废弃石煤矿生态环境综合治理探讨

基金项目 中国地质调查局项目“安康蒿坪河流域石煤矿区生态修复支撑调查与监测”（DD20230457）；陕西省重点研发计划“秦巴山区金属矿产开发引发生态环境污染综合治理关键技术与示范”（2023-ZDLSF-63）。

作者简介 周玉海（1983—），男，山东荣成人，硕士，高级工程师，从事环境污染治理工作。

收稿日期 2024-01-18

摘要 本文基于HPH流域废弃石煤矿综合治理实践，分析了废弃石煤矿基本情况，以及石煤矿开采产生的地表水污染、土壤污染及生态环境破坏等生态问题，提出矿区治理可采取废弃矿硐封堵、废渣堆综合治理、污染河道清污、地下水及土壤污染风险管控等综合治理策略，全面治理或管控中高风险污染源，从源头上消减酸性水量和降低重金属浓度，有效降低区域水环境风险，持续改善矿区生态环境质量，为同类型矿区治理提供参考。

关键词 石煤矿；矿硐；废渣堆；酸性水；生态环境治理

中图分类号 X171.4；S731.6"" 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）13-0061-05

石煤矿开发会遗留矿硐与废渣堆等，在大气降水淋溶及地下水浸淋的双重作用下，废弃矿硐及废渣堆会产生部分重金属含量超标的酸性淋溶水，在防治措施不到位的情况下可能污染当地水体与土壤环境。丁晓涛等[1]、林海等[2]研究表明，石煤提钒冶炼厂区土壤中存在铜（Cu）、镉（Cd）和铅（Pb）污染，且发现厂区周边野胡萝卜中富集了较高含量的Cd元素。

废弃石煤矿产生的生态环境污染问题较为严重，治理难度较大。目前，针对石煤矿山生态环境治理的研究主要集中在酸性水的末端处理方法，如杜平等[3]采用硫酸盐还原菌，将[SO2-4]还原为H2S，消耗水中的硫酸根，沉淀重金属，处理矿山酸性水；李向东等[4]采用可渗透反应墙技术，对矿山酸性水的pH值中和与重金属元素的去除方法进行模拟研究；李萌晓等[5]总结了硫酸盐还原菌（Sulfate‑reducing bacteria，SRB）处理矿山酸性水的机理、影响因素及SRB固定化方法与现状；王铎等[6]研究了极板间距、电流密度、反应时间及废水pH值对电絮凝法处理矿山酸性水的影响。目前，对于酸性废水产生源头的治理方面的研究较有限，这导致现有废弃石煤矿治理措施多为采用混凝土对矿硐口进行封堵，对酸性水收集后进行处理，对废渣堆进行覆土绿化，暂末形成从源头、中段及末端对矿硐及废渣堆进行全过程综合治理[7]的策略。

采取简易封堵矿硐及覆土绿化废渣堆的处理措施存在的主要问题：未能有效减少矿硐酸性涌水排放量，后期治理成本较高；覆土绿化的废渣堆底部仍有酸性废水流出，治理效果不明显，废弃石煤矿产生的环境污染问题仍未得到有效解决。本文基于HPH流域废弃石煤矿综合治理实践，通过对矿硐与废渣堆性质，废渣堆、废弃矿洞基本情况，以及石煤矿开采产生的地表水污染、土壤污染及生态环境破坏等生态问题进行分析，提出污染源头减量、过程风险控制及生态恢复的石煤矿区生态环境综合治理策略，为同类型矿区治理提供参考，以达到科学治污、精准治污和依法治污的目的。

1 废弃石煤矿现状及主要生态环境问题

1.1 废弃石煤矿现状

1.1.1 石煤矿体特征" 石煤是一种低热值、高灰分、高含硫的腐泥无烟煤[8]。石煤矿体产于晚奥陶-早志留世斑鸠关组地层中，该地层为一套次深海深水盆地相富炭（硅）泥质碎屑岩沉积地层[9]，岩性为黑色或灰黑色板岩、含炭硅质板岩、炭质板岩与粗面岩、粗面斑岩及角砾熔岩等构成的多个厚度不等的旋回韵律层，具有多层特点，富含重金属Cd、钒（V）、锰（Mn）、镍（Ni）和锌（Zn）等。王馨[10]研究表明，石煤中的铬（Cr）、Cd和Zn含量远高于褐煤、无烟煤和肥煤。李莹等[11]调查显示，石煤中Cd含量范围分别为0.96～453.00和23.00～37.00 mg/kg，其均值分别是农用地土壤污染风险筛选值的143和107倍；石煤中砷（As）含量为19.9～147.0 mg/kg，其均值为农用地土壤污染风险筛选值的2.8倍。崔雅红等[12]研究表明，石煤中硫主要以黄铁矿形式存在，约占总硫的96.7%。

HPH流域石煤矿体呈现东南—西北向带状分布，多层产出，矿体倾角60°～80°，矿体为陡倾斜产出，因而石煤矿开采容易形成“楼上楼”矿硐群及“天窗”，大气降水、坡面产流汇入“天窗”流入下方矿硐，导致低处矿硐涌水。石煤矿体及围岩风化受岩性、断裂、褶皱、节理和板理影响和控制，断层带裂隙发育，通常矿硐中裂隙水量有限。

1.1.2 废渣堆、废弃矿洞基本情况" （1）废渣堆。通过对研究区域58处废渣堆固废样品进行采样，并检测重金属浸出浓度，废渣浸出液pH值范围2.3～6.0，所有废渣样品中均未检测出汞（Hg），As、Cd、Cr、Pb、Ni、Cu和Mn含量较高，90%以上废渣堆属于Ⅱ类一般工业固体废物。

（2）废矿硐。依据矿硐涌水pH值、重金属含量及矿硐结构的完整性与稳定性，将矿硐划分为高风险矿硐、中风险矿硐和低风险矿硐3种类型。其中，高风险矿硐占总矿硐数的4.24%，中风险矿硐占比64.84%，低风险矿硐占比30.92%。矿硐涌水pH值普遍呈酸性，Cd、Ni、Zn和Cu等重金属含量较高。

1.2 石煤矿开采产生的主要生态环境问题

1.2.1 地表水受污染情况" 调查结果显示，HPH流域各支沟地表水pH值在2.76～9.34，平均5.94，总体水质偏酸性。与GB 3838—2022《地表水环境质量标准》中Ⅱ类标准对比，流域地表水中Cd、Ni、Mn、铝（Al）和pH值超标，超标率均在60%以上；其次为全铁（TFe）、Cu、Zn和[SO2-4]；Hg、Pb和As含量较低，不属于该区域地表水体特征污染物[13]。部分样本超标率见图1，主要污染物超标倍数见图2。

地表水环境中的重金属与矿石围岩中的重金属呈现较好的正相关性，说明矿石、围岩中高含量的Cd、Cu、Zn、Ni和Mn是水体中重金属的主要来源，石煤矿开采等矿业开发活动在一定程度上加剧了地表水污染情况。

1.2.2 土壤受污染情况" 杜蕾等[14]研究表明，石煤矿区土壤重金属的生态风险由大到小依次为Cdgt;Cugt;Pbgt;Zn，其中Cd的生态风险远大于其他重金属元素，且距离石煤矿废渣堆距离越近，土壤中Cd浓度越高。

研究区域采集的84件土壤样品中，土壤pH值在3.74～7.76，总体呈弱酸性。重金属元素单项污染超标倍数等级样本统计表明（表1），60%以上的样本中Cd、Cu和Zn元素超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》的风险筛选值，约35%的样本Ni超标；Pb、Hg和Cr未超标。Cd超标倍数gt;1的样本数占77.7%；约50%的样本Cu、Zn和Ni超标倍数lt;1；少数样本Cr、As超标倍数lt;1。

1.2.3 生态破坏情况" 前期部分石煤矿的无序开采，导致部分区域植被被破坏，水土流失较严重。此外，矿硐、废渣堆产生的酸性水部分进入地表水体，可能污染周围水体与土壤环境。

2 生态环境综合治理策略

2.1 污染源头减量方案

2.1.1 废矿硐治理" 消除或控制矿硐污染源的源头，减少矿硐酸性水的量和降低重金属浓度，需要针对性地从矿硐外部封堵构造裂隙、“天窗”，阻断汇入矿硐的地表径流，精准封堵矿硐内部出水点，阻隔封闭与地下水接触的残留石煤矿体表面，通过隔绝水体、空气等，破坏酸性水形成条件，减少矿硐内酸性水形成量，从而减少或消除矿硐酸性水流入地表水体。

（1）高风险矿硐治理方案。涌水矿硐通常采用强化封堵，石煤矿开采一般为斜井和平硐，采用密闭填充封井回填。密闭填充设置两道密闭墙，在密闭墙之间进行填充。姜瑜等[13]提出，传统密闭填充一般采用黄泥、黏土或混凝土等材料填充，而石煤矿硐产生的涌水呈酸性，传统填充材料在酸性水中长期浸泡易被腐蚀破坏，产生新的涌水点。

KEP无机胶凝材料具有耐酸腐蚀性强，限抗剪强度高，韧性大及良好的弹塑性物理特性，能与矿硐及硐内裂隙保持协调变形，密封性好。经废弃矿硐封堵工程示范，KEP注浆材料在消减矿硐磺水、消除废弃矿硐地质灾害及改善流域生态环境方面应用效果较好[15]，并形成了KEP注浆材料制备、矿硐充填的全流程工艺方法。

（2）中风险矿硐治理方案。涌水积水且重金属含量超标的中风险矿硐优先选择注浆封堵技术，无涌水或涌水积水重金属含量不超标的矿硐依据实施情况，选择一般强化封堵技术或简易封堵技术。

（3）低风险矿硐治理方案。除充填高风险废渣需要，或在勘察后发现其与周围高、中风险涌水矿硐存在联系，否则一般推荐简易封堵。部分确实因条件不符合或者难以保障安全施工的可以不封堵，但应树立警示牌并做好围挡措施。

2.1.2 废渣堆治理" （1）高风险废渣堆治理方案。高风险废渣堆有明显酸性废水渗出，是沟道地表水和土壤的主要污染源之一。治理技术主要有工程密封覆盖、生物膜吸附处理和电化学处理3种。刘敬勇[16]在含硫多金属矿床开采过程中的环境污染与治理研究中指出，由于工程和化学技术本身的局限性，如工程密封覆盖技术简单，但工程量大，且并不能从根本上解决问题；电化学和生物膜吸附处理技术费用较高，且加入了外源化学物质，有可能产生其他危害，均不是长久之计。

（2）若高风险废渣堆区域存在高、中风险矿硐的治理方案。杜金龙等[15]建议优先采取KEP注浆充填矿硐进行废渣堆减量化消减。若废渣堆不具备充填矿硐条件，应尽量选择异位处置措施，建设集中填埋场，将附近废渣统一运送至集中填埋场填埋处置。异地处置贮存场或填埋场的选址及建设必须满足GB 18599—2020《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》要求。填埋场应包括防渗系统、渗滤液收集和导排系统、雨污分流系统、环境监测系统、公用工程和配套设施、地下水导排系统及废水处理系统（根据具体渗流废水情况选择设置）等。

（3）中风险废渣堆治理方案。在经济、技术上可行时，优先考虑将中风险废渣堆随高风险废渣一并改性处理后回填至附近具备条件的废弃矿硐或采坑，实现“以废治废”和协同整治。若废渣堆暂不具备充填矿硐条件，推荐采取原址风险管控措施，做好上游来水的截排导流设施建设，阻止上游来水进入废渣堆内部；因地制宜完成渣体稳定性和地质灾害隐患整治，采取削坡整形、稳定加固等措施提高废渣堆体稳定性；同时，对渣体表面采取有效的防渗处理，如采用高密度聚乙烯膜（HDPE）、生物毯或改性地质聚合物等阻隔防渗材料，再结合现场需求实施表层覆土和生态复绿等措施，减少进入渣堆内部的水量，可有效减少酸性水的产生量。

（4）低风险废渣堆治理方案。对于不产生酸性水且无地质隐患的低风险废渣堆，以生态修复结合跟踪监测为主，对于位置较远、不具备施工条件的低风险废渣堆，以自然修复为主。

2.1.3 河道治理" 河道污染表观表征为磺水视觉景观污染，实质为严重的是酸性水和重金属污染。河道水及底泥中重金属如果超标，可能会危及水生态安全，韩富涛等[17]研究表明，当水体pH值为2时，底泥中重金属释放量最大。吕兴娜等[18]研究表明，随着盐度质量浓度的增加，Pb的释放速率也会明显增加。李鱼等[19]对影响重金属释放的因素研究表明，温度升高，重金属的释放量明显增加。因此，日常需要及时清理石煤矿附近河道内底泥，并运送至填埋场进行安全处理，避免底泥中重金属重新释放进入地表水体。

河道底泥清理后，在河床开阔、水流缓慢的地段设置湿地缓冲带，通过物理拦截过滤+岸带植物修复，提高水体pH值，加速Fe、Mn等自然沉降，缩短河道自净距离，降低水体色度，改善河道景观。

2.2 风险管控方案

2.2.1 土壤污染管控方案" 开展土壤环境质量现状调查，分析水土环境和农作物中Cd等重金属积累成因，并进行生态风险识别，掌握土壤环境质量状况，为制订科学合理的修复目标与方案奠定基础。根据调查结果，按照污染程度，实施农用地分类管理，将农用地划分为优先保护类、安全利用类与严格管控类3个类别，以耕地为重点，分别采取相应管控措施，保障农产品质量安全。刘瑞平等[20]提出将预防为主、保护优先作为土壤污染防治的基本原则，重视前期管理代替后期治理。

2.2.2 地下水污染管控方案" 地下水监测结果显示，矿区下游特别是渣堆底部地下水中部分指标超标，其他区域地下水质量较好；地下水超标指标主要为pH、Cd、Zn、Fe和Mn，与石煤矿开发造成的特征污染物基本一致。随着对高风险废渣堆清理与酸性水矿硐封堵，有效切断了地下水污染来源，地下水中污染物扩散趋势得到有效控制，矿区地下水水质得以持续改善。结合区域地下水环境敏感性特点以及地下水污染现状特征，区域地下水污染管控建议主要采取”自然修复+跟踪监测“的风险管控措施。

2.3 生态恢复方案

石煤矿开采形成的废渣堆多为Ⅱ类固废，因此不能简单实施生态复绿工程。针对研究区大多数废渣堆堆积坡度大、立地条件差及自然复绿程度低等特征，需因地制宜选取合适的土壤重构及植被重建技术进行复绿，复绿措施应遵循“人工修复+自然修复”相结合原则。

针对硐口、高陡斜坡的裸露基岩面，进行喷浆处理，可起到稳固硐口及减少裂隙磺水渗出的作用，防止含硫铁矿的基岩在雨水浸溶下形成酸性水。付政丽[21]提出，针对废弃地坡度小于45°的缓坡地段，进行土地复垦，以乔木林为主，选择坑穴覆土植树技术；坡度大于45°的废弃场地，采取主动措施，逐级将坡体角度控制到自然休止角为止，削坡后在台面上坑穴植树种草，在台阶上栽植乔木或爬藤类植物，起到遮挡绿化裸露岩面的作用。坑穴覆土厚度控制在60 cm以内，覆土种草的土壤有效厚度应不小于30 cm。边坡较陡时，采用宾格笼挡墙或生态袋技术，减缓暴雨期间的水土流失；对于不稳定的边坡首先需要勘察设计治理潜在的滑坡和崩塌隐患。

3 结语

本文基于HPH流域废弃石煤矿综合治理实践，分析了石煤矿现状涉及的矿硐与废渣堆性质，废渣堆、废弃矿洞基本情况，以及石煤矿开采产生的地表水污染、土壤污染及生态环境破坏等生态问题，提出污染源头减量（包括废矿硐治理、废渣堆治理和河道治理）、过程风险控制（土壤污染管控、地下水污染管控）及生态恢复的石煤矿区生态环境综合治理策略，为同类型矿区治理提供参考。矿区治理可采取废弃矿硐封堵、废渣堆综合治理、污染河道清污、地下水及土壤污染风险管控等综合治理策略，全面治理或管控中高风险污染源，从源头上消减酸性水量和降低重金属浓度，有效降低区域水环境风险，持续改善矿区生态环境质量。

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（责编：何 艳）