（环境科学专业论文）铜陵新桥硫铁矿采矿废石重金属淋溶实验研究.pdf

h e a v y m e t a ll e a c h i n ge x p e r i m e n t sw i t hm i n i n g r o c k si nx i n q i a op y r i t em i n e a b s t r a c t t h r o u g hl e a c h i n ge x p e r i m e n t sw i t ht h em i n i n gr o c k si nx i n q i a op y r i t e m i n e ，t h ea c i d - p r o d u c i n gp o t e n t i a l ，t h ec h a n g e so fp hv a l u e s ，t h ec h a n g e so f 8 0 4 + c o n c e n t r a t i o na n dl e a c h i n gr e g u l a r i t i e so fh e a v ym e t a l s ，s u c ha sf e ，c u ， p b ，z n ，c d ，i nl e a c h i n gw a t e r o f t h em i n i n g r o c k s w i t hd i f f e r e n t p a r t i c ，l esizesand t h es t e r i l i z a t i o ns a m p l e sw e r es t u d i e dt h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h e l e a c h i n gp r o c e s sw i t ht h ew a t e rw h o s ep hv a l u ew a sc l o s et on a t u r a lw a t e r s ， t h em i n i n gr o c k sp r o d u c e da c i d i ti sa l s of o u n dt h a t ，t h ec h a n g i n gt e n d e n c y o ft h ep hv a l u e sw a si na c c o r dw i t ht h a to ft h es 0 4 2 。c o n c e n t r a t i o ni n l e a c h i n gw a t e r , e x c l u d i n gt h ee f f e c to fa c i d p r o d u c i n gp o t e n t i a lo fm i n i n g r o c k so np hv a l u e o t h e r w i s e ，t h el e a c h i n ga m o u n t so ft h eh e a v ym e t a l e l e m e m sc h a n g e di nt h el e a c h i n gp r o c e s sa l o n gw i t ht i m e ，a n dw e r ea f f e c t e d b ys e v e r a lf a c t o r ss u c ha sp a r t i c l es i z e so fm i n i n gr o c k sa n dp hv a l u e ，a n d t h e r ew a s c o r r e l a t i v i t y b e t w e e nt h e s e h e a v y m e t a le l e m e n t s t h e m i c r o o r g a n i s me x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sd o n eb yl e a c h i n gt h em i n i n gr o c k s a m p l e sw h i c hw e r es t e r i l i z e d ，a n dw a sc o m p a r e dw i t ht h em i n i n gr o c k s a m p l e sn o ts t e r i l i z e d i ti n d i c a t e st h a tm i c r o o r g a n i s mh a sa ni n f l u e n c eo nt h e c h a n g eo f p hv a l u ea n dl e a c h i n gr e g u l a r i t i e so f h e a v ym e t a l s k e yw o r d s h e a v ym e t a l ；l e a c h i n ge x p e r i m e n t s ；m i n i n gr o c k s ；p a r t i c l e s i z e s ；m i c r o o g a n i s m 插图清单 图1 1 研究区主要矿区分布图6 图1 2 新桥废石堆场9 图1 3 新桥废石堆放情况1 0 图1 - 4 新桥废石堆场渗滤液及圣猝水库图1 0 图1 5 新桥选矿废水排放口1 l 图1 - 6 新桥露采场南优山坡剥离霭“ 图6 1 废石样品中f c 含量对比图2 9 图6 - 2 废石样品中c u 含量对比图2 9 图6 3 废石样品中z n 含量对比图2 9 图6 - 4 废石样品中c d 含量对比图3 0 图6 5 废石样品中p b 含量对比图3 0 图6 - 6 废石样品p h 值与a n c 的相关关系3 l 图6 7 废石样品p h 值与n a g 的相关关系3 l 图6 8 渗滤液p h 值时间曲线图3 5 图6 9 渗滤液硫酸根浓度时闻曲线图3 7 图6 1 0 渗滤液中f e 浓度变化曲线3 9 图6 1l 渗滤液中c u 浓度变化曲线4 0 图6 1 2 渗滤液中z n 浓度变化曲线4 2 图6 1 3 渗滤液中c d 浓度变化曲线4 3 图6 1 4 渗滤液中p b 浓度变化曲线4 5 图7 1 渗滤液p h 值时间曲线图4 9 图7 2 渗滤液硫酸根含量时间曲线图5 0 图7 3 渗滤液中f e 浓度变化曲线图5 l 图7 - 4 渗滤液中c u 浓度变化曲线图5 2 图7 5 渗滤液中z n 浓度变化曲线图5 4 图7 - 6 渗滤液中c d 浓度变化曲线图5 5 图7 7 渗滤液中p b 浓度变化曲线图5 6 表格清单 表l - l 凤凰山原矿化学成分分析结果7 表1 2 新桥硫铁矿主要矿物成分8 表1 3 新桥矿化学成分分析结果9 表6 1 废石样品重金属总量分析结采2 8 表6 2 废石样品酸中和能力实验结果3 l 表6 3 废石样品净产酸实验结果3 2 表6 4 不同粒径废石样品渗滤液p h 值3 4 表6 5 渗滤液的硫酸根浓度3 6 表6 石渗滤液中f e 元素浓度3 8 表6 7 渗滤液中c u 元素含量3 9 表6 8 渗滤液中z n 元素浓度4 1 表6 9 渗滤液中c d 元素浓度4 3 表6 1 0 渗滤液中p b 元素浓度4 4 表7 1 渗滤液的p h 值结果4 9 表7 2 渗滤液s 0 4 2 浓度5 0 表7 3 渗滤液中f e 元素浓度5 l 表7 - 4 渗滤液中c u 元素浓度5 2 表7 5 渗滤液中z i l 元素浓度5 3 表7 - 6 渗滤液中c d 元素浓度5 4 表7 7 渗滤液中p b 元素浓度5 6 独创性声明 本人声明所是交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加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 金目i 王些盍生 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：卉瑟j 泉签字日期：瑚可年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥b 至些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 瓶象 签字日期：捌7 年j 月力日 学位论文作者毕业后去向 1 ：作单位： 通讯地卅： 彳 导师签名：彳 签字日期卿厶缈日 电话 邮编 致谢 本人在研究生两年半的学习生涯中得到了徐晓春老师的悉心指导，尤其在硕 士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，得到了徐老师的精心指导与改正。 徐老师治学严谨的态度，广博的学识以及孜孜不倦的教育情怀，使我受益匪浅， 也使我对今后的人生充满了自信。在此，我向导师致以最衷心的感谢。 同时，我要感谢所有在实验过程中给予帮助的老师和同学。 作者：祝荣 2 0 0 6 年1 2 月2 2 日 序言 矿产资源是人类赖以生存的重要生产资料之一，其主要特点是不可再生和 短期内不可替代性。矿产资源是我国工业发展的基础，目前我国9 0 以上的能 源和8 0 左右的工业原料都来源于矿产资源。随着我国工业化的迅速发展，矿 产资源的需求将日益俱增，但是在矿产资源开发生产过程中，资源损失和浪费 非常严重，并对周围环境产生一系列深远的影响，造成生态、地质和景观等灾 害。同时，尾矿或废石堆中的杂质元素会进入表生地球化学循环，在不同气候 条件下，呈现不同的特征模式，尾矿和采矿废石氧化带的酸性水的排放、矿山 污染源对周围土壤和植物的影响使重金属元素等进入食物链，对人类和动物健 康造成威胁。因此，充分、有效、合理的利用矿产资源是关系到矿山可持续发 展的重大问题。 在对金属矿山开采过程中，会产生很多固体废弃物。这些固体废弃物堆积 在地表，经过长时间的风化、迁移、沉淀等地球化学作用，会对周围环境产生 缓慢持久的影响。近年来，国内学者针对采矿开发活动所产生的固体废弃物的 环境污染问题开展了相关研究工作，同时，也开展了土壤污染植物修复和矿区 生态恢复研究工作。矿山固体废物在其堆积和填埋过程中，长期处于与地下环 境相异的地表环境，将受到水、生物、温度、压力、人类活动等多因素的综合 影响，尾矿渣或采矿废石通过矿物风化溶解而使所含的重金属由岩石圈进入水 圈，从而在整个圈层中以多种途径循环。 淋溶是使有害微量元素从废石中析出的主要途径之一。例如在富有游离氧 的大气降雨作用下，煤矸石中的硫化铁首先发生氧化，生成硫酸铁f e 2 ( s 0 4 ) 3 和 硫酸，使水溶液强烈酸化，促使重金属的碳酸盐和氢氧化物溶解；另一方面它 又是h g 、p b 、z n 等有害微量元素的直接氧化剂，最终使煤或煤矸石中的重金属 呈硫酸盐形式随溶液析出、迁移。因此。研究采矿废石中有害微量元素的淋溶 不仅能为微量元素的可利用性及有毒有害元素的可剔除性奠定理论基础，而且 对预防采矿废石中有毒有害元素对环境的影响、保护生态和人类生存的环境也 具有理论指导意义和现实意义。 国内外的研究主要集中在煤矿、贱金属硫化物矿和铀矿方面，但对这几种 不同类型矿床采矿活动中重金属元素的济滤迁移对生态环境污染的系统综合研 究仍很不足。目前，国内外学者所做的研究主要有：对早期不同种类采矿残渣 和排水。酸陛采矿排水以及大量淋溶环境进行了研究( d o l d ，c t a l ，2 0 0 1 ；c a h a i a n 。 e t a l ，2 0 0 0 ) ；对于采自硫铁矿的尾矿残渣中重金属迁移和稳定的分析( l i n ，1 9 9 7 ) , 加拿大曾对几百年前关闭的部分矿山酸性水的产生和持续时嘲进行调查：截止 1 9 8 8 年，共调查1 0 8 座废矿，其中2 l 座仍在大量渗漏酸性水，说明矿山在关闭几 十年、上百年甚至更长时间后，尾矿及采矿废石淋滤液对生态环境的严重影响 仍然存在( 陈天虎等，2 0 0 1 ) 。还有很多学者开展了酸性矿山排水产生的空自j 变化 及其控制研究( e l b e f l i n g ，e ta l ，2 0 0 3 ；b u s s i e r c ，2 0 0 4 ) i 酸性排水环境地球化学 效应和污染现状评价( b o w e l l ，1 9 9 5 ；李辉等，1 9 9 8 ；p r a s a d ，2 0 0 1 ) ；硫化矿尾 矿和采矿废石因含有硫。更容易在自然力作用下发生风化，对环境的影响与危 害也更加复杂( 马少健等，2 0 0 2 ) 。近年来，还有国外学者为了避免研究材料的不 均匀性，而与多个国家的实验室联合进行了高度均质的飞灰材料几种条件严格 一致的淋溶实验( b r u n o d ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。另外还有学者对采矿区水体中重金属污 染指标进行了评估( v r a s a d ，e ta l ，2 0 0 1 ) ：利用地理信息系统g i s 来描绘土壤重金 属污染源的变更( l i n ，c ta l ，2 0 0 2 ) ；研究了生物淋滤技术在去除污泥中重金属的 应用( 周顺桂等，2 0 0 2 ) ：通过研究污泥中重金属的细菌淋滤来评价排污在农业中 应用的潜力( d e m s ，c ta l ，1 9 9 2 ) ；在重金属污染环境中，细菌种群结构、生理代 谢会产生各种变化以影响重会属的胁迫( 龚平，孙铁珩，李培军，1 9 9 7 ) 。同时， 关于矿区已污染区域修复的研究也一直在迸行中：如关于铜陵地区风丹种植对 于尾矿土壤的修复能力，学者们研究了各种会属在凤丹各部位的富集情况( 沈章 军等，2 0 0 5 ) i 在对铜陵林冲尾矿库复垦土壤中重金属( c u 、p b 、z n 、a s ) 含量的 分析测定的基础上，对该复垦土壤进行了重金属环境质量现状值的检验和计算 ( 王军等，2 0 0 5 ) ：在调查了铜陵凤凰山铜矿和薪桥硫铁矿两种不同类型矿山固 体废弃物特征的基础上，研究了矿山尾矿和废石产生酸性排水的可能性及其差 异以及矿山固体废弃物中重会属元素的赋存形式( 徐晓春等，2 0 0 5 ) 。还有学者尝 试将冶金学与重金属淋溶实验结合起来，以期弥补冶会学的不足之处( u r s u l a k e l m ，e ta l ，2 0 0 5 ) 。 在本次研究中，作者选择了具有数十年采矿历史的铜陵新桥硫铁矿废石堆 场来开展课题研究。由于多年的采矿活动，该矿对其所处的相思河流域的水环 境、土壤环境、大气环境已经产生了污染。为了解i 幺区酸性排水状况，初步认 识采矿活动中重金属的迁移分布规律，影响重金属扩散迁移的因素以及该区采 矿废石的产酸潜力及趋势，同时为了了解微生物对于该研究区废石的作用情形， 作者选择了模拟动态淋溶实验中重金属( c u 、p b 、z n 、c d 、f e ) 的迁移、采矿废 石产酸潜力以及样品灭菌后重金属( c u 、p b 、z n 、c d 、f e ) 的迁移和渗滤液中口h 值、s 0 4 2 。变化作为研究重点。 研究内容主要有以下几点： ( 1 ) 了解相思河流域的矿山开采状况，了解矿山的原生矿物成分和次生矿物 成分； ( z ) 对所采集的采矿废石中重会属迁移析出规律进行分析； ( 3 ) 对所采集的采矿废石产酸潜力进行初步分析； ( 4 ) 对所采集的采矿废石中微生物对重金属迁移析出舰律以及产酸潜力的 影响进行初步分析； ( 5 ) 对研究区重金属污染提出相关防治措施。 通过为期近3 个月的实验研究，利用o r i g i n 、e x c e l 等制图工具分析处理了 近千个数据，并查阅了大量的文献，得出了关于研究区采矿废石的一些基本结 论。在对采矿废石样品进行淋溶的过程中，发现废石样品后期会出现产酸现象。 另外，所研究的5 种重金属元素在淋溶过程中溶出量随着时间推移而变化，并 受到废石粒径、p h 值等因素的影响，且元素之间存在相关关系，元素之间会互 相影响其溶出量。而微生物实验的结果表明各种微生物对样品渗滤液的p h 值变 化、重金属溶出规律都存在着影响。在某些情况下微生物通过其代谢活动可促 使土壤中重金属的溶解。希望这些结论能够为后期该区的矿山环境评价、污染 防治、综合治理、生态恢复等提供科学依据。 第一章铜陵地区概况及研究区开采情况 1 1 铜陵地区概况 i i i 地理位置 铜陵位于安徽省中南部，地处长江下游南岸，在东经1 1 7 0 4 2 ，0 0 ”1 1 8 0 1 0 ”， 北纬3 0 。4 5 1 2 ”- 3 1 0 0 77 5 6 ”之自j 。东距芜湖8 0 公里，东南与繁昌、南陵两县交界， 西距安庆9 0 公里，南与青阳、贵池两县比邻，隔江与枞阳、无为两县相望，距 省会合肥市1 2 0 公里。属沿江丘陵平原，全市下辖三区一县，总面积1 1 1 3 平方 公里，其中市区面积为2 2 7 公里。由于铜陵市铜储量丰富，且有悠久的歼采历 史，所以有“铜都”之称。 i i 2 气候条件 铜陵属亚热带湿润气候区，季风气候特征明显，气候温和，四季分明，雨 量充沛，日照充足，春夏多雨，盛夏炎热，冬季温和，无霜期长，平均大约2 5 0 天，常年平均气温为1 6 2 。年平均降雨量约为1 3 9 0 r a m ，降水天数约为1 3 0 1 4 0 天，潮湿系数为1 ，属湿度充足带。全年月平均相对湿度7 5 8 1 。常年主导风 向规律明显，冬季为东北风，夏季为西南风，平均风速为1 9 2 8 m s ( 左振鲁， 2 0 0 1 ) 。 1 1 3 自然资源 铜陵具有丰富的自然资源，尤以矿产资源储鞋丰、矿种全而闻名。已探明 的矿种主要宵铜、硫、铁、金、银、煤、石灰石等，其中铜，金、银、硫铁矿 和石灰石储量均在会省名列前茅。大理石、灰硅岩，膨润上、铅锌矿、珍珠岩、 铆长石、石英石等，也有一定储最。在己探明的近3 0 种矿藏中，铜、金、银、 硫铁矿和石灰石储量居安徽省第一位，在华东地区办名列前茅。铜陵以产铜著 称于世，矿山采掘、炼铜和铸器迄今已有3 0 0 0 多年历史，李自曾以“炉火照天 地，红星乱紫烟”来描绘其盛况。铜陵因此成为中国青铜文化的发祥地，并被 国内外研究青铜文化的专家学者誉为“中国古铜都、当代铜基地”。另外铜陵的 植物及农业资源也极为丰富，是全国重要丹皮生产基地之一。 i i 4 地貌特征 铜陵北部为临江冲积平原，地势开阔平坦，以长江河滩阶地为主要地貌形 态，南部及东南部多为剥蚀低山地区；中部则以剥蚀丘陵为主，呈起伏之丘岗。 低山及丘陵均呈东北走向，形成宽约5 公罩，长2 0 公罩自东北向西南延伸的带 状地形。山区海拔1 0 0 5 0 0 米，丘陵海拔2 0 8 0 米，圩区海拔6 2 0 米，沿 江海拔8 1 5 米。 4 境内山脉系黄山山脉之末端，市区最高峰铜官山海拔4 9 3 米，它被周围的 笔架山、宝山、船形山、金口岭、天鹅抱蛋山、狮子山、老鸦岭、鸡冠山、凤 凰山等所环抱，山峦起伏，浑然一体。整个地势由南向北逐渐倾斜，自然分割 成山、丘、洲、圩四种地貌。沿江沟汉交错，洲圩众多，湖泊星罗棋布。 1 1 5 地质构造 铜陵地区所出露的地层以第四纪各种风化粘土及冲积土分布最广，其次为 古生代志留系的砂页岩，泥笳系五通组的石英砂岩，中生代三叠系石灰岩，以 及古生代石炭系和二叠系石灰岩及少量硅质岩。砂页岩出露面积较小，另外还 零星分布一些岩浆侵入岩及喷出岩。 铜陵地区位于扬子板块北缘，为大别造山带i ； 陆盆地中的次级隆起区，其 周边被断裂所围限。区域地质构造发展和演化经历了活动稳定再活动的漫长过 程：元古代以砂泥质复理石建造为主的沉积物经受区域变质和构造变形构成褶 皱基底，晋宁运动后发育巨厚的海相( 自j 夹海陆相) 沉积，印支燕山期活化、发 育强烈的中酸性岩浆活动，为形成层控矽卡岩型矿床创造了条件( 夏元法，1 9 9 9 ) 。 从古生代至早三叠世沉积了海相、滨海浅海相碎屑岩碳酸盐岩及硅质岩建造， 间夹海陆交互相沉积，为区内铜、金多金属矿化提供了有利的沉积基础。晚三 叠世以来由于印支燕山运动使该区的地壳再次活化，并导致沉积地层发生褶皱 隆起，断裂坳陷。尤其是燕山运动过程中强烈的岩浆活动使本区内的沉积地层 受到岩浆热液的叠加改造作用，形成既有外生矿床又有铜、金等内生矿床产出 的成矿区域( 黄崇轲等，2 0 0 1 ) 。燕山晚期本区构造格架基本定型，一系列呈北东 向排列整齐的背斜和向斜，由古生代中生代老地层组成，其上迭置新生代红 层。基底断裂主要有东西向、南北向及北东向三组。木镇烟墩铺和铜陵南陵东 西向隐伏基底断裂构成铜陵地块南北边界，盖层中各方位构造均发育，而以北 东向褶皱为主体。 铜陵东部和南部分布的绵延山脊，几乎都是泥盆系和志留系石英砂岩组成， 中部丘陵大多为石灰岩组成。铜陵境内的低山和丘陵几乎都是褶皱山，而断层 山则很少见。因此山脉都表现为低缓，较少险峻。但风凰山南麓高达6 0 米的飞 瀑滴水崖，是境内罕见的断层岩。本地区所有露出的石炭系二叠系三叠系下 统地层为碳酸盐层，因其裂隙、溶洞分布较普遍，故区域内有着良好的含水岩 组，蕴藏着丰富的地下水资源。 铜陵地区铜矿体的围岩主要是碳酸盐岩，特别是中、上石炭统黄龙组和船 山组灰岩、下三叠统和龙山组条带状灰岩最利于矿化，矿化率高达8 9 7 。矿床 的原生分带现象十分明显，如风凰山铜矿床自上而下为：矽卡岩、磁铁矿、磁 铁矿+ 磁黄铁矿、磁黄铁矿+ 黄铁矿、黄铁矿。含铜的工业矿体主要位于磁铁矿 和黄铁矿的矿化带中，矿体一般不规则，呈透镜状、似层状、柱状、桶状，规 模大小不等，长度一般为1 0 0 3 0 0 m ，宽1 0 2 5 m ，延伸1 0 0 2 0 0 m 。矿石呈块状、 浸染状、条带状。矿石中的矿物组分主要是：磁铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿、黄 铜矿、毒砂，另有方铅矿、闪锌矿、斑铜矿等：而脉石矿物主要为：石榴子石、 透辉石、钙铁辉石、透闪石、绿帘石、硅荻石、石英和碳酸盐类矿物。矿床次 生氧化发育，可常见次生富集带，氧化带深度一般小于3 0 m 。 1 2 研究区开采情况 研究区位于相思河流域。如图卜i 所示，该流域位于铜陵市东南郊，上游 名日相思河，下游名日新桥河，与顺安河一起流入长江。该支流起源于风凰山， 流经7 0 1 厂、新桥镇、铜芜高速等。其所经流域山、圩、地兼而有之，土地肥 沃，气候温和，雨量充沛，为农作物生长创造了有利条件，农业生产以粮食和 经济作物为主，粮食作物有水稻、小麦等；经济作物主要有棉花、大豆、油菜、 花生、芝麻、茶叶、苎麻、油桐、大蒜等。药类经济植物以风凰山丹皮最为著 名。渔业发达，鱼类品种资源丰富，商品鱼类有：青鱼、草鱼、黄鲢鱼、白鲢 链鱼、鲤鱼、鳊鱼、团头鲂、黄鳝、泥鳅等。珍贵鱼类有：季刀鱼、银鱼、华 鱼、鲟鱼、镢鱼、鲥鱼、鳗鱼等。此外，还有鳘、龟、蚌、螺、虾、螃蟹等。 图i - i 研究区主要矿区分布图 6 在相思河的上、中、下游分布着一些中小型矿区。因此在开采过程中对周 边地区造成严重的影响，至今即使有些已经废弃，但是其尾矿残渣与采矿废石 仍在对矿区周围环境产生着影响。其中相思河流域影响较大的矿区分别为凤凰 山铜矿和新桥硫铁矿。本次研究区选在新桥硫铁矿废石堆场。 1 2 1 凤凰山铜矿 凤凰山位于铜陵市东南约3 5 公里处，它不仅是山明水秀、篁幽林深、富饶 美丽、驰名中外的“风丹之乡”，而且也是产铜历史悠久、传说神奇动人、胜迹 颇多之地。其滴水崖、凤凰石、相思树、牡丹园及会牛洞古矿遗址等景观，构 成了一幅既清新淡雅而又绚丽多彩的画卷，属于铜陵市三大自然风景保护区之 一。风凰山铜矿是新屋里盆地的一部分，盆地中心为燕山晚期的新屋罩岩体， 主要由花岗闪长岩和石英二长闪长岩组成，四周山丘主要为二叠纪至三叠纪的 碳酸盐岩地层。围绕岩体边缘沿接触带产出有凤凰山、宝山陶、铁山头、仙人 冲、清水塘和江家冲多个铜矿，其中只有风凰山矿床达到了中型规模，其余都 为小型。风凰山铜矿是以含铜为主，伴生金、银、铁、硫的多金属矿山，其主 要产品为铜铁硫精矿，金银则富集于铜精矿中。凤凰山铜矿是一座同处理矿石 量2 0 0 0 吨，产出铜、硫、铁三种产品的中型矿山。 原矿中的主要金属矿物为磁铁矿、菱铁矿、黄铁矿、赤铁矿，次为黄铜矿、 磁黄铁矿、褐铁矿，此外尚有少量的斑铜矿、闪锌矿、方铅矿、辉铜矿、铜蓝、 含砷黝铜矿。微量矿物有自然金、银金矿、硫银铋矿、碲银矿、硒银矿，偶见 银硫铋铅铜矿。主要脉石矿物为石英、方解石、钙铁石榴子石，次为白云石、 长石、珍珠云母及高岭石等。从表1 1 可以看出凤凰山原矿中a g 、c u 、f e 、c a o 的含量较高，其中c u 的质量百分比为1 2 7 。 墨! ：! 垦墨些基芏些兰堕坌坌堑堕墨! 丝2 1 型垒：! ! 12 垂童垒!垒gg ! ! 堕兰!垒!塑m g q 垒1 2 q 匹| 含鼍o 7 31 6 61 ，2 73 5 33 1 4 70 0 5 7o 2 1 o 0 1 49 9 91 5 11 5 91 6 3 2 ( 其中a u 、a g 品位单位为g t ) 矿石中的金银主要赋存于铜矿物或产于黄铁矿的裂隙中，多属微细粒不均 匀嵌布。矿石中的金主要以银金矿的形式存在，少量以自然金的形式产出。金 矿物多为乳滴状、星点状和粒状，主要包裹于黄铜矿中，其次包裹于斑铜矿中， 少量充填于黄铁矿与黄铜矿、斑铜矿与黄铜矿粒f 日j ，偶见赋存于闪锌矿和脉石 中。银主要富集在方铅矿和黄铜矿中，以碲银矿、硒银矿、硫银铋矿等形式产 出。碲银矿为不规则的细粒溶出物，一般为微米粒级，与黝铜矿、斑铜矿和黄 铜矿共生；硒银矿呈1 0 u m 大小包裹于黄铜矿或辉铜矿中；硫银铋矿则以固溶体 分解物的形式存在于方铅矿内，粒度极细。此外，银也有部分呈类质同象形式 存在于黄铜矿中( 柳红，2 0 0 1 ) 。 凤凰山铜矿有着悠久的采矿历史，目前仍在服役中。由于多年的开采活动， 在矿区周围留下了凤凰山相思谷尾矿库( 服役中) 、林冲尾矿库( 已封闭) 、凤凰山 排石场( 已封闭) 等。 1 2 2 新桥硫铁矿 新桥硫铁矿是一座以硫为主，伴生铜、铁、金、银、铅、锌等多种有用金 属元素的大型硫化物矿床。矿山采用坑露联合开采模式，目前已形成1 5 0 万t a 生 产能力( 其中露采9 0 万妇，坑采6 0 万t a ) ，同时建有处理能力1 2 0 万蚀的铜选厂 和处理能力6 0 万妇的选硫装置，是我国重要的硫铁矿生产基地之一( 吴大敏， 2 0 0 6 ) a 矿区位于大成山倾没背斜与舒家店背斜北两翼者交汇处。大地构造上属于 准阳山字型南东翼，矿区内主要构造线方向为北东向。矿区内岩浆岩有矾头岩 株，为石英闪长岩小侵入体；断裂构造有层间剥离破碎带及横断层。矿床成因 类型属矽卡岩一热液矿床。主要矿化发育于高丽山组砂页岩与黄龙组白云质灰 岩之间的层间剥离破碎带中，形成规模巨大的似层状矿体，其次则发育于侵入 体接触带中，形成不规则的透镜状、囊状矿体。断裂破碎带充填有脉状小矿体， 在层间剥离破碎带倾角变化地段，侵入体接触还与层间剥离破碎带交汇处，侵 入体接触凹处常有矿化富集现象( 王泽群，2 0 0 2 ) 。 表1 2 显示了新桥硫铁矿的主要矿物成分，它主要包括黄铁矿、黄铜矿、赤 铁矿、方铅矿、磁铁矿、磁黄铁矿等舍属矿物以及一些非金属矿物。 从表1 3 可看出新桥硫铁矿的原矿化学成分主要是s 、f e 、a g 、s i 0 2 ，其中 s 的质量百分比为3 6 2 7 。 壅! ：! 堑堑堕堡互圭墨互望盛坌( 王堡篓：! ! 丝2 种类名称 磁铁矿矿和，苕硐坛铁矿矿相、贝饫_ i i 自、芹锕黄铁削削钿、钳铎自l 自、 帮相 褐铁矿矿石 黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿、赤铁矿、方铅矿、铁闪锌矿、磁黄铁矿、胶状黄 金属矿物 铁矿、辉铜矿、斑铜矿，黝铜矿、硫盐类 艴属矿物薹篡篓麓杌黼石滢凡绷杌旆杌酝杌 每化矿物褐铁矿、辉铜矿、钢峙、莉雀石、阳矾、永绿矾、芬铁g - 8 墨! = 三堑堑芏些堂盛坌坌堑笙墨! 丝2 l 王! 塑：! ! 塑2 成分sc uz nf ep ba sp 含茸3 6 2 70 4 00 2 13 3 7 30 0 6 70 0 5 40 0 3 5 盛坌曼垒!垒g! i 垒垒1 2 垒! q丛坦 含鼍1 8 80 8 21 4 0 01 4 1 22 8 53 0 61 4 4 ( 其中a u 、a g 品位单位为g ，i ) 矿区主要地表水体有二河一库( 相思河，圣冲河，圣冲水库) ，新桥硫铁矿 部分露天开采，部分为井下开采。露天开采剥离的采矿废石堆积在圣冲水库东 侧，形成了规模宏大的废石堆场( 如图1 - 2 ) ，其废石堆放呈分缀分稀( 图t - 3 ) 。 从两图中可以看到后面的山体中间基本上已被废石所填平。其渗滤液聚积在山 谷人工废液库中，经抽排到处理厂加入石灰石中和。另外，由于新桥硫铁矿的 矿石经重金属萃取后，直接送至加工厂生产出硫酸，因此该矿区没有尾砂生成， 没有出现尾矿库。圣冲河自西向东贯穿新桥硫铁矿矿区，在矿区东部新桥镇附 近汇入相思河。圣冲水库位于矿区东北端，圣冲河上游筑坝截流丽形成，圣冲 水库上游3 0 0 m 处有圣冲泉，系栖霞灰岩中之上升泉，泉水注入圣冲水库( 胡国 信等，2 0 0 1 ) 。 图1 五新桥废石堆场 9 图1 3 新桥废石堆放情况 由于新桥硫铁矿部分是露天采矿，采矿场的废石表面硫化物矿物多已被氧 化。开采所产生的废石由卡车装载从采石场运至废石堆放场。废石堆场距采矿 场约2 公里，四面环山，但在东北及西南方向各有一山沟，由废石所产生的渗 滤液经这两处流出，东北方向连接着圣冲水库，此处建立了防护坝以防止渗滤 液对水体造成污染，西南方向因是山丘故尚未采取防护措施。 另外，在废石堆场西南方向的沟渠中测定渗滤水的p h 值为2 ，水的颜色为 红褐色，且有大量的悬浮物( 图1 - 4 ) ，估计是由f e 3 + 、a 1 3 + 和硫酸盐等组成的化 合物f 王军，2 0 0 4 ) 。 图l - 4 新桥废石堆场渗滤液及圣冲水库图 在渗滤液下即为圣冲水库，该水库位于矿区东北端，渗滤液的p h 值很低， 一旦拦截坝被大量侵蚀，对圣冲水库将造成严重的污染，使水质酸化且大量重 金属离子进入水系统中，危害周边地区人群的饮用水水质。同时，在新桥选矿 废水得排放口，可以看到流出液体的颜色都呈现红褐色( 如图l - 5 ) ，估计晕面含 有大量的铁离子、硫酸盐等化合物，一旦进入水体后会带来水质污染。为了排 放开采时造成的废水，用沙石混凝土建起人工河道进行疏通，这样就减少了废 水对周围土壤、农田的污染。 图1 5 新桥选矿废水排放口 图1 6 新桥露采场南侧山坡剥离面 同时，在采样过程中发现新桥硫铁矿的露天开采形成许多剥离面，即边坡 ( 如图1 6 ) 。这些剥离面在雨水、人为活动等的影响下有可能形成滑坡，造成堵 塞河道、阻断交通等危害。有资料显示，新桥矿区与废石堆场的不少边坡曾发 生过滑坡现象，对开采工作造成了一定的影响( 吴大敏，2 0 0 6 ) 。所以，在开采的 同时也要效地防治露天矿的边坡失稳问题。 另外，铜陵地区属亚热带湿润气候区，雨量充沛，全年月平均相对湿度为 7 5 8 1 。多年来矿区年平均降雨量1 4 1 7 m m ，平均2 4 d 时最大暴雨量l1 0 m m ， 5 月8 月为雨季，降雨天数平均1 6 0 d ，日最大降雨量2 7 4 m m ，年最大降雨量为 1 7 9 5 2r a n l ，1 9 9 7 1 9 9 9 连续三年年平均降雨量为1 3 9 6 6 m m ( 支u 恒亮，2 0 0 0 ) 。而 采矿剥离的废石大量堆积在露天废石堆场，长期暴露于空气，经过雨水淋滤氧 化，有害重金属在废石及土壤中发生迁移转化，产生了酸性废水，严重危害矿 区环境，污染地面水体，并可能对矿区周围人群健康产生危害。 在前人学者的研究调查中，发现由于新桥矿的开采以及废石的堆放已经使 得污染区下游的水生态系统有比其上游或下游更为严重的破坏，对矿区周围的 土壤、生态环境产生了影响( 王军等，2 0 0 4 ) 。这些都是对于采矿带来的有害重金 属和酸性排水等所产生的影响的调查，因此，在这些研究的基础上对该区重金 属迁移析出及采矿废石产酸潜力进行分析研究是极其必要的，其结果将可能有 助于了解有害重金属析出的规律和影响因素并对此提出改善建议和防治措施。 2 第二章矿山开采对环境影响 长期以来，由于在矿产资源开发利用中忽视环境保护，我国矿山环境恶化 趋势尚未得到有效遏制。土地破坏、水生态平衡失调同益突出，“三废”污染严 重，泥石流、地面塌陷等地质灾害加剧，全国矿山环境保护形势不容乐观( 王成 端，1 9 9 7 ) 。我国每年因采矿产生的废水约占全国工业废水排放总量的1 0 以上， 而处理率仅为4 2 3 ，绝大部分未经处理的废水直接排入江河湖海。我国每年 工业固体废物排放量中，8 5 以上来自矿山开采。全国国有煤矿现有煤矸石山 1 5 0 0 余座，历年堆积量达3 0 亿t ，占地5 0 0 0 多h m 2 。各类尾矿累计约2 5 亿t ， 并以每年3 亿t 的速度递增，不仅占用了大量土地，还对土壤和水资源造成了 严重污染。据不完全统计，我国金属矿山积存尾矿约4 0 多亿，并以每年1 亿多 的速度在增加，这些尾矿和废石中含有大量的有用组分( 张美钦，2 0 0 6 ) 。不管是 从再利用方面还是环境污染方面都是一个严峻的问题。 全国矿山植被、土地和水生态破坏问题严重。我国因采矿而直接破坏的森 林面积累计已达1 0 6 万h m 2 ，破坏草地面积2 6 3 万h m z 。全国因采矿累计占用 土地约5 8 6 万h m z ，破坏土地1 5 7 万h m 2 ，且每年仍以4 万h m 2 的速度递增。一 些地方因矿山开采破坏了水平衡，导致区域性地下水下降。此外，由于粗放式经 营，掠夺式开采，还造成了矿产资源的极大浪费。我国矿产资源总回收率只有 3 0 左右，比世界平均水平低2 0 个百分点。矿山复垦率仅为1 0 ，比发达国家 低5 0 多个百分点。同时，矿山环境污染防治和生态恢复技术滞后，也制约了矿 山环境保护与治理工作的开展( 徐晓春等，2 0 0 0 ) 。 目前，全国由于矿山开采带来的环境问题主要可以分为三类：地质环境问 题、生态环境问题和景观环境问题。下面将对其做一些简单的描述： 2 1 地质环境问题 采矿活动触及地质环境层次，采矿工程改变地形地貌和岩土体力学平衡， 破坏山体的完整性，导致其局部变形、断裂、脱离母体，在重力作用下迅速运 动酿成地质灾害。最常见的与采矿有关的地质灾害有：崩塌、滑坡、地裂缝及 危岩、泥石流、地面沉降及塌陷等。在今天，仍然有很多老矿区深受这些由采 矿引起的例如地面沉降等问题的影响。 崩塌：悬崖陡坡上被直立裂缝分割的岩土体突然脱离母体向下崩落的现象 称崩塌。据有关部门统计，约有1 3 的崩塌与采矿有关。在陡坡脚剥土挖洞， 使岩土体根部空虚，很容易引发崩塌。湖北远安盐池河磷矿岩崩是一个典型实 例：该矿自1 9 6 9 1 9 8 0 年在三面临空的陡崖下开采磷矿约6 0 万吨，造成 6 6 x 1 0 4 m 2 的采空区，致使上覆山体中的裂缝不断扩大，最后在暴阿和井下爆破 的激发下发生体积达1 0 0 万立方米的大规模崩塌。 地裂缝和危岩：其发生机制与崩塌相似，只不过受损山体尚未脱离母体而 成为危岩。据鄂西山区地质灾害调查表明，有3 8 8 的山体开裂和危岩与采矿 有关，其中长江三峡链予崖危岩最为著名。链子崖山脚因挖煤造成1 2 x 1 0 4 m 2 的 采空区，使上覆山体出现1 7 组5 8 条裂缝，每条裂缝宽数厘米至数米，深数十 米至百余米，2 8 9 x 1 0 4 m 3 的危岩耸然临空，威胁长江航道安全，国家不得不化重 金将其整治控制。研究区新桥硫铁矿露天采场也发育危岩，危及采矿安全，目 前已初步加固整治。 滑坡：斜坡上的岩土体沿一定的软弱面向下滑动的现象称滑坡。由于煤矿 等含矿层多属软弱工程地质岩类，其上覆岩层又往往是坚硬工程地质岩类，因 此在山坡坡脚开挖、切坡会诱发滑坡发生。例如大冶桐梓沟煤矿，因在山坡采 煤造成滑坡，1 0 5 0 的土体下滑破坏农田3 0 余亩。 地面塌陷：指地表岩土体向下陷落形成塌陷坑洞的现象。其中因采矿造成 的采空塌陷非常普遍，除上海、天津、福建、海南等省市外都有发生，特别是 黑龙江、山西、安徽、江苏、山东等省较为严重。其中因矿坑排水引起的塌陷 占人为塌陷1 7 。山东莱芜铁矿顾家台矿区因矿坑排水在厚1 5 6 m 受断层破碎 的第三系红色砂岩、粉砂岩中产生塌陷。 泥石流：产生在山区沟谷或山坡上，挟带大量固体物质的特殊洪流称泥石 流。采矿堆积的大量废石为泥石流提供物质来源能加剧泥石流的发生和来势。 1 9 8 4 年宜昌磷矿曾发生过一次泥石流，体积达1 1 6 0 x 1 0 4 m 3 ，其中固体物质的 主要来源之一就是采矿废石( 姚敬劬，2 0 0 3 ) 。 2 2 生态环境问题 矿山在开采的过程中，由于早期的粗放型经济，没有注意到环境问题的严 重性。除了带来一系列地质问题，还带来不可忽视的生态环境问题。在开采过 程中产生的环境污染主要为排放大量废石、尾砂、废水、废气、粉尘及噪声污 染。影响最为深远的是酸碱性废水的问题。生态系统是一个流动的体系，这些 污染物一旦进入生态系统，那么在很长一段时间内将无法完全降解。时至今日， 即使经过了几十年甚至上百年，仍有一些矿区甚至是已封闭很久的矿区产生的 酸性废水仍然会影响到周围的土壤、地下水等体系，严重危害了人类健康。 另外，还存在砍树毁林、征用耕地，矿山建设征用土地、砍伐森林，直接 破坏植被、农作物及野生动物栖息地，导致绿地面积缩减等问题。 固体废弃物占地并污染环境：采矿会产生大量废石，一般矿山剥采比在l l o 之间，铝土矿可高达1 3 1 6 ，即每采一吨矿石要产生数吨至数十吨的废石量， 一般占到采出矿石的6 0 9 0 。例如寿王坟铜矿堆积废石3 6 0 0 x 1 0 4 t ，占用土 地6 0 h m 2 。大宝山多金属矿堆积废石2 0 0 x 1 0 4 t ，占地9 0h m 2 。同时，采矿废石 也不可忽视，由于采矿废石多被磨至0 1 5 - 0 0 7 c m 以下，贮存于尾矿库坝或就近 1 4 排入河道、沟谷、低地，常溢流渗透，刮风扬尘，严重污染水、土和空气，恶 化当地生活环境。例如，冶金矿山9 个重点选厂附近的1 4 条河流被污染，粉尘 使周围土地沙化，造成3 5 3 1 亩农田绝产，4 0 2 9 亩农册减产。尾矿坝由于超负荷 或暴雨决坝成灾的事也屡有发生，成为灾害隐患。湖南东坡铅锌矿尾矿坝因山 洪而坍塌，尾矿填满沟溪、田地，涌入矿山坑道，伤亡数十人，直接损失几百 万元( 2 0 0 0 年第9 期资源产业，摘自中国矿业报) 。 废水污染环境：矿区废水来源于地表溶水、地下渗透水、采矿作业用水等 形成的矿井排出水，以及选矿废水、废石堆场和尾矿库渗透水或溢流水。矿井 排出水多呈酸性，含多种会属离子、氰化物、有机药剂残留物、细菌、病毒等。 其成分和含量随不同矿物成分、矿物类型、围岩性质等多种因素和相关条件不 同而变化，一般含有很多尘泥和悬浮物( 李铿贤等，1 9 9 5 ) 。矿山污水超标排放， 会污染农田、河流、湖泊、地下水，使农作物减产、鱼虾死亡。凡口铅锌矿过 去采用氰化物作为选矿药剂，使废水中氰浓度超标，造成农田污染、牲畜中毒 事故。 废气污染环境：矿山冶炼废气、粉尘、烟尘排空，降低空气质量，造成空 气污染。矿山废气主要有害成分有二氧化硫、氟化物及固体悬浮物等，会使植 物叶片退绿、生斑、脱落，农作物生长减缓，抗病虫害能力降低。以前大冶有 色公司冶炼厂排放的烟尘使周围泡桐树叶枯黄飘落，春季犹如秋季。 2 3 景观环境问题 采矿破坏景观的问题普遍存在，这罩主要是指在国家公园、风景名胜区、 地质遗迹保护区进行采矿活动而引发的景观环境问题。常见表现形式有：剥土 挖树损伤自然风景，采石烧灰破坏地质遗迹，运输爆破干扰名胜观光等。这些 活动的作用范围可能很小，对植被和山体的破坏也很局部，但对景观的伤害可 能是致命的，轻则“大煞风景”。重则使奇特景观或珍贵地质遗产不复存在( 姚 敬劬，2 0 0 3 ) 。 第三章矿山酸性排水及其产酸潜力预测的重要性 露