露天礦山排土場生態污染現狀及修復技術研究

摘要：隨著中國工業化進程的加速，礦產資源需求不斷上升，露天礦山的開采規模和強度顯著增加。露天礦山排土場作為礦山開采過程中剝離物和廢石堆放的場所，其生態污染問題愈發突出?？偨Y基于露天礦山排土場修復技術的相關研究成果，重點從地質穩定性修復技術、土壤修復技術和水資源修復技術進行了梳理分析，并提出了針對性建議，以期為礦山生態修復提供參考和借鑒。

關鍵詞：露天礦山；排土場；生態修復；修復技術；地質穩定性；土壤修復；水資源修復

中圖分類號：TD167 TD804"""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0020-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241204

引 言

近年來，隨著中國工業化進程加速，相關產業得以迅速發展，對礦產資源的需求急劇上升。為了滿足國家經濟發展及工業化需要，各礦山企業不斷加大礦產開采強度，擴大開采規模。根據《中國礦產資源報告（2023）》［1］，2023年，能源礦產、金屬礦產及非金屬礦產的生產及消費均有不同程度的提升。以金屬礦產為例，2023年中國銅精礦產量187.4萬t，增長5.8 %；鉛精礦產量149.7萬t，增長0.9 %；10種有色金屬產量6 793.6萬t，增長4.9 %。然而，在礦山開采強度增加和開采規模擴大的同時，也對礦山生態環境造成了極大破壞，嚴重損害了人類居住環境，亟待采取有效措施進行治理。

在中國，露天開采占比極大，其中，建筑材料礦山為100 %露天開采，鐵礦石露天開采占比80 %～90 %，化工材料露天開采占比約70 %，有色金屬礦露天開采占比 40 %～50 %，煤礦露天開采占比約15 %［2］。排土場作為露天礦山開采過程中用于堆放剝離物、廢石或其他物料的場所，污染和破壞問題十分突出。

在礦產開采過程中，圍巖（廢石）由于品位不滿足礦山要求而被堆棄在排土場，但這些廢石可能伴生有放射性物質或毒性重金屬，如鉛、汞、鎘、砷等，在未采取有效封閉或隔離措施的情況下，這些物質易在雨水沖刷下滲入土壤和地下水系統，不僅引發土壤污染和地下水污染，破壞當地生態系統，影響植物和動物的生長，而且可能通過食物鏈傳遞，最終危及人類健康。此外，廢石堆場若未能妥善管理，可能導致排土場邊坡穩定性遭到破壞、地表水流失及土壤侵蝕等問題，甚至引發滑坡或泥石流等地質災害，進一步加劇環境破壞。因此，露天礦山排土場治理是環境保護領域面臨的嚴峻挑戰之一［3］。

國內外諸多學者在礦山生態修復方面做了大量研究［4-5］。然而，排土場作為礦山生態修復中的重要環節，對其的研究仍顯不足。本文系統分析了排土場在生態修復過程中存在的共性問題，梳理了國內現有排土場修復技術并進行分析，以期為露天礦山排土場生態修復方案的制定提供參考。

1 地質穩定性修復

1.1 "地質穩定性現狀

排土場通常由采礦過程中產生的廢石、礦渣等材料堆積而成，這些材料的地質結構較為松散，缺乏天然土壤的黏結性和穩定性。由于其堆積高度和坡度較大，在重力、雨水、風力等外部因素作用下，排土場容易發生滑坡、崩塌等地質災害。這些災害不僅威脅著礦山周邊的居住環境和基礎設施安全，還對生態系統造成破壞，具體表現在以下4個方面：

1）堆積材料的特性。排土場主要由采礦過程中產生的廢石、礦渣、剝離的表土和其他廢棄物組成。這些材料通常未經篩選和處理，直接堆積在一起，形成結構松散、孔隙率高的堆積體。由于其組成材料多樣且不均勻，排土場的內部結構非常復雜，缺乏黏性和凝聚力。因此，這些堆積材料在外力作用下，容易發生顆粒移動，導致整體穩定性差。

2）堆積體高度與坡度。露天礦山排土場為了節省空間，通常將廢棄物堆積成高大的堆積體。隨著堆積高度的增加，堆積體內部的剪應力和荷載不斷增大，容易超出材料的抗剪強度，導致局部或整體滑移。同時，為了提高排土場的容量，堆積體的坡度往往較陡，這進一步增加了其發生滑坡的風險。在坡度過陡的情況下，地表的淺層滑動和深層滑動均可能發生，威脅周邊環境和設施的安全。

3）排水和滲透問題。排土場的排水系統通常不完善，或因設計不當而無法有效排除積水。降雨或融雪等水分滲透進入排土場堆積體內部，會導致其內部孔隙水壓力升高，降低材料的有效應力，使堆積體更加不穩定。尤其是在強降雨后，排土場發生地質災害的風險會顯著增加。長期的滲透作用還可能引發堆積體的蠕變和變形，最終導致滑坡或崩塌的發生。

4）外部擾動因素。露天礦山排土場的穩定性不僅受自身特性的影響，還會受外部擾動因素的威脅。常見的外部擾動因素包括地震、爆破振動、地表水流動及人為機械操作等。這些因素會誘發或加速排土場的不穩定性。例如：采礦過程中的爆破作業會產生強烈的振動波，引發排土場堆積體局部或整體失穩，甚至導致突發性的地質災害。

1.2 地質穩定性修復技術

露天礦山排土場地質穩定性對礦山安全生產至關重要，地質穩定性修復技術見表1。

從表1可以看出：不同地質穩定性修復技術各有特點。選址優化以預防為主，能夠從根本上避免許多問題，從而有效降低后期出現污染后的生態修復成本。但是，前期需要大量的地質調查和評估，成本較高，并且在礦山的實際生產中，排土場的選址范圍有限，無法完全避免不穩定的地質條件。排水系統設計能有效降低地下水位，減少水對地質穩定性的負面影響，從而增加堆積體的穩定性，但無法做到一勞永逸，只能作為維護堆積體穩定性的輔助措施，并且排水系統需要定期維護，若維護不當或設計不合理出現堵塞，還會出現新的污染問題。堆積體結構改進是最有效地提高地質穩定性的措施，可以大幅降低水分積聚和土體滑動的可能性，但隨著坡角增大，堆積體邊坡穩定系數逐漸減小，這決定了排土場的容量有限。監測與預警系統能夠提供實時數據，可預警潛在的地質災害，幫助制定應急措施，降低災害風險，但該措施過于依賴技術和設備的精準度，系統維護成本較高，且需要專業人員進行監測。工程技術措施可以直接對不穩定的地質條件進行干預，提供強有力的物理支撐和保護，效果顯著，但設計復雜，施工工程量大，成本較高，在實際的礦山生產中，可和監測與預警系統配合使用。

綜合分析發現，選址優化和排水系統設計屬于前期預防性技術，而堆積體結構改進、監測與預警系統、工程技術措施更偏向于礦山開采過程和后期的修復。單一技術措施往往難以全面解決地質穩定性問題，因此在實際應用中，傾向于多種技術的組合使用，以實現更好的穩定性修復效果和經濟效益。例如：將排水系統設計和監測與預警系統相結合、堆積體結構改進和監測與預警系統相結合等，達到1+1＞2的效果。未來還可以結合無人機、遙感監測技術，進一步增強系統監測能力，同時借助智能決策系統對實時數據進行分析并生成自動化應急方案，提高礦山管理的決策效率和準確性。

2 排土場土壤修復

2.1 土壤污染現狀

露天礦山排土場土壤污染涉及重金屬污染、放射性污染、土壤鹽堿化等多種污染因子。這些污染問題不僅影響當地的生態環境，還可能對人類健康構成威脅。

1）重金屬污染。礦石中可能含有重金屬，如鉛、鎘、汞、銅、鋅、砷等，隨著時間推移，重金屬可能滲入土壤中，其一旦進入土壤，具有很強的累積性和持久性，被植物吸收后，可能通過食物鏈進入人體，導致慢性中毒、神經系統損傷等健康問題。

2）土壤酸化。當礦石暴露于空氣和水中時，特別是硫化礦石，會發生氧化反應，生成硫酸等酸性物質。這些酸性物質滲入土壤后，會導致土壤酸化，顯著降低土壤pH。此外，酸性環境還會加速土壤中重金屬的溶解和遷移，進一步加劇土壤的重金屬污染。土壤酸化不僅抑制植物的正常生長，還會破壞生態系統的穩定性，造成更嚴重的環境問題。

3）放射性污染。某些礦石中可能含有天然的放射性元素，如鈾和釷等。由于放射性污染具有隱蔽性和長期性，其對土壤環境的影響難以察覺，但會顯著增加輻射風險。人員長期暴露在放射性污染環境中，可能導致癌癥、基因突變等嚴重健康問題。

4）土壤結構破壞。排土場長期堆積大量廢棄物，逐漸破壞了土壤的物理結構，可能導致土壤壓實、硬化，進而降低其通氣性。這種結構性破壞會削弱土壤的水分保持能力和營養元素的循環，導致土壤肥力下降，進而阻礙自然植被的恢復，嚴重影響生態環境的修復過程。

5）土壤鹽堿化。礦山開采過程中含有高鹽分或堿性物質的廢棄物在排土場長期堆積，受雨水沖刷后溶解滲入土壤，導致土壤鹽堿化，不僅影響植物生長，造成土地荒漠化和生態環境破壞，還可能因礦物元素的不平衡積累或缺乏，導致土壤營養元素失衡，進一步阻礙植被恢復和生態平衡，降低土地利用價值。

2.2 土壤修復技術

露天礦山排土場土壤修復是一個復雜的過程，需要綜合考慮土壤污染類型、程度及環境條件。常用土壤修復技術見表2。

從表2可以看出：在礦山土壤污染修復中，各種技術均有其獨特的作用和適用性。土壤置換能夠快速清除污染物，但因需處理大量污染土壤，成本高昂且可能產生二次污染。封閉隔離只適用于短期或中期控制，無法從根本上去除污染物，并且其效果過于依賴隔離材料的特性。熱處理對有機污染的修復效果最為顯著，但能耗高，處理成本高，尤其面對大面積污染，經濟性極低?；瘜W固化對重金屬污染土壤的修復效果最為顯著，但可能影響土壤的物理性質。氧化還原在進行多種污染物處理時的效果最為顯著，但其操作復雜，成本同樣較高。植物修復綠色環保，適合大面積低濃度污染的長期修復，但修復周期較長，效果受植物種類和環境條件限制。微生物修復有機污染物有效，成本低、環境條件限制小，但修復時間長。植物-微生物聯合修復結合了植物和微生物的優勢，能有效治理土壤污染，適用于大面積、污染源交叉復雜的綜合修復。

綜合來看，這些技術在修復速度、成本、環境影響和適用范圍上各有優劣，在礦山土壤污染修復中，選擇合適的修復技術需要綜合考慮污染類型、污染物濃度、修復周期、成本、環境影響和修復目標等因素。而基于各技術特點和礦山污染的復雜性，植物-微生物聯合修復技術是目前較為理想的綜合修復方案。針對植物-微生物聯合修復技術的局限性，未來可以借助物聯網和生物技術實現智能調控的植物-微生物修復系統，實現修復過程的自動化、智能化，且適應性更強，可廣泛應用于污染類型復雜、修復目標多樣的礦山場景。隨著智能監測、基因工程等技術的成熟，智能化植物-微生物修復有望成為未來礦山生態修復的核心手段。

3 水資源修復

3.1 水資源污染現狀

排土場廢棄物中常含有重金屬、硫化物和其他有害物質，這些污染物在雨水的浸潤和滲透下，可能會污染地表水和地下水。重金屬一旦進入水體，容易積累在動植物體內，最終通過食物鏈影響人類健康。此外，酸性礦山廢水的排放可能導致周邊水體酸化，對水生生態系統產生長期不利影響。

通過對比發現，水資源污染與土壤污染具有很高的相似性，水資源污染和土壤污染均源于礦山廢棄物中的重金屬、酸性物質和有毒化學物質，水資源污染物的遷移和擴散與土壤污染物的遷移和擴散規律大致相同，同樣是在降水、風化等環境因素作用下，逐漸擴散到水體中，并通過遷移擴大污染范圍，導致植物、動物和微生物的生存與繁殖受到嚴重影響，進而引發生態系統功能退化。由于重金屬和酸性物質的難以降解性，這些污染具有長期性和累積性，對環境構成持續威脅。然而，水資源污染的特殊點在于，污染物通過河流、地下水和地表徑流進行擴散，其擴散速度更快，影響范圍更廣，且對人類健康的直接威脅更為突出，尤其當污染物進入飲用水源時；水資源污染的治理通常比土壤污染更復雜且成本更高，因為水體中的污染物擴散難以控制，需要對流動水體進行大面積的凈化處理，涉及復雜的物理、化學和生物修復技術。

3.2 水資源修復技術

露天礦山水資源修復技術多樣化，主要依據污染的類型和程度選擇合適的方法，其修復技術見表3。

從表3可以看出：在礦山水資源修復技術中，多個方法可用于處理不同類型的污染，均具有優勢和局限性。沉淀池操作簡單、成本低，適合初步處理大體積的含懸浮物廢水，但無法對溶解性污染物如有毒化學物質進行處理。濕地系統利用天然或人工濕地中的植物、微生物和土壤協同處理污染物，具有良好的生態效益和長期效果，適合處理低濃度、持續排放的廢水，但占地面積大、處理速度較慢。中和沉淀法對酸性礦山排水和重金屬污染有顯著效果，且操作相對簡單，但會產生大量含鐵、錳等重金屬的污泥，若處理不當則會造成二次污染。反滲透法在去除各種溶解性污染物時效果最為顯著，但設備成本高，運行能耗大，并且滲透膜需要定期維護，成本增加。離子交換對重金屬污染的處理效果最為顯著，但樹脂易飽和，需要定期再生，操作復雜。電吸附法在處理復雜交叉污染物時效果最為顯著，可同時高效去除有機物和重金屬，且不產生二次污染，但設備投資過大，且當水質過于渾濁時，會大大降低去除效果。動植物修復適合大面積、低濃度污染的長期治理，但修復速度較慢，效果受生物種類和環境條件限制。

在礦山水資源修復中，污染物種類多樣、濃度不同，需要結合多種技術的優點才能實現最佳效果?；趯ΜF有技術的特點分析，推薦沉淀池、人工濕地和電吸附等多階段組合修復技術，優勢在于充分發揮各技術的特長，形成層層遞進的處理流程。第一階段使用沉淀池初步處理去除懸浮物，第二階段使用中和沉淀法調整酸堿度，第三階段通過濕地系統進行生態修復，第四階段通過電吸附法進行深度處理，使出水水質達到礦山水資源修復標準，完成水資源的修復。在未來的發展過程中，智能控制和自動化監測技術同樣有著很好的應用前景，通過傳感器監控污染物濃度、pH等參數，自動調節各階段工作狀態，提高處理效率，且還可以結合物聯網技術，動態控制修復流程，實現更高效、智能化的水資源修復。

4 結 論

本研究立足于露天礦山排土場的破壞現狀，系統梳理并分析了近30年的露天礦山排土場生態修復技術，重點探討了地質穩定性修復、土壤修復及水資源修復技術的原理與應用，分析了各技術的優勢、局限性及其適用范圍，為露天礦山排土場生態修復提供參考。

1）在露天礦山排土場地質穩定性修復技術中，選址優化是生產前的關鍵預防措施，堆積體結構改進則是效果最為顯著的修復手段，而排水系統設計、工程技術措施及監測與預警系統則作為輔助性措施，協同發揮作用。

2）在露天礦山排土場土壤修復技術中，土壤置換與封閉隔離難以從根本上去除土壤中的污染物，因此在實際修復過程中不建議大規模采用。熱處理在修復有機污染方面效果顯著；化學固化對重金屬污染土壤的修復效果尤為突出；而氧化還原技術在處理多種污染物共存的土壤時表現出色。植物修復、微生物修復及植物-微生物聯合修復通常用于經過其他有效修復手段處理后的土壤。

3）在露天礦山排土場的水資源修復技術中，沉淀池適用于處理大量含懸浮物的廢水；濕地系統適合處理低濃度、持續排放的廢水；中和沉淀法對酸性礦山廢水和重金屬污染具有顯著效果；反滲透法在去除各種溶解性污染物方面效果最佳；離子交換則在處理重金屬污染上表現尤為突出；電吸附法在應對復雜交叉污染物時效果顯著；而動植物修復通常應用于經過其他有效修復手段處理后的水域。

4）各項修復技術均有其局限性，在設計實際修復方案過程中，應根據礦山實際情況及各技術的特點進行綜合應用。未來，隨著智能監測、物聯網技術的發展，排土場生態修復將實現修復過程的自動化、智能化。

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Research on the ecological pollution status

and restoration technologies of open-pit mine dumps

Abstract：With the acceleration of industrialization in China，the demand for mineral resources has surged，leading to significant increases in the scale and intensity of open-pit mining.As repositories for overburden and waste rock generated during mining activities，open-pit mine dumps have increasingly serious ecological pollution issues.This study reviews relevant research achievements on restoration technologies for open-pit mine dumps，focusing on geological stability restoration，soil remediation，and water resource restoration.Targeted recommendations are proposed to provide references for mine ecological restoration practices.

Keywords：open-pit mine;dump;ecological restoration;restoration technologies;geological stability;soil remediation;water resource restoration