有色金属矿山酸性露采边坡原位固化阻隔技术方法研究

2023-09-25许辉标蓝选庆朱秋华杨鸿翔蓝晓聪谢桂芳卫晓锋

中国矿业 2023年9期

许辉标，蓝选庆，朱秋华，杨鸿翔，蓝晓聪，朱敏，谢桂芳，蒋颖，卫晓锋,5

（1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿，福建上杭 364200；2.紫金矿业集团股份有限公司，福建上杭 364200；3.紫金环保科技股份有限公司，福建上杭 364200；4.中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司，北京 100012；5.哈密红石矿业有限公司，新疆哈密 839000）

0 引言

有色金属露采矿山一般会形成巨大的终了境界坑，其中，露采边坡和排土场边坡具有地形陡峭、坡度高、土壤层薄、立地条件差的特点。在湿热气候条件下，大量含硫化物矿石或矿渣受物理因素、化学因素及生物因素的综合影响会产生一种对环境造成极大破坏的酸性水分（acid mine drainage，AMD）[1]，其主要成分是硫元素形成的各种金属硫化物，属于强酸性物质，含有大量可溶性有害金属物质[2]。如果直接排放入河流、湖泊等水体，会导致水体pH 值一定程度降低，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，威胁水生生物生存[3]。如果酸性水分进入土壤，强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，导致枯萎死亡。通过食物链的传递和富集作用，重金属元素会极大地危害人体健康[4-5]。

目前对矿山酸性水分的治理主要集中于矿井水、矿坑水、尾矿淋滤水和生物堆浸的浸出液等源头控制，控制方法主要是通过碱中和沉淀法、硫化物沉淀法、氧化还原法和微生物还原法等技术方法提高其pH 值，降低重金属离子含量[6-8]。露采边坡的酸性水浸出过程缓慢，属于一种隐形的土壤环境损害，针对金属矿山开采形成的酸性露采边坡的生态修复治理技术研究相对薄弱，仅有少部分学者研究了酸性边坡的产酸过程和控制措施，提出了客土喷播、鱼鳞坑、垒起生态袋、生态挡墙等措施[9]。然而工程应用表明，采用简单的人工种植和客土喷播工艺进行酸性边坡的生态修复，无法有效控制围岩或者矿体硫化物氧化后形成的酸性水浸出，会持续渗出冲刷边坡，影响生态系统的自我修复效果[10-11]。

针对福建紫金山金铜矿酸性露采边坡的基质特征，研究了薄层状固化隔离材料和厚层状中和介质材料等两种阻氧覆盖控制酸性水材料。工程应用表明表层土壤酸化得到有效控制，植被群落不断恢复。该研究成果可为有色金属矿山的生态修复治理提供实践案例。

1 矿山基本概况

1.1 地质环境特征

紫金山金铜矿位于福建省、江西省和广东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”。矿区处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，最大年降雨量为2 502.1 mm，最小年降雨量为1 053.9 mm，年均降雨量为1 604.1 mm，雨季多集中于每年5 月和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。地表水系主要有西侧的汀江及东侧的旧县河。矿区主要分布有红壤、黄壤、紫色土、草甸土等四种土壤类型，处于中亚热带常绿阔叶林地带，受长期人为活动的影响，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[12]。

矿区出露大面积燕山早期的粗粒花岗岩、细粒花岗岩和燕山晚期的火山次火山岩，在火山口周边和北西向构造裂隙中分布隐爆角砾岩。矿体主要处于中细粒花岗岩中，其次是英安玢岩和隐爆角砾岩，属于一种金铜共生高硫、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、针铁矿。铜矿床则赋存于氧化带以下，金属矿物主要为蓝辉铜矿、铜蓝，少见黄铜矿[13]。截至2019 年底，累计探明可利用黄金资源储量316 t 金属量，平均品位为0.327 g/t，累计探明铜矿资源储量242 万t 金属量，远景资源储量超过500 万t 金属量，平均品位为0.428%[14]。1992 年开展金矿工业性堆浸试验，1993 年7 月开始开采金矿，截至2020 年底，金矿开采已经进入尾声。1998 年铜矿进行湿法提铜工艺实验室研究，采矿对象为采标高在148 m 以上的露天剥离金铜矿矿体中的铜矿和埋深在标高-100～100 m 的铜矿。

1.2 矿山废弃地基质特征

通过野外调查发现，研究区采矿活动及其他生产活动形成的矿山废弃地基质类型主要为终了境界中的裸露岩石、排土场等岩土混合物和选矿过程产生的各类生产残渣物[15-16]。

1）终了境界中的裸露岩石：主要分布于露天采场的终了境界，物质组分主要为各类强风化及蚀变的花岗岩。该矿区最终露天境界平面上部东西宽1 800 m、南北长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，安全平台宽度为7～25 m，扫清平台为25～45 m，台阶边坡高度为24 m，坡面角多为70°，目前已经形成了16 级平台，平台标高分别为652 m、676 m、700 m、724 m、748 m、772 m、796 m、820 m、844 m、868 m、892 m、916 m、940 m、964 m、988 m 和1 012 m，采坑边坡总体边坡角为49°～50°。裸露岩石分布区的土壤层基本缺失，仅有个别区域残存岩石碎块，形成大小不一的砾石层，沿岩石裂隙常伴有酸性物质渗出，pH 值介于3.21～4.78。

2）排土场等岩土混合物：主要来源于露天开采过程中剥离围岩、采矿废石堆积的松散体，物质成分为各类围岩碎石和表层剥离土壤。露天采场位于矿区北侧，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逐层向高标高处逐级排堆，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。该类基质的土壤团聚体结构为2～10 mm，容重低，土壤样品中有大量可见粗孔，结构疏松。基质组分pH 值介于4.14～4.21，呈酸性，养分元素全钾、有效钾含量及重金属元素镉、铜、铅和锌含量较高。

3）选矿过程产生的各类生产残渣物：主要来自于金铜矿堆浸渣和中和硫酸钙渣。其中，金铜矿堆浸渣在金铜堆浸场区通过逆排方式逐级堆筑，形成稳定平台，填方边坡坡度约40°，坡高为15 m 左右，平台宽5～8 m。基质组分pH 值介于2.78～5.80，养分含量及重金属元素含量低。此外，还有一种为中和硫酸钙渣，是矿山酸性水分中和的产物，土壤团聚体结构＜2 mm，容重高，结构致密。基质组分pH值介于7.86～7.98，呈碱性，氮、磷、钾、有效氮、有效磷和有效钾等养分元素含量较高，有机碳含量介于0.34%～1.11%，铜、镉、锌、砷重金属元素含量较高。

1.3 生态修复的关键问题

露采矿山的生态修复技术难点是高陡边坡、基质缺失和土壤酸化的治理，而酸性露采边坡的治理前提是控制产酸过程。以往露采矿山生态修复往往关注地表植被的恢复，忽视土壤环境的改良，因为土壤是生命的物质载体和养分来源，土壤缺少或者质量差直接影响生态修复的可持续性，导致自我恢复和更替能力缺乏。因此，紫金山金铜矿露采矿山边坡的生态修复关键问题是构建一个控制酸性水产生的阻隔层，重构一个最佳、稳定的土壤物理、化学和生物环境。

2 土壤酸化原位控制研究

2.1 固化阻隔材料研究

沿酸性水渗出的露采边坡构建一层含有固化阻隔剂的阻隔层，隔离和封闭原来的裸露边坡，控制边坡硫化物的氧化，减少酸性水的产出[17]，同时构建植物生长所需的基质层，提供植物根系生长空间和养分水分。根据矿山废弃地的立地条件和基质特征，筛选和研发了薄层状固化隔离和厚层状中和介质等两种阻氧覆盖控制酸性水材料。

1）薄层状固化隔离材料。以黏（砂）土为骨料，添加一定比例水泥、石灰及其他添加材料，材料配比（1 m3）：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。采用喷播方式喷射于裸露边坡上，喷射厚度2～5 cm，在各类边坡表面形成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，减少酸性水的产出。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[18]。由80%的耕植土，15%的稻壳、菌菇肥或有机肥，4%的土壤调理剂和1%的复合肥、钙镁磷肥组成有机营养客土，利用液压湿喷机或多功能喷浆机喷射构建8～10 cm 基质层。

2）厚层状中和介质材料。以中和硫酸渣为骨料，添加一定比例的微生物菌、有机肥。组分配比为（1 m3）：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，以构建一种物理阻隔基质层，减少硫化物与空气、雨水接触面，降低酸性水渗出，底部中和介质层会逐步得到改良，并提供一个适合植物生长的中性土壤环境。

2.2 阻氧隔离层构建

根据边坡结构、物质组分及植被群落等特点，在典型废弃地使用不同固化阻隔材料，构建阻氧隔离层，控制酸性水的产生[19]，具体工作方法为边坡类型调查→特征因子剖析→固化阻隔层设置→基质层构建→植被层恢复→管护与抚育、监测（表1）。

表1 典型受损区域酸性水控制方法应用Table 1 Application of acid water control methods in typical damaged areas

1）边坡类型调查：调查矿区立地条件特征，包括不同修复区的地形地貌、基质类型和物质组分，分析矿区的水文特征，尤其是坡面径流过程。

2）特征因子分析：调查剖面裂隙水来源、坡面冲刷实体径流方向，采集相关样品，分析围岩及残留矿体的矿物成分、酸性环境下浸出的重金属元素、酸化边坡和裂隙水的pH 值、产酸过程分析和裂隙水的污染特征等。

3）固化阻隔层设置：根据边坡酸性水产出路径，设置固化阻隔层，采用喷射或者覆盖方式将阻隔层附着于坡面，提升坡面pH 值，固化坡面重金属元素的迁移，避免雨水冲刷，减少水土流失。

4）基质层构建：根据边坡阻隔层类型和特点，分别选用喷播或者撒盖方式构建供植物生长的基质层。

5）植被层恢复：根据周边植物群落和坡面立地条件特征，筛选合适的植物种群，采用喷播或者撒播方式附着于坡体基质层表面。

6）管护与抚育、监测：构建植物抚育管护措施，对坡面环境和修复效果进行持续监测。

3 土壤酸化控制效果评价

3.1 样品采集及测试

在不同类型矿山废弃地分别采集浅表层-中间层-基质层的土壤/基质样品，共计采集样品36 件，土壤样品采集使用GPS 定点，采用“S”形或“X”形采集组合样点进行混合，去除碎石、杂物、植物残体后自然风干，然后将样品土壤研磨并过筛孔尺寸为0.850 mm的筛网，测试土壤的pH 值。将样品土壤过筛孔尺寸为0.075 mm 的筛网，测试土壤中元素含量值。样品分析测试按规范要求加10%空白样与平行样控制，分析方法准确度和精密度采用《土壤成分分析标准物质》（GBW 07439）控制，各重金属的加标回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

3.2 控制产酸效果

在应用薄层状原位阻隔材料和厚层状中和介质材料的边坡废弃地，分析结果表明：自基质层至浅表层土壤呈现“pH 值上升，养分元素含量增加，重金属元素含量降低”的变化趋势（表2 和图1），说明该材料产生了阻隔中和作用。

图1 不同矿山废弃地土壤/基质元素变化曲线图Fig.1 Variation curves of soil/matrix elements in different mine wastelands

表2 不同矿山废弃地表层土壤/基质元素值Table 2 Values of soil/matrix elements in different mine wastelands

将原位固化阻隔和中和介质材料铺设于酸性废石的表面形成覆盖层，覆盖层材料往往直径较小，尤其是中和介质材料，以黏土成分为主，能够高效减少金属硫化矿物与氧气的接触，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，降低了氧化反应，产酸的过程受阻[20]，因此，由基质层至浅表土壤层pH 值自2.78～5.05 上升至8.21～8.56，硫（S）平均含量下降70%，表层土壤中硫酸根离子等酸化物质组分降低，土壤由强酸性转为弱碱性，说明边坡区的土壤酸化得到有效控制。表层土壤中镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）含量分别为0.21 mg/kg、127.44 mg/kg、322.70 mg/kg 和37.46 mg/kg，相比于基质中的重金属含量，分别下降了95.1%、51.9%、32.6%和93.9%。重金属元素在水化过程中，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），残留于水泥中或者附着于水化形成的水化硅酸盐胶体表面[21]，使得表层土壤重金属元素含量呈现下降趋势。因此，在浅表土壤层水泥等碱性组分为主的土壤环境中，会抑制重金属元素的迁移，在一种中性的土壤环境中，土壤的养分元素总量和其活性态组分会释放转换，因此表层土壤中磷（P）、钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）等矿质养分元素成分明显增加，利于修复区植物生长及恢复。

3.3 植物群落恢复

生态修复过程中植物筛选以乡土树种为主，按照乔-灌-草相结合方式筛选植物类型。2022 年，对不同类型矿山废弃地开展样方调查，一般乔木层样方调查面积为20 m2×20 m2，灌木层样方调查面积为5 m2×5 m2，草本层样方调查面积为1 m2×1 m2。调查结果显示：2013—2022 年植被的群落结构、物种多样性等显著提高[22-23]，植物群落恢复效果对比如图2所示。

图2 不同受损区生态修复工程实践效果对比Fig.2 Comparison of practical effects of ecological restoration in different damaged areas

1）岩质酸性露采边坡。以东南矿段B 矿段为例，修复面积为15.78 hm2，该场地20 m2×20 m2的样方中有马尾松78 株，马尾松平均高度为6.0 m，平均胸径为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，层盖度约为20%；层间植物主要有菝葜、垂穗石松、薯蓣等。

2）岩土混合酸性露采边坡。以矿区排土场为例，该场地5 m2×5 m2样方中有马尾松18 株，马尾松平均高度为2 m，平均胸径为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，层盖度约为30%；层间植物主要有土茯苓、显齿蛇葡萄等。

3）无酸岩土混合露采边坡。以福建省新华都工程有限责任公司附近的金矿渣废石场为例，生态恢复面积为2.55 hm2，该场地20 m2×20 m2样方中有马尾松132 株，马尾松平均高度为7 m，平均胸径为10 cm；乔木层除马尾松外，还有木荷8 株，山鸡椒4 株，香樟3 株，乔木层盖度为75%；灌木层以柄果海桐为优势种，常见伴生灌木有卵叶小蜡、双荚决明、胡枝子、杜茎山、金樱子、华南悬钩子、檵木、毛泡桐等，层盖度为30%；草本层以短颖马唐为优势种，常见伴生草本植物有蟛蜞菊、常山、五节芒、三叶鬼针草、地胆草、边缘鳞盖蕨、乌毛蕨等，层盖度约为15%；层间植物主要有轮环藤、薯蓣、光叶菝葜、显齿蛇葡萄等（图2）。