矿山地质环境问题的成因分析 矿山地质环境问题的产生
上海市存在的主要地质环境问题有遍布全市的地面沉降、土壤与浅层地下水污染、粘土与石材矿山遗留的矿山环境问题、海岸带局域海水入侵等。其中，地面沉降灾害发生时间最早、持续时间最长、影响范围最广、危害最严重。
上海市沉降沉降最早可追溯至1921年，至2007年地面平均沉降1.975m，最大沉降量3.035m，最大沉降速率超过110mm/a(1957～1961年)。不同时期地面沉降的发展过程也不均衡，表7-1列出了1921～2001年上海市中心城区不同时期的平均累计沉降量和年均沉降速率。根据1995年测绘成果，上海地面高程(吴淞高程系统)小于4.0m的沉降洼地，总面积已达1069Km2;而地面高程小于3.5m的洼地，面积约161Km2，几乎全部在中心城区;高程在3.0～2.5m之间的面积约26Km2。目前上海中心城区地面的自然标高一般只有2.5～4.5m，而原自然地面高程约在4.5～5.0m之间［7］。
上海地面沉降的形成与发展，给社会经济可持续发展带来多方面的负面影响。地面沉降造成的地面高程损失，使城市面临更大的防汛压力，沿江河的防汛设施不得不屡次加高、加固，其经济投入巨大。地面沉降改变了上海自然的泄洪条件，加大了遭受洪涝灾害的频率。据统计，1981～1994年的13年中，全市暴雨发生292次，其中22次发生在中心城区，均导致了地面积水灾害，平均每年1.7次。地面沉降还对已建成的地铁、桥梁、输配气工程等重大工程的正常运营带来不利影响，增加了运营维护费用。据张维然等估算，1921～2000年上海市地面沉降所造成的经济损失高达2943.1亿元，平均年损失36.8亿元［8］。
表7-1 上海市中心城区地面沉降发展过程表
资料来源:据张阿根［7］。
自20世纪50年代开始，人们开始对上海市地面沉降进行系统研究。1962年，《上海地面沉降问题研究报告》提出引起上海地面沉降的主要原因是大量开采地下水的初步结论。80年代，开展了人防工程开挖、高层建筑动静荷载、潮汐作用等对土层变形的影响研究。1990年开始发现大规模城市建设活动使水准点沉降量显著地大于分层标变形量，基坑开挖、井点降水、建筑物荷载的增加都使浅部软土层呈持续的压缩流变状态，加剧了地面沉降的扩展。陈正松等以上海中心城区为实验区，利用层次分析法对导致地面沉降的原因进行了综合分析，结果发现:引发上海市地面沉降的因素中，地下水开采占64.1%，地面工程负荷占16.7%，市政工程占4.2%，降雨蒸发量占5.6%，海平面上升占1.6%，土体自然固结占1.3%，新构造运动占1.5%［9］。因此，地下水开采与地面工程负荷是导致上海市地面沉降的主要因素。
图7-2 上海市地下水开采量变化柱状图
物质流理论认为，由地质环境输入到社会经济的物质流数量是产生地质环境问题的主要原因，这与上述研究结果是一致的。就上海市而言，从地质环境到社会经济的直接物质输入主要包括地下水和建筑材料，建筑材料以各种建筑物的形式转化为上海的物质财富。由图7-2可以知道，1921年上海市地下水开采量仅为0.003亿m3，1949年增加到0.88亿m3，1957～1961年，最大的年度地下水开采量超过2亿m3，随着地下水开采量的增加地面沉降速率不断加大;1965年以后进行压缩开采，到70年代末地下水开采量相对稳定在0.58亿～1.16亿m3，之后又有所增加，到90年代增至1.38亿m3，地面沉降速率随着地下水开采量的减少而降低，之后又随着地下水开采量的增加而再度加大;90年代末至今在政府限制开采的控制下，地下水开采量逐年下降，到2006年降至0.6亿m3，地面沉降速率得到控制。可采用8层以上建筑物增长情况表示建筑材料进入上海市数量的变化。从表7-2可知，1990年上海市8层以上建筑物仅为748幢，建筑面积为914万m2，到2006年迅速增长到11989幢，建筑面积达14821万m2，年均增长50%左右。陈正松等的研究表明，地面沉降速率与建设规模总体相一致［9］。张阿根由此得出，随着城市化进程的加速，地质环境所具有的资源属性在被充分利用与挖掘之后，地质环境的灾害属性便逐渐显现出来［7］。
表7-2 上海市8层以上建筑物数量增长情况
地质环境的出现早于人类，与地球演化历史相比较，地质环境的形成史要短得多。对人类有意义的是那些在人类出现时已形成的地质背景以及人类出现后发生的地质作用和地质过程。这些地质作用和地质过程往往具有中小时间尺度的特征，尽管它们的规模与强度不足以使全球地质背景发生结构性变化，但对于局域地质环境系统而言意义重大，有可能促使其整体结构性的改变而导致失稳。
然而地质作用是地球上的自然力驱动地球物质运动的行为，根据自然力的来源可进一步划分为内动力地质作用和外动力地质作用。
内动力地质作用的驱动力是地球形成时继承下来的，包括地内热能、地球旋转能、化学能和结晶能等。其中地内热能大部分源自放射性元素的衰变。它们使地球深部的岩石接近熔点或形成岩浆，由于加热不均匀，岩石(浆)密度具有差异，引起部分地壳上升、另一部分下降。在一些地点，高温高压的岩浆上升到地表，形成火山。地壳的运动又会引发地震，并使地壳的结构发生变化，出现褶皱、断裂。
外动力地质作用又称为外营力地质作用、表生地质作用，是地球外部圈层的运动而产生改变地表形态、物质迁移和堆积的各种作用。其驱动力主要来自于太阳的辐射热，日、月对地球的引力以及重力能。这些能量维系着地球浅表的热量和水分的运动，形成永不停息的水文循环，同时也是岩土物质再分配和生命延续的原动力。在外动力地质作用下，岩石会风化剥蚀形成松散的物质，并不断被搬运、沉积到低洼处，在此过程中地形得到改造，高山夷为平地，土壤的形成和流失又决定着生物的演替、进化，植物群落的繁盛与消亡。
地质环境是伴随人类历史的延续同时得到发展的，这种发展是通过自然的和人为的地质作用共同推进的。正如俄罗斯学者B.И.维尔纳茨基明确指出的:“地球上除传统地质学所论及的内动力地质作用和外动力地质作用外，目前已出现了新的地质营力，即人为地质作用。人类活动所造成的地质变化已与自然并驾齐驱。在某些方面和某些地域，人类的作用已超过自然地质作用的速度和强度，使之成为影响人类环境的重要力量。”这里所讲的人为地质作用可以定义为:人类通过工程活动，对地面以下地球四大要素自然分布格局的干扰，主要是对岩、土、地下水天然时空结构的改造。
人类的出现，特别是人类从自身利益出发，开发利用各种自然资源，并通过科学技术进步，扩大干预自然的能力，使人类终于成为地球表层物能交换、传递链条中的一个重要环节，在此过程中人类自身也得到改造。作为消费者，人类走过了从原始的被动顺应、选择地质环境的阶段，逐渐成为主动干预和改造地质环境的角色。为了进一步获取利益，人们上天入地、移山填海、采伐森林、开垦土地，改变了大自然长期形成的稳定性和原有的演化轨迹。随着社会形态的变革，生产方式的不断调整，人的行为的群体性和社会性特征愈来愈鲜明、突出。人为地质作用的目的性、功利性与政治、经济乃至法律、法规等意识形态的联系越加紧密，人为地质作用所产生的后果，即地质环境状况及变化必然受“社会之手”的操纵。尤其是在人为活动强度较大的地域，地质环境呈现出明显的社会属性。
地质环境系统按其组成可以划分为地质背景(或地质体)子系统和人工子系统。地质环境系统由地质背景子系统与人工子系统耦合而成，两者有着紧密的时-空关联。出现在地质背景子系统的各种地质现象及过程，在许多情况下是难以严格区分哪些是人为地质作用所为，哪些是纯自然地质作用所致。换句话说，这些现象和过程是两种地质作用的综合结果。所以，在研究地质环境系统演化时，重要的是收集地质背景结构性改变的证据，分析软结构和硬结构的变化特点和规律，再根据分析的结果，反推这些变化产生的自然原因和人为原因，从而对系统未来的时-空结构做出推断。
矿业开发或多或少会对地质环境造成影响破坏，有些矿山地质环境问题的产生具有必然性，有些矿山地质环境问题的产生则与矿业行为的规范程度关系密切，总而言之，导致湖南省矿山地质环境问题产生的因素主要有采矿行为、采选冶及治理技术以及自然因素。
一、采矿行为因素
矿业开发活动过程中，地下开采掘进及主动放顶、矿山地面工程建设、露天采场开挖及表土剥离等采矿行为，很难避免采空地面变形、地下水位下降、土地资源占用破坏等矿山地质环境问题的发生，这是矿业活动的基本属性所致。但规范的矿业活动或矿业活动过程中事先主动采取有效的矿山地质环境防护措施，将大大减少或消除采矿活动对矿山地质环境的破坏程度，即使产生破坏，其恢复治理也较容易。综合分析，目前湖南省因采矿行为不恰当而导致大量环境问题发生的主要方面有：
1.过度开采、掠夺式开采
受“大矿大开，小矿放开，有水快流，大力鼓励民营经济发展”思想的影响，矿业发展无序，高峰时期，湖南省各类矿山近两万处。据不完全统计，1998年，湖南省各类大小矿山达12417座，且还有不少非法开采、民采矿硐。一些矿山企业或私人团伙见矿就采，盲目乱采滥挖，越层越界，不留设甚至偷采保安矿墙（柱）等现象十分严重，导致全省矿山地质环境问题急剧爆发，为早期矿山地质环境问题恶化的主要原因。
2.环保意识薄弱，过度追求经济效益
为了追求经济效益最大化，历史上，不顾环境和他人利益，开采过程中不重视环境的保护及预防。主要表现为：废渣随意堆放而不惜占用农田、水库、河谷；废水肆意排放而不采取任何净化措施；居民区、重要设施区及基本农田下方开采而不留设保安矿柱，形成超深、超宽的采空区；不合法采矿权人或非法个人盗采保安矿柱等。
3.矿山地质环境保护方面技术人员匮乏
现有的众多小矿山，或无环境保护方面的技术员，或已有的技术人员水工环专业知识欠缺，对矿床水文地质条件、工程地质条件及其复杂性等开采技术条件不了解或认识不足，对可能引发的地质环境问题不会科学合理采取相应的预防措施，不自觉造成了对矿山地质环境的破坏，这是造成湖南省矿山地质环境问题的一个重要因素。
4.地方保护主义思想过重
在一些地方，矿产资源开发成为当地的主要经济支柱，是地方财政的最大来源。历史时期，部分地方政府和部门片面理解“发展才是硬道理”，存在“先发展起来，再改善生态和保护环境”的错误认识，对矿产资源管理秩序整顿、关停小矿山、保护矿山地质环境的要求执行不力，加重了矿山地质环境的破坏。
二、技术因素
1.矿山采、选技术落后，加剧了矿山地质环境问题的发生
受矿产资源禀赋条件限制，矿山开采技术落后，采用落后的“崩塌法”、“放大炮”等开采技术，造成了地面塌陷、崩塌、滑坡等地质灾害。部分井下开采矿山的探水技术落后，对老窑、老采空区、岩溶管道探测不完全而发生突水突泥事故，从而造成地面塌陷的发生。选矿工艺简单落后，如省内曾存在大量土法采选金矿、土法炼汞、炼砷、炼硫、炼矾、炼铅锌、氰化选矿的矿山，对矿山地质环境造成了污染。全省很多矿产资源，特别是有色金属资源，共（伴）生矿多、贫矿多，由于选矿技术落后，资源综合利用水平低，总回收率仅40%左右，综合利用水平低，不仅浪费资源，增加固体废弃物排放量，而且增加了尾砂中重金属的排放，加重了环境影响的程度。
2.废渣、废水综合利用程度低，矿山地质环境恢复治理技术落后
矿业活动过程中有大量废渣、废水排放，对其综合利用，不仅能变废为宝，节约资源，而且能有效保护矿山地质环境。湖南省矿山废渣、废水的综合治理率不高，矿山废渣综合利用率为26.83%，废水综合利用率为11.89%。同时，目前全省矿业废渣、废水综合治理利用的技术水平较低，方法工艺较落后。矿山地质环境恢复治理是一项专业性和技术性很强的工作，但当前矿山地质灾害防治和矿区土地复垦技术研究还很薄弱。如地面变形监测可有效预防地面塌陷、采空地面变形对地面设施的破坏，但目前地面变形监测尚处于探索研究阶段，而没有一套完整经济适用的监测技术体系及早掌控地面形变。就土地复垦而言，采矿废水、废渣造成的以重金属污染为代表的水土污染治理难度大，目前没有形成一套普适性的治理技术来恢复治理已污染破坏的土地，致使已破坏土地的恢复治理进度十分缓慢。
三、资金因素
历史上，由于采矿权人追求经济效益最大化，往往不主动对矿山地质环境破坏的风险进行及时防控。即使问题已经产生，但并不投入足够的资金进行治理恢复，从而导致大量的环境问题遗留。虽然近十年国家及地方政府和采矿权人对矿山地质环境问题已投入了大量的治理资金进行治理，但历史欠账多，治理面积有限。
四、自然因素
矿业活动破坏了矿山地质环境平衡条件是造成矿山地质环境问题的根本原因，但湖南省矿山地质环境条件脆弱是矿业活动容易导致矿山地质环境问题加剧的另一因素。
（一）气象与水文
湖南省降水量丰富，但年分布不均，全省多年平均降水量为1426.6mm，最大可达3089mm。由于大气降水丰沛，雨量集中，常出现暴雨，日最大降雨量达423.1mm。降雨是湖南矿山产生崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷及水土流失的一个重要因素。气候条件十分有利于岩石的风化作用，许多矿区岩石风化强烈，降低了岩体的完整性和稳定性；同时，强烈的风化作用也降低了废石堆的稳定性，容易产生矿山地质灾害。湖南季风变化大，夏、秋季干燥风大，是尾矿库产生扬尘污染的原因之一。地表水系发育，河网密布，许多矿区地表水与地下水之间具有水力联系，地表水往往成为矿井充水、突水的主要来源。尤其是极端天气的出现，如久旱逢暴雨，随之产生大量的矿山地质环境问题。
（二）地形地貌
地形强烈切割的深沟大川是崩塌、滑坡最有利的发生地段；各级阶地和剥夷面间的斜坡地带，崩塌、滑坡也十分发育；上下陡、中间缓的折线山坡，当山坡上部成马蹄形环状地形且汇水面积大时，易产生沿基岩面滑动的土层滑坡。湖南有色金属矿床多产于崇山峻岭之中，复杂的地形条件易发生崩塌、滑坡、泥石流地质灾害。
（三）矿床地质环境条件
湖南省能源矿产赋矿层主要为二叠系龙潭煤系、石炭系测水煤系，其次为二叠系吴家坪煤系、二叠系黔阳煤系、上三叠统、下侏罗统含煤岩系等。各含煤岩系岩性主要为粉砂岩、页岩、泥岩夹砂岩或互层，页岩、泥岩力学强度低，矿井工程地质条件大多为中等至差；而龙潭煤系北型、吴家坪煤系、黔阳煤系顶板、底板或顶底板为岩溶发育且富含岩溶地下水的碳酸岩盐，断裂构造发育且导水性强，水文地质条件及矿区构造大多复杂。建筑材料矿山的石膏矿产主要赋存层位有下石炭统梓门桥组、白垩系、古近—新近系，其中梓门桥组含膏岩系直接顶板为岩溶发育中等至强烈的梓门桥组上段灰岩，间接顶板为岩溶强发育的壶天群，水文地质条件大多为复杂至中等，白垩系及古近—新近系含膏岩系岩性多为泥岩、粉砂岩，岩石固结程度较低，岩体力学强度低，矿床工程地质条件大多较差。湖南省柿竹园多金属矿、黄沙坪、宝山、水口山铅锌矿、七宝山金银黄铁矿等主要有色金属矿床均为接触交代型矿床，其容矿层位均为岩溶发育的碳酸岩盐，水文地质条件复杂，花垣铅锌矿赋矿层位亦为寒武系下统清虚洞组灰岩，地下河等岩溶极发育。当开采上述矿产资源时，由于工程地质条件差，易引发采空区地面变形矿等矿山地质灾害；水文地质条件复杂，则易产生岩溶地面塌陷，并导致含水层结构破坏。这也是湖南省采空区地面变形灾害主要与测水煤系煤矿山、龙潭煤系（南型）煤矿山、石膏矿山有关及岩溶塌陷、含水层结构破坏主要与龙潭煤系（北型）、吴家坪煤系、黔阳煤系煤矿山、柿竹园多金属矿、黄沙坪、宝山铅锌矿、七宝山多金属矿等有色金属矿山有关的重要因素。
湖南省露天开采矿山绝大多数为砂石黏土矿山，花岗岩、石灰岩、石英岩等采石场，风化程度高，当节理、裂隙发育，开采形成较陡峻的临空面时，易发生崩塌；采砂场、砖瓦厂、高岭土矿、红土型金矿、淋积型锰矿开采对象为第四系土（砂）体，土体力学强度低，遇水易软化，采场边坡易发生崩滑现象；此外，石煤矿大多露天开采，部分沉积型铁矿、磷矿也有露天开采矿山，赋矿层位主要为震旦系至寒武系的江口组、陡山沱组、小烟溪组，岩性多为板岩、炭质板岩、砂质板岩，除层理外，板理、劈理均较发育，浅部风化节理十分发育，采场边坡易发生滑坡与崩塌。同时，采场剥离废石及采矿废石量较大，往往成为泥石流的物质来源。
有色金属及石煤矿山的废渣、废水中含大量重金属元素及放射性元素，化工盐类矿山废渣、废水中含卤族元素，中高硫煤矿山及硫铁矿山废渣、废水中含大量黄铁矿，均是矿山水土污染的污染物来源。
