解决矿山环境问题的“九节鞭”

武 强，刘宏磊,4，赵海卿，张 萌，刘守强，曾一凡

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083; 2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心,北京 100083; 3.中国地质调查局沈阳地质调查中心,辽宁 沈阳 110000; 4.University of Illinois at Urbana-Champaign,Champaign 61820)

我国一次能源产量与消费量占全球首位并呈逐年上涨趋势，截至2017年末我国煤炭查明资源储量16 666.7亿t，原煤产量34.5亿t，消费量38.0亿t，在能源消费结构中占60.4%[1]。矿产资源的高强度采掘打破了自然与人居环境之间的平衡并带来突出的矿山环境问题[2-3]，众多遗留问题给环境带来了负面的影响和严峻的挑战[4-6]。我国在矿山环境问题修复治理中投入巨大，据“十二五”统计数据，中央财政投入矿山地质环境治理中的资金为180.7亿元，治理矿山3 310座，治理总面积逾10.3万hm2[7]。由于矿山环境修复工程时空跨度大、对象复杂，在实践成果的基础上，矿山环境理论研究、评价预测、技术优化与模式、大数据信息系统等方面拥有较大的拓展空间和研究价值。

1 矿山环境及其问题的内涵

矿山环境，指矿山周围的自然与社会环境体，是由人类采矿活动产生的矿建系统和选、冶系统等为环境与自然环境构成，主要包括开采地段、闭坑停采的含矿地段以及所影响到的毗邻地区的岩石圈、水圈、生物圈、大气圈之间相互作用(物质交换与能量流动)的客观地质体[8]。而矿山环境问题是一种以矿山环境为载体的负效应作用，指在矿产资源勘查、矿床开采、洗选加工以及废弃闭坑等矿产资源开发过程中对矿山环境造成的不良影响，其影响范围远大于采矿边界且时效超过矿山生产年限的数倍。虽然矿山环境问题的产生均具有一定机理，但难以一概而论，同一问题在同一矿区的表现特征也可能截然不同。

2 解决矿山环境问题的基本思路

解决矿山环境问题要像中华武术中的软器械“九节鞭”一样，动作协调连贯、顺势而出、灵活多变、收放自如(图1)。由于我国大部分矿区地形地貌条件复杂，矿山生产开发方式与工艺多样，产生了复杂多样且数量众多的矿山环境问题。要解决这些问题，首先应科学梳理矿山环境问题的类型，确定问题分类依据。在此基础上，运用有针对性的调查技术和方法，开展矿山环境现状与背景的调查，以获取可靠的矿山环境基础数据。基于获取的矿山环境背景与数据，对矿山环境现状进行评价，并结合矿山工程规划对矿山环境演化趋势进行预测。矿山环境研究的目的不仅仅局限在分析、评价与预测，而是要落脚到已被破坏的矿山环境的修复治理。目前矿山环境修复治理主要的技术方法有工程治理、生态修复和生物修复3种类型。实际工程中修复环境一定会涉及到多种技术的有机组合，继而形成矿山环境修复治理模式。模式将成为修复治理工程中制定技术方案、组织施工最理想的选择。在矿山环境修治理实施后，对被矿山占用和损毁的土地资源进行矿山土地适宜性评价，厘定可行的开发利用类型，实现矿山土地资源类型的扭转和开发再利用。在修复治理前后，对矿山环境实施动态监测与预警，以及时发现存在的安全隐患，并实时捕捉先兆进行预警，同时也成为评价修复治理效果的重要手段之一。采用现代化云平台、大数据等先进的信息技术手段，研发矿山信息管理系统，其目的是保存调查评价、修复治理、监测预警的有效数据与报告资料，并向社会及时通告企业在矿山环境修复治理中的成果，相互共享经验和教训。虽然法律法规与管理作为矿山环境问题解决中的两项软科学，但是其重要性不次于其他措施。我国矿山环境相关法律法规仍需要更多的借鉴和加强法规体系建设，同时通过构建政府和企业成熟完善的管理体系以保障矿山环境的可持续发展。

图1 解决矿山环境问题“九节鞭”的基本思路Fig.1 Basic thinking of mine environmental problems solution in nine aspects

3 解决矿山环境的九大基础内容

矿山环境问题的九大基础内容，即矿山环境问题梳理与归纳、原位调查技术、现状评价与演化趋势预测、修复治理技术与模式体系、修复治理后的矿山土地适宜性评价、动态监测与预警、信息系统、法律法规、监督管理(图2)，是矿山环境与资源开发协同发展的系统化研究体系，涉及矿山全生命周期的各个环境修复与防治环节。

3.1 矿山环境问题分类与效应

矿山环境问题因矿产资源的开发而产生，是矿山环境修复中的首要研究对象，研究主要包括矿山环境问题类型、综合环境效应和分区。

3.1.1 矿山环境问题类型

矿山环境问题类型的划分是指导矿山环境调查、评价、修复治理等工作的前提[9]。因矿种、开发方式、地质环境背景等差异，问题表现出区域性、规律性及异常性响应特点，此外因资源集中程度差异，问题发生频度、区域影响性也有所差别。问题类型划分依据有矿山环境问题特征[10]、矿山环境问题性质及其环境影响[11]、表现形式和影响结果[12-14]等。根据矿山生命周期中矿山环境问题的表现特征，可依据矿山环境损毁方式[15]进行矿山环境问题类型划分(表1)。

随着开采的进行，矿山环境受到持续扰动，对应的矿山环境问题也在连续变化，依据矿山环境损毁方式进行的分类能够反映问题发生的基本条件和诱发机理，尤其是能够反映利用问题线索反映矿山环境对矿山开采过程的动态响应。

3.1.2 矿山环境综合效应特征

当多种类型问题先后发生并叠加响应时，便会产生矿山环境综合效应，是矿产资源在勘查、开采、选冶加工和闭坑等矿山生命周期中对矿山环境造成的不良影响和破坏的综合后果[16]，分为土地资源损毁效应、水环境扰动效应、次生灾害效应以及景观与生态效应4类(表2)。

3.1.3 矿山环境问题分区

矿山环境问题分区是问题特征的区域性空间表达，是问题预防与修复治理工作的区域性控制[17]，主要有环境条件分区与问题发育特征两种。其中，条件分区是基于问题载体的地形地貌、气象水文、植被、岩土体性质等因素或者问题严重程度[18]，或者问题种类、影响程度和修复治理难度，分区的尺度分为矿山矿区级、行政地区级以及国家级等[19]。各类分区均有定性、定量和定性定量相结合的方式，内容包括影响程度分区和防治分区等。

图2 解决矿山环境问题的九大基本方面内容Fig.2 Nine basic aspects of solving mine environment problems

环境损毁方式相关的矿山环境问题相关的工程行为岩土体动态失衡开采沉陷与伴生地裂缝、山体开裂、次生地质灾害、人工堆载体边坡失稳等地下开挖掘进、爆破、削坡、固废堆积等水动力条件扰动开采沉陷与伴生地裂缝、地面沉降、地下水水位下降、含水层结构破坏、水土流失、土地沙化等矿山疏排水、矿山液废排放等污染源扩散污染岩土体淋滤污染、地表(地下)水污染、煤矸石自燃等矿山液废排放、固废堆积等多因素综合叠加矿山泥石流、尾矿库(坝)溃决等削坡、爆破、固废堆积、尾矿筑坝等

表2矿山环境问题综合环境效应特征
Table2Comprehensiveenvironmentaleffectsofmineenvironmentalproblems

综合环境效应作用形式与机理相关的矿山环境问题土地资源损毁以占用、机械破坏或化学污染破坏等形式减少可用土地资源量固相废弃物堆积与淋滤污染、开采沉陷、水土流失、沙漠化等水环境扰动地下水降落漏斗导致的水量减少或废液、废弃物渗透与淋滤导致的地下水、地表水水质污染两种形式损毁水资源液(固)相废弃物渗透与淋滤污染、矿山疏排水与突水引起水位大幅降落、含水层结构破坏等矿山次生灾害诸多矿山环境问题防治不当诱发或加剧矿山次生地质灾害开采沉陷、岩土体堆积、尾矿库(坝)溃决、放射性污染等景观与生态破坏对地貌形态和地表景观的改造超出其承载能力,以景观破坏、资源量和生物种属减少为代价水土流失、沙漠化、地面变形、固体废弃物堆积、煤矸石自燃、山岩裸露、崩塌和边坡失稳等

3.2 矿山环境原位调查技术与方法

矿山环境原位调查技术针对矿山所处的地质环境、水环境、大气环境、生态环境以及空间环境进行的调查研究，是解决矿山环境问题各环节的数据来源和治理根据，旨在查明矿山环境背景、开发利用现状、问题分布与发育特征等[20]。相关矿山环境调查技术规范与标准逐渐兴起，主要分为原位观测技术、原位测量技术、原位取样测试技术、原位勘察试验技术等原位调查技术类型，常见的调查手段如野外勘测、遥感技术、地理信息系统技术、地球物理勘探、水文与岩土原位测试等。我国已基本建立公益服务性质的矿山环境基础调查体系，依据矿山全生命周期，调查成果分为新建或生产矿山调查成果与闭坑矿山调查成果两类。依据调查成果需求，分为普通调查、核验调查和解剖调查[21-22]。

矿山环境原位调查中，既要获取全面可靠的矿山环境数据，同时要规范调查内容和数据的采集流程与模式，确保全国调查数据格式统一、标准一致。对特殊地形地貌、矿种、开发方式等背景下的矿山环境调查工作，要明确更为细化的专门性质调查内容和技术手段，确保采集到的高质量调查数据能够被利用到未来矿山环境相关研究之中。

3.3 矿山环境现状评价与演化趋势预测

矿山环境现状评价与演化趋势预测在矿山环境的现状分析、演化趋势预测研究中至关重要。矿山环境问题以独立或多类并存出现，对应的现状评价理论分为“单问题评价”与“多问题综合评价”两类(表3)。常见的单因素环境评价问题有“三废”问题、地面变形问题、矿山排-供-生态环保3者间矛盾[23-24]、沙漠化问题以及水土流失问题等;多因素综合评价常用于多问题叠加评价或者多效应叠加评价的环境中。建立客观、真实的现状评价理论模型和评价参数，避免主观确定评价指标模型和标准[25]为一直以来的研究重点。

表3矿山环境问题常用评价理论与方法
Table3Evaluationtheoriesandmethodsofmineenvironmentalproblems

评价类型矿山环境问题主要评价方法单问题“三废”问题固体废弃物遥感动态监测评价、边坡稳定性评价(安全系数、可靠度等)、淋滤污染效应评价(土壤污染评价、地表(下)水体污染评价)、风化扬尘污染评价、大气污染评价、放射性效应评价等液体废弃物综合指数法、国家标准F值打分法、环境污染指数法等气体废弃物大气环境质量评价、对标法等地面变形问题经验公式法、剖面函数、影响函数、解析模型、物理模型、三维数值模拟等矿山排-供-生态环保3者间矛盾“三图-双预测”模型、华北型煤炭底板突水评价、矽卡岩型矿床充水评价等沙漠化问题监测指标评价、遥感(RS)解译评价、沙漠化危险度分区评价、地理信息系统(GIS)等水土流失问题预测模型法、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)与其他评价方法耦合法等多问题多问题叠加多效应叠加矿山环境承载力评价、突变数评价方法、常(变)权评价方法、网络数字统计综合评价法、模糊数学法、加权灰色关联度法、人工神经网络法、不确定性分析评价、信息熵评价等

矿山生产规划开发方案多样，不同地区矿山环境背景、面临的环境问题影响差异悬殊。笔者通过矿山环境“三级”预测对矿山环境演化趋势进行预测，提出一套从宏观到微观逐级分析、区域化的环境问题与环境之间关系的模型。首先是建立“初级”矿山环境预判区，圈定环境问题可能发生区域，初步预判区域发生环境问题的范围;其次，根据环境问题发生机理与外在影响因素，“中级”确定圈定区内发生矿山环境问题的严重程度;最后，详细分析矿山环境问题的发生条件、人为干扰方式，基于信息熵理论获取环境监测变量，利用对矿山环境问题信息量变化的描述，预测矿山环境系统的状态和稳定性，建立信息变量与环境问题的动态联系模型。

3.4 矿山环境修复治理技术与模式体系

矿山环境修复治理技术与模式体系是我国学者近年来提出的矿山环境修复治理新理论，内容主要由环境问题研究、修复治理目标研究、修复治理技术研究及修复治理模式研究等组成，旨以矿山环境问题为对象，树立工程治理、土地修复和生态修复等修复治理目标类型，通过对修复治理技术适用对象、范围、关键技术和工艺的探讨，参照矿山环境背景、出现问题类型与特征、修复治理目标要求，通过对技术方法进行有机的、系统的优化组合而构成矿山环境修复治理模式的环境修复治理理论体系。笔者重点梳理了常见修复治理技术的类型和特征，并示例针对露天矿山采坑进行矿山环境修复与开发利用实践中提出的一些露天矿山环境修复治理模式。

3.4.1 矿山环境修复治理技术

根据修复技术的特征，将矿山环境修复治理技术分为工程治理技术、生态修复技术、生物修复技术。

(1)工程治理技术。

工程治理技术旨在消除环境中存在的不安全隐患(表4)，通过对已有的或即将发生的问题采取改变物理力学性质、化学成分等措施来改变或加强地质结构、岩土体结构、水文地质结构，改善或缓解问题危险和影响程度[26]。

表4矿山环境问题工程治理技术
Table4Disaster-reliefengineeringtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分类工程治理技术原理与特点适用环境问题适用特征地质体加固与改造技术充填开采利用矸石、废石、高水及其混合物等材料在开采过程中充填采空区冒落矸石空隙注浆通过注浆技术固结采空区垮落带矸石空隙、裂隙地表回填利用矿山周边固体废弃物回填或充填地面塌陷或变形区域覆岩离层注浆地面钻孔向覆岩离层带内注浆液控制覆岩下沉裂隙注浆使浆液进入岩体裂缝或软弱夹层,提高抗水性,降低透水性锚喷护坡锚杆或锚索埋入滑动面以下的稳定岩体中,增大滑面上的抗滑阻力,边坡表面利用喷砼防止风化剥落、表水冲刷、泥流冲沟及表层溜坍等防护网覆盖和拦截风化剥落、崩塌落石、爆破飞石等削坡减载、坡脚加载降低边坡滑坡驱动力或增加有效抗滑力拦挡(渣)坝削弱矿山泥石流的流量、下泄总量和能量,减少矿山泥石流对下游的冲刷、撞击和淤积等危害排导工程改变矿山泥石流流势,增大矿山的泄洪能力淤积平台改善泥石流运动坡降,起到减缓泥石流流速,减小泥石流对下游构筑物的冲击排水系统采用引水、蓄水、截水等工程措施,减少地表径流,引排洪水,调节水量开采沉陷露天采坑边坡稳定性问题、矿山边坡稳定性问题矿山泥石流问题生产矿山地表变形控制已有地面塌陷修复生产矿山顶板加固裂隙发育的边坡表层破碎的岩质边坡矿山小型崩塌、滑坡露天采坑滑坡、矿山小型滑坡矿山泥石流防治水文地质修复技术底板加固注浆加强隔水层稳定性,同时将强含水层改造成弱含水层充填开采在煤炭开采过程中,在回采结束后即开始利用高水、矸石、粉煤灰等材料充填采空区含水层结构破坏含水层结构修复污水处理循环技术曝气中和使低价铁、锰等离子在碱性环境下变为高价离子,使之成为沉淀物并去除高效絮凝沉淀利用原水的流动形成旋流,再通过格网格栅,使原水细小矾花充分接触、混合、凝聚、絮凝,迅速形成较大的凝结体地表水与地下水污染问题矿山废水处理

此外，在工程治理技术中有专门用于解决地表土地修复相关问题的相关技术，分为岩土体平整技术与地质体整形技术(表5)，作为衔接工艺为生态修复工程和生物修复工程创造适宜的场地或立地条件，相互配合实现矿山地质环境、矿山水环境、矿山生态环境的修复治理工作[27]。

(2)生态修复技术。

生态修复技术是以修复被破坏、废弃土地中的植被、景观以及生物群落环境等为主要对象[28]，既要用工程措施恢复被破坏的生态系统功能，又要充分发挥生态系统本身的恢复功能[29-30]，分为自然修复与人工辅助修复两种类型，主要有植被修复、景观与生态修复及其他生态修复技术(表6)。

(3)生物修复技术。

生物修复技术适用于受污染的矿山环境载体，如受到污染的地表与地下水体、直接或间接受到污染的岩土体，其所起作用是改变矿山环境中遭受严重污染的岩土体及水体的化学成分[31-32]，多使用原位生物修复技术，工程条件不利时也可采取异位生物修复技术(表7)。利用生物修复技术在一定程度上可改善矿山环境质量，提升生态修复技术的实施效果。

3.4.2 矿山环境修复治理模式

矿山环境是一个复杂的系统，当面对矿产资源开发过程中诱发的众多矿山环境问题时，矿山环境修复治理模式将成为一把矿山环境修复的利器，旨在以问题为对象，以土地开发利用规划的最终目标和植被修复等为具体要求，在地形地貌和地质环境背景以及矿产资源开发方案基础上的，通过适宜、有效的修复治理技术与方法，从土地使用者角度构建的一套结构合理、层次分明、系统完整的修复治理技术与方法的优化组合体系[11]，命名形如“Ai+Bj+Ck+Dl+……”由修复治理技术优化组成，也可以由最终防治修复目标简短抽象表达[33]。表8指出了针对露天矿山环境问题修复治理实践中，依据不同的修复治理目标提出的露天矿山采坑修复治理模式。

表5矿山环境工程治理技术中土地修复相关技术
Table5Landremediationindisaster-reliefengineeringtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分类土地修复相关技术原理与特点适用环境问题适用特征岩土体平整技术地形平整对地面塌陷回填后地表面进行平整,将地面塌陷坑、地裂缝回填区域平整后维持原有自然起伏的地表形态台阶状平整对台阶状塌陷的局部浅坑、地裂缝进行回填,或并对不稳定边坡修整挖深垫浅将塌陷区域挖深、挖大,形成大面积的“挖深区”,挖除的土体用来修复塌陷较小区域开采沉陷、水土污染沉陷区域地表处理分期开采形成的台阶状地面变形处理塌陷坑集中且塌陷面积较大地段处理地质体整形技术固废堆形态修整主要针对排土场和矸石山,调整平台宽度、坡度,保证排土场稳定逆排构筑采用新鲜、强度高的块石物料碾压堆筑底部,底部堆置大块物料,上部区域堆置块度相对较小的散体和细粒物料边坡排水防止地表水沿开口张裂隙或裂隙进入坡体内,排出坡体内或坡表的水固废堆放占地、人工堆积体边坡稳定性问题、矿山次生地质灾害提高固废堆整体稳定性,预防排土场泥石流固废堆构筑固废堆边坡稳定性

表6常见矿山环境生态修复技术
Table6Ecologicalrestorationtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分类生态修复技术原理与特点适用环境问题适用特征植被修复技术人工生态林选择合适树种,确定合理的配置参数,以有效复绿为目标人工灌木林利用灌木植被对矿区进行固坡、护土,改善土壤条件土工网垫利用三维结构织网固定土壤与草籽,将网垫平铺固定在斜坡面,在网的空腔内撤播草籽和土,使坡面固定土壤并保存一定水分人工草栅格利用人工草栅格有效固沙护坡,主要为植被修复如修复草地,草种存活率较高大气污染、水土流失、矿山次生地质灾害、水土流失露天矿排土场生态修复干旱地区矿山生态修复岩体裸露山体、排土场坡体、矸石山等生态修复干旱地区矿区沙漠化景观与生态修复技术人工湿地法人工构建或改造为湿地生态系统,引入适宜的植被、动物等基塘法按生态学原理对矿山内水面和土地进行生态修复,集约度高,初期投资大,对种养技术要求高生态演替法利用生态自然演替规律,工程治理完成一定时间段生态环境自然修复水土流失、土地沙漠化水体丰富或存在水体污染水体丰富、高潜水位区域露天矿山及排土场生态修复其他修复技术植生袋植被修复特制的植生袋按顺序码放在做好防护支撑的土质、石质和水土易流失的边坡上,并用锚杆等方式固定矸石改良土壤利用矸石中含有的C,K+,CaCO3等营养物,提高土壤肥力并改良土壤土质生态环境破坏、水土流失排土场、矸石山以及土壤贫瘠沉陷区生态修复

3.5 修复治理后的矿山土地适宜性评价

矿产资源开发企业通过行政划拨、有偿出让、租赁、作价出资或入股等方式征用了大量的采矿用地，并且在生产过程中占用、损毁了大量的土地资源，造成地形地貌改变、岩土体失稳变形、含水层结构破坏、地表土壤不同程度污染[34]。在矿区内，大量的土地资源亟待修复治理后再次被开发利用。然而，矿山土地资源的开发潜力与土地破坏程度、修复治理状况、开发利用投资计划、政府宏观规划等因素息息相关[35-36]，影响着矿山企业未来可持续发展战略。因此，在矿山土地开发利用前必须进行矿山土地适宜性评价，根据矿山环境修复治理后土地资源开发利用条件，评估矿山土地资源可行的利用类型和开发方案。

修复治理后的矿山土地适宜性评价，旨在矿山环境修复治理工作实施后，对矿山工业损毁和废弃土地资源进行土地利用目标评估，尤其注重对修复治理后矿山环境的实际状况评估，确定矿山土地利用类型，并利用矿山土地适应性评价成果指导企业与政府科学合理的开发利用矿山土地资源，实现矿产资源开发利用产业可持续发展。

修复矿山土地的目的在于土地资源再利用，必须在摸清矿山环境背景、矿山环境现状、矿山环境修复治理情况等基础上，结合矿山土地利用目标、已有修复治理效果、未来矿山矿产资源开发利用规划方案、政府和企业土地修复投资规划等内容，针对矿山环境修复后的土地进行矿山土地适宜性评价，探讨和评估可行的矿山土地开发类型，与周边工业产业结构结合[37]，辅助矿业城市或者资源枯竭型城市经济体制转型，通过对矿山废弃土地利用类型的扭转，让土地发挥新的功能和作用。根据国内外矿山土地适宜性评价方法与内容，矿山环境修复治理后常见的矿山土地利用类型有生态用地、农牧用地和建设用地等(表9)，具体的开发内容需要根据矿山土地适宜性评价的要求并结合矿山土地特征等内容综合评估、拟定。

表7常见矿山环境生物修复技术
Table7Biologicalrestorationtechnologiesofmineenvironmentalproblems

分类生物修复技术原理与特点适用环境问题适用特征原位生物修复技术异位生物修复技术生物通气将氧气流导入不饱和土层中,增强土著细菌活性,促进土壤中有机污染物自然降解空气注射将空气压入饱和层中,使挥发性污染物随气流进入不饱和层进行生物降解,同时促进饱和层的生物降解投菌技术向被污染土壤投入外源的污染降解菌,提供细菌生长所需养分土壤耕作利用耕翻土壤,补充氧和营养物质以提高土壤微生物的活性,促进污染物生物降解植被品种筛选针对不同类别的污染及污染程度选取对应的生态型植被吸收重金属元素或污染物,改善土壤肥力,降低污染程度预制床技术在预制床内铺石子、砂子,将污染土壤平铺于预制床,加营养液和水、表面活性剂,定期充氧翻动,以完全清除污染物、减少污染物的迁移堆肥处理将挖出的污染土壤被堆成长条形的静态对,添加必要的养分和水分、表面活性剂,使土堆内的条件最优化而促进污染物的生物降解生物反应器将挖出的土壤加水制成浆状,与降解微生物和营养物质在反应器中混合,添加适量表面活性剂或分散剂,促进吸附的有机污染物解离土壤有机物污染土壤重金属污染、土壤有机物污染土壤有机物污染有机污染土壤挥发性有机污染物和燃油污染土壤需提供外源细菌生长所需营养物质土壤通透性较差、污染较轻且污染物易降解土壤利用植物生长吸收作用去除污染物土壤清除土壤中污染物易腐殖质转化和降解的有机物污染满足微生物降解所需最适宜条件

表8露天矿山环境修复治理模式
Table8Restorationmodelsofopen-pitmines

修复治理对象修复治理目标露天采坑修复治理模式露天矿山环境修复边坡稳定性“固废局部回填(采坑坡体压脚)+削坡减载”模式“坡体后缘裂缝填埋+坡体裂缝压力灌浆”模式“边坡排供水系统+采坑填渣+植被修复”模式“裂缝变形监测+坡面变形监测”采坑边坡监测预警模式景观与水域“露天采坑台阶与边坡土地修复”模式“人工湿地公园”模式“矿山公园(矿山地质博物馆)改造”模式

表9修复治理后的矿山土地适宜性评价
Table9Suitabilityevaluationforminelandaftermineenvironmentrestoration

土地利用类型矿山土地开发利用内容适宜性评价要求矿山土地资源特征生态用地草地、灌木林地、人工生态湿地等地形地貌条件、土地污染情况、土地岩土体破坏情况、土地涵养水源能力、土壤固氮能力、生态作物类型等生态环境脆弱、生态多样性受损严重、地表植被破坏严重、水土环境受采矿活动影响严重,土壤受损程度较高、水体质量受损、水土流失严重等农牧用地耕地、园地、林地、牧草地等地形地貌条件、土壤涵养能力、土壤质量、灌溉条件、土地生产能力、土壤厚度、土壤物质含量、适宜植被类型等气候适宜、地势平坦、土地易耕性良好、地表土壤厚度适宜、土地保水保肥性能适宜等建设用地工矿仓储用地、公用设施用地、公共建筑用地、住宅用地、电力设施、水利设施用地等采空区充填与压实程度、地基承载力、地形地貌条件、建设类型等地基承载力适宜、地表变形较小、土地利用价值高、地理位置适宜、土地集约程度良好等

3.6 矿山环境动态监测与预警

矿山环境动态监测与预警的作用是实时监测环境质量现状、分析变化趋势以及预警突发事件，精确的“天-空-地-井”等各类监测信息传回监测网络终端，经过数据自动化分析处理形成可视化曲线或图形，实现矿山环境远程实时监测与预警[38]，同时也能够实现对矿山环境修复治理项目修复效果的检验与把关。矿山环境常见的动态监测与预警内容(表10)如应力(应变)、浓度(频度)、面积(长度)、生态(环境)等，可实现对开采沉陷、露天矿坑、“三废”问题、矿山次生地质灾害、生态环境、井下泥石流等问题多点、高精度、实时连续监测与预警。

表10矿山环境动态监测与预警技术
Table10Monitoringandearly-warningtechnologiesofmineenvironment

动态监测内容矿山环境动态监测与预警技术适用对象应力(应变)远程应力监测、雷达位移监测、GPS自动化监测、智能全站仪监测、地应力(应变)监测、超声波液位监测等露天采坑边坡、矿山泥石流、排土场边坡等监测与预警浓度(频度)固定点噪声监测、降水监测、水污染实时监测、空气污染物浓度监测、土壤重金属监测、地下水污染物浓度监测等“三废”问题等监测与预警面积(长度)自动化视频图形采集监测、InSAR变形监测等矿山次生地质灾害等监测生态(环境)生态环境群落监测、生态环境密度监测等矿山生态环境等监测

矿山环境动态监测与预警依托于矿山环境数据网络平台进行实时数据传输、分析，通过矿山环境数字技术形成矿山各生产阶段环境监测与管理、动态监测与预警的数字化表达，已在矿山次生地质灾害、顶底板变形预测及瓦斯监测预警等方面实践[39]。在今后发展中，通过搭建矿山环境数字化实时监测网络，结合专家分析、智能模拟、多源数据耦合等功能实现矿山环境多时段动态变化实时监测与预警功能。

3.7 矿山环境信息系统

矿山环境信息系统的构建是基于大数据、云平台信息技术将矿山环境相关的报告与数据储存并通过信息化处理直观地向社会和企业展示矿山环境问题修复治理成果[40]，共享修复治理中的经验和教训。国土、环保等相关部门已利用虚拟现实、地理空间分析、物联网等技术，对监测数据实时更新，基本实现矿山环境数据动态采集、实时分析环境数据信息并预报的功能[41]。

我国目前信息系统的研发水平、数字化程度与发达国家仍有差距，一些关键技术难题如空间数据不确定性、地质体空间关系复杂性以及空间分析边界局限性等仍亟待克服与发展。以矿山顶板含水层结构破坏三维动态可视化模拟信息系统为例，基于“三图法”(即顶板冒裂安全性分区图、顶板含水层富水性分区图、顶板突水条件综合评价分区图)以及地下水模拟和科学可视化技术[42]，只有解决含水层结构破坏问题的突发性、模糊性和不确定性等，信息系统才能实现煤层顶板含水层结构三维动态时空表达[43]。

3.8 矿山环境法律法规

资源开发促进着经济的发展，但要实现自然环境与人居环境的和谐发展，矿产资源开发必须在矿山环境法律法规的约束下进行。

能源产业是我国很多地区的支柱产业，但在一定程度上却不能对其进行严格的环境管理把控。随着矛盾的日益突显，我国矿山环境法规体系建设逐步升级，先后出台了《矿产资源法》、《土地复垦法》、《矿山地质环境保护条例》、《矿山地质环境保护规定》、《环境保护法》、《环境影响评价法》、《固体废物污染环境防治法》、《矿山安全法》、《水土保持法》等矿山环境相关法律法规。

以上法律、法规的颁布与实施(表11)代表着政府对矿山环境保护重视程度的提高。但在诸如设立矿山环境保护专门法律、深化保护内容、明确保护依据等方面仍有必要借鉴、吸纳国内外相关法律法规建设经验和实例，目标是尽早将矿山环境保护制度化、系统化，最大限度地约束矿山开采对环境的破坏行为，促进矿山环境与资源开采的可持续发展。

3.9 矿山环境监督管理

矿山环境监督与管理是矿山环境修复治理的软科学，兼具资源管理与环境管理的特点，涉及监督管理与政策、规范制订等[44]，如拟定矿山环境管理办法与政策、矿山环境保护与修复治理规划编制、执行情况监督、标准规范制定、技术要求或指南等，监督检查矿山企业的矿山环境防治、监测与绩效跟踪等内容[45]，以引导矿产资源的管理与开发，减少或避免采矿引发的矿山环境问题。随着更多国内外、相关行业经验的注入以及自身案例的丰富，矿山环境管理体制将日益完善，确保政府履行环境管理职能、企业实践环境保护职责、公民提高环境保护意识，使矿业开发与环境保护协调发展。

表11国内外矿山环境管理与制度相关法律法规[46]
Table11Lawsandregulationsofmineenvironmentathomeandabroad[46]

类型法律法规名称与矿山环境相关内容国家环境政策法(USA,1969)提出开展环境影响评价要求,要求矿业公司新建矿井前提交环境影响报告环境保护类环境保护法(Australia,1974)规定矿山环境影响评价项目及评价范围,规定资源开发利用流程与政府环境保护职能环境保护法(Canada,1988)规定政府对矿山污染影响土地执行环境影响评价制度,规定环境评价的主管部门与政府监督职能中华人民共和国环境保护法(2014修订)规定对大气、水、土壤等的保护,建立和完善相应的调查、监测、评估和修复制度中华人民共和国矿山安全法(2009修正)规定矿山企业必须对开采沉陷、含水层结构破坏、粉尘有毒物质等问题隐患采取预防措施矿产资源类矿业法(Philippines,1995)要求在可持续发展框架中协调采矿活动与环境保护的关系中华人民共和国煤炭法(2016修正)规定开发利用煤炭资源,应当遵守有关环境保护的法律、法规,防治污染和其他公害,保护生态环境金属矿业等矿害对策特别措施法(Japan,1971)多种金属矿产制定针对性的矿山环境保护与治理法律,规定矿山环境防治的公积金制度以及矿山环境惩罚制度地表采矿控制与复垦法(USA,1977)规定州和联邦政府在采矿与复垦方面的法律职责,建立联邦政府有效的管理机制,包括露天采矿、复原活动等综合环境反应、赔偿和责任法(USA,1980)建立了侵权法上的污染场地的清理和受损自然资源的修复损害赔偿责任机制矿山环境专项保护类中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法(2016修正)规定对固体废物污染环境的防治,实行减少固体废物的产生量和危害性、充分合理利用固体废物和无害化处置固体废物的原则,促进清洁生产和循环经济发展中华人民共和国环境影响评价法(2016修正)要求开展工程项目对环境可能造成影响的分析、预测和评估工作矿山地质环境保护规定(2016修正)矿山地质环境保护领域专门性法规,矿山地质环境规划、修复治理、监督管理、法律责任方面适用

注:部分摘引自徐曙光《国外矿山环境立法综述》(2009)。

4 矿山环境研究展望

我国矿山环境态势窘迫，解决好矿山环境问题仅仅是矿山环境研究中的节点之一，还不能平衡国家当前的能源消费形势与环境间的关系。现阶段有关矿山环境研究挑战与机遇并存，很多矿山环境专门研究正处起步不久，在消除矿山环境问题对生态环境产生的负面影响，开发闭坑矿山正效应资源并服务矿业城市经济建设与转型，深部开采矿山环境问题防治理论与方法，地下矿山生态环境，矿山环境问题及其公共安全防治理论与技术装备研发，矿山环境大数据平台建设与人工智能等方面都有巨大的研究发展势头。

(1)闭坑矿山正负生态环境效应研究。

开展推进资源枯竭型城市转型、减小矿山环境对城市发展和经济的阻碍、控制和消除闭坑矿山的生态环境负效应、挖掘闭坑矿山生态环境正效应等相关研究正当其时[47]。利用“九节鞭”手段解决闭坑带来的环境问题将有助于闭坑矿山正负生态效应研究。如何有效的控制岩土体动态失衡、修复受损地表和地下水环境、控制污染源头与路径，将成为减小矿山生态环境负效应的关键。更为重要的是，矿山之中可利用的土地资源、空间资源以及伴生资源极为丰富，一方面是土地与地下空间的合理开发利用，另一方面是地热、伴生能源、固废和液废有用物质提取，2者的开发利用效益都相当可观。同时，矿山闭坑的管理与程序、矿山环境正效应开发相关法规和标准也应当及时跟进研究，密切结合我国地区宏观经济规划，科学规划正效应资源，将修复和开发后的矿山尽可能回馈效益于社会并服务于公益事业。

(2)深部开采条件下矿山环境问题的防治理论与技术方法。

随着越来越多的浅部资源面临着资源枯竭的问题，深部开采成为满足能源消费需求的必然选择。我国探明的煤炭资源中埋深在1 000 m以下的约占资源量的53%[48]，随着浅部资源的枯竭，越来越多的深部矿井将涌现，由此引发的环境问题仍将令人担忧。由于深部采动的工艺、高地应力、高地温、高水压、高瓦斯开采条件都有别于浅部开采，由此造成的岩土体动态平衡响应、地下水运移规律响应以及污染扩散响应会与当前因浅层开采出现的环境问题特征有较大差异。因此，研究在深部“四高”开采条件的影响下，矿山环境问题的响应特征、问题影响评价和预测模型、监测与预警技术方法、修复治理模式等是防治未来深部开采条件下矿山环境的重要理论基础。

(3)矿山环境公共安全隐患的防治理论与技术设备研发。

矿业城市与矿山之间关系密切，矿业城市的地表与地下空间开发、城市空气和水环境安全、城市的规划与建设都会受到矿山环境的影响。因此，矿山环境对矿业城市公共安全隐患的防治理论研究至关重要。矿山中安全隐患多数是涉及生产和从业人员的安全防范，而随着环境问题对周边人居环境的破坏，城镇道路路面坍塌积水、房屋结构变形开裂、公共电力设施倾斜变形等问题出现，都提醒着政府和企业需要将安全隐患的防治范畴扩展到由矿山环境问题引发的人员和财产损失上来。根据矿山环境问题的发生特征和响应规律，提出矿山环境与城市公共安全隐患防治理论和技术体系，指导城市建立矿山影响条件下的城市公共安全的防范系统。

此外，在许多矿山环境问题的修复治理或者应急抢险救援工作中，由于矿区道路蜿蜒曲折，许多发生环境问题的地点限制了现代化大型、重型工程机械设备运输到现场，对修复治理和抢险救援造成巨大挑战和影响。有必要专门针对矿山特殊的环境背景下研发场地条件和问题特征适用的修复治理与应急救援技术装备和设备，防患矿山环境对公共安全造成的隐患和威胁。

(4)矿山环境研究既要注重地表环境也要兼顾地下环境。

与地表矿山环境一样，在高强度的资源开发过后，地下矿山环境也同样遭受严重的扰动和破坏。地下矿山环境需要重视地下微生物生态环境和地下矿山水环境的研究。研究采矿活动造成的浅地表下和地下深部微生物环境的扰动和破坏特征和规律，对了解地下矿山地下生态环境状态有重要作用。采矿活动不仅影响地下水的流场，也会严重扰动地下水化学场，进而产生对人类地下水饮用安全，对农林业灌溉、畜牧业渔业养殖等造成严重影响，甚至对地球水化学场、热流场甚至是全球气候产生负面扰动，因而对矿山地下水环境的研究，对修复地下水环境、维护良好人居环境意义重大。

(5)矿山环境大数据平台与人工智能。

通过搭建全国统一的矿山环境调查、评价、监测预警、修复治理等内容的大数据采集平台，经过采集、存储、分析处理过程，利用矿山环境信息系统输出实时矿山环境状况，为国家矿山环境修复宏观调控、修复治理效益监测与数据反馈提供可靠信息。在数据平台的构建基础上，开发矿山环境人工智能预警功能，其研究将借助于数据平台、判断模型和可视化等信息系统平台，涉及矿山环境中多场源数据耦合模型分析，最终将环境数据现状与模拟预测输出模型直观地呈现给社会公众。

矿山信息系统平台不仅提供矿山环境数据分析和预测模型，利用大数据平台共享矿山环境问题现状、监测数据、修复治理经验等信息成果，并研发矿山环境虚拟现实技术，将虚拟现实技术应用到未来矿山环境各领域合作研究中，通过由计算机创建和体验虚拟矿山环境让各领域专家学者能在共享的虚拟环境中亲身近距离观察到矿山环境，集思广益，同时利用模拟修复后的虚拟场景让更多投资者看到矿山环境能够被开发的潜力和前景。