焦作周窑村废弃矿山地质环境问题及治理对策

戴 兴，郭立霞，景丽媛

(河南省地质矿产勘查开发局 第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001)

河南省由于人均空间、资源相对较为贫乏，所以地质环境治理问题更显得尤为重要。本文选取焦作周窑村废弃矿山的地质环境问题为研究重点，提出治理对策，对在该区域开展产业聚集区的地质环境治理有一定的参考意义。研究区位于大沙河(卫河)流域的西南部，焦作市中站区西北6.2 km，研究区地理坐标东经113°07′51″～113°08′14″，北纬35°16′36″～35°17′57″，南1.0 km为X020县道，研究区有水泥路与X020县道相连，交通较为便利。

1 自然地理

1.1 气象水文

根据焦作市气象局1952-2018年统计资料，年平均气温14.9℃，日绝对最高气温43.3℃，最低-16.9℃；年平均降雨量607.9 mm，多集中在7～9月份；年平均蒸发量2 048.8 mm，多集中在5～8月份；全年无霜期223天；年平均风速3.1 m/s，春季以东南风为主，夏秋季以西南风为主，冬季多西北风。

研究区属大沙河(卫河)流域，西部距离大沙河约4.3 km。大沙河(卫河)是海河一级支流，发源于山西省陵川县夺火乡，流经焦作、新乡，全长344.50 km。其支流有蒋沟河、幸福河、新河、大狮涝河、峪河、东孟姜女河、西孟姜女河、淇河等11条河流，二级支流有白马门河、阎河、瓮间河、运粮河、沧河等7条河流。研究区附近地表水系不发育，附近无水体。沟谷内干涸无水，仅雨季有短暂雨水通过，为地表水排泄的重要通道，雨后即干，项目区植树养护时，需要靠拉水解决。

1.2 地形地貌

中站区地处太行山脉与豫北平原的过渡地带，地貌由平原与山区两大基本结构单元构成，地势由北向南倾斜，由北向南渐低，从北部山区到南部平原呈阶梯式变化，层次分明[1-2]。研究区地貌属侵蚀—剥蚀低山丘陵区，海拨305～391 m，相对高差86 m，山顶多呈浑圆状，山脊线圆滑，山顶平缓。由于采矿活动，导致研究区采矿边坡裸露，岩性以石炭系太原组灰岩及本溪组泥岩、砂岩、砂页岩、粘土岩为主。研究区陡坎发育，危岩突出，有发生崩塌地质灾害的可能性；同时部分废渣随意堆砌在边坡上部，对原始地形地貌破坏严重，亟待进行治理，恢复地形地貌景观。

1.3 土壤

研究区北部为太行山脉，南部为黄河、沁河、蟒河冲积平原，受地形、地貌、气候、生物等因素影响，流域内土壤类型主要有褐土、潮土和棕壤3大类。其中潮土是面积最大的土类，是平原区最重要的耕作土壤，广泛分布在山前交接洼地，黄河、沁河及蟒河冲积平原及黄河河漫滩，太行山区的土壤多为砂土、壤土，研究区大部分为丘陵区，土壤类型多为粘壤土、黄土。根据调查，研究区大部分基岩裸露，土壤覆盖层厚度较薄，没有土源作为施工用土，需要调运客土。

2 地质环境特征

研究区地表出露地层主要为奥陶系中统上马家沟组和峰峰组，石炭系上统本溪组和太原组，第四系黄土及泥质、砂质坡积、冲积砾石。研究区位于华北地层区，山西分区太行山小区,南侧为凤凰岭断层，北侧为赵庄断层和朱村断层[3](见图1)。

图1 区域地质构造

焦作市及附近历史上曾发生过多次4.5级以下地震，根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)，研究区地震反应谱特征周期为0.40 s，地震峰值加速度为0.1 g，地震基本烈度为Ⅶ度[4]。

3 水文地质、工程地质条件

3.1 水文地质条件

研究区位于焦作市西北部，地表出露岩性为奥陶系、石炭系、第四系地层，石炭系地层大部分分布于山顶及山梁顶部，不能形成完整的含水层，因此研究区及附近地下水类型主要为松散层孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

松散岩类孔隙水：含水岩组主要由第四系中更新统、上更新统、全新统之残积、坡积、洪积而成的碎石层、砂层、砂砾石层和砾卵石层组成,由于含水层颗粒粗，但厚度不大，孔隙率高，直接接受大气降水补给，多透水而不含水,地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型水。地下水补给以大气降水入渗补给为主，消耗于人工开采和径流排泄。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水：该类型地下水分布范围大，地下水类型为HCO3-Ca型，矿化度小于0.3 g/L；含水层岩性为奥陶系中、下统和寒武系上、中统灰岩，总厚度大于200 m左右，地下水位埋深在200～300 m，构造裂隙及岩溶发育，以径流补给为主，基岩裸露地区也接收大气降水补给，排泄方式主要为人工开采和地下径流，受断层构造影响，断层两侧岩溶水水位及动态明显不同，北侧为高水位区，断层南侧为低水位区，断层两侧水位相差70～240 m。

根据现场调查，研究区松散岩类孔隙水富水性一般，但碳酸盐岩类裂隙岩溶水富水性好，研究区北侧的周窑村有深度约500 m的岩溶水井，水量充足(出水量20 m3/h)，水质亦满足要求，可作为本研究区养护水源。

3.2 工程地质条件

区内分布奥陶系和石炭系，根据岩土体力学强度、结构类型的差异性和相似性，划分为3个工程地质岩组，其特征如下。

厚层状致密灰岩夹灰色中厚层状白云质灰岩岩组：该岩组主要为奥陶系中统上马家沟组和石炭系上统太原组内的地层，主要岩性为灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、角砾状泥质灰岩,该岩组主要为硬质岩石。其物理力学指标：干容重为2.59～2.66 g/cm3，饱和极限抗压强度71.2～137.9 MPa，地基承载力特征值1 000～2 000 kPa，岩体完整、坚硬致密，抗压强度高，抗风化能力较强。

薄层状灰色粘土岩、铁质粘土岩岩组：该岩组主要为石炭系上统本溪组的岩石和太原组粘土页岩，主要岩性为灰色粘土岩、铁质粘土岩、粘土质粉砂岩、粘土页岩,该岩组主要为软质岩石。其物理力学指标：饱和极限抗压强度26.2～36.5 Mpa，地基承载力特征值500～1 000 kPa，抗压强度较高，但抗风化能力弱，易破碎风化，在条件具备时易产生崩塌、滑坡。

中厚层状泥化夹层灰岩砂岩组：该岩组以石炭系地层为主，岩性为灰岩、砂岩、铝土质页岩，在研究区分布较广，含铁矿、铝土矿[5-6]。

根据现场调查，研究区岩土软硬相间，地表粘土岩、泥岩等风化较严重，后期进行植树、种草绿化时，利于涵养水分，植被成活率高。

3.3 人类工程活动

研究区的人类活动主要有采矿活动、种植侧柏绿化等人类工程活动，项目区南部有居民的少量墓地。研究区以往的人类工程活动主要为开采高岭土、耐火黏土矿等。近年来，乱采乱挖粘土岩、高岭土矿的活动已得到制止，个别挖运废渣活动也渐趋停止。目前仅有少量当地林业部门种植的侧柏、椿树等，且长势良好，生态环境效益显著。因此本研究区恢复治理时，应尽量选择以侧柏为主，局部可撒播椿树等混合灌草籽，恢复地形地貌景观。

4 主要矿山地质环境问题

研究区地形地貌景观的破坏主要表现为采矿边坡、采矿平台和渣堆破坏占用土地，虽经过多年自然恢复，但效果很差，根据调查，研究区共发现崩塌地质灾害3处，不稳定边坡5处，渣堆9处和露天采坑8处(见图2)。

图2 研究区主要环境问题示意

4.1 崩塌

研究区内的崩塌B1位于边坡BP1边坡中部，边坡坡脚处有崩积物堆积，发生时间2017年11月，体积64 m3。边坡上部存在危岩体，危岩体距离地面高度约6～10 m，岩体破碎，岩性为灰岩，目前危岩体上部裂隙发育，坡面近直立，部分岩体与母岩脱离，稳定性差，危岩体长16 m，宽4.8 m，厚度约3 m，危岩体体积约230 m3，规模小型，现状条件下，未造成经济损失，地质灾害危险性小。同时边坡BP1坡面上部有碎石堆积，严重影响当地的地形地貌景观，体积约600 m3。

研究区内的崩塌B2位于采坑4中部，边坡坡脚处有崩积物堆积，发生时间不详，体积312 m3，岩块粒径0.05 m×0.1 m×0.3 m～2.2 m×1.8 m×0.9 m。现状条件下，无威胁对象，未造成经济损失，地质灾害危险性小。采坑上部存在危岩体，危岩体距离地面高度约6～10 m，岩性为泥质砂岩、砂质泥岩等，目前危岩体上部裂隙较发育，边坡整体坡面较破碎，坡面近直立，危岩体长22 m，宽3.4 m，厚度约1.2 m，危岩体体积约90 m3，规模小型。

研究区内的崩塌B3位于采坑6南部，边坡坡脚处有崩积物堆积，发生时间2018年初，体积240 m3。现状条件下，未造成经济损失，地质灾害危险性小,危岩体距离地面高度约8～12 m，岩块粒径0.2 m×0.1 m×0.3 m～1.1 m×0.5 m×0.83 m不等，岩性为泥质砂岩、砂质泥岩等，目前危岩体上部裂隙发育，边坡整体坡面较破碎，坡面近直立，部分岩体与母岩脱离，处于不稳定状态，危岩体长45 m，宽6.5 m，厚度约4.5 m，危岩体体积约1 316 m3，规模小型，同时坡面上部有碎石堆积，严重影响当地的地形地貌景观，体积约1 000 m3。

4.2 不稳定边坡

研究区发现不稳定边坡5条，总面积16 604 m2，同时部分边坡上部存在危岩体和松散碎石，松散石块总体积约19 049 m3，危岩体方量375 m3。采矿边坡特征见表1。

表1 研究区采矿边坡特征一览

4.3 渣堆

根据现场调查，本研究区共发现渣堆9个，平面面积376～6 436 m2，厚度0.5～4.2 m，体积660～6 698 m3，呈圆形—不规则状，分布于山坡、采矿平台、沟谷及岸坡等处，局部无植被，部分生长杂草和少量侧柏。研究区渣堆特征见表2。

表2 研究区渣堆特征一览

4.4 采坑

根据本次调查，现状条件下发现露天采坑8个，面积507～2 915 m2，呈不规则状，分布于山坡、沟谷等处，破坏土地面积38 481 m2，植被稀少，边缘少量生长杂草和灌木。研究区采坑特征见表3。

表3 研究区采坑特征一览

5 治理对策

5.1 治理原则

1)地形地貌景观恢复与消除崩塌等隐患为主、因地制宜、因灾设防、重点突出，生物措施为主，工程措施为辅的原则。区治理内容主要包括：消除3处崩塌隐患，对BP1、BP4、CK4和CK6上部的危岩体进行清理，对BP1、BP3上部的废渣进行清除，同时对渣堆ZD1、ZD2、ZD4、BP2和采坑CK2、CK3补种侧柏，其他区域种植灌草等植物，恢复原始地形地貌景观。

2)因地制宜、科学规划、注重效益，分区、分段治理，治理过程中，充分考虑到所选树种与当地环境的适应性，根据调查项目区以往林业部门种植的侧柏在研究区生长形势良好，本次选择树种为侧柏和核桃树。同时对县道X020两侧可视范围内尽量种植乔木，消除坡面视觉污染，大大改善“三区两线”范围内的地形地貌景观。

3)有效利用废弃碎石、渣土作为施工原材料，对研究区的渣土就地回填采坑，有效利用废弃碎石、渣土作为施工原材料，降低成本。

4)设计经济、美观、适宜当地环境的藤、树、灌、草相结合立体绿化系统，对研究区三区两线可视范围内地形地貌景观破坏区，种植高大乔木如侧柏等，尽量恢复原始地貌景观，对研究区的采坑，由于回填方量巨大，底部种植灌木、植草恢复植被。

5.2 总体思路

通过危岩清除工程、覆土、整平工程消除或减弱研究区内威胁施工安全的地质灾害或不良地质现象,通过回填、废渣清理、采场平台平整工程，对于能够自然恢复的区域优先进行自然恢复；通过覆土工程、植物绿化工程恢复采场平台的地貌景观、林草资源、生物多样性；进而改善研究区生态环境、提升土地资源利用价值、达到生态环境修复的目的。

1)对研究区内4处斜坡上的危岩体和3处崩塌B1、B2、B3进行清理，消除地质灾害隐患,清理完以后，对坡脚处的矿渣进行压坡脚，降低坡度，栽种侧柏或撒播草籽恢复植被，尽可能形成防护林网。这样设计既阻止人员太靠近高陡边坡，又对偶然落石起到缓冲作用。

2)对于研究区内的渣堆，对渣堆ZD5地形进行局部修整后种植核桃树侧柏绿化；对渣堆ZD1、渣堆ZD2、渣堆ZD3、渣堆ZD4进行清理，回填至附近的CK1；然后补种侧柏或撒播草籽绿化、恢复地形地貌景观。

3)其他区域：对采坑CK2、采坑CK3底部平台进行整平，种植侧柏，同时对采坑设立警示牌工程。对研究区其他区域包括渣堆边坡、采坑等，采用场地平整、绿化措施，进行灌草树木混合籽撒播覆土。

5.3 治理对策

其具体目标为治理崩塌地质灾害3处，清除危岩体4处，治理矿渣堆9处，不稳定边坡5处，露天采坑8处，增加林地214亩。

1)危岩清理：通过工程治理措施将坡体表面危岩体清除，之后将清理后的碎石堆积在坡脚，并回填一部分矿渣，从而降低边坡的高度，提高边坡稳定性，减轻或消除地质灾害隐患，根据调查，对勘察区BP1、BP4、CK4、CK6上部的危岩体进行清理，预计清理危岩1 781.0 m3，消除地质灾害隐患。

2)渣堆整理：对于渣堆ZD1、ZD2、ZD3、ZD4进行清理回填至采坑CK1，同时对渣堆ZD5及渣堆ZD9处的渣堆进行整理，局部回填至采坑CK1，使CK1形成一缓坡，降低坡度，恢复植被。同时对渣堆ZD6进行清理或平整，清理边坡BP1、BP3上部存在的碎石，露出原始边坡，恢复植被。

3)场地整理：根据研究区现状地形，在整齐、美观的基础上，根据研究区平台和渣堆的分布情况，随坡就势的将研究区设计成若干个不同高度、坡度的面，根据设计高程进行场地整理，整理区域包括ZD5、ZD8、ZD9和采坑CK1、采坑CK2、采坑CK7等，总面积约18 124 m2。

4)绿化：在较平整的地段种植侧柏、核桃树，在其余地段撒播榆树、荆棘、狗尾草、荩草、椿树、榆树等灌草树种混合籽，以达到更好的复绿效果，绿化面积约14.25 hm2，恢复地形地貌景观，改善生态环境。

6 结 语

矿山地质环境问题引发的地质灾害一直是制约部分地区发展的瓶颈问题。本文以人口较为密集的河南省焦作市中站区周窑村废弃矿山为研究对象，总结了研究区内比较典型的地质环境、地质灾害问题，主要类型有崩塌、不稳定边坡、渣堆、采坑等，并且根据研究区特点提出综合治理的原则、思路和具体对策。