李昌明　常國華　李開明　臺喜生　李昂　孫海麗　徐世健　高天鵬

摘要：我國礦山開采歷史久遠，為國民生產(chǎn)提供了大量的物質(zhì)礦產(chǎn)資源，但是隨著開采日益增長，所引發(fā)的環(huán)境問題也隨之加重。本文根據(jù)大量調(diào)查資料綜合分析，發(fā)現(xiàn)目前礦山開采過程中主要引發(fā)的環(huán)境問題有以下三類：（1）地質(zhì)環(huán)境問題，例如地表塌陷、滑坡、泥石流;（2）資源環(huán)境問題，例如對水系、大氣、土壤和景觀資源的污染;（3）生態(tài)環(huán)境問題，例如污染物在食物鏈中的傳遞富集、生態(tài)系統(tǒng)各個界面的地球化學(xué)遷移。本文在總結(jié)上述三類環(huán)境問題的同時，提出了相應(yīng)的預(yù)防、控制措施，以便在明確礦山環(huán)境問題誘發(fā)因素的同時，發(fā)掘精準的污染治理研究方向，保障產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：礦山開采;資源環(huán)境;地質(zhì)環(huán)境;生態(tài)環(huán)境;環(huán)境修復(fù);可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：X75 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國礦產(chǎn)儲量豐富，開采歷史悠久。2004年以來我國鉛鋅礦產(chǎn)量增幅分別在15%和 12%，鉛鋅產(chǎn)量的增加主要是靠擴大采、選、冶企業(yè)的規(guī)模，此問題在我國西部地區(qū)更為突出，隨著產(chǎn)量和需求的快速增長，資源匱乏、能耗增加和環(huán)境破壞問題也逐漸凸顯出來[1]。截止到目前，我國各種工礦廢棄地累計超過400萬hm2，目前仍以每年 3.3萬～4.7 萬 hm 2 的速度增加[2]。而礦區(qū)受污染面積達到開采區(qū)域面積的 50 倍以上，且這些污染區(qū)一旦形成將很難治理和恢復(fù)[3]。本文就礦山開采過程中產(chǎn)生的資源、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境問題做相關(guān)梳理，并提出了相應(yīng)的預(yù)防控制措施，并歸納未來環(huán)境問題治理的重點研究方向。

1 礦區(qū)開采產(chǎn)生的三類環(huán)境問題

1.1 地質(zhì)環(huán)境問題

礦山在開采過程中，采石場、鐵路、公路修建產(chǎn)生的尾礦庫、廢石堆，以及煤礦開采產(chǎn)生的千石碓，會改變區(qū)域水熱結(jié)構(gòu)，影響地下水位和排灌系統(tǒng)[4-5]，進而誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。地下開采過程中，地下巷道、采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，會使坑道變形，地表塌陷;露天開采產(chǎn)生的尾礦庫、廢石堆、排土場等改變了天然應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)的地質(zhì)隱患[6]。利用遙感調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)對我國礦山連續(xù)5年（2006—2010年）的研究中發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測各類地質(zhì)災(zāi)害（點）累計6 596處，其中滑坡359處、崩塌170處、泥石流307處、地面（采空）塌陷293處（塌陷坑總計4 168個）、地裂縫855處、煤火自燃106處、工業(yè)石漠化338處，分別占總量的15%、7%、13%、12%、35%、4%和14%。發(fā)現(xiàn)礦山開采對地質(zhì)環(huán)境嚴重影響區(qū)域面積達19 030 km2、較重影響區(qū)域達157 756 km2、一般區(qū)域面積達475 122 km2，分別占總量的3%、24%和73%[7]。

1.2 資源環(huán)境問題

礦產(chǎn)資源在被開采、發(fā)掘，實現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)價值的同時，也會對其他土壤資源、水資源、空氣資源、景觀資源造成破壞，引發(fā)較為嚴重的資源環(huán)境問題。金屬礦山開采過程中的重金屬釋放、遷移與轉(zhuǎn)化是土壤、水和空氣資源受到污染的主要來源[8]。以貴州汞金屬開采為例，由于開采歷史久遠且開采量居全國第一，研究顯示1994年以來，汞散布到大氣的累計排放量達745 t，通過廢水進入水生生態(tài)系統(tǒng)的排放量達40t，以廢渣形勢進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的年排放量達 450t/a[9]。

由于礦山開采活動，給水資源帶來的環(huán)境問題主要有，酸污染、鹽化、重金屬污染和化學(xué)藥劑污染四大類：酸污染。硫化物型礦山所形成的酸性礦山廢水（Acid mining water， AMW），在微生物的催化作用下硫化礦物與水、氧（例如硫鐵礦石，F(xiàn)eS2+3.5 O2+H2O=Fe+2.0 SO42++2.0 H+）接觸反應(yīng)增加了水酸度，進而形成酸性廢水。我國每年酸性礦山廢水的排出量占全國工業(yè)廢水總排量的10%[10-11]。重金屬污染。指裸露的礦石收到風(fēng)吹、日曬、雨水沖刷的風(fēng)化、淋濾作用，礦石中的金屬元素進入水體。另一方面，硫化物金屬礦石所形成的酸性廢水，在水中酸度增加的同時不光溶解了礦石中的鐵離子，還可溶解錳、銅、鎘、鉛等金屬元素，使得廢水相對于地殼平均化學(xué)成分出現(xiàn)富集作用[12-13]，而進一步加劇水體資源的重金屬污染。鹽堿化。是指當(dāng)采礦引起地下應(yīng)力場變化，會使非含水層倒灌入地下水，鹽分進入含水層，而另一方面酸性廢水中高濃度的含酸量可進一步溶解Ca、Mg等使水分鹽度、硬度增加。化學(xué)藥劑污染。指礦石精選、冶煉、浸提等生產(chǎn)過程中所使用的化學(xué)藥劑，例如活化劑硫酸銅，捕收劑黃藥、黑藥、白藥，抑制劑石灰石、氰化物和硫酸鋅[14]等，這些選礦工藝中外源添加物中，要么含有重金屬離子，要么存在劇毒屬性，也會隨降雨、冶煉廢水進入地表、地下水系。

由于礦山開采活動，給大氣資源帶來的主要環(huán)境問題有細顆粒物污染和攜帶有污染物的飛灰、揚塵。露天采礦及地下開采工作面的鉆孔、爆破以及礦石、廢石的裝載運輸過程中產(chǎn)生的粉塵、細顆粒物，廢石場廢石（特別是煤矸石）的氧化和自然釋放出的大量有害物，可隨揚塵、尾礦風(fēng)化物擴散，在干燥氣候與大風(fēng)作用會產(chǎn)生塵暴等，部分污染物可隨冶煉爐產(chǎn)生的高溫廢氣擴散[15]。有研究顯示進入大氣中的汞在大氣中的居留時間可長達0.5～2a[16]，成為參與全球大氣循環(huán)的全球性污染物[17]。Vleeschouwer[18]研究發(fā)現(xiàn)大氣中Pb的污染甚至能追隨到羅馬帝國早起礦物開采的時代。當(dāng)然礦山開采、礦石冶煉過程中的爆破、研磨與運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，均會產(chǎn)生噪聲污染，根據(jù)周邊居住人群敏感受體的密度，所產(chǎn)生的污染程度有所不同。

由于礦山開采，土壤資源的環(huán)境問題主要有兩大類，土壤退化和土壤污染。土壤退化的主要誘因包括：露天開采過程中的表土剝離;露天開采與地下開采過程中，尾礦、排土場堆砌過程中對植被的破壞，通常情況下礦區(qū)附屬面積是開采面積的5～20倍，有效土地資源受到侵蝕。土壤污染的來源主要包括：礦石提煉過程中使用的化學(xué)藥劑、與金屬礦石研磨過程中所產(chǎn)生廢渣、廢漿的直接輸入（金屬礦石中含有高濃度的重金屬元素，而部分稀土礦石中含有放射性核素）;尾礦碓、裸露礦坑收到雨水的沖刷，污染物隨雨水滲透、淋濾的間接輸入;攜帶污染物的地下、地表水系的流動所造成的流經(jīng)地區(qū)土壤污染，以及利用攜帶有污染物的水系進行農(nóng)業(yè)灌溉，導(dǎo)致農(nóng)用土地資源污染;攜帶有污染的大氣顆粒，在下風(fēng)向區(qū)域擴散，沉降進入表土所產(chǎn)生的污染。

此外，礦山開采導(dǎo)致基巖和土層裸露，造成景觀資源視覺污染[19]。所謂環(huán)境視覺污染，是指因人類活動不當(dāng)和管理不善而對環(huán)境在視覺質(zhì)量上造成不利影響甚至破壞的現(xiàn)象[20]。

1.3 生態(tài)環(huán)境問題

礦山開采過程中，對所處生態(tài)系統(tǒng)將造成持久不可逆的破壞，其過程并不是對單一生命或非生命體的破壞，而是對無機、有機體聯(lián)合侵蝕的過程。尾礦庫堆放的尾砂是下游酸性廢水形成和重金屬釋放的主要源頭，這些尾砂礦物暴露在空氣中，受到風(fēng)化與降雨淋濾的影響，會進一步破碎細化從而釋放出高濃度的重金屬進入水體，地表水與地下水系會將這些污染物帶入所流經(jīng)區(qū)域的表土與地下土壤;大氣中細顆粒所攜帶的污染物也會隨降雨等沉降進入地表土壤、植物葉片表面;植物生長過程中便經(jīng)根系吸收，將污染富集在自身體內(nèi)，植食性動物已此種植物作為食物會進一步將污染物帶入體內(nèi)，人類在使用這些動物、植物，例如牛羊、蔬菜存在進一步將污染物攝入體內(nèi)的風(fēng)險[21]。可見礦山開采活動，存在將污染物傳遞進入食物鏈[22]，對人體健康存在潛在危害風(fēng)險（圖1[21]）。我國白云鄂博稀土礦山開采過程中，研究人員監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在尾礦、高爐渣、排土場均檢出釷元素的放射性污染痕跡，其中排土場釷元素平均含量為0.14%，α總比活度為4.31×103-1.03×104Bq·kg-1，而礦區(qū)周圍動植物、土壤中232Th比活度分析顯示：羊骨55.9 Bq·kg-1、比對照高1.18倍（25.79 Bq·kg-1），牧草83.9 Bq·kg-1、比對照高32倍（2.52 Bq·kg-1），牧草土壤87.3 Bq·kg-1、比對照高1.7倍（32.2 Bq·kg-1）[23]。

礦山開采所產(chǎn)生的危害物不僅可在食物鏈上不斷傳遞、富集，還在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的各個環(huán)境界面上進行傳遞。付善明[21]對廣州大寶山鉛鋅礦區(qū)環(huán)境界面研究顯示：尾砂/水反應(yīng)界面，決定重金屬從源頭尾砂中的釋放;水/沉積物反應(yīng)界面，決定重金屬在水體中與河流沉積物的沉淀與釋放的平衡;土壤/間隙水溶液界面，決定土壤生物有效性;土壤/植物界面，決定生物對重金屬的吸收與利用。此四個界面反應(yīng)過程決定著重金屬污染物在生態(tài)環(huán)境介質(zhì)中的歸趨。

而我國西部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，受到開采活動的影響，將對此生態(tài)系統(tǒng)造成深度擾動[24]。這種擾動問題并不是獨立出現(xiàn)，而是相互關(guān)聯(lián)存在系列的誘發(fā)關(guān)系，當(dāng)千石碓對場區(qū)覆蓋植被傾軋影響后，場區(qū)土壤便會失去植物根系的固持，土層保水過濾作用變低、滲透性增大，污染物的擴散效應(yīng)也相應(yīng)地會被放大[15]。另外地下開采過程中，會使地下水發(fā)生位移，產(chǎn)生地下漏斗，地下水的持續(xù)疏干會使漏斗不斷擴大，進而引發(fā)地面塌陷，嚴重的還會引發(fā)地震等地質(zhì)災(zāi)害[6]。礦山開采對生態(tài)環(huán)境的影響還具有隱蔽性、長期性和累積性：一些礦山關(guān)閉幾十年、上百年甚至更長的時間內(nèi)，尾礦淋濾液對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的影響仍然存在，如開采了244年的湖南雙峰縣原坳頭山硫磺礦，自1981年關(guān)閉以來留下許多災(zāi)難[25]。

2 針對三類環(huán)境問題的預(yù)防、控制措施

2.1 針對地質(zhì)環(huán)境問題的預(yù)防、控制措施

為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境問題的發(fā)生，應(yīng)采取科學(xué)的開采方法，利用空間模擬軟件，預(yù)先計算采空后可能會導(dǎo)致的地下區(qū)域地質(zhì)問題，在有效評估的基礎(chǔ)上劃分恢復(fù)治理區(qū)域（重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)、一般防治區(qū)），根據(jù)不同區(qū)域制定相應(yīng)的治理模式[26]?？茖W(xué)的對采空區(qū)頂板進行有效管理，對采空區(qū)域及時進行泥漿填充，或采用條帶式、房柱式的開采法，將負面影響降到最小[27]。對于已發(fā)生地面沉降的位點，可采取改造垃圾填埋場等措施加以利用，結(jié)合完整的施工方案進一步控制沉降[28]。對于地上區(qū)域排土場等露天堆積區(qū)域的邊坡隱患問題，需要提高邊坡角以解決邊坡失穩(wěn)的問題[6]。

2.2針對資源環(huán)境問題的預(yù)防、控制措施

為防止降雨造成的淋溶對水資源環(huán)境的污染，對尾礦庫、排土場、廢渣堆砌處的壩底，壩頂均要做好防滲措施。對于已污染的礦山廢水，可加入固化劑、鈍化劑沉淀去除污染廢水中的重金屬離子，針對酸性礦山廢水，可采用中和法（石灰石）、硫化物沉淀法（硫化鈉、硫氫化鈉）、吸附法（硅藻土、蒙脫石）、離子交換法的末端控制技術(shù)進行恢復(fù)治理[29]。

為防止大氣資源環(huán)境的污染，應(yīng)在干燥、少雨、多風(fēng)的地區(qū)還需要設(shè)置防飛揚設(shè)施，減少揚塵的產(chǎn)生。為防止山體開挖所產(chǎn)生的景觀視覺污染，可采用覆蓋綠色遮蔽物或種植草坪的措施采取控制。

為防治土壤資源環(huán)境的污染，對于污染程度較輕的場地，可進行原位添加鈍化劑、螯合劑、土壤深耕和外加電場電動修復(fù)的手段進行原位修復(fù);而對于污染較為嚴重的場地，可采用客土置換后，將被污染土壤遷移至異地，通過添加對重金屬有固化作用的固化劑（石灰、鋼渣、海綠石）、或可將重金屬元素從土壤固相洗脫進入液相的淋洗劑（草酸、磷酸、EDTA）進行異位修復(fù)[30]。

2.3針對生態(tài)環(huán)境問題的預(yù)防、控制措施

礦山開采所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題，主要的重點環(huán)節(jié)在源頭污染物的釋放，阻斷了源頭釋放也就切斷了其進入食物鏈、生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的可能性。對于尾礦、廢渣碓、排土場等污染物釋放源頭場地，應(yīng)采用地面防滲措施、并對壩頂做雨棚遮蓋的防淋溶措施。

開采活動所造成的地質(zhì)、資源、生態(tài)環(huán)境問題，本身也受到所在地區(qū)的地質(zhì)、氣候環(huán)境條件的影響，例如降水量、氣溫、濕度和風(fēng)力等其他自然環(huán)境條件很大程度上會影響污染物向周圍環(huán)境的擴散[6]。對于金屬礦山中的重金屬元素污染從尾礦向生物體擴散的四個界面過程，尾砂/水、水/沉積物、土壤/間隙水溶液、植物/土壤，研究發(fā)現(xiàn)界面上的pH值、溫度、土壤顆粒的大小、帶電性、土壤有機質(zhì)含量、植物種類等每個界面的微環(huán)境對界面過程發(fā)揮著控制調(diào)節(jié)作用[20]，因此人為的干預(yù)，例如升高微環(huán)境pH值，可有效阻斷重金屬污染物生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞，從而達到污染控制的目的。

在礦山恢復(fù)治理過程中，應(yīng)該揚長避短，因地制宜利用生態(tài)系統(tǒng)中的內(nèi)部條件阻斷污染物質(zhì)的傳播。例如采用適合當(dāng)?shù)氐V山土壤繁殖的植物，或能夠在水體中利用無機物作為養(yǎng)分供給的微生物，能夠有效避免物理、化學(xué)手段成本高、容易引入二次污染的弊端。例如苜蓿、東南景天等可對銅、鋅有良好的去除作用[31]。而硫酸鹽還原菌可代謝產(chǎn)生碳酸氫根，并將硫酸鹽還原為H2S可有效去除酸性礦山廢水中的酸度，同時還原產(chǎn)生的S2-也可沉淀部分金屬元素[32]。在優(yōu)化條件下，嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌可在短時間內(nèi)將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，同時產(chǎn)生大量的羥基硫酸鹽高鐵礦物沉淀，這種次生礦物沉淀一方面可進一步吸附其他重金屬元素，另一方面可作為“晶核”供微生物進一步附著參與生化反應(yīng)[33]。因此針對不同的污染物，應(yīng)該針對性地選擇優(yōu)化、鈍化處理方式，或者多種手段相互結(jié)合，綜合治理，杜絕模糊的生態(tài)防治技術(shù)。

3 礦區(qū)環(huán)境治理的發(fā)展方向

各地礦山開發(fā)所帶來的環(huán)境影響事關(guān)地區(qū)公共健康、糧食食品安全，地方經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定，出于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，采取及時、有效的預(yù)防與控制措施對礦山區(qū)域環(huán)境問題進行治理是當(dāng)務(wù)之急。而目前多采用末端治理的技術(shù)措施不夠完善，需要對源頭加強管控，可采用高精度遙感GIS技術(shù)，開展廣泛、深度的礦山環(huán)境監(jiān)測，建立污染預(yù)警機制，特別是易發(fā)生地質(zhì)環(huán)境問題的煤炭礦山。同時建立過程控制治理環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)源頭管控、過程控制、末端治理的環(huán)境污染全生命周期管理。對于過程控制中應(yīng)重點研究金屬的淋濾釋放規(guī)律、擴散遷移方式、遷移途徑和沉淀機理，特別是界面過程的外部控制條件與生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部綠色資源的尋找應(yīng)該作為主要研究對象。

雖然對于開采帶來地質(zhì)、資源、生態(tài)環(huán)境問題的治理與恢復(fù)，重在對誘發(fā)因素的查明，以便有的放矢的制定綠色生態(tài)恢復(fù)策略。但是從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的角度思考，總的礦石需求量不變時，以擴大老礦山開采規(guī)模而不增加礦山總數(shù)來滿足市場的需要，可以認為是緩解一個地區(qū)用犧牲綠色環(huán)境為代價來發(fā)展礦業(yè)經(jīng)濟的有效措施之一[6]。同時，提高尾礦的深度冶煉加工技術(shù)，對原先純度不高，不符合冶煉加工條件的尾礦、 “廢礦”開展加工利用，也可減輕開采活動對環(huán)境的影響。因此優(yōu)良政策的控制與先進冶煉工藝的研發(fā)，也在為礦山治理減負，應(yīng)該納入到同等重要的研究地位。

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收稿日期：2020-02-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（31860176）;甘肅省重點研發(fā)計劃項目（No.811218255018）;甘肅省高等學(xué)?？蒲许椖浚?018B-062）;國家自然科學(xué)基金項目（31460162）;陜西省重點研發(fā)計劃（2020ZDLSF06-06）

作者簡介：李昌明（1987-），男，講師，理學(xué)博士。

通訊作者：高天鵬（1965-），男，教授，理學(xué)博士。