肃北县敖包沟金矿矿山地质环境问题及恢复治理措施

蒙学礼，蒙发强，刘振龙，李涣森，彭鹏程

(1.广西壮族自治区第四地质队，广西 南宁 530033； 2.广西第一地质工程公司，广西 南宁 530033)

矿产资源开发作为社会经济发展的必要因素，给社会经济发展带来巨大福利的同时，也不可避免地产生地形地貌景观破坏、土地资源破坏、含水层破坏等诸多矿山地质环境问题[1]，这些问题直接或间接地影响了当地社会经济的可持续发展[2-5]。为了突破环境问题对人民群众生活水体提高的制约因素，党中央决定加强生态环境保护，开展矿山地质环境综合治理工作，以实现生态环境保护和矿业开发的可持续发展，促进当地社会经济的发展[6-10]。

敖包沟金矿区位于甘肃省肃北县境内，东距都县城110 km。根据矿山地质环境现状调查，矿区现已形成HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6较危险或易发生崩塌等危害的高陡斜坡6段，采空区塌陷面积为137359.2m2，弃渣场及道路压占荒地面积为1.1 561 hm2。本文对该处的矿山环境地质问题、现状进行了预测评估，通过开展高陡斜坡的治理工程、预测地面塌陷区设立安全警示工程、弃渣平整、回填工程、压占荒地的清理复平工程等，防治、恢复矿山地质环境，保障矿山安全、有序、环保地开展采矿活动。矿山目前处于开采阶段，矿区主要工程布置有采矿工业场地(值班室、空压机房、动力房、机修间、配电室等)、弃渣场、矿山道路等(图1)。

图1 矿区范围影像Fig.1 Image map of mining area

1 地质环境特征

1.1 地形地貌

敖包沟金矿区位于阿尔金东段，标高+3 400～+4 200 m，沟谷切割多、密度大，多受断裂控制，山势陡峭，沟壑密布，绝壁林立。区内大部分地段基岩裸露，植被覆盖率极低(图2)。

图2 矿区地形地貌特征Fig.2 Landform features of mining area

1.2 地层岩性

矿区出露地层主要为长城纪朱龙关群和第四系。①长城纪朱龙关群主要为一套火山碎屑岩、火山熔岩组合，岩石经历了轻微的变质作用，岩性有变英安岩、变安山质凝灰岩、变英安质凝灰岩、英安质凝灰质板岩、变英安质凝灰熔岩、变安山岩、变安山玄武岩、辉石玄武岩、灰绿色绿泥片岩等；②第四系全新统坡洪积物，分布于矿区内山间沟谷地带，由砂、碎块石构成。

1.3 地质构造与地震

矿区属祁连造山带中—南祁连弧盆系。矿区主构造格架由一条呈北西—南东向展布，倾向北或北东的脆韧性剪切带构成，分布于水闸东沟—红旗沟—三窝水沟一线，延展长度约8 km，宽300～500 m。根据国家地震局发布的1∶400万《中国地震动峰值加速度区划图》，工程场址的地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，相应的地震烈度Ⅶ度[11]，评估区属现代地质构造活动的基本稳定区[12]。

2 水文地质、工程地质条件

2.1 水文地质条件

矿区当地侵蚀基准面标高为 +3 485 m左右，地形条件有利于自然排水，地表没有水体存在，地下水主要为构造裂隙水，北西向断裂构造是含水构造，但含水比较弱，矿坑涌水量大小受控水结构面发育密度和程度的影响，在风化裂隙发育密集带、断层破碎带和地形有利于汇水的地段可形成一定量的集中涌水，但总体水量不大，平硐中破碎带涌水量为0.013 0～0.031 4 L/s。矿坑涌水量会随季节性变化，总体趋势上矿坑涌水量会随开采时间的增长而逐渐减小，矿区水文地质条件属简单。

2.2 工程地质条件

(1)侵入岩岩组。岩性为变安山岩、变安山玄武岩、辉石玄武岩等，致密坚硬，岩石单轴饱和抗压强度100～120 MPa，软化系数0.7～1.0。岩体构造裂隙发育，风化剥蚀强烈，呈破碎结构。由于岩性硬、脆，在陡斜坡带出露时卸荷裂隙发育，出现松动危岩体。岩体完整性属中等完整—较完整。

(2)薄层状变质岩组。岩性为变英安质凝灰岩、英安质凝灰质板岩、灰绿色绿泥片岩等。该岩组岩体呈薄层状结构，岩体易风化，强风化带厚度为5～15 m，强风化层呈破碎结构。地层连续性差，断层及断层破碎带、节理、裂隙发育。岩石单轴饱和抗压强度大多在60～122 MPa，属坚硬岩，软化系数为0.5～0.7，少量的炭质千枚岩、绿泥石英片岩单轴饱和抗压强度在31～48 MPa，为半坚硬岩。

3 矿山生态地质环境现状及评估

3.1 不稳定斜坡现状评估

根据现有调查资料，矿区已施工平硐6条，编号为YM4、YM3、PD10-3、PD10-2、PD10-2-1、PD10-1，硐口开挖宽度8 m，高为5 m，平硐经修整后作为开拓平硐，硐口处共形成不稳定斜坡HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6，采用赤平投影对矿山HQ1、HQ3、HQ4斜坡进行分析(图3)，斜坡对采掘人员构成威胁，现状评估危险性中等，不稳定斜坡特征见表1。

图3 平硐口不稳定斜坡赤平投影分析Fig.3 Stereographic projection analysis of unstable slope at adit entrance

表1 不稳定斜坡特征Tab.1 Characteristics of unstable slopes

3.2 泥石流地质灾害现状评估

(1)泥石流的发育特征。评估区内红旗沟长2.15 km，流域面积3.64 km2，沟口高程+3 415 m，沟脑高程+3 895 m，高差480 m，主沟纵坡126‰，流域处于基岩中高山区。泥石流沟沟谷断面呈“V”形，沟岸坡角45°～70°，主沟沟床为冲沟，溯源侵蚀强烈，主沟切深1～2 m。沟谷两侧斜坡岩体裸露，植被覆盖较低，风化碎石遍布，坡面冲刷剧烈，坡脚及沟谷底部坡积、冲洪积层平均厚度3～5 m，在该沟中下游红旗沟采区沟底及左侧斜坡堆积有大量的废弃矿渣，其总体积约18.5×104m3，为泥石流形成提供了丰富的物源。该沟平常干涸无水，属季节性沟谷，遇暴雨时，洪水携带坡面冲刷、沟岸侧蚀、沟底刨蚀的松散层和人工堆积松散层冲出沟外，形成泥石流。

(2)泥石流地质灾害现状评估。矿山为延续开采矿山，已开采，现状条件下流域范围内，在该沟中下游红旗沟采区沟底及左侧斜坡堆积有大量的废弃矿渣，其总体积约18.5×104m3，坡体表层堆积有大量松散矿渣，泥石流地质灾害威胁对象为矿区采矿人员及机械，危害程度严重，危险性大[12-14]。

3.3 采空区影响范围评估

根据现场调查采空区地表无大的裂缝或塌陷坑，但易出现连续的有规律的地表移动和变形，矿区采空区长度与最大采深比0.54～0.65，说明地表移动盆地呈碗状，为非充分采动[15-16]。

(1)

式中，Wmax为移动地表最大下沉值；η为地表下沉系数，取坚硬岩石的经验系数η=0.65；m为法线厚度；b为水平移动系数为0.38(据经验值)。

据式(1)求得，采区地面塌陷地表最大下沉值为1.502 m，最大水平位移值为0.571 m。塌陷区中心部位以垂直下沉为主，水平位移量较小。塌陷面积为137 359.2 m2，但地面塌陷处于荒漠无人区，仅对采矿工程活动产生影响，危险性为中等。

3.4 矿区水土环境破坏现状评估

(1)含水层的影响评估。矿区最低开采标高位于侵蚀基准面+3 485 m以下，+3 485 m以下区域，可能在断裂破碎带及岩体构造裂隙富水，井下最大涌水量0.301 m3/d，预测最大涌水量350 m3/d，矿区地下水补给来源为降雨、融雪水，没有地表水通过矿区，矿井开拓时坑道发生大量涌水的可能性小，其影响程度较轻，破坏小。

(2)地形地貌景观的影响评估。矿区远离居民区，保护区、风景旅游区等重要设施。矿业活动对地形地貌的影响和破坏主要为矿山勘查过程中施工的探槽、平硐、尾矿堆放。现状条件下，红旗沟矿区已施工平硐6处，开采引发地面塌陷面积13.74 hm2，矿业活动对整个矿区的原生地形地貌景观影响和破坏程度严重。

4 矿区地质环境防治

4.1 总体思路

区内地质灾害主要为不稳定斜坡和泥石流，可通过危石、危岩清理，平硐口采取支护，设置拦河坝等工程进行治理，难度较小；地形地貌景观通过设立挡石墙、封闭硐口、斜井回填、弃渣平复等手段，技术可行；土地资源及植被恢复可通过拆除、平整、清理废弃物等工程，治理难度较小，但矿区海拔较高，气候恶劣，以土地平整、自然恢复为主[17-18]。

4.2 地质灾害治理工程

(1)不稳定斜坡治理工程。针对矿山现状条件下发育的不稳定斜坡HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6坡面。结合斜坡治理需要和地形、地层特征，选择在斜坡中上部，建设板桩加缓冲带；在中部借助格构梁和锚索，确保坡体抗滑力的不断增大；在下部修建截排水沟设置，减少雨水对坡体产生的影响，增强坡体稳定程度，选择坡脚合理处设置护脚墙(图4)。①削坡减荷。在斜坡中上部采用台阶形逐级放坡方式，确保斜坡下滑力得以削减，增强斜坡的稳定性。通过削坡减荷方法，可以改善既有坡高比与坡度，降低灾害发生概率[16]，并借助板桩创建前缘缓冲带。②合理加固边坡。采用削坡减荷方法的同时，借助格构梁和锚索，保证坡体抗滑能力增强。将植被种植于格构中间，不断增强护坡效果。③护脚墙。将护脚墙设置在斜坡前缘坡脚位置，且墙体要合理设置排水孔，并于墙后排水孔的位置加设过滤层。需要注意的是，排水孔要倾斜特定坡度，同时每隔一段距离要设置一道伸缩缝。④截排水沟设置。大气降水会使坡体内部润滑程度增加，影响土体抗剪强度。应在斜坡坡面上以及较大冲沟内设置浆砌片石截排水沟。在截排水沟的作用下，可向排水沟内部排放坡面雨水。⑤护网设置。对坡面进行危岩、危石清理，平硐口采取支护工程措施，对威胁严重的不稳定斜坡落石采用主动防护网防治措施。

图4 平硐口不稳定斜坡综合治理Fig.4 Comprehensive treatment of unstable slope in adit mouth

(2)地面塌陷灾害治理工程。敖包沟金矿围岩稳定，因采矿引起的地面塌陷影响范围较小，矿区闭坑后，尽量使塌陷区自然塌陷，与当地地质景观相谐调。因此，一般采取综合治理措施，主要采取如下方法[17]：①警示标志栅栏围护法。对以后存在塌陷隐患的区段，进行混凝土夯实回填、禁止或控制地下水开采，设立警示标志并在其外围设置铁丝网或木栅栏等，避免人、畜等进入塌陷区而遭受伤害。设置高1.5 m网围栏工程1 700 m，平均每200 m设警示牌1块，共设警示牌9块。②灌注法。把灌注材料(水泥、砂、矿渣和速凝剂等)通过钻孔进行注浆，其目的是强化土层及钻孔封堵，隔断地下水流通道，加固土体抗塌能力。③强混凝土法回填。对矿区采矿过程中斜井进行弃渣回填，斜井断面3.6 m2，长100 m，总方量360 m3。采用锤吊让其自由下落，造成强烈的冲击，提升了混凝土体的强度。该措施不但可以压实塌陷后松软的土层和塌陷坑内的回填土，以提高土体强度，还可以消除隐伏土洞和软弱带，是一种处理和预防相结合的措施。

(3)恢复地貌景观治理工程。考虑矿区地处荒山，人烟稀少，植被覆盖率低，地表土层仅零星分布，因此确定对矿区挖损、压占土地资源进行平整处理，不进行覆土工程，植被恢复采用自然恢复法。①采矿过程中施工6处平硐，规格为2.2 m×2.2 m，闭坑后硐口均采取浆砌石封闭，封闭深度自硐口至硐身为20 m，总方量累加损耗量为521 m3。②采矿过程所产生弃渣除用于修复矿区道路外，在各弃渣场将堆放弃渣15 552 m3，考虑采矿阶段已对各弃渣场内弃渣做了相应复平工作，最终对弃渣的复平方案采取削高补低的方法，复平量按总弃渣量40%估算，总复平量为6 421 m3(图5)。

图5 矿区场地平整示意Fig.5 Mine site leveling schematic diagram

(4)矿区土地资源破坏恢复工程(图6)。矿区开采过程中共压占荒地面积1.156 1 hm2，挖损荒地面积14.78 hm2。同时，矿区属高原荒漠区，且大多岩壁陡峭，在这种环境下开展复绿的技术难度大，植被存活率低。根据矿山生态环境特征，把握“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念，结合区域人文、经济、社会发展需求，因地制宜确保生态修复的社会效益和经济效益最大化。

图6 矿区土地资源破坏恢复工程Fig.6 Mining area land resources destruction restoration project

统筹考虑矿山及其周边区域的系统生态修复问题，打破“生态修复就是复绿”的思维定式，具体采取工程措施为，拆除已有工程设施，设置挡土墙，使采矿产生的废石沿坡自由堆放，按平整厚度0.2 m计算，产生的废弃物总方量为31 872.2 m3。后期根据社会需求，可开发成矿山地质公园、攀岩基地等景观区。

4.3 效益分析

矿山地质环境保护与恢复治理工程利于人民群众安居乐业和社会稳定，并对保障矿山自身安全运行及持续发展具有现实意义。矿山治理区自然生态环境十分脆弱，保护和建设好生态环境，减轻地质灾害对矿山企业的危害，改善区内不良地质环境和生态环境，对当地的经济社会可持续发展意义重大[19-20]。

5 结论

评估区地质环境复杂程度属复杂，开采规模为小型，重要程度属一般。

(1)评估区因平硐口开挖形成的斜坡，发生小规模崩塌、坠石地质灾害的可能性较大，威胁采矿工作人员的安全，对采矿活动影响程度较严重。区内发生泥石流、崩塌等灾害的可能性大，危险性大。工程活动对区内含水层影响和破坏程度较轻，对矿区地形地貌景观影响和破坏程度较严重，对土地资源影响和破坏程度较轻。

(2)矿区为地下开采，矿区水土环境破坏的方式主要表现为压占和挖损，矿山地质环境现状影响程度为较严重。

(3)本文提出对HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6高斜坡处危岩清理、设置台阶式边坡削坡减荷，加固锚栓固定边坡，修建截、排水沟等防治工程技术手段，以减轻地质灾害威胁；通过对弃渣场的平复治理，尽可能恢复原有地貌特征，从而为矿山开采引起的斜坡崩塌及采空区塌陷等地质灾害问题提供了较为有效的治理措施。