5大区域矿山环境地质问题汇总,以及矿山环境修复模式讲解!


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第一章 中国矿山环境地质问题区域分布特征


中国是世界上的第三矿业大国,其矿产资源约占据世界矿产资源的14.6%,开采矿种193种。矿产资源在我国社会经济发展中起着重要的基础性作用,95%左右的一次性能源及80%以上的工业原料、大部分农业生产资料和1/3的饮用水都来自于矿产资源。人们在不断开发矿产资源满足日常生活需求的同时,由于不合理地频繁开采矿产资源,改变和破坏了矿区周围的自然环境,产生了众多环境地质问题。


1、不同地质环境区域分布概况


矿山环境地质问题受区域地质环境条件的影响较大,不同地质环境区域开矿所导致的环境地质问题类型差异很大。例如山地区域开矿易引发崩塌、滑坡、泥石流等灾害,而平原盆地区开矿则会加剧植被的破坏和地面塌陷的发生。

中国地质环境条件复杂多样,依据中国地形地貌、气象水文、植被、岩土体性质及原生环境地质问题等因素,可将影响中国矿山环境地质问题分布规律的地质环境背景划分为6大地质环境区域。就不同地质环境区域而言,由矿山地质灾害发生的次数从高到低依次为中高山地区、中低山丘陵区、平原盆地区、黄土高原区、戈壁沙漠区和多年冻土区。其中川、西、滇、黔、鄂、湘、桂等地区山川相间,峡谷较多,气候湿润多雨是泥石流、滑坡、崩塌的多发地,矿产开发等人为活动促使泥石流、滑坡、崩塌的发育更为严重。不同类型的开采造成的地质灾害数量及类型差别也较大,其中煤矿矿山问题重于金属矿山、金属矿山问题重于非金属矿山。


2、不同地质环境区域矿山环境地质问题


2.1中高山地区

中高山地区矿产较为丰富,主要开发矿产有煤、金属矿类如金、铅锌矿、铁、铜、锰、锡等以及非金属矿产,其矿业开发程度较强。但由于该区域地处高山区,所以矿山开采主要灾害类型为泥石流、滑坡、崩塌等;其次是金属矿山和煤矿的开采,易导致水土环境污染、植被破坏和土地占用及地面塌陷。例如,云南东川铜矿因民矿区、个旧锡矿区、四川冕宁泸沽铁矿区、甘洛铅锌矿区、贵州开阳磷矿区、陕西潼关金矿区、紫阳瓦板岩矿区及山西太原西山煤矿等矿区历史上都曾发生过严重的泥石流灾害。

 

2.2中低山丘陵区

中低山丘陵地区自然生态环境良好,且人口密集,经济发展较快,矿业开发强度高。主要开采煤、铁、金、钨锡矿、稀土矿及非金属建材等矿产,且煤矿及金属矿山开采是环境地质破坏的主要问题。煤矿突出的主要问题有:地面塌陷、地裂缝及排水污染等,其突出矿区主要分布在大、小兴安岭地区的黑龙江鹤岗、辽宁阜新及内蒙古赤峰元宝山煤矿区→泰山及胶东半岛的泰安煤矿区、莱芜煤铁矿区、淄博煤铁矿区、湘赣粤一带的湘中娄底市冷水江市资江煤矿区、宜章县杨梅山煤矿区→桂南的广西合山煤矿区等地。

金属矿开采突出的问题主要是酸性废水及重金属对水土所产生的污染;其次是土地占用及泥石流、崩塌、滑坡。主要分布地在湘南的郴州市柿竹园有色金属矿区、宜章县瑶岗仙钨矿区、玛瑙山铁锰矿区以及赣州的德兴铜矿—金山金矿区、赣南崇余犹钨矿开发区和胶东半岛金矿区等地问题较突出。

非金属矿山的分布地区主要在浙江等地,该省主要开采建筑用砖瓦粘土、建筑用沙、石灰石等建筑材料。其中土地占压与破坏、地面塌陷是该区域的主要环境地质问题,该类矿山的塌陷数量和塌陷区面积分别占全部塌陷矿山总数的83%和75%,其中浙江金华萤石矿区本省地面塌陷最严重的地区之一。

 

2.3平原盆地区

该地区以煤、磷、铁及建筑用砂开采造成的环境地质问题较为严重,煤矿开采引起的地面塌陷问题最突出;其次为占用与破坏土地和矿山疏干排水造成的地下水位下降、泥石流、崩塌灾害造成的人员死亡。其中江苏徐州采煤塌陷已发展为全国典型,地面塌陷面积约占全省总塌陷面积的98%以上,并且塌陷仍在继续扩展。煤矿问题严重的矿区主要分布在呼伦贝尔高原区的内蒙古宝日希勒煤矿区、扎赉诺尔煤矿区、铁岭调兵山及内蒙古兴安盟突泉县南部一带的煤矿开采区、银川—河套平原区的内蒙古乌海煤矿区、宁夏石嘴山煤矿区、华北及长江中下游平原区的河北唐山开滦煤矿、河南义马煤矿、山东济宁—枣庄煤矿、安徽两淮煤矿、江苏徐州煤矿、湖南娄底煤矿、长沙宁乡煤炭坝煤矿等矿区。

 

2.4黄土高原区

该地区生态环境较脆弱,故矿产开发强度属于中等,区内主要环境地质突出问题为煤矿和金属矿山。陕西渭北煤矿区是破坏环境较严重的矿区,在陕西铜川煤矿区受采煤影响该矿区地下水位下降,同时矸石压占土地较大。金属矿山主要是白银铜矿区及拉水峡铜镍矿区较为严重,该矿区的废水中含有大量重金属酸性水,其排放量较大,对矿区周围环境污染较大。

 

2.5戈壁沙漠区与多年冻土区

戈壁沙漠沙地区与多年冻土区属生态环境脆弱区,自然环境条件差,该矿区开发活动强度较低,因此该带开矿主要关注对生态环境的保护。




第二章 矿山环境修复治理模式


矿产资源从地下采出后对地质环境最直接的影响是改变了原有地应力,各类地下开采矿区广泛发育着开采沉陷问题,常见的诸如沉陷盆地、塌陷坑、地裂缝等地表岩土体破坏现象。截至2015年,内蒙古自治区因资源开采共造成开采沉陷问题面积约306.37 km2,集中发育在地下开采的煤炭、黑色金属、有色金属以及贵金属矿区,其中煤炭矿山井工开采造成开采沉陷问题面积达约305.77 km2,约占问题总面积的99.80%。

 


1、矿山环境修复治理模式定义解析



矿山环境修复治理模式以矿山地质环境修复治理为主要研究对象,由矿山环境修复模式的定义可以看出,模式重点内容如图1所示,包括:矿山环境地质问题、矿山环境修复目标、矿山地质环境背景、矿山开发利用条件以及矿山地质环境修复治理模式。从图1可以看出,矿山环境修复治理是矿山地质环境、矿山环境地质问题、矿山修复治理技术的系统化研究。矿山环境修复治理模式是矿山环境修复技术有机的、系统的组合,但制约、导向矿山环境修复治理模式技术构成与其余四方面息息相关。如图1中的矿山地质环境背景、矿山开发利用条件、矿山环境修复目标等五项矿山环境修复治理模式研究内容彼此之间存在着关联特征,笔者将其关联性分为外层“递进”关系以及内部“五行”关系。

图 1 矿山环境修复治理模式研究内容

 

外层“递进”关系中各内容彼此之间具有递进的研究关联性,这种“递进”关系在矿山环境修复治理模式研究中有助于推动模式的针对性与普适性的研究;内部“五行”关系中各项内容通过矿山环境修复资料模式建立内部多向关联,成为导向模式技术构成、约束修复模式适用范围、验证模式效益以及优化、完善模式的研究内容,因此五项内容彼此间亦多具有“双向”关联的特征。

 


2、矿山环境修复治理模式宏观构建



矿山环境修复治理模式是矿山环境与问题修复间矛盾预防与解决的工具,以矿山开发利用条件和矿山地质环境背景为前提,一方面要掌握问题发生规律并提出预防措施,另一方面要修复治理已存在的矿山环境问题。因此,模式建立在矿山环境修复实践的基础上开展理论研究,既有典型矿山环境修复工程案例作为技术研究背景,又有修复技术的专门性研究,将我国不同区域的矿山环境修复经验与矿山修复理论结合,形成一套技术构成合理、适用于不同地区矿山、系统完整的矿山环境修复模式。

矿山环境修复治理模式研究的首要工作是对矿山环境问题的深入理解。国内学者对矿山环境问题有着诸多分类方案,如依据矿山开发阶段分类、依据矿种分类、依据矿山环境地质问题表现形式和影响结果分类、依据矿山环境地质问题特征的分类,笔者在模式对象研究中重点依据问题性质综合分类方案,将常见的矿山环境问题分为:地面塌陷问题、固体废弃物问题、液体废弃物问题、露天采坑边坡稳定性问题、含(隔)水层结构破坏问题以及矿山次生地质灾害问题等六类。

从宏观角度构建矿山环境修复治理模式,笔者根据模式的功能需求将其分解为工程消灾模块、生态修复模块、生物修复模块三个功能子模块。矿山环境修复治理模式功能模块如图2所示,其中工程消灾模块主要功能为消除或预防修复区域灾害隐患,构成该模块的技术类型有消灾修复技术和工程修复技术,主要为对地表岩土体的加固和改造作用,防治岩土体、地质体等不安全隐患。生态修复模块与生物修复模块两个子模块的主要功能是促进岩土体修复和生态环境修复,利用生态修复技术和生物修复技术配合工程消灾模块完成矿山环境修复,实现模式的土地修复目标与生态修复目标。

图 2 矿山环境修复治理模式功能模块

 

根据模式功能模块分解,笔者对工程消灾模块、生态修复模块以及生物修复模块按构成技术的顺序设置代码为:消灾修复技术(Ai~Di)、生态修复技术(Ei)、生物修复技术(Bei),该代码有利于系统描述模式的构成,宏观上构建形如“Ai+Bi+Ci+Di+Ei+Bei”等矿山环境修复技术有机构建的矿山环境修复治理模式。

 


3、矿山环境修复治理模式建立过程



矿山环境修复治理模式建立过程如图3所示,“矿山环境问题修复”为第一步,经历技术与目标研究,顺时针循环组成模式建立过程,其中修复治理技术与问题、修复治理目标与问题间具有效益反馈的互馈作用,各步骤对模式有着不同的影响特征。

矿山环境问题修复,即:修复对象的认识,主要包括矿山地质环境调查、地质环境问题评估、典型治理工程案例三方面内容。矿山环境调查指矿山地质环境调查、矿山水环境调查、矿山生态环境调查、矿山大气环境调查以及矿山空间环境调查五方面调查。本文以矿山地质环境调查为重点,依托地质环境调查成果提供有关环境地质问题规模、特点、背景、发生规律等对象为基础数据说明模式建立过程。矿山地质环境评估是在实地调查基础上开展的定量与定性评价,兼顾地质环境背景复杂程度及矿山环境问题修复程度,权衡多项矿山环境指标,评估问题的

图 3 矿山环境修复治理模式建立过程

 

危害程度与采矿活动对环境的影响程度,因此对修复模式的适用范围、应用对象起指导作用。矿山环境修复案例的搜集是提炼、升华模式的基础,有助于讨论模式的效益与成效。不同区域发生相似的矿山环境问题其修复手段存在有很大的区别,因此,修复治理案例就成为修复治理模式针对性和普适性最好的检验方法。

修复技术研究受修复工程案例和修复目标共同约束,合理的修复技术既可来自修复治理工程案例,亦可来自地方治理经验,厘定后根据模块功能编码后有机构成模式。因此,模式是修复治理技术的优化、有机组合,技术的特性制约着模式的多项特征,如:模式的适用条件、模式的关键技术、模式的预期成效等,对矿山使用者学习、理解以及推广模式具有很大影响。此外,修复治理技术预期效益、施工工艺、经济成本等方面都约束着修复模式的应用。

矿山环境修复目标是在对修复象理解的基础上根据矿山环境问题修复经验及现有修复技术的基础上合理化提出的矿山环境修复预期能够实现的效益与成果,对模式构成具有导向作用,成为判断模式适用范围合理性的依据。矿山环境修复目标分为地质工程目标、土地修复目标以及生态修复目标三方面,其提出必须符合政府方针、法律法规以及矿山环境实际情况。矿山环境修复目标可导向修复模式针对性的确立,矿山环境修复治理模式可根据修复目标的不同进行归类。

 


4、矿山环境修复治理模式特点

4.1针对性


针对性是矿山环境修复治理模式的特点之一,是模式能够实现矿山环境修复的关键。模式研究中关注了修复对象、修复目标、修复技术等内容,各项内容注重针对性研究。具体的,开采沉陷问题相关的修复模式适用范围中考虑了该问题地表不同的表现特征,如沉陷盆地、塌陷坑、塌陷槽以及地裂缝等,不同的发生形式其工程修复技术必然对应着不同的针对性技术,以便实现修复模式的效益。


4.2普适性


矿山环境修复治理模式是一套系统完善的矿山环境修复理论,对众多的矿山环境地质问题均有涉及。换言之,该模式适用于绝大多数矿山环境问题发生的矿山或地区。普适性是指在矿山环境修复治理模式适用范围的约束条件下,模式可以在发生问题相似条件的矿山环境修复治理工程中得以使用。如:山西、陕西、宁夏等黄土高原煤矿区中矿山次生地质灾害问题治理工程,矿区内滑坡隐患可以根据黄土滑坡的特点,采用适用范围为黄土地区的矿山次生地质灾害修复治理模式,并在模式说明中附有相似地区工程案例以指导治理方案编制。


4.3过程性


矿山环境修复治理模式可直接用于矿山环境修复工程,根据模式约定的适用范围,必须明确指出模式的构成技术、关键技术、主要工艺等特性,根据已有工程案例剖析模式可实现的工程效益,保证模式简单实用,以利于政府单位、矿山管理部门等推进矿山环境的治理和预防工作。因此,模式具有过程性,其效益的实现得益于使用者对模式特性的正确把握以及构成模式修复治理技术的准确实施。

 


5、矿山环境修复治理模式优化



矿山环境修复治理模式是对矿山环境复杂系统的研究,是不断更新、优化的系统体系。模式的优化与矿山地质环境响应、矿山环境修复效益、矿山环境修复目标以及矿山环境修复技术这四方面有密切联系。矿山环境修复模式优化因素如图4所示。

图 4 矿山环境修复模式优化因素

 

矿山地质环境响应可以优化模式,在于模式必须建立在对矿山环境问题、开发背景的基础上,根据诸多影响因素下不同矿山环境问题的地质环境响应特征,扩大矿山环境修复治理模式涉及的问题种类与数量。此外,由于矿山环境修复目标因国家政策不断进步更新,因此模式要随着目标要求程度的变化,优化更新技术构成以实现新的目标。矿山环境修复效益需求与模式预期效果相关,需要建立在成本、时间、面积等统计数据基础上,这就要求优化构成模式的关键技术、工艺流程,不断优化模式以满足效益需求。最后,矿山环境修复治理技术随着修复难度、需求以及专利推新等不断进步、完善,模式亟待技术水平的提升与更新以实现模式水平与效益的优化。

 


6、矿山环境修复模式示例



本文根据我国华北地区煤炭矿山地质环境调查,按照矿山环境修复治理模式的研究内容及构建步骤,给出以下地面塌陷问题修复治理模式示例见表1,并就沉陷复地人工湿地模式进行了说明。

表 1 地面塌陷问题修复治理模式示例


6.1沉陷盆地人工湿地模式


模式“沉陷区充填+挖深垫浅/局部塌陷坑回填+隔水层设置+人工湿地开发”是一例适用于高潜水位、地表沉降变形较大区域的沉陷盆地人工湿地模式,适用于平原或丘陵地区,土地利用目标为修复地形地貌、修复林草地并建设人工湿地系统。

可以看出该模式实施流程中有沉陷区充填、挖深垫浅、隔水层设置和人工湿地开发等主要技术。各技术内容及功能如下:

1)沉陷区充填。针对已存在的沉陷盆地变形区域,利用矸石、粉煤灰等固体废弃物充填变形区域,基本修复变形强烈区域被破坏的地形地貌并与周边区域地形保持一致。

2)挖深垫浅/局部塌陷坑回填。利用机械剥离待修复区域表土,采用挖深垫浅的思路处理变形不太大的变形区域,对存在的塌陷坑可配合固废回填进行地形修复,达到设计标高后重覆预先剥离的表土。

3)“挖深区”隔水层设置。利用粘土泥浆或者防渗膜进行隔水层设置,设置工作完成后可以作为人工湿地开发区域。

4)人工湿地开发。利用矿山地面塌陷形成的积水条件,结合人工湿地景观开发技术,根据矿山气象水文条件选取合理的湿地生植物组合。此外,可配合矿山水处理技术,将煤矿废水的净化与湿地景观设计结合,建设人工湿地。

工艺流程方面,首先利用机械剥离沉陷盆地待充填区域内表土,对待充填区域利用矸石、粉煤灰等固体废弃物进行充填,设计标高达到后重新铺覆预先剥离的表土。对沉陷盆地影响区域内不平整区域进行挖深垫浅工作,在挖深区域设置隔水层,确保挖深区域及周边环境隔水性完好。隔水层设置结束后,将挖深区域开发为人工湿地或与积水沉陷区联结水面进行统一开发。

由以上对该模式的说明可以看出,对地面塌陷区域进行地形地貌修复是进行地面沉陷治理较典型的思路。在不影响原先地貌类型的基础上,利用煤矸石、粉煤灰等对修

复区域进行地形修复,修复后与原有周边地形基本融合即可。一般地,由于塌陷面积往往较大,地形放缓比挖深垫浅更加经济。 


6.2 宝日希勒矿区治理工程案例

6.2.1矿区概况


宝日希勒矿区位于陈旗煤田东部,隶属呼伦贝尔市陈巴尔虎旗。自20世纪70年代开发以来,已有近四十年的开采历史。矿区地势开阔,属高平原地貌,总体地势呈北高南低的缓坡状,地形坡度2°~5°,相对高差120 m。矿区地表均为第四系松散层所覆盖,无基岩裸露。矿区内地层简单,主要有生界白垩系扎赉诺尔群,新生界第四系更新统和全新统等地层。   


6.2.2地面塌陷问题分布与成因分析


宝日希勒矿区主要井田对应地表位置多为天然草场。由于多年来井工开采,地面塌陷变形明显,沿煤炭开采工作面出现大面积地面塌陷问题,多呈沉陷盆地,盆地内部有数量众多的大型塌陷坑,塌陷坑周边条形状地裂缝发育。矿区地面塌陷形成的主要原因是由于过去对矿山环境地质问题防治意识不足,20世纪90年代末小煤窑数量剧增,大规模、高强度开采造成严重的矿山地面塌陷问题如图5所示。

图 5 宝日希勒矿区塌陷坑 


6.2.3模式选取与治理工程


宝日希勒矿区地面塌陷治理为闭坑矿井地面塌陷治理,通过对矿区地面塌陷问题现状分析,考虑矿山地质环境背景,分析待修复区域地形、地貌特点以及后期土地利用目标与生态修复目标,宝日希勒矿区地面塌陷治理可选用上文模式示例2,由于矿区沉陷盆地变形连续,改进得到矿区适用的模式为“挖深垫浅/局部塌陷坑回填+人工湿地开发”。模式具体使用如下:

1)挖深垫浅:宝日希勒矿区沉陷盆地中存在部分积水区域,在治理工程中将积水区域及周边进行挖深垫浅工作,使挖深区得以进一步蓄水具有一定的使用价值,如牲畜饮水点或养鱼池。垫浅区则主要是由于沉陷盆地变形造成的地表破裂区域,利用挖深区土覆于垫浅区域,基本修复垫浅区地形,为后续人工湿地开发提供立地准备。

2)局部塌陷坑回填:对宝日希勒矿区待修复沉陷盆地中发育的塌陷坑利用矿山固废回填并进行地表平整,保持地形起伏与周边一致。回填材料来自神宝露天矿排土场,主要为矸石、碎石土,这样做既能回填塌陷坑,同时良好的利用矿山固体废弃。回填塌陷坑后在其表层覆盖30cm厚耕植土,以便修复植被所需。

3)人工湿地开发:宝日希勒矿区治理工程保留了存在积水的地面塌陷区域,或将周边较深的塌陷坑进一步挖深,利用挖深垫浅形成的积水洼地建设成为牲畜饮水点和养鱼池。宝日希勒矿区沉陷盆地治理效果如图6所示,在其他修复目标为草地的区域,基本地形修复完成后,表层重覆表土和耕植土,混合播撒种植当地适合生长的羊草、冰草、冷蒿等草籽。

图 6 宝日希勒矿区沉陷盆地治理效果 


6.2.4 修复治理模式效果


宝日希勒矿区通过对有积水的地面塌陷区域采取挖深垫浅处理的方式,将挖除的湖泥作为旁边塌陷坑及垫浅区域治理后覆土种草的耕植土,合理利用了地面塌陷区域内土地资源,改善了塌陷坑局部生态环境,使得问题修复区域环境更优美,同时可以发展矿区畜牧业。利用矿区排土场固废对沉陷盆地中发育的塌陷坑进行回填工作,有效利用了矿山固体废弃物,同时消除了塌陷坑的影响。治理后沉陷盆地内生态环境基本修复,与周边环境融为一体。人工湿地与当地气候适应性良好,能够积存自然降水并为矿山畜牧业和渔业提供一定水源。


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文章来源: 水土之声


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