巩义市历史遗留露天矿山地质环境问题现状及治理对策

刘 勇，王浩霖，李静静，宋维壮

(河南省资源环境调查一院，河南 郑州 451150)

矿山地质环境是资源与环境的同一体，矿产资源是人类生存与发展的物质基础，而环境则是人类生存与发展的必要条件，矿产开采引发的矿产地质环境问题已经成为影响矿山生产和人居生态环境的重要因素。为实现矿产开发与环境保护并重的绿色矿业目标，需要在合理开发利用矿产资源的同时，最大限度地减少、减轻矿业开发对矿山地质环境的负面影响[1]。资源与环境有时互相影响、互相转化，矿产资源的不合理开发必然破坏矿山地质环境，而地质环境的恶化反过来又破坏矿山资源(如矿区土地资源、风景景观资源、水资源等)，唯有资源合理开发与环境保护协调的发展才是科学的发展[2-6]。

按照《巩义市矿山地质环境恢复和综合治理规划(2017—2025年)》，截至2017年9月，全市共有矿山(采点)283个，其中有证矿山42个，历史遗留矿山(采点)241个，露天矿山(采点)174个，占61.5%。目前，全市持证矿山38个，按矿产资源类型划分：能源矿山11个，金属矿山13个，建材及其他非金属矿山14个。为落实河南省委、省政府关于污染防治攻坚战部署要求，统筹露天矿山环保安全开发，有效保障矿产资源刚性需求，促进巩义市矿业经济全面转型升级和高质量发展，对全市范围内的责任主体灭失矿山进行地质环境恢复治理，开采矿种主要为铝土矿、建材灰岩及其他非金属矿。

1 地质环境背景

1.1 自然地理

该区属暖温带大陆性季风气候，光热充足，降水偏少，四季分明，平均气温15.33 ℃，平均降水量572.67 mm，夏季降水占全年57.2%。地处我国第二、第三级地貌台阶胶结过渡带，地势东南高、西北低，分为构造侵蚀中低山、构造剥蚀丘陵、黄土丘陵、冲洪积倾斜平原4种地貌类型。

1.2 地质条件

(1)地层。地层出露连续完整，主要有下元古界(Pt1)、中元古界(Pt2)、下古生界的寒武系(∈)、奥陶系(O)、上古生界的石炭系(C)、二叠系(P)、中生界的三叠系(T)、新生界的第四系(Q)等。自下而上：下元古界嵩山群(Pt1sh)罗汉洞组、五指岭组、庙坡组与花峪组；中元古界马鞍山群(Pt2mn)紫红色中厚—巨厚层状中—粗石英砂岩；下古生界寒武系下统(∈1)辛集组和馒头组；寒武系中统(∈2)馒头组、张夏组，寒武系上统(∈3)崮山组、长山组及凤山组；奥陶系中统(O2)马家沟组；上古生界石炭系(C)本溪组、太原组；二叠系(P)山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组；中生界三叠系(T)刘家沟组；第四系—新生界(Q)分布广泛，主要有中更新统坡积—洪积层、上更新统冲积层、全新统冲积层。

(2)构造。区域上位于华北地台嵩箕台隆北部边缘荥密背斜北翼，总体为一走向NWW—SEE、倾向15°左右、倾角一般小于10°的单斜构造，区内发育少量高角度正断层及滑动构造，地质构造较复杂。以断裂构造为主，褶皱构造不甚发育，褶皱构造多出露在南部的嵩山、五指岭一带，主要有五指岭复向斜、嵩山背斜、上庄向斜、盘龙尖背斜、宋岭背斜等；断裂构造以正断层为主，逆断层次之，主要分为北东、近东西、北西3个方向。区内新构造运动主要表现为新生代以来的间歇性抬升，第四系沉积物厚度不大，沟谷发育，剥蚀及流水侵蚀作用明显。

(3)水文地质。该区地形南高北低，地层自南向北由老而新呈规律性变化。地层走向近东西，倾向北，出露齐全，南部分水岭地带为变质岩系，向北分别为碳酸盐岩沉积，河谷阶地、山前倾斜平原和丘陵区为松散岩类堆积。根据地下水埋藏条件、水理性质和水力特征，将调查区地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。矿山(采点)基本处于当地侵蚀基准面以上，有利于自然排水，地表基本无水体分布，露天开采对含水层及地下水影响较小。

1.3 水文地质条件

巩义市地形南高北低，地层自南向北由老而新呈规律性变化。地层走向近东西、倾向北，出露齐全，南部分水岭地带为变质岩系，向北分别为碳酸盐岩沉积，河谷阶地、山前倾斜平原和丘陵区为松散岩类堆积。根据地下水埋藏条件、水理性质和水力特征，将调查区地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。

2 矿山地质环境问题

改革开放以来，由于国家经济发展对矿产资源的需求量增大，造成对国有矿山企业的冲击，使得部分矿山片面追求经济效益而淡化安全意识和环境保护意识，加之开采技术及设备的相对落后，导致矿山环境不断恶化，矿山地质灾害问题日趋严重，由矿业引发的环境污染和生态破坏问题与日俱增[7-8]。

地质环境调查是在充分收集和利用已有环境地质、水文地质、工程地质及地质灾害资料的基础上进行的，调查对象包括地质地貌、地下水与地表水、矿山基本概况、边坡变形的特征和分布规律、地裂缝和崩塌地质灾害分布情况，渣堆、采坑、高陡边坡等矿山地质环境问题。采用路线穿越法调查，调查过程中采集岩石样、水样、土壤样，进行力学性质及污染监测等相关试验。经调查，区内存在的主要矿山地质环境问题有以下4个方面。

2.1 地质灾害

地质灾害是矿山地质环境问题的三大类型之一，巩义市铝土矿、建筑石料矿资源丰富，大规模开发形成的高陡边坡及废弃矿渣堆积，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的隐患大，且发生滑坡转化为泥石流的地质灾害链的可能性大。地质灾害链间转化问题是学科的边缘问题，也是前沿问题[9-10]。

(1)崩塌。铝土矿及灰岩矿开采过程中，未按露天矿台阶式的开采设计要求进行，遗留众多采坑采场，边坡坡度多70°以上或直立；或矿体掏挖形成负角度，后缘产生卸荷张裂缝。陡崖危岩体边坡在降雨、风化剥蚀及人类活动等外部因素作用下，容易发生崩塌。

(2)滑坡。铝土矿开采产生大量废弃矿渣，矿渣就原地、山坡或沟谷堆放，其结构松散，形成高陡不稳定斜坡，自重加自然风化、人工开挖破坏坡脚，遇有强降雨诱发，极易产生滑坡，威胁下方居民、建筑物和道路等安全。高陡边坡如图1所示。渣堆边坡如图2所示。

图1 高陡边坡Fig.1 High and steep slope

(3)泥石流。调查区南部为中低山铝土矿采区，沟谷陡峭，纵坡度大，汇水面积较广，废渣多顺坡或沿沟堆积，堆存方量较大，若遇暴雨，堆存的松散渣土(石)在自身重力作用下，易形成泥石流，破坏性极大。

图2 渣堆边坡示意Fig.2 Slag pile slope

2.2 地形地貌景观破坏

地形地貌景观破坏是矿山地质环境问题中地面变形的重要形式之一[11]，也是本区重点治理的地质环境问题，主要表现为以下2个方面。

(1)石料灰岩露天采场破坏地形地貌景观。石料灰岩、铝土矿露采场多形成数十米深凹陷采坑，裸露边坡造成山体破损，原始植被景观、地形地貌景观破坏严重，过去的山清水秀因滥采变成了满目疮痍的荒山。

(2)矿渣堆积破坏地形地貌景观。各类废弃矿渣或渣土，尤其是铝土矿开采产生的大量废弃渣石，沿沟谷或顺坡随意堆放压占，改变了原始地形地貌，破坏了植被景观。

2.3 土地及植被资源破坏

土地及植被资源破坏是矿山地质环境问题中资源损毁的主要形式[5]，主要表现为矿产开采将上覆岩层和表土剥离后形成的废弃采矿边坡与采坑造成土地植被资源挖损及矿渣堆放产生的压占。这些土地长期不能发挥效益，植被自然恢复难度大(表1)。

表1 各乡镇土地资源损毁情况统计Tab.1 Statistics on the destruction of land resources in each township hm2

2.4 含水层破坏

调查区含水层主要为铝土矿底板直接充水的奥陶系灰岩含水层，厚度1.05～12.5 m，以及顶板直接充水含水层的太原组灰岩含水层，露天矿山基本处于当地最低侵蚀基准面以上，采坑未见含水层溢流。因此，对含水层的破坏较小，不影响深部含水层富水性。

3 矿山现状及治理分区

3.1 矿山现状

巩义市矿产资源丰富，采矿业在对全市经济社会发展起到重要支撑作用的同时，也对矿山地质环境造成了破坏。随着地表矿产的锐减，矿产资源开采深度的逐步加大，特别是早期受“有水快流”思想的影响，矿业开发一哄而上，各种类型、各种规模的矿山企业一齐上，开采一度进入无序状态。建筑灰岩矿及浅部铝土矿无节制的开挖，遗留的矿坑和堆渣，使得局部地貌形态完全改变，影响了当地生态环境和自然景观，所诱发的矿山环境地质问题逐渐增多，其危害程度逐渐加大。1990年以后，为规范开采，当地政府进行了资源整合，由于采矿企业仍没有相应的环境保护措施，致使该矿区地质环境进一步恶化。2006年以来，巩义市国土资源局按照上级有关精神逐步对相关采矿企业采取了关停措施，部分矿山成为无责任人的废弃矿山。矿山环境现状如图3所示。

图3 矿山环境现状Fig.3 Current status of mine environment

3.2 治理分区

共调查历史遗留矿山(采点)241个，根据位置、矿种、残留资源及周边情况等现状特征，以乡镇为单位，因地制宜、归集分区综合治理，全域共分43个治理区，其中重点治理区8个，一般治理区35个。工程部署如图4所示。

图4 工程部署Fig.4 Project deployment

矿山环境治理模式是针对治理对象特性、具有特定功能的若干方法的组合，模式的选择应当目标明确、针对性强、技术先进、经济合理。重点治理区采取强工程治理模式，传统工程治理为主，生态及生物措施为辅，适用于土地资源破坏及次生地质灾害严重的矿区，重点解决矿山环境问题稳定性突出的治理对象。一般治理区采取强生态治理模式，改善受损的生态系统功能，提高系统的总体生产力和稳定性，生态恢复技术为主，工程及生物措施为辅，适用于景观和环境破坏严重的矿区，水土流失、地貌景观破坏等矿山环境问题突出的治理对象，目的是恢复受损的生态系统功能。

3.2.1 重点治理区

根据《河南省露天矿山综合整治三年行动计划(2018—2020年)实施方案》(豫政[2018]30号)精神，要创新露天矿山治理模式，对建筑石料矿开采中形成高陡边坡且视觉污染严重的残留山体，经严格规划设计、项目论证、社会公示并经省辖市或省直管县市级人民政府批准，通过整体降坡或整体采平等方式实施开发式治理，治理出的土地指标可作为工矿废弃地复垦利用或占补平衡指标使用或交易，指标收益可按规定用于矿山环境恢复治理。治理动用矿石总量在50万t以下的，可通过地质环境保护治理、生态环境修复治理和全域土地综合整治等项目进行治理；动用矿石总量在50万t以上的，可不受储量规模和生产规模准入条件限制设置采矿权进行治理。重点治理区主要针对灰岩矿开采遗留的高陡边坡且视觉污染严重的残留山体，采取的治理方式主要为台阶式降坡或整体采平，后对场地进行垫渣平整，覆土后复垦或复绿。治理中产出一定规模的建筑石料灰岩矿，创造的经济收益用以弥补一般治理区的治理费用。重点治理区工作量统计见表2。

表2 重点治理区工作量统计Tab.2 Workload statistics of key governance areas

3.2.2 一般治理区

一般治理区可归纳为以下4种类型[11-14]。

(1)自然恢复及半自然恢复区。根据《巩义市矿山地质环境恢复和综合治理规划》(2017—2025年)中“对历史遗留能够自然恢复的矿山，应明确开采方式、破坏面积与地类，自然恢复的区域是否需要采取辅助恢复治理措施等”的要求，对已基本自然恢复区采用自然恢复的方式进行恢复，半自然恢复区采取加以辅助治理措施的方式予以加快恢复，辅助工程措施主要为撒播草籽(不覆土)、撒播草籽(覆土)，保持已恢复的自然地貌现状。

(2)铝土矿遗留场地。铝土矿由于多年的无序开采大都形成大型采坑及多个渣堆，原则上采用就近渣堆回填采坑的方式进行治理，之后根据土地利用总体规划结合周边实际情况进行复绿或复垦。部分采坑附近没有渣堆或渣堆已进行了恢复治理的，则采用修建防护网、修建截排水沟等方式进行治理。

(3)建筑石料用灰岩矿遗留场地。这一类矿山大都遗留有高陡边坡及开采平台，因受地形地貌及周边环境因素限制，不适合开发式治理。针对高陡边坡主要采用危岩清理、视人类活动情况在坡顶修建防护网的方式进行治理；平台则采用清渣及平整，覆土后复绿或复垦，并于边坡处安全隔离带。

(4)渣堆。渣堆的治理采用边坡整治、覆土复绿的工程手段进行。若周边有采坑，则进行清运回填。分乡镇治理工作部署位置有米河镇、鲁庄镇、新中镇、西村镇、夹津口镇、夹津口镇、小关镇、涉村镇、大峪沟镇、竹林镇、北山口镇等。一般治理区工作量统计见表3。

表3 一般治理区工作量统计Tab.3 Workload statistics of general governance area

4 治理工程技术措施

为保证治理工程质量和效果，针对治理区已存在的地质灾害、地形地貌景观破坏、土地植被资源损毁等问题，根据治理原则和思路，采用的工程技术措施包括：危岩体清理、边坡整治、渣堆清理及回填、场地平整、覆土工程、(截)排水沟、挡土墙、重力式挡墙、生物工程等[15]，最终达到消除矿山地质灾害、恢复土地植被资源、美化矿山地质环境的目的。

(1)危岩体清理。采面过陡，坡度多在70°以上，部分矿体掏挖后，形成负角度，后缘产生卸荷张裂缝。施工过程中，为了保证治理效果，保障施工人员与机械安全，需对危岩进行清理。对治理区附近有居民、常规爆破法具有危险性的危岩体，采用机械清除或人工清理。

(2)边坡整治。采矿开挖及矿渣堆积而形成的边坡，坡角可达60°～90°，高度达20～40 m，需对高陡边坡进行放坡处理，常采用整体降坡或台阶式削坡，坡顶、坡面、坡脚设置浆砌片石或块石排水沟渠，沟底纵坡度不小于0.5%。

(3)渣堆清理及回填。对渣堆与采坑相邻的采坑，将渣堆进行清理，用以填充露天采坑。要求分层压实，压实系数不小于0.90，设计每回填1 m进行一次压实工作，防止后期地表自然沉降。

(4)场地平整。场地平整即对边坡清理、废渣清理、采坑回填后的平台及用于后续施工的工作场地进行统一整理。包括场地的整平、局部的挖高填低、清理残留的岩土体、矿渣、杂物，最后采用机械和人工相结合的方式统一压实。

(5)覆土工程。场地平整后进行覆土，用以恢复土地植被资源。覆土厚度依恢复地类而定，恢复为旱地的场地覆土0.8 m、恢复为林地的场地覆土0.6 m、恢复为草地的场地覆土0.3 m。

(6)(截)排水沟。排土场坡顶及边坡平台设置截水沟，坡面根据斜坡宽度大小，设计纵向排水沟。(截)排水沟设计断面为矩形，宽0.6 m，深0.6 m，沟壁厚0.2 m，采用M7.5砂浆勾缝浆砌块石，M10砂浆抹面。

(7)挡土墙(挡土埂)。对设计恢复为旱地及林地的覆土区域地块，为防止水土的流失，在覆土边坡处布设挡土墙。岩石基底一般布设浆砌石挡土墙，旱地规格为0.8 m×0.3 m，林地为0.6 m×0.3 m，视垫渣厚度调整挡土墙高度，一般垫渣30 cm；石渣基底一般布设挡土埂，旱地规格为0.8 m×0.3 m，林地为0.6 m×0.3 m。

(8)重力式挡墙。为保证渣堆稳定，防止地质灾害的发生以及利于边坡绿化，设计在渣堆底部修建重力式挡墙，重力式挡墙高3 m，地面以上高2 m，截面积3.15 m2。材料选用M7.5浆砌块石，块石强度不低于MU30。墙体后选用透水性较好的砂类土作为填料。

(9)生物工程。结合实际情况，距村庄较近且能提高地类的区域，根据当地政府及群众意愿，尽可能多恢复为可耕地；距村庄较远且不宜提高地类的区域，根据周边地类种植适合当地生长的树木及植被，恢复地表景观，美化环境，但必须保证耕地面积不减少。

依据《生态公益林建设技术规范》，绿化植物要选择适宜当地气候、环境条件的树种，同时应考虑达到视觉效果。设计乔木品种为侧柏、黄栌等，种植密度2 m×2 m；草种选择白羊草、狗尾草、荆条等在边坡部位用以恢复成草地；高陡边坡底部种植爬山虎等攀缘型植物。

5 工程效益分析

矿山恢复治理项目属公益性、社会性项目，其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点。工程效益表现在社会效益、环境效益和经济效益3个方面。

(1)社会效益。化解群众对政府的不满情绪，缓解社会矛盾，促进社会和谐，创造一个安全的居住旅游环境，改善营商环境，提高城市形象，促进新农村建设及社会和谐稳定发展。

(2)环境效益。改善地表自然景观，恢复土地生态功能；减少地面扬尘含量，提高空气质量，改善矿区生态环境；环境得到改善，为经济和社会的可持续发展奠定基础，具有重要的战略意义。

(3)经济效益。通过工程、生态及生物措施，恢复采矿对土地植被资源的破坏，恢复土地的功能，预计可恢复旱地103.24 hm2(新增25.44 hm2)、林地184.86 hm2(新增63.69 hm2)。

6 结论

(1)巩义市10个乡镇共有责任主体不明的历史遗留矿山(采点)241个，存在的地质环境问题主要包括：崩塌、滑坡及泥石流等地质灾害、地形地貌景观破坏、土地植被资源损毁、含水层破坏4个方面。

(2)经多方论证探讨，共划分43个治理区，重点治理区8个，一般治理区35个，以乡镇为单位，统筹管理。治理措施包括危岩体清理、边坡整治、渣堆清理及回填、场地平整、覆土、(截)排水沟、挡土墙、绿化管护等工程、生态及生物工程技术。重点治理区与一般治理区相比，前者采取强工程治理模式，后者采取强生态治理模式，且前者会产生一定收益，可弥补后者的费用差额。

(3)矿山恢复治理项目属公益性、社会性项目，其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点。治理工程的实施，将消除地质灾害隐患、恢复破坏的土地植被资源、改善生态环境，有力保障群众生命财产安全，社会效益、环境效益和经济效益显著。