山东省沂源县大田庄石灰岩露天矿山地质环境治理工程探讨

李宁宁，单吉成，郝翰，时晨，李丽，王会韬

(1.沂源县自然资源局，山东 沂源 256100；2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队， 山东 济南 250014；3.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250199；4.临朐县自然资源和规划局，山东 临朐 262600)

0 引言

随着矿业经济的发展，矿产资源开发规模和强度不断增大,导致矿山地质灾害等一系列地质环境问题日益突出[1-2]。矿产资源的开发在保障经济社会发展的同时，也产生了一系列的矿山地质环境问题,严重地影响了当地生态环境，极大地降低了地质地貌景观质量[3]。露天开采矿山引发的矿山地质环境问题是目前我国突出的矿山地质环境问题之一[4]，存在地质灾害隐患的,必须及时采取有效措施,消除隐患[5]。沂源县地处鲁中山区，淄博市最南端，地层出露齐全，地质构造比较发育，非金属矿产资源蕴藏潜力大，以建筑石料用灰岩、建筑用风化砂为主的非金属矿产资源尤为丰富。随着经济社会的飞速发展，各类矿山开发、工程建设等人类活动导致地形地貌破坏、山体和土地损毁、地质灾害频发、地下水及土壤污染等环境地质问题日益严重。截至2019年沂源县历史形成的废弃矿坑、矿井多达94处，地质灾害隐患点52处。地质环境破坏已严重制约经济可持续发展。

1 矿区地质条件

沂源县大田庄石灰岩矿区位于沂源县城西南处约6.5km，青兰高速公路南约0.42km，省道S234东约0.21km，位于田庄水库西南角，属沂源县南麻街道办辖区内(图1)。

1—沂河组；2—山前组；3—五阳山组；4—土峪组；5—北庵庄组；6—东黄山租；7—三山子组；8—炒米店组；9—崮山组；10—张夏组；11—馒头组；12—孙家峪单元；13—断裂；14—项目区位置图1 治理区地质简图

矿区地层出露复杂，基底为太古代泰山岩群雁翎关组变质岩和侵入岩，盖层有奥陶纪马家沟群北庵庄组灰岩及第四纪地层。北庵庄组主要岩性为灰色厚层云斑灰岩、灰岩和白云岩；第四系主要为残坡积物，岩性为黄土状粉质黏土，含有灰岩砾石。该治理区内尚未发现大的断裂构造，褶皱、构造裂隙较发育，裂隙宽约5～150mm，局部达200mm，裂隙内多被棕色黏土充填，由于构造裂隙发育，局部岩石破碎，开采坡面分布大量危岩体。区内未有岩浆岩出露，开采区未揭露岩浆岩。

2 矿区水文地质特征

矿区地处南麻水文地质单元，沉积裂隙岩溶含水组，含水层岩性主要为微晶灰岩，富水性较好。地表水向沂河及田庄水库径流排泄，区内断裂构造不发育，受地形地貌影响，地下水由西南向西北流向，一般8—9月份水位最高，丰水期过后，水位开始缓慢下降，至次年6—7月份，地下水位呈低—高—低变化，属于入渗-径流型，地下水矿化度516.74mg/L。

单井涌水量在1000～5000m3/d之间。治理区内水文地质条件简单。

3 矿区地质环境现状

沂源县大田庄矿区的矿石种类主要为石灰岩矿，自20世纪七八十年代开始零星开采，至20世纪九十年代，随着经济的发展，建筑材料的需求增加，开采规模不断增大，开采方法采用机械打孔爆破，再进行人工分拣。无节制的矿产资源开采，给当地带来经济繁荣的同时，也带来一系列环境地质问题，如地形地貌破坏，生态环境恶化以及地质灾害等问题，并在一定程度上危及到人民财产生命安全[6]。

3.1 崩塌地质灾害的特征及其危害

矿区因开采石灰岩形成高陡边坡，南部和北部边坡高差较小，东部边坡高差较大，坡度一般近乎直立，形成临空面。边坡裂隙发育，岩石破碎、整体性差，极易发生边坡崩塌灾害。边坡长度为505.73m，坡高10～50m，最大坡角为约90°，近乎直立，坡面危岩体、危石随处可见,整体性差，在降水、冻融、地震等外营力的作用下,危岩体因重力共同作用下，脱离母体，产生崩塌灾害。

3.2 水土流失特征及其危害

石灰岩矿的无序开采,毁坏了大量的土地与植被。矿区石灰岩开采历史悠久，历经数十年的破坏性开采，土地和植被遭受严重破坏，石灰岩开采表层残积、坡积风化层剥离，植被遭受毁灭性的破坏，同时采石场边坡坡度大，覆盖层薄，局部基岩裸露，剥离残坡积层未采取任何水土保持措施，大气降水产生地表径流，造成水土流失，造成了矿山荒漠化、石漠化，山体遗留的少许土壤也因为长期淋滤,土壤内有机质严重流失，致使矿区内植被再生困难，山体裸露，对自然生态环境严重破坏。

3.3 地质地貌景观破坏

无序的矿山开采，形成了大量的采石陡崖和大面积的采石平台，采场和矿山周边遗弃、遗留大量废石，渣石堆，对原生地形地貌景观破坏严重，该矿区西邻省道S234，北邻青兰高速，人流车流量巨大，造成严重视觉污染。因此，实施矿山地质环境保护与恢复治理在当下十分重要[7]。

4 工程治理方案

4.1 治理工程原则与目标

(1)治理原则

治理工程首先要解决现存的崩塌、滑坡等矿山地质环境问题，确保周边群众生命财产安全[8]。治理工程以恢复当地生态为根本遵循，整体打造，整体修复，确保治理工程能够达到和周边环境协调一致的效果。治理工程在经济承受力的前提下，尽最大所能达到预期治理效果。在坚持公益方向的基础上，充分体现财政资金在矿山生态修复工程上的支持性和引导性[9]。按照“宜林则林、宜水则水、宜耕则耕、宜景则景”的原则，根据治理区所处区位特点并结合当地的社会经济发展情况，合理确定破损山体治理的方向[10]。治理工程采取分级处理方法进行预测，并制定良好的防治措施[11]。

(2)治理目标

通过符合实际的工程措施，消除地质灾害隐患，恢复破坏的地形地貌景观、生态环境，解决现有地质环境问题，提高治理区地质环境质量。

4.2 综合治理方案

矿山地质环境治理工程技术主要分为危岩体清理工程、台阶削坡工程、浆砌石挡土墙工程、截排水沟工程等防治技术[12]。

(1)边坡治理

《条例》将流域作为统一整体列为管理对象，但是各地区水功能区划，尤其是边界河湖水功能区划仍有不统一的地方。如2010年国务院批复的《太湖流域水功能区划》将淀山湖整体划为淀山湖苏沪缓冲区，但在以前的江苏省、上海市人民政府对有关的水功能区划批复中均对淀山湖使用功能进行了不同的定位，江苏定位为渔业用水区，利用率较高，上海定位为水源保护区，对环湖地区发展进行了严格限制。建议两省一市各自调整水功能区划，将保护标准统一到2010年5月国务院批复的《太湖流域水功能区划》苏沪缓冲区这一统一标准中来。

将边坡进行爆破削坡、人工及机械将坡面危岩体清除处理，将矿区边坡进行削坡，采取爆破削坡[13]。清理危岩体和削坡产生的土石方回填至矿坑处平整并覆土。治理区工程边坡治理部分主要是对坡度较陡、裂隙发育的边坡段进行治理，治理区内边坡高度0～40m，坡度较陡，局部达90°，坡面上存在大量的危石，边坡存在严重的不稳定隐患。一是清除危石，二是在边坡坡底修排水沟一道，走向沿边坡走向布设，截水沟尺寸为42cm(高)×42cm(宽)，20cm厚M10浆砌片石砌筑；坡脚采取种植小叶爬山虎。爬山虎种植的间距为0.5m，每丛3株，共690株(图2)。

1—坡面线；2—治理后地形线；3—灰岩；4—削坡；5—续坡；6—挡墙；7—侧柏；8—爬山虎图2 台阶治理削方设计大样图

边坡爆破过程中需提前剥离表土层，由于本区表土层较薄，剥离的表土层可集中堆放于治理区平整地段，以备绿化用。爆破工程由相关资质的专业公司承担，编制专项爆破方案，通过后方可施工。边坡爆破过程中需提前剥离表土层，由于本区表土层较薄，剥离的表土层可集中堆放于治理区平整地段，回填时一并覆土。

(2)挡墙砌筑

爆破后，在台阶式坡顶布设挡土墙，沿平台边坡走向布设，坡顶挡土墙尺寸40cm(上底)×80cm(下底)×70cm(高)，40cm厚浆砌片石砌筑(图3)。

1—M10浆砌石；2—基岩；3—回填土图3 坡顶挡墙大样图

削方后，坡脚处采取台阶式续坡的方式，为确保渣石的稳定，须砌筑一个阶地，阻挡续坡回填的渣石，形成一个稳定的台阶，为第三平台。尺寸为5m(上底)×10m(下底)×8.6m(高)，40cm厚浆砌片石砌筑(图4)。

图4 坡脚处阶地挡墙大样图

(3)采坑治理

采坑采用石方回填平整，将爆破削方后的土石方分层填入，然后进行渣石平整。石方回填施工要求石方分层充填，每100cm为一层，分层压实，压实系数为0.93，用机械碾压。结合治理区场地实际，提前制定施工机械、车辆行走路线，对过窄的区域必要时要进行加固、加宽，并做好标记和施工准备方案。施工前对填方基底、已完隐蔽工程进行查验，做好记录。底层压实渣土的填方，不得用有机质含量的土和碎块草皮。底层渣土使用6～8遍振动平辗。碾压时，轮(夯)迹应互相搭接，避免漏压或漏夯。当回填土区域施工机械无法压实时，要用人工运土填平压实。雨季填土作业时，要启动应急预案，对地挖处进行挖沟排水，有必要时，要停止施工作业，雨停后做好检查，对冲毁的填土区域进行重新填平压实。在爆破削坡后的平台及陡崖坡底采用“废石—客土”的工艺进行回填,分层回填压实,厚度为70cm，种植土从距离治理区5km的鲁村库区购买。种植土覆盖完成后用挖掘机进行平整，并采用人工对内部较大石块进行破碎。肥沃的表土是复垦时再种植成功的关键要素[14],故上层种植土首选附近较为肥沃的表层土或耕植土。

通过实施高陡边坡削台回挡填土，为爬山虎、侧柏等植物生长创造适当条件，争取在较短时间内发挥植物的生态防护功能，达到修复该破损山体的目的，而硬岩地区植被复绿植物的选择极为关键，关系到生态复绿工程实施的成败。一般本地物种的抗逆性和适应性强于外来品种[15]或矿区采用单一植被，恢复效果不但不佳，还往往出现生态系统不稳定等现象[16-18]，故在植被的恢复上，按照多层次、多结构，乔木、灌木、草本立体混交原则进行恢复。平整后的场地覆土后，整个治理区范围内，按2.0m×2.0m的株距种植侧柏，为防止水土流失，整个治理区撒上狗牙根草籽，以固定表土。

(5)毛石支护

矿区南部因台阶式开采造成渣石台阶式堆积，堆积的渣石松散、强度低、整体性差、抗渗透性差，当遭遇强降雨，在自然环境内外应力作用下很容易滑塌，所以采用毛石支护以确保边坡的稳定性。采用40cm厚的毛石进行支护(图5)。

1—毛石；2—碎石土图5 毛石支护大样图

根据工程布置设计图，采用全站仪对需支护位置进行测量放线，采用木桩或白灰标示。偕同监理及设计人员到现场进行验收。根据测放好的挡墙位置，对坡面进行清理，清除杂草、虚土等。达到设计标高。选用无风化、无裂隙毛石，对毛石外侧进行勾缝处理，灰缝的宽度掌控在20～30mm；支护厚度为40cm。支护工程完成后及时进行养护维护，确保工程施工质量，组织施工技术人员对所有施工资料进行整理汇总，及时报请监理进行分项工程验收。

5 结论

(1)已关闭的露天石灰岩矿山存在的主要地质环境问题是地质灾害(主要是崩塌、滑坡、泥石流)及地质地貌景观的破坏。消除已关闭矿山地质灾害目前国内主要是高陡边坡及危岩体的卸载，需要采取控制爆破技术，减少飞石的发生，同时还要结合人工排险技术。只有确定治理生态环境的重点，才可以有效的完成各项治理工作，减少地质灾害的出现。矿山地质环境治理应在消除地质灾害隐患的基础目标之上，以生态重建为主，土木工程建设为辅。

(2)工程治理措施的选择上要充分考虑岩石边坡的稳定性，对其采取科学的分析和判别，在此基础上综合考虑各种自然和人为因素,对崩塌区域整体和分部重点判断，确定需要卸载的危岩体大小和区域。

(3)已关闭露天矿山地质环境生态修复治理工程首先要考虑实施后的生态效益,绿化方案应着重考虑本土树种，尽量体现生物多样性。在绿化树种的选择上，在美观、经济、便捷的原则下，突出植物群落的丰饶感、整体美，要优先选择搭配抗旱性强，与周边景观协调一致，符合当地气候条件的树种来栽植。

(4)针对于当前的发展形势，要积极地开展相关的预防以及保护工作，坚持走可持续发展道路不动摇，坚持环境保护与资源开发管理共同发展的道路，全面实施对矿山地区的环境进行科学合理的规划。