采矿引起的环境岩土工程问题及对策研究.pdf

采矿引起的环境岩土工程问题及对策研究 贺建波1,康钦容2,尹光志2,张卫中2 1. 重庆市地质环境监测总站,重庆 400015 ; 2.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室, 重庆 400044 Ξ 摘要矿山环境岩土工程问题是我国环境治理的一个重点和热点问题.作者首先通过分析在 矿山开采过程中可能引起的几种环境岩土工程问题以及对人类活动带来的严重危害,然后从 技术和非技术两个层面上提出了几种解决这些矿山环境岩土工程问题的方法和途径,即矿 山环境问题的解决必须依靠严格的法律法规和有效的监督管理机制,并以科学技术进步和技 术创新为依托. 关 键 词采矿;环境岩土工程;对策 中图分类号 TD 327 文献标识码 A 文章编号 1007Ο7332 2006 02Ο0097Ο04 0 引 言 环境岩土工程学是研究应用岩土工程概念进行环境保护的一门学科,是一门跨学科的边缘科 学[1]. 1985年,方晓阳先生提出了环境岩土工程概念.国际上,公认以1986年在美国里海大学召开 的第一届国际环境岩土工程学术讨论会为环境岩土工程成为一门独立学科的标志.经过近20年的研 究,环境岩土工程得到迅速发展,其涉及范围大致包括气象、水文、地质、农业、化学、医学、工程 学等学科[2 ,3]. 由采矿引起的矿业环境岩土工程灾害每年给我国造成极大的人员伤亡和高达数十亿元的直接经济 损失,同时还使生态环境遭受不可恢复的破坏. 1 采矿工程中的主要环境岩土问题 矿山的开采、挖掘是直接在岩土圈中进行的,伴随着我国矿山开采强度的增大,其所造成的环境 破坏越来越严重.矿产资源的开发、加工和使用过程不可避免地要破坏和改变自然环境.比如,矿山 开采造成的矿区地面严重塌陷破坏了地面建筑物地基基础,矿山“三废”的排放严重地影响了人们的 生活,尾矿坝的垮坝以及露天矿边坡滑坡事故会造成大量人员的伤亡等等.从我国目前矿山的实际情 况来看,岩土环境负效应主要有以下几种类型由于开采矿产资源使地球岩石圈原生环境发生改变而 造成的岩土工程问题和由于工业固体废弃物堆置不当而引发的岩土工程问题.矿产资源开采引起的环 境岩土工程问题主要表现在地下开采引发的地表沉降、坍塌和山体滑坡崩塌,露天开采造成的地表 植被破坏及其引发的水土流失,采矿爆破作业诱发的地震,矿区排水疏干及矿床开采导致地下水位下 降和水资源流失等.矿业固体废弃物堆置不当引发的环境岩土工程问题主要是排土场、废石场、矸石 场、炉渣场和尾砂库泥石流灾害及由其产生的沙尘暴. 1. 1 地下开采引起的地面变形和地面塌陷 在我国大多数地下矿山,由于在地底下进行大面积开采、挖掘,往往形成较大的采空区.一旦采 空区放顶后,在采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带等,并不断向上发展,造成地面沉 降,地表形成低洼地.由于地表潜水位较低,在沉降低洼处,地下水位接近或高出地表,于是在地表 第25卷第2期 2006年4月 河 南 理 工 大 学 学 报 JOURNAL OF HENAN POL YTECHNIC UNIVERSITY Vol. 25 No. 2 Apr. 2006 Ξ收稿日期 2006Ο01Ο20 ;修回日期 2006Ο02Ο11 基金项目国家自然科学基金资助项目50374084 作者简介贺建波, 1971Ο , 男,四川蓬安人,主要从事水文地质和工程地质方面的研究. EΟmail kang801118 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 形成沼泽区或积水池. 当矿山开采的深度较小时,开采放顶后冒落带直接发展到地面,使得地面产生塌落.如遇到地面 有建筑物时,如果下沉量较大、地下水位又较浅时,会造成地面积水,这不但影响使用,而且使地基 土长期浸水,造成强度降低,从而使建筑物墙梁产生拉剪破坏甚至陷入地下;遇到地表河流时,使全 部河水涌入井下,从而在地表形成断流. 由于地下开采强度和广度的扩大,地面变形和塌陷的危害不断加剧.目前,地面塌陷已在我国 23个省区发现了800多处,塌陷坑约3万多个,全国每年因地面塌陷造成的经济损失约10多亿 元[4]. 1. 2 矿山废石和尾矿对矿山环境的影响 采矿,无论是地下或者露天开采,都要剥离地表土壤和覆盖岩层,并开掘大量的井巷,从而产生 大量废石,而选矿过程亦会产生大量的尾矿.据估计,由矿业生产所排放的工业固体废弃物占到了全 国工业固体废弃物排放总量的80 ,仅金属矿山排放堆积的废石和尾砂就已超过50亿t ,并且每年 仍以4～5亿t的排放量剧增.煤矿开采排弃的矸石量占到煤炭产量的10 ,矸石量每年递增1亿t. 废石和尾矿对环境的影响主要表现在以下几个方面[5] 1所有矿山的开采都伴随尾矿排放问题,这种矿山特有的固体废料往往就地堆放,不可避免地 要覆盖农田、草地或堵塞水体,从而破坏生态环境. 2有的废石堆或尾矿场会不断逸出或渗滤析出各种有毒有害物质,污染大气、地下或地表水 体;干旱刮风季节会从废石堆、尾矿场扬起大量粉尘,造成大气粉尘污染,更重要的是,这些扬尘含 有一定量的有害元素,如铅、铍等.当它们随风飘到矿区附近的土地上时,可造成矿区大地大面积地 重金属污染.例如,地处河西走廊中段巴丹吉林沙漠边缘的金川公司老尾矿占地300万m2,选址周 围为居民区,由于经常尘土弥漫,严重地影响了居民生活;暴雨季节,会从废石堆、尾矿场中冲走大 量砂石,可能覆盖农田、草地、山林或堵塞河流等等. 1. 3 尾矿库及露天矿坑的安全问题 由于露天矿坑的开采、挖掘、排土场的堆积常常形成数十米甚至几百米高的人工边坡,这些边坡 往往存在极大的不稳定性,同时大量的废石和尾矿如堆存不当可能发生滑坡事故,造成严重后果.如 美国有一座高达244 m的煤矸石场发生滑坡,大量煤矸石滑进了一座城里,造成800多人死亡的惨 案.我国大坪金矿区山体滑坡和东波有色金属矿区尾矿库垮塌是由于矿产开采和矿业固体废弃物处置 不当引发的岩土工程灾害的典型事故,前者造成108人遇难、金子河断流和矿井被毁,而后者使整个 矿区几乎遭受灭顶之灾. 2 对策分析 由采矿引起的环境岩土工程问题的解决牵涉到很多方面的因素.目前,我国矿业环境问题防治的 基本方针政策是“预防为主,防治结合”.结合我国矿山的实际情况,针对矿山开采产生的一系列问 题,笔者认为要想从根本上解决这个问题,需要从技术和非技术层面入手. 2. 1 非技术方面 1加强立法.矿产资源开发建设项目在规划和设计报批的同时,必须提交环境影响评价报告和 安全评价报告.在矿业岩土工程规划设计时,应该从环境保护的角度出发,考虑结构的稳定与安全问 题,注意岩土工程引起的环境变化,有针对性地进行规划与设计.矿业企业生产期间接受环境保护行 政管理部门和安全生产监察部门的监督和定期检查;倡导岩土工程与环境科学密切结合、提倡环境保 护的岩土工程规划设计,应用岩土工程的观点、技术和方法为保护环境服务. 2加强环境保护和污染治理.矿产开发对生态环境有一定的影响,部分矿山和加工企业的废 气、废渣、废水严重污染周边环境,因采矿而诱发的地质灾害时有发生.在矿产资源开发中,首先应 促进生态环境的改善,减少和控制矿产资源采选冶等生产环节对资源环境造成的破坏和污染,实现矿 产资源开发与生态环境保护的良性循环;加强对矿山生态环境防治的执法检查和监督;加强教育,提 89 河南理工大学学报自然科学版 2006年第25卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 高矿山企业和全社会的资源环境保护意识.其次,要抓污染严重、影响面广的遗留问题,督促企业下 大力气进行治理整顿,无力整改的要限产或关闭;新建矿山企业必须将环境保护与治理贯彻始终,建 立生态环境履约金制度,并加强行政监督力度,严格执行“环保一票否决制”. 2. 2 技术方面 1矿山的开采,特别是地下矿山的开采,必将影响周围建筑物的安全、地层的初始应力,以及 岩土体的物理、力学、水理性质;因此,必须保证开采过程及开采后的地上环境、地下环境以及上部 建筑物的安全可靠.建筑物遭受采空区地表移动损坏的程度与建筑物所处的位置和地表变形的性质有 关,我国在枣庄、本溪、峰峰等矿区都已积累了丰富的经验,应推广他们在这方面的经验,积极开展 矿山开采引起地表沉陷这一课题的研究,正确分析、预测开采期间和开采后的影响范围大小以及影响 范围内环境的影响程度,并制定出合理的解决措施.在地下开采矿山,推广应用以选矿尾砂和采掘废 石等矿业固体废弃物作为填充料的充填采矿方法为基本内容的矿山无废开采技术,既能解决固体废弃 物堆置问题,又可以对采矿空间岩层的稳定性进行有效维护.以矿业工业固体废弃物为基本充填材料 的充填采矿方法是实现矿山无废开采和解决地下矿山环境岩土工程问题的核心技术,但矿业工业废弃 物作为充填的材料本身通常含有有害组分,因而有可能对地下水体造成二次污染或带来新的环境安全 卫生问题;因此,研究开发物理化学性能稳定、符合环境保护要求的生态型充填材料或矿用充填添加 剂,确保在充分利用废物、解决矿业环境问题的同时,避免二次环境问题的产生.另外,可以因地制 宜,在由于地面沉降而地表形成沼泽区或积水池的基础上修建养鱼池,既可以起到美化环境的作用, 又可以达到创收目的. 在进行矿山开采的同时,积极做好地面的地质及水文勘测工作,并据此采取相应的措施.有关单 位和部门应积极开展矿山尤其是煤矿“三下”开采技术. 2资源化利用矿业废弃物.我国矿产资源综合利用程度仍很低,大量共生、伴生矿物组分成为 工业废料的这一特性决定了其作为二次资源的开发利用价值.视矿业工业废弃物为二次资源并进行开 发利用是处理处置矿业工业废弃物的最有效途径之一,资源化利用矿业工业废弃物不仅可以解决由废 弃物引起的一系列矿业环境问题,而且还可以创造出巨大的经济效益.资源化利用矿业工业废弃物, 应特别关注以下两个方面 第一,尾矿资源的再生利用.我国有大量的老尾矿存量,由于受当时经济技术水平的局限,老尾 矿不仅含有多种有用矿物组分,而且许多元素的品位还很高,具有极高的再生利用价值.以先进的选 冶工艺技术为依托的尾矿资源的再生利用,既能确保解决老尾矿堆存带来的环境问题,又不会因开发 利用而引发新的环境问题.例如金川有色金属公司选矿厂采用磁Ο 浮流程从尾矿中回收了中磁性的 单体紫硫镍铁矿等. 第二,作为二次资源制取新形态物质.把尾矿等固体废弃物作为二次资源进行物质转换,借以生 产水泥、硅酸盐尾矿砖、加气混凝土、耐火材料、玻璃、铸石、陶瓷、矿物棉等建筑材料,以及化工 原料、隔音隔热材料、防水材料等.冶炼炉渣的资源化利用是目前的一个重要的废物利用方向,而冶 炼炉渣又具有火山灰的特性,目前,我国常以冶炼炉渣作为生产水泥的原料或掺和料,其缺点是须经 二次高温煅烧,不仅没有利用冶炼炉渣的特性,而且还带来了严重的二次环境问题.因此,必须研究 开发新的工艺技术,充分利用冶炼炉渣的火山灰特性,以物理、化学或生物的方法,通过对冶炼炉渣 活性的激发或强化,利用冶炼炉渣生产水泥或具有水泥特性的胶凝材料,以实现冶炼炉渣资源化利用 和无废排放.另外,固体废弃物回填采空区也是解决工业废弃物的一个重要手段. 3尾矿坝的安全设计研究及露天矿开采边坡稳定性问题.为防止滑坡发生,一般需对边坡不够 稳定的地段采取一定的加固措施.目前,常用的削坡卸荷、压坡脚、坡面防护、抗滑桩、锚杆、预应 力锚索、锚固洞、排水、挡墙、综合加固法等方法,在边坡加固方面发挥了很大的作用.在露天矿 山,采用岩层锚固技术实现高边坡陡帮开采,既保证了边坡的稳定,又大大减小了岩土剥离量和废石 排放;但应用过程中,因技术本身的不足,可能导致加固效果不理想,甚至出现工程事故.为了保证 重大工程的高陡边坡稳定,开展有关滑坡等地质灾害防治新方法、新技术的研究,已成为亟待解决的 99第2期 贺建波等采矿引起的环境岩土工程问题及对策研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 课题. 对具体的尾矿砂,要对其物理力学参数比如容重、粒径大小、抗剪强度等甚至本构关系进行 研究,选择合理的尾矿坝的加固方案.尹光志教授以大红山铜矿龙都尾矿库细粒尾矿堆坝为例,采用 现场测试、室内试验、理论分析、数值计算和工程实践相结合的研究方法,全面系统地研究了细粒尾 矿的物理力学性质、库内沉积规律、与土工合成界面作用特性,以及细粒尾矿堆积坝的加固新技术 加筋梯田法[7],为尾矿坝的加固处理提供了一个新的思路. 3 结 论 解决由于地下采动对岩土破坏所引发的各种岩土工程问题,是矿业岩土工程工作的核心问题,关 系到矿山现在和未来的繁荣和发展.正是新工艺、新技术和新材料的开发和应用,促进了我国矿业环 境保护和矿业环境岩土问题的防治工作,有效地抑制了矿业环境污染问题.为此,必须扎扎实实做好 基础工作,不断地运用新技术来加强矿业岩土工程工作,促进矿山企业持续、协调和健康发展. 参考文献 [1] 林宗元.环境岩土工程的兴起与展望[J ].中国工程勘察, 1993 4 4Ο8. [2] 胡中雄,李向约,方晓阳.环境岩土工程学概论[J ].岩土工程学报, 1990 , 12 1 98Ο107. [3] 方晓阳. 21世纪环境岩土工程展望[J ].岩土工程学报, 2000 , 22 1 1Ο11. [4] 胡中雄.土力学与环境工程学[M].上海同济大学出版社, 1997. [5] 韦冠俊,蒋仲安,金龙哲.矿山环境工程[M].北京冶金工业出版社, 2001. [6] 王洪武,吴爱祥.矿业环境问题及防治对策[J ].采矿技术, 2003 , 3 1 49Ο52. [7] 尹光志,魏作安,许 江.细粒尾矿及其堆坝稳定性分析[M].重庆重庆大学出版社, 2004. Analysis and Countermeasures on Environmental GeoΟtechnology Problems in Mining HE JianΟbo1, KANG QinΟrong2, YIN GuangΟzhi2, ZHANG WeiΟzhong2 1.General Monitoring Station of Geological Environment in Chongqing City ,Chongqing400015,China;2.Key Laboratory for the Exploitation of Southwest Resources and the Environmental Disaster Control Engineering ,Ministry of Education ,Chongqing University , Chongqing400044,China Abstract Mine environmental geoΟtechnology problems are the hot and focus of environment governing in china.In the paper problems of mine environmental geoΟtechnology coming forth during mining and the harm to human being are analyzed in the first , then several technical and noΟtechnical s of mine en2 vironmental geoΟtechnology are put forward , which is the problems must depend on the strict rule of laws , the effective supervise mechanism , progress of technology and innovation of technology to solve. Key words mining; environmental geoΟtechnology; countermeasures 责任编校 杨玉东 001 河南理工大学学报自然科学版 2006年第25卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.