硫鐵礦開采中礦山地質環境治理措施及效果評價分析

付政麗

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

隨著我國工業領域的快速發展和人們對物質生活水平要求的不斷提高，對各種資源的需求量越來越大[1]。為應對這種局面，世界范圍內每年都要開展大量的礦產資源供人們使用[2]。礦產資源的開發利用雖然為人們的生活和工業發展作出了非常重要的貢獻，但與此同時，資源開發過程中不可避免地會帶來一系列的生態環境問題，給礦藏區域的水、空氣、土壤、地質等都帶來了嚴重的惡劣影響[3]。黨的十八大以后，國家層面對生態文明建設的力度越來越大[4]。在這樣的背景下，人們越來越關注礦產資源開采過程中的環境問題，對礦山地質環境污染現象進行了深入的分析與研究，結合礦山實際情況提出了一系列的措施和手段，使得礦山的地質環境得到了很好的改善[5]。本文以某硫鐵礦山為例，分析了礦山地質環境存在的問題，并結合實際情況提出了有效的治理措施，取得了很好的應用效果，在促進生態文明建設方面發揮著重要的現實意義。

1 硫鐵礦山基本情況概述

1.1 礦山開發情況

本文所述的硫鐵礦礦山內包含有豐富的礦產資源，從20世紀50年代開始進行礦產資源的開發利用，直到本世紀初所有的礦山礦井全部關閉。礦產開發利用期間獲得了豐富的硫鐵礦資源，為當地的社會經濟發展作出了不可磨滅的貢獻。整個開采區域面積達到了9.1 km2，最大的連續采空區域面積達到了5.5 km2，早期的5個流鐵礦井開采得到礦產資源將近2 000萬t。但是在礦區附近的土地資源、地表植被、水資源等都遭到了嚴重的破壞。

1.2 土地利用現狀

為了更好地開展礦山地質環境治理工作，首先需要對研究區域的土地利用現狀進行深入調查研究。通過前期統計分析發現研究區域范圍內共包含的面積達到了660 hm2。研究區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了嚴重酸化現象，不利于植物種植。林地的總面積達到了288.5 hm2，占比為43.71%，但大部分面積同樣出現了嚴重的酸化問題。村莊、工礦用地和公路屬于建設用地，在整個研究區域內分布比較均勻，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 研究區土地的利用現狀統計Fig.1 Statistics of land use status in the study area

2 礦山地質環境污染問題分析

2.1 土壤污染問題

硫鐵礦在開采期間還配套建設了冶煉廠，并采用土法煉磺技術來提取硫元素，對整個礦山區域造成了嚴重污染，酸雨現象特別嚴重，礦區土地出現了嚴重酸化現象。根據記載數據，研究區每年排放的廢氣和廢水分別高達200 m3和31萬t，廠區內的SO2濃度長期處于185 mg/m3，超過安全標準值7倍以上。為了對研究區的土壤屬性進行分析，使用網格法在整個研究區域內均勻采取土壤樣本30份，對土壤的pH值和重金屬污染情況進行了調查研究。30個采樣樣品檢測得到的pH值如圖2所示。

圖2 不同編號樣品對應的pH值Fig.2 Corresponding pH value of samples with different numbers

從圖2中可以看出，30個樣品的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，說明在整個研究區域范圍內土壤全部呈現出酸性的特點。記載數據表明，在硫鐵礦開采和開發利用最鼎盛時期，土壤的pH值最低達到了2.5～4.5。經過多年的自然改良，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，整體面積達到了540.2 hm2。

進一步對土壤中包含的典型重金屬元素含量進行了檢測分析，并統計了30個樣品中各重金屬元素含量的平均值，將其與安全標準值進行對比。土壤重金屬元素含量的統計及其與安全標準之間的對比情況如圖3所示。由圖3中數據可以看出，鎘、汞、銅、鉛、鋅、鎳元素的含量均相對較低，最大值沒有超過安全標準。砷元素的含量相對較高，不管是平均值還是最大值均超過了安全標準值，有29個樣品砷含量超標，超標率達到了96.67%。鉻元素含量的最大值超過了安全標準值，平均值也接近安全標準，有13個樣品存在鉻含量超標現象，超標率為43.33%。可見，研究區土壤中存在一定的砷和重金屬鉻污染現象，在后續治理中需要重點對這2種元素進行治理。

圖3 土壤重金屬元素含量檢測統計結果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程中，會對周圍的地表水以及地下水造成不同程度的破壞，進而對周圍居民的生活和生產用水造成影響。硫鐵礦開采導致形成大面積的連續采空區，部分區域甚至出現了塌陷問題，使得地下水水位降低，給人們的生活用水帶來了很大難度。調查研究表明，整個采空區的面積超過5.5 km2，其中單個采空區最大面積約為3 km2。研究區內共包含9個行政村，對每個行政村的飲用水可供給能力以及存在的缺口情況進行了統計分析，結果如圖4所示。

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

2.3 地形地貌景觀破壞現象

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

2.4 地質災害問題

由于廢棄的硫鐵礦區長時間疏于管理，導致多處地方出現了地質災害現象，其中最典型的包括5處，崩塌和滑坡各1處，泥石流3處，對研究區域內幾百人的正常生活造成了嚴重的影響。

3 礦山地質環境治理措施研究

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粒結構，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系曲線如圖5所示。

圖5 土壤pH值與石灰粉用量之間的關系曲線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際pH值及土壤基本屬性，當pH值超過6.5時無需添加石灰粉。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的標準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。

通過添加石灰粉的方式使酸化土壤逐漸得到改良，種植的農作物產量隨之不斷增加，不同土壤pH值種植典型農作物時對應的產量情況如圖6所示。由圖6中數據可知，當土壤呈酸性特點時，農作物產量都相對偏低，當土壤pH值在6.5左右時對應的產量是最高的。

圖6 土壤pH值對典型農作物產量的影響情況Fig.6 Influence of soil pH on the yield of typical crops

(2)重金屬污染治理。目前針對硫鐵礦山中的重金屬污染問題，基于植物修復技術對其進行治理是最有效的方法，此方法基本不會產生二次污染現象[7]。植物在種植過程中根部會產生大量的微生物，微生物可以對重金屬元素產生富集的效果。但需要對種植后的植物根部進行妥善處理，避免產生二次污染。上文研究發現，研究區域內存在一定的砷和重金屬鉻污染現象，結合實際情況可以通過種植油菜的方式來處理重金屬污染現象。因為油菜根莖對砷和重金屬鉻有很好的富集效果。但是需要說明的是，油菜收割完畢后，需要對收集得到的根莖進行統一焚燒后深埋處理。

3.2 地下含水層破壞治理措施

硫鐵礦床開采對本區域的地質結構造成的嚴重破壞，甚至出現塌陷區，這種破壞是難以治理和恢復的[8]。通過調研發現，研究區的年降雨量可以達到1 100 mL，附近分布有多個山泉和水田。因此，可以充分利用降雨以及周邊的水資源對研究區域進行水資源供給，以滿足研究區內居民的生活和生產用水需求。為了確保方案的可行性，對附近4個水源的水質進行了取樣檢測，檢測結果及其與標準限值之間的對比情況見表1。

表1 附近水源水質檢測結果及其與標準限值的對比Tab.1 Water quality test results of nearby water sources and comparison with standard limits

由表1中數據可以看出，附近水源的水質完全能夠滿足基本飲用水的需要，可以作為研究區域居民的飲用水。具體操作中，在居民點附近修建蓄水池，同時修建給水設施，將附近水源引入蓄水池中，通過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

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

(1)對于比較新的礦渣堆積山體，整體結構比較松散且占地面積比較大，形成的坡體比較陡。針對此現象需要采取主動措施逐級將坡體角度控制到自然休止角為止，然后采用格構、腳墻等措施對其進行治理。同時對地形進行整理，輔助使用綠化工程，在平整區域可以進行覆蓋土地后進行復墾。

(2)對于老渣土堆積山體，整體結構通常比較硬實，坡體比較小且穩定，部分區域已經自然形成了綠化帶。針對這種現象，無需開展大規模治理工作，只需在沒有出現綠化帶的區域通過人工種植方式對其進行綠化處理。

(3)對于高陡斜坡，考慮到表面覆蓋有固結礦渣，其整體比較穩定。所以可以采用三維網坡面綠化治理措施。部分不穩定區域可在用格構綠化同時利用錨桿進行加固，平整區域可以覆土復墾。

(4)由于硫鐵礦山部分區域已經廢棄較久，因此很多地方已經自然生長出了杜鵑、馬桑、斑牙等灌木植物。考慮到研究區域土壤呈現出酸性的特點，可以在合適區域種植大量香椿樹，通過人工造林方式逐漸恢復研究區域的林地生態。

3.4 地質災害問題治理措施

針對研究區域內出現的5處典型地質災害現象，考慮到礦渣堆積山體比較脆弱，不宜采用大規模的防護治理措施[10]。充分結合研究區域實際情況，擬采用小型治理加生態護坡的方式對地質災害現象進行治理。針對山體崩塌地質災害現象，首先對已經出現的危害現象進行清理，然后對局部脆弱區域進行錨固強化處理，同時對整個山體采用主動網方式進行防護治理；針對礦渣出現的滑坡地質災害現象，同樣對出現的危險情況進行清理，然后通過腳墻以及谷坊、攔擋等對滑坡進行防治，結合生態防護坡對坡體進行治理；針對第1處泥石流地質災害現象，修建截排水工程，避免過多的積水流入坡體，切斷泥石流產生的必要條件，同時結合植物生態護坡方法對坡體進行治理防護；針對第2處泥石流地質災害現象，應對坡體進行主動修整，然后利用適宜種植土壤對坡體進行復墾，并在坡體上種植植物進行護坡處理，坡底處修建墻體進行阻擋；針對第3處泥石流地質災害現象，其處理方法與第1處基本相同。

4 礦山地質環境治理效果評價分析

4.1 評價指標體系的建立

本研究基于層次分析法構建礦山地質環境治理效果評價指標體系。其中，第1層次有3個指標，分別為經濟、生態和社會效益。其中，經濟效益指標主要描述通過地質環境治理工作帶動的社會經濟發展情況，生態效益指標主要描述給本地區的生態環境帶來的益處，社會效益主要描述給本地區基礎設施建設以及地質災害防治等工作帶來的好處。每個第1層次指標下面包含多個第2層次指標。礦山地質環境治理效果評價指標體系如圖7所示，圖7中還顯示了各個一級指標和二級指標的權重大小。

圖7 礦山地質環境治理效果評價指標體系Fig.7 Evaluation index system of mine geological environment treatment effect

4.2 治理效果定量評價

為了對地質環境治理效果進行定量評價，針對圖7所示的各項指標分別將其劃分成為5個等級，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，以上5個等級對應的分值依次為100分、80分、60分、40分和20分。根據上述的評價等級制作對應的調查問卷表，邀請相關的學者和專家對各個指標體系的等級進行評價。研究中共發放15份調查問卷，全部得到回收且有效。對調查問卷結果進行統計分析，可以得到經濟效益、生態效益、社會效益以及3種效益的綜合效益的評價分數。由礦山地質環境治理定量評價結果可知，經濟效益、生態效益、社會效益的評價分數依次為80.81分、75.93分和73.83分，產生的經濟效益達到了優秀水平，而生態效益和社會效益達到了中等以上的水平。綜合效益的分數為77.46分，同樣屬于中等偏上的水平。

綜上所述，對硫鐵礦山地質環境開展的治理工作取得了很好的效果，產生了明顯的經濟、生態、社會等綜合效益，不僅有效改善了礦山地區的生態環境，還在一定程度上帶動了本地區的經濟發展。

5 結論

本文主要以硫鐵礦開采中存在的礦山地質環境污染問題為研究對象，對其存在的地質環境污染現象具體治理措施進行了分析。所得結論主要如下。

(1)在對礦山開發情況、土地利用現狀以及現場污染情況進行充分調研的基礎上，發現硫鐵礦研究區內存在明顯的土壤污染問題、地下含水層破壞問題、地形地貌景觀破壞現象和地質災害問題等，亟須進行治理。

(2)對于土壤污染現象可以利用石灰粉改善土壤的酸化現象，提升農作物的產量，通過植物油菜的方法對存在的砷和鉻重金屬污染問題進行治理。對于居民生活和工業用水問題，可修建蓄水池并從外部區域引進健康水源，供人們正常使用。對于地形地貌和地質災害問題，需結合實際情況修建對應的防護措施。

(3)建立了礦山地質環境治理效果評價指標體系，并對治理效果開展了定量分析與評價。結果發現經濟效益、生態效益和社會效益的分值依次為80.81、75.93和73.83分，綜合效益得分為77.46。可見，通過地質環境治理取得了很好的效果。