陕西省乾县五峰山石灰岩矿高效利用与生态修复研究

寿立永，张 亮，王 焘，吴 凯，阴建定

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710003)

陕西省乾县五峰山位于关中盆地北缘，乾县县城东北25 km处，东邻礼泉县、北扼永寿县，该区赋存大量优质石灰岩矿产资源。近20年来，基础设施建设对石灰岩矿产资源需求旺盛，该地区开设了20余处规模小、利用率低、资源浪费大的采石矿山[1]。2015年以来，随着陕西省开山采石专项整治工作的深入实施，大部分矿山被关停，相关部门大力推进矿产资源集约利用与废弃矿山生态修复工作。

节约资源和保护环境是我国的基本国策，统筹推进“五位一体”总体布局对矿产资源开发也提出了更高的要求。本文对五峰山地区矿产资源开发存在的资源浪费问题、环境破坏问题进行了系统总结，在此基础上，以解决存在的问题为导向，通过矿产资源集约利用、分级利用、综合利用实现矿产资源的高效利用；按照顺应自然、师法自然的理念，通过地形重塑、水土保持综合治理、生物群落重建等措施，重新构建矿区“山水林田湖草生命共同体”。旨在解决矿产资源开发与环境保护的矛盾，实现资源效益、生态效益、经济效益、社会效益的协调统一，推动该区域的矿业经济持续高质量发展。

1 矿区地质概况

五峰山石灰岩矿床赋存于中奥陶统马家沟组上段(O2m2)，岩性为浅灰色～深灰色灰岩、白云质灰岩，粒屑粉细晶结构，中厚层块状构造。矿体东西长1 900 m，南北宽1 200 m，最大厚度278 m。矿区地层单斜构造，总体产状350°∠43°，断层和褶皱均不发育，构造简单，构造活动对矿体完整性和岩石的结构无明显破坏作用。矿体内部有两个高MgO夹层，岩性为白云质灰岩，厚4～18 m；两个高SiO2夹层，岩性为含硅质条带灰岩，厚4～12 m。矿体直接顶板为更新统(Qp)黄土，厚0～83 m，黄土覆盖层分布广、厚度大，为矿床开采剥离物。

根据矿石质量评价指标，矿区矿石工业类型可分为化工用灰岩、水泥用灰岩Ⅰ级品、建筑石料用白云质灰岩三类，初步估算远景资源量400 Mt(表1)。

表1 矿区资源储量表Table 1 Statistical table of resource reserves

2 矿产资源开发利用存在的问题

五峰山地区2002年以前仅有若干处小型民采点，基本保持了原始地貌景观(图1)，但由于缺乏科学的规划，在2014年矿产资源开发鼎盛期，同一矿区、同一矿体设置了近20处小型矿山(图2)，造成了矿产资源的严重浪费和环境的严重破坏。

图1 2002年五峰山地区遥感影像Fig.1 Remote sensing image in 2002 ofWufeng mountain area

图2 2014年五峰山地区遥感影像Fig.2 Remote sensing image in 2014 ofWufeng mountain area

2.1 矿产资源浪费问题

五峰山地区赋存120 Mt化工用灰岩，CaO平均含量55.12%，MgO平均含量0.32%，属于稀缺资源，可广泛用于化工、玻纤、高活性脱硫石灰、纳米碳酸钙等产业。但绝大部分矿山未对三种不同品级矿石进行区分，简单用于建筑石料生产，使得“高质低用”“高低混用”，降低了产品附加值。此外，同一矿体设置的多个采矿权，开采后形成诸多“隔墙”(图3)，也浪费了大量资源。

2.2 环境破坏问题

五峰山地区环境问题主要为“三废”问题、地形地貌景观破坏和生态环境问题、地质灾害、土地资源占用和破坏(表2)，最严重的是地形地貌景观破坏，此类破坏治理难度大，对废弃矿山进行景观再造是亟待解决的难题[2-3]，矿山环境修复工作任重道远。

图3 矿区现状地形图Fig.3 Current topographic map of mining area

表2 矿区环境问题分析表Table 2 Analysis of environmental problems

3 矿产资源的集约利用

五峰山地区以往的矿产资源开发具有低利用、高排放的特点，要改变此种现状，必须从根本上将粗放的资源利用方式转为发展循环经济。通过矿产资源的循环利用，减少矿产资源开发对环境造成的压力，缓解资源短缺的现状，实现经济的平稳可持续发展[4]。依据五峰山地区矿产资源特点，综合考虑环境承载力，提出资源统筹规划、集中开发，矿石优质优用、分级利用，废弃物综合利用的资源利用模式。

3.1 统筹规划、集中开发

五峰山地区矿产资源开发具有随意性、盲目性的重要原因是缺少前瞻性的科学规划，因此，必须提高全矿区地质勘查程度，详细查明矿产资源禀赋条件，在此基础上科学划定矿区范围，集中开发，严格禁止“大矿小开”“一矿多开”等现象发生。

3.2 矿石优质优用、分级利用

按照矿石稀缺性、潜在经济价值将矿石按化工用灰岩、水泥用灰岩、建筑石料用灰岩三个级别分级利用。利用阶梯：纯度高的矿石用于化工原料、高活性石灰、纳米碳酸钙、玻纤等产业→质量中等矿石作为钙质原料用于水泥生产→MgO含量超标用作建筑石料用于生产混凝土骨料，从而实现石灰岩矿产资源的高效利用。

3.3 废弃物综合利用

开采过程中剥离黄土和加工过程中产生的石粉是矿区主要固体废弃物，通过废弃物资源转化可实现综合利用。石粉可作为水泥原料综合利用，剥离黄土可作为水泥硅质原料综合利用，剩余部分可用于废弃采坑填充、土地复垦，从而实现固体废物零排放(图4)。

图4 石灰岩矿产阶梯循环利用、综合利用路线图Fig.4 Limestone mineral recycling andcomprehensive utilization

4 矿区生态修复

矿区生态修复根据生态恢复学、景观生态学等基础理论进行综合规划，按照顺应自然、师法自然的理念进行整体保护、系统修复，实现重新构建“山水林田湖草生命共同体”的目标。 矿区修复后将具有生物生产、环境服务、文化支持等功能[5]，增强生态系统循环能力[6-7]，实现景观、生态环境与周边协调统一。

4.1 矿区生态修复的原则

1) 师法自然的原则。陕西渭北石灰岩地区岩石大面积裸露，供植被生长的土壤层薄，生态脆弱。原生地形地貌、生态环境是数万年形成的，经历了岩石风化、土层堆积、土壤生成、植被群落形成的漫长过程。矿山露天开采表土完全剥离，采矿活动严重破坏了地形地貌，自然恢复时间将以万年计。生态修复过程模拟生态环境自然演化过程，通过人工干预实现生态系统的快速重建，达到景观修复后与周边自然景观高度融合的效果。

2) 因地制宜的原则。不同矿区自然条件不同，面临的环境问题不同，矿区生态修复必须对土地资源、水资源、环境地貌景观、地质灾害、人口集聚度等要素进行科学评估，以解决关键问题为导向，有针对性地开展生态修复工作[8-9]。五峰山矿区位于人口稠密区、经济活跃区、风景名胜区，属于主要城镇直观可视范围，要解决的关键问题是消除环境景观影响，改善人居环境。

3) 保留文化承载原则。五峰山连绵起伏，以五座山峰并峙而得名，也传说因栖息着五只凤凰神鸟而得名，又名五凤山，千百年来流传着许多美丽动人的传说，目前有宝泉寺、洋人房、石炕、凤凰窝等十二处景观。矿产资源开发要充分考虑对文化景观的保护，保留矿区最高处五峰山西峰，对仍然有文化承载功能的景观进行保护，实现文化元素的持续和再生[10]。

4.2 生态系统修复与重建

生态系统的修复与重建是指在不可能恢复原始生态系统的情况下通过人工干预营造新的生态系统，使之实现自我维持[11-12]。生态环境重建的措施主要为地形重塑、水土保持综合治理、植被系统重建。

4.2.1 地形重塑

目前生态修复普遍存在地形生硬、人工干预痕迹严重等问题，严重影响了生态修复效果。研究区高差近300 m，目前地形支离破碎，通过统一规划、科学开发将形成20余个采准平台。地形重塑是矿区生态重建过程中土壤重构、植被重建的骨架，开采平台外缘将采用曲线型设置，体现出微地形的坡度起伏，从而营造出贴近自然的地貌景观，使其与周边的地形融为一体(图5)。

4.2.2 水土保持综合治理

矿区土地复垦按照宜林则林、宜田则田、宜草则草的原则进行。 渭北地区年蒸发量1 200～1 600 mm，年降水量约600 mm，降水量年内分配很不均匀，暴雨一次降水量占全年降水量10%～20%，因此减少水土流失、保水保肥、改善农田生产条件对于生态系统的重建非常重要[13]。具体措施是将采准平台整理成宽幅梯田，台阶陡坎整理成坡度小于30°田间防护林、草带(图6)。在此基础上，进一步通过土地平整、土壤重构等短期、快速的改良措施，实现良好的生态恢复效果[12]。

图5 矿区规划预测地形图Fig.5 Future forecast topographic map of mining area

图6 生态修复典型剖面图Fig.6 Typical section of ecological restoration

4.2.3 植被系统重建

五峰山矿区生态修复难点在于台阶陡坎田间林草带。目前露天矿山高陡边坡生态修复普遍以草本植物为主，存在过度重视坡面“变绿”的短期效果问题。这种“复绿”工程是有欠缺的，草本植物为主的植被系统自我调节能力有限，暂时形成依赖人工维系的生态系统，长远来看，系统呈现一种衰退趋势，同时管理成本也很高。五峰山矿区植被生态系统重建应合理配置植物种类，优先选用根系发达的乡土草、树种作为先锋植物，做到落叶常绿结合、灌草结合、深浅根系植物结合，最终实现植被多样性和群落自然演替的目标。

5 效益分析

1) 资源效益。五峰山矿区赋存有近400 Mt石灰岩矿产资源，充分考虑环境承载力，可采资源量约220 Mt，其中，化工用灰岩66 Mt、水泥用灰岩110 Mt、建筑石料用灰岩44 Mt，为一处特大型石灰岩矿山。按矿石类型应用于不同的产业，实现了资源的优质优用、梯级利用。通过固体废弃物的资源化综合利用，可实现矿产资源100%利用，实现矿山废渣零排放，开发利用将会取得显著的资源效益。

2) 生态效益。通过地形重塑和土地复垦，将消除采矿痕迹；通过对生态系统的修复与重建，将带动区域国土空间整体修复，有效改善当地人居环境，生态景观和生态功能将得到显著提升，生态效益显著。

3) 经济效益。五峰山矿区220 Mt石灰岩矿产资源潜在经济价值超过80亿元，开发利用过程中产生的黄土等废弃物的综合利用可节约固废处理资金2亿元。陕西关中地区经济活跃，石灰岩资源消耗量大，矿产资源的绿色开发将取得显著的经济效益。

4) 社会效益。通过环境的综合治理将消除矿区环境问题，保护历史文化遗产，美化周围环境，提升当地人居环境，有利于社会稳定，充分体现“以人为本”的思想。通过土地复垦，将新增高标准农田119.06 hm2，新增林地3.87 hm2(表3)，增加了可耕种土地，控制水土流失，推进了农业生产条件的改善[13]。

表3 矿区土地类型现状、预测统计表Table 3 Land type status and prediction statisticsof mining area

6 结 语

石灰岩矿产资源粗放式的开发破坏了环境，而环境的恶化又反过来制约矿产资源开发，唯有矿产开发与环境保护协调才能实现可持续发展。目前我国经济正处在从高速增长向高质量增长转变的关键期，也是环境保护、污染防治的攻坚期，矿产资源开发必须坚持“绿水青山就是金山银山”的发展理念。五峰山地区石灰岩矿通过发展循环经济，将实现矿产资源的集约高效利用；在矿产资源开发的同时进行生态修复，将实现资源效益、生态效益、经济效益、社会效益的协调统一。

陕西省关中地区经济活跃，石灰石资源需求量大，渭北“旱腰带”地区存在大量类似矿山，今后应持续加强矿产资源集约利用与生态修复研究工作，进一步探索石灰岩矿产资源开发与土地资源开发、地下空间利用等产业的融合发展，催生新的增长点，为“美丽中国”建设提供技术支撑，推动石灰岩相关产业高质量发展。