有色金属露采矿山酸性废弃地产酸机理及抑制方法研究

许辉标 蓝选庆 朱秋华 杨鸿翔 蓝晓聪 朱 敏 谢桂芳蒋 颖 曹文佳 卫晓锋

（1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿；2.紫金矿业集团股份有限公司；3.紫金环保科技股份有限公司；4.中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司）

矿产资源具有资源和环境双重属性。人类社会发展需要大量的原材料和能源，矿产资源表现出资源属性；资源开发过程不可避免会产生土地挖损、塌陷和压占，以及耕地损失和生态环境破坏等环境负面效应［1-2］。

露天采矿对环境扰动的集中表现为终了边坡、边帮和底平面形成的巨大采场境界面，以及剥离的废石、废渣、覆土等堆放形成的排土场，这些不仅破坏植被群落，占用大量土地资源，而且威胁生态环境。因此，矿山废弃地的生态修复成为绿色、高效、现代矿业发展的重要技术路径。

富含硫化物矿石或矿渣的露采矿山，在湿热气候条件下，在物理、化学及生物等因素的影响下，会产生酸性废水（AMD）［3］，不仅具有强酸性，还含有大量的可溶性有害金属离子［4］。如果直接排放入河流、湖泊等水体，会导致水体pH值不同程度降低，逐渐酸化并造成水生植物生长环境的破坏，降低水体的自净功能，威胁水生生物的生存［5］。如果酸性废水进入土壤，酸性硫化物和大量重金属离子会使土壤酸化和毒化，不利于植物生长，甚至导致植物枯萎死亡。通过食物链传递和富集作用，重金属离子会极大地危害人体健康［6-7］。

矿山废弃地的酸水产出具有少量、缓慢的特点，因而以往露采矿山生态修复治理更关注地表植被恢复，对矿山产酸机理和控制研究较薄弱，生态修复过程中“一年绿、二年黄、三年死光光”的案例时有发生［8］。究其原因，主要因为忽视了矿山废弃地的酸化控制屏障的构建。对于植物来说，土壤是生命的物质载体和养分来源，土壤缺失和持续的酸化都会直接影响生态修复的可持续性，导致自我恢复和更替能力降低。尤其是对露采矿山的高陡边坡，未摸清产酸路径和影响机制的前提下，简单的人工种植和客土喷播工艺无法满足废弃地生态修复需求。因此，构建一个酸化控制屏障，建立一个理想且稳定的土壤物理、化学和生物环境，是酸性矿山废弃地生态修复的基础工作。

基于矿床类型和生态环境条件，筛选不同的土壤材料，采取物理、化学和生物措施，重构土壤物理屏障和生长基质层，同时注重土壤剖面的重构，根据土壤剖面重构分析，对土层生态位宽度不足的土壤层进行“造土”以弥补生长基质层［9-10］。

本研究以福建紫金山金铜矿为例，通过野外调查及试验，查明不同类型矿山废弃地产酸过程，探索不同的酸化控制材料和方法，构建高陡边坡酸性废弃地的酸化控制关键方法，为有色金属露采矿山的生态修复提供工程应用示范。

1 矿山概况

1.1 矿山的生态环境特征

紫金山金铜矿位于福建、江西和广东三省交界处的龙岩市上杭县以北14.6 km处，2008年被评为“中国第一大金矿”，属于亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，无酷热严寒，降雪少，霜期短，最大年降雨量2 502.1 mm，最小年降雨量1 053.9 mm，年均降雨量1 604.1 mm，雨季多在5—6月，最长连续降雨天数31 d、总降雨量440.3 mm，日最大降雨量242 mm。

矿区主要分布有红壤、黄壤、紫色土、草甸土4种土壤类型，处于中亚热带常绿阔叶林地带，长期受人为的影响，常绿阔叶林原生植被都被针阔混交林、针叶林次生植被所代替，构成了大面积的常绿针叶林次生植被［11］。矿床为金铜共生高硫浅成中低温热液型矿床，金主要赋存于潜水面（600～640 m）以上的氧化带中；金属矿物主要为褐铁矿和针铁矿；铜赋存于氧化带以下，主要为蓝辉铜矿、铜蓝，少见黄铜矿［12］。

矿山于1993年7月开始开采金矿石，2020年已近枯竭。1998年开始对铜矿石进行湿法提铜研究，采矿对象为标高在148 m以上的露天剥离金铜矿体和标高在-100～+100 m的铜矿体。

1.2 酸性废弃地的分布特征

实地调查发现，矿山采矿活动形成的废弃地类型主要为采矿境界面和排土场，区域基本特征为地形陡峭、坡度高、坡角大、植被立地条件差，pH=2.78～4.84，土壤酸化严重［13-14］。

（1）采矿境界面受损酸性废弃地。采矿境界面受损酸性废弃地主要为露天采场的采矿境界面，上部东西长1 800 m，南北宽1 300 m，最低台阶标高+496 m，最高台阶标高+1 024 m，采坑边坡总高度528 m，安全平台宽7～25 m，扫清平台宽25～45 m，台阶边坡高度24 m，坡面角多为70°，已形成+700、+724 m等12级平台，采坑边坡总体边坡角49°～50°。矿物组分主要为各类强风化及蚀变花岗岩，土壤层基本缺失，仅个别区域残存岩石碎块，形成大小不一的砾石层，沿岩石裂隙常有酸性物渗出，pH=3.21～4.78。

（2）排土场等占损酸性废弃地。排土场等占损酸性废弃地主要分布于矿区北侧，采用“上土上排、下土下排”方式堆积排土，由低标高处按一定台阶高度向高标高处逐级堆排，每级平台留有一个安全平台宽度，形成各级平台稳固斜坡式的废石土场，其台阶高度30 m、安全平台宽度30 m、总边坡角23°，下方设置拦渣坝。堆积物为露天开采过程中剥离的围岩、采矿废石堆积的松散体，既有各类围岩碎石，也有表层剥离土壤，土壤团聚体块度一般2～10 mm，密度低，土壤样品中有大量可见粗孔，结构疏松。基质组分pH=2.78～4.91，呈酸性，营养成分钾及重金属成分镉、铜、铅、锌含量较高。

2 产酸机理分析和抑制方法研究

2.1 产酸机理分析

在湿热气候条件下，氧气、水和微生物是金属硫化矿物氧化产酸的三大主控因素（图1）。紫金山金铜矿的主要矿石矿物为褐铁矿、针铁矿、蓝辉铜矿、铜蓝和少量黄铜矿，在露采境界面和废石堆场，由于采矿爆破和剥采活动，会导致岩石暴露面扩大和表层岩石裂隙发育。剥采废石堆场由于松散堆积物的粒径多大于2 cm，颗粒之间空隙加大，增加了与氧气的接触面积。因此，矿山废弃地的含硫物质暴露于氧气和水中的接触反应面增加，氧化反应加强，会生成大量亚铁、硫酸盐和酸性物质，这些反应增加溶液中的氢离子，使pH值降低，从而导致从矿场排出的水酸度普遍较高［15-17］。野外调查发现，紫金山金铜矿排土场的部分台阶区排水设施不健全，导致雨季降雨量无法有效引导排泄，缓慢下渗导致局部土壤酸化严重，因此，矿山水土保持措施需与抑酸技术相配套。

此外，自然产生的细菌可以通过协助硫化矿物的分解来加速AMD的形成［18］，研究认为典型的矿水废水中的微生物包括严格自养的酸硫杆菌属（Acidithiobacillus）和钩端螺旋菌属（Leptospirillum），以及可异养生长的硫化杆菌属（Sulfobacillus）、铁质菌属（Ferroplasma）和嗜酸菌属（Acidiphilium）等［19］。以往分析显示，紫金山金铜矿的矿坑水和浸出液中广古菌门和硝化螺菌门的丰度最高，钩端螺旋菌属是优势类群，铁质菌属等古菌也有一定的比例［20］。微生物通过氧化二价铁或还原性无机硫化物来获得能量，从而加速硫化矿物的溶解，是导致矿山废弃地酸水浸出问题的重要原因。

2.2 抑酸方法研究

目前，采用矿物表面钝化、阻隔氧气、抑制产酸微生物活动等物理化学方法阻碍氧气与金属硫化物的接触，从而抑制酸水的产生［21］。阻氧覆盖技术主要是将覆盖材料铺设于酸性废石的表面形成覆盖层，覆盖层材料往往颗粒较小，能够高效地减少金属硫化矿物与氧气的接触。

根据紫金山金铜矿的产酸路径，沿酸水渗出的矿山废弃地各类坡面构建一层含有固化阻隔剂的隔离层，抑制边坡硫化物的氧化，控制和减少酸水的产生和渗出［22］；同时构建植物生长的基质层，以利于植物根系生长和养分供给。根据酸性矿山废弃地的立体类型和产酸特征，本次建立了薄层状固化隔离和厚层状中和介质2种阻氧覆盖酸化控制方法。

（1）薄层状固化阻隔阻氧覆盖法。针对坡度大于45°，坡高大于20 m的岩质、岩土混合质高陡酸性废弃地，采用薄层封阻喷播技术，构建具有一定强度的固化阻隔层，阻挡边坡表面硫化物与空气及雨水接触，减少酸水的产出。以黏（砂）土为骨料制作，添加一定比例水泥、石灰及其他添加材料，材料配比（按1 m3计）：砂土35%～45%、氧化钙5%～10%、水泥10%～20%、聚丙烯酸钾150～200 g、有机螯合剂20～60 kg。工程措施与生物技术紧密结合，减少酸水渗出，有效遏制硫矿物氧化释酸过程，同时各类边坡表面的水泥、氧化钙和水发生水化反应，在螯合剂的配合下可有效固定边坡表面的重金属离子［23］，解决酸性沉积物造成的重金属污染问题。

（2）厚层状中和介质阻氧覆盖法。针对坡度小于36°、坡高小于20 m的岩质、岩土混合酸性的中低斜缓酸性废弃地，采用厚层中和覆盖技术，构建一个中和隔离层，减少酸水的渗出。以中和硫酸渣为骨料制作，添加一定比例的微生物菌、有机肥。组分配比为（按1 m3计）：中和渣80%～90%、微生物菌肥5%～10%、有机肥1%～5%。采用机械铺撒方式覆盖于裸露的边坡上，覆盖厚度20～30 cm，形成一物理阻隔层，减少硫化物与空气、雨水的接触面，降低酸水渗出，底部形成一个中和介质层，逐步调和形成一个适合植物生长的中性土壤环境。

3 酸化抑制效果分析

3.1 土壤酸化控制效果

在设置薄层状原位阻隔层和厚层状中和介质层的酸性矿山废弃地，按照垂向剖面法，分别采集表层—中间层—基质层的样品进行分析，结果见表1、表2。

表1、表2表明，使用酸化抑制方法可有效抑制原生基质中的产酸过程。构建的厚层状中和介质层厚度20～30 cm，质地属于黏性，会产生更加致密阻氧层，减少了土壤中硫等成分的氧化，产酸路径彻底阻隔。同时，由于中和介质的物质组分是一种中和硫酸钙渣，pH=8.34～9.12，属于碱性介质，长期的酸、碱中和反应，会在基质层和介质层的接触部位形成一个中性的土壤环境。因此，在采用厚层状中和介质层的矿山废弃地修复区，表层土壤的pH从2.78～2.94升至8.29～8.56，硫含量由3 200～4 812 mg/kg降至1 192～1 262 mg/kg，表层土壤中硫酸根离子等酸化物质组分降低。采用薄层状固化阻隔层，其厚度约8～10 cm，质地属于沙质，阻止了硫化物矿石在裸露空间的暴露，减少了与空气、雨水的共同作用，减缓了氧化反应［24］，表层土壤的pH值由4.14～5.05升至8.21～8.36，S含量由21 252～1 574 mg/kg降至374.1～226.6 mg/kg，硫平均含量下降70%，由强酸性转为弱碱性，说明边坡区的土壤酸化问题得到了有效控制。

在浅表土壤层水泥等碱性组分为主的土壤环境中，重金属元素的迁移会被抑制，重金属成分在水化过程中通过化学吸收、吸附、沉降、离子交换和钝化等方式与水泥等碱性组分发生物理作用及化学反应，在螯合作用与水解作用下，形成螯合物或氢氧化物沉淀（胶体），残留于水泥中或附着于水化形成的水化硅酸盐胶体表面［25］，使得表层土壤重金属成分含量呈下降趋势。表层土壤中镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）含量分别为0.21、74.46、188.90和16.22 mg/kg，相比基质分别下降了95.1%、51.9%、32.6%和93.9%。

土壤中的元素含量，尤其是有效态的含量除受全量的影响外，与土壤的酸碱度、有机质含量及阳离子交换量密切相关［26］。随着表层土壤的pH值升高，镁、钾及速效钾的含量呈下降趋势，平均下降比例分别为50.0%、48.3%和16.9%，表明在碱性土壤中镁、钾的活性相对较弱，在中性土壤中锌、钙、磷等活性较强，这一结果反映养分元素分布及有效性明显受土壤pH值的影响，pH值越大，重金属锌、铜和磷、钙等养分元素活性度呈现不同的变化趋势，为修复区植物生长及恢复提供良好的养分。

3.2 植物群落恢复效果

2022年，在采用厚层状中和介质层和薄层状固化阻隔层的矿山废弃地治理区，开展植物群落样方调查，一般乔木层样方调查面积20 m×20 m，灌木层样方调查面积5 m×5 m，草本层样方调查面积1 m×1 m，样方调查统计显示：2013—2022年植被的群落结构、物种多样性等显著提高［27-28］，植物群落恢复效果对比如下。

（1）采用薄层状固化阻隔阻氧覆盖法。以东南矿段B矿段为例，修复面积为15.78 hm2，该场地20 m×20 m的样方中有马尾松78株，马尾松平均高6.0 m，平均胸径10 cm。乔木层除马尾松外，还有巨尾桉8株，乔木层盖度为85%。灌木层以山牡荆为优势种，常见伴生灌木有巨尾桉幼树、山胡椒、白背枫、金樱子、华南悬钩子、车桑子、杜鹃花、锈毛莓、木莓、檵木、小叶石楠、野牡丹等，层盖度为20%；草本层以藿香蓟为优势种，常见伴生草本植物有五节芒、黑莎草、香薷、苦苣菜、荩草、活血丹、狗尾草、芒萁、地桃花、黄花酢浆草、苏门白酒草等，层盖度约20%；层间植物主要有菝葜、垂穗石松、薯蓣等。

（2）采用厚层状中和介质层阻氧覆盖法。以矿区排土场为例，该场地5 m×5 m的样方中有马尾松18株，马尾松平均高2 m，平均胸径2.5 cm；灌木层以马尾松为优势种，常见伴生灌木有木荷、山鸡椒、白背枫、野漆、赤楠、黧蒴锥幼树、木姜子等植物，层盖度为25%；草本层以五节芒为优势种，常见伴生草本植物有地菍、黑莎草、狗牙根、岗松、华南毛蕨、狗脊蕨、凤尾蕨等，层盖度约30%；层间植物主要有土茯苓、显齿蛇葡萄等。

4 结论

（1）紫金山金铜矿矿山废弃地类型主要分为采矿境界面和岩土剥离堆积的排土场。基本特征为地形陡峭、坡度高、坡角大、pH=2.78～4.84，土壤酸化严重，植被恢复立地条件差。

（2）金属矿物褐铁矿、针铁矿、蓝辉铜矿、铜蓝和少量黄铜矿在采矿活动影响下，与氧气和水中接触面增加，氧化反应加强，叠加广古菌门和硝化螺菌门等微生物，是产酸的主要机制。采用薄层状固化阻隔层和厚层状中和介质层2种阻氧覆盖技术来抑制酸水渗出。

（3）薄层状固化阻隔阻氧覆盖区土壤pH从2.78～2.94升高至8.29～8.56，S含量由3 200～4 812 mg/kg降至1 192～1 262 mg/kg；厚层状中和介质阻氧覆盖区土壤pH由4.14～5.05升至8.21～8.36，S含量由21 252～1 574 mg/kg降至374.1～226.6 mg/kg，表层土壤的由强酸性转为弱碱性，立体植物群落逐渐得到恢复。