1、中國礦山環境地質問題及生態修復技術研究1 礦山地質環境的特點 礦產資源開發區的地質環境不僅由原生地質環境條件決定，更受人為的礦山資源開發活動影響，因而呈現出復雜性和動態性。張衛東等1認為，礦山地質環境具有資源和環境雙重屬性, 較大的地質環境容量和良好的地質環境質量有利于礦業的正常生產, 脆弱的或惡化的地質環境影響和制約礦山正常生產。礦產資源開發區大多地處生態環境脆弱區, 或崩塌、滑坡、泥石流原生災害高發的山地地區,其開發活動觸發和產生了一系列礦山環境地質問題, 一方面是原生地質環境條件決定的,另一方面礦產資源開發人為地質作用使其形成復雜化。大規模、高強度的礦產資源開發活動已成為影響和改變礦區地

2、質環境的最活躍、最主要的地質作用力, 成為加劇礦區地質環境變化的“催化劑”。徐友寧2提出，礦產資源開發活動亦稱礦山地質作用( 剝蝕作用、搬運作用、棄土堆渣的堆積作用等塑造了人工地貌景觀, 改變了地應力的平衡和地表地球化學場等) ,它疊加在礦山原生地質環境上并且與原生地質環境發生相互作用,導致原生礦山地質環境隨礦業活動時間、強度而呈現復雜的、動態的變化。2 礦山環境地質問題2.1 礦山環境地質問題分類作為當代環境地質學的重要研究課題，礦山環境地質問題不僅影響礦產資源的開發、經濟與環境的協調發展，更關乎社會的和諧和穩定。因此對礦山環境地質問題進行科學的分類，并調查其空間分布，有利于因地制宜，有效地

3、指導礦山地質環境調查、評估評價、預測預報和保護治理等工作。武強3依據礦山存在問題的性質（不考慮工業災害問題），將我國礦山環境地質問題分為了“三廢”問題，地面變形問題，礦山排（突）水、供水、生態環保三者之間的矛盾，沙漠化和水土流失問題五類。其中，“三廢”問題分為固相廢棄物，液相廢棄物，氣相廢棄物污染3類；地面變形問題分為開采沉陷、地面巖溶塌陷、地面沉降、邊坡、地裂縫、崩塌、泥石流7類；礦山排（突）水、供水、生態環保三者之間的矛盾分為巖溶礦床和西北采煤保水問題2類；沙漠化則分為包括西北干旱半干旱礦山沙漠化和油田沙漠化問題；水土流失可分為水力侵蝕和風力侵蝕2類。2.2 我國礦山環境地質問題分布何芳等

4、4在研究全國礦山環境地質問題類型、分布、規模、危害等因素的基礎上，首次將影響中國礦山環境地質問題分布的區域劃分為戈壁沙漠沙地區、平原盆地區、黃土高原區、中低山丘陵區、中高山地區、多年凍土區等6 大地質環境區，研究了各地質環境區礦山環境地質問題分布特征：戈壁沙漠沙地區屬生態環境脆弱區， 自然環境條件差， 礦業開發應防治的是土地沙化的加劇和水資源、植被資源的破壞；平原盆地區煤礦山的地面塌陷、地下水位下降、泥石流、崩塌，金屬礦山的水土環境污染，地下水位下降、土地占用與破壞，非金屬礦山的地面塌陷、景觀資源的破壞是區內的主要問題；黃土高原地處生態環境脆弱區， 水資源相對缺乏、植被稀疏、再生力低、水土流失

5、嚴重，因此開礦造成的水土流失、水環境破壞和污染、植被破壞及黃土邊坡的崩塌、滑坡是開礦需要防治的主要問題；中低山丘陵區由于自然生態環境條件好， 礦業開發活動強烈，煤礦山的地面塌陷、地裂縫、水均衡系統的破壞，金屬礦山的水土環境污染，山地區的崩塌、滑坡、泥石流是值得關注的問題；中高山地區由于地形陡峭、切割強烈，是礦山泥石流、滑坡、崩塌的多發區，地面塌陷地裂縫發育區，也是土地占用與破壞、“三廢”污染的嚴重區，因此中高山區泥石流、滑坡、崩塌、地面塌陷災害和“三廢”對水土環境的污染是要防治的主要問題；多年凍土區由于礦產資源開發程度較低， 產生的環境地質問題屬于較輕區， 這一帶開礦主要關注對生態環境的保護。

6、2.3 我國礦山環境地質問題現狀 董永觀等5研究發現，華東地區主要的礦山環境地質問題有土地資源毀損和占用、礦山地質災害以及環境污染等三種類型。華東地區在礦產開發過程中產生的廢石、尾礦、煤矸石、冶煉廢渣等數量巨大, 長期堆放壓占大量土地。該地區礦山地質災害具有時間的不均勻性(如6 7月梅雨季節, 滑坡泥石流災害尤為突出)、災害的地域性(如滑坡泥石流主要發生在東南丘陵山地, 采空塌陷主要發生在黃淮平原及江西萍鄉煤礦區)，具有礦山地質災害的共生性和礦產專屬性(如煤礦區瓦斯爆炸、地面塌陷、地裂縫等)。華東地區已經累計堆積50億噸礦山固體廢棄物。由于大氣氧化和雨水浸泡, 對周圍的水土造成不同程度的污染。

7、華東地區礦山廢水廢液年排放量十分巨大, 各種類型礦山年排放廢水廢液總量達62 753.77萬噸。重金屬污染、礦業酸水危害已成為金屬礦床開發產生的兩大環境公害。 陳家彪等6對西南地區的調查結果顯示，西南地區有礦山企業21073個,礦山環境地質問題以礦山環境污染問題最為突出, 礦山地質災害和礦山資源破壞問題也比較嚴重，礦山環境地質問題已影響和阻礙了地區經濟的可持續發展。西南地區由于礦產資源以有色金屬、煤炭以及硫、磷化工原料為特色, 加之礦產開發過程中很多礦山沒有建尾礦庫和沉淀池, 洗選廠建造亦很不規范,因此污染問題相當突出。而在礦山地質災害中,以地面塌陷和地裂縫居多, 滑坡、崩塌次之。徐友寧等7研

8、究發現，西北地區礦產資源破壞與浪費嚴重, 資源綜合利用效率低。礦山不合理開發毀損土地巨大。礦山型水土流失、土地沙化嚴重廢渣不合理堆放誘發滑坡、泥石流等地質災害及加劇土地沙化程度。煤礦瓦斯爆炸頻發, 社會影響極壞。部分地區“三廢” 無組織排放嚴重污染礦區環境。礦山生態環境恢復治理重視不夠, 進展緩慢, 土地復墾率低, 初步估算不足5% 。賈偉光等8研究了東北地區的礦山地質環境，發現該區的礦山環境地質問題主要為資源破壞、環境污染、地質災害3個類型。東北地區的礦山每年剝離巖土約2.2-2.6億噸，露天礦坑及堆土（巖）場侵占了大片的山村（林）和農田。礦山井下開采過程中，由于巖石采空，地面發生大面積塌陷

9、（沉陷）積水，致使大量良田廢棄，村莊搬遷。據調查，東北平原地區，每采萬噸煤炭要塌陷土地0.2hm2。東北巖溶地區的煤、鐵礦山，每年要排礦坑水近億噸，絕大部分都受到不同程度的污染，其中近30%經處理使用，其他都是自然排放。如某地多金屬礦床排放酸性礦坑水，造成河水污染，魚蝦絕跡，水草不生，同時土壤物理性質變壞，造成農田污染，農作物生長受到損害。礦山排出大量礦渣及尾礦的堆放，除了占用大量土地、嚴重污染水土資源及大氣外，還經常發生塌方、滑坡、泥石流。尾礦和矸石堆經常發生自燃放出有害的氣體，污染大氣。另外，在尾礦和矸石堆中含有許多有害的干燥廢渣物，隨風吹到城市和居民區，影響人民生活和身體健康。3 礦山生

10、態環境修復目前，礦山地區生態修復的方法主要包括生物修復、物理修復和化學修復。我國近代的礦山廢棄地生態修復工作是從20 世紀50 年代末60 年代初開始的。在20 世紀5080 年代，許多礦山開始逐漸開展廢棄地的生態修復工作，并積累了一些寶貴的經驗。在20 世紀70 年代，我國東部平原煤礦礦區零散的開展了一些礦山廢棄地的生態修復工作，修復后的土地和水面用于建筑房屋、種植小麥和水稻、養魚或栽藕等。1989 年國務院第19 號令土地復墾規定和1989年頒發的中華人民共和國環境保護法，是建國以來礦山廢棄地生態修復工作步入法制軌道的標志。20 世紀80 年代初，我國礦山廢棄地的生態修復率不到1%，80

11、年代末期，生態修復率約為2%，到目前為止，生態修復率仍不到12%，遠低于發達國家65%的修復率9。3.1 生物修復 礦山土壤修復的生物技術主要包括植物修復、動物修復和微生物修復。3.1.1 植物修復 植物修復是以植物忍耐、分解或超量積累某種或某些化學元素為基礎，利用植物及其共存微生物體系來吸收、超量積累、降解、固定、揮發及富集環境中污染物，實現部分或完全修復污染的一門環境污染原位治理技術。 Salt等10研究了利用金屬累積植物清除土壤、水體中重金屬元素和放射性核素的環境治理技術，他們將金屬污染的植物修復作用方式歸結為植物吸收、植物穩定作用和根濾作用。 植物根系與根際土壤環境間存在著復雜的相互作

12、用。植物根系分泌的糖類、有機酸、氨基酸、脂肪酸等有機質, 降低了根際土壤的pH 值。植物根系對土壤水分、氧含量、土壤通氣性的調適, 將刺激根系附近微生物群體的發育, 使根際環境成為微生物作用的活躍區域。 Fernandez等11發現，在根際環境中金屬元素可以得到富集 , 金屬元素的賦存形態及其生物有效性增加, 從而提高植物對元素的吸收、揮發或固定效率。 不管是植物吸收、揮發還是植物穩定、根濾作用, 植物本身的特性是決定污染治理效率的關鍵。因此, 尋找與篩選適宜的植物始終是植物修復研究的一項重要任務。楊肖娥12通過營養液培養實驗證明，東南景天是一種Zn超積累植物，其對生長介質中的Zn有很強的的忍

13、耐能力，當生長介質中的Zn濃度高于240mg/L時，植株仍正常生長，其生物量與對照相沒有顯著差異，其地上部Zn含量及其積累量均隨生長介質中Zn濃度的增加而增加。劉威等13通過野外調查和溫室試驗，發現并證實寶山堇菜是一種Cd超富集植物，但其生物量較小，需要利用生物技術提高其生物量才能更好地應用于污染土壤的修復。劉秀梅等14在溫室砂培盆栽條件下對鉛鋅尾礦區附近生長的6 種植物山野豌豆、草木樨、披堿草、酸模、紫苜蓿和羽葉鬼針草體內Pb 的含量與分布、重金屬Pb 的遷移總量、根系的耐性指數做了研究，發現羽葉鬼針草和酸模能夠富集重金屬Pb，可以作為先鋒植物修復被Pb污染的土壤。魏樹和等15通過盆栽模擬實

14、驗和小區實驗，從20科54種雜草植物中篩選出Cd超累積植物龍葵。近年來，科學界將目光轉向了耐重金屬污染植物物種的基因資源，超富集基因轉入基因工程植物將會得到關注。3.1.2 動物修復 Curry在系統研究后，發現蚯蚓不僅改善了土壤的機構、透水性和通氣性，其排出的糞便還能有效促進植物生長發育。Butt等16經過進一步的研究，發展了蚯蚓繁殖盒技術，將蚯蚓更好的應用到了廢棄土壤的生態修復中。戈峰17在將蚯蚓用于德興銅礦廢棄地的修復研究中發現，蚯蚓不但可以改良土壤理化性質，還可富集土壤中的重金屬，實現了持續利用的目的。但動物修復需在植物修復獲得一定成效后實施才可獲得其效果。3.1.3 微生物修復微生物

15、修復的機理包括: 通過微生物作用，改變重金屬在土壤中的化學形態，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環境中的移動性和生物可利用性；通過微生物吸收、代謝達到對重金屬的削減、凈化與固定作用。 微生物能通過氧化還原、甲基化和去甲基化作用轉化重金屬，將有毒物質轉化成無毒或低毒物質。能夠改變金屬存在的氧化還原形態，隨著金屬價態的改變，金屬的穩定性也隨之變化。Charm等18在污水處理廠發現一種嗜硫酸鹽細菌可以還原Cr6+為低毒的溶解度較小的Cr3+，從而降低水體中的重金屬毒性。Barton 等19選用從濃度為10 mmol/L Cr6+ ，Zn2+，Pb2+的土壤中分離出來的菌種，發現該菌種能夠將硒酸鹽和亞

16、硒酸鹽還原為膠態Se，能將Pb2+轉化為Pb，使膠態Se 與膠態Pb 不具毒性，且結構穩定。 微生物對重金屬的生物固定主要有3種方式，即：胞外絡合作用、胞外沉淀作用以及胞內積累。Beveridge 等20研究發現從芽孢桿菌上分離下來的細胞壁可以從溶液中螯合大量的金屬元素，當將細胞壁放入含氯化金的水溶液中時，可在細胞壁上通過聚核作用形成微小晶體。生物礦化作用是指在生物的特定部位，在有機物質的控制或影響下，將離子態重金屬離子轉變為固相礦物。Fendler等21提出生物礦化作用是自然界廣泛發生的一種作用，它與地質上的礦化作用明顯不同的是無機相的結晶嚴格受生物分泌的有機質的控制。Macaskie 等2

17、2研究表明，革蘭氏陰性細菌Citrobacer 通過磷酸酶分泌大量磷酸氫根離子在細菌表面與重金屬形成礦物。微生物的代謝活動, 在一定程度上改善了土壤的理化性質,促進植物根系對中重金屬的吸收和累積, 有助于植物的生長和降低土壤中重金屬污染。植物修復中，微生物的協同作用是指在利用特殊植物進行污染土壤修復的同時，往土壤中投加一定量的微生物肥料，微生物的代謝活動有助于協同增強植物修復效果的現象。23微生物協同植物修復技術, 在國外礦山廢棄地修復中有較快的發展, 特別是具有協同作用的微生物肥料, 已在土壤修復中得到工業化應用。除固氮菌、磷細菌、鉀細菌肥料及復合菌肥技術以外, 內生菌根技術的應用, 也已取

18、得較快的進展。美國、澳大利亞等國家都已取得較多的實踐性應用成果。3.2 物理修復根據礦山的具體情況和不同條件，物理修復措施可選用排土、換土、去表土、客土等。為了使礦山塌陷區覆土具有適種性，達到恢復植被的目的，覆土的營養狀況重金屬污染及酸性污染是影響復墾區植被適種性的主要因素。土壤重構是礦山復墾的核心內容，重構所用的物料既包括土壤和土壤母質，也包括各類巖石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項或多項的混合物。所以在某些情況下，復墾初期的“土壤”并不是嚴格意義上的土壤，真正具有較高生產力的土壤。土壤剖面重構是土壤重構最基礎的一部分。土壤剖面重構是指采用合理的采礦工藝和剝離、堆

19、墊、貯存、回填等重構工藝，構造一個適宜土壤剖面發育和植被生長的土壤剖面層次、土壤介質和土壤物理環境。胡振琪等24提出了“分層剝離、交錯回填”土壤剖面重構的原理和方法，建立了土壤剖面重構的原理與方法，為實現采礦與復墾一體化提供了有效的途徑。于君寶等25在撫順礦區矸石回填復墾還田生態重建試驗區,利用網格布點取樣法采集不同覆土類型不同土壤深度不同覆土時間的土壤樣品,對礦山復墾土壤的營養元素和重金屬元素的時空變化進行了研究。結果表明,矸石回填覆土后,營養元素含量在覆土初期恢復較快,覆土中重金屬元素含量呈逐年遞減趨勢，施(培)肥植物吸收表層微生物活動強烈是覆土中營養元素含量上高下低的決定因素。矸石母質中

20、的重金屬元素不會影響覆土耕作層的適種性,外界輸入是覆土中重金屬的主要來源，淋溶作用是重金屬元素向下遷移的主導因素。從各種元素含量綜合對比來看，選擇混合土作為礦山復墾覆土較為理想。3.3 化學修復礦山廢棄物堆場的組成物質主要是灰燼、砂質、巖土等，這些物質都具有易腐蝕和分散的特點，使用化學改良劑可改善其理化性質。 Tordoff等26研究發現，對于堿性廢棄地，宜采用FeSO4及硫酸氫鹽等物質來改善。CaSO4·H2O 可以將土壤中的鈉離子替化成鈣離子減輕土壤鹽堿化程度，從而增強土壤中水的滲透能力改善土壤基質。對于酸性廢棄地，可向土壤中投放生石灰或碳酸鹽中和。重金屬氫氧化物溶解度僅次于硫化

21、物，土壤中加入石灰可使重金屬形成氫氧化物，同時pH 值的升高，引發鈣離子與重金屬離子共沉淀現象，有效地降低土壤中重金屬的移動性以及它們在植物體內的富集。有機物例如木屑、堆肥、綠色垃圾、糞肥和有機污泥都能提高土壤的pH 值，并且可以改善土壤結構、提高土壤持水能力和陽離子交換能力。Ye等27經過研究觀測到在1 萬m2 的土壤中施用80 t 以上的石灰，并配合使用100 t 的有機肥，可明顯降低土壤的導電率、酸度和Pb、Zn 的有效性，能促進植物萌發，并使產量達到最大值。同時，含豐富N、P、K 和有機質，較強黏性、持水性和保水性等物理性質的城市污泥，也是礦山廢棄地生態修復中良好的填充物。4 3S技術

22、在礦山地質環境領域的應用3S技術是指遙感（RS)、全球定位系統（GPS）和地理信息系統，集成了空間技術、傳感器技術、衛星定位與導航技術、計算機技術和通訊技術，可以實現對空間信息的采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用。3S技術可以真實地再現礦山的地形地貌特征，在礦區的防災減災和生態修復等方面有這光明的前景。地理信息系統(GIS）向礦業領域的滲透以及GMS（Geo-science Modeling System）和GSIS(Geo-Science Information System）的出現始于80年代后期，以加拿大、澳大利亞、美國、英國為代表，陸續開發了如LYNX、MineMAP、MineS

23、OFT、DATAMINE等一些代表性的礦山模擬和礦業應用軟件系統。2000年，中國礦業大學吳立新等28開發了我國礦業領域第一個國產MGIS基礎平臺TT-MGIS2000，并在開灤集團唐山礦等礦山中投入使用。4.1 礦山工程地質災害監測 3S技術已經被應用到礦區地質災害的實時監測和預測預警中。根據現有資料，最早將GIS應用于地質災害研究的是美國加利福利亞Menlo Park地質調查局的Earl E.Brabb，他于1986年應用GIS技術對美國加利福利亞San Mateo地區進行了地質災害研究。之后，新西蘭學者R .Soeters等將GIS 技術與遙感技術(RS)結合并應用于山地災害分析與環境評

24、價。法國的E .Leroi 等將遙感技術與GIS 技術應用于滑坡災害制圖工作。美國Mario Mejia -Navarro等人將GIS 技術與決策支持系統結合, 利用GIS(主要是地理資源分析支持系統GRASS 軟件)及工程數學模型建立了自然災害及風險評估的決策支持系統, 并應用在科羅拉多州的Glenwood Springs 地區。地質災害的發生，是緩慢蠕動的地質體從量變到質變的過程。一般情況下，地質災害體的蠕動速率是小而穩定的，當突然增大時，則預示著災害的即將到來。由于GPS技術的差分精度已經達到毫米級，因而能夠滿足對蠕動災害體監測的精度要求，目前已在滑坡、地面沉降、崩塌、地裂縫等地質災害監

25、測方面得到廣泛應用。GPS技術還可以對礦區歷次發生的地質災害進行現場定位和測量，對遙感地質填圖等進行實地驗證，保證所獲數據空間位置信息的準確性。RS可以獲得礦區的光譜特征和遙感圖像，通過處理與解譯工作，可以更為準確地表現地質災害的宏觀及細部的幾何形態特征、與其他地物的空間結構特征及其光譜特征。GIS技術作為地質災害防災減災數據集成的平臺，在關系數據庫的基礎上，建立圖形數據庫，將各種地理要素疊置于電子地圖上，并且與關系數據庫中的屬性數據、遙感影像數據相聯系，將數據、文本、多媒體信息、圖像圖形集成于統一平臺上，進行空間定位與屬性一體化管理，使信息可視化。在集成信息的基礎上，結合空間分析和模型，能夠

26、直觀的顯示地質災害的范圍、影響、具體細節等，為防災救災服務，使防災減災指揮決策支持系統決策科學化。294.2 礦區生態恢復3S技術有利于各類環境因子特別是植被因子的提取，它所包含的三維建模手段可以實現對礦山廢棄地地形三維建模，從而獲得人工調查手段所無法建立的研究簽連續的地形狀況，使得地質環境現狀因子的提取更為簡單準確，因此,它在生態恢復和環境治理領域具有實踐意義。3S技術可以在礦山生態監測好生態恢復過程中發揮重獲取要作用。RS可以從綠色植物具有顯著的、獨特的光譜特征中獲取植被信息，GPS可以實時、快速、準確地提供植被的空間位置，結合少量的實地調查，通過對遙感影像的處理，增加必要的地理要素信息，通過GIS的綜合分析，可以對礦區的植被類型、植物季相節律、植被演化等進行監測、分析，了解礦區植被演化的動態。在短時間內，掌握礦區內植被結構、環境特征、區