解決礦山環境問題的“九節鞭”

武 強，劉宏磊,4，趙海卿，張 萌，劉守強，曾一凡

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院,北京 100083; 2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心,北京 100083; 3.中國地質調查局沈陽地質調查中心,遼寧 沈陽 110000; 4.University of Illinois at Urbana-Champaign,Champaign 61820)

我國一次能源產量與消費量占全球首位并呈逐年上漲趨勢，截至2017年末我國煤炭查明資源儲量16 666.7億t，原煤產量34.5億t，消費量38.0億t，在能源消費結構中占60.4%[1]。礦產資源的高強度采掘打破了自然與人居環境之間的平衡并帶來突出的礦山環境問題[2-3]，眾多遺留問題給環境帶來了負面的影響和嚴峻的挑戰[4-6]。我國在礦山環境問題修復治理中投入巨大，據“十二五”統計數據，中央財政投入礦山地質環境治理中的資金為180.7億元，治理礦山3 310座，治理總面積逾10.3萬hm2[7]。由于礦山環境修復工程時空跨度大、對象復雜，在實踐成果的基礎上，礦山環境理論研究、評價預測、技術優化與模式、大數據信息系統等方面擁有較大的拓展空間和研究價值。

1 礦山環境及其問題的內涵

礦山環境，指礦山周圍的自然與社會環境體，是由人類采礦活動產生的礦建系統和選、冶系統等為環境與自然環境構成，主要包括開采地段、閉坑停采的含礦地段以及所影響到的毗鄰地區的巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈之間相互作用(物質交換與能量流動)的客觀地質體[8]。而礦山環境問題是一種以礦山環境為載體的負效應作用，指在礦產資源勘查、礦床開采、洗選加工以及廢棄閉坑等礦產資源開發過程中對礦山環境造成的不良影響，其影響范圍遠大于采礦邊界且時效超過礦山生產年限的數倍。雖然礦山環境問題的產生均具有一定機理，但難以一概而論，同一問題在同一礦區的表現特征也可能截然不同。

2 解決礦山環境問題的基本思路

解決礦山環境問題要像中華武術中的軟器械“九節鞭”一樣，動作協調連貫、順勢而出、靈活多變、收放自如(圖1)。由于我國大部分礦區地形地貌條件復雜，礦山生產開發方式與工藝多樣，產生了復雜多樣且數量眾多的礦山環境問題。要解決這些問題，首先應科學梳理礦山環境問題的類型，確定問題分類依據。在此基礎上，運用有針對性的調查技術和方法，開展礦山環境現狀與背景的調查，以獲取可靠的礦山環境基礎數據。基于獲取的礦山環境背景與數據，對礦山環境現狀進行評價，并結合礦山工程規劃對礦山環境演化趨勢進行預測。礦山環境研究的目的不僅僅局限在分析、評價與預測，而是要落腳到已被破壞的礦山環境的修復治理。目前礦山環境修復治理主要的技術方法有工程治理、生態修復和生物修復3種類型。實際工程中修復環境一定會涉及到多種技術的有機組合，繼而形成礦山環境修復治理模式。模式將成為修復治理工程中制定技術方案、組織施工最理想的選擇。在礦山環境修治理實施后，對被礦山占用和損毀的土地資源進行礦山土地適宜性評價，厘定可行的開發利用類型，實現礦山土地資源類型的扭轉和開發再利用。在修復治理前后，對礦山環境實施動態監測與預警，以及時發現存在的安全隱患，并實時捕捉先兆進行預警，同時也成為評價修復治理效果的重要手段之一。采用現代化云平臺、大數據等先進的信息技術手段，研發礦山信息管理系統，其目的是保存調查評價、修復治理、監測預警的有效數據與報告資料，并向社會及時通告企業在礦山環境修復治理中的成果，相互共享經驗和教訓。雖然法律法規與管理作為礦山環境問題解決中的兩項軟科學，但是其重要性不次于其他措施。我國礦山環境相關法律法規仍需要更多的借鑒和加強法規體系建設，同時通過構建政府和企業成熟完善的管理體系以保障礦山環境的可持續發展。

圖1 解決礦山環境問題“九節鞭”的基本思路Fig.1 Basic thinking of mine environmental problems solution in nine aspects

3 解決礦山環境的九大基礎內容

礦山環境問題的九大基礎內容，即礦山環境問題梳理與歸納、原位調查技術、現狀評價與演化趨勢預測、修復治理技術與模式體系、修復治理后的礦山土地適宜性評價、動態監測與預警、信息系統、法律法規、監督管理(圖2)，是礦山環境與資源開發協同發展的系統化研究體系，涉及礦山全生命周期的各個環境修復與防治環節。

3.1 礦山環境問題分類與效應

礦山環境問題因礦產資源的開發而產生，是礦山環境修復中的首要研究對象，研究主要包括礦山環境問題類型、綜合環境效應和分區。

3.1.1 礦山環境問題類型

礦山環境問題類型的劃分是指導礦山環境調查、評價、修復治理等工作的前提[9]。因礦種、開發方式、地質環境背景等差異，問題表現出區域性、規律性及異常性響應特點，此外因資源集中程度差異，問題發生頻度、區域影響性也有所差別。問題類型劃分依據有礦山環境問題特征[10]、礦山環境問題性質及其環境影響[11]、表現形式和影響結果[12-14]等。根據礦山生命周期中礦山環境問題的表現特征，可依據礦山環境損毀方式[15]進行礦山環境問題類型劃分(表1)。

隨著開采的進行，礦山環境受到持續擾動，對應的礦山環境問題也在連續變化，依據礦山環境損毀方式進行的分類能夠反映問題發生的基本條件和誘發機理，尤其是能夠反映利用問題線索反映礦山環境對礦山開采過程的動態響應。

3.1.2 礦山環境綜合效應特征

當多種類型問題先后發生并疊加響應時，便會產生礦山環境綜合效應，是礦產資源在勘查、開采、選冶加工和閉坑等礦山生命周期中對礦山環境造成的不良影響和破壞的綜合后果[16]，分為土地資源損毀效應、水環境擾動效應、次生災害效應以及景觀與生態效應4類(表2)。

3.1.3 礦山環境問題分區

礦山環境問題分區是問題特征的區域性空間表達，是問題預防與修復治理工作的區域性控制[17]，主要有環境條件分區與問題發育特征兩種。其中，條件分區是基于問題載體的地形地貌、氣象水文、植被、巖土體性質等因素或者問題嚴重程度[18]，或者問題種類、影響程度和修復治理難度，分區的尺度分為礦山礦區級、行政地區級以及國家級等[19]。各類分區均有定性、定量和定性定量相結合的方式，內容包括影響程度分區和防治分區等。

圖2 解決礦山環境問題的九大基本方面內容Fig.2 Nine basic aspects of solving mine environment problems

環境損毀方式相關的礦山環境問題相關的工程行為巖土體動態失衡開采沉陷與伴生地裂縫、山體開裂、次生地質災害、人工堆載體邊坡失穩等地下開挖掘進、爆破、削坡、固廢堆積等水動力條件擾動開采沉陷與伴生地裂縫、地面沉降、地下水水位下降、含水層結構破壞、水土流失、土地沙化等礦山疏排水、礦山液廢排放等污染源擴散污染巖土體淋濾污染、地表(地下)水污染、煤矸石自燃等礦山液廢排放、固廢堆積等多因素綜合疊加礦山泥石流、尾礦庫(壩)潰決等削坡、爆破、固廢堆積、尾礦筑壩等

表2礦山環境問題綜合環境效應特征
Table2Comprehensiveenvironmentaleffectsofmineenvironmentalproblems

綜合環境效應作用形式與機理相關的礦山環境問題土地資源損毀以占用、機械破壞或化學污染破壞等形式減少可用土地資源量固相廢棄物堆積與淋濾污染、開采沉陷、水土流失、沙漠化等水環境擾動地下水降落漏斗導致的水量減少或廢液、廢棄物滲透與淋濾導致的地下水、地表水水質污染兩種形式損毀水資源液(固)相廢棄物滲透與淋濾污染、礦山疏排水與突水引起水位大幅降落、含水層結構破壞等礦山次生災害諸多礦山環境問題防治不當誘發或加劇礦山次生地質災害開采沉陷、巖土體堆積、尾礦庫(壩)潰決、放射性污染等景觀與生態破壞對地貌形態和地表景觀的改造超出其承載能力,以景觀破壞、資源量和生物種屬減少為代價水土流失、沙漠化、地面變形、固體廢棄物堆積、煤矸石自燃、山巖裸露、崩塌和邊坡失穩等

3.2 礦山環境原位調查技術與方法

礦山環境原位調查技術針對礦山所處的地質環境、水環境、大氣環境、生態環境以及空間環境進行的調查研究，是解決礦山環境問題各環節的數據來源和治理根據，旨在查明礦山環境背景、開發利用現狀、問題分布與發育特征等[20]。相關礦山環境調查技術規范與標準逐漸興起，主要分為原位觀測技術、原位測量技術、原位取樣測試技術、原位勘察試驗技術等原位調查技術類型，常見的調查手段如野外勘測、遙感技術、地理信息系統技術、地球物理勘探、水文與巖土原位測試等。我國已基本建立公益服務性質的礦山環境基礎調查體系，依據礦山全生命周期，調查成果分為新建或生產礦山調查成果與閉坑礦山調查成果兩類。依據調查成果需求，分為普通調查、核驗調查和解剖調查[21-22]。

礦山環境原位調查中，既要獲取全面可靠的礦山環境數據，同時要規范調查內容和數據的采集流程與模式，確保全國調查數據格式統一、標準一致。對特殊地形地貌、礦種、開發方式等背景下的礦山環境調查工作，要明確更為細化的專門性質調查內容和技術手段，確保采集到的高質量調查數據能夠被利用到未來礦山環境相關研究之中。

3.3 礦山環境現狀評價與演化趨勢預測

礦山環境現狀評價與演化趨勢預測在礦山環境的現狀分析、演化趨勢預測研究中至關重要。礦山環境問題以獨立或多類并存出現，對應的現狀評價理論分為“單問題評價”與“多問題綜合評價”兩類(表3)。常見的單因素環境評價問題有“三廢”問題、地面變形問題、礦山排-供-生態環保3者間矛盾[23-24]、沙漠化問題以及水土流失問題等;多因素綜合評價常用于多問題疊加評價或者多效應疊加評價的環境中。建立客觀、真實的現狀評價理論模型和評價參數，避免主觀確定評價指標模型和標準[25]為一直以來的研究重點。

表3礦山環境問題常用評價理論與方法
Table3Evaluationtheoriesandmethodsofmineenvironmentalproblems

評價類型礦山環境問題主要評價方法單問題“三廢”問題固體廢棄物遙感動態監測評價、邊坡穩定性評價(安全系數、可靠度等)、淋濾污染效應評價(土壤污染評價、地表(下)水體污染評價)、風化揚塵污染評價、大氣污染評價、放射性效應評價等液體廢棄物綜合指數法、國家標準F值打分法、環境污染指數法等氣體廢棄物大氣環境質量評價、對標法等地面變形問題經驗公式法、剖面函數、影響函數、解析模型、物理模型、三維數值模擬等礦山排-供-生態環保3者間矛盾“三圖-雙預測”模型、華北型煤炭底板突水評價、矽卡巖型礦床充水評價等沙漠化問題監測指標評價、遙感(RS)解譯評價、沙漠化危險度分區評價、地理信息系統(GIS)等水土流失問題預測模型法、地理信息系統(GIS)、遙感(RS)與其他評價方法耦合法等多問題多問題疊加多效應疊加礦山環境承載力評價、突變數評價方法、常(變)權評價方法、網絡數字統計綜合評價法、模糊數學法、加權灰色關聯度法、人工神經網絡法、不確定性分析評價、信息熵評價等

礦山生產規劃開發方案多樣，不同地區礦山環境背景、面臨的環境問題影響差異懸殊。筆者通過礦山環境“三級”預測對礦山環境演化趨勢進行預測，提出一套從宏觀到微觀逐級分析、區域化的環境問題與環境之間關系的模型。首先是建立“初級”礦山環境預判區，圈定環境問題可能發生區域，初步預判區域發生環境問題的范圍;其次，根據環境問題發生機理與外在影響因素，“中級”確定圈定區內發生礦山環境問題的嚴重程度;最后，詳細分析礦山環境問題的發生條件、人為干擾方式，基于信息熵理論獲取環境監測變量，利用對礦山環境問題信息量變化的描述，預測礦山環境系統的狀態和穩定性，建立信息變量與環境問題的動態聯系模型。

3.4 礦山環境修復治理技術與模式體系

礦山環境修復治理技術與模式體系是我國學者近年來提出的礦山環境修復治理新理論，內容主要由環境問題研究、修復治理目標研究、修復治理技術研究及修復治理模式研究等組成，旨以礦山環境問題為對象，樹立工程治理、土地修復和生態修復等修復治理目標類型，通過對修復治理技術適用對象、范圍、關鍵技術和工藝的探討，參照礦山環境背景、出現問題類型與特征、修復治理目標要求，通過對技術方法進行有機的、系統的優化組合而構成礦山環境修復治理模式的環境修復治理理論體系。筆者重點梳理了常見修復治理技術的類型和特征，并示例針對露天礦山采坑進行礦山環境修復與開發利用實踐中提出的一些露天礦山環境修復治理模式。

3.4.1 礦山環境修復治理技術

根據修復技術的特征，將礦山環境修復治理技術分為工程治理技術、生態修復技術、生物修復技術。

(1)工程治理技術。

工程治理技術旨在消除環境中存在的不安全隱患(表4)，通過對已有的或即將發生的問題采取改變物理力學性質、化學成分等措施來改變或加強地質結構、巖土體結構、水文地質結構，改善或緩解問題危險和影響程度[26]。

表4礦山環境問題工程治理技術
Table4Disaster-reliefengineeringtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分類工程治理技術原理與特點適用環境問題適用特征地質體加固與改造技術充填開采利用矸石、廢石、高水及其混合物等材料在開采過程中充填采空區冒落矸石空隙注漿通過注漿技術固結采空區垮落帶矸石空隙、裂隙地表回填利用礦山周邊固體廢棄物回填或充填地面塌陷或變形區域覆巖離層注漿地面鉆孔向覆巖離層帶內注漿液控制覆巖下沉裂隙注漿使漿液進入巖體裂縫或軟弱夾層,提高抗水性,降低透水性錨噴護坡錨桿或錨索埋入滑動面以下的穩定巖體中,增大滑面上的抗滑阻力,邊坡表面利用噴砼防止風化剝落、表水沖刷、泥流沖溝及表層溜坍等防護網覆蓋和攔截風化剝落、崩塌落石、爆破飛石等削坡減載、坡腳加載降低邊坡滑坡驅動力或增加有效抗滑力攔擋(渣)壩削弱礦山泥石流的流量、下泄總量和能量,減少礦山泥石流對下游的沖刷、撞擊和淤積等危害排導工程改變礦山泥石流流勢,增大礦山的泄洪能力淤積平臺改善泥石流運動坡降,起到減緩泥石流流速,減小泥石流對下游構筑物的沖擊排水系統采用引水、蓄水、截水等工程措施,減少地表徑流,引排洪水,調節水量開采沉陷露天采坑邊坡穩定性問題、礦山邊坡穩定性問題礦山泥石流問題生產礦山地表變形控制已有地面塌陷修復生產礦山頂板加固裂隙發育的邊坡表層破碎的巖質邊坡礦山小型崩塌、滑坡露天采坑滑坡、礦山小型滑坡礦山泥石流防治水文地質修復技術底板加固注漿加強隔水層穩定性,同時將強含水層改造成弱含水層充填開采在煤炭開采過程中,在回采結束后即開始利用高水、矸石、粉煤灰等材料充填采空區含水層結構破壞含水層結構修復污水處理循環技術曝氣中和使低價鐵、錳等離子在堿性環境下變為高價離子,使之成為沉淀物并去除高效絮凝沉淀利用原水的流動形成旋流,再通過格網格柵,使原水細小礬花充分接觸、混合、凝聚、絮凝,迅速形成較大的凝結體地表水與地下水污染問題礦山廢水處理

此外，在工程治理技術中有專門用于解決地表土地修復相關問題的相關技術，分為巖土體平整技術與地質體整形技術(表5)，作為銜接工藝為生態修復工程和生物修復工程創造適宜的場地或立地條件，相互配合實現礦山地質環境、礦山水環境、礦山生態環境的修復治理工作[27]。

(2)生態修復技術。

生態修復技術是以修復被破壞、廢棄土地中的植被、景觀以及生物群落環境等為主要對象[28]，既要用工程措施恢復被破壞的生態系統功能，又要充分發揮生態系統本身的恢復功能[29-30]，分為自然修復與人工輔助修復兩種類型，主要有植被修復、景觀與生態修復及其他生態修復技術(表6)。

(3)生物修復技術。

生物修復技術適用于受污染的礦山環境載體，如受到污染的地表與地下水體、直接或間接受到污染的巖土體，其所起作用是改變礦山環境中遭受嚴重污染的巖土體及水體的化學成分[31-32]，多使用原位生物修復技術，工程條件不利時也可采取異位生物修復技術(表7)。利用生物修復技術在一定程度上可改善礦山環境質量，提升生態修復技術的實施效果。

3.4.2 礦山環境修復治理模式

礦山環境是一個復雜的系統，當面對礦產資源開發過程中誘發的眾多礦山環境問題時，礦山環境修復治理模式將成為一把礦山環境修復的利器，旨在以問題為對象，以土地開發利用規劃的最終目標和植被修復等為具體要求，在地形地貌和地質環境背景以及礦產資源開發方案基礎上的，通過適宜、有效的修復治理技術與方法，從土地使用者角度構建的一套結構合理、層次分明、系統完整的修復治理技術與方法的優化組合體系[11]，命名形如“Ai+Bj+Ck+Dl+……”由修復治理技術優化組成，也可以由最終防治修復目標簡短抽象表達[33]。表8指出了針對露天礦山環境問題修復治理實踐中，依據不同的修復治理目標提出的露天礦山采坑修復治理模式。

表5礦山環境工程治理技術中土地修復相關技術
Table5Landremediationindisaster-reliefengineeringtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分類土地修復相關技術原理與特點適用環境問題適用特征巖土體平整技術地形平整對地面塌陷回填后地表面進行平整,將地面塌陷坑、地裂縫回填區域平整后維持原有自然起伏的地表形態臺階狀平整對臺階狀塌陷的局部淺坑、地裂縫進行回填,或并對不穩定邊坡修整挖深墊淺將塌陷區域挖深、挖大,形成大面積的“挖深區”,挖除的土體用來修復塌陷較小區域開采沉陷、水土污染沉陷區域地表處理分期開采形成的臺階狀地面變形處理塌陷坑集中且塌陷面積較大地段處理地質體整形技術固廢堆形態修整主要針對排土場和矸石山,調整平臺寬度、坡度,保證排土場穩定逆排構筑采用新鮮、強度高的塊石物料碾壓堆筑底部,底部堆置大塊物料,上部區域堆置塊度相對較小的散體和細粒物料邊坡排水防止地表水沿開口張裂隙或裂隙進入坡體內,排出坡體內或坡表的水固廢堆放占地、人工堆積體邊坡穩定性問題、礦山次生地質災害提高固廢堆整體穩定性,預防排土場泥石流固廢堆構筑固廢堆邊坡穩定性

表6常見礦山環境生態修復技術
Table6Ecologicalrestorationtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分類生態修復技術原理與特點適用環境問題適用特征植被修復技術人工生態林選擇合適樹種,確定合理的配置參數,以有效復綠為目標人工灌木林利用灌木植被對礦區進行固坡、護土,改善土壤條件土工網墊利用三維結構織網固定土壤與草籽,將網墊平鋪固定在斜坡面,在網的空腔內撤播草籽和土,使坡面固定土壤并保存一定水分人工草柵格利用人工草柵格有效固沙護坡,主要為植被修復如修復草地,草種存活率較高大氣污染、水土流失、礦山次生地質災害、水土流失露天礦排土場生態修復干旱地區礦山生態修復巖體裸露山體、排土場坡體、矸石山等生態修復干旱地區礦區沙漠化景觀與生態修復技術人工濕地法人工構建或改造為濕地生態系統,引入適宜的植被、動物等基塘法按生態學原理對礦山內水面和土地進行生態修復,集約度高,初期投資大,對種養技術要求高生態演替法利用生態自然演替規律,工程治理完成一定時間段生態環境自然修復水土流失、土地沙漠化水體豐富或存在水體污染水體豐富、高潛水位區域露天礦山及排土場生態修復其他修復技術植生袋植被修復特制的植生袋按順序碼放在做好防護支撐的土質、石質和水土易流失的邊坡上,并用錨桿等方式固定矸石改良土壤利用矸石中含有的C,K+,CaCO3等營養物,提高土壤肥力并改良土壤土質生態環境破壞、水土流失排土場、矸石山以及土壤貧瘠沉陷區生態修復

3.5 修復治理后的礦山土地適宜性評價

礦產資源開發企業通過行政劃撥、有償出讓、租賃、作價出資或入股等方式征用了大量的采礦用地，并且在生產過程中占用、損毀了大量的土地資源，造成地形地貌改變、巖土體失穩變形、含水層結構破壞、地表土壤不同程度污染[34]。在礦區內，大量的土地資源亟待修復治理后再次被開發利用。然而，礦山土地資源的開發潛力與土地破壞程度、修復治理狀況、開發利用投資計劃、政府宏觀規劃等因素息息相關[35-36]，影響著礦山企業未來可持續發展戰略。因此，在礦山土地開發利用前必須進行礦山土地適宜性評價，根據礦山環境修復治理后土地資源開發利用條件，評估礦山土地資源可行的利用類型和開發方案。

修復治理后的礦山土地適宜性評價，旨在礦山環境修復治理工作實施后，對礦山工業損毀和廢棄土地資源進行土地利用目標評估，尤其注重對修復治理后礦山環境的實際狀況評估，確定礦山土地利用類型，并利用礦山土地適應性評價成果指導企業與政府科學合理的開發利用礦山土地資源，實現礦產資源開發利用產業可持續發展。

修復礦山土地的目的在于土地資源再利用，必須在摸清礦山環境背景、礦山環境現狀、礦山環境修復治理情況等基礎上，結合礦山土地利用目標、已有修復治理效果、未來礦山礦產資源開發利用規劃方案、政府和企業土地修復投資規劃等內容，針對礦山環境修復后的土地進行礦山土地適宜性評價，探討和評估可行的礦山土地開發類型，與周邊工業產業結構結合[37]，輔助礦業城市或者資源枯竭型城市經濟體制轉型，通過對礦山廢棄土地利用類型的扭轉，讓土地發揮新的功能和作用。根據國內外礦山土地適宜性評價方法與內容，礦山環境修復治理后常見的礦山土地利用類型有生態用地、農牧用地和建設用地等(表9)，具體的開發內容需要根據礦山土地適宜性評價的要求并結合礦山土地特征等內容綜合評估、擬定。

表7常見礦山環境生物修復技術
Table7Biologicalrestorationtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分類生物修復技術原理與特點適用環境問題適用特征原位生物修復技術異位生物修復技術生物通氣將氧氣流導入不飽和土層中,增強土著細菌活性,促進土壤中有機污染物自然降解空氣注射將空氣壓入飽和層中,使揮發性污染物隨氣流進入不飽和層進行生物降解,同時促進飽和層的生物降解投菌技術向被污染土壤投入外源的污染降解菌,提供細菌生長所需養分土壤耕作利用耕翻土壤,補充氧和營養物質以提高土壤微生物的活性,促進污染物生物降解植被品種篩選針對不同類別的污染及污染程度選取對應的生態型植被吸收重金屬元素或污染物,改善土壤肥力,降低污染程度預制床技術在預制床內鋪石子、砂子,將污染土壤平鋪于預制床,加營養液和水、表面活性劑,定期充氧翻動,以完全清除污染物、減少污染物的遷移堆肥處理將挖出的污染土壤被堆成長條形的靜態對,添加必要的養分和水分、表面活性劑,使土堆內的條件最優化而促進污染物的生物降解生物反應器將挖出的土壤加水制成漿狀,與降解微生物和營養物質在反應器中混合,添加適量表面活性劑或分散劑,促進吸附的有機污染物解離土壤有機物污染土壤重金屬污染、土壤有機物污染土壤有機物污染有機污染土壤揮發性有機污染物和燃油污染土壤需提供外源細菌生長所需營養物質土壤通透性較差、污染較輕且污染物易降解土壤利用植物生長吸收作用去除污染物土壤清除土壤中污染物易腐殖質轉化和降解的有機物污染滿足微生物降解所需最適宜條件

表8露天礦山環境修復治理模式
Table8Restorationmodelsofopen-pitmines

修復治理對象修復治理目標露天采坑修復治理模式露天礦山環境修復邊坡穩定性“固廢局部回填(采坑坡體壓腳)+削坡減載”模式“坡體后緣裂縫填埋+坡體裂縫壓力灌漿”模式“邊坡排供水系統+采坑填渣+植被修復”模式“裂縫變形監測+坡面變形監測”采坑邊坡監測預警模式景觀與水域“露天采坑臺階與邊坡土地修復”模式“人工濕地公園”模式“礦山公園(礦山地質博物館)改造”模式

表9修復治理后的礦山土地適宜性評價
Table9Suitabilityevaluationforminelandaftermineenvironmentrestoration

土地利用類型礦山土地開發利用內容適宜性評價要求礦山土地資源特征生態用地草地、灌木林地、人工生態濕地等地形地貌條件、土地污染情況、土地巖土體破壞情況、土地涵養水源能力、土壤固氮能力、生態作物類型等生態環境脆弱、生態多樣性受損嚴重、地表植被破壞嚴重、水土環境受采礦活動影響嚴重,土壤受損程度較高、水體質量受損、水土流失嚴重等農牧用地耕地、園地、林地、牧草地等地形地貌條件、土壤涵養能力、土壤質量、灌溉條件、土地生產能力、土壤厚度、土壤物質含量、適宜植被類型等氣候適宜、地勢平坦、土地易耕性良好、地表土壤厚度適宜、土地保水保肥性能適宜等建設用地工礦倉儲用地、公用設施用地、公共建筑用地、住宅用地、電力設施、水利設施用地等采空區充填與壓實程度、地基承載力、地形地貌條件、建設類型等地基承載力適宜、地表變形較小、土地利用價值高、地理位置適宜、土地集約程度良好等

3.6 礦山環境動態監測與預警

礦山環境動態監測與預警的作用是實時監測環境質量現狀、分析變化趨勢以及預警突發事件，精確的“天-空-地-井”等各類監測信息傳回監測網絡終端，經過數據自動化分析處理形成可視化曲線或圖形，實現礦山環境遠程實時監測與預警[38]，同時也能夠實現對礦山環境修復治理項目修復效果的檢驗與把關。礦山環境常見的動態監測與預警內容(表10)如應力(應變)、濃度(頻度)、面積(長度)、生態(環境)等，可實現對開采沉陷、露天礦坑、“三廢”問題、礦山次生地質災害、生態環境、井下泥石流等問題多點、高精度、實時連續監測與預警。

表10礦山環境動態監測與預警技術
Table10Monitoringandearly-warningtechnologiesofmineenvironment

動態監測內容礦山環境動態監測與預警技術適用對象應力(應變)遠程應力監測、雷達位移監測、GPS自動化監測、智能全站儀監測、地應力(應變)監測、超聲波液位監測等露天采坑邊坡、礦山泥石流、排土場邊坡等監測與預警濃度(頻度)固定點噪聲監測、降水監測、水污染實時監測、空氣污染物濃度監測、土壤重金屬監測、地下水污染物濃度監測等“三廢”問題等監測與預警面積(長度)自動化視頻圖形采集監測、InSAR變形監測等礦山次生地質災害等監測生態(環境)生態環境群落監測、生態環境密度監測等礦山生態環境等監測

礦山環境動態監測與預警依托于礦山環境數據網絡平臺進行實時數據傳輸、分析，通過礦山環境數字技術形成礦山各生產階段環境監測與管理、動態監測與預警的數字化表達，已在礦山次生地質災害、頂底板變形預測及瓦斯監測預警等方面實踐[39]。在今后發展中，通過搭建礦山環境數字化實時監測網絡，結合專家分析、智能模擬、多源數據耦合等功能實現礦山環境多時段動態變化實時監測與預警功能。

3.7 礦山環境信息系統

礦山環境信息系統的構建是基于大數據、云平臺信息技術將礦山環境相關的報告與數據儲存并通過信息化處理直觀地向社會和企業展示礦山環境問題修復治理成果[40]，共享修復治理中的經驗和教訓。國土、環保等相關部門已利用虛擬現實、地理空間分析、物聯網等技術，對監測數據實時更新，基本實現礦山環境數據動態采集、實時分析環境數據信息并預報的功能[41]。

我國目前信息系統的研發水平、數字化程度與發達國家仍有差距，一些關鍵技術難題如空間數據不確定性、地質體空間關系復雜性以及空間分析邊界局限性等仍亟待克服與發展。以礦山頂板含水層結構破壞三維動態可視化模擬信息系統為例，基于“三圖法”(即頂板冒裂安全性分區圖、頂板含水層富水性分區圖、頂板突水條件綜合評價分區圖)以及地下水模擬和科學可視化技術[42]，只有解決含水層結構破壞問題的突發性、模糊性和不確定性等，信息系統才能實現煤層頂板含水層結構三維動態時空表達[43]。

3.8 礦山環境法律法規

資源開發促進著經濟的發展，但要實現自然環境與人居環境的和諧發展，礦產資源開發必須在礦山環境法律法規的約束下進行。

能源產業是我國很多地區的支柱產業，但在一定程度上卻不能對其進行嚴格的環境管理把控。隨著矛盾的日益突顯，我國礦山環境法規體系建設逐步升級，先后出臺了《礦產資源法》、《土地復墾法》、《礦山地質環境保護條例》、《礦山地質環境保護規定》、《環境保護法》、《環境影響評價法》、《固體廢物污染環境防治法》、《礦山安全法》、《水土保持法》等礦山環境相關法律法規。

以上法律、法規的頒布與實施(表11)代表著政府對礦山環境保護重視程度的提高。但在諸如設立礦山環境保護專門法律、深化保護內容、明確保護依據等方面仍有必要借鑒、吸納國內外相關法律法規建設經驗和實例，目標是盡早將礦山環境保護制度化、系統化，最大限度地約束礦山開采對環境的破壞行為，促進礦山環境與資源開采的可持續發展。

3.9 礦山環境監督管理

礦山環境監督與管理是礦山環境修復治理的軟科學，兼具資源管理與環境管理的特點，涉及監督管理與政策、規范制訂等[44]，如擬定礦山環境管理辦法與政策、礦山環境保護與修復治理規劃編制、執行情況監督、標準規范制定、技術要求或指南等，監督檢查礦山企業的礦山環境防治、監測與績效跟蹤等內容[45]，以引導礦產資源的管理與開發，減少或避免采礦引發的礦山環境問題。隨著更多國內外、相關行業經驗的注入以及自身案例的豐富，礦山環境管理體制將日益完善，確保政府履行環境管理職能、企業實踐環境保護職責、公民提高環境保護意識，使礦業開發與環境保護協調發展。

表11國內外礦山環境管理與制度相關法律法規[46]
Table11Lawsandregulationsofmineenvironmentathomeandabroad[46]

類型法律法規名稱與礦山環境相關內容國家環境政策法(USA,1969)提出開展環境影響評價要求,要求礦業公司新建礦井前提交環境影響報告環境保護類環境保護法(Australia,1974)規定礦山環境影響評價項目及評價范圍,規定資源開發利用流程與政府環境保護職能環境保護法(Canada,1988)規定政府對礦山污染影響土地執行環境影響評價制度,規定環境評價的主管部門與政府監督職能中華人民共和國環境保護法(2014修訂)規定對大氣、水、土壤等的保護,建立和完善相應的調查、監測、評估和修復制度中華人民共和國礦山安全法(2009修正)規定礦山企業必須對開采沉陷、含水層結構破壞、粉塵有毒物質等問題隱患采取預防措施礦產資源類礦業法(Philippines,1995)要求在可持續發展框架中協調采礦活動與環境保護的關系中華人民共和國煤炭法(2016修正)規定開發利用煤炭資源,應當遵守有關環境保護的法律、法規,防治污染和其他公害,保護生態環境金屬礦業等礦害對策特別措施法(Japan,1971)多種金屬礦產制定針對性的礦山環境保護與治理法律,規定礦山環境防治的公積金制度以及礦山環境懲罰制度地表采礦控制與復墾法(USA,1977)規定州和聯邦政府在采礦與復墾方面的法律職責,建立聯邦政府有效的管理機制,包括露天采礦、復原活動等綜合環境反應、賠償和責任法(USA,1980)建立了侵權法上的污染場地的清理和受損自然資源的修復損害賠償責任機制礦山環境專項保護類中華人民共和國固體廢棄物污染環境防治法(2016修正)規定對固體廢物污染環境的防治,實行減少固體廢物的產生量和危害性、充分合理利用固體廢物和無害化處置固體廢物的原則,促進清潔生產和循環經濟發展中華人民共和國環境影響評價法(2016修正)要求開展工程項目對環境可能造成影響的分析、預測和評估工作礦山地質環境保護規定(2016修正)礦山地質環境保護領域專門性法規,礦山地質環境規劃、修復治理、監督管理、法律責任方面適用

注:部分摘引自徐曙光《國外礦山環境立法綜述》(2009)。

4 礦山環境研究展望

我國礦山環境態勢窘迫，解決好礦山環境問題僅僅是礦山環境研究中的節點之一，還不能平衡國家當前的能源消費形勢與環境間的關系?，F階段有關礦山環境研究挑戰與機遇并存，很多礦山環境專門研究正處起步不久，在消除礦山環境問題對生態環境產生的負面影響，開發閉坑礦山正效應資源并服務礦業城市經濟建設與轉型，深部開采礦山環境問題防治理論與方法，地下礦山生態環境，礦山環境問題及其公共安全防治理論與技術裝備研發，礦山環境大數據平臺建設與人工智能等方面都有巨大的研究發展勢頭。

(1)閉坑礦山正負生態環境效應研究。

開展推進資源枯竭型城市轉型、減小礦山環境對城市發展和經濟的阻礙、控制和消除閉坑礦山的生態環境負效應、挖掘閉坑礦山生態環境正效應等相關研究正當其時[47]。利用“九節鞭”手段解決閉坑帶來的環境問題將有助于閉坑礦山正負生態效應研究。如何有效的控制巖土體動態失衡、修復受損地表和地下水環境、控制污染源頭與路徑，將成為減小礦山生態環境負效應的關鍵。更為重要的是，礦山之中可利用的土地資源、空間資源以及伴生資源極為豐富，一方面是土地與地下空間的合理開發利用，另一方面是地熱、伴生能源、固廢和液廢有用物質提取，2者的開發利用效益都相當可觀。同時，礦山閉坑的管理與程序、礦山環境正效應開發相關法規和標準也應當及時跟進研究，密切結合我國地區宏觀經濟規劃，科學規劃正效應資源，將修復和開發后的礦山盡可能回饋效益于社會并服務于公益事業。

(2)深部開采條件下礦山環境問題的防治理論與技術方法。

隨著越來越多的淺部資源面臨著資源枯竭的問題，深部開采成為滿足能源消費需求的必然選擇。我國探明的煤炭資源中埋深在1 000 m以下的約占資源量的53%[48]，隨著淺部資源的枯竭，越來越多的深部礦井將涌現，由此引發的環境問題仍將令人擔憂。由于深部采動的工藝、高地應力、高地溫、高水壓、高瓦斯開采條件都有別于淺部開采，由此造成的巖土體動態平衡響應、地下水運移規律響應以及污染擴散響應會與當前因淺層開采出現的環境問題特征有較大差異。因此，研究在深部“四高”開采條件的影響下，礦山環境問題的響應特征、問題影響評價和預測模型、監測與預警技術方法、修復治理模式等是防治未來深部開采條件下礦山環境的重要理論基礎。

(3)礦山環境公共安全隱患的防治理論與技術設備研發。

礦業城市與礦山之間關系密切，礦業城市的地表與地下空間開發、城市空氣和水環境安全、城市的規劃與建設都會受到礦山環境的影響。因此，礦山環境對礦業城市公共安全隱患的防治理論研究至關重要。礦山中安全隱患多數是涉及生產和從業人員的安全防范，而隨著環境問題對周邊人居環境的破壞，城鎮道路路面坍塌積水、房屋結構變形開裂、公共電力設施傾斜變形等問題出現，都提醒著政府和企業需要將安全隱患的防治范疇擴展到由礦山環境問題引發的人員和財產損失上來。根據礦山環境問題的發生特征和響應規律，提出礦山環境與城市公共安全隱患防治理論和技術體系，指導城市建立礦山影響條件下的城市公共安全的防范系統。

此外，在許多礦山環境問題的修復治理或者應急搶險救援工作中，由于礦區道路蜿蜒曲折，許多發生環境問題的地點限制了現代化大型、重型工程機械設備運輸到現場，對修復治理和搶險救援造成巨大挑戰和影響。有必要專門針對礦山特殊的環境背景下研發場地條件和問題特征適用的修復治理與應急救援技術裝備和設備，防患礦山環境對公共安全造成的隱患和威脅。

(4)礦山環境研究既要注重地表環境也要兼顧地下環境。

與地表礦山環境一樣，在高強度的資源開發過后，地下礦山環境也同樣遭受嚴重的擾動和破壞。地下礦山環境需要重視地下微生物生態環境和地下礦山水環境的研究。研究采礦活動造成的淺地表下和地下深部微生物環境的擾動和破壞特征和規律，對了解地下礦山地下生態環境狀態有重要作用。采礦活動不僅影響地下水的流場，也會嚴重擾動地下水化學場，進而產生對人類地下水飲用安全，對農林業灌溉、畜牧業漁業養殖等造成嚴重影響，甚至對地球水化學場、熱流場甚至是全球氣候產生負面擾動，因而對礦山地下水環境的研究，對修復地下水環境、維護良好人居環境意義重大。

(5)礦山環境大數據平臺與人工智能。

通過搭建全國統一的礦山環境調查、評價、監測預警、修復治理等內容的大數據采集平臺，經過采集、存儲、分析處理過程，利用礦山環境信息系統輸出實時礦山環境狀況，為國家礦山環境修復宏觀調控、修復治理效益監測與數據反饋提供可靠信息。在數據平臺的構建基礎上，開發礦山環境人工智能預警功能，其研究將借助于數據平臺、判斷模型和可視化等信息系統平臺，涉及礦山環境中多場源數據耦合模型分析，最終將環境數據現狀與模擬預測輸出模型直觀地呈現給社會公眾。

礦山信息系統平臺不僅提供礦山環境數據分析和預測模型，利用大數據平臺共享礦山環境問題現狀、監測數據、修復治理經驗等信息成果，并研發礦山環境虛擬現實技術，將虛擬現實技術應用到未來礦山環境各領域合作研究中，通過由計算機創建和體驗虛擬礦山環境讓各領域專家學者能在共享的虛擬環境中親身近距離觀察到礦山環境，集思廣益，同時利用模擬修復后的虛擬場景讓更多投資者看到礦山環境能夠被開發的潛力和前景。