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金属矿山废石场土地复垦与生态恢复技术
2018-04-09
金属矿山废石场土地复垦与生态恢复技术——北京矿冶研究总院环境工程研究设计所周连碧报告
金属矿山废石场土地复垦与生态恢复技术 北京矿冶研究总院环境工程研究设计所 周连碧 主要内容 • • • 一、金属矿开采对环境的主要影响 二、废石堆场土地复垦技术和应用 三、与发达国家矿区的差距和对策 一、金属矿开采对环境的主要影响 矿石特点 • 我国资源本身就具有中低品位资源多、 复杂共生矿多、矿床规模小的特点。随 着矿产资源的开拓强度越来越高,我国 能利用的矿产资源呈现出品位越来越低、 位置越来越边远、埋藏越来越深的大趋 势,并且相当一部分资源储备都在青藏 高原的生态环境脆弱区。 • 金属矿由于品位低、提取工艺复杂,固体废弃 物产量大,破坏和压占了大量土地。同时,我 国2/3矿山处于中后期开采,随着开采深度增加, 金属品位下降,废弃物产生量更大。多年来重 开发、少治理,面临的生态恢复问题十分严重。 金属矿山主要涉及到尾矿库、废石堆、露采场、 塌陷地和污染土地的土地复垦,以及矿山废水 的治理及回用,粉尘的控制。 矿 区 卫 星 影 像 图 露天采矿场 德兴铜矿采矿场是我国最大的露天采矿场,铜厂采区面积达 5 .52平方公里,采区设计境界上口尺寸为2300米×2400米,最 高台阶标高为+506米,最低为-220米,年采剥总量6600万吨。 地形坡度:陡坡一般60~70° 、岩质坡 表层物质:表面为岩石,未风化;无表土覆盖; 土壤肥力:有机质、N、P、K、土壤微生物极低 潜在污染物:在雨水淋溶作用下有的产生污染物(酸 性岩)。 尾矿库 我国各类金属 矿尾矿的堆存总量 约60-80亿吨,且 每年以6亿吨的数 量增加。 德兴铜矿4号尾矿库是亚洲最大的尾矿库 总设计库容为8.35亿立方米 太原钢铁尖山铁矿尾矿库 北京矿冶研究总院 Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy 尾 • 地形坡度:坡度一般1:2-1:4 、沙质土坡 表层物质:表面为尾砂,颗粒细、未风化; • 矿 • 土壤肥力:有机质、N、P、K、土壤微生物极低; 库 • 潜在污染物:在雨水淋溶作用下有的产生污染 物(酸、碱、重金属); • 持水保水能力:极弱;抗风势水蚀能力弱; 尾矿库粉尘污染 废石堆场 一个生产矿山产生的排土场达6座 排 土 场 • • 地形坡度:岩土的自然堆积角:35-40°、ꢀꢀꢀꢀꢀ 表层物质:一般为土、砂、砾、石混合物, 未风化;颗粒大小极不均匀; • • • 土壤肥力:有机质、N、P、K、土壤微生物 极低 潜在污染物:在雨水淋溶作用下有的产生 污染物(酸、重金属)。 持水保水能力:极弱 Red mud Stack 每生产1t氧化铝要排出0.9- .3t赤泥。我国存放的赤泥 1 量已经达到6000多万吨,占 2 地100多万hm 。 Waste Dump、 Tailings Cu Pb Zn As Cd 重金属污染 酸性水和重金属污染 • 地形坡度:地形起伏不规整、 盆地形、U形、V形;岩 土的自然塌落角:45°、垂直 表层物质:一般为土,局部土砂岩混合物 • • • 塌 陷 地 土壤肥力:有机质、N、P、K、土壤微生物较低 潜在污染物:在雨水淋溶作用下有的产生污染物(酸、 重金属)。 持水保水能力:视塌陷地情况。 • 山西襄汾新塔矿业公司“9·8”特别重大尾矿库溃坝事故。 尾矿库溃坝泄容量为26.8万立方米,过泥面积30.2公顷, 死270多人。 BGRIMM 二、废石堆场土地复垦技术和应用 针对有色金属矿山废弃物中残存相当高的硫 化物,氧化产生强烈的酸性水,并挟带大量的重 金属离子,开发酸性废弃物堆场生态恢复技术。 通过覆盖不同隔离层、施加改良剂等技术集成, 大大提高植被成活率和生态修复效果。建立典型 有色金属酸性矿山废弃地生态恢复示范场,为进 一步推广提供科学依据。 典型示范工程 查明酸性堆场污染控制的最佳时机 富家坞废石场废石动 态NAG试验结果(第一 步) 富家坞废石场废石动 态NAG试验结果 (第二步) 筛选出耐酸性强、适生的植被品 种; 类芦 白喜草 胡枝子 马棘 盐肤木 波斯菊 坑 栽 隔 离 层 设 计 坡 面 隔 离 层 设 计 德兴铜矿水龙山废石场边坡生态修复(等高线法) 施工坡面分区图 ◆ 隔离层设置 坡面施工处理图 1 )隔离层设置 2 )堆场污染的改良剂 推荐了尾矿膏体、稻壳、石灰、蛭石等作为种植 基层的改良剂; )坡面设置生态棒 为防止陡坡基层下滑,确保植被层厚度并均匀分 布,坡面设计生态棒; 3 修复工程技术 和施工工艺 BGRIMM 水龙山酸性排土场生态修复前后 酸性排土场生态修复示范工程 v人工复合隔离层材料的开发研究 设计思路与结构: 基于国外成熟的覆盖模型原理,提出了有针对性的覆盖系统设计。对目 前应用广泛的环境材料进行优化整合,结合硫化矿废弃地的立地环境特 征,设计不同结构层次的人工复合隔离层材料,包括低渗透层、基质层 和导水层,位于最上层的导水层,疏导降雨的入渗水;中间层为基质层 , 为植物生长提供介质;最下层为低渗透层,用于与地表之间隔离和防 渗。 任务五、金属矿山堆场酸性污染综合治理示范研究 v堆场设计 在杨桃坞废石场现有的废弃平台上,重新建立4个堆场,每个堆场的规格为 0m×50m,分别标记A、B、C和D,堆高3-5m,其中D为对照。堆场四周设有截 排水沟,按照垃圾填埋场的底层设计结构,铺设HDPE膜,通过排渗管收集淋溶液。 3 v污染综合治理工程设计 地形整治: 一是对坡面浮石、活石和破碎松散岩层,为提坡面的稳定性,为后期更 好的实施人工复合隔离材料的铺设;二是对坡顶就行造型处理,使顶部 呈“凸”型,使大气降雨尽快的流失,减少在堆场顶部停留时间,从而 减少入渗量。 制备酸性改良层: 将尾矿、石灰和粘合剂进行均匀混合,其中,尾矿与石灰按照体积比为 ( 15~20):1,具体用量为10~15g/m2。酸性改良层通过干喷机喷射 在堆场表面,酸性改良层厚度优选为2~3cm。 铺设人工复合隔离材料: 基质层单位面积上的轻型基质质量密度为1000g/m2,低渗透层为粒径 为200目的粉状钠基膨润土防水毯,低渗透层单位面积上的粉状钠基膨 润土质量密度为1500g/m2。 制备尾矿基质: 1 )混合改良材料和尾矿的体积配比为:75%尾砂+ 25%混合改良材料, 混合改良材料为20%稻壳+35%鸡粪+30%发酵污泥+15%膨润土。 )保水剂以待喷播的单位面积计算,具体为粘合剂10~15g/m2、保水 剂15~20g/m2。 2 3 )植物配置模式与用量:马棘(3.0g/m2)+刺槐(2.0g/m2)+盐肤 木(5.0g/m2)+紫花苜蓿(1.0g/m2)+百喜草(1.0g/m2)+高羊 茅(1.0g/m2)+金鸡菊(0.5g/m2)。 4 )底层基质层通过专用干喷机将底层基质层喷射于人工复合隔离材料 的外表面上,厚度15-20cm;种子基质层喷射于底层基质层的外表面, 厚度3-4cm。 铺设保护层: 示范区运行效果: 通过技术集成与示范,建立了金属矿山堆场酸性污染综合治理示范区, 进过近1年的跟踪监测,堆场建成后,相比对照D,ABC三个区的水质有 显著变化。淋溶液中Cu的含量逐渐降低,pH逐渐升高。 酸性废石堆场生态恢复技术 通过技术攻关,从全过程控制的角度出发,开发的酸性废石堆 场生态恢复技术达到国内领先水平,研究成果获得了部级科技 进步二等奖,并获得国家专利2项,其中发明专利1项。实践表 明,该技术成果具有广阔的推广前景。该技术的最大特点首先 是通过酸性固废堆场防止产酸研究,提出从源头上阻隔、抑制 堆场酸性发生的根本技术,在此基础上,进行酸性固废堆场生 态修复研究,形成了金属矿山酸性废水处理及源头控制技术。 其次筛选出适合酸性固废堆场生态修复的植物品种及配置模式, 解决目前酸性固废堆场植被恢复的一大关键问题。 贵州锦丰矿业有限公司废石堆场 生态治理项目 废石堆复垦情况 § § § § 耕地复垦原则:边开采、边复垦,宜林则林、宜农则农。 耕地复垦目标:复垦后地力水平并不低于破坏前地力水平。 基本情况介绍: 已复垦成耕地面积:10.3ha 复垦前土壤性状:氮磷钾含量都极低,尤其是钾的含量远远 低于国家标准,土壤粘性重,含石量大。 全氮 有效氮 全磷 有效磷 mg/kg 2.789 全钾 有效钾 pH 有机质 取样点 送样日期 g/kg mg/kg g/kg g/kg mg/kg / g/kg 5 70土壤改良地A 70土壤改良地B 1.576 43.475 0.438 32.025 57.851 6.57 8.249 2 2 011.09.06 011.09.06 5 1.467 43.475 0.479 3.409 32.851 61.983 5.76 5.499 通过系列的土壤改良措施改善土壤性状 • 1、机械翻耕 • • • 2、人工进行石块清理 3、人为添加有机肥及化肥及生物菌肥 4、进行多品种多季节绿肥种植 开始覆土 Put Topsoil 覆土完成 Topsoil Covered 表土平整后 Topsoil Leveled 土壤改良进行中 Soil Quality Improvement was Ongoing 复垦完成后的连片耕地面积将达68ha,按每亩2000元/年的收 益,直接农业收入将达2040000元。而且地处风景区,紧邻世 界文化遗产红岩壁画,又有矿区生态特点。 三、与发达国家矿区的差距和对策 • 在国际上,矿区生态环境恢复治理作为生态建 设和环境保护的重要内容。美国、德国、加拿 大、澳大利亚、巴西和西班牙等国家都制定了 专门计划,政府和企业投入大量资金进行矿山 生态环境恢复治理,矿山土地复垦率已达到50 — , 70 % 以上,远远高于我国15 %左右的复垦率 不少国家要求新建矿山复垦率100%。 • • 近二十余年来,国外先进国家矿山废弃地的环 境综合治理与生态恢复研究与工程成效显著。 金属矿土地复垦前言技术包括: 利用共生微生物加速矿山废弃地植被的建立; 酸性排土场酸性水防治系统化、工程化技术; 堆场基础设施的稳定性及影响分析; • • 表土的剥离和堆存工艺技术; 乡土植物种子的采集、保存和在复垦土地的适 用性技术; • • • • 矿物开采中最小影响动植物种群的开采方式; 复垦区动物回迁的生物措施与监测技术; 复垦区生物多样性、稳定性和评价体系; 复垦规划与社区发展相协调研究等。 • 我国在对金属矿区土地破坏的监测体系、金属 矿塌陷地的预测与治理技术、酸性排土场工程 复垦与生物复垦联合技术、矿区表土保存工艺 技术、复垦区生态系统功能恢复研究和复垦效 果评价指标体系建立等方面尚有较大差距。 EROSION CLOSURE ISSUES CLOSURE ISSUES WATER QUALITY CLOSURE ISSUES STAKEHOLDER ENGAGEMENT LAND USE PLANNING OPTIONS • 我国目前的矿山生态环境问题是历史和当今矿 业活动的综合产物,是过去环境意识不强和目 前管理不严的双重影响结果。根据我国矿山生 态环境的基本现状,目前的矿山生态环境恢复 治理工作主要分为三类:一是废弃矿山;二是即 将关闭的矿山;三是新上矿山。要从根本上遏 制矿山生态环境进一步恶化的趋势,对这三种 类型矿山的生态环境问题应区别对待,采取不 同的措施。 • 一方面需要国家加大投资力度,恢复治理历史 遗留下来的老问题;另一方面需要加强矿山生 态环境管理和执法监督,从源头断绝矿山生态 环境问题滋生的根源,避免出现边治理边破坏 、 治理赶不上破坏的局面。根据我国生态环境 建设的实际情况,应建立各方面参加、多渠道 投入机制,才能推动全国矿山生态环境恢复治 理的开展,防止增加新的污染和破坏,逐步恢复 矿山生态环境的良好状态。 • • 综合目前该领域的研究现状和存在的问题,今 后一段时间我国矿区土地复垦与生态重建研究 的重点包括: 1)土地复垦与生态重建的基础理论问题,包 括矿区土地利用/覆盖变化驱动力与响应机制 ;矿区土地质量变化规律研究;矿区生态退化 机理与修复等。 • 2)矿区土地复垦与生态重建实用技术, 包括采矿控制土地与环境破坏的技术; 土壤重构技术;景观重塑技术;植被恢 复技术;固体废弃物资源化与无害化技 术;矿区重金属污染土地修复技术等。 • • 3)矿区区域土地与生态环境管理的综合研究 4)新技术的应用研究,包括GIS技术在矿区复 垦规划中的应用、微生物复垦技术的应用、复 垦中抗侵蚀与防渗漏材料的应用、环境岩土工 程等新技术新材料的应用等 谢谢大家! 周连碧 Email:zhoulianbi@aliyun.com Tel: 01063299501 13910306175
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