許輝標，藍選慶，朱秋華，楊鴻翔，藍曉聰，朱 敏，謝桂芳，蔣 穎，衛(wèi)曉鋒,5

（1.紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦，福建 上杭 364200；2.紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 上杭 364200；3.紫金環(huán)保科技股份有限公司，福建 上杭 364200；4.中色紫金地質(zhì)勘查（北京）有限責任公司，北京 100012；5.哈密紅石礦業(yè)有限公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

有色金屬露采礦山一般會形成巨大的終了境界坑，其中，露采邊坡和排土場邊坡具有地形陡峭、坡度高、土壤層薄、立地條件差的特點。在濕熱氣候條件下，大量含硫化物礦石或礦渣受物理因素、化學因素及生物因素的綜合影響會產(chǎn)生一種對環(huán)境造成極大破壞的酸性水分（acid mine drainage，AMD）[1]，其主要成分是硫元素形成的各種金屬硫化物，屬于強酸性物質(zhì)，含有大量可溶性有害金屬物質(zhì)[2]。如果直接排放入河流、湖泊等水體，會導致水體pH 值一定程度降低，逐漸酸化并造成水生植物生長環(huán)境的破壞，降低水體的自凈功能，威脅水生生物生存[3]。如果酸性水分進入土壤，強酸性硫化物和大量重金屬離子會使土壤酸化和毒化，不利于植物生長，導致枯萎死亡。通過食物鏈的傳遞和富集作用，重金屬元素會極大地危害人體健康[4-5]。

目前對礦山酸性水分的治理主要集中于礦井水、礦坑水、尾礦淋濾水和生物堆浸的浸出液等源頭控制，控制方法主要是通過堿中和沉淀法、硫化物沉淀法、氧化還原法和微生物還原法等技術方法提高其pH 值，降低重金屬離子含量[6-8]。露采邊坡的酸性水浸出過程緩慢，屬于一種隱形的土壤環(huán)境損害，針對金屬礦山開采形成的酸性露采邊坡的生態(tài)修復治理技術研究相對薄弱，僅有少部分學者研究了酸性邊坡的產(chǎn)酸過程和控制措施，提出了客土噴播、魚鱗坑、壘起生態(tài)袋、生態(tài)擋墻等措施[9]。然而工程應用表明，采用簡單的人工種植和客土噴播工藝進行酸性邊坡的生態(tài)修復，無法有效控制圍巖或者礦體硫化物氧化后形成的酸性水浸出，會持續(xù)滲出沖刷邊坡，影響生態(tài)系統(tǒng)的自我修復效果[10-11]。

針對福建紫金山金銅礦酸性露采邊坡的基質(zhì)特征，研究了薄層狀固化隔離材料和厚層狀中和介質(zhì)材料等兩種阻氧覆蓋控制酸性水材料。工程應用表明表層土壤酸化得到有效控制，植被群落不斷恢復。該研究成果可為有色金屬礦山的生態(tài)修復治理提供實踐案例。

1 礦山基本概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境特征

紫金山金銅礦位于福建省、江西省和廣東省交界處的龍巖市上杭縣以北14.6 km 處，2008 年被評為“中國第一大金礦”。礦區(qū)處于亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，無酷熱嚴寒，降雪少，霜期短，最大年降雨量為2 502.1 mm，最小年降雨量為1 053.9 mm，年均降雨量為1 604.1 mm，雨季多集中于每年5 月和6 月，最長連續(xù)降雨天數(shù)31 d，總降雨量440.3 mm，日最大降雨量242 mm。地表水系主要有西側(cè)的汀江及東側(cè)的舊縣河。礦區(qū)主要分布有紅壤、黃壤、紫色土、草甸土等四種土壤類型，處于中亞熱帶常綠闊葉林地帶，受長期人為活動的影響，常綠闊葉林原生植被都被針闊混交林、針葉林次生植被所代替，構成了大面積的常綠針葉林次生植被[12]。

礦區(qū)出露大面積燕山早期的粗?；◢弾r、細粒花崗巖和燕山晚期的火山次火山巖，在火山口周邊和北西向構造裂隙中分布隱爆角礫巖。礦體主要處于中細?；◢弾r中，其次是英安玢巖和隱爆角礫巖，屬于一種金銅共生高硫、淺成中低溫熱液型礦床。金主要賦存于潛水面（600～640 m）以上的氧化帶中，金屬礦物主要為褐鐵礦、針鐵礦。銅礦床則賦存于氧化帶以下，金屬礦物主要為藍輝銅礦、銅藍，少見黃銅礦[13]。截至2019 年底，累計探明可利用黃金資源儲量316 t 金屬量，平均品位為0.327 g/t，累計探明銅礦資源儲量242 萬t 金屬量，遠景資源儲量超過500 萬t 金屬量，平均品位為0.428%[14]。1992 年開展金礦工業(yè)性堆浸試驗，1993 年7 月開始開采金礦，截至2020 年底，金礦開采已經(jīng)進入尾聲。1998 年銅礦進行濕法提銅工藝實驗室研究，采礦對象為采標高在148 m 以上的露天剝離金銅礦礦體中的銅礦和埋深在標高-100～100 m 的銅礦。

1.2 礦山廢棄地基質(zhì)特征

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)采礦活動及其他生產(chǎn)活動形成的礦山廢棄地基質(zhì)類型主要為終了境界中的裸露巖石、排土場等巖土混合物和選礦過程產(chǎn)生的各類生產(chǎn)殘渣物[15-16]。

1）終了境界中的裸露巖石：主要分布于露天采場的終了境界，物質(zhì)組分主要為各類強風化及蝕變的花崗巖。該礦區(qū)最終露天境界平面上部東西寬1 800 m、南北長1 300 m，最低臺階標高496 m，最高臺階標高1 024 m，采坑邊坡總高度528 m，安全平臺寬度為7～25 m，掃清平臺為25～45 m，臺階邊坡高度為24 m，坡面角多為70°，目前已經(jīng)形成了16 級平臺，平臺標高分別為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，采坑邊坡總體邊坡角為49°～50°。裸露巖石分布區(qū)的土壤層基本缺失，僅有個別區(qū)域殘存巖石碎塊，形成大小不一的礫石層，沿巖石裂隙常伴有酸性物質(zhì)滲出，pH 值介于3.21～4.78。

2）排土場等巖土混合物：主要來源于露天開采過程中剝離圍巖、采礦廢石堆積的松散體，物質(zhì)成分為各類圍巖碎石和表層剝離土壤。露天采場位于礦區(qū)北側(cè)，采用“上土上排，下土下排”方式堆積排土，由低標高處按一定臺階高度逐層向高標高處逐級排堆，每級平臺留有一個安全平臺寬度，形成各級平臺穩(wěn)固斜坡式的廢石土場，其臺階高度30 m，安全平臺寬度30 m，總邊坡角23°，下方設置攔渣壩。該類基質(zhì)的土壤團聚體結構為2～10 mm，容重低，土壤樣品中有大量可見粗孔，結構疏松?；|(zhì)組分pH 值介于4.14～4.21，呈酸性，養(yǎng)分元素全鉀、有效鉀含量及重金屬元素鎘、銅、鉛和鋅含量較高。

3）選礦過程產(chǎn)生的各類生產(chǎn)殘渣物：主要來自于金銅礦堆浸渣和中和硫酸鈣渣。其中，金銅礦堆浸渣在金銅堆浸場區(qū)通過逆排方式逐級堆筑，形成穩(wěn)定平臺，填方邊坡坡度約40°，坡高為15 m 左右，平臺寬5～8 m?；|(zhì)組分pH 值介于2.78～5.80，養(yǎng)分含量及重金屬元素含量低。此外，還有一種為中和硫酸鈣渣，是礦山酸性水分中和的產(chǎn)物，土壤團聚體結構＜2 mm，容重高，結構致密?；|(zhì)組分pH值介于7.86～7.98，呈堿性，氮、磷、鉀、有效氮、有效磷和有效鉀等養(yǎng)分元素含量較高，有機碳含量介于0.34%～1.11%，銅、鎘、鋅、砷重金屬元素含量較高。

1.3 生態(tài)修復的關鍵問題

露采礦山的生態(tài)修復技術難點是高陡邊坡、基質(zhì)缺失和土壤酸化的治理，而酸性露采邊坡的治理前提是控制產(chǎn)酸過程。以往露采礦山生態(tài)修復往往關注地表植被的恢復，忽視土壤環(huán)境的改良，因為土壤是生命的物質(zhì)載體和養(yǎng)分來源，土壤缺少或者質(zhì)量差直接影響生態(tài)修復的可持續(xù)性，導致自我恢復和更替能力缺乏。因此，紫金山金銅礦露采礦山邊坡的生態(tài)修復關鍵問題是構建一個控制酸性水產(chǎn)生的阻隔層，重構一個最佳、穩(wěn)定的土壤物理、化學和生物環(huán)境。

2 土壤酸化原位控制研究

2.1 固化阻隔材料研究

沿酸性水滲出的露采邊坡構建一層含有固化阻隔劑的阻隔層，隔離和封閉原來的裸露邊坡，控制邊坡硫化物的氧化，減少酸性水的產(chǎn)出[17]，同時構建植物生長所需的基質(zhì)層，提供植物根系生長空間和養(yǎng)分水分。根據(jù)礦山廢棄地的立地條件和基質(zhì)特征，篩選和研發(fā)了薄層狀固化隔離和厚層狀中和介質(zhì)等兩種阻氧覆蓋控制酸性水材料。

1）薄層狀固化隔離材料。以黏（砂）土為骨料，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%、氧化鈣5%～10%、水泥10%～20%、聚丙烯酸鉀150～200 g、有機螯合劑20～60 kg。采用噴播方式噴射于裸露邊坡上，噴射厚度2～5 cm，在各類邊坡表面形成具有一定強度的固化阻隔層，阻擋邊坡表面硫化物與空氣及雨水接觸，減少酸性水的產(chǎn)出。水泥、氧化鈣和水發(fā)生水化反應，在螯合劑的配合下可有效固定邊坡表面的重金屬離子[18]。由80%的耕植土，15%的稻殼、菌菇肥或有機肥，4%的土壤調(diào)理劑和1%的復合肥、鈣鎂磷肥組成有機營養(yǎng)客土，利用液壓濕噴機或多功能噴漿機噴射構建8～10 cm 基質(zhì)層。

2）厚層狀中和介質(zhì)材料。以中和硫酸渣為骨料，添加一定比例的微生物菌、有機肥。組分配比為（1 m3）：中和渣80%～90%、微生物菌肥5%～10%、有機肥1%～5%。采用機械鋪撒方式覆蓋于裸露的邊坡上，覆蓋厚度20～30 cm，以構建一種物理阻隔基質(zhì)層，減少硫化物與空氣、雨水接觸面，降低酸性水滲出，底部中和介質(zhì)層會逐步得到改良，并提供一個適合植物生長的中性土壤環(huán)境。

2.2 阻氧隔離層構建

根據(jù)邊坡結構、物質(zhì)組分及植被群落等特點，在典型廢棄地使用不同固化阻隔材料，構建阻氧隔離層，控制酸性水的產(chǎn)生[19]，具體工作方法為邊坡類型調(diào)查→特征因子剖析→固化阻隔層設置→基質(zhì)層構建→植被層恢復→管護與撫育、監(jiān)測（表1）。

表1 典型受損區(qū)域酸性水控制方法應用Table 1 Application of acid water control methods in typical damaged areas

1）邊坡類型調(diào)查：調(diào)查礦區(qū)立地條件特征，包括不同修復區(qū)的地形地貌、基質(zhì)類型和物質(zhì)組分，分析礦區(qū)的水文特征，尤其是坡面徑流過程。

2）特征因子分析：調(diào)查剖面裂隙水來源、坡面沖刷實體徑流方向，采集相關樣品，分析圍巖及殘留礦體的礦物成分、酸性環(huán)境下浸出的重金屬元素、酸化邊坡和裂隙水的pH 值、產(chǎn)酸過程分析和裂隙水的污染特征等。

3）固化阻隔層設置：根據(jù)邊坡酸性水產(chǎn)出路徑，設置固化阻隔層，采用噴射或者覆蓋方式將阻隔層附著于坡面，提升坡面pH 值，固化坡面重金屬元素的遷移，避免雨水沖刷，減少水土流失。

4）基質(zhì)層構建：根據(jù)邊坡阻隔層類型和特點，分別選用噴播或者撒蓋方式構建供植物生長的基質(zhì)層。

5）植被層恢復：根據(jù)周邊植物群落和坡面立地條件特征，篩選合適的植物種群，采用噴播或者撒播方式附著于坡體基質(zhì)層表面。

6）管護與撫育、監(jiān)測：構建植物撫育管護措施，對坡面環(huán)境和修復效果進行持續(xù)監(jiān)測。

3 土壤酸化控制效果評價

3.1 樣品采集及測試

在不同類型礦山廢棄地分別采集淺表層-中間層-基質(zhì)層的土壤/基質(zhì)樣品，共計采集樣品36 件，土壤樣品采集使用GPS 定點，采用“S”形或“X”形采集組合樣點進行混合，去除碎石、雜物、植物殘體后自然風干，然后將樣品土壤研磨并過篩孔尺寸為0.850 mm的篩網(wǎng)，測試土壤的pH 值。將樣品土壤過篩孔尺寸為0.075 mm 的篩網(wǎng)，測試土壤中元素含量值。樣品分析測試按規(guī)范要求加10%空白樣與平行樣控制，分析方法準確度和精密度采用《土壤成分分析標準物質(zhì)》（GBW 07439）控制，各重金屬的加標回收率均在國家標準參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

3.2 控制產(chǎn)酸效果

在應用薄層狀原位阻隔材料和厚層狀中和介質(zhì)材料的邊坡廢棄地，分析結果表明：自基質(zhì)層至淺表層土壤呈現(xiàn)“pH 值上升，養(yǎng)分元素含量增加，重金屬元素含量降低”的變化趨勢（表2 和圖1），說明該材料產(chǎn)生了阻隔中和作用。

圖1 不同礦山廢棄地土壤/基質(zhì)元素變化曲線圖Fig.1 Variation curves of soil/matrix elements in different mine wastelands

表2 不同礦山廢棄地表層土壤/基質(zhì)元素值Table 2 Values of soil/matrix elements in different mine wastelands

將原位固化阻隔和中和介質(zhì)材料鋪設于酸性廢石的表面形成覆蓋層，覆蓋層材料往往直徑較小，尤其是中和介質(zhì)材料，以黏土成分為主，能夠高效減少金屬硫化礦物與氧氣的接觸，阻止了硫化物礦石在裸露空間的暴露，減少了與空氣、雨水的共同作用，降低了氧化反應，產(chǎn)酸的過程受阻[20]，因此，由基質(zhì)層至淺表土壤層pH 值自2.78～5.05 上升至8.21～8.56，硫（S）平均含量下降70%，表層土壤中硫酸根離子等酸化物質(zhì)組分降低，土壤由強酸性轉(zhuǎn)為弱堿性，說明邊坡區(qū)的土壤酸化得到有效控制。表層土壤中鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）和 鋅（Zn）含量分別為0.21 mg/kg、127.44 mg/kg、322.70 mg/kg 和37.46 mg/kg，相比于基質(zhì)中的重金屬含量，分別下降了95.1%、51.9%、32.6%和93.9%。重金屬元素在水化過程中，通過化學吸收、吸附、沉降、離子交換和鈍化等方式與水泥等堿性組分發(fā)生物理作用及化學反應，在螯合作用與水解作用下，形成螯合物或氫氧化物沉淀（膠體），殘留于水泥中或者附著于水化形成的水化硅酸鹽膠體表面[21]，使得表層土壤重金屬元素含量呈現(xiàn)下降趨勢。因此，在淺表土壤層水泥等堿性組分為主的土壤環(huán)境中，會抑制重金屬元素的遷移，在一種中性的土壤環(huán)境中，土壤的養(yǎng)分元素總量和其活性態(tài)組分會釋放轉(zhuǎn)換，因此表層土壤中磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）和鎂（Mg）等礦質(zhì)養(yǎng)分元素成分明顯增加，利于修復區(qū)植物生長及恢復。

3.3 植物群落恢復

生態(tài)修復過程中植物篩選以鄉(xiāng)土樹種為主，按照喬-灌-草相結合方式篩選植物類型。2022 年，對不同類型礦山廢棄地開展樣方調(diào)查，一般喬木層樣方調(diào)查面積為20 m2×20 m2，灌木層樣方調(diào)查面積為5 m2×5 m2，草本層樣方調(diào)查面積為1 m2×1 m2。調(diào)查結果顯示：2013—2022 年植被的群落結構、物種多樣性等顯著提高[22-23]，植物群落恢復效果對比如圖2所示。

圖2 不同受損區(qū)生態(tài)修復工程實踐效果對比Fig.2 Comparison of practical effects of ecological restoration in different damaged areas

1）巖質(zhì)酸性露采邊坡。以東南礦段B 礦段為例，修復面積為15.78 hm2，該場地20 m2×20 m2的樣方中有馬尾松78 株，馬尾松平均高度為6.0 m，平均胸徑為10 cm。喬木層除馬尾松外，還有巨尾桉8 株，喬木層蓋度為85%。灌木層以山牡荊為優(yōu)勢種，常見伴生灌木有巨尾桉幼樹、山胡椒、白背楓、金櫻子、華南懸鉤子、車桑子、杜鵑花、銹毛莓、木莓、檵木、小葉石楠、野牡丹等，層蓋度為20%；草本層以藿香薊為優(yōu)勢種，常見伴生草本植物有五節(jié)芒、黑莎草、香薷、苦苣菜、藎草、活血丹、狗尾草、芒萁、地桃花、黃花酢漿草、蘇門白酒草等，層蓋度約為20%；層間植物主要有菝葜、垂穗石松、薯蕷等。

2）巖土混合酸性露采邊坡。以礦區(qū)排土場為例，該場地5 m2×5 m2樣方中有馬尾松18 株，馬尾松平均高度為2 m，平均胸徑為2.5 cm；灌木層以馬尾松為優(yōu)勢種，常見伴生灌木有木荷、山雞椒、白背楓、野漆、赤楠、黧蒴錐幼樹、木姜子等植物，層蓋度為25%；草本層以五節(jié)芒為優(yōu)勢種，常見伴生草本植物有地菍、黑莎草、狗牙根、崗松、華南毛蕨、狗脊蕨、鳳尾蕨等，層蓋度約為30%；層間植物主要有土茯苓、顯齒蛇葡萄等。

3）無酸巖土混合露采邊坡。以福建省新華都工程有限責任公司附近的金礦渣廢石場為例，生態(tài)恢復面積為2.55 hm2，該場地20 m2×20 m2樣方中有馬尾松132 株，馬尾松平均高度為7 m，平均胸徑為10 cm；喬木層除馬尾松外，還有木荷8 株，山雞椒4 株，香樟3 株，喬木層蓋度為75%；灌木層以柄果海桐為優(yōu)勢種，常見伴生灌木有卵葉小蠟、雙莢決明、胡枝子、杜莖山、金櫻子、華南懸鉤子、檵木、毛泡桐等，層蓋度為30%；草本層以短穎馬唐為優(yōu)勢種，常見伴生草本植物有蟛蜞菊、常山、五節(jié)芒、三葉鬼針草、地膽草、邊緣鱗蓋蕨、烏毛蕨等，層蓋度約為15%；層間植物主要有輪環(huán)藤、薯蕷、光葉菝葜、顯齒蛇葡萄等（圖2）。

4 結論

1）露采邊坡的基質(zhì)類型主要包括終了境界中的裸露巖石、排土場等巖土混合物和選礦過程產(chǎn)生的各類生產(chǎn)殘渣物等三種，其中前兩種存在酸性水浸出問題，土壤酸化嚴重。

2）研制薄層狀固化隔離與厚層狀中和介質(zhì)等兩種酸性阻隔材料，配比分別為砂土35%～45%、氧化鈣5%～10%、水泥10%～20%、聚丙烯酸鉀150～200 g、有機螯合劑20～60 kg 和中和渣80%～90%、微生物菌肥5%～10%、有機肥1%～5%，采用不同的施工技術方法構建了阻氧覆蓋隔離層。

3）典型修復區(qū)表層土壤pH 值由2.78～5.05 上升至8.21～8.56，硫平均含量下降70%，產(chǎn)酸過程得到有效控制，土壤養(yǎng)分含量增加，重金屬含量下降。以馬尾松為主的喬木生長良好，以卵葉小蠟、雙莢決明等灌木和短穎馬唐等草本為主立體群落逐漸恢復。