式、房柱式的开采法，将负面影响降到最小[27]。对于已发生地面沉降的位点，可采取改造垃圾填埋场等措施加以利用，结合完整的施工方案进一步控制沉降[28]。对于地上区域排土场等露天堆积区域的边坡隐患问题，需要提高边坡角以解决边坡失稳的问题[6]。

2.2针对资源环境问题的预防、控制措施

为防止降雨造成的淋溶对水资源环境的污染，对尾矿库、排土场、废渣堆砌处的坝底，坝顶均要做好防渗措施。对于已污染的矿山废水，可加入固化剂、钝化剂沉淀去除污染废水中的重金属离子，针对酸性矿山废水，可采用中和法（石灰石）、硫化物沉淀法（硫化钠、硫氢化钠）、吸附法（硅藻土、蒙脱石）、离子交换法的末端控制技术进行恢复治理[29]。

为防止大气资源环境的污染，应在干燥、少雨、多风的地区还需要设置防飞扬设施，减少扬尘的产生。为防止山体开挖所产生的景观视觉污染，可采用覆盖绿色遮蔽物或种植草坪的措施采取控制。

为防治土壤资源环境的污染，对于污染程度较轻的场地，可进行原位添加钝化剂、螯合剂、土壤深耕和外加电场电动修复的手段进行原位修复;而对于污染较为严重的场地，可采用客土置换后，将被污染土壤迁移至异地，通过添加对重金属有固化作用的固化剂（石灰、钢渣、海绿石）、或可将重金属元素从土壤固相洗脱进入液相的淋洗剂（草酸、磷酸、EDTA）进行异位修复[30]。

2.3针对生态环境问题的预防、控制措施

矿山开采所产生的生态环境问题，主要的重点环节在源头污染物的释放，阻断了源头释放也就切断了其进入食物链、生态系统物质循环的可能性。对于尾矿、废渣碓、排土场等污染物释放源头场地，应采用地面防渗措施、并对坝顶做雨棚遮盖的防淋溶措施。

开采活动所造成的地质、资源、生态环境问题，本身也受到所在地区的地质、气候环境条件的影响，例如降水量、气温、湿度和风力等其他自然环境条件很大程度上会影响污染物向周围环境的扩散[6]。对于金属矿山中的重金属元素污染从尾矿向生物体扩散的四个界面过程，尾砂/水、水/沉积物、土壤/间隙水溶液、植物/土壤，研究发现界面上的pH值、温度、土壤颗粒的大小、带电性、土壤有机质含量、植物种类等每个界面的微环境对界面过程发挥着控制调节作用[20]，因此人为的干预，例如升高微环境pH值，可有效阻断重金属污染物生态系统内部的传递，从而达到污染控制的目的。

在矿山恢复治理过程中，应该扬长避短，因地制宜利用生态系统中的内部条件阻断污染物质的传播。例如采用适合当地矿山土壤繁殖的植物，或能够在水体中利用无机物作为养分供给的微生物，能够有效避免物理、化学手段成本高、容易引入二次污染的弊端。例如苜蓿、东南景天等可對铜、锌有良好的去除作用[31]。而硫酸盐还原菌可代谢产生碳酸氢根，并将硫酸盐还原为H2S可有效去除酸性矿山废水中的酸度，同时还原产生的S2-也可沉淀部分金属元素[32]。在优化条件下，嗜酸性氧化亚铁硫杆菌可在短时间内将Fe2+转化为Fe3+，同时产生大量的羟基硫酸盐高铁矿物沉淀，这种次生矿物沉淀一方面可进一步吸附其他重金属元素，另一方面可作为“晶核”供微生物进一步附着参与生化反应[33]。因此针对不同的污染物，应该针对性地选择优化、钝化处理方式，或者多种手段相互结合，综合治理，杜绝模糊的生态防治技术。

3 矿区环境治理的发展方向

各地矿山开发所带来的环境影响事关地区公共健康、粮食食品安全，地方经济发展与社会稳定，出于可持续发展战略方针，采取及时、有效的预防与控制措施对矿山区域环境问题进行治理是当务之急。而目前多采用末端治理的技术措施不够完善，需要对源头加强管控，可采用高精度遥感GIS技术，开展广泛、深度的矿山环境监测，建立污染预警机制，特别是易发生地质环境问题的煤炭矿山。同时建立过程控制治理环节，以实现源头管控、过程控制、末端治理的环境污染全生命周期管理。对于过程控制中应重点研究金属的淋滤释放规律、扩散迁移方式、迁移途径和沉淀机理，特别是界面过程的外部控制条件与生态系统内部绿色资源的寻找应该作为主要研究对象。

虽然对于开采带来地质、资源、生态环境问题的治理与恢复，重在对诱发因素的查明，以便有的放矢的制定绿色生态恢复策略。但是从产业经济的角度思考，总的矿石需求量不变时，以扩大老矿山开采规模而不增加矿山总数来满足市场的需要，可以认为是缓解一个地区用牺牲绿色环境为代价来发展矿业经济的有效措施之一[6]。同时，提高尾矿的深度冶炼加工技术，对原先纯度不高，不符合冶炼加工条件的尾矿、 “废矿”开展加工利用，也可减轻开采活动对环境的影响。因此优良政策的控制与先进冶炼工艺的研发，也在为矿山治理减负，应该纳入到同等重要的研究地位。

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