毗邻风景区废弃露天矿山生态地质环境问题及治理措施

徐伟瑜，杨德根，高召奎

(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)

始祖山国家级森林公园位于河南新安县西沃乡，山清水秀，风景如画，黄帝文化遗迹遍布山野，开发条件得天独厚。始祖山硫铁矿、铝土矿矿区位于风景区内部，北邻黄河小浪底库区，距库区仅850 m，是新安县重点矿山地质环境恢复治理工程之一。本文以新安县始祖山矿区为研究对象，总结了风景区周边废弃矿山主要地质环境问题，并提出了恢复治理措施，以期为景区周边矿山生态环境治理工作提供参考。

1 概况

河南省新安县始祖山硫铁矿、铝土矿矿区始采于20世纪50年代末60年代初，为露天开采，矿区面积2.65 km2，主要包括竹园硫铁矿、八一硫铁矿、五一硫铁矿和个体铝土矿矿山。20世纪90年代末闭坑，属无主矿山。前期乱采滥挖现象严重，废弃的矿山露天采坑、硫铁矿矿渣及铝土矿矿渣到处堆放，近千亩耕地遭到破坏，严重破坏了土地资源，同时矿区位于黄河小浪底库区边缘，严重影响着景区的景观环境和土地资源，限制了风景区建设。

2 地质环境条件

(1)自然地理。研究区位于暖温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明；属于黄河流域黄河小浪底库区，小浪底大坝坝高281 m，最高蓄水位为275 m，无地表河流；属侵蚀剥蚀丘陵地貌，地势东南高西北低，最高标高+402.6 m，最低标高+261.4 m；矿区长期处于露天采矿活动，数个露天采坑呈鸡窝状分散展布在矿区内，地形地貌破坏严重。

(2)区域地质特征。研究区位于华北板块中朝准地台渑池—确山陷褶断束，区域断裂构造较为简单，主要有石井河断层、省磺矿断层、仙人沟断层和许村香坊沟断层等。主要出露有中奥陶统马家沟组灰岩和白云质灰岩；上石炭统本溪组铝土岩和黏土岩；上石炭统太原组灰岩、细粒石英砂岩、泥页岩、黏土岩夹煤；下二叠统山西组砂质页岩、泥岩、黏土岩夹煤；下二叠统下石盒子组砂质页岩、中细粒砂岩夹铝质页岩；第四系中更新统黄土。

(3)水文地质条件。区内无稳定地下水位，地下水位埋深2.7 m，水位标高+246.40 m，主要为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类孔隙裂隙水，其中前二者含水微弱，后者富水性较好。地下水的补给主要为大气降水；地下水位随小浪底水库水位变化而变化；以大气降水及侧向径流补给为主，水位变化幅度受季节影响较大。

(4)工程地质条件。区内工程地质岩组主要有坚硬厚层状石灰岩岩组，坚硬中层状细砂岩岩组，软质岩石有页岩、泥岩和铁、铝质黏土岩，第四系粉质黏土以及废弃矿渣。其中，废渣厚0.4～24.7 m，承载力170 kPa；强风化页岩厚3.0～9.1 m，承载力280 kPa；强风化铝质黏土岩厚1.90～2.30 m，承载力320 kPa；强风化灰岩厚0.90～6.10 m，承载力400 kPa；中风化页岩最大揭露厚度3.2 m，承载力550 kPa；中风化粉砂岩最大揭露厚度3.50 m，承载力600 kPa；中风化灰岩最大揭露厚度6.00 m，承载力1 600 kPa。

3 矿山主要地质环境问题

3.1 矿山地质灾害

区内矿山地质灾害主要为崩塌和不稳定斜坡(图1)。

图1 崩塌和不稳定斜坡Fig.1 Collapse and unstable slopes

3.1.1 崩塌

区内长期露天开采，形成高度5～40 m、坡角70°～90°的高陡边坡，部分边坡表层岩石的完整性已受开采时的爆破扰动破坏，岩石结构已松动，在风化、降雨等条件下可发生崩塌，共发现小型崩塌隐患点2处，未发现地裂缝，无地下水出露，植被亦未发现变形迹象，稳定性好。

(1)1号崩塌。位于CK02采坑西侧，边坡自然坡角约30°，人工开挖后形成高陡边坡(图1(a))，崩塌处边坡70°～75°，坡面植被较少，可见少量野草及矮小乔木，上部为原始土层，厚度约4～5 m，下部为中度风化灰岩夹铝质泥岩。崩塌引发原因为开挖坡脚，斜坡坡度陡峭，加上雨季降水，使得坡体饱水，边坡抗剪强度降低而引发的。崩塌体呈三角状堆积在边坡坡脚，岩性为粉质黏土，崩塌体结构松散，透水性强，在坡脚形成较缓斜坡，坡角约40°。崩塌体长约56 m，宽约20 m，厚度0.5～1.5 m，平均厚约1.0 m，体积约132 m3，为滑移式小型崩塌。崩塌方向130°，相对高差40 m。塌边坡坡脚为采坑，崩塌已经发生，现状条件下处于基本稳定状态，在连续降雨作用下有再次发生崩动的可能性，崩塌危害程度小，危险性小，后期可能对过往行人造成一定的潜在威胁[1]。

(2)2号崩塌。位于1号崩塌南侧100 m处(图1(b))，与1号崩塌性质和类型相似。上部为堆积矿渣，间夹渣土，厚度4～5 m，下部为中度风化石灰岩。崩塌体长约12 m，宽约16 m，崩塌体厚0.5～1.1 m，平均厚约0.8 m，体积约50 m3，崩塌方向140°，相对高差10 m。

总之，区内崩塌为滑移式小型崩塌，边坡坡脚为采坑和矿山简易道路，对后期坡脚一带的施工人员存在一定的安全隐患，危害程度小，危险性小；正常情况下发生滑坡的可能性小，在遭遇连续强暴雨时，有引发滑坡的可能。

3.1.2 不稳定斜坡

区内共发现高陡岩质边坡6条(表1)，均为切坡形成的岩质边坡，现状条件下均为稳定边坡，但由于坡角开挖、爆破等原因，坡面局部存在危岩体，在雨水的冲刷及自重的作用下可能引发小规模崩塌、落石[2-4]，对后期施工工人安全有一定的影响，发生崩塌的可能性小，危害程度小。

表1 边坡特征Tab.1 Slope feature

(1)1号边坡。位于CK01采坑，为人工岩质边坡(图1(c))，岩性为灰岩，边坡整体北高南低，边坡长约276 m，高20～90 m，坡角70°～90°；自然边坡坡角30°，坡向260°，岩层产状32°∠7°，边坡岩层倾角较小、近水平，坡顶植被较好，未发现有裂缝等不良现象，为基本稳定边坡。

(2)2号边坡。位于CK02采坑西侧，为人工岩质边坡，岩性主要为灰岩，局部夹铝质泥岩，边坡上部局部有矿渣堆积，边坡整体西高东低，边坡长约170 m，高15～35 m，坡角70°～90°，坡向260°；自然边坡30°，岩层产状33°∠8°；边坡岩层倾角较小、近水平，坡顶植被较好，未发现有裂缝等不良现象，为基本稳定边坡。

(3)3号边坡。位于治理3区南部，为人工岩质边坡(图1(d))，岩性为灰岩、铝质泥岩、泥岩等；边坡整体南高北低，边坡长约892 m，高10～40 m，坡角70°～85°，自然边坡30°，岩层产状34°∠6°；边坡岩层倾角较小、近水平，坡顶植被较好，未发现有裂缝等不良现象，为基本稳定边坡。

(4)其他边坡。主要为人工开挖形成的岩质边坡，边坡的结构类型相似，边坡发育破坏特征基本相同，危险性和危害类型基本相同。

表1中，稳定性评价结果均为基本稳定，失稳模式均为落石、小规模崩塌。

3.2 地形地貌景观破坏

区内地形地貌景观破坏随处可见，主要为大规模开挖石灰岩和铝土矿采矿坑和矿渣乱堆乱放，共有采矿坑2个，渣堆7个，严重破坏了原有的低山地貌，现状为高陡边坡、渣堆裸露、高低起伏的微地貌(图2)。

图2 地形地貌景观破坏Fig.2 Destruction of topography and landscape

(1)露天采坑。露天采矿形成深度5～30 m的采坑2个，面积18 689.39 m2。采坑内部边坡呈近直立，边坡高度5～45 m，边坡倾角70°～90°，岩石坚硬，边坡顶部植被茂盛，边坡现状下基本稳定，局部边坡存在小规模崩塌等地质灾害，危害小[5-6]。①CK01采坑(图2(a))。坑壁北侧陡峭，采坑长约145 m，宽约85 m，最深40 m，北侧边坡最高45 m，占地面积8 843.80 m2，边坡角为70°～90°，岩石产状32°∠7°，采坑边坡为灰岩，岩壁较完整，边坡较稳定，坡面上局部存在危岩体(高陡部位)。矿坑内侧边缘有矿渣，结构松散，透水性较强，可诱发小规模的崩塌，但发生的可能性较小。②CK02采坑(图2(b))。南北宽东西窄，CK02采坑长约147 m，宽约107 m，最深35 m，占地面积9 845.59 m2，边坡角为70°～85°，岩石产状33°∠8°，坑内岩壁陡峭，多为灰岩，风化程度弱，坡面较完整，局部可见小体积危岩体。矿坑内侧边缘有矿渣，结构松散，可诱发小规模的崩塌。

(2)矿渣堆。采矿活动产生的废弃矿渣，随意堆放在斜坡及沟谷地带，共查明区内现存独立或连片堆放的渣堆7个(表2)，破坏地形地貌景观面积共计152 613.3 m2；主要为岩层剥离物和采矿形成的碎石、渣土(图2(c)、图2(d))，岩性以灰岩、铝质泥岩为主；渣堆边坡处于基本稳定—稳定状态，未发生失稳滑塌等地质灾害现象；渣堆表面以块碎石、渣土为主，植被很难自然恢复，破坏了原生的地形地貌景观。

表2 渣堆特征统计Tab.2 Slag heap characteristic statistics

3.3 土地资源破坏

区内采坑及矿渣破坏土地资源严重，破坏方式主要为压占和挖损[7-8]。治理区范围内土地破坏最为严重，原始土地类型已基本被破坏，现状为边坡裸露基岩和成片的渣堆(图3)，其他区块仅矿坑及矿坑周边小面积土地被破坏。矿山开采破坏各类土地面积20.39 hm2。其中，旱地9.36 hm2、林地0.96 hm2、采矿用地4.65 hm2、草地4.98 hm2和裸地0.44 hm2。

图3 土地资源破坏Fig.3 Destruction of land resources

4 治理措施

4.1 总体设计

不稳定高陡边坡坡面危岩清理与削坡后，对采坑进行回填，对渣堆进行放坡平整，整平后的平台覆土恢复成旱地，平台间的斜坡覆土植树种草，对自然恢复效果不好的区域采取补植树木，恢复植被，并对治理区进行养护[5，9-11]。

(1)治理1区。采坑CK01西侧和北侧危岩体进行清除，清除的危岩用于采坑CK01回填，采坑CK01回填平整至设计标高，对渣堆ZD01进行放坡和平整，恢复成耕地。在采坑CK01西侧、北侧坡底种植速生杨和爬山虎，恢复植被。

(2)治理2区。采坑CK02西侧边坡进行清理危岩和削坡工程，清理的危岩用于采坑CK02的回填，将采坑CK02回填至设计标高，恢复成耕地。在采坑CK02西侧坡底植速生杨和爬山虎，恢复植被。

(3)治理3区。对渣堆ZD02 、ZD03和ZD04进行放坡整理，恢复成耕地。平台间斜坡覆土后恢复为林地(刺槐)和草地，南部边坡坡底种植速生杨和爬山虎，恢复植被。

(4)治理4区。对渣堆ZD05和ZD06进行放坡整理，恢复成耕地。西侧和北侧边坡坡底种植速生杨和爬山虎，恢复植被。

4.2 分项设计

(1)危岩清理工程。本次采用定点机械辅助人工清除，在治理1区CK01采坑西侧、北侧坡面、治理2区CK02采坑西侧坡面、治理3区西南侧坡面、东南侧坡面和治理4区西侧和北侧坡面采取危岩清理和削坡工程，清理的危岩用于附近采坑回填。

(2)挖填方工程。区内采坑与渣堆相连成片，渣堆平整同时对采矿坑进行回填。平整采取顺坡就势挖高填低，形成带状平台，平台与平台之间由斜坡相连。土质边坡削高度在6～8 m，土的类型为碎石土，稍密，本次斜坡的坡角为30°，边坡稳定；治理区面积为143 349.6 m2、挖方量与填方量为169 319.7 m3、机械压实83 477.30 m3。采用就近渣堆回填，推土机分层堆土压实。

表3 采场危岩体清除工作量Tab.3 Removal workload of dangerous rock mass in stope

(3)覆土及平整工程。覆土及平整工程主要为平台(覆土厚度0.8 m)和平台间的斜坡(覆土厚度0.3 m)；各边坡底部的爬山虎、刺槐、速生杨采用穴栽种植的方式种植，爬山虎种植坑的长、宽、高均为0.3 m，则每棵爬山虎需覆土0.027 m3，共种植爬山虎1 691株，需覆土45.66 m3。刺槐、速生杨树坑大小为0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵树覆土0.512 m3，种植刺槐和速生杨21 844棵，需覆土11 184.13 m3。

(4)修建田埂。为避免水土流失，采用土质田埂，横断面呈等腰梯形，顶宽0.5 m，底宽1.0 m，高0.5 m，共计8条，长851 m，工作量319.14 m3。此外，种植紫穗槐保证田埂使用寿命，坑穴为0.3 m×0.3 m，种植1排，株距0.5 m，共种植1 702株。

(5)绿化工程。治理区靠近黄河小浪底库区，雨黑麦草、苜蓿草水较多，选择速生杨(高陡边坡底部和生产道路两侧)和刺槐(治理3区斜坡)，进行造林绿化。除耕地范围，其他区域播撒草籽，进行植被恢复，按15 kg/hm2草籽播散，草种选用耐旱的黑麦草、苜蓿草，撒播草籽8.64 hm2。

(6)土壤改良工程。区内挖填平衡后会产生大量平整的土地，有恢复成耕地的潜力，采取土地翻耕和土壤培肥工程，达到可以耕种目的。本次按750 kg/hm2复合肥，共土地翻耕和土壤肥培面积11.74 hm2。其中，治理1区3.22 hm2、治理2区1.30 hm2、治理3区6.06 hm2、治理4区1.16 hm2。

(7)养护工程。恢复治理后的耕地交给当地村民进行耕种，不需要专门养护；仅对治理区内恢复为林地和草地的区域进行养护，养护面积8.64 hm2。其中，治理1区1.61 hm2、治理2区0.32 hm2、治理3区5.89 hm2、治理4区0.82 hm2。林地的养护主要为水分管理、养分管理、林木修枝、林木密度调控和林木病虫防治等；草地的养护主要有浇水、施肥、修剪草坪和除杂草。

5 结论

始祖山矿区主要地质环境问题是露天开采形成的高陡边坡引发崩塌和不稳定斜坡等地质灾害、形成的采坑和渣堆裸露破坏地形地貌景观、采坑挖损与成片的渣堆压占土地资源等。拟采用危岩清理、挖填方、覆土及平整、修建田埂、绿化工程和土壤改良工程等治理措施整治矿区地质环境问题，提高土地资源利用率，改善景区周边生态环境，促进当地旅游资源发展。