露天石材矿山地质环境影响及生态恢复研究

姚 杰

(中国冶金地质总局 广西地质勘查院，广西 南宁 530022)

落实矿山地质环境保护及土地复垦有关的法律法规和政策要求，能保证矿山地质环境保护和土地复垦义务落实，保证矿山地质环境保护与土地复垦的任务、措施、计划和资金落到实处，为国土资源主管部门实施监管提供依据[1-9]，从而保护矿山地质环境，减少矿产资源开采活动造成的矿山地质环境破坏、保护人民生命财产安全，促进矿产资源的合理开发利用和经济社会、资源的协调发展[9-12]。本文通过调查贺州市同乐石灰岩矿现状(图1)，发现采矿活动引发的地质灾害对矿山地质环境影响程度较轻；对含水层的影响和破坏程度较轻；对水土污染的影响和破坏程度较轻；对地形地貌景观的影响和破坏程度严重；对土地资源的占用破坏程度较严重。通过采场边坡削整、采场底部开挖排水沟、表土场周边砌筑挡土墙、崩塌、滑坡和泥石流地质灾害巡视监测、表土收集工程、建筑物拆除、表土回填、植被恢复等措施，可以改善治理区生态环境，全面解决矿区地质环境问题，消除或减轻地质灾害隐患，改善区域生态环境，实现生态系统良性循环的总体治理目标[13-16]。

图1 矿区地质环境评估范围Fig.1 Scope of geological environment assessment in mining area

1 地质环境特征

1.1 自然地理条件

矿区属亚热带季风气候，多年平均气温20.4 ℃左右，5—8份为丰水期，降雨量大，降雨集中，占年降雨量的63%，12月至次年2月为枯水期。矿区南部平塘沿谷地发育一条小河，水位标高+124 m左右，自北西往南东径流，为测区最低侵蚀基准面。

矿区内地势总体为中间高四周低，最高峰海拔+815 m。山体坡角为25°～45°，山体植被发育，冲沟较发育。南部平塘一带为岩溶谷地，谷地北西—南东展布，地面平缓，标高在+127 m左右，自然排水条件较好。矿区地貌复杂程度中等。

1.2 地层及构造

矿区内出露地层主要为石炭系下统英塘组，岩性为深灰色生物灰岩，微晶质结构，厚层—巨厚层状构造，主要矿物成分为方解石，含少量的白云石，为该区石灰岩矿体赋矿层位。

矿区褶皱构造为西湾向斜，轴向北北东转向北北西，矿区位置处在向斜的东南翼。断层主要有望高断层、西湾断层、川岩断层，受其影响，向斜东翼的地层部分倾向东南。矿区内断裂构造未发育，岩石溶洞节理裂隙中等发育，有少量不大的溶洞。矿区地质构造属简单类型。

1.3 矿体(层)地质特征

矿区内圈定轻钙石灰岩矿体5条，主要矿体特征分述如下。

(1)Ⅰ轻钙石灰岩矿体。长约200 m，平均厚23.03 m，平均品位CaO为54.89%、MgO为0.53%，SiO2为0.23%。矿体呈层状，产状187°～202°∠12°～20°。矿石呈深灰色为主，次为灰色，细—微晶结构，中厚层状构造，矿石矿物主要以方解石为主，次为白云石，少量泥质等。

(2)Ⅱ轻钙石灰岩矿体。矿体平均厚12.51 m，平均品位：CaO为54.85%、MgO为0.74%、SiO2为0.19%。矿体呈层状，产状187°～202°∠12°～20°。矿石呈深灰色为主，次为灰色，局部呈浅黄色。矿石矿物主要以方解石为主，次为白云石，少量泥质等。

(3)Ⅲ轻钙石灰岩矿体。矿体平均厚11.93 m，平均品位CaO为55.23%、MgO为0.72%、SiO2为0.20%。矿体呈层状，产状191°∠12°。矿石呈深灰色为主，次为灰色，细—微晶结构，中厚层状构造。矿石矿物以方解石为主，次为白云石，少量泥质等。

2 水文地质、工程地质条件

2.1 矿山水文地质

矿区地下水类型主要为碳酸盐岩裂隙溶洞水一种类型，由下石炭统英塘组灰岩含水岩组组成，地下水赋存于裂隙溶洞中，地下水枯径流模数为3～6 L/(s·km2)，水量中等。大气降雨是本区岩溶地下水主要补给源，矿区处于地下水径流—排泄区，地下水位及流量受大气降雨、补给区地下水补给以及地形条件影响较明显。矿区地下水位年变幅在5～10 m。

矿床为以溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床。由于矿山为露天剥采，开采标高标至潜水位之下时坑壁会产生潜水涌水，预测矿山正常潜水涌水量为917.80 m3/d，最大潜水涌水量为1 147.25 m3/d。矿坑涌水主要受大气降雨影响，潜水含水层涌水量较小。

综上所述，矿区水文地质条件复杂程度属简单类型[3-6]。

2.2 工程地质特征

(1)较硬—坚硬碳酸盐岩岩组。主要岩性为厚层灰岩，取样进行抗压岩样试验，岩石饱和抗压强度30.3～78.7 MPa，平均值为54.5 MPa，属较硬—坚硬岩石。岩石抗剪断峰值强度(天然状态)内摩擦系数f′=2.11～2.22、黏聚力9.60～9.98 MPa。

(2)断裂、节理裂隙的工程地质特征。矿区内无大的断层分布，但次级小断层仍有发育。根据对矿区地面调查，矿区节理裂隙较发育，根据地面节理裂隙的测量结果统计，矿区岩石主要发育3组节理裂隙：50°∠80°、305°∠85°、250°∠75°，裂隙发育密度3～5条/m。上述节理裂隙面多平直，多呈闭合状，与层理组合形成碎裂结构体。矿区土体薄，工程地质性质较差；岩体表层岩溶强发育，裂隙较发育，工程地质性质较差。因此，岩土体工程地质性质较差，矿区工程地质条件中等[4-9]。

3 矿区环境地质评估

3.1 地质灾害预测评估

(1)采场边坡引发崩塌、滑坡地质灾害的危险性预测。矿山采用自上而下的露天台阶式开采，工作台阶坡面角为70°，高度15 m，平台宽度5 m，清扫平台宽度为7 m，最小工作平台宽度为30 m，采场最终边坡角≤54°。矿山将开采矿区内标高+340.8～+168.0 m的所有矿体，矿山将形成环绕矿区边界的采场边坡，四周高，中间低。北西面边坡整体坡向约80°，南面边坡整体坡向约291°，东面边坡整体坡向约154°。边坡最终边坡角为54°。以矿山北面为例，边坡总高度达140 m，共10级台阶，岩性为碳酸盐岩。采用赤平投影对边坡进行分析(岩层产状取平均值195°∠16°)，北面边坡在S0和J1结构面交割线方向、S0和J2结构面交割线方向、S0和J3结构面交割线方向稳定，边坡稳定(图2)。根据以上边坡稳定性影响因素分析采场北侧边坡引发崩塌、滑坡的可能性大。预测崩塌单体方量在100～1 000 m3，以散落崩塌为主，危害对象主要为采场施工人员和生产设备等，受威胁人数4～6人，可能造成的直接经济损失小于100万元，危害程度小，危险性中等[5-13]。

图2 矿区北面边坡赤平投影分析Fig.2 Stereographic projection analysis of north slope of mining area

(2)堆料场边坡引发崩塌、滑坡地质灾害的危险性预测。矿山生产过程中，爆破崩落的矿石经机械搬运至破碎机加工后，矿石临时堆放在堆料场，最后出售给各建筑工地。生产过程中基本为临时堆放，堆高3～5 m，按自然安息角堆放，堆矿形成椭圆形山包。由于堆料加工后，一般都在短时间内销售完毕，及时将堆料运走碎石，堆放量不大。因此预测堆料场边坡引发崩塌、滑坡地质灾害可能性小，危害程度小，危险性小。

(3)采矿活动引发岩溶塌陷的危险性预测评估。矿山开采过程中破坏了表层岩土体，矿床地下水类型主要为碳酸盐岩类裂隙溶洞水，主要靠大气降水补给，前期采场大气降水向矿区北西面、东面、西面的低洼处排泄，地下水汇集于溶蚀裂隙、岩溶管道中径流；当开采至高程+220 m之下的矿体，采场主要往西南角方向排水。区内地下水位+206.350～+246.312 m，水量中等。根据上述地质环境条件对岩溶塌陷区评价(表1)。

表1 岩溶塌陷区可能性评价Tab.1 Possibility evaluation of Karst subsidence area

工业场地及办公区在岩溶区第四系土层上建设，土层厚度约1～4 m，在施工时机械荷载、堆填荷载、爆破、碾压振动等作用下，工业场地(破碎场及堆料场)及办公区域内存在发生岩溶塌陷的可能性中等。因此，工业场地(破碎场及堆料场)建设引发岩溶塌陷的可能性大，主要危害对象是工业场地人员(4～6人)及矿山机械及运输设备等，预测直接经济损失50万～100万元，危害程度小，危险性中等。

评估区露天采场区域内，大部分为裸露的灰岩，表层岩溶裂隙强发育，第四系覆盖层0～1.5 m，碳酸盐岩类裂隙溶洞水水位在基岩中波动，采矿时随着石灰岩矿的不断开采，该含水层会受到破坏，地下水不断被疏干，加上开采爆破及打炮眼的震动影响，预测引发岩溶塌陷的可能性小，主要危害对象是工业场地人员(4～6人)及矿山机械及运输设备等，预测直接经济损失50万～100万元，危害程度小，危险性小。

3.2 地形地貌景观影响和破坏程度预测评估

矿区及周围无地质遗迹、人文景观、国家或自治区级的文物保护单位，但是在矿区边界北面150 m、东面250 m有高压输电线经过。矿山开采活动主要是对矿山地形地貌景观的影响及破坏，未来矿山开采对地形地貌景观的破坏主要表现在新增开采形成的露天采区的挖损破坏、工业场地及办公区的压占破坏。未来开采结束在矿区范围内形成一个露天采坑，损毁土地面积24.15 hm2；在矿区南西洼地，形成一个面积为0.65 hm2的后期工业场地及办公区用地。因此，总损毁土地面积为24.80 hm2。

以上工程破坏形式表现为挖损及压占，破坏地类为旱地、其他草地。采矿破坏了原有的地形地貌和原生植被，岩石表土裸露，构成较严重的反差和视觉不协调，且其破坏面积大，对原生的地形地貌景观影响和破坏程度严重。

综上所述，预测矿山未来采矿活动对地形地貌景观的破坏程度严重[11-16]。

3.3 含水层的影响和破坏预测评估

矿山地下水类型包括第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水，主要接受大气降雨的补给。但孔隙水由于该矿区土层薄，多为黏土，储水量有限，因此对矿山开采可能形成影响的是碳酸盐岩裂隙溶洞含水层。矿山采用露天开采，开采矿体最低标高(+168.0 m)位于地下水位以下(地下水位标高+206.35～+246.312 m)。在开采高程+220.0～+340.8 m段，采场可以自然排水；开采后期，开采高程+220 m以下矿体时，采场汇水面积增大。

未来矿山的开采活动对区域地下水位影响较小，不会造成大范围的区域地下水位下降。采矿主要破坏了浅层含水层的结构，改变了当地地下水的入渗条件，对下游浅循环地下水补径排条件有一定的影响。采矿和疏干排水对矿区周围深部主要含水层影响小，只是对浅层地下水揭露，使地下水含水层连续性受到一定破坏，表层潜水、上层滞水从采坑壁或底部渗出或流出，缩短浅层地下水的径流途径和排泄方式。因此，预测采矿活动对含水层的影响和破坏程度较轻。

3.4 土地损毁预测评估

矿山开采挖损区域面积24.15 hm2，为其他草地；压占面积0.65 hm2，为旱地。损毁区域位于整个矿区范围内的石灰岩，拟损毁土地包括全部在矿区范围及矿区工业破碎加工场地及堆料场区。

根据现场多点调查，部分岩石裸露，土层不连续，平均厚仅0.11 m，谷地、坡脚和溶沟溶槽处厚度 1.0～1.5 m。因该矿区岩石裸露，表土资源匮乏，收集对象不限于旱地、其他草地的腐殖层，还应将溶沟、溶槽中的土层全部收集，生产过程中还应收集剥离表层破碎带的岩土混合物。因土层不连续，故表土和破碎带剥离时无需分层剥离，腐殖层和溶槽土层也无需分开堆放。但剥离坡脚等土层较厚的地段时，表土砾石含量较低，应分开堆放。

矿区总损毁土地面积24.80 hm2，损毁的土地类型分别为旱地、其他草地(表2)。矿区采矿活动范围内对土地资源破坏较严重，其他区域对土地资源破坏较轻[3-12]。

表2 损毁土地地类面积统计Tab.2 Statistics of land type area of damaged land hm2

4 矿区地质环境防治

4.1 危岩清理

对工作面形成的危岩、浮石，应采用手动或机械撬动进行清除后方能进入采场进行开采挖掘和装卸运输，防止危岩崩落伤人，生产期间每开拓1个平台均清理浮石1次，每天开工前对坡上浮石清除后才能开工，此项工作需与矿山生产同步进行。在矿山闭坑后，还需对形成的开采边坡进行危岩清理才能进行下一步恢复治理工作，拟开采区需清理危岩边坡面积3.28 hm2，清理标准1 m3/30 m2，清理石方共1 093.3 m3。

4.2 表土场治理

矿区采场表土资源匮乏，收集表土平均厚度0.11 m，面积约21.111 2 hm2，收集表土量23 222.3 m3。表土场为谷地底部，为防止表土滑坡或泥石流等地质灾害，在表土场坡脚处修建挡土墙，墙体类型选择重力式挡土墙(图3)。挡土墙顶宽0.5 m，底宽0.8 m，高1.2 m，挡土墙总长22.0 m，总工程量17.16 m3，为保障挡土墙相对稳定性，需人工清理厚0.2 m、宽1.0 m表土层后再筑挡土墙，基础开挖工程量为4.4 m3。

图3 表土堆放场浆砌石挡墙断面Fig.3 Section of slurry stone retaining wall in topsoil stockpiling site

表土堆放时略混凝土压平整，顶部应保持斜面以利排水。由于表土存放时间较长，为防止水土流失并保护有益的土壤微生物，在表土表面撒播草籽，撒播面积即表土堆放场面积1.048 hm2，撒播标准为20 kg/hm2。撒播工程量为20.96 kg。

4.3 泥石流治理

为防止洪水冲刷底部平台及工业场地内的填土，而产生水土流失及泥石流地质灾害，恢复期在回填表土之后，在采场底部平台北面、南面边坡脚处修截水沟，为石渠(图4)，截水沟总长度1 447 m，挖方工程量为1 030.86 m3，砌筑块石工程量约为561.12 m2。

图4 截水沟断面示意Fig.4 Schematic diagram of section of drainage ditch

在采场西南角工业场地及办公区两侧修筑排水沟，为混凝土渠(图5)，排水沟总长度370 m，挖方工程量为493.62 m3，砌筑块石工程量约为258.50 m2，排水沟砂浆抹面(平面)工程量为636.2 m2，排水沟砂浆抹面(立面)工程量为665.2 m2。矿山闭矿后，采矿场台阶复垦为其他草地，为防止雨水冲刷台阶产生水土流失，可将各边坡平台做成略内倾状[12-19]。

图5 排水沟断面示意Fig.5 Schematic diagram of section of drainage ditch

4.4 含水层破坏防治工程

矿床地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水，主要靠大气降水补给，受季节影响较大。矿山开采最低标高(+168 m)在当地侵蚀基准面(+150 m)之上，揭露的地下含水层在开采过程中基本疏干，矿山开采对地下水含水层连续性破坏程度较小。根据开发利用方案，开采结束时开采底部平台高程为+168 m，在矿区南西角洼地高程约+163 m。因此，需要将采场底部平台设置约1‰坡率用于排水。采场积水可通过截水—排水沟渠向西南角外排泄。矿山生产不产生有毒、有害物质，对含水层水质影响是轻微的，采取相应防治措施，可以避免或减轻矿山开采对含水层水质的影响。

5 效益分析

通过对矿山地质环境保护与恢复治理方案的实施：①避免或减少矿区地质灾害对矿山及周围的危害，确保人民群众生命和财产安全；②有利于促进当地劳动力的就业，增加农民的收入；③有利于矿区及当地村屯的生产，实现当地社会经济的可持续发展，使企业获得最大的经济效益；④有效防治了区域水土流失和土地沙化，改良了原有地貌景观，将会提高当地群众的生产、生活质量；⑤改善了土地利用结构、发挥了生态系统的功能、合理利用了土地、提高了环境容量、促进了生态良性循环、维持了生态平衡[11-20]。

6 结论

贺州市同乐石灰岩矿区面积为0.241 5 km2，开采量为200万t/a，属大型矿山，通过矿山地质环境影响评估，确定评估区范围面积为122.12 hm2。评估区地质环境条件复杂程度为中等，重要程度为重要区；根据矿山生产建设规模和矿山地质环境条件复杂程度综合确定，该矿山地质环境影响评估级别为二级。

采矿活动引发的地质灾害对矿山地质环境影响程度较轻；对含水层的影响和破坏程度较轻；对水土污染的影响和破坏程度较轻；对地形地貌景观的影响和破坏程度严重；对土地资源的占用破坏程度较严重。通过采场边坡削整、采场底部开挖排水沟、表土场周边砌筑挡土墙、表土收集工程、建筑物拆除、表土回填、植被恢复等措施，改善治理区生态环境，使得治理区地貌环境得以恢复，提高水源涵养功能，最大限度地消除地质灾害隐患。