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矿山环境评价与治理
2013-09-06
矿山环境评价与治理。
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1. 国内外研究现状以及发展趋势

随着社会经济的发展,环境问题越来越突出。据统计,人类对环境的破坏每15年左右翻一番。而自然也对人类进行了报复,水土流失、“沙尘暴”现象、水体污染、草场退化、地面变形、采矿废石占地效应等愈来愈严重,采矿引起的一系列矿山环境问题不仅威胁到人民生命财产安全,面且严重影响和制约着经济的发展,也引发了一系列社会问题和矛盾,近年来,地质环境和生态系统问题已逐渐受到人们的重视,科学开发矿产资源与保护生态环境已经成为人们的共识。各国的学者已围绕地质—生态环境恶化问题进行了大量的探索研究(常发强,1997),取得了一些可喜的成果。

我国较为系统的矿山环境调查研究工作始于20世纪90年代中后期,特别是自国土资源部成立以来,坚持“在开发中保护,在保护中开发”的原则,实现国土资源的开发与管理,资源开发与保护统筹考虑.统—安排,做了大量的矿山环境保护丁作。

另外,国土资源部已将矿山环境保护的内容列人国土资源总体规划和科技发展规划中。矿山环境保护管理基础、矿山环境保护法规、矿山环境保护规划、矿山环境保护技术方法、矿山环境保护恢复技术指南、矿山环境恢复保证金制度、矿山环境保护评价方法和矿山环境保护投资机制等一大批涉及矿山环境保护的规范管理和制度建设以及立法等工作正在起草或论证实施过程中。这些丁作无疑将对有效指导矿山环境保护研究工作、对我国矿业可持续发展战略实施具有重要的理论意义和实用价值。

2. 矿山环境问题分类

矿山环境问题分类研究,不仅在基础理论上进一步补充、完善并发展了现代环境地质学和矿床水文地质学,而且在实践应用中可有效指导矿山环境调查、评价预测、保护与复坑治理和矿山环境信息系统研发等工作,具有重要的理论指导意义和实用价值。

矿山环境问题类型划分依据不同,其划分方案显然就不同。比较典型的有三类划分方案,依据矿种类型所进行的矿山环境问题类型划分方案,员然较为详细具体,佃有些问题相互重复;依据矿山开发阶段的划分方案虽然较好地刻画了矿山开发演变的整个动态历史过程中所面临的不同问题,但较为宏观和简单:依据矿山自身存在问题性质的划分方案较为适用从可行。

3. 矿山环境评价

矿山环境问题复杂多样,其评价方法也众多。不同的矿山环境问题有其自身的特点,其适用的评价方法也各界。如何选择适宜的评价理论和方法,是正确评价矿山环境问题的基础。

矿山环境评价是矿山环境问题研究的核心内容,它是在现场调查和收集分析整理已有成果资料基础上,根据矿区所存在的各类环境问题所做出的现状模拟和预测预报。根据评价的环境要素,矿山节能评价可划分为单环境问题(要素)评价和多环境问题(要素)综合评价两大类(武强等,2005)。

3.1矿山环境单问题评价理论

3.1.1固相废弃物评价理论

固相废弃物堆积一般煤歼石、粉煤灰、剥离、废土石(湾)、尾矿库和含

放射性 质等固相废料。固相废弃物堆积一般具有占地、边坡稳定、淋滤污染、风化扬尘污染四大环境效应。铀矿等放射性矿种的废弃物除四大环境效应外,还具有放射性污染效应。煤矸石山堆积具有自燃效应。

1.相废弃物占地效应评价

(1)原理与特点

遥感解译一般是指人工目视解译,所谓人工目视解译,即是指利用遥感图像的影像特征和空间特征,与多种非遥感信息资料相结合,运用生物地学相关规律,进行由此及彼、由表及里、去伪存真的综合分析和逻辑推理的思维过程。但随着信息源和数据量的增大,需求的高速度、大范围几乎超越了目视解译的极限,这就应运产生了运用计算机技术进行遥感图像分析处理技术。将目视解译与计算机自动解译相结合,更更利于遥感图像信息的提取。

根据各类固相废弃物在航卫片上成相的形态、色调、纹型图案等识别标志进行解译,可圈定固相废弃物的堆积范围,确定占地面积大小。不同性质、类型的固相废弃物在彩红外航片上呈现出不向的色彩及形态特征。

(2)适用条件与范围

    遥感解译法具有一系列优点:直观性强,内容车富,视域广,不受调查条件限制等。但因航卫片受气候因素和解译人主观经验等影响,其解译效果存在一定误差。故建议将宏观与微观、已知与未知、室内与室外、定性与定量、遥感解泽与现场调查、目视解译与计算机图像自动处理相结合,以最大限度减小误差,提高评价精度。

2.固相废弃物堆积的边坡效应评价

固相废弃物堆积形成的边坡属人工边坡,堆积体由松散岩土物质所组成。在我国最为典型的矿山固相废弃物堆积为煤矿区煤矸石山,开采过程中,作为煤炭资源开采的伴生副产品,煤矸石被大量堆积在矿区周围,形成了煤矿区独特的景观。随着堆积规模的不断扩大,煤矸石极易发生一系列的诸如崩塌、滑坡和泥石流等灾害,在我国,由于煤歼石堆的崩塌和边坡问题造成灾难者不乏其例,损失极大,造成煤肝石山边坡失稳的因素很多,研究认为,上要因素是煤矸石堆的形状、大气降水入渗和边坡抗剪强度降低等。

3. 固相废弃物淋滤污染效应分析

固相废弃物淋滤污染分为土壤污染和水体污染,渗出液和滤沥液中所含有毒有害物质能改变土质和土壤结构,影响土壤中微生物的活性,有碍植物的根茎生长,而且有毒物质会在植物体内积累,对土壤污染可采取土壤样中的微量元素和有害元素进行评价。

4. 固相废弃物的风化扬尘污染效应评价

固相废弃物风化扬尘的粉尘中所包含的矿物成分不同,其危害各异;粉尘的粒度与形状不同,危害也不同。能够进人人体肺部的粉个皆小于5微米。对矽土而言,以1—2微米的颗粒危害最大,旦棱角尘粒远较圆形尘粒危害为大:团相废弃物风化扬尘的污染效应评价可参照大气质量评价方法。

3.1.2液相废弃物评价理论

矿山液相废弃物是指在矿产资源勘探、开采、采后洗选和加工过程中所产生的废水:按污染水所含的碳氢化合物和毒性来划分,污染水可分为无机无毒水、无机有毒水、有机无毒水和有机有毒水四种类型。按照污染水所含的污染物性质来划分,又可分为酸性水、高硬度水、高混浊水、重金属污染水、有毒有害元素污染水、放射性污染水和有机污染水等。

3.1.3气相废弃物评价理论

根据气相废弃物类型、可将其划分为煤层、煤矸石自燃产生的废气、沙漠化导致的扬尘、采场或排土场的风化扬尘。天然气自燃、煤层气自燃产生的废气和采矿爆破产生的废气等。

针对采场和排土场的风化扬尘问题.应用大气环境的测量方法.对PM10进行大量研究,据此对矿区的大气环境进行评价与分类.并提出对策,而对煤层矸石自燃、天然气自燃和煤层气自然产生的废气问题,应采取大气环境质量评价的方法进行研究.诸如大气环境质量指数法等:

3.1.4开采沉陷评价理论

煤等有用矿产资源被采出后,开采区域周围的岩体原始应力平衡状态受到破坏,随着开采的进行,应力重新分布以达到新的平衡。在此过程中,岩层和地表发生连续移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)。这种现象称为“开采沉陷”。煤炭的井工开采必然引起岩层和地表的下沉,导致大量土地的沉陷,我们将这种现象称为“采煤沉陷”,形成的沉陷区(土地)称为“采煤沉陷区(土地)”。 开采沉陷使得土地质量下降、对矿区生态环境造成严重破坏、减少了人均耕地。依据沉陷地破坏的物理特征,可以将采煤沉陷对地表的破坏形式归纳为三带型、拱冒型、弯曲型、抽冒型、切冒型。

开采沉陷评价的主要方法:经验公式法、剖面函数法、影响函数法、解析模型法、物理模型法、应力应变数值模拟法。

3.1.5地面岩溶塌陷评价理论

岩溶塌陷形成的基本条件是:具有一定发育程度的岩溶,岩溶上方有一定厚度的岩土体及岩溶地下水系统三个方面。岩溶发育是漫长的地质历史所形成的,分为受地表水入渗控制的垂向岩溶(可溶岩地区普遍存在),受地下水位控制的层状岩溶(不同地质历史时期岩溶地下水位变幅带上),受构造带和岩溶地下水运动控制的构造岩溶(如岩溶地下水系统内部导水断裂部位等)和受溶解性差异较大的岩石接触面利岩溶地下水运动控制的层间岩溶(如小奥陶统上、下马家沟组一段泥灰岩与灰岩接触面上)。主要的评价方法有地理信息系统(GIS)评价、两级模糊综合评判、人工神经网络评价岩溶塌陷、直接测氡法。

3.1.6地面沉降评价理论

地面沉降是我国平原地区的主要地质灾害之一,地面沉降与深层地下水的超量开采密切相关。只要地下水位以下存在可压缩地层,由于孔隙水压力(对上覆地层的浮托力)降低,砂层的有效应力增加,孔隙度降低,砂层受到压密,即会引起地面变形。主要的评价方法有一维固结理论的解析方法、数值模拟评价。

3.1.7矿山泥石流评价理论

泥石流评价理论方法主要有:

1.效果测度法

效果测度分析可处理模糊性、随机性信息数据,具有系统因素分析与样本分类(级)评价双重功能,是一种具有普适性又简便易行的数据处理技术方法。效果测度分析是根据参考序列曲线与比较序列曲线的接近程度,进行信息数据的分析与评价。

2.地理信息系统法

3.模糊综合评判法

综合判别法就是先考虑单个出于对灾度等级的影响,再综合考虑每个因子的影响作用,以确定灾区等级的最终归属。如果是用模糊数学的方法来进行综合评价,则称为模糊

综合判别法。

4.人工神经网络法

关于人工神经网络,前面已有介绍。对于泥石流,由于岩性及构造特征的复杂性,决定了影响泥石流危险度的出素(危险因子)很多。在泥石流危险度评价中,各种危险因子的选取及其影响程度的确定是重中之重。然而,由于受到各种客观条件的限制,不可能将各种危险因子全部反映到泥石流危险度的评价中来,这样就需要从这些众多因子中选取对泥石流危险度起控制作用的最主要的因子,而忽略对其影响较微的次要因子。

5.数值仿真模拟法

泥石流的数值模拟以理论方程和计算数学为基础,利用泥石流的实验数据或野外观测数据作为对照,通过对泥石流运动的理论方程离散化解为代数方程,从而应用计算机进行求解

3.1.8矿山崩塌评价理论

从工程地质意义上看,煤矸石斜坡岩土体被陡峭的拉裂面破坏分割,突然脱离母体而快速位移、翻滚、跳跃和坠落下来,堆于崖下,即谓崩塌。崩塌的评价方法:

1.工程地质类比法:通过对已有崩塌的形成条件、影响因素与研究斜坡所具有的条件和影响因素进行类比,从而分析山体的稳定性、危石块体的分布范围,判断产生崩塌落石的可能性极其破坏能力。这是一种定性的分析方法,也是目前崩塌发生可能性评价的主要方法。

2.力学分析法:在分析可能崩塌体及螺石受力条件的基础上,用块体平衡理论计算其稳定性。根据前面的分析,在具备了崩塌产生的地貌条件(陡坡)后,崩塌能否出现,关键在于脱离母体的危岩块(体)的形成。

3.1.9矿山滑坡评价理论

岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象,称为滑坡。滑坡评价理论主要有:

1.安全系数法:安全系数法足一种历史悠久而目前仍最普遍应用的定量评价方法。它是通过极限平衡分析法,计算出可能滑动面上的综合抗滑力与综合下滑力的比值F。通过F的大小来评价边坡岩土体的稳定性。

2.可靠度和破坏频率:理论与实践均证明,影响边坡工程稳定性的诸多因素常常具有—定的随机性,它们多是具有一定分布形式的随机变量,而非一个定值。鉴于此特点,人们开始引进概率论的原理和方法来分析边坡工程的稳定性。

3. 边坡岩土体的位移、应力、位移速度:边坡岩土体变形是其稳定性最明显、最直观的反映,根据允许的边坡岩土体变形有关参数来评价边坡安全程度是一种概念比较明确的、直观的判据。

4.定性经验结论:在对某—边坡工程进行稳定性分析或进行某一人工边坡设计时,人们总会自觉或不自觉地把当前的研究对象,与己有的与之类似的稳定或不稳定边坡进行类比分析,从主观概念上对研究对象的稳定状况作一种经验的、直觉的判断。

5.干扰能量:该判据的原则是基于稳定性分析的能量准则,它以研究对象受干扰后产生的干扰能量值作为判据来考察研灾对象是否稳定。

3.1.10排水、供水、生态环保三者结合评价理论

三位一体结合评价的理论与方法:排、供、生态环保配合是指在对矿井水疏降较为有效的地下水系统的某些补给部位,建立能够保证生态环境质量的各种用途的供水水源地,预先截取补给矿井的地下水水流。这样既可满足矿井周围的各类供水需求,又可达到疏降矿井水之日的,并有效地降低了我国矿山传统的因仅采取井下大流量疏放而造成品贵的吨煤排水费用和水污染处理费用.变被动的井下防治水工作为积极主动的地面截流工作。

3.1.11沙漠化评价理论

1.沙漠化监测指标评价:主要指标有土地表面反射率、尘暴频率、年降雨量、土壤侵蚀率、土壤深度、有机质含量、植被盖度、风蚀、水蚀、土壤结皮等

2.遥感解译技术:遥感信息以其周期件、宏观性、现势性和系统性方面的优势,在沙漠化研究中得到了广泛的应用。其中,航空遥感数据具有很高的分辨率,因此,以往的研究中利用不同时期的航空像片对沙漠化土地类型分布、动态变化的研究,都取得过精确的定量结果。

3.1.12水土流失评价理论

1.预测模型法:采用定性讨论与定量分析相结合的方法,对影响水土流失的气候因素、土壤因素、地质因素、地形因素、植被因素和人为因素进行了统计分析与评价,总结、归纳各因素对水土流失影响的一般规律。

2. 运用GIS进行水土流失量定量评价:利用GIS进行水土流失量定量评价,首先要建立准确的数学模型。而建立区域水土流失定量评价的数学模型,首先需要确定构成模型的各个元素,即定量评价指标。

3.1.13露天开采对水环境破坏效益分析

1. 矿坑开采阶段地下水渗流场模拟:在露天开采区将所涉及的含水层的地下水位疏降到其底板以下,动态地模拟不同充水含水层地下水位变化情况。

2. 矿坑回填阶段地下水渗流场模拟:因为回填材料往往是开采时的废杂土石,所以回填后,回填区含水层的导水性、储(释)水性等水力参数都将发生变化。运用visual MODFLOW软件建立模型,将回填区作为一个导水的柱子,取适宜的水文地质参数,把开采阶段的末状态作为回填阶段的初始状态,动态地模拟地下水位逐渐恢复变化的情况。

3. 露天矿坑作为人工湖的地下水渗流场模拟:设计两种假设方案,一是假设露天采坑被完全充水,水位标高达到地面标高,研究这种情况下水位完全恢复所需时间以及对完全恢复后地下水渗流场的分布进行预测;二是假设将人工湖水位控制在一定标高,研究其水位恢复所需时间和对应状态的地下水渗流场分布。

3.2矿山环境多问题综合评价理论

3.2.1突变数法综合评价理论

突变数:同等级的矿山环境问题叠加后能达到致灾的环境问题的个数。在自然界中,任何一种现象的产生都充分贯彻着从量变到质变的原则,所以在空间操作和地图代数运算时,只要能找到突变数,就能判断从一个级别跳跃到另一个级别的质变界限。

3.2.2网格数字统计法综合评价理论

根据矿区所存在的主要矿山环境问题类型及其严重程度进行评价因子的确定,采用网格数字统计法进行评价,需要将评价区进行网格剖分,在计算机上将剖分的网格与数字化地质底图进行叠加,将每个评价因子划分为4级。然后分别对每个单元网格进行赋值,即矿区环境问题不发育赋值为1,微发育赋值为2,中度发育为3,强发育为4。根据上述标准对区内所有单元进行各个因子信息的提取和数字化。然后将预先确定的评价因子的数字化结果进行叠加分析。

4. 矿山环境治理

4.1工程复垦治理

工程复垦技术是工程复垦中按所在地区自然环境和复垦地利用方向的要求,对废弃地进行回填、堆垒、平整并进行必要的防洪、排涝及环境治理等。

4.1.1挖深垫浅的土地复垦方式

可利用公路、铁路和河流、干渠将大面积塌陷区划分为相对较小的治理单元。在各治理单元内,根据地表塌陷量大小分布情况,在积水较深的区域继续深挖建设深水养殖塘,水深小于0.5m浅水区主要用于种植莲藕、茭白等水产经济作物;浅水域周边地区治理为蔬菜某地(张同良,1997)。

4.1.2拖式铲运机复垦

拖式铲运车复垦主要适用于复垦干燥、土质松软(否则须打井降低水位)的情况,或土中含大粒径的砾石不适于泥浆泵复垦,且作业场打,运送距离较长(大于50米)。

4.1.3梯式动态复垦

如矿区煤层交替回采,地表塌陷呈动态变化,按照塌陷区综合治理规划,可采用梯次动态复垦的方式。梯式动态复垦的方针即:动态塌陷,滚动治理,先塌先复,后塌同治,挖填结合,整体平衡。

4.1.4充填复垦

充填复垦是利用矿区的固体废渣作为充填物料,主要充填物为煤矸石和坑口电厂粉煤灰。充填复垦兼有掩埋矿区固体废弃物和复垦土地的双重效能(崔龙鹏,1998)。

4.1.5梯田式复垦工程设计

采煤形成塌陷而产生的附加土地的坡度一般比较小,大约在2度以内时,通过土地平整或不平整就能耕种;塌陷后地表坡度在 2—6度之间时,可沿等高线修整成梯田,并略向内倾以拦水保墒,土地利用时可布局成农林(果)相间,耕作时可采用等高耕作,以利水土保持。这种土地复虽形式为梯田式复垦。

4.1.6疏排法复垦

疏排法复垦要建立合理的排水系统,选择承泄区排除塌陷区内积水和降低地下潜水位,以达到防洪、除涝、降渍的目的(卞正富等,1996)。疏排法复垦防洪要求洪水季节承泄区河水及外围径流不倒灌或流入塌陷低洼地,通常应采取整修堤坝和分洪的方法。

4.1.7煤矸石复垦

对煤矸石进行整形改造,整形改造后进行种植绿化使之消除危害、美化环境,并且能获得一定的经济效益。

4.1.8泥浆泵复垦

造地复田往往需要挖土、装土、运土、卸土和平整地等五道工序  泥浆泵复垦方法就是利用泥浆泵这一组机械,模拟白然界水流冲刷原理,把机电动力转化成水力而进行挖土、输土和填土作业,即由高压水泵产生的高压水,通过水枪喷出一股密实的高压高速水柱,将泥土切割、粉碎、使之湿化、崩解,形成泥浆和泥块的混合液,再由泥浆泵通过输送管压送到待复田的土地上(胡振琪等,1991)。

4.2生物复垦治理

生物复垦技术是根据生物的生态特性和生态功能对复垦地进行有目的的开发利用技术。生物技术的应用在土地复垦中内有重要地位,迅速恢复植被是土地复垦技术的核心;它实现废弃土地农业复垦的关键环节,主要内容为土壤改良,植被品种筛选和生物增产。永利国际娱乐官网主要在排土场复垦、矸石山复垦及用固体废物充填复垦中进行了研究,取得了成效。

4.2.1VA根用于矿山土地复垦

应用现代微生物工艺技术加速新覆盖土的改性与熟化。在复垦工程中利用农业微生物工艺技术,目的在于利用微生物的生命活动,挖掘土壤潜能,实现低耗资和快速熟化复垦地的人工耕层。活性菌系可以使矿山排土场岩的农业化学性质不断改进,调整pH值,使游离磷、钾和腐殖质的增加速度比传统方法快1—2倍。在要复垦的土地上接种菌剂后,可以大幅度提高植物生物学产量和加速培肥土壤。与常用的施人化肥或掺人土壤改性材料相比,具有经济、高效、持久、无污染的特点(郁纪东,2000)。

4.2.2利用灌木林对草原露天矿进行土地复垦治理

此种方法是用于西北地区的干旱、半干旱草原露天矿区。这种地区以高寒少雨、气候恶劣、生态环境脆弱、天然植被一旦遭到破坏,将很难恢复。同时这种地区经济一般较落后,复垦资金较少。而人工灌木林(山杏、丁香、沙棘)可以明显改善土地的水肥条件,从而进行该地段的农业综合利用。

4.3生态复垦治理

在采矿破坏土地的复垦利用过程中,发展和建立生态、经验良性循环、协调发展的现代集约型农业,即生态工程复垦,不仅整治了采矿废弃的土地,可恢复、改善该区的生态环境,而且还有利于提高农业生产的综合效益,促进农业长期稳定发展。

4.3.1基塘复垦治理

基塘复垦模式是指对采煤塌陷地采取控深垫浅措施获得一定比例的旱田与水面,并按生态学原理对旱田和水面全面利用的复垦模式。由该模式形成的土地生态系统为水陆复合型生态系统。该模式是生态工程复垦的典型模式(焦华富等,1999)。

4.3.2矸石山的生态工程复垦

矸石山是煤矿在采煤及煤加工过程中排出的固废弃物堆集而成。一般占地几十亩,高度几十米,坡度在30-45度之间,矸石山的生态工程复垦包括微生物复垦与植物复垦两类(赵景运等,1993); 对矸石山进行复垦的程序为矸石山的整形、矸石山的处理、道路布设、灌溉及排水系统布置、种植条件调查及种植植物的品种选样布局、种植的时间和方法、管理等(日珊兰等,1997。生态工程原理在歼石山复垦中的应用主要表现为矸石山不同区域的条件研究其生态位、适生植物品种的选择及矸石山植物种群的建立等。另外还要研究矸石山营养物质的流动,解决其循环利用办法。

4.3.3利用生态演替原理进行土地复垦

生态系统的核心是该系统中的生物及其所形成的生物群落,在内外因素的共同作用下,一个生物群落如果被另一个个物群落所替代,环境也就会随之发个变化。因此,生物群落的演替,实际是整个生态演替。通过对排土场不同时期植被的调查,把复垦过程分为3个阶段,即水土保持、生态效益和经济效益三阶段。初期阶段:以速生桔物为主迅速恢复植被,有效控制水土流失;中期阶段:建立具有持续改善排土场生态环境的永久植被;后期阶段:看准市场经济,着眼矿区生态环境的综合治理和土地开发利用的经济效益。

4.3.4营造人工林进行土地复垦

营造人工林的土地复垦技术,可以在开采后的土地下迅速形成绿色植被,保护土壤不致水土流失,并能增加土地的肥力,改善区域的生态条件;在露天开采的矿区采用营造林技术进行土地复垦一般能取得较好的效果(马彦卿,1999)。一般分为五个方面:树种的选择、整地、造林播种、造林密度和树种、抚育措施。

5. 组合复垦治理

任何个事物都不是孤立存在的,它必然与环境和周围的事物发生联系与交流。土地复里也是一样  不管是工程复垦、生态复垦还是生物复垦,其中每一种方法如果单独用于复垦图地,并不能最大限度地发挥其方法的优点,必须结合这三种复垦模式中的其他方法,才能发挥出各种方法的优势,才能更好地进行土复垦。

在土地复垦中,一般通过工程复垦平整土地,排除积水、早涝等;用生物复垦的方法改善上壤的质量,消除由于采矿造成的环境污染及土壤污染,提高农作物的产量;在土地复垦的最后阶段,运用生态复垦的方法收善复垦土地局部的生态环境,使该土地不仅得到复垦,而且能创造一定的经济效益和社会效益(张国良等,1997)。通过这三种复垦方法的结合,才能从真正意义上实现土地复垦。

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