摘要：隨著中國工業(yè)化進(jìn)程的加速，礦產(chǎn)資源需求不斷上升，露天礦山的開采規(guī)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(tài)污染問題愈發(fā)突出?？偨Y(jié)基于露天礦山排土場修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究成果，重點從地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)技術(shù)、土壤修復(fù)技術(shù)和水資源修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了梳理分析，并提出了針對性建議，以期為礦山生態(tài)修復(fù)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：露天礦山；排土場；生態(tài)修復(fù)；修復(fù)技術(shù)；地質(zhì)穩(wěn)定性；土壤修復(fù)；水資源修復(fù)

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241204

引 言

近年來，隨著中國工業(yè)化進(jìn)程加速，相關(guān)產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求急劇上升。為了滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)化需要，各礦山企業(yè)不斷加大礦產(chǎn)開采強度，擴(kuò)大開采規(guī)模。根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告（2023）》［1］，2023年，能源礦產(chǎn)、金屬礦產(chǎn)及非金屬礦產(chǎn)的生產(chǎn)及消費均有不同程度的提升。以金屬礦產(chǎn)為例，2023年中國銅精礦產(chǎn)量187.4萬t，增長5.8 %；鉛精礦產(chǎn)量149.7萬t，增長0.9 %；10種有色金屬產(chǎn)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(guī)模擴(kuò)大的同時，也對礦山生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞，嚴(yán)重?fù)p害了人類居住環(huán)境，亟待采取有效措施進(jìn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)易在雨水沖刷下滲入土壤和地下水系統(tǒng)，不僅引發(fā)土壤污染和地下水污染，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，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(dǎo)致排土場邊坡穩(wěn)定性遭到破壞、地表水流失及土壤侵蝕等問題，甚至引發(fā)滑坡或泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)一步加劇環(huán)境破壞。因此，露天礦山排土場治理是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一［3］。

國內(nèi)外諸多學(xué)者在礦山生態(tài)修復(fù)方面做了大量研究［4-5］。然而，排土場作為礦山生態(tài)修復(fù)中的重要環(huán)節(jié)，對其的研究仍顯不足。本文系統(tǒng)分析了排土場在生態(tài)修復(fù)過程中存在的共性問題，梳理了國內(nèi)現(xiàn)有排土場修復(fù)技術(shù)并進(jìn)行分析，以期為露天礦山排土場生態(tài)修復(fù)方案的制定提供參考。

1 地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)

1.1 "地質(zhì)穩(wěn)定性現(xiàn)狀

排土場通常由采礦過程中產(chǎn)生的廢石、礦渣等材料堆積而成，這些材料的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松散，缺乏天然土壤的黏結(jié)性和穩(wěn)定性。由于其堆積高度和坡度較大，在重力、雨水、風(fēng)力等外部因素作用下，排土場容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害不僅威脅著礦山周邊的居住環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施安全，還對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，具體表現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)篩選和處理，直接堆積在一起，形成結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(fā)生顆粒移動，導(dǎo)致整體穩(wěn)定性差。

2）堆積體高度與坡度。露天礦山排土場為了節(jié)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(nèi)部的剪應(yīng)力和荷載不斷增大，容易超出材料的抗剪強度，導(dǎo)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(jìn)一步增加了其發(fā)生滑坡的風(fēng)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(fā)生，威脅周邊環(huán)境和設(shè)施的安全。

3）排水和滲透問題。排土場的排水系統(tǒng)通常不完善，或因設(shè)計不當(dāng)而無法有效排除積水。降雨或融雪等水分滲透進(jìn)入排土場堆積體內(nèi)部，會導(dǎo)致其內(nèi)部孔隙水壓力升高，降低材料的有效應(yīng)力，使堆積體更加不穩(wěn)定。尤其是在強降雨后，排土場發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險會顯著增加。長期的滲透作用還可能引發(fā)堆積體的蠕變和變形，最終導(dǎo)致滑坡或崩塌的發(fā)生。

4）外部擾動因素。露天礦山排土場的穩(wěn)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(fā)或加速排土場的不穩(wěn)定性。例如：采礦過程中的爆破作業(yè)會產(chǎn)生強烈的振動波，引發(fā)排土場堆積體局部或整體失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)技術(shù)

露天礦山排土場地質(zhì)穩(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要，地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)技術(shù)見表1。

從表1可以看出：不同地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)技術(shù)各有特點。選址優(yōu)化以預(yù)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(xiàn)污染后的生態(tài)修復(fù)成本。但是，前期需要大量的地質(zhì)調(diào)查和評估，成本較高，并且在礦山的實際生產(chǎn)中，排土場的選址范圍有限，無法完全避免不穩(wěn)定的地質(zhì)條件。排水系統(tǒng)設(shè)計能有效降低地下水位，減少水對地質(zhì)穩(wěn)定性的負(fù)面影響，從而增加堆積體的穩(wěn)定性，但無法做到一勞永逸，只能作為維護(hù)堆積體穩(wěn)定性的輔助措施，并且排水系統(tǒng)需要定期維護(hù)，若維護(hù)不當(dāng)或設(shè)計不合理出現(xiàn)堵塞，還會出現(xiàn)新的污染問題。堆積體結(jié)構(gòu)改進(jìn)是最有效地提高地質(zhì)穩(wěn)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(wěn)定系數(shù)逐漸減小，這決定了排土場的容量有限。監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)能夠提供實時數(shù)據(jù)，可預(yù)警潛在的地質(zhì)災(zāi)害，幫助制定應(yīng)急措施，降低災(zāi)害風(fēng)險，但該措施過于依賴技術(shù)和設(shè)備的精準(zhǔn)度，系統(tǒng)維護(hù)成本較高，且需要專業(yè)人員進(jìn)行監(jiān)測。工程技術(shù)措施可以直接對不穩(wěn)定的地質(zhì)條件進(jìn)行干預(yù)，提供強有力的物理支撐和保護(hù)，效果顯著，但設(shè)計復(fù)雜，施工工程量大，成本較高，在實際的礦山生產(chǎn)中，可和監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)配合使用。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，選址優(yōu)化和排水系統(tǒng)設(shè)計屬于前期預(yù)防性技術(shù)，而堆積體結(jié)構(gòu)改進(jìn)、監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)、工程技術(shù)措施更偏向于礦山開采過程和后期的修復(fù)。單一技術(shù)措施往往難以全面解決地質(zhì)穩(wěn)定性問題，因此在實際應(yīng)用中，傾向于多種技術(shù)的組合使用，以實現(xiàn)更好的穩(wěn)定性修復(fù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。例如：將排水系統(tǒng)設(shè)計和監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合、堆積體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合等，達(dá)到1+1＞2的效果。未來還可以結(jié)合無人機、遙感監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)一步增強系統(tǒng)監(jiān)測能力，同時借助智能決策系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并生成自動化應(yīng)急方案，提高礦山管理的決策效率和準(zhǔn)確性。

2 排土場土壤修復(fù)

2.1 土壤污染現(xiàn)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(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，還可能對人類健康構(gòu)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(jìn)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(jìn)入人體，導(dǎo)致慢性中毒、神經(jīng)系統(tǒng)損傷等健康問題。

2）土壤酸化。當(dāng)?shù)V石暴露于空氣和水中時，特別是硫化礦石，會發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸等酸性物質(zhì)。這些酸性物質(zhì)滲入土壤后，會導(dǎo)致土壤酸化，顯著降低土壤pH。此外，酸性環(huán)境還會加速土壤中重金屬的溶解和遷移，進(jìn)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(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成更嚴(yán)重的環(huán)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(huán)境的影響難以察覺，但會顯著增加輻射風(fēng)險。人員長期暴露在放射性污染環(huán)境中，可能導(dǎo)致癌癥、基因突變等嚴(yán)重健康問題。

4）土壤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致土壤壓實、硬化，進(jìn)而降低其通氣性。這種結(jié)構(gòu)性破壞會削弱土壤的水分保持能力和營養(yǎng)元素的循環(huán)，導(dǎo)致土壤肥力下降，進(jìn)而阻礙自然植被的恢復(fù)，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境的修復(fù)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(zhì)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(dǎo)致土壤鹽堿化，不僅影響植物生長，造成土地荒漠化和生態(tài)環(huán)境破壞，還可能因礦物元素的不平衡積累或缺乏，導(dǎo)致土壤營養(yǎng)元素失衡，進(jìn)一步阻礙植被恢復(fù)和生態(tài)平衡，降低土地利用價值。

2.2 土壤修復(fù)技術(shù)

露天礦山排土場土壤修復(fù)是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮土壤污染類型、程度及環(huán)境條件。常用土壤修復(fù)技術(shù)見表2。

從表2可以看出：在礦山土壤污染修復(fù)中，各種技術(shù)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(chǎn)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(fù)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(jīng)濟(jì)性極低?；瘜W(xué)固化對重金屬污染土壤的修復(fù)效果最為顯著，但可能影響土壤的物理性質(zhì)。氧化還原在進(jìn)行多種污染物處理時的效果最為顯著，但其操作復(fù)雜，成本同樣較高。植物修復(fù)綠色環(huán)保，適合大面積低濃度污染的長期修復(fù)，但修復(fù)周期較長，效果受植物種類和環(huán)境條件限制。微生物修復(fù)有機污染物有效，成本低、環(huán)境條件限制小，但修復(fù)時間長。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)結(jié)合了植物和微生物的優(yōu)勢，能有效治理土壤污染，適用于大面積、污染源交叉復(fù)雜的綜合修復(fù)。

綜合來看，這些技術(shù)在修復(fù)速度、成本、環(huán)境影響和適用范圍上各有優(yōu)劣，在礦山土壤污染修復(fù)中，選擇合適的修復(fù)技術(shù)需要綜合考慮污染類型、污染物濃度、修復(fù)周期、成本、環(huán)境影響和修復(fù)目標(biāo)等因素。而基于各技術(shù)特點和礦山污染的復(fù)雜性，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是目前較為理想的綜合修復(fù)方案。針對植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的局限性，未來可以借助物聯(lián)網(wǎng)和生物技術(shù)實現(xiàn)智能調(diào)控的植物-微生物修復(fù)系統(tǒng)，實現(xiàn)修復(fù)過程的自動化、智能化，且適應(yīng)性更強，可廣泛應(yīng)用于污染類型復(fù)雜、修復(fù)目標(biāo)多樣的礦山場景。隨著智能監(jiān)測、基因工程等技術(shù)的成熟，智能化植物-微生物修復(fù)有望成為未來礦山生態(tài)修復(fù)的核心手段。

3 水資源修復(fù)

3.1 水資源污染現(xiàn)狀

排土場廢棄物中常含有重金屬、硫化物和其他有害物質(zhì)，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(jìn)入水體，容易積累在動植物體內(nèi)，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(dǎo)致周邊水體酸化，對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長期不利影響。

通過對比發(fā)現(xiàn)，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(zhì)和有毒化學(xué)物質(zhì)，水資源污染物的遷移和擴(kuò)散與土壤污染物的遷移和擴(kuò)散規(guī)律大致相同，同樣是在降水、風(fēng)化等環(huán)境因素作用下，逐漸擴(kuò)散到水體中，并通過遷移擴(kuò)大污染范圍，導(dǎo)致植物、動物和微生物的生存與繁殖受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)功能退化。由于重金屬和酸性物質(zhì)的難以降解性，這些污染具有長期性和累積性，對環(huán)境構(gòu)成持續(xù)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(jìn)行擴(kuò)散，其擴(kuò)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(dāng)污染物進(jìn)入飲用水源時；水資源污染的治理通常比土壤污染更復(fù)雜且成本更高，因為水體中的污染物擴(kuò)散難以控制，需要對流動水體進(jìn)行大面積的凈化處理，涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)。

3.2 水資源修復(fù)技術(shù)

露天礦山水資源修復(fù)技術(shù)多樣化，主要依據(jù)污染的類型和程度選擇合適的方法，其修復(fù)技術(shù)見表3。

從表3可以看出：在礦山水資源修復(fù)技術(shù)中，多個方法可用于處理不同類型的污染，均具有優(yōu)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(xué)物質(zhì)進(jìn)行處理。濕地系統(tǒng)利用天然或人工濕地中的植物、微生物和土壤協(xié)同處理污染物，具有良好的生態(tài)效益和長期效果，適合處理低濃度、持續(xù)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(chǎn)生大量含鐵、錳等重金屬的污泥，若處理不當(dāng)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(shè)備成本高，運行能耗大，并且滲透膜需要定期維護(hù)，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(fù)雜。電吸附法在處理復(fù)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(chǎn)生二次污染，但設(shè)備投資過大，且當(dāng)水質(zhì)過于渾濁時，會大大降低去除效果。動植物修復(fù)適合大面積、低濃度污染的長期治理，但修復(fù)速度較慢，效果受生物種類和環(huán)境條件限制。

在礦山水資源修復(fù)中，污染物種類多樣、濃度不同，需要結(jié)合多種技術(shù)的優(yōu)點才能實現(xiàn)最佳效果?；趯ΜF(xiàn)有技術(shù)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(fù)技術(shù)，優(yōu)勢在于充分發(fā)揮各技術(shù)的特長，形成層層遞進(jìn)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(diào)整酸堿度，第三階段通過濕地系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，第四階段通過電吸附法進(jìn)行深度處理，使出水水質(zhì)達(dá)到礦山水資源修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，完成水資源的修復(fù)。在未來的發(fā)展過程中，智能控制和自動化監(jiān)測技術(shù)同樣有著很好的應(yīng)用前景，通過傳感器監(jiān)控污染物濃度、pH等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)各階段工作狀態(tài)，提高處理效率，且還可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，動態(tài)控制修復(fù)流程，實現(xiàn)更高效、智能化的水資源修復(fù)。

4 結(jié) 論

本研究立足于露天礦山排土場的破壞現(xiàn)狀，系統(tǒng)梳理并分析了近30年的露天礦山排土場生態(tài)修復(fù)技術(shù)，重點探討了地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)、土壤修復(fù)及水資源修復(fù)技術(shù)的原理與應(yīng)用，分析了各技術(shù)的優(yōu)勢、局限性及其適用范圍，為露天礦山排土場生態(tài)修復(fù)提供參考。

1）在露天礦山排土場地質(zhì)穩(wěn)定性修復(fù)技術(shù)中，選址優(yōu)化是生產(chǎn)前的關(guān)鍵預(yù)防措施，堆積體結(jié)構(gòu)改進(jìn)則是效果最為顯著的修復(fù)手段，而排水系統(tǒng)設(shè)計、工程技術(shù)措施及監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)則作為輔助性措施，協(xié)同發(fā)揮作用。

2）在露天礦山排土場土壤修復(fù)技術(shù)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(fù)過程中不建議大規(guī)模采用。熱處理在修復(fù)有機污染方面效果顯著；化學(xué)固化對重金屬污染土壤的修復(fù)效果尤為突出；而氧化還原技術(shù)在處理多種污染物共存的土壤時表現(xiàn)出色。植物修復(fù)、微生物修復(fù)及植物-微生物聯(lián)合修復(fù)通常用于經(jīng)過其他有效修復(fù)手段處理后的土壤。

3）在露天礦山排土場的水資源修復(fù)技術(shù)中，沉淀池適用于處理大量含懸浮物的廢水；濕地系統(tǒng)適合處理低濃度、持續(xù)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(xiàn)尤為突出；電吸附法在應(yīng)對復(fù)雜交叉污染物時效果顯著；而動植物修復(fù)通常應(yīng)用于經(jīng)過其他有效修復(fù)手段處理后的水域。

4）各項修復(fù)技術(shù)均有其局限性，在設(shè)計實際修復(fù)方案過程中，應(yīng)根據(jù)礦山實際情況及各技術(shù)的特點進(jìn)行綜合應(yīng)用。未來，隨著智能監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，排土場生態(tài)修復(fù)將實現(xiàn)修復(fù)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