花岗岩露天关闭矿山生态修复技术应用

朱晓勇,胡国长

(1.江苏省地质矿产局第一地质大队,江苏南京 210041；2.江苏省山水生态环境建设工程有限公司,江苏南京 210012)

0 引言

矿山开采与利用促进了我国经济建设的快速发展，但矿产资源过度开采后遗留下的大量矿山边坡和废弃地，不仅存在滑坡、崩塌等地质灾害隐患(程宝成和陈震,2014;李雄锋等,2015;朱鹏等,2016;欧哲等,2017)，而且破坏自然景观、地表植被及土壤质量，造成严重的水土流失，降低生物多样性，浪费大量的土地资源(王林等,2013;苗泽华和孙文博,2015;刘珊珊和谢桂芳,2016)。党的十八大以来，党中央、国务院高度重视生态文明建设，为贯彻落实习近平生态文明思想及“绿水青山就是金山银山”理念，实施“山水林田湖草沙”生态保护修复工程，全国各地积极开展矿山生态修复工作(王军和钟莉娜,2019;陈晓,2021)。基于生态理念下的矿山岩质边坡稳定性评价及地质灾害防治和生态修复(张立博等,2017;袁颖和李佳玉,2021)，是科学有效消除矿山地质灾害隐患、改善生态环境、储备与利用土地资源、优化国土空间格局的良策(谭兴元,2019;阎浩等,2020)。以苏州市金山浜花岗岩露天关闭矿山生态修复为例，调查分析矿山地质环境问题，针对矿山植被覆盖度低、地貌景观破坏造成视觉污染及地质灾害现状，采用削坡清坡、浆砌片石格构植被护坡、客土喷播、鱼鳞坑砌筑、锚固铁丝网砼筑围堰、废弃地平整覆土、截排水及植被养护等技术对矿山进行生态修复(杨冰冰等,2005;田开洋,2015)，取得了良好的经济效益、社会效益和生态效益。

1 研究区概况

苏州市金山浜花岗岩露天关闭矿山位于苏州市吴中区木渎镇北郊天平山景区东侧，地貌类型属于构造-剥蚀低山丘陵(图1)，矿山占地面积1.18×106m2，其中裸露边坡1.6×105m2、废弃地占地1.02×106m2。边坡高度30～150 m，坡度50°～80°，局部坡面节理较发育，残坡积覆盖厚度达1.5 m，表层岩石风化强烈。废弃地存在多处残丘，零星分布水塘，地形错落、起伏较大。边坡和废弃地残留松动张裂的岩体，存在崩塌、滑坡地质灾害隐患。矿山周边分布乡镇、村庄、天平山风景区及城市主干道等。

图1 苏州市金山浜花岗岩露天关闭矿山地质构造图①Fig.1 Geological map of the closed Jinshanbang granite open pit mine in Suzhou City①1-全新统;2-上更新统;3-中更新统;4-黄尖组;5-劳村组;6-茅山组;7-栖霞组;8-龙潭组;9-五通群;10-船山组;11-龙潭组长兴组并层;12-斑状花岗岩;13-花岗斑岩;14-钾长花岗斑岩;15-钾长花岗岩;16-石英斑岩;17-长兴组;18-正长斑岩;19-斑状闪长岩;20-石英闪长斑岩;21-石英正长斑岩;22-实测地质界线;23-岩相分界线;24-实测性质不明断层;25-推测性质不明断层;26-实测正断 层;27-推测正断层;28-实测逆断层;29-推测逆断层;30-地层产状1-Holocene;2-Upper Pleistocene;3-Middle Pleistocene;4-Huangjian Formation;5-Laocun Formation;6-Maoshan Formation;7-Qixia Formation;8-Longtan Formation;9-Wutong Group;10-Chuanshan Formation;11-Longtan Formation and Changxing Formation;12-porphyry granite;13-granite porphyry;14-potash feldspar granite porphyry;15-potash feldspar granite;16-quartz porphyry;17-Changxing Formation;18-syenite porphyry;19-porphyry diorite;20-quartz diorite porphyry;21-quartz syenite porphyry;22-measured geological boundary;23-lithofacies boundary;24-unknown measured fault;25-inferred fault of unknown nature;26-measured normal fault;27-inferred normal fault;28-measured reverse fault;29-inferred reverse fault;30-occurrence of strata

矿山出露基岩主要为燕山期的花岗岩，岩性质地坚硬，第四纪地层在矿山内发育较差，残坡积层分布于低洼处和边坡顶部，厚度较薄，主要为棕黄色含砾砂粉质粘土。废弃地内蓄存大量水体，矿山基岩裂隙水主要赋存于花岗岩裂隙、节理及构造发育部位，一般水量不大，水质良好，边坡坡脚及坡体沿节理裂隙常有基岩裂隙水以渗流形式出露。

2 研究区地质环境问题

2.1 地质灾害及安全隐患

根据现场调查，矿山边坡发育多处地质灾害隐患点，极易诱发崩塌、滑坡等地质灾害，暴雨后水土流失严重，局部已发生多次崩塌和滑坡，严重危及矿山周边交通主干道、附近居民的生命财产安全及基础设施安全。矿山内分布14处矿坑，深度20 m以上，最大水域面积达6×104m2，由于缺少安全防范措施，曾发生多起溺水事件，存在安全隐患。

2.2 地形地貌景观破损

矿山边坡和废弃地内岩石裸露，岩体松动，坡面植被遭受破坏，山体破损严重。废弃地陡坎纵横交错，地形起伏较大，山体地质景观、地形地貌景观破坏严重，不仅造成视觉污染，也极大浪费土地资源。

2.3 生态环境负面影响

矿山原始山体植被生态系统遭受破坏，其面貌与周边自然环境极不协调，水土流失和扬尘污染严重，工业与生活垃圾凌乱堆放，污染水体和空气，对苏州城市生态环境产生恶劣影响。

3 生态修复技术应用

3.1 边坡生态修复

3.1.1 削坡清坡

在露天边坡坡顶和中上部，采用浅孔定向爆破和CO2致裂技术进行削坡(张海英等,2004;马海鹏和喻壹雄,2020;高骏,2020)。削坡最终坡度角小于55°，消除崩塌、滑坡等地质灾害隐患，保证边坡安全稳定，为边坡生态修复创造基本条件。削坡时先清除岩体表面覆盖层粘土，回收用于边坡绿化。

削坡后，采用人工结合机械清除坡面上的浮(悬)石，消除由于不稳定岩块(体)可能引起崩落等地质灾害(曾敏,2011;武乐霞,2020)，满足绿化需要，保证边坡生态修复后长期稳定，在挂网客土喷播区域，要保证坡面基本平整。

3.1.2 回填压脚

在边坡坡脚和下部位，利用削坡清坡的碎石土回填压脚。通过回填压脚，不仅增加了边坡抗滑能力，提高了边坡稳定性，而且为绿化提供有利的地形条件。对回填碎石土分层压实，粒径较大的碎石土用于回填层的下部，自下而上，逐步减小回填碎石土碎石粒径，回填压实结束后，覆盖种植土。经济技术指标：回填压脚后边坡坡度小于30°，形成凹曲面；种植土层厚度60 cm以上；碎石粒径小于8 cm，碎石土中碎石含量30%～80%；碎石土以每30～40 cm分层碾压和夯实，在距表层0～80 cm的填料压实度≥93%，保证距表层80 cm以下填料压实度>90%(王硕,2015;王孝亮等,2017;付天池等,2020)。

3.1.3 浆砌片石格构植被护坡

在边坡滑坡及其地质灾害隐患区域，采用浆砌片石骨架植被护坡技术进行边坡防护。格构护坡坡面应平整、密实，无表层溜滑体和蠕滑体。经济技术指标：格构以花岗岩石块、M10水泥砂浆砌筑；锚杆嵌置于边坡基岩中，深度大于截面高度的2/3；骨架的断面形式为L形，分流坡面径流水；骨架与边坡水平线成45°，左右互相垂直铺设，方格间距1.5 m；在骨架底部及顶部和两侧范围内，用M10水泥砂浆砌片石镶边加固；每隔15 m宽度设置伸缩缝，缝宽20～30 mm，填塞沥青麻筋或沥青木板(孙小杰等,2018;何照等,2021)。在格构内回填种植土，种植小乔木、灌木及藤本植物。

3.1.4 挂网客土喷播绿化

在削坡清坡和回填压脚坡面进行挂网客土喷播。绿化植被以乡土植物为主、配置耐贫瘠植物，以少量草本植物为先锋、乔灌木为主体。经济技术指标：包塑镀锌铁丝网14#，网孔4 cm×4 cm，网宽200 cm；镀锌铁丝网向坡顶上方延伸60 cm以上；挂网搭接距离10 cm以上；网面和坡面之间保持3～4 cm空隙；沿坡顶线以每米1枚设置主锚钉，与铁丝牢固连接，在岩面上按2 m×2 m设置；主锚钉采用φ16 mm钢筋，长200～250 mm；其它锚钉采用“L”型φ6 mm的钢筋，钢锚钉长度150 mm，按间距50 cm×50 cm设置，锚钉嵌入岩体深度5 cm以上；对覆盖层较厚的非岩质边坡，采用长250～300 mm或更长的“T”型竹钉紧固，每平方米不少于8个竹钉；分二次喷射，第一次喷射厚度12 cm以上的植生基质，第二次喷射厚度2 cm以上的植物种子及营养液混合料，在岩性破碎或岩石坚硬部位喷层厚度可适当增加(黄燕,2012;谢实宇和游小川,2015;粟娴和黄华显,2016)。

3.1.5 鱼鳞坑砌筑

在露天边坡岩体裂隙较多、岩质疏松和较平缓部位砌筑鱼鳞坑。采用小型爆破技术挖凿坑穴、浆砌花岗岩石技术围筑坑穴。经济技术指标：坑穴面积0.50 m2，直径0.80 m，坑深0.60 m；砌筑水泥砂浆标号不小于M10，围堰的墙体厚度0.25 m，高0.60 m；岩面较陡、墙体较长的部位应在墙体上部和下部分别埋设2根φ8 mm的拉结筋，以防墙体倒塌；砌筑结束后，及时做好墙体水泥凝固期内的养护工作，最少养护7天。

3.1.6 锚固铁丝网砼筑围堰

在露天边坡岩壁陡立甚至反坡的区域采用锚固铁丝网砼筑围堰技术进行绿化。经济技术指标：15～20 mm的螺纹钢做防锈处理后竖向打孔锚固，孔深40～60 cm，采用6～8 mm的盘条做防锈处理后横向编绕，形成围堰槽体的骨架；孔径20～30 mm的铁丝网由内侧绑贴，围堰形成通透槽壁，以M10水泥砂浆护砌槽壁，回填种植土，围堰槽体直径80～100 cm，穴深60～90 cm，平均1个/9m2(管斌和朱成林,2020;何亚男等,2021)。

3.1.7 修整平台与绿化种植

边坡削坡修整形成2 m宽平台，在平台外缘砌筑挡土墙，台面回填种植土，种植乔灌草立体植被，利用攀援性强的藤本植物沿斜坡延伸，绿化石壁，形成立体效果。在平台外缘种植悬垂植物与攀援植物绿化覆盖裸露岩壁。经济技术指标：墙体高度100 cm，平均宽度50 cm(适当保持下大上小)，以花岗岩石块浆砌，水泥砂浆标号M10，砌筑后做好墙体保养；回填种植土厚度60 cm。

3.1.8 坡脚挡土墙及内侧绿化种植

根据矿山地形地质条件，在距离坡脚2 m处砌筑挡土墙，在挡土墙内覆土进行绿化种植，营建矿山边坡景观绿化带。经济技术指标：墙体高度180 cm，下底宽100 cm，上顶宽50 cm；C30混凝土浆砌花岗岩石块；泄水孔采用Φ100PE管，进口用25 cm×25 cm透水土工布包裹，进口底部填筑30 cm厚的粘土；伸缩缝间距10 m。

3.1.9 摩岩石刻

金山浜花岗岩矿山裸露坡面是苏州地区保存最完好的花岗岩剖面，对边坡岩体稳定、相对平整且规模较大的岩面予以保留并自然裸露，结合摩岩石刻艺术化修饰，在降低修复成本的同时，创造地质剖面遗迹留存观赏价值。

3.2 废弃地修复治理

3.2.1 机械挖掘及人工撬挖

采用履带式碎石机震碎岩石，用挖掘机挖运土石方，挖高填低，结合人工撬挖清理，修整边坡坡脚附近和废弃地边角，回填小型沟槽，整理场地。

3.2.2 废弃地平整

拆除矿山留存的陈旧机械设备、生产及生活设施等，根据场地地形地貌现状进行场地平整，清理残留的岩土体，降低陡坎坡度等。场地整治产生的土石方用于边坡回填压脚和低洼地及矿坑回填。平整后的地面坡度一般不超过5°，局部坡度不超过25°。

3.2.3 回填种植土

在平整后的场地回填种植土，厚度60 cm，回填均匀，保持场地平整。从场外运入种植土需检测，应是无污染的山土或田地土壤，保障矿山废弃地整治复垦后的土地达到农林用地安全标准，为土地资源储备及开发利用做好基础性工作。

3.3 配套工程及设施

3.3.1 截排水

根据边坡和废弃地的地形地貌，减少雨水(洪水)对坡面和废弃地内植被和土壤的冲刷，防治水土流失，在边坡坡顶、边坡平台、坡脚和废弃地内修建连通的截排水沟，截排水沟与矿坑水塘贯通，保障矿山生态修复区排水通畅。沿边坡坡顶界线外延5 m处，修筑截水沟；在边坡平台临近坡面坡脚处修筑平台排水沟；沿边坡坡脚挡土墙外侧修筑排水沟；根据地形地貌在废弃地内修筑排水沟(蒋健等,2009;付东林等,2012;王赫煊和高红杰,2016)。坡顶截水沟和边坡平台排水沟采用钢筋混凝土浇筑，开挖沟槽净宽40 cm、深30 cm，Φ10 mm钢筋绑扎铺设沟槽，C30混凝土浇筑。坡脚和废弃地排水沟采用花岗岩石块浆砌，开挖沟槽净宽50 cm、深40 cm，浆砌水泥砂浆强度M7.5，沟体两侧顶部以C20砼克顶，用M10水泥砂浆勾缝。

3.3.2 浇灌系统及植被养护

在边坡绿化区域布设浇灌系统。横向主水管沿坡顶布置，水管规格采用4吋PVC水管；纵向水管沿垂直坡顶线方向间距25 m布设，每15 m坡高间距布设喷头，水管规格采用2吋PVC水管。以主水管从矿坑水塘抽水，用增压泵增压，保证有足够的水压到达坡面植被养护区。在坡面种植区布置旋转喷头，使水流成雾状喷灌养护，旋转喷头间距15 m(李友清等,2020)。植被养护包括浇水、施肥、病虫防治及苗木补植等，养护期为2年(孙汝斌等,2014)。

3.3.3 防护设施

沿矿坑水塘岸边1.5～2.0 m修建挡土墙，防治复垦场地的水土流失。挡土墙高度100 cm，平均宽度50 cm(适当保持下大上小)，以花岗岩石块浆砌，水泥砂浆标号M10，砌筑后及时做好墙体保养。

因矿坑水深、面积大，设置安全防护栏。栏网顶部高出地面线1.8 m，网孔150 mm×50 mm，钢丝网丝径4.8 mm，立柱采用φ48/2.5 mm钢管，间距3 m，埋入基础300 mm。

4 技术应用创新

4.1 削坡综合型技术

针对高陡花岗岩边坡的工程地质特征与地质环境问题，因地制宜采取浅孔定向爆破、CO2致裂、机械处理等综合型技术。对边坡岩体稳定性较好的区段不削坡，对边坡岩性破碎、节理发育的不稳定区段，在保证边坡安全稳定的前提下少削坡，尽量减少对原始山体及其植被的破坏，满足坡面植被生长的需要，同时节约修复工程资金。

4.2 山体边坡喷播优化技术

为改良矿山边坡植物生长的土壤环境，在客土喷播基质中加入适量微生物菌剂，计量0.010～0.015 g/m2，提高了植物对土壤氮、磷、钾等养分的吸收效率，增加了土壤的渗透性和保水能力，促进岩石坡面植物群落的自然演替。

4.3 坚硬岩石高陡边坡绿化技术

在花岗岩矿山边坡陡立、反坡、凹陷及小平台部位，充分利用边坡微地形，在不破坏山体和有利于绿化美化的前提下，采取锚固铁丝网砼筑围堰的技术，进行高陡岩壁绿化。构筑钢筋混凝土围堰，在围堰体内回填土种植适地适生的草花、抗逆性强的小乔木、灌木及藤本植物。此技术实施效率高、效果好，适用于陡立岩石边坡生态修复(图2)。

图2 边坡绿化效果Fig.2 Effect of slope greening

5 综合效益评价

5.1 生态效益

综合修复技术应用有效消除了矿山崩塌、滑坡等地质灾害隐患，保障了人民群众的生命财产安全，保持了水土，绿化美化了山体，改善了矿山及周边的生态地质环境，提升了生态景观，与邻近天平山风景区的优美环境相得益彰，融入了环太湖风景区自然环境，满足当地广大民众对良好生态环境的需求(图3)。

图3 矿山生态修复效果Fig.3 Effect of mine ecological restoration

5.2 社会效益

矿山生态修复技术的应用既消除了矿山地质灾害隐患，又改善其生态环境和周边居民的生活环境，提升了苏州城市形象，形成了新的景观空间，有效利用土地资源，为周边居民及游人提供一处休闲游憩的场所，与邻近的天平山风景区融合，促进了当地人民生活质量的提高与和谐社会的建设。

5.3 经济效益

通过综合生态修复技术的应用，修复绿化矿山边坡面积1.3×105m2，复垦废弃地1500亩，回收利用了宝贵的土地资源。在增加土地资源和绿化覆盖率的同时，融入苏州国家园林城市建设和环太湖风景区全域旅游，必会产生巨大的经济效益。

6 结论

(1)综合应用浅孔定向爆破和CO2致裂技术削坡减载、回填压脚和浆砌片石格构技术防护边坡，可以有效消除花岗岩陡立岩质边坡崩塌及滑坡地质灾害隐患，并为边坡生态修复提供有利的地形条件。

(2)针对性地应用挂网客土喷播、锚固铁丝网砼筑围堰、鱼鳞坑及坡脚绿化等生态修复技术措施，可以显著修复边坡生态环境，提升绿化景观。

(3)采取挖高填低、场地平整、覆盖种植土等废弃地修复治理技术方法，结合景观绿化、截排水、植被养护、摩崖石刻等措施，不仅改善了矿山及周边生态环境和景观面貌，而且复垦储备了宝贵的土地资源，促进苏州城市经济社会发展和环太湖风景区旅游开发建设，为其他地区矿山地质环境治理与生态修复工程设计与实施提供了参考。

[注 释]

①江苏省地质调查研究院.2018.1∶100000苏州市城市地质调查报告[R].

[附中文参考文献]

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