磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支的影響研究

王海軍 張長鎖 趙旭林 鄢正華

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.東北大學(xué)，沈陽 110004)

黃柏河流域蘊(yùn)藏著豐富的磷礦資源，資源儲(chǔ)量達(dá)30億t(其中基礎(chǔ)儲(chǔ)量6.59億t)，占湖北省保有磷礦資源儲(chǔ)量的62.8%[1-2]。經(jīng)過多年發(fā)展，黃柏河流域的磷礦開發(fā)的格局發(fā)生了很大變化，開發(fā)主體向大企業(yè)集中，礦山生產(chǎn)規(guī)模明顯擴(kuò)大，保有礦體埋藏加深，一般在地表下200 m以上，開采技術(shù)條件復(fù)雜，對(duì)采掘技術(shù)要求高。目前生產(chǎn)礦山多采用平硐溜井開拓、斜坡道開拓方式，井下運(yùn)輸多采用機(jī)車軌道運(yùn)輸、無軌運(yùn)輸方式；采礦方法主要采用房柱法，需保護(hù)性開采地段采用條帶法[2]。

黃柏河流域的磷礦山開采規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，磷礦的開發(fā)利用會(huì)有更高層次的要求，礦山開采必須走一條可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展之路；必須堅(jiān)持以國家產(chǎn)業(yè)政策和市場為導(dǎo)向，以企業(yè)為主體，以科技進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新為動(dòng)力，以保障國內(nèi)需求、建設(shè)現(xiàn)代化礦山為目標(biāo)，以提高精細(xì)磷化工、資源綜合利用水平為重點(diǎn)，走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路。為實(shí)現(xiàn)磷產(chǎn)業(yè)的總量速度合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排和綠色開發(fā)的發(fā)展目標(biāo)，必須開展磷礦山開采對(duì)地表主水系——黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的影響因素研究。

1 黃柏河?xùn)|支概況

1.1 黃柏河?xùn)|支水功能區(qū)劃分

依據(jù)《水功能區(qū)劃分技術(shù)大綱》和《水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50594-2010)的要求和黃柏河流域的現(xiàn)實(shí)情況，將黃柏河流域東支水功能一級(jí)區(qū)劃分為源頭保護(hù)區(qū)。

東支源頭至兩河口，該區(qū)域水資源是宜昌市城區(qū)等市城市生活用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水重要水源地。根據(jù)歷史習(xí)慣和宜昌市黃柏河流域水資源保護(hù)條例的規(guī)定，將該區(qū)域劃分為源頭水保護(hù)區(qū)。黃柏河流域東支水功能一級(jí)區(qū)劃如表1所示。

表1 黃柏河流域東支水功能一級(jí)區(qū)劃表Table 1 First division table of east branch water function in Huangbai river basin

1.2 黃柏河?xùn)|支水環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

目前，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)評(píng)判，黃柏河?xùn)|支水質(zhì)污染有逐年加劇之勢。上游的礦山開發(fā)及其他生產(chǎn)性項(xiàng)目的增加，更加重了黃柏河小溪塔段的污染。宜昌市城區(qū)段黃柏河水質(zhì)呈明顯下降趨勢，主要污染物為總氮、糞大腸菌群、五日生化需氧量、總磷等，城區(qū)的污染源主要是生活污水和少量企業(yè)的工業(yè)廢水[3-4]。

2 磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的影響

磷礦山開采過程中所排放的廢石、礦坑水及尾渣對(duì)黃柏河流域所造成的水污染是不可忽視的環(huán)境問題[5]。礦山開采對(duì)水的污染總體上為點(diǎn)源污染，主要包括直接污染與間接污染兩種形式。直接污染主要是由礦坑涌水、選礦廢水、廢石和尾渣淋溶水對(duì)水環(huán)境污染來實(shí)現(xiàn)，間接污染是由于地表水水位降低所導(dǎo)致的塌陷，使污水借助塌陷裂隙滲入或者回灌地下造成影響[6]。

基于對(duì)地表水環(huán)境系統(tǒng)和礦業(yè)開采的認(rèn)知，磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支的水環(huán)境影響可按圖1框架進(jìn)行分析。

圖1 水環(huán)境影響因素體系示意圖Fig.1 Water environment influencing factors system schematic diagram

3 磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境影響分析

3.1 礦山地質(zhì)勘探對(duì)黃柏河流域水環(huán)境的影響分析

1)地質(zhì)勘探過程中，洗孔廢水匯聚到附近的河流或隨雨水一起進(jìn)入到河流之中會(huì)攜帶污染物進(jìn)入到地表水環(huán)境，并產(chǎn)生影響。2)地質(zhì)鉆孔如穿透含水層，會(huì)形成通達(dá)礦層的導(dǎo)水通道，導(dǎo)致的地下涌水量的增加會(huì)改變地下水的承壓環(huán)境，導(dǎo)致地下涌水增加。

3.2 礦山開采對(duì)黃柏河流域水環(huán)境的影響分析

磷礦山的采礦活動(dòng)對(duì)黃柏河流域水環(huán)境質(zhì)量體系的影響，主要體現(xiàn)在地表水的匯入和地下水排出匯入的兩個(gè)層次，其中地表水的匯入具體表現(xiàn)在礦、廢石堆場的溶淋水、礦區(qū)生活廢水等，地下水的排出匯入具體表現(xiàn)在地下水涌出、生產(chǎn)廢水的匯集排出等。礦山的采礦活動(dòng)是工序復(fù)雜的建設(shè)活動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)礦山采礦活動(dòng)對(duì)黃柏河?xùn)|支影響的評(píng)價(jià)，將礦山采礦活動(dòng)進(jìn)行細(xì)化分類，本研究采用采礦作業(yè)產(chǎn)污源進(jìn)行影響評(píng)價(jià)。

3.2.1 采礦方法方面的影響

目前所采用的采礦方法均屬于空場采礦法的范疇。隨著回采工作的進(jìn)行，磷礦山的采空區(qū)暴露面積將不斷增大，當(dāng)采空區(qū)范圍超過允許暴露面積時(shí)，隨著暴露時(shí)間的增加，可能會(huì)引起地下巖層較強(qiáng)烈的地壓活動(dòng)，進(jìn)而影響到隔水層的穩(wěn)定和地表的移動(dòng)、塌陷，造成地下涌水量的增加或突然增大，進(jìn)而影響到黃柏河流域的水環(huán)境體系。磷礦山采礦方法形成的采空區(qū)對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在：采空區(qū)的地壓活動(dòng)影響到隔水層的破壞，造成地下水涌入采空區(qū)的水量突增；空區(qū)暴露面積增大導(dǎo)致涌水面積增大，引起地下涌水量增加。

3.2.2 礦山生產(chǎn)作業(yè)方面的影響

基建期施工生產(chǎn)廢水主要產(chǎn)生于石料沖洗、混凝土攪拌與養(yǎng)護(hù)過程，所含污染物主要為SS，建設(shè)期掘進(jìn)廢石臨時(shí)堆存于工業(yè)場地內(nèi)廢石堆場，遇雨產(chǎn)生的淋溶水如不進(jìn)行處理直接外排，也會(huì)對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境造成污染。投產(chǎn)后，水污染源主要為礦井井下涌水和工業(yè)場地地面生產(chǎn)生活廢水。開掘、破碎、爆炸均涉及到炸藥的使用，炸藥使用過后1～2 h內(nèi)，生產(chǎn)用水水質(zhì)極度惡化，污染物增加明顯，會(huì)對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境造成污染。

3.2.3 礦山礦石轉(zhuǎn)運(yùn)、排棄廢石方面的影響

黃柏河地區(qū)的磷礦主要由膠磷礦和其他脈石礦物——石英、斜長石、巖屑、黏土等以及少量碳酸巖、褐鐵礦等組成。膠磷礦中磷酸鹽礦物的水溶性雖然較差，但在酸性雨水的不斷淋溶下，可加速溶解，從而由顆粒態(tài)磷變成巖溶性溶解磷。磷礦廢棄地裸露的磷礦層和堆土場，極易發(fā)生風(fēng)化淋溶，是水域中持久性磷污染源，廢棄磷礦產(chǎn)生的污染物主要通過降雨淋溶形成的地表徑流向外界傳輸，降雨期間入湖河流水質(zhì)總磷(TP)是非雨期間的20～80倍。

3.2.4 礦山其他開采活動(dòng)方面的影響

礦山開采生產(chǎn)的生活廢水、地面施工廢水及粉塵也會(huì)對(duì)黃柏河?xùn)|支流域產(chǎn)生影響。

3.3 礦山選礦活動(dòng)對(duì)黃柏河流域水環(huán)境的影響

選礦在正常情況下廢水全部循環(huán)利用，對(duì)水體不產(chǎn)生污染影響，但在事故排放時(shí)，對(duì)黃柏河中部的局部區(qū)域和下游5～10公里范圍內(nèi)的污染影響是存在的。黃柏河?xùn)|支流域磷礦開采的含磷廢石和尾渣堆場，重介質(zhì)選礦的小于0.5 mm的細(xì)粒級(jí)粉礦和大于15 mm的尾渣堆場，極易發(fā)生風(fēng)化淋溶，是水域中持久性磷污染源。

4 磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境影響程度量化分析

磷礦山開采影響因素的水量Q及攜帶污染物的濃度C均存在很大差別，為更好地采取有效措施，需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一分析，找出磷礦山開采過程中的主要影響因素。本研究選用如下的影響因素等價(jià)模型，如式(1)所示：

(1)

Ec—相對(duì)影響權(quán)重，無量綱常數(shù)；Qi—i因素水量，m3；Ci—i因素污染物濃度，mg/m3；Qj—j因素水量，m3；Cj—j因素污染物濃度，mg/m3。

4.1 礦井涌水與生產(chǎn)廢水

黃柏河?xùn)|支流域的磷礦山均采用地下開采的方式，礦井涌水及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的廢水匯集到井下水倉，即使影響程度在污染源處存在各種差別，但在水倉內(nèi)匯集后污染物濃度均趨于一致，因此影響程度可統(tǒng)一分析，只是在水量Q上存在差別?；谶@個(gè)觀點(diǎn)，對(duì)于礦井涌水與生產(chǎn)廢水的影響權(quán)重分析可體現(xiàn)在水量Q的差別。

4.2 礦井涌水與淋溶水(礦石轉(zhuǎn)運(yùn)、廢石堆場和尾渣堆場)

礦井涌水量與淋溶水的水量差別在2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，但淋溶水短時(shí)的污染程度明顯高于礦井涌水的污染程度。本研究認(rèn)為，礦井涌水與淋溶水的相對(duì)影響權(quán)重取為Ec>10。

4.3 礦井涌水與生活廢水、其他廢水

礦井涌水量相對(duì)于生活廢水及其他廢水水量相差懸殊，磷礦山的生活廢水及其他廢水對(duì)比礦井涌水的影響程度相對(duì)偏小，Ec>105。

4.4 磷礦開采排放源強(qiáng)度

基于對(duì)黃柏河?xùn)|支流域磷礦山地下涌水量統(tǒng)計(jì)及影響因素等價(jià)模型對(duì)比分析，磷礦山各影響因素的排放源強(qiáng)度[7-8]為：

1)礦山涌水量(含生產(chǎn)用水)：1.93～5.21 m3/(a·t)；

2)淋溶水(礦石轉(zhuǎn)運(yùn)、廢石堆場和尾渣堆場)：2.48×10-2～4.65×10-2m3/(a·t)，影響當(dāng)量為0.25～0.47 m3/(a·t)；

3)不對(duì)選礦廠進(jìn)行量化；

4)其他污水：1.55×10-2m3/(a·t)。

5 磷礦山開采的影響權(quán)重分析

對(duì)已有的定量分析，其數(shù)據(jù)采集及采用可能造成的誤差。本研究采用定性與定量分析相結(jié)合的方法，選用層次分析法進(jìn)行全部影響權(quán)重的總排序，將專家的認(rèn)知與定量計(jì)算結(jié)合起來。

5.1 磷礦開采對(duì)黃柏河?xùn)|支影響因素分析

磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支(最高層A)的影響因素可以分為礦山地質(zhì)勘探(B1)、礦山采礦(B2)和礦山選礦(B3)三個(gè)方面。地質(zhì)勘探方面的影響主要是：勘探地表施工影響(C1)和地質(zhì)鉆孔影響(C2)。礦山采礦方面的影響主要是：礦井涌水影響(C3)、生產(chǎn)廢水影響(C4)、礦廢石淋溶水影響(C5)、礦區(qū)生活污水影響(C6)及其他影響(C7)。礦山選礦方面的影響主要是：選礦廠污水影響(C8)及尾渣堆場淋溶水(C9)。

5.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

將影響黃柏河?xùn)|支的因素進(jìn)行條理化、層次化，按照目標(biāo)層(最高層)、準(zhǔn)則層(中間層)和因素層(最低層)理出遞階層次結(jié)構(gòu)[9]。明確各個(gè)層次的因素及其位置，并將它們之間的關(guān)系用連線連接起來，就構(gòu)成了黃柏河?xùn)|支影響因素的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支影響因素的層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Influencing factors of phosphate mine mining on the eastern branch of Huangbai river hierarchical model diagram

5.3 影響因素影響權(quán)重

確定層次結(jié)構(gòu)模型后，選擇多個(gè)專家進(jìn)行打分。打分后，依據(jù)層次分析法的基本原理，對(duì)層次分析法模型進(jìn)行計(jì)算。各因素影響權(quán)重如表2和圖3所示。

表2 各影響因素影響權(quán)重排序表Table 2 Influencing factors weighted table

圖3 各影響因素影響權(quán)重圖Fig.3 Influencing factors weighted diagram

由表2、圖3分析可知，在磷礦山開采過程中對(duì)黃柏河?xùn)|支的各種影響因素中，礦井涌水(占比為43.19%)、礦廢石淋溶水(占比為14.64%)、尾渣淋溶水(占比為15.51%)和生產(chǎn)廢水(占比為10.84%)為磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的主要影響因素，影響總占比接近85%。尤其是礦井涌水?dāng)y帶的總污染物量大，影響占比接近50%，在磷礦山開采過程中要重點(diǎn)治理。

6 結(jié)論

1)磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水體影響主要在地質(zhì)勘探、采礦活動(dòng)和選礦活動(dòng)環(huán)節(jié)，集中體現(xiàn)在礦井涌水、生產(chǎn)廢水、地表礦石廢石堆場的淋溶水、選礦尾渣淋溶水、礦區(qū)生活污水及其他污水所帶來的影響。

2)通過定量的影響程度分析，在一定程度上保證了定量、定性分析的一致性和適用性，使定量、定性分析方法可靠。通過定量、定性分析，得出了磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境影響因素的排放強(qiáng)度，礦井涌水、礦廢石淋溶水、尾渣淋溶水和生產(chǎn)廢水為磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的主要影響因素。

3)通過定量、定性結(jié)合的分析方法，全面系統(tǒng)分析了磷礦山開采對(duì)黃柏河?xùn)|支水環(huán)境影響，為黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的治理提供了有力的指引支撐，保證黃柏河?xùn)|支水環(huán)境的治理做到有的放矢。