（岩土工程专业论文）典型金属矿山岩土工程环境评价体系与预警系统研究.pdf

摘要 金属矿山的开采所产生的负面影响日益广泛，它不仅造成经济上的损失、 人员的伤亡，同时也使矿区岩土工程环境恶化、土地资源与水资源受到不同程 度的破坏。目前对于金属矿山岩土工程环境研究的进展较为缓慢。随着我国工 业的不断发展，对于各种金属的需求不断地增加，金属矿山的开采步伐在加快， 由此所产生的岩土工程环境问题已经严重影响到矿山的建设和发展，所以对于 金属矿山的岩土工程环境问题的研究与处理势在必行。金属矿山岩土工程环境 受到多种因素的影响，因此对于岩土工程环境的评价也十分复杂。随着各种评 价方法和理论也不断地出现，为金属矿山岩土工程环境的综合评价提供了便利 的平台。但这些方法或理论只是针对岩土工程环境的某个方面进行评价，处理 多因素的问题具有片面性、局限性，不能反映矿山岩土工程环境的整体情况， 同时在评价精度方面也达不到要求。因此对金属矿山岩土工程环境进行综合评 价研究具有重要意义。 为了正确评价金属矿山岩土工程环境对矿山开采危害性和矿山建设用地的 适宜性，本文在分析矿山工程开采条件基本属性的基础上，对金属矿山岩土工 程环境主要影响因素的分层分析，找出主要影响因素形成机理。通过调查广西 典型金属矿山的岩土工程环境现状，统计分析各主要影响因素所产生的一般规 律性和影响面，对矿山展开实际调研，搜集矿山岩土工程环境的历史影响因素 资料和潜在影响的实际数据，对引起金属矿山工程岩土工程环境的各种因素， 运用现场试验的方法进行分析，建立了针对金属矿山具体影响面综合评价分析 模型，将金属矿山的各影响层次面分别进行评价，即把岩土工程环境根据工程 地质条件、水文地质条件、环境地质条件中的分开评价，然后再归一化处理， 集中处理会使评价结果更全面、客观。最后将层次分析法与多种理论结合建立 金属矿山岩土工程环境评价体系，并对广西典型金属矿山岩土工程环境进行了 评价，根据矿山的实际评判结果，制定了最优化的防治措施。 本文采用层次分析法并结合模糊数学理论、灰色数学理论关联度理论建立 了针对金属矿山岩土工程环境综合评估的m t c 综合评价体系，并对各个矿山的 分析评判，将矿山岩土工程环境划分为适宜、基本适宜、适宜性差、不适宜四 个层次面进行了综合评价，评判结果不仅表明各m t c 评价体系具有系统统一性， 适用于对金属矿山岩土工程环境的适宜性评价，而且为金属矿山岩土工程环境 的实施治理提供了科学依据数据和技术可行性。利用多理论结合建立金属矿山 岩土工程环境m t c 综合评价体系，并对典型金属矿山岩土工程环境进行应用， 取得与实际情况较为吻合的效果。由评价可知m t c 评价体系在系统评估方面有 着非常广泛的应用价值。同时岩土工程环境影响因素突发频率多，建立岩土工 程环境预警系统可以预防突发事件的发生，本文根据岩土工程环境影响因素的 特性并借助m a t l a b 计算软件建立金属矿山岩土工程环境预警系统模型，并对典 型金属矿山进行应用，取得了较好的预警效果。 关键词金属矿山，岩土工程环境，层次分析法，灰色数学理论，关联度理论， 隶属度，m t c 综合评价体系，预警系统 l i a bs t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no fm e t a lm i n i n g ，t h en e g a t i v ei m p a c t sw e r eg e n e r a t e da n d w i d e s p r e a di n c r e a s i n g g l y ，i tn o to n l yc a u s e de c o n o m i cl o s sa n dc a s u a l t i e s ，b u ta l s oe n a b l e dt h em i n i n ga r e ad e g r a d a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a l ，l a n d a n dw a t e rr e s o u r c e sa r es u b j e c tt od i f f e r e n td e g r e e so fd a m a g e i nt h ec u r r e n t ，t h ep r o g r e s so fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a ls t u d y i n g f o rm e t a lm i n ei ss l o w e r w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fc h i n e s ei n d u s t r i e s ，t h ed e m a n d i n gf o rm e t a l sc o n t i n u e dt oi n c r e a s e ，w h i c ha c c e l e r a t i n gt h ep a c eo fm e t a lm i n i n ge x p l o i t a t i o n ，t h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sh a v es e r i o u s l ya f f e c t e dt h em i n e sc o n s t - r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t t h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a li s s u e ss h o u l d b et r e a t e d t h ei m p a c tf a c t o r so fm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t t a l i sv a r i o u s ，a n dt h eg e o t e c h n i c a le v a l u a t i o no ft h ee n v i r o n m e n ti sa l s ov e r yc o m p l i c a t - e d w i t ht h ev a r i e t yo fe v a l u a t i o nm e t h o d sa n dt h e o r i e sa r ec o n s t a n t l ye m e r g i n g ，w h i c hp r o v i d e sc o n v e n i e n tp l a t f o r mf o rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n go fm e t a lm i n e h o w e v e r ，t h e s em e t h o d so rt h e o r i e so n l ya g a i n s to n ea s p e c t so fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g d - e a lw i t ht h ep r o b l e mo fm u l t i p l ef a c t o r sf o rt h ee n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o n ，w h i c hc o u - l db eo n e s i d e da n dl i m i t ，c a nn o tr e f l e c tt h eo v e r a l lm i n eg e o t e c h n i c a le n v i r o n m e n t ，i n a d d i t i o n ，e v a l u a t i o no ft h ea c c u r a c ya l s oc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s s ot h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns t u d y i n go fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n tf o rm e t a lm i _ n i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i no r d e rt oe v a l u a t et h em e t a lm i n eg e o t e c h n i c a lm i n i n ge n v i r o n m e n to nt h ed a n g e r so fm i n i n ga n ds u i t a b i l i t yo fl a n df o rc o n s t r u c t i o np u r p o s e sc o r r e c t l y ，t h ep a p e r w o r k so nt h eb a s i sp r o p e r t i e si nm i n i n gc o n d i t i o n so ft h em e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw h i c ha n a l y s i sm a j o re n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，i d e n t i f ym e c h a n i s m t h a tf o r m i n g t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h eg u a n g x it y p i c a lm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a ls i t u a t i o n s t a t i s ta n da n a l y s i st h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eg e n e r a l l a wa n dt h ei m p a c to ft h em i n e ，s t a r tt h ea c t u a lr e s e a r c h ，c o l l e c tm i n eg e o t e c h n i c a le - n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a lf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o na n dt h ea c t u - a ld a t ao f p o t e n t i a li m p a c t ，f r o mm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw o r k s o fv a r i o - u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，u s et h em e t h o d so ff i e l dt e s tt oa n a l y s i s ，e s t a b l i s ht h es p e c i t i ci m p a c ta n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lo fm e t a lm i n e ，e v a l u a ti m p a c t so fm - e t a lm i n e si na l ll e v e l s ，t h a ti st oe v a l u a tg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt og e o l o g i c a lc o n d i t i o n su n d e rt h ee n v i r o n m e n t ，h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，e - i i i n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h e nt ot h eo n e t r e a t m e n t ，f o c u so nt h ee v a l u a t i o n t h a tr e s u l t sw i l lb em o r ec o m p r e h e n s i v ea n do b j e c t i v e f i n a l l ye s t a b l i s hg e o t e c h n i c a l e n g l n e e n n ge n v i r o n m e n te v a l u a t i o ns y s t e mo fm e t a lm i n ew i t ha n a l y s i s i n gm e t h o da - n d v a r i e t yt h e o r i e s ，t h r o u g ha p p l y i n gi nt h eg u a n g x it y p i c a lm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm i n ee v a l u a t i o nr e s u l t s ，d e v e l o pt h e o p t i m a lp r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e s i nt h i sp a p e r ，w i t h 创旧a n df u z z ym a t ht h e o r y ，m a t h e m a t i c a lt h e o r ya n da s s o c i a t e dg r e yt h e o r yt oe s t a b l i s hm t c c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mw h i c ha i mf o rc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n to fm e t a lm i n e sg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，a n d e v a l u a tt y p i c a lm i n e s ，m i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n tw i l lb ed i v i d e di n t of o u rl e v e l sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n w h i c hi sa p p r o p r i a t e ，s u i t a b l ef o rb a s i c s u i t - a b i l i t yp o o ra n dn oa p p r o p r i a t i o na ，e v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em t ce v a l u a t i o n s y s t e mn o to n l yh a su n i f o r m i t ys y s t e m ，w h i c hm a ya p p l yt ot h ea p p r o p r i a t ee v a l u a t i o no ft h em e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n v i r o n m e n t ，b u ta l s op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sd a - t aa n dt e c h n i c a lf e a s i b i l i t yf o rm e t a lm i n e s g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw h i c ha r eo fi m p l e m e n t a t i o na n dg o v e m a n c ef o re n v i r o n m e n t m t cc o m p r e h e n s i v ee n v i r o n m e n t a l e v a l u a t i o ns y s t e mw h i c he s t a b l i s hw i t hm o r et h e o r yo fm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，a n da p p l yi nt h et y p i c a lm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，t h er e s u l t st h a tm a d ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o ni si d e n t i c a l t h u s m t ce v a l u a t i o ns y s t e mt o a s s e s so ft h es y s t e mh a sav e r yw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s g e o t e c h n i c a le n g i n e e e r i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c t sh a v eu n e x p e c t e df a c t o r sa n dm o r e f r e q u e n c y ，s oe s t a b l i s hg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n gs y s t e mm a y p r e v e n tu n e x p e c t e di n c i d e n t s ，i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ei d e n t i t yo f g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r s ，e s t a b l i s hae a r l yw a r n i n gs y s t e mm o d e l w i t hm a t l a bc a l c u l a t i o ns o f t w a r ef o rm e t a lm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t t h em o d e la p p l i e di nt h et y p i c a lm e t a lm i n e ，a n da c h i e v e dg o o d r e s u l t s k e yw o r dm e t a l m i n i n g ，g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，l e v e l o f a n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lt h e o r i e sg r a y ，t h ec o r r e l a t i o nt h e o r y ，m e m b e r s h i p ，m t c c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ts y s t e m ，e a r l yw a r n i n gs y s t e m i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特, 另j d n 以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他 单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：乏! 堕丝竺日期：碰年且月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查 阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或 其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢赳垃翩签名埤吼丛年卫月4 日 博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 环境岩土工程学是当今人类工程活动对环境作用和影响的深度和广度不断增加、人类 面临的环境问题日益突出的必然结果。岩土工程以工程为目的，研究岩土的工程性质，通 过工程措施对岩土体进行整治和改造，使岩土的工程性质或环境满足工程要求。由于对自 然认识水平的限制，人类在采取各种工程活动营造人类良好生活环境的同时，不可避免地 给人类的生存环境带来极大影响，不仅威胁着人类的健康和安全，而且使与人类直接相关 的自然环境的破坏加重，传统岩土工程发展到今天，面临一系列新的问题。 环境岩土工程自1 9 8 1 年提出至今，学术界倾注了大量的精力，进行了广泛的研究。由 于各学者的理解不同，对环境岩土工程的定义不一。方晓阳先生1 9 8 6 年提出环境岩土工程， 是基于全球人口增长和人们生活水平的提高而产生的各种岩土工程问题，如因土地资源紧 张而迫使人们在原本不适合进行建筑的地方进行建设，从而产生了如软土、膨胀土、沼泽 地、矿山沉降区、沙漠区、寒冷地带、卫生填埋区等不良岩土工程问题，而这些特殊的岩 土工程问题无法单一地用由k a r lt e r z a g h i 仓l j 立的传统土力学方法来解决，必须考虑环境。 因素。这些环境因素包括自然环境，如大气、水、生物和岩土圈的环境改变；固、液废弃 物对岩土的污染；酸雨和矿区酸液的排放等，它们对岩土工程的工程性质、安全营运都会 产生影响，尤其是长期影响。方晓阳先生几十年来一直从事岩土工程工作，他对土力学的 优缺点及发展现状有十分深刻的了解阳3 。他对目前土力学的发展现状十分担忧，认为以 土力学为理论基础的岩土工程的发展目前正处在一个十字路口j 。条路是继续教条地沿着 t e r z a g h i 的经典土力学理论发展岩土工程；另一条路则是环境科学与土力学的结合，因 为经典土力学无法有效的解释土一水一环境系统的物理化学性质、土结构间的变化现象。 正是在这样的背景下，他提出了环境岩土工程学及相关理论一粒子能量场理论。显然，他 提出环境岩土工程的出发点是要改变岩土工程领域中万事用力学观点解决各种岩土工程 问题的传统方法，主张要考虑化学的、生物的、物理一化学等非力学因素对岩土工程的影 响。因此他把环境岩土工程定义为一门岩土工程、环境科学与工程和土壤科学的交叉学科， 见图1 1 。从图中可以看出：环境岩土工程在层次上高于岩土工程与环境工程，是岩土工 程和环境科学与工程共同发展的汇合点，是岩土工程发展的新阶段盼制。 j k m it c h e h 先生对环境岩土工程的理解有所不同，他认为环境岩土工程是岩土工 程的一个分支学科，属于岩土工程范畴。环境岩土工程的目的是应用岩土工程的原理和方 法解决环境问题。它所要研究的内容主要包括安全和经济的土地复垦、场址修复、废物处 理和隔离等n 刚盯8 j 。他认为环境岩土工程的研究对象与传统的岩土工程有很大不同，具有许 多特殊性，主要体现在：( 1 ) 多学科性，除了力学外，还需要化学和化学工程、材料科学、 生物科学、环境工程和力学工程等；( 2 ) 由于涉及到环境问题，因此环境岩土工程受到各 种法规的制约，如美国有2 0 多项法规与环境岩土工程有关；( 3 ) 不象传统的岩土工程，环 博士学位论文 第一章绪论 图1 1 环境岩土工程学形成示意图 境岩土工程有更多的公众参与，污染问题是一个公众最为敏感的论题，因此需要特殊的研 究方法和治理措施相配套；( 4 ) 环境岩土工程的工作进程和技术方法常受到律师和合约人 来控制，有时因环境保护法规和公众的抗议使工程方案不得不变更；( 5 ) 环境岩土工程的 费用比较高，利益和成本比与传统的岩土工程相比常常低得多。基于上述特点，传统的岩 土工程方法已无法满足这类问题的要求，除了需要自然科学外，还需要如社会学，政治学， 法律和经济学等社会科学。然而，m i t c h e h 先生认为：在进行环境岩土工程时，传统的岩 土工程理论和方法不可缺少，岩土力学的原理和方法对大部分环境岩土工程来说常是一个 有用的开端和整个工程的框架哺引。 从以上二位大师级专家对环境岩土工程的理解可以看出，方晓阳先生对环境岩土工程 的定义比较大，研究的内容比较广和多样性，我们不妨称它为大环境岩土工程，而m i t c h e h 先生的环境岩土工程，研究内容具体，范围要窄，仍属于岩土工程的范畴，我们不妨称它 为小环境岩土工程。虽然他们对环境岩土工程的认识有所不同，但本质上是一致的，即环 境岩土工程是一门多学科交叉的学问，与传统的岩土工程相比，无论在研究思想和方法上 都有很大的不同，丰富和发展了传统的岩土工程。 此外还有胡中雄( 1 9 9 0 ) 认为，环境岩土工程是研究应用岩土工程的概念进行环境保护 的- - f 学科；袁建新( 1 9 9 6 ) 定义的环境岩土工程是：- f 新兴的综合性交叉学科，它涉及 2 博+ 学位论文第一章绪论 岩土力学与岩土工程、卫生工程、环境工程、土壤学、地质学、水文地质、水文地球物理、 地球化学、工程地质、采矿工程以及农业工程学等；龚晓南( 2 0 0 0 ) 指出，环境岩土工程是 岩土工程与环境科学密切结合的一门学科，它主要是应用岩土工程的观点、技术和方法为 治理和保护环境服务口儿8 1 ；罗国煜( 2 0 0 0 ) 定义：环境岩土工程属于环境地质学范畴，可区 分为区域环境岩土工程和城市环境岩土工程；施斌( 2 0 0 0 ) 指出，环境岩土工程是用岩土工 程的基本原理、方法和手段防止自然和人类活动引起的岩土环境恶化，分析和评价环境与 各类工程活动间的相互作用和影响，改善城市和人类环境的运行和生活质量，保持人类社 会的可持续发展。 环境岩土工程学的研究目标是保护和改善地质环境，保证各类工程的安全和持久运 行。它所研究的问题，不单纯是力学问题，在多数情况下是化学的或生物的问题。所以， 环境岩土工程学是一门高度综合的交叉性学科，综合运用各学科的观点、技术和方法，分 析、评价和预测人类活动与岩土环境之间的相互作用和影响，治理和保护岩土环境，保证 工程活动与环境的可持续协调发展。 金属矿山开采活动的日益增多，对矿区岩土工程环境造成的影响影响越来越严重，尤其 对矿区内的土地、水资源等的影响较为直接、严重，由采矿引起的矿业环境岩土工程灾害每 年也给我国造成极大的人员伤亡和高达数十亿元的直接经济损失，同时还使生态环境遭受不 可恢复的破坏。因此矿山环境岩土工程问题是我国环境治理的一个重点和热点问题。 1 1 采矿工程中的主要环境岩土问题 矿山的开采、挖掘是直接在岩土圈中进行的，伴随着我国矿山开采强度的增大，其所造 成的环境破坏越来越严重。矿产资源的开发、加工和使用过程不可避免地要破坏和改变自然 环境。比如，矿山开采造成的矿区地面严重塌陷破坏了地面建筑物地基基础，矿山“三废” 的排放严重地影响了人们的生活，尾矿坝的垮坝以及露天矿边坡滑坡事故会造成大量人员的 伤亡等等。从我国目前矿山的实际情况来看。岩土环境负效应主要有以下几种类型：由于开 采矿产资源使地球岩石圈原生环境发生改变而造成的岩土工程问题和由于工业固体废弃物 堆置不当而引发的岩土工程问题。矿产资源开采引起的岩土工程环境问题主要表现在：地下 开采引发的地表沉降、坍塌和山体滑坡崩塌，露天开采造成的地表植被破坏及其引发的水土 流失，采矿爆破作业诱发的地震，矿区排水疏干及矿床开采导致地下水位下降和水资源流失 等矿业固体废弃物堆置不当引发的环境岩土工程问题主要是排土场、废石场、矸石场、炉 渣场和尾砂库泥石流灾害及由其产生的沙尘暴睁m 1 。 金属矿山的开采对岩土工程环境影响的研究历史相对在目前来说相对缓慢，这对于其 中很多领域的研究相对来说不是很成熟，因此要解决此类问题，就要找准金属矿山本身的 特点，这样才能更好地解决金属矿山开采对矿山岩土工程的影响问题。 博十学位论文第一章绪论 1 1 1 地下开采引起的地面变形和地面塌陷 在我国大多数地下矿山，由于在地底下进行大面积开采、挖掘，往往形成较大的采空 区。一旦采空区放顶后，在采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带等，并不断 向上发展，造成地面沉降，地表形成低洼地。由于地表潜水位较低，在沉降低洼处，地下 水位接近或高出地表，于是在地表形成沼泽区或积水池当矿山开采的深度较小时，开采 放顶后冒落带直接发展到地面，使得地面产生塌落如遇到地面有建筑物时，如果下沉量 较大、地下水位又较浅时，会造成地面积水，这不但影响使用，而且使地基土长期浸水， 造成强度降低，从而使建筑物墙梁产生拉剪破坏甚至陷入地下；遇到地表河流时，使全部 河水涌人井下，从而在地表形成断流。由于地下开采强度和广度的扩大，地面变形和塌陷 的危害不断加剧。目前，地面塌陷已在我国2 3 个省区发现了8 0 0 多处，塌陷坑约3 万多个， 全国每年因地面塌陷造成的经济损失约l o 多亿元。 1 1 2 矿山废石和尾矿对矿山环境的影响 采矿，无论是地下或者露天开采，都要剥离地表土壤和覆盖岩层，并开掘大量的井巷， 从而产生大量废石，而选矿过程亦会产生大量的尾矿。据估计，由矿业生产所排放的工业 固体废弃物占到了全国工业固体废弃物排放总量的8 0 ，仅金属矿山排放堆积的废石和尾 砂就已超过5 0 亿t ，并且每年仍以4 5 亿t 的排放量剧增煤矿开采排弃的矸石量占到煤炭 产量的1 0 ，矸石量每年递增l 亿t 。废石和尾矿对环境的影响主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 所有矿山的开采都伴随尾矿排放问题，这种矿山特有的固体废料往往就地堆放， 不可避免地要覆盖农田、草地或堵塞水体，从而破坏生态环境。 ( 2 ) 有的废石堆或尾矿场会不断逸出或渗滤析出各种有毒有害物质，污染大气、地下 或地表水体；干旱刮风季节会从废石堆、尾矿场扬起大量粉尘，造成大气粉尘污染，更重 要的是，这些扬尘含有一定量的有害元素，如铅、铍等。当它们随风飘到矿区附近的土地 上时，可造成矿区大地大面积地重金属污染。例如，地处河西走廊中段巴丹吉林沙漠边缘 的金川公司老尾矿占地3 0 0 万m 2 ，选址周围为居民区，由于经常尘土弥漫，严重地影响了居 民生活；暴雨季节，会从废石堆、尾矿场中冲走大量砂石，可能覆盖农田、草地、山林或 堵塞河流等等。 1 1 3 尾矿库及露天矿坑的安全问题 由于露天矿坑的开采、挖掘、排土场的堆积常常形成数十米甚至几百米高的人工边坡， 这些边坡往往存在极大的不稳定性，同时大量的废石和尾矿如堆存不当可能发生滑坡事 故，造成严重后果。如美国有一座高达2 4 4 m 的煤矸石场发生滑坡，大量煤矸石滑进了一座 城里，造成8 0 0 多人死亡的惨案。我国大坪金矿区山体滑坡和东波有色金属矿区尾矿库垮 4 博士学位论文第一章绪论 塌是由于矿产开采和矿业固体废弃物处嚣不当引发的岩土工程灾害的典型事故，前者造成 1 0 8 人遇难、金子河断流和矿井被毁，而后者使整个矿区几乎遭受灭顶之灾。 1 2 对策分析 由采矿引起的环境岩土工程问题的解决牵涉到很多方面的因素。目前，我国矿业环境 问题防治的基本方针政策是“预防为主，防治结合”。结合我国矿山的实际情况，针对矿 山开采产生的一系列问题，笔者认为要想从根本上解决这个问题，需要从技术和非技术层 面人手。 1 。2 1 非技术方面 ( 1 ) 加强立法。矿产资源开发建设项目在规划和设计报批的同时，必须提交环境影响 评价报告和安全评价报告在矿业岩土工程规划设计时，应该从环境保护的角度出发，考 虑结构的稳定与安全问题，注意岩土工程引起的环境变化，有针对性地进行规划与设计矿 业企业生产期问接受环境保护行政管理部门和安全生产监察部门的监督和定期检查；倡导。 岩土工程与环境科学密切结合、提倡环境保护的岩土工程规划设计，应用岩土工程的观点、 技术和方法为保护环境服务。 ( 2 ) 加强环境保护和污染治理。矿产开发对生态环境有一定的影响，部分矿山和加工 企业的废气、废渣、废水严重污染周边环境，因采矿而诱发的地质灾害时有发生在矿产 资源开发中，首先应促进生态环境的改善，减少和控制矿产资源采选冶等生产环节对资源 环境造成的破坏和污染，实现矿产资源开发与生态环境保护的良性循环；加强对矿山生态 环境防治的执法检查和监督；加强教育，提高矿山企业和全社会的资源环境保护意识n 。 首先，要抓污染严重、影响面广的遗留问题，督促企业下大力气进行治理整顿，无力整改 的要限产或关闭；其次，新建矿山企业必须将环境保护与治理贯彻始终，建立生态环境履 约金制度，并加强行政监督力度，严格执行“环保一票否决制”。 1 2 2 技术方面 矿山环境岩土工程问题从根本上分为两方面：一是与岩土工程有关的矿山地质灾害问 题；另一个就是废弃物的综合利用问题。依靠科技进步和技术创新，是解决矿业环境岩土 问题的必经之路。 1 、基于矿山灾害学消灾思路与岩土工程相结合的环境岩土工程问题对策探讨 矿山灾害学以矿山灾害为特定的研究对象，从整个矿区大环境、大安全的角度，研究 矿山灾害发生的原因，探求矿山灾害形成的规律，通过综合分析和预测寻求矿山灾害发生 的可能机会，从而把矿山灾害的不良影响与损失减少到最低程度。 针对矿山环境岩土工程多学科交义的特点，把矿山灾害安全控制理论、应用环境科学的理 博十学位论文第一章绪论 论和方法、岩土工程手段者有机 一 结合起来是解决矿山环境灾害的i 矿m 地磁灾害调叠l 必途径见图1 2 。“反事预而立工 ”，对于在建或拟建矿山，坚持“ 上 1 i r 以防为主，防治结合”的原则， i 矿l i l 灾窨陂魏镪力学分析ll 灾害发艇境馋研究硬篮蠢籁援l 从源头尽可能避免矿山环境灾害k 1 r l 一l 一呷一 的发生m 】。 i 上i i l l ! ( 1 ) w t h f i 懈，特别是地下r ；i i ：磊忑：i 磊盍i 磊磊磊i 磊二习 矿山的开采，必将影响周围建筑物l _ j 的安全，地层的初始应力，以及岩图1 2 矿山环境岩土工程问题对策图 土体的物理、力学、水理性质。矿山的开采，必须保证开采过程及开采后的地上环境、地 下环境以及上部建筑物的安全町靠。正确分析、通过监测手段预测开采期间和开采后的影 响范围大小以及影响程度，并制定合理的解决方案，是解决此类环境岩土工程的关键。针 对地下开采矿山，应大力推广以选矿尾砂和采掘废石等矿业固体废弃物作为填充料的充填 采矿方法为基本内容的矿山无废开采技术，回填采矿空区既能解决固体废弃物堆置问题， 同时又能有效的维护采矿空问岩层的稳定性。以矿业工业固体废弃物为基本充填材料的充 填采矿方法是实现矿山无废开采和解决地下矿山环境岩土工程问题的核心技术，但矿业工 业废弃物作为充填的材料本身通常含有有害组分，因而有可能对地下水体造成二次污染或 带来新的环境安全卫生问题。研究开发物理化学性能稳定、符合环境保护要求的生态型充 填材料或矿用充填添加剂，确保在充分利用废物、解决矿业环境问题的同时，避免二次环 境问题的产生。另外，因地制宜，可以在由于地面沉降而地表形成沼泽区或积水池的基础 上修建养鱼池，既美化了环境，又达到了创收目的。在进行矿山开采的同时，积极做好地 面的地质及水文勘测工作并据此采取相应的措施是解决由采矿引起的河流断流的有效手 段。有关单位和部门应积极开展矿山尤其是煤矿“三下”开采技术等方面的研究。尾砂库、 排土场的复垦试验研究工作也取得了初步成果。 ( 2 ) 露天矿开采边坡及尾矿坝的安全研究。在露天矿山，采用岩层锚固技术实现高边 坡陡帮开采，既保证了边坡的稳定，又大大减少了岩土剥离量和废石排放，是目前比较常 用的方法，但应用过程中也因技术本身的不足，导致加固效果不理想，甚至出现工程事故。 开展有关露天矿滑坡等地质灾害防治新方法、新技术的研究，已成为亟待解决的课题。在 尾矿坝的加固方面，针对具体的尾矿砂，要对其物理力学参数( 如容重、粒径大小、抗剪 强度等) 甚至本构关系进行研究，选择合理的尾矿坝的加固方案。尹光志教授以大红山铜 矿龙都尾矿库细粒尾矿堆坝为例，采用现场测试、室内试验、理论分析、数值计算和工程 实践相结合的研究方法，全面系统地研究了细粒尾矿的物理力学性质、库内沉积规律、与 土工合成界面作用特性，以及细粒尾矿堆积坝的加固新技术加筋梯田法，为尾矿坝的 6 博十学何论文第一章绪论 加固处理提供了一个新的方向。 同时，搞好废石场、排土场、矸石山、尾矿库等矿山工程对节省占地效果最为显著， 比如建设超高台阶土场以节省排土场占地；利用常年流水沟谷建筑新型排土场；在地表塌 陷区域修建尾矿库等都取得了很好的社会和经济效益。 2 、基于资源化利用矿业废弃物的矿山环境岩土工程问题对策 把矿业废弃物作为二次资源进行开发利用是处置矿业工业废弃物的最有效途径之一， 不仅可以解决由废弃物引起的一系列矿业环境问题，还可以创造巨大的经济效益。资源化 利用矿业工业废弃物，应特别关注下面两方面。 ( 1 ) 尾矿资源的再生利用。我国有大量的老尾矿存量，由于受当时经济技术水平的局 限，老尾矿不仅含有多种有用矿物组分，而且有许多元素的品位还很高，具有极高的再生 利用价值，探索更先进的选冶上艺技术对尾矿资源的再生利用，既能确保解决老尾矿堆存 带来的环境问题，又不会因开发利用引发新的环境问题。 ( 2 ) 作为二次资源制取新形态物质。把尾矿等固体废弃物作为二次资源进行物质转换， 借以生产水泥、硅酸盐尾矿砖、加气混凝土、耐火材料、玻璃、铸石、陶瓷、矿物棉等建 筑材料，以及化工原料、隔音隔热材料、防水材料等。冶炼炉渣的资源化利用是目前的一。 个重要的废物利用方向，但冶炼炉渣具有火山灰的特性。目前，我国常以冶炼炉渣作为生 产水泥的原料或掺和料，其缺点是须经二次高温煅烧，不仅没有利用冶炼炉渣的特性。而 且还带来了严重的二次环境问题。因此，必须研究开发新的工艺技术，充分利用冶炼炉渣 的火山灰特性，以物理的、化学的或生物的方法，通过对冶炼炉渣活性的激发或强化，利 用冶炼炉渣生产水泥或具有水泥特性的胶凝材料，以实现冶炼炉渣资源化利用和无废排 放。另外，固体废弃物回填采空区也是解决工业废弃物的一个重要手段n3 1 。 矿山环境岩土工程的主要问题是如何有效地防止各种矿山灾害以及环境污染的发生。 以矿山灾害学安全减灾原理和环境科学理论和方法为指导，充分利用岩土工程的新理论、 新技术和新方法，结合资源化矿业废弃物综合利用，同时加大立法和环保力度，是解决环 境岩土工程问题的主要方法。 1 3 矿山环境岩土工程学的理论体系和研究方法 1 3 1 矿山环境岩土工程学的理论体系 矿山环境岩土工程学是一门高度综合性的交叉学科，它的基础理论体系：首先是多学 科基础理论体系的有机结合，就是把岩土工程学和环境科学的基本理论体系，特别是环境 物理化学、环境质量的基本理论与环境趋势变化预测、控制与管理，以及有关监测系统的 基本理论相互融合起来，形成新的理论基础；其次，将现代科学新理论渗入其中。该学科 研究的问题非常复杂性，特别是许多有关因素的可变性和非确定性，解决这些复杂问题， 既要应用系统理论，如信息论、系统论、控制论等进行分析，又要应用新发展起来的非线 7 博+ 学位论文 第一章绪论 性力学、耗散结构学以及现代应用数学等理论，创建新的理论体系；第三，紧密依靠现代 高新技术的支持。在环境岩土工程研究的技术方法和手段上，应配合数值模拟、物理模拟 等新方法，计算机、g i s 等高新技术，以及建立监测系统、数据库系统、专家系统等手段， 开展工程环境发展趋势预测、预报。在此基础上，立足自身的研究对象和主要内容，建立 与之相适应的、多学科的基础理论体系n 4 | 。 1 3 2 矿山环境岩土工程学的研究方法 由于各学者对环境岩土工程的学科定义不同，其研