登封市建筑用砂矿山地质环境特征及生态恢复治理研究

刘世响，祝金峰，邓国成，高 俊，王平伟

(1.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450009； 2.河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450009)

登封某矿区的矿山开采始于20世纪八九十年代，开采矿种为建筑用砂，开采方式为露天开采，生产规模为3万m3/a。由于长期无规则、无秩序的粗放式开采，造成矿区采坑遍布，使原有的地质生态环境条件遭受了极大的破坏。高陡的边坡、废渣的堆放在遭遇强降雨或外界压力时，极有可能使附近村庄及公路遭受崩塌、滑坡等地质灾害[1-3]。

根据当地政府对建筑石料矿山重新整合开发的要求，从露天矿山综合整治、绿色矿山建设、历史遗留工矿废弃地复垦和矿山尾矿、固体废弃物再开发等方面着手，引领建筑石料行业朝着绿色、生态的方向发展。本文以生态地质环境调查为手段，查明矿区地形地貌破坏程度，分析地质灾害体的危险性及可能发育的程度，制定有针对性的治理方案，因地制宜地推进矿山的地质环境生态治理，研究讨论矿山生态环境修复工程，为施工设计提供可靠的基础资料[4-9]。

1 地质环境条件

1.1 矿区地质

区域位于华北地台南缘，中朝准地台嵩箕台隆北部，嵩山复式背斜南翼。区域断裂构造较为简单，矿区内无构造、褶曲发育。

区域地层属华北地层区豫西分区嵩箕小区。北部为太古界登封群古老变质岩系，南部为寒武系碳酸盐岩系，中部为元古代王屋山期酸性岩侵入。矿区内出露地层为第四系，主要为风化剥蚀后的残坡积物，零星分布，受地形切割影响，大多集中在山梁顶部地势平坦处，砂质成分较多，主要为腐殖土，厚度不大，一般为20～40 mm。

矿区大部分出露的是元古代王屋山期酸性侵入岩石秤岩体的一部分。位于登封市水磨湾—石秤一带，呈东西延伸的岩株状，南部被第四系覆盖，北部与登封群嵩山群及嵩阳期石牌河闪长岩体呈侵入接触。边缘常见围岩捕虏体，剥蚀程度中等。岩体分内部相和边缘相，两者呈渐变过渡关系。矿区主要为岩体内部相，岩性为中粗粒黑云母花岗岩，局部含有长石斑晶。

1.2 水文、工程地质

区内主要含水层为下元古界裂隙及花岗岩孔隙含水层，岩石致密坚硬，裂隙发育中等，导透水性良好，含水性微弱。补给水源主要为大气降水，补给水源单一。矿体位于静水位标高以上，且矿体附近无地表水体，故矿床水文地质条件简单。

矿山开采的矿石为花岗岩体的风化壳，岩石疏松易碎，其密度为2.00 t/m3，属松软类岩石，对开采极其有利，适于山坡露天开采。工程地质条件简单。

2 土地利用现状

矿区土地权属为登封市石道乡陈家门村，土地利用类型分为耕地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇村及工矿用地等，合计面积为90.07 hm2(图1)。

图1 矿区土地利用现状Fig.1 Current situation of land use in mining area

3 矿山主要环境问题

矿区开采对周边的交通设施、土地、水文、植被和大气影响程度较大，引发一系列环境地质问题，较为突出的有引发崩塌等地质灾害、对地形地貌景观破坏、破坏和占用土地资源、影响生态环境等方面。

3.1 矿山地质灾害

经野外调查，矿区存在的地质灾害主要为不稳定斜坡。由于长期露天开采及矿山道路修建，在矿区内形成不稳定斜坡3处(图2)。

图2 不稳定斜坡现状Fig.2 Status of unstable slopes

(1)1号不稳定斜坡(BP1)。该斜坡位于CK3采坑西北部道路外侧，边坡长约60 m，高约20 m，坡角约80°，坡面上堆积有大量的矿渣，在连续降雨作用下有发生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危险性小，影响过往人员及车辆安全。

(2)2号不稳定斜坡(BP2)。该斜坡位于CK2采坑西北部道路外侧，边坡长约35 m，高约15 m，坡角约60°，坡面上堆积有大量的矿渣，在连续降雨作用下有发生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危险性小，影响过往人员及车辆安全。

(3)3号不稳定斜坡(BP3)。该斜坡位于CK2采坑东侧，边坡长约70 m，高约12 m，坡角约60°，坡面上堆积有大量的矿渣，在连续降雨作用下有发生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危险性小，影响过往人员安全。

3.2 地形地貌景观破坏

矿区内地形地貌景观破坏随处可见，主要为挖砂产生的矿渣乱堆乱放导致，采矿活动严重破坏了本区原有的地形地貌，其现状为高陡边坡、渣堆裸露、高低起伏的微地貌。项目区目前形成4个采坑，采坑内台阶高差参差不齐，台阶坡面角较大，边坡坡面裸露，严重破坏了项目区的地形地貌景观，且局部矿坑顶部浮石险石残存，矿坑内有矿渣，结构松散，可诱发小规模的滑坡(图3)。

图3 矿区采坑现状Fig.3 Mining pit status in mining area

3.3 土地资源破坏

参照土地利用现状图，本区的原始土地类型主要为耕地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇村及工矿用地。矿区内采坑破坏土地资源严重，破坏方式主要为挖损和压占。目前矿区共形成4个采坑，挖损土地资源严重；有2个生产加工区，1个排土场，压占土地资源严重。

经与土地利用现状图叠合，矿山共挖损、压占各类土地面积27.63 hm2。其中，旱地3.79 hm2，水浇地0.80 hm2，其他草地17.02 hm2，有林地1.03 hm2，其他林地3.70 hm2，村庄1.29 hm2。矿区及周边已损毁土地统计见表1。

表1 矿区及周边已损毁土地统计Tab.1 Mining area and surrounding damaged land statistics table

4 生态环境治理原则

本次矿山地质环境恢复治理项目通过削坡工程、场地平整，废弃机组拆除，道路硬化、生物措施等措施，恢复矿山周边地形地貌景观，消除和治理因矿山开采带来的地质灾害隐患，对矿山采矿活动带来的环境地质问题进行治理[10-12]。使其与原生地质环境相协调、美观，该项目对保护本地区自然环境、推进生态文明建设意义重大。

治理区设计原则：①安全与生态统筹兼顾、生态环境保护优先原则；②技术可行、经济合理的原则；③突出重点、注重效益的原则；④工程措施与生物措施相结合的原则；⑤创新、协调、绿色、开放、共享的原则；⑥环境效益、社会效益相统一，兼顾经济效益的原则。

5 治理工程讨论

矿区内地貌景观破坏严重，本次治理针对矿区内地质环境问题，主要是进行地质灾害治理和预防，对地貌景观进行修整，对进矿道路进行硬化，对生产加工区进行重新规划，土地功能进行恢复，从而达到治理目的[13-16]。治理区面积为90.07 hm2、矿区外东北部排土场(面积2.05 hm2)及矿区外东南部生产加工区(面积1.76 hm2)，总面积0.94 km2。

对矿区内不稳定斜坡进行治理，修建安全平台及修筑田埂；对进矿道路进行硬化，道路两侧修建排水沟；对矿石矿渣进行统一堆放覆盖，采场进行平整；对矿区内及周边环境进行绿化。

5.1 削坡及平台工程

削坡工程是将破损山体形成的危岩、峭岩及陡坡采用人工或机械方式削减平缓，削坡的坡比为1.0∶0.5，使山体更加稳固，减少崩塌、滑坡等地质灾害发生的机率[15]。本次共设计削坡工程1处，位于CK2采坑东部，均为第四系覆盖层，削坡后用于本次覆土工程。清理区块周长127.61 m，清理区块面积791.37 m2，平均坡高15 m，清理方量11 900 m3。

通过对CK1、CK2、CK3、CK4采坑，排土场，规划果园区进行统一治理，大部分区域已进行过场地平整，按照地势高低、不同标高共设置安全平台29个，平台高度2～10 m，平台总长3 357 m。

5.2 田埂修筑工程

为防止排土场及规划果园区的安全平台外侧覆土因大气降水流失，在平台外侧同斜坡交汇处修筑田埂[16]。根据平整区域底层特征，因地制宜地确定田埂为土质，田埂修筑位置在各层平台外侧，横断面结构为等腰梯形，顶宽0.5 m，底宽1.0 m，高0.5 m，修建总长度1 572 m，工作量589.55 m3。充分利用天然降水，为防止雨水冲刷田埂，影响田埂使用寿命，设计在新规划的土质田埂上采用植苗法种植紫穗槐，加固田坎，防止水土流失，紫穗槐坑穴标准为0.3 m×0.3 m，种植一排，株距0.5 m(图4)。

图4 田埂、紫穗槐大样图Fig.4 Large sample of field ridge drainage ditch

5.3 矿山道路工程

矿山原运输道路为泥结碎石道路，不能够满足后期道路运输及绿色矿山建设需求，需重新进行规划修建。矿山道路主要用于后期生产建设、原料及成品运输、安全巡查等，新修道路基本按照原路基布设，部分地段进行优化，设计全长850 m，道路宽度10 m。路面采用厚26 cm水泥混凝土路面。

矿山道路两侧设置浆砌石排水沟，并加设盖板，排水沟呈矩形，规格：60 cm×60 cm(深×宽)，沟身采用M7.5浆砌片石，沟身及沟底采用M10砂浆抹面，盖板采用C25钢筋混凝土，台帽采用C20混凝土。本次设计道路排水沟1 520 m，浆砌石方量897.4 m3。道路排水沟结构如图5所示。

图5 道路排水沟结构Fig.5 Structure of road drainage ditch

5.4 覆土及平整工程

对工作区内设计为挖填方区域以及平台间的斜坡开展覆土及平整工程，将恢复成耕地的区域覆土80 cm，恢复成林地的区域覆土50 cm，恢复成草地的区域覆土30 cm。覆土及平整土地面积173 194 m2，覆土方量106 553.2 m3。另外，爬山虎、白皮松采用穴栽的方式种植，爬山虎种植坑的大小为0.3 m×0.3 m×0.3 m，则每棵爬山虎需覆土0.027 m3，工作区共种植爬山虎977株，需覆土26.4 m3；白皮松树坑大小为0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵树覆土0.512 m3，工作区共栽植白皮松45 661棵，需覆土23 378.4 m3，覆土后进行人工配合机械平整。

5.5 土壤改良工程

根据“宜耕则耕、宜草则草、宜林则林”的原则，生产加工2区内挖填平衡后可产生平整的土地，结合石道乡土地利用规划，设计恢复成耕地，故对覆土平整后的平台采取土地翻耕和土壤培肥工程，达到可以耕种的目的。本次按施复合肥750 kg/hm2的标准进行土壤改良。土壤改良工程工作量如下：土壤改良工程生产加工2区，土地翻耕0.80 hm2，土壤肥培0.80 hm2。

5.6 绿化工程

经现场调查，CK2、CK3采坑内部分地段进行了复绿，其中CK2采坑内主要种植小麦，CK3采坑内主要种植银杏树、冬青树、白皮松。

(1)树种选择。①CK1、CK2采坑内各平台及矿山道路两侧、职工宿舍及办公区周边进行绿化，栽植白皮松；②采坑CK1、CK2、CK3、CK4各平台坡底种植爬山虎；③临时治理区域播撒草籽进行植被恢复，按15 kg/hm2草籽播撒，草种选用耐旱的黑麦草、苜蓿草。

(2)种植方式。①白皮松。根据本区的实际情况，为了保证白皮松的生长，采用穴栽的方式种植，按树坑大小覆土，树坑大小为0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵树覆土0.512 m3。间排距为1.5 m×2.0 m，错落种植，树径3 cm，株高1.5 m，裸根，采用符合要求的土壤进行栽种。②爬山虎。爬山虎也采用穴栽的方式种植，覆土按树坑大小覆土，树坑大小为0.3 m×0.3 m×0.3 m，每株爬山虎覆土0.027 m3，间距为1.0 m，树径1 cm，株高60 m，裸根。

5.7 养护工程

(1)本项目林地养护措施主要为水分管理、养分管理、林木修枝、林木密度调控、林木病虫防治等。①水分管理。主要是通过植树带内植树行间和行内的锄草松土，防止幼树成长期干旱灾害，以促使幼林正常生长和及早郁闭。及时灌溉，灌溉用水采取蓄水井内的水，人工方式灌溉，以保证苗木的成活率。②养分管理。在植被损毁严重的地区，防护林幼林时期的抚育一般不宜锄草松土，应以防旱施肥为主。③林木修枝。林带刚进入郁闭阶段时，由于辅佐树种生长茂密产生压迫主要树种的情况，要采取部分辅佐树种修枝，以解除主要树种的被压状态，促进主要树种生长并使其在林带中占优势地位。④林木密度调控。林木郁闭后，抚育工作的主要任务是通过人为干涉，调节树种间的关系，调节林带的结构，保证主要树种的健康生长。林带的树种组成与密度基本处于稳定状态，但是仍应隔一定时间(5年左右)对林带进行调节，及时砍除枯梢木和病腐木等。⑤林木病虫害防治。对于林带中出现各类树木的病、虫、害等要及时地进行养护。对于病株要及时砍伐防止扩散，对于虫害要及时施用药品等控制灾害的发生。

(2)草地的养护主要有浇水、施肥、修剪草坪、除杂草。①浇水。养护栽种的草坪及地被植物时，除雨季外，应每周浇水2～4次，以水渗入地下10～15 cm处为宜。应在每年土地解冻后至发井前浇水1次返青水，晚秋在草叶枯黄后至土地结冻前浇1次防冻水，水量要足，要使水渗入地下15～20 cm处。②施肥。为了保持草坪叶色常绿、生长繁密，必须施肥。冷季型草坪的追肥时间最好在早春和秋季。第1次在返青后，可以促进生长；第2次在仲春。天气转热后，应停止追肥。秋季施肥可于9—10月进行。暖季型草种的施肥时间是晚春。在生长季每月或2个月应追1次肥。③除杂草。防、除杂草的最根本方法是合理的水肥管理，促进目的草的生长势，增强与杂草的竞争能力，并通过多次修剪抑制杂草的发生。一旦发生杂草侵害，除用人工“挑除”外，还可以用化学除草剂抑制杂草的萌发和或杀死刚萌发的杂草。

6 结语

通过对登封市建筑用砂矿山地质环境现状调查，基本查明了矿山地质环境现状以及存在的矿山地质环境问题，根据矿山生态恢复治理原则，就治理工程方案进行了研究。

(1)采场长期无序开采，采坑遍布，地形地貌景观破坏严重，植被损毁和水土流失严重，地质生态环境严重恶化。

(2)矿区内长期露天开采及矿山道路修建，内形成了部分不稳定斜坡。由于大量松散碎石土层堆放，当雨季出现时，表部土层沿下伏基岩面发生蠕滑，极易发生滑坡地质灾害。

(3)根据矿山生态恢复治理原则和矿山现在地貌类型，经研究讨论采取削坡及平台修建、修筑田埂、采坑覆土及平整、土壤改良、植被恢复等工程，恢复矿区生态环境。

(4)矿区生态环境恢复，将有效遏制项目区周边环境的恶化，减少水土流失，对局部环境空气和小气候产生正效与长效影响，改善周边区域的大气环境质量，从而改善矿区人民的生活工作环境和自然生态环境。