龙胜三门镇滑石矿田地质环境灾害链及其综合治理

2015-04-02姚柏华唐名富全洪波

桂林理工大学学报 2015年1期

姚柏华，唐名富，全洪波

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林 541004)

0 引言

龙胜三门滑石矿田成矿带位于广西龙胜县西南古坪-都坪一带，走向呈北北东向，约包括16个滑石矿山，其中除了桂林桂广滑石有限公司龙胜矿区、广西龙广滑石有限公司龙胜矿区、华美滑石有限公司龙胜矿区外，其他大多数为小型滑石矿和矿点，规模较小。该区域地质背景复杂，成矿地质条件良好，是我国重要的优质滑石矿产区。长期以来，由于不计环境后果的大规模矿产资源开发活动，造成了严重的矿山地质环境问题，矿山开采引起山体崩塌、滑坡、地裂缝及地面塌陷，破坏土地、植被资源，矿山开采后形成的矿渣、废石，大部分沿自然边坡或沟谷堆放，形成了不稳定斜坡，存在严重的地质灾害隐患。同时又高又陡的渣堆，堵塞河道、污染水源，特别是遇暴雨发生时，易形成矿渣泥石流地质灾害，严重威胁着矿区内居民的生命财产安全。

自2003年龙胜三门滑石矿田各矿山进行多期技术改造以来，引发了大量的崩塌、滑坡、地裂缝、地面塌陷、水土流失等地质灾害。随着矿田内各矿山各自为政的矿山环境恢复治理工程的实施，在一定程度上减少了潜在地质灾害的发生。但由于对整个矿田矿山环境问题的危害性缺乏统一性的认识，在单个矿山的地质环境恢复治理过程中，只是简单套用规范或常规技术方法，治理工程标准偏低，对整个龙胜三门滑石矿田矿山环境问题的认识不足，治理方案针对性差或适宜性弱;恢复治理工程设计方法与思路较为狭窄，没有从整个矿山流域生态系统恢复的角度来筹划矿山环境系统与综合治理[1]。

本文以综合治理地质环境灾害链的思路来恢复矿山流域生态系统，全面分析了龙胜三门滑石矿田存在的矿山地质环境问题，以桂林滑石公司龙胜矿区鸡爪河流域矿山环境恢复治理工程为例，从治理矿山灾害链效应思路出发，采用修建预应力锚索+抗滑桩、拦挡墙(坝)和排水系统、河道疏通等流域治理方案，有效改善和治理矿山地质环境，恢复了矿山生态环境。

1 地质灾害链的基本概念

灾害链是指原生灾害及其引起的一种或多种次生灾害所形成的灾害系列。所谓“原生灾害”是指由动力活动或环境异常变化直接形成的自然灾害，“次生灾害”是由原生灾害引起的“连带性”或“延续性”灾害[2]。在2008年中国科协组织的第16届新观点新学说学术沙龙上，围绕“重大灾害链演变过程、预测方法及对策研究”，提出重大灾害往往相互关联、互相影响，抓住它们之间的相互关系，用整体思维去研究，运用多学科手段开展重大灾害链机理、预测方法和城市群防灾研究，把自然灾害突发事件和人类行为学二者相互交融，有些过去不能预测的灾害，就有可能预测成功[3]。

矿业活动中对地质环境的影响超过了矿山地质环境容量，因产生、引发或加剧的环境地质问题而出现一系列的地质灾害，主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面塌陷等地质灾害。矿山地质环境问题往往不是孤立发生和存在的，而是存在着矿山地质环境问题链[1-5]，即前一种矿山地质环境问题的结果往往是后一种矿山地质环境问题的诱发因素(图1)。矿山地质环境问题链存在空间效应、链式效应、时空效应、协同效应、网状效应、影响广泛等特性[2]。在矿山环境恢复治理工程中充分运用综合治理地质环境灾害链的思路，对于提高矿山地质环境的治理效果和效率起到良好的示范效应。

图1 矿山地质环境灾害链[1]Fig.1 Mine geological environment disaster chain

2 龙胜三门滑石矿田孕灾环境

2.1 地形地貌

三门滑石矿田区域地貌类型为侵蚀剥蚀地貌。地形总体为东高西低;区内最高标高685 m，最低标高458 m，地形切割强烈，山体坡度一般为25° ～45°，局部坡度达到60°[6-7]。

2.2 区域构造

三门滑石矿田位于南岭系与广西“山”字型脊柱的复合部位，三门复式倒转背斜的次级构造——林家湾背斜的西翼，其矿田构造为更次一级的倒转向斜构造，轴部为合桐组第五段白云石大理岩段及拱洞组千枚岩、板岩段，两翼侧为合桐组第四段细碧岩段，轴向北东15° ～20°。由于受区域地质构造作用的影响，致使基岩面倾角较陡，节理裂隙较发育，力学强度及抗风化能力受到一定影响。本区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35 s，地震基本烈度Ⅵ度，矿山抗震设防≥Ⅵ度[6-7]。

2.3 地层与岩性

根据岩土体成因时代、岩性特征、物理力学性质的差异，三门滑石矿田岩土可划分为4 个工程地质层 (图2)，各地层分布、岩性特征如下[6-7]。

①素填土(Qml4 ):褐色、灰褐色、红褐色、黄褐色或杂色。由粘土、碎石粘土和砾粗砂等组成，局部夹块石，硬杂质含量30% ～60%不等，稍湿—湿，孔隙大，软硬不均，平均厚度1.43 m。

②含碎石粘土(Qel+dl4):广泛分布于山体表面，红褐色，局部黄褐色、灰褐色，粘土含量约20% ～49%，粘土为可塑—硬塑状，角砾、碎石成分以细碧岩为主，粒径一般为1 ～4 cm，砾粗砂含量约15%，稍密—中密状，厚度0.3 ～12.9 m。

③强风化细碧岩(Pt3h1):红褐色、浅灰绿色，显微鳞片变晶结构，变余交积细碧结构，枕状、气孔状、杏仁状构造。风化强烈，属于次软岩，风化裂隙发育，岩心破碎，局部已全风化成碎石土状，厚度0.7 ～14.1 m。

④中—微风化细碧岩(Pt3h1):红褐色、浅灰绿色，显微鳞片变晶结构，变余交积细碧结构，枕状、气孔状、杏仁状构造。中等风化—微风化，属于极硬岩，岩心较完整，厚度大，未揭穿该层。

2.4 水文地质条件

矿区地下水主要受大气降水补给，其埋藏深度与地形有关，山背部位约6 ～10 m，地下水位随季节变化较大，变幅11.5 m。地下水类型有基岩裂隙潜水和松散层孔隙水。抽水试验获得的渗透系数为每天数十厘米到数米，主要原因是碎块石所构成的格架中存在大量地下水的排泄管道，即存在地下水管道排泄系统[8]。

3 龙胜三门滑石矿田主要矿山地质环境问题

三门河发源于临桂县上黄沙山麓，南流黄沙、上朝塘，再转北流入县境，经小江口、双朗、三门及瓢里乡之界泉、六漫等地，于交洲河口注入寻江，县境长度60 km，集雨面积574.84 km2，在龙胜三门滑石矿田支流有古坪河、鸡爪河、上朗河(图3)。龙胜三门滑石矿田的一系列的矿山地质灾害，包括进矿公路滑坡、崩塌、泥石流，矿山开采诱发的崩塌、滑坡、地面塌陷等以及大气、水质、土壤等污染引起的矿山地质环境问题[9-13]，给当地的经济发展与社会稳定带来了重大影响。

图3 三门滑石矿田主要矿区分布Fig.3 Sanmeng talc ore field distribution map of the main mining area

3.1 矿山开采边坡形成进矿公路崩塌滑坡链

矿区矿体围岩主要为细碧岩、白云大理岩夹千枚岩，岩层为薄层—中厚层，层理较发育，岩层倾向260° ～290°，倾角43° ～85°。整个矿区山体上部岩体呈强—中风化状，裂隙发育，主要有两组:一组265°∠70°，发育密度3 条/m;另一组280°∠52°，发育密度3 条/m。裂隙中泥质充填，岩石多被分割成块体，完整性差，局部破碎，是形成崩塌、滑坡的主要因素。当开采过程掘进面放坡不当或开挖爆破震动易产生岩土体崩塌。削坡挖方形成卸荷临空面，使边坡的土层和强风化岩体的天然平衡状态受到破坏。近两年来三门滑石矿田各矿山采矿边坡发生滑坡十多处，其中桂广滑石矿6 处，龙广滑石矿和华美滑石矿各3 处。图4为龙广滑石矿采场边坡滑坡。

图4 龙广滑石矿采场边坡滑坡Fig.4 Slope landslide Longguang talc mining

矿田进矿道路总长约14.8 km，其中桂广滑石矿进矿道路2.4 km，华美滑石矿进矿道路7.4 km，龙广滑石矿进矿道路5.0 km，矿田各矿山共用桂广滑石矿进矿公路。公路穿行地段属低山陡坡地貌，自然坡度15° ～40°，局部50°，沿线山坡一般海拔在+420 ～+750 m，最大高差330 m，公路临鸡爪河沿山腰而行，大部分地段开挖边坡，形成人工边坡高度5 ～25 m 不等，坡度30° ～45°，表层风化带主要由素填土、耕植土、第四系残坡积的含碎石粘土、块石组成，厚度0.5 ～5 m，下伏基岩为元古界丹州群合桐组细碧岩夹千枚岩、白云石大理岩，在大雨或者连续降雨的影响下，边坡表层易发生土石混合的崩塌、滑坡地质灾害。特别是桂广滑石矿沿鸡爪河新选厂地段，该地段发育一系列滑坡构成滑坡群，共有5 处:1 号滑坡发生于2007年6月;2 号滑坡发生于2008年1月，出现了乡镇公路路面开裂和上边坡滑塌迹象;3 号滑坡位于新建选厂附属场地上，于2009 -07 -03 发生整体滑移，滑坡冲毁了下部的平台，一直冲到鸡爪河中，并造成较大经济损失;4 号滑坡发生滑动时间不详;5 号滑坡发生于2007年11月，滑体后缘出现开裂[5]。

3.2 矿渣随及水土流失形成矿渣泥石流灾害链

矿渣泥石流是龙胜三门滑石矿田矿山开采中危害最严重的地质灾害之一。各矿山开采排放的大量弃石(土)、矿渣，堆放在山体斜坡上，在暴雨的冲刷侵蚀作用下，造成严重的水土流失，诱发矿渣泥石流灾害(表1)。

在各尾矿库，废石主要靠运输车辆压实，结构较为松散，为泥石流的形成提供了物质来源，在大雨及连续降雨影响下易发生矿渣型泥石流，易形成重度大、形成区与堆积区相连、堆积作用迅速、规模小—中等的泥(废)石流，造成严重灾害(图5)。

3.3 矿山开采诱发地面塌陷和地裂缝

由于长期开采活动，目前各矿区内已存在大量采空区，采空区地面塌陷是由于在地下边探边采形成无规律采空区，长时间无序开采导致采空区坍塌形成。井巷开拓后，由于开采顺序以及采场管理均不规范，在矿区特定的地质环境条件下，矿山开采加剧了岩层各组裂缝的发育和张开，及岩层软弱结构面的破坏，使矿层和围岩的稳定性降低，以致使地面产生开裂、沉降，甚至采空区地面塌陷。特别是华美滑石矿，自2003年始，由于受H1 号采空区塌陷的影响，在3#窿道一带发生约3 万m2范围内地表及民房、矿区办公室、矿工宿舍、河边护堤等出现开裂、下沉、变形，造成严重的地质灾害。

表1 各矿山废石场规模与特征Table 1 Scale and characteristics of the mine field

图5 龙广滑石矿2 号弃石矿渣诱发泥石流灾害Fig.5 No.2 abandoned stone slag induced debris flow disaster of Longguang talc mine

4 针对地质环境群的龙胜矿区鸡爪河流域地质环境灾害综合治理

桂林滑石公司龙胜矿区鸡爪河流域因为矿山开采造成矿区地质环境问题突出，采场边坡及进矿公路崩塌、滑坡频发，矿渣随意堆放，地质灾害链效应明显，应以综合治理地质环境灾害链的思路，进行矿山环境恢复治理，恢复矿山流域生态系统。

4.1 进矿公路滑坡群治理[14]

据调查，危害较明显的滑坡有5 处，各滑坡主滑方向与山坡坡向基本相同或相近，总方量144 224 m3。滑坡群规模与滑坡平面形态特征详见表2。

以2 号滑坡为例[15]:

(1)地表和地下排水。在滑体上设置完善的地表排水水系统，使地表水能够顺畅排出，减少降雨对滑体稳定性的不利影响。

(2)锚索+抗滑桩工程。在滑坡5 -5′、6 -6′剖面前缘设计附近抗滑桩1 排，共设计10 根，桩距5.0 m，桩顶上布置1 排预应力锚索，为防止塌孔及克服土体沉降对预应力锚索产生的竖向剪切作用，在锚索自由段设置Φ127 无缝钢管，嵌入滑动面风化岩石1.5 m，滑坡体中部另布置2 ～3 排单点锚索，锚索锚固于滑动面以下稳定地层中，通过对锚索施加预应力，利用锚索和抗滑桩的水平抗滑作用阻挡滑坡向下蠕动滑移，变被动防护为主动防护(图6)。

表2 滑坡规模与平面形态特征[7]Table 2 Landslide scale and shape

图6 龙胜滑石矿区2 号滑坡平面布置图Fig.6 No.2 landslide floor plan of talc mine in Longsheng

(3)挡土墙工程，在滑坡4 -4′、7 -7′剖面滑坡推力较小的前缘各设计挡土墙1 道，挡土墙高度均为6 m，墙体上布置1 排4Φ15.24 预应力锚索，锚索锚固于滑动面以下稳定地层中。通过对锚索施加预应力，利用锚索和挡墙的水平抗滑作用，阻挡滑坡向下蠕动滑移，变被动防护为主动防护(图7)。

图7 预应力锚索、抗滑桩加固剖面Fig.7 Profile reinforced with piles and cable

4.2 采场边坡优化设计方案[16]

采场南部边坡属于斜交岩质边坡，岩层属于软质岩石，抗风化和软化能力弱，抗剪强度低，岩层节理发育，在雨水的入渗冲刷作用下，边坡的稳定性会进一步降低，这种趋势不断发展，最终会形成大规模崩塌、滑坡，对古坪公路、采场及人员的生命财产构成严重威胁，其后果不堪设想。因此，为保障优化段边坡的稳定和杜绝安全事故的发生，必须对采场陡帮方案的边坡采取加固防护措施(图8)。

(1)地表排水，为了保证边坡的安全，必须在边坡上设置完善的地表排水系统，使地表水能够顺畅排出，减少降雨对边坡稳定性的不利影响，排水沟布设在边坡的周边，排水系统结合古坪公路和采场进行。

(2)公路下边坡预应力锚索工程，按照现场地形条件，在K0 +00 ～K0 +150，在标高+560 ～+608 m 以上按1∶0.25刷坡，并按每10 m 高设一个2 m 宽的平台，并在该范围按排距4 m、行距5.0 m 布置预应力锚索进行加固，主要是利用锚索预应力作用对边坡进行加固，防止其发生松弛变形;其次是通过喷锚防护，避免边坡受雨水冲刷，防止和延缓软弱岩土表面的风化、碎裂、剥蚀，从而减缓温差及湿度变化的影响，达到保护边坡整体稳定性的效果。

(3)公路上边坡锚固工程，公路上边坡首先按间距2 m×2 m 梅花状沿斜坡面布设锚钉，设计锚钉孔径Φ36 ～48 mm，锚钉孔与坡面垂直，锚杆主筋由一根Φ12 mm 钢筋组成。下锚后灌满M20砂浆或纯水泥浆，外部预留的弯钩必须垂直向上坡方向。在坡面挂网和喷锚前应对坡面松动岩土体进行清除，以保证施工安全和边坡加固防护质量。坡面按20 ～30 m2布设一个泄水孔，孔径5.0 cm，深15 cm，仰角5°，以此达到对边坡进行加固防护的效果。

图8 采场边坡加固防护剖面Fig.8 Profile of slope protection reinforcement

4.3 尾矿库综合治理[9，14]

拟建选厂下方截取一段河道作为尾矿库。但由于河流上游两岸山坡采矿时弃置有大量废石土，当降暴雨时，这些废石土便随洪水倾泄入河里。因此，为了阻止洪水和废石土排入库区，在河流上建一拦砂坝，并于坝前开一排水排砂的排洪隧洞，改变河流的流水方向。与此同时，在距坝的下游约300 m 处建一尾矿坝，在两坝之间的河道形成一个300 m 长的河谷型尾矿库。尾矿库底部标高在+335 ～+350 m，河流平均宽约10 m 左右，设计坝高20 m，库区平均宽50 m，设计库容24 万m3，可满足选厂21年生产服务年限所排尾矿的堆存量。坝体结构采用浆砌片石坝，坝体采取分期建设，第一期建坝高10 m，以后可根据生产使用需要，分期逐步加高，一期建坝工程量为7 986 m3。

因山上洪水大部分已被上游坝体截走，库区内的汇水面积已甚小，库内排水可不考虑建专门的排水构筑物，正常生产时，尾矿水返回循环使用，雨季时多余的尾矿澄清水从砌石坝顶溢流外排即可。

4.4 排洪隧洞[7，14]

设计排洪隧洞长1 200 m，汇水面积为17 km2，根据广西统计的当地水文资料计算，当设计频率为50年一遇时，洪峰流量为337.28 m3/s。由于上游有大量的废石土要通过隧洞外排，为不让废石土在隧洞内堆积堵塞隧洞，隧洞底坡拟为7%。隧洞过水断面面积为22 m2，通过流量为363.17 m3/s，大于计算的337.28 m3/s 的洪峰量，满足排洪要求。隧洞断面的具体尺寸:宽4.20 m，垂高4.40 m，拱高1.10 m，开挖断面27.57 m2，隧洞长1 200 m，开挖工程量约33 084 m3。隧洞前后各支护20 m，共支护长度40 m，支护用钢筋砼量为1 085 m3。