廢棄石煤礦生態(tài)環(huán)境綜合治理探討

基金項(xiàng)目 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“安康蒿坪河流域石煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查與監(jiān)測(cè)”（DD20230457）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“秦巴山區(qū)金屬礦產(chǎn)開發(fā)引發(fā)生態(tài)環(huán)境污染綜合治理關(guān)鍵技術(shù)與示范”（2023-ZDLSF-63）。

作者簡(jiǎn)介 周玉海（1983—），男，山東榮成人，碩士，高級(jí)工程師，從事環(huán)境污染治理工作。

收稿日期 2024-01-18

摘要 本文基于HPH流域廢棄石煤礦綜合治理實(shí)踐，分析了廢棄石煤礦基本情況，以及石煤礦開采產(chǎn)生的地表水污染、土壤污染及生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)問題，提出礦區(qū)治理可采取廢棄礦硐封堵、廢渣堆綜合治理、污染河道清污、地下水及土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控等綜合治理策略，全面治理或管控中高風(fēng)險(xiǎn)污染源，從源頭上消減酸性水量和降低重金屬濃度，有效降低區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為同類型礦區(qū)治理提供參考。

關(guān)鍵詞 石煤礦；礦硐；廢渣堆；酸性水；生態(tài)環(huán)境治理

中圖分類號(hào) X171.4；S731.6"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）13-0061-05

石煤礦開發(fā)會(huì)遺留礦硐與廢渣堆等，在大氣降水淋溶及地下水浸淋的雙重作用下，廢棄礦硐及廢渣堆會(huì)產(chǎn)生部分重金屬含量超標(biāo)的酸性淋溶水，在防治措施不到位的情況下可能污染當(dāng)?shù)厮w與土壤環(huán)境。丁曉濤等[1]、林海等[2]研究表明，石煤提釩冶煉廠區(qū)土壤中存在銅（Cu）、鎘（Cd）和鉛（Pb）污染，且發(fā)現(xiàn)廠區(qū)周邊野胡蘿卜中富集了較高含量的Cd元素。

廢棄石煤礦產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重，治理難度較大。目前，針對(duì)石煤礦山生態(tài)環(huán)境治理的研究主要集中在酸性水的末端處理方法，如杜平等[3]采用硫酸鹽還原菌，將[SO2-4]還原為H2S，消耗水中的硫酸根，沉淀重金屬，處理礦山酸性水；李向東等[4]采用可滲透反應(yīng)墻技術(shù)，對(duì)礦山酸性水的pH值中和與重金屬元素的去除方法進(jìn)行模擬研究；李萌曉等[5]總結(jié)了硫酸鹽還原菌（Sulfate?reducing bacteria，SRB）處理礦山酸性水的機(jī)理、影響因素及SRB固定化方法與現(xiàn)狀；王鐸等[6]研究了極板間距、電流密度、反應(yīng)時(shí)間及廢水pH值對(duì)電絮凝法處理礦山酸性水的影響。目前，對(duì)于酸性廢水產(chǎn)生源頭的治理方面的研究較有限，這導(dǎo)致現(xiàn)有廢棄石煤礦治理措施多為采用混凝土對(duì)礦硐口進(jìn)行封堵，對(duì)酸性水收集后進(jìn)行處理，對(duì)廢渣堆進(jìn)行覆土綠化，暫末形成從源頭、中段及末端對(duì)礦硐及廢渣堆進(jìn)行全過程綜合治理[7]的策略。

采取簡(jiǎn)易封堵礦硐及覆土綠化廢渣堆的處理措施存在的主要問題：未能有效減少礦硐酸性涌水排放量，后期治理成本較高；覆土綠化的廢渣堆底部仍有酸性廢水流出，治理效果不明顯，廢棄石煤礦產(chǎn)生的環(huán)境污染問題仍未得到有效解決。本文基于HPH流域廢棄石煤礦綜合治理實(shí)踐，通過對(duì)礦硐與廢渣堆性質(zhì)，廢渣堆、廢棄礦洞基本情況，以及石煤礦開采產(chǎn)生的地表水污染、土壤污染及生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)問題進(jìn)行分析，提出污染源頭減量、過程風(fēng)險(xiǎn)控制及生態(tài)恢復(fù)的石煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理策略，為同類型礦區(qū)治理提供參考，以達(dá)到科學(xué)治污、精準(zhǔn)治污和依法治污的目的。

1 廢棄石煤礦現(xiàn)狀及主要生態(tài)環(huán)境問題

1.1 廢棄石煤礦現(xiàn)狀

1.1.1 石煤礦體特征" 石煤是一種低熱值、高灰分、高含硫的腐泥無煙煤[8]。石煤礦體產(chǎn)于晚奧陶-早志留世斑鳩關(guān)組地層中，該地層為一套次深海深水盆地相富炭（硅）泥質(zhì)碎屑巖沉積地層[9]，巖性為黑色或灰黑色板巖、含炭硅質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖與粗面巖、粗面斑巖及角礫熔巖等構(gòu)成的多個(gè)厚度不等的旋回韻律層，具有多層特點(diǎn)，富含重金屬Cd、釩（V）、錳（Mn）、鎳（Ni）和鋅（Zn）等。王馨[10]研究表明，石煤中的鉻（Cr）、Cd和Zn含量遠(yuǎn)高于褐煤、無煙煤和肥煤。李瑩等[11]調(diào)查顯示，石煤中Cd含量范圍分別為0.96～453.00和23.00～37.00 mg/kg，其均值分別是農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的143和107倍；石煤中砷（As）含量為19.9～147.0 mg/kg，其均值為農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的2.8倍。崔雅紅等[12]研究表明，石煤中硫主要以黃鐵礦形式存在，約占總硫的96.7%。

HPH流域石煤礦體呈現(xiàn)東南—西北向帶狀分布，多層產(chǎn)出，礦體傾角60°～80°，礦體為陡傾斜產(chǎn)出，因而石煤礦開采容易形成“樓上樓”礦硐群及“天窗”，大氣降水、坡面產(chǎn)流匯入“天窗”流入下方礦硐，導(dǎo)致低處礦硐涌水。石煤礦體及圍巖風(fēng)化受巖性、斷裂、褶皺、節(jié)理和板理影響和控制，斷層帶裂隙發(fā)育，通常礦硐中裂隙水量有限。

1.1.2 廢渣堆、廢棄礦洞基本情況" （1）廢渣堆。通過對(duì)研究區(qū)域58處廢渣堆固廢樣品進(jìn)行采樣，并檢測(cè)重金屬浸出濃度，廢渣浸出液pH值范圍2.3～6.0，所有廢渣樣品中均未檢測(cè)出汞（Hg），As、Cd、Cr、Pb、Ni、Cu和Mn含量較高，90%以上廢渣堆屬于Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物。

（2）廢礦硐。依據(jù)礦硐涌水pH值、重金屬含量及礦硐結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，將礦硐劃分為高風(fēng)險(xiǎn)礦硐、中風(fēng)險(xiǎn)礦硐和低風(fēng)險(xiǎn)礦硐3種類型。其中，高風(fēng)險(xiǎn)礦硐占總礦硐數(shù)的4.24%，中風(fēng)險(xiǎn)礦硐占比64.84%，低風(fēng)險(xiǎn)礦硐占比30.92%。礦硐涌水pH值普遍呈酸性，Cd、Ni、Zn和Cu等重金屬含量較高。

1.2 石煤礦開采產(chǎn)生的主要生態(tài)環(huán)境問題

1.2.1 地表水受污染情況" 調(diào)查結(jié)果顯示，HPH流域各支溝地表水pH值在2.76～9.34，平均5.94，總體水質(zhì)偏酸性。與GB 3838—2022《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，流域地表水中Cd、Ni、Mn、鋁（Al）和pH值超標(biāo)，超標(biāo)率均在60%以上；其次為全鐵（TFe）、Cu、Zn和[SO2-4]；Hg、Pb和As含量較低，不屬于該區(qū)域地表水體特征污染物[13]。部分樣本超標(biāo)率見圖1，主要污染物超標(biāo)倍數(shù)見圖2。

地表水環(huán)境中的重金屬與礦石圍巖中的重金屬呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，說明礦石、圍巖中高含量的Cd、Cu、Zn、Ni和Mn是水體中重金屬的主要來源，石煤礦開采等礦業(yè)開發(fā)活動(dòng)在一定程度上加劇了地表水污染情況。

1.2.2 土壤受污染情況" 杜蕾等[14]研究表明，石煤礦區(qū)土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由大到小依次為Cdgt;Cugt;Pbgt;Zn，其中Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于其他重金屬元素，且距離石煤礦廢渣堆距離越近，土壤中Cd濃度越高。

研究區(qū)域采集的84件土壤樣品中，土壤pH值在3.74～7.76，總體呈弱酸性。重金屬元素單項(xiàng)污染超標(biāo)倍數(shù)等級(jí)樣本統(tǒng)計(jì)表明（表1），60%以上的樣本中Cd、Cu和Zn元素超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，約35%的樣本Ni超標(biāo)；Pb、Hg和Cr未超標(biāo)。Cd超標(biāo)倍數(shù)gt;1的樣本數(shù)占77.7%；約50%的樣本Cu、Zn和Ni超標(biāo)倍數(shù)lt;1；少數(shù)樣本Cr、As超標(biāo)倍數(shù)lt;1。

1.2.3 生態(tài)破壞情況" 前期部分石煤礦的無序開采，導(dǎo)致部分區(qū)域植被被破壞，水土流失較嚴(yán)重。此外，礦硐、廢渣堆產(chǎn)生的酸性水部分進(jìn)入地表水體，可能污染周圍水體與土壤環(huán)境。

2 生態(tài)環(huán)境綜合治理策略

2.1 污染源頭減量方案

2.1.1 廢礦硐治理" 消除或控制礦硐污染源的源頭，減少礦硐酸性水的量和降低重金屬濃度，需要針對(duì)性地從礦硐外部封堵構(gòu)造裂隙、“天窗”，阻斷匯入礦硐的地表徑流，精準(zhǔn)封堵礦硐內(nèi)部出水點(diǎn)，阻隔封閉與地下水接觸的殘留石煤礦體表面，通過隔絕水體、空氣等，破壞酸性水形成條件，減少礦硐內(nèi)酸性水形成量，從而減少或消除礦硐酸性水流入地表水體。

（1）高風(fēng)險(xiǎn)礦硐治理方案。涌水礦硐通常采用強(qiáng)化封堵，石煤礦開采一般為斜井和平硐，采用密閉填充封井回填。密閉填充設(shè)置兩道密閉墻，在密閉墻之間進(jìn)行填充。姜瑜等[13]提出，傳統(tǒng)密閉填充一般采用黃泥、黏土或混凝土等材料填充，而石煤礦硐產(chǎn)生的涌水呈酸性，傳統(tǒng)填充材料在酸性水中長(zhǎng)期浸泡易被腐蝕破壞，產(chǎn)生新的涌水點(diǎn)。

KEP無機(jī)膠凝材料具有耐酸腐蝕性強(qiáng)，限抗剪強(qiáng)度高，韌性大及良好的彈塑性物理特性，能與礦硐及硐內(nèi)裂隙保持協(xié)調(diào)變形，密封性好。經(jīng)廢棄礦硐封堵工程示范，KEP注漿材料在消減礦硐磺水、消除廢棄礦硐地質(zhì)災(zāi)害及改善流域生態(tài)環(huán)境方面應(yīng)用效果較好[15]，并形成了KEP注漿材料制備、礦硐充填的全流程工藝方法。

（2）中風(fēng)險(xiǎn)礦硐治理方案。涌水積水且重金屬含量超標(biāo)的中風(fēng)險(xiǎn)礦硐優(yōu)先選擇注漿封堵技術(shù)，無涌水或涌水積水重金屬含量不超標(biāo)的礦硐依據(jù)實(shí)施情況，選擇一般強(qiáng)化封堵技術(shù)或簡(jiǎn)易封堵技術(shù)。

（3）低風(fēng)險(xiǎn)礦硐治理方案。除充填高風(fēng)險(xiǎn)廢渣需要，或在勘察后發(fā)現(xiàn)其與周圍高、中風(fēng)險(xiǎn)涌水礦硐存在聯(lián)系，否則一般推薦簡(jiǎn)易封堵。部分確實(shí)因條件不符合或者難以保障安全施工的可以不封堵，但應(yīng)樹立警示牌并做好圍擋措施。

2.1.2 廢渣堆治理" （1）高風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆治理方案。高風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆有明顯酸性廢水滲出，是溝道地表水和土壤的主要污染源之一。治理技術(shù)主要有工程密封覆蓋、生物膜吸附處理和電化學(xué)處理3種。劉敬勇[16]在含硫多金屬礦床開采過程中的環(huán)境污染與治理研究中指出，由于工程和化學(xué)技術(shù)本身的局限性，如工程密封覆蓋技術(shù)簡(jiǎn)單，但工程量大，且并不能從根本上解決問題；電化學(xué)和生物膜吸附處理技術(shù)費(fèi)用較高，且加入了外源化學(xué)物質(zhì)，有可能產(chǎn)生其他危害，均不是長(zhǎng)久之計(jì)。

（2）若高風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆區(qū)域存在高、中風(fēng)險(xiǎn)礦硐的治理方案。杜金龍等[15]建議優(yōu)先采取KEP注漿充填礦硐進(jìn)行廢渣堆減量化消減。若廢渣堆不具備充填礦硐條件，應(yīng)盡量選擇異位處置措施，建設(shè)集中填埋場(chǎng)，將附近廢渣統(tǒng)一運(yùn)送至集中填埋場(chǎng)填埋處置。異地處置貯存場(chǎng)或填埋場(chǎng)的選址及建設(shè)必須滿足GB 18599—2020《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求。填埋場(chǎng)應(yīng)包括防滲系統(tǒng)、滲濾液收集和導(dǎo)排系統(tǒng)、雨污分流系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、公用工程和配套設(shè)施、地下水導(dǎo)排系統(tǒng)及廢水處理系統(tǒng)（根據(jù)具體滲流廢水情況選擇設(shè)置）等。

（3）中風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆治理方案。在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上可行時(shí)，優(yōu)先考慮將中風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆隨高風(fēng)險(xiǎn)廢渣一并改性處理后回填至附近具備條件的廢棄礦硐或采坑，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”和協(xié)同整治。若廢渣堆暫不具備充填礦硐條件，推薦采取原址風(fēng)險(xiǎn)管控措施，做好上游來水的截排導(dǎo)流設(shè)施建設(shè)，阻止上游來水進(jìn)入廢渣堆內(nèi)部；因地制宜完成渣體穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害隱患整治，采取削坡整形、穩(wěn)定加固等措施提高廢渣堆體穩(wěn)定性；同時(shí)，對(duì)渣體表面采取有效的防滲處理，如采用高密度聚乙烯膜（HDPE）、生物毯或改性地質(zhì)聚合物等阻隔防滲材料，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求實(shí)施表層覆土和生態(tài)復(fù)綠等措施，減少進(jìn)入渣堆內(nèi)部的水量，可有效減少酸性水的產(chǎn)生量。

（4）低風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆治理方案。對(duì)于不產(chǎn)生酸性水且無地質(zhì)隱患的低風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆，以生態(tài)修復(fù)結(jié)合跟蹤監(jiān)測(cè)為主，對(duì)于位置較遠(yuǎn)、不具備施工條件的低風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆，以自然修復(fù)為主。

2.1.3 河道治理" 河道污染表觀表征為磺水視覺景觀污染，實(shí)質(zhì)為嚴(yán)重的是酸性水和重金屬污染。河道水及底泥中重金屬如果超標(biāo)，可能會(huì)危及水生態(tài)安全，韓富濤等[17]研究表明，當(dāng)水體pH值為2時(shí)，底泥中重金屬釋放量最大。呂興娜等[18]研究表明，隨著鹽度質(zhì)量濃度的增加，Pb的釋放速率也會(huì)明顯增加。李魚等[19]對(duì)影響重金屬釋放的因素研究表明，溫度升高，重金屬的釋放量明顯增加。因此，日常需要及時(shí)清理石煤礦附近河道內(nèi)底泥，并運(yùn)送至填埋場(chǎng)進(jìn)行安全處理，避免底泥中重金屬重新釋放進(jìn)入地表水體。

河道底泥清理后，在河床開闊、水流緩慢的地段設(shè)置濕地緩沖帶，通過物理攔截過濾+岸帶植物修復(fù)，提高水體pH值，加速Fe、Mn等自然沉降，縮短河道自凈距離，降低水體色度，改善河道景觀。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)管控方案

2.2.1 土壤污染管控方案" 開展土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查，分析水土環(huán)境和農(nóng)作物中Cd等重金屬積累成因，并進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，為制訂科學(xué)合理的修復(fù)目標(biāo)與方案奠定基礎(chǔ)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，按照污染程度，實(shí)施農(nóng)用地分類管理，將農(nóng)用地劃分為優(yōu)先保護(hù)類、安全利用類與嚴(yán)格管控類3個(gè)類別，以耕地為重點(diǎn)，分別采取相應(yīng)管控措施，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。劉瑞平等[20]提出將預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先作為土壤污染防治的基本原則，重視前期管理代替后期治理。

2.2.2 地下水污染管控方案" 地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，礦區(qū)下游特別是渣堆底部地下水中部分指標(biāo)超標(biāo)，其他區(qū)域地下水質(zhì)量較好；地下水超標(biāo)指標(biāo)主要為pH、Cd、Zn、Fe和Mn，與石煤礦開發(fā)造成的特征污染物基本一致。隨著對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)廢渣堆清理與酸性水礦硐封堵，有效切斷了地下水污染來源，地下水中污染物擴(kuò)散趨勢(shì)得到有效控制，礦區(qū)地下水水質(zhì)得以持續(xù)改善。結(jié)合區(qū)域地下水環(huán)境敏感性特點(diǎn)以及地下水污染現(xiàn)狀特征，區(qū)域地下水污染管控建議主要采取”自然修復(fù)+跟蹤監(jiān)測(cè)“的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

2.3 生態(tài)恢復(fù)方案

石煤礦開采形成的廢渣堆多為Ⅱ類固廢，因此不能簡(jiǎn)單實(shí)施生態(tài)復(fù)綠工程。針對(duì)研究區(qū)大多數(shù)廢渣堆堆積坡度大、立地條件差及自然復(fù)綠程度低等特征，需因地制宜選取合適的土壤重構(gòu)及植被重建技術(shù)進(jìn)行復(fù)綠，復(fù)綠措施應(yīng)遵循“人工修復(fù)+自然修復(fù)”相結(jié)合原則。

針對(duì)硐口、高陡斜坡的裸露基巖面，進(jìn)行噴漿處理，可起到穩(wěn)固硐口及減少裂隙磺水滲出的作用，防止含硫鐵礦的基巖在雨水浸溶下形成酸性水。付政麗[21]提出，針對(duì)廢棄地坡度小于45°的緩坡地段，進(jìn)行土地復(fù)墾，以喬木林為主，選擇坑穴覆土植樹技術(shù)；坡度大于45°的廢棄場(chǎng)地，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，削坡后在臺(tái)面上坑穴植樹種草，在臺(tái)階上栽植喬木或爬藤類植物，起到遮擋綠化裸露巖面的作用?？友ǜ餐梁穸瓤刂圃?0 cm以內(nèi)，覆土種草的土壤有效厚度應(yīng)不小于30 cm。邊坡較陡時(shí)，采用賓格籠擋墻或生態(tài)袋技術(shù)，減緩暴雨期間的水土流失；對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡首先需要勘察設(shè)計(jì)治理潛在的滑坡和崩塌隱患。

3 結(jié)語

本文基于HPH流域廢棄石煤礦綜合治理實(shí)踐，分析了石煤礦現(xiàn)狀涉及的礦硐與廢渣堆性質(zhì)，廢渣堆、廢棄礦洞基本情況，以及石煤礦開采產(chǎn)生的地表水污染、土壤污染及生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)問題，提出污染源頭減量（包括廢礦硐治理、廢渣堆治理和河道治理）、過程風(fēng)險(xiǎn)控制（土壤污染管控、地下水污染管控）及生態(tài)恢復(fù)的石煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理策略，為同類型礦區(qū)治理提供參考。礦區(qū)治理可采取廢棄礦硐封堵、廢渣堆綜合治理、污染河道清污、地下水及土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控等綜合治理策略，全面治理或管控中高風(fēng)險(xiǎn)污染源，從源頭上消減酸性水量和降低重金屬濃度，有效降低區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

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（責(zé)編：何 艷）