硫鐵礦開采中礦山地質(zhì)環(huán)境治理措施及效果評(píng)價(jià)分析

付政麗

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

隨著我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展和人們對(duì)物質(zhì)生活水平要求的不斷提高，對(duì)各種資源的需求量越來(lái)越大[1]。為應(yīng)對(duì)這種局面，世界范圍內(nèi)每年都要開展大量的礦產(chǎn)資源供人們使用[2]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用雖然為人們的生活和工業(yè)發(fā)展作出了非常重要的貢獻(xiàn)，但與此同時(shí)，資源開發(fā)過(guò)程中不可避免地會(huì)帶來(lái)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，給礦藏區(qū)域的水、空氣、土壤、地質(zhì)等都帶來(lái)了嚴(yán)重的惡劣影響[3]。黨的十八大以后，國(guó)家層面對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的力度越來(lái)越大[4]。在這樣的背景下，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注礦產(chǎn)資源開采過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境污染現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析與研究，結(jié)合礦山實(shí)際情況提出了一系列的措施和手段，使得礦山的地質(zhì)環(huán)境得到了很好的改善[5]。本文以某硫鐵礦山為例，分析了礦山地質(zhì)環(huán)境存在的問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際情況提出了有效的治理措施，取得了很好的應(yīng)用效果，在促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)方面發(fā)揮著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 硫鐵礦山基本情況概述

1.1 礦山開發(fā)情況

本文所述的硫鐵礦礦山內(nèi)包含有豐富的礦產(chǎn)資源，從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，直到本世紀(jì)初所有的礦山礦井全部關(guān)閉。礦產(chǎn)開發(fā)利用期間獲得了豐富的硫鐵礦資源，為當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。整個(gè)開采區(qū)域面積達(dá)到了9.1 km2，最大的連續(xù)采空區(qū)域面積達(dá)到了5.5 km2，早期的5個(gè)流鐵礦井開采得到礦產(chǎn)資源將近2 000萬(wàn)t。但是在礦區(qū)附近的土地資源、地表植被、水資源等都遭到了嚴(yán)重的破壞。

1.2 土地利用現(xiàn)狀

為了更好地開展礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作，首先需要對(duì)研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)查研究。通過(guò)前期統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域范圍內(nèi)共包含的面積達(dá)到了660 hm2。研究區(qū)土地基本類型及其占比情況如圖1所示。其中，水田和旱地屬于耕地，總面積及其占比分別為352 hm2和53.33%，但是大部分面積出現(xiàn)了嚴(yán)重酸化現(xiàn)象，不利于植物種植。林地的總面積達(dá)到了288.5 hm2，占比為43.71%，但大部分面積同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的酸化問(wèn)題。村莊、工礦用地和公路屬于建設(shè)用地，在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)分布比較均勻，總面積和占比分別為11.9 hm2和1.8%。河流屬于水域用地，其總面積和占比分別為7.6 hm2和1.15%。

圖1 研究區(qū)土地的利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of land use status in the study area

2 礦山地質(zhì)環(huán)境污染問(wèn)題分析

2.1 土壤污染問(wèn)題

硫鐵礦在開采期間還配套建設(shè)了冶煉廠，并采用土法煉磺技術(shù)來(lái)提取硫元素，對(duì)整個(gè)礦山區(qū)域造成了嚴(yán)重污染，酸雨現(xiàn)象特別嚴(yán)重，礦區(qū)土地出現(xiàn)了嚴(yán)重酸化現(xiàn)象。根據(jù)記載數(shù)據(jù)，研究區(qū)每年排放的廢氣和廢水分別高達(dá)200 m3和31萬(wàn)t，廠區(qū)內(nèi)的SO2濃度長(zhǎng)期處于185 mg/m3，超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)值7倍以上。為了對(duì)研究區(qū)的土壤屬性進(jìn)行分析，使用網(wǎng)格法在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)均勻采取土壤樣本30份，對(duì)土壤的pH值和重金屬污染情況進(jìn)行了調(diào)查研究。30個(gè)采樣樣品檢測(cè)得到的pH值如圖2所示。

圖2 不同編號(hào)樣品對(duì)應(yīng)的pH值Fig.2 Corresponding pH value of samples with different numbers

從圖2中可以看出，30個(gè)樣品的pH值全部在7以下，具體分布范圍為5.41～6.68，平均pH值為5.96，說(shuō)明在整個(gè)研究區(qū)域范圍內(nèi)土壤全部呈現(xiàn)出酸性的特點(diǎn)。記載數(shù)據(jù)表明，在硫鐵礦開采和開發(fā)利用最鼎盛時(shí)期，土壤的pH值最低達(dá)到了2.5～4.5。經(jīng)過(guò)多年的自然改良，目前pH值有了一定程度提升，但整體上仍然為酸性。酸性土地主要包括林地和耕地，整體面積達(dá)到了540.2 hm2。

進(jìn)一步對(duì)土壤中包含的典型重金屬元素含量進(jìn)行了檢測(cè)分析，并統(tǒng)計(jì)了30個(gè)樣品中各重金屬元素含量的平均值，將其與安全標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。土壤重金屬元素含量的統(tǒng)計(jì)及其與安全標(biāo)準(zhǔn)之間的對(duì)比情況如圖3所示。由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，鎘、汞、銅、鉛、鋅、鎳元素的含量均相對(duì)較低，最大值沒(méi)有超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)。砷元素的含量相對(duì)較高，不管是平均值還是最大值均超過(guò)了安全標(biāo)準(zhǔn)值，有29個(gè)樣品砷含量超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)到了96.67%。鉻元素含量的最大值超過(guò)了安全標(biāo)準(zhǔn)值，平均值也接近安全標(biāo)準(zhǔn)，有13個(gè)樣品存在鉻含量超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)率為43.33%?？梢?jiàn)，研究區(qū)土壤中存在一定的砷和重金屬鉻污染現(xiàn)象，在后續(xù)治理中需要重點(diǎn)對(duì)這2種元素進(jìn)行治理。

圖3 土壤重金屬元素含量檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of soil heavy metal element content testing

2.2 地下含水層的破壞情況

硫鐵礦藏資源在開采利用過(guò)程中，會(huì)對(duì)周圍的地表水以及地下水造成不同程度的破壞，進(jìn)而對(duì)周圍居民的生活和生產(chǎn)用水造成影響。硫鐵礦開采導(dǎo)致形成大面積的連續(xù)采空區(qū)，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了塌陷問(wèn)題，使得地下水水位降低，給人們的生活用水帶來(lái)了很大難度。調(diào)查研究表明，整個(gè)采空區(qū)的面積超過(guò)5.5 km2，其中單個(gè)采空區(qū)最大面積約為3 km2。研究區(qū)內(nèi)共包含9個(gè)行政村，對(duì)每個(gè)行政村的飲用水可供給能力以及存在的缺口情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 各行政村飲用水可供給能力及缺口情況統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of drinking water supply capacity and gaps in administrative villages

2.3 地形地貌景觀破壞現(xiàn)象

硫鐵礦產(chǎn)資源開采過(guò)程同樣給附近區(qū)域的地形地貌及其他景觀造成了不同程度的破壞，具體可從以下幾個(gè)層面進(jìn)行闡述：①礦產(chǎn)資源開采和冶煉中形成的大量礦渣都在附近區(qū)域堆積，不僅直接改變了附近地形地貌特征，還形成了大量的邊坡，遇到強(qiáng)降雨時(shí)特別容易出現(xiàn)水土流失甚至泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，對(duì)附近居民的財(cái)產(chǎn)和生命安全構(gòu)成了一定的威脅；②礦渣中包含有一定的重金屬元素及其他有毒有害物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間堆積對(duì)附近土壤造成污染，不適合進(jìn)行植物種植，礦渣堆積附近區(qū)域的植物幾乎枯萎，形成一片荒涼景象；③夏天雨水比較充足，強(qiáng)降雨將堆積的礦渣沖入附近河流中，不僅對(duì)河流造成了堵塞，還對(duì)河水造成了污染，對(duì)河流沿岸景觀造成了不良影響。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題

由于廢棄的硫鐵礦區(qū)長(zhǎng)時(shí)間疏于管理，導(dǎo)致多處地方出現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其中最典型的包括5處，崩塌和滑坡各1處，泥石流3處，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)幾百人的正常生活造成了嚴(yán)重的影響。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境治理措施研究

3.1 土壤污染治理措施

(1)土壤pH值治理。在酸化土壤中施加石灰粉能有效改善土壤酸性，也最快速、最直接[6]。石灰粉還可以使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤的保水性能，使土壤更加適合植物種植。土壤pH值與石灰粉用量之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 土壤pH值與石灰粉用量之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between soil pHvalue and lime powder dosage

石灰粉使用量需充分考慮土壤的實(shí)際pH值及土壤基本屬性，當(dāng)pH值超過(guò)6.5時(shí)無(wú)需添加石灰粉。具體操作中需要在土地犁耙前將石灰粉均勻噴灑在土地表面，在犁耙過(guò)程中確保石灰粉與土壤均勻混合。另外，在犁耙階段還需要按照40 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)在土壤中施加磷氨肥料，以改善土壤的肥力，提升植物種植效果。

通過(guò)添加石灰粉的方式使酸化土壤逐漸得到改良，種植的農(nóng)作物產(chǎn)量隨之不斷增加，不同土壤pH值種植典型農(nóng)作物時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量情況如圖6所示。由圖6中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)土壤呈酸性特點(diǎn)時(shí)，農(nóng)作物產(chǎn)量都相對(duì)偏低，當(dāng)土壤pH值在6.5左右時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量是最高的。

圖6 土壤pH值對(duì)典型農(nóng)作物產(chǎn)量的影響情況Fig.6 Influence of soil pH on the yield of typical crops

(2)重金屬污染治理。目前針對(duì)硫鐵礦山中的重金屬污染問(wèn)題，基于植物修復(fù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行治理是最有效的方法，此方法基本不會(huì)產(chǎn)生二次污染現(xiàn)象[7]。植物在種植過(guò)程中根部會(huì)產(chǎn)生大量的微生物，微生物可以對(duì)重金屬元素產(chǎn)生富集的效果。但需要對(duì)種植后的植物根部進(jìn)行妥善處理，避免產(chǎn)生二次污染。上文研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)存在一定的砷和重金屬鉻污染現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際情況可以通過(guò)種植油菜的方式來(lái)處理重金屬污染現(xiàn)象。因?yàn)橛筒烁o對(duì)砷和重金屬鉻有很好的富集效果。但是需要說(shuō)明的是，油菜收割完畢后，需要對(duì)收集得到的根莖進(jìn)行統(tǒng)一焚燒后深埋處理。

3.2 地下含水層破壞治理措施

硫鐵礦床開采對(duì)本區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重破壞，甚至出現(xiàn)塌陷區(qū)，這種破壞是難以治理和恢復(fù)的[8]。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的年降雨量可以達(dá)到1 100 mL，附近分布有多個(gè)山泉和水田。因此，可以充分利用降雨以及周邊的水資源對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水資源供給，以滿足研究區(qū)內(nèi)居民的生活和生產(chǎn)用水需求。為了確保方案的可行性，對(duì)附近4個(gè)水源的水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果及其與標(biāo)準(zhǔn)限值之間的對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 附近水源水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及其與標(biāo)準(zhǔn)限值的對(duì)比Tab.1 Water quality test results of nearby water sources and comparison with standard limits

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，附近水源的水質(zhì)完全能夠滿足基本飲用水的需要，可以作為研究區(qū)域居民的飲用水。具體操作中，在居民點(diǎn)附近修建蓄水池，同時(shí)修建給水設(shè)施，將附近水源引入蓄水池中，通過(guò)水管將蓄水池中的水引入居民家中，確保居民的正常生活用水得到有效保障。

3.3 地形地貌景觀治理措施

針對(duì)礦渣堆積對(duì)研究區(qū)域附近地形地貌及景觀造成的不良影響，可以從以下幾個(gè)方面開展治理工作[9]。

(1)對(duì)于比較新的礦渣堆積山體，整體結(jié)構(gòu)比較松散且占地面積比較大，形成的坡體比較陡。針對(duì)此現(xiàn)象需要采取主動(dòng)措施逐級(jí)將坡體角度控制到自然休止角為止，然后采用格構(gòu)、腳墻等措施對(duì)其進(jìn)行治理。同時(shí)對(duì)地形進(jìn)行整理，輔助使用綠化工程，在平整區(qū)域可以進(jìn)行覆蓋土地后進(jìn)行復(fù)墾。

(2)對(duì)于老渣土堆積山體，整體結(jié)構(gòu)通常比較硬實(shí)，坡體比較小且穩(wěn)定，部分區(qū)域已經(jīng)自然形成了綠化帶。針對(duì)這種現(xiàn)象，無(wú)需開展大規(guī)模治理工作，只需在沒(méi)有出現(xiàn)綠化帶的區(qū)域通過(guò)人工種植方式對(duì)其進(jìn)行綠化處理。

(3)對(duì)于高陡斜坡，考慮到表面覆蓋有固結(jié)礦渣，其整體比較穩(wěn)定。所以可以采用三維網(wǎng)坡面綠化治理措施。部分不穩(wěn)定區(qū)域可在用格構(gòu)綠化同時(shí)利用錨桿進(jìn)行加固，平整區(qū)域可以覆土復(fù)墾。

(4)由于硫鐵礦山部分區(qū)域已經(jīng)廢棄較久，因此很多地方已經(jīng)自然生長(zhǎng)出了杜鵑、馬桑、斑牙等灌木植物?？紤]到研究區(qū)域土壤呈現(xiàn)出酸性的特點(diǎn)，可以在合適區(qū)域種植大量香椿樹，通過(guò)人工造林方式逐漸恢復(fù)研究區(qū)域的林地生態(tài)。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題治理措施

針對(duì)研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的5處典型地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，考慮到礦渣堆積山體比較脆弱，不宜采用大規(guī)模的防護(hù)治理措施[10]。充分結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，擬采用小型治理加生態(tài)護(hù)坡的方式對(duì)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行治理。針對(duì)山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，首先對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的危害現(xiàn)象進(jìn)行清理，然后對(duì)局部脆弱區(qū)域進(jìn)行錨固強(qiáng)化處理，同時(shí)對(duì)整個(gè)山體采用主動(dòng)網(wǎng)方式進(jìn)行防護(hù)治理；針對(duì)礦渣出現(xiàn)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，同樣對(duì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況進(jìn)行清理，然后通過(guò)腳墻以及谷坊、攔擋等對(duì)滑坡進(jìn)行防治，結(jié)合生態(tài)防護(hù)坡對(duì)坡體進(jìn)行治理；針對(duì)第1處泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，修建截排水工程，避免過(guò)多的積水流入坡體，切斷泥石流產(chǎn)生的必要條件，同時(shí)結(jié)合植物生態(tài)護(hù)坡方法對(duì)坡體進(jìn)行治理防護(hù)；針對(duì)第2處泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)坡體進(jìn)行主動(dòng)修整，然后利用適宜種植土壤對(duì)坡體進(jìn)行復(fù)墾，并在坡體上種植植物進(jìn)行護(hù)坡處理，坡底處修建墻體進(jìn)行阻擋；針對(duì)第3處泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其處理方法與第1處基本相同。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境治理效果評(píng)價(jià)分析

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

本研究基于層次分析法構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境治理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，第1層次有3個(gè)指標(biāo)，分別為經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。其中，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)主要描述通過(guò)地質(zhì)環(huán)境治理工作帶動(dòng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，生態(tài)效益指標(biāo)主要描述給本地區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的益處，社會(huì)效益主要描述給本地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及地質(zhì)災(zāi)害防治等工作帶來(lái)的好處。每個(gè)第1層次指標(biāo)下面包含多個(gè)第2層次指標(biāo)。礦山地質(zhì)環(huán)境治理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖7所示，圖7中還顯示了各個(gè)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重大小。

圖7 礦山地質(zhì)環(huán)境治理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.7 Evaluation index system of mine geological environment treatment effect

4.2 治理效果定量評(píng)價(jià)

為了對(duì)地質(zhì)環(huán)境治理效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，針對(duì)圖7所示的各項(xiàng)指標(biāo)分別將其劃分成為5個(gè)等級(jí)，即Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，以上5個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分值依次為100分、80分、60分、40分和20分。根據(jù)上述的評(píng)價(jià)等級(jí)制作對(duì)應(yīng)的調(diào)查問(wèn)卷表，邀請(qǐng)相關(guān)的學(xué)者和專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)體系的等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究中共發(fā)放15份調(diào)查問(wèn)卷，全部得到回收且有效。對(duì)調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益以及3種效益的綜合效益的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。由礦山地質(zhì)環(huán)境治理定量評(píng)價(jià)結(jié)果可知，經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)依次為80.81分、75.93分和73.83分，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到了優(yōu)秀水平，而生態(tài)效益和社會(huì)效益達(dá)到了中等以上的水平。綜合效益的分?jǐn)?shù)為77.46分，同樣屬于中等偏上的水平。

綜上所述，對(duì)硫鐵礦山地質(zhì)環(huán)境開展的治理工作取得了很好的效果，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)等綜合效益，不僅有效改善了礦山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，還在一定程度上帶動(dòng)了本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文主要以硫鐵礦開采中存在的礦山地質(zhì)環(huán)境污染問(wèn)題為研究對(duì)象，對(duì)其存在的地質(zhì)環(huán)境污染現(xiàn)象具體治理措施進(jìn)行了分析。所得結(jié)論主要如下。

(1)在對(duì)礦山開發(fā)情況、土地利用現(xiàn)狀以及現(xiàn)場(chǎng)污染情況進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)硫鐵礦研究區(qū)內(nèi)存在明顯的土壤污染問(wèn)題、地下含水層破壞問(wèn)題、地形地貌景觀破壞現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題等，亟須進(jìn)行治理。

(2)對(duì)于土壤污染現(xiàn)象可以利用石灰粉改善土壤的酸化現(xiàn)象，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量，通過(guò)植物油菜的方法對(duì)存在的砷和鉻重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行治理。對(duì)于居民生活和工業(yè)用水問(wèn)題，可修建蓄水池并從外部區(qū)域引進(jìn)健康水源，供人們正常使用。對(duì)于地形地貌和地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，需結(jié)合實(shí)際情況修建對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。

(3)建立了礦山地質(zhì)環(huán)境治理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)治理效果開展了定量分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的分值依次為80.81、75.93和73.83分，綜合效益得分為77.46。可見(jiàn)，通過(guò)地質(zhì)環(huán)境治理取得了很好的效果。