露天矿转地下矿山地质环境问题分析及治理方法研究：以仓上金矿为例

李成习，龚甲桂，高文凯，宋德东，刘 一，胡兆国，王 浩

(中国冶金地质总局山东正元地质勘查院,山东 济南 250014)

矿山露天开采可提高矿产资源的开发利用率，但对周边地质环境影响严重，平原地区的露天采矿活动对生态环境的破坏更为突出[1]。仓上金矿是莱州市三山岛金矿的下属矿区，该矿山20世纪90年代曾是我国最大的露天开采金矿，仓上金矿的开采在带来巨大经济收益的同时也引起了一系列矿山地质环境问题，如采坑边坡发育的滑坡严重威胁采坑北部人民群众的人身安全和财产安全。本文从地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏、水土环境污染等4个方面分析了目前存在的矿山地质环境问题[2]，并将露天采坑纳入重点防治区，开展了恢复治理的方法研究，提出了经济、高效、稳定的解决措施；同时对仓上金矿转入地下后的矿山地质环境问题进行了分析预测，以期为矿山开采和生态环境保护提供重要的科学依据，促进当地矿业经济可持续发展[3]。

1 仓上金矿地质环境背景

1.1 自然地理概况

仓上金矿地处山东省莱州市金仓街道中心区域，距离莱州市区20 km。矿区到莱州市区有省道连接，交通便利，矿区距离渤海莱州湾3.5 km，气候兼具海洋气候与内陆气候特点，昼夜温差较小，四季分明，年降水量648.3 mm。矿区内无河流通过，地下水自东南向西北径流，因露天采坑的存在，矿区周边地下水向露天采坑径流。矿区地貌为滨海平原，地形平坦。矿区周围人类活动较为强烈，主要从事矿业开发、农业种植、渔业养殖、城镇建设和旅游开发等。

1.2 地质概况

仓上金矿位于三山岛-仓上断裂带南部(图1)，该断裂带为胶西北三大控矿断裂蚀变带之一，该断裂带由北向南控制了三山岛北部海域金矿、三山岛金矿、仓上金矿等3个大型-超大型金矿[4]。仓上金矿地表出露主要为第四系全系统堆积层，为滨海相沉积物；第四系以下为仓上花岗岩，灰白-浅红肉色，花岗变晶结构，块状构造。矿区主要断裂整体呈反“S”形展布，是区内唯一的控矿断裂构造，构造带内构造岩体发育，主要有糜棱岩、角砾岩、碎裂岩等[5]。

图1 三山岛-仓上断裂带地质图Fig.1 Geological sketch of Sanshandao-Cangshang Fault Zone

1.3 矿山开发利用情况

仓上金矿始建于1986年，采用无底柱分段崩落法进行露天开矿[6]，2006年停产，2014年仓上金矿被山东黄金集团有限公司收购，目前该矿山作为山东黄金集团有限公司三山岛金矿下属矿区管理。矿山停产前在矿区范围内形成了一个东西长约1 200 m，宽约390 m，深186 m的露天采坑(图2)。

根据山东省绿色矿山实施方案的相关要求，仓上金矿不再进行露天采矿，但为充分利用矿产资源，延长仓上金矿的服务年限，仓上金矿拟由露天转入地下生产，设计采用上向水平尾砂胶结采矿法进行地下开采，井下矿石通过竖井提升至地表后通过汽车运输至三山岛金矿选矿厂进行集中选矿。矿石开采后遗留的采空区由选矿尾砂和胶固粉混合后进行充填处理，充填时接帮接顶，充填率97%，充填强度大于2 MPa。

2 矿山地质环境问题现状分析

2.1 矿山地质灾害危险性现状分析

仓上金矿露天开采停产后，露天采坑边坡因缺少维护出现多处滑坡等地质灾害，虽未出现人员伤亡，但损毁北部边坡的房屋和农田，造成经济损失约30万元。根据调查，仓上金矿露天采坑边坡共发育5处滑坡，其中，H1号滑坡、H2号滑坡、H3号滑坡、H4号滑坡位于采坑内边坡道路，道路边坡因停产缺少维护，在降雨条件下易发生滑坡；H1号滑坡～H4号滑坡均为现代土质滑坡，滑坡类型为滑移式，滑坡体积在200～3 000 m3，规模均为小型；H1号滑坡～H4号滑坡主要对矿坑道路造成损毁，损毁长度约为120 m，损毁程度为中度，经清理后，不影响道路通行，滑坡未造成人员伤亡，直接经济损失约3万元；目前露天采坑已全部封闭，禁止人员进出，H1号滑坡～H4号滑坡主要威胁对象为道路，但危害性较小(图3)。

图2 仓上金矿露天采坑Fig.2 Open pit of Cangshang Gold Mine

图3 仓上金矿地质灾害分布图Fig.3 Distribution of geological hazards in Cangshang Gold Mine

H5号滑坡发育于露天采坑北帮，属于岩质滑坡和滑移式滑坡，滑坡体积约30 000 m3，规模为中型。该滑坡2009年出现轻微变形，2013年发生剧烈变形，滑坡后缘出现明显裂缝，虽未造成人员伤亡，但导致滑坡后缘房屋和耕地损毁，直接经济损失27万元。H5号滑坡前缘坡度65°，滑体和滑床为花岗岩，滑动带为仓上断裂带碎裂岩，滑动的主要原因为仓上矿区停产后，缺少对矿区北部边坡维护，在降水的自然因素下，滑体沿着构造软弱面发生滑动变形。根据矿山多年地面变形和井下位移监测资料分析，H5号滑坡仍处于欠稳定状态[7]，滑坡对后缘耕地和居民人身安全造成威胁，危害性为中等。因此，仓上金矿H5号滑坡范围内地质灾害危险性较严重，其他区域为较轻。

2.2 矿山含水层破坏现状分析

仓上金矿充水水源为大气降水和基岩裂隙水，矿山停产前，矿区涌水量为1 800 m3/d，地下水位-186 m。矿山露天开采将含水层直接进行剥离，对含水层结构破坏严重；矿山停产前，矿区地下水位最大降深约186 m，区域含水层形成了以露天采坑为中心的降落漏斗；停产后，矿山不再进行疏干排水，矿区周边地下水位进行逐步恢复，目前矿坑内地下水位-60 m。因此，仓上金矿露天采坑范围对含水层破坏严重，其他区域较轻。

2.3 矿山地形地貌景观破坏现状分析

仓上金矿露天采矿向地表深部进行采掘，最终形成了长约1 200 m，宽约390 m，深186 m的露天采坑。仓上金矿所在区域为滨海平原区，矿山周围地形平坦，矿山紧邻莱州市金仓街道，属于人口稠密、经济发达区域。仓上金矿产生凹陷的露天采坑与周边地貌不一致，严重影响当地地貌景观。因此，仓上金矿露天采坑对地形地貌景观破坏严重。

2.4 矿山水土环境污染现状分析

通过采集仓上金矿露天采坑内水、南部基岩监测井水、北部居民第四系机井水进行化验测试，露天采坑水和基岩监测井水均为咸水，矿化度在1.2～3.2 g/L，主要为硫酸盐和氯化物超过V类水指标，这与矿区距海岸线较近，基岩地下水受海水入侵相关；北部居民第四系机井水为淡水，矿化度0.45 g/L，水质较好，未受到矿山活动影响。因此矿山生产建设活动对水环境影响较轻。

通过采集仓上金矿西部农田土壤，测试结果表明，矿区表层土壤pH值为6.8，有机质含量1.23，土壤中重金属含量均不超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中规定的风险筛选值，土壤污染风险低。因此，仓上金矿对水土环境污染现状评估为较轻。

2.5 矿山地质环境防治分区

根据仓上金矿矿山地质环境问题现状分析，仓上矿区主要地质环境问题为滑坡、含水层破坏和地形地貌景观破坏。矿山地质环境问题主要集中在仓上金矿露天采坑，因此将仓上金矿露天采坑划分为矿山地质环境重点防治区，并对其进行重点防治，其他区域为一般防治区，加强监测。

3 矿山地质环境恢复治理方法研究

3.1 矿山地质环境问题治理可行性分析

3.1.1 技术可行性分析

1) 地质灾害防治技术。仓上金矿露天采坑边坡滑坡等地质灾害主要由于露天采坑内岩土体被采掘后，形成了高陡的临空面造成失稳，其形成原因与坡脚开挖有关。从技术层面分析，采用回填压脚的处置方法，可有效增强滑坡稳定性，当露天采坑被回填至地表后，边坡上的滑坡隐患也得到根本消除。同时，矿山所在区域矿业活动发达，大量尾砂等固体废弃物需要处置，用于回填压脚的物质比较充沛，回填物质通过管道或汽车运输方式可直接用于采坑回填。

2) 含水层破坏防治技术。根据矿山开采情况，矿山对含水层的破坏主要表现在含水层结构破坏、水位下降和水质影响。露天开采对含水层结构造成直接破坏，这种结构破坏是不可逆的，修复难度大，目前国内此方面的技术尚不成熟，效果也不理想。而矿山活动对含水层水质的影响，可以通过定期地下水水质检测，找出污染源，在开采过程中尽量减少可能造成污染的工序并通过对矿坑水的处理达标排放，既能提高地下水的利用率，也可以减少对地下、地表水的污染途径。

3) 地形地貌景观破坏防治技术。矿山开采对地形地貌景观破坏主要体现在露天采坑改变了原有的地形地貌景观，针对这些问题主要采用采坑回填、场区生态恢复等手段，从技术上可有效对地形地貌景观的恢复。

4) 水土环境污染防治技术。仓上金矿按照国家规定进行采矿，对水土环境污染较轻；为防止因矿山开采可能造成对水土环境的不利影响，在矿山开采过程中，应建立完善的环境监测制度，摸清各类废弃物的排放情况，定期监测各类污染物是否达标，加强水质、土壤监测工作，在矿区内设立地下水、土壤监测点，定期取样进行分析测试，从技术上可有效对水土污染现象进行管控。

3.1.2 经济可行性分析

根据仓上金矿停产后露天采坑地形测绘资料，采用南方Cass软件进行计算，仓上金矿露天采坑容积约2 700万m3，因此需要大量固体物质进行回填，经济花销巨大，且该矿位于滨海平原区，周围缺乏回填原料。而仓上金矿所属的三山岛金矿每年需要外排大量尾砂至尾矿库，因此将三山岛金矿尾砂直接用于回填仓上露天采坑，既能节约采坑回填治理成本，又可以处置尾砂，减少尾矿库对周围环境影响，从经济角度和环保角度都十分可行。同时通过生态工程治理措施，将露天采坑治理后的土地迅速恢复成为可利用土地，提高了土地的经济效益和社会效益，为金仓街道经济高质量发展助力[8]。

3.1.3 生态环境协调可行性分析

仓上金矿露天开采已经停止，但遗留的露天采坑对周围生态环境的影响一直在持续。因此在露天采坑治理过程中，增加覆土、植被绿化等元素，美化矿区地貌景观，使矿区的生态结构趋于合理，促进整个自然生态系统的融洽与协调，可以更好地调节气候，减少水土流失，恢复生态环境，为周边居民提供良好的居住环境，促进美丽乡村建设。

3.2 矿山地质环境恢复治理方法研究

通过上述分析，仓上矿区矿山地质环境问题均与露天采坑密切相关，尤其是采坑边坡的滑坡对周围群众的人身安全影响较大，因此开展露天采坑治理方法研究，可以保障周围群众的生命财产安全。露天采坑边坡地质灾害的治理方法主要有两种，一种是对边坡进行加固，防止边坡发生崩塌和滑坡地质灾害，该方法需多期多次陆续投入，投入资金较大，且治标不治本；另一种方法是从露天采坑滑坡体坡脚进行堆载反压，阻止坡体的下滑，该方法具有标本兼治的效果[9]。根据仓上矿区的地质环境、当地土地资源状况及生态环境现状，按照经济合理、技术可行及可操作性的原则，仓上露天采坑地质灾害治理选用标本兼治的堆填反压的方法，主要可采取的工程手段为露天采坑回填、边坡防渗、场地生态恢复等(图4)。

3.2.1 露天采坑回填治理措施

仓上金矿露天采坑从坑底到地表，容积达2 700万m3，经过坡面适当防护处理后回填，不仅能对露天坑地质灾害进行治理，而且可创造出巨大的堆存空间。仓上金矿早期废石已被综合利用，不能满足回填要求，同时矿山地处平原区，可用天然回填原料贫乏，但当地有着较为丰富的金矿尾砂，尤其是仓上金矿上级矿山三山岛金矿扩能扩界后每年可产生尾砂320万m3，数量可满足回填要求。三山岛金矿尾矿为I级固体废弃物，尾砂中不含有毒有害物质，质量可满足回填要求，三山岛金矿选矿厂距离仓上金矿露天采坑4 km，采用地下管道输送方式回填尾砂，回填稳定性可满足要求。因此，选择三山岛金矿选矿尾砂作为回填料，既能解决仓上金矿回填原料不足的困境，降低回填治理成本，又能解决三山岛金矿尾矿库库容不足问题，提高尾砂作为资源集约化利用率[10-11]。

3.2.2 露天采坑边坡防渗措施

仓上金矿区域基岩裂隙水受海水倒灌影响，整体为咸水，不能用于本区农业生产，目前基岩裂隙水主要用于三山岛金矿选厂选矿。仓上金矿采用三山岛金矿尾砂回填露天采坑，因此尾砂回填对区域基岩裂隙水影响较小。仓上金矿浅层第四系水为淡水，是当地居民生产生活用水，但回填尾砂至第四系后易引发第四系淡水水质变差，因此沿露天采坑边坡铺设土工防渗膜，对露天采坑边坡进行防渗处理，可有效保护浅层第四系淡水不受窜层污染。

3.2.3 场地生态恢复措施

露天采坑回填至地表后，对场地进行平整处理，保持矿区地面坡度不大于3°。尾砂回填措施使矿区地形地貌条件得到重塑，但表层土壤生态环境短时间内不能得到恢复，因此需要外购土源对场地进行回覆，覆土厚度为60 cm，覆土后在场地内恢复植被，重建矿区生态环境。

图4 仓上金矿露天采坑治理工程图Fig.4 Treatment project of open pit in Cangshang Gold Mine

4 矿山地质环境问题预测分析

仓上金矿早期的露天开采方式对于人口密集的金仓街道来说是一种生态灾难，目前山东省已明确金属矿山禁止露天开采，但近年来金矿石价格快速上涨，矿山浅层的金矿资源对当地经济发展有较大帮助，因此仓上金矿下部选择地下胶结充填采矿法，对采空区及时进行充填，保证地表不出现塌陷。虽然直接开采成本较高，但符合政策要求，且对生态环境影响较轻，可以促进金仓街道经济高质量发展。

随着矿山对露天采坑防治工作的开展，仓上金矿矿山地质环境问题得到有效治理，区域生态环境也逐步恢复。但矿山下部采用地下采矿法，形成的地下采空区引发了新的矿山地质环境问题，本文就矿山转入地下开采后产生的矿山地质环境问题进行分析和预测。

4.1 矿山地质灾害危险性预测分析

仓上金矿由露天开采转入井下开采后，矿山将采用地下尾砂胶结充填采矿法对剩余矿体进行回采，采空区随采随充。尾砂胶结充填采矿法经同一成矿带的三山岛金矿验证，井下采空区充填率可达97%，充填强度为2 MPa，该方法对地表影响较轻，不会引发采空塌陷等地质灾害。因此，露天转入井下开采后，仓上金矿不会产生新的地质灾害，引发或加剧地质灾害危险性较轻。

同时矿山采用工程措施对露天采坑进行回填治理，随着露天采坑逐步回填，回填物质对H5号滑坡前缘进行压脚处理，增强了滑坡的稳定性，待露天采坑回填至地表后，采坑边坡地质灾害隐患将得到消除。随着原有地质灾害隐患得到治理，仓上金矿矿山地质灾害危害性预测评估为较轻。

4.2 矿山含水层破坏预测分析

仓上金矿下部采用尾砂胶结充填采矿法，矿区含水层中的基岩裂隙逐步被胶结尾砂充填，矿区地下水导水通道将被充填封闭，含水层结构遭到破坏。矿区基岩含水层与第四系含水之间存在隔水层，不会引发浅层第四系水和地表水体漏失，对周边群众生产生活影响较轻。因此，仓上金矿对基岩含水层破坏严重，对第四系含水层破坏预测评估较轻。

4.3 矿山地形地貌景观破坏预测分析

仓上金矿下部采用地下采矿，废石不出坑直接回填至采空区，矿石通过主井提升至地表后，用汽车运输的方式运至三岛金矿选矿厂，矿山拟建的工业设施多为单层建筑，与周边环境协调一致。露天采坑随着回填治理，地形破坏将得到修复，待露天采坑回填至与周边地表高度一致时，露天采坑对地形地貌景观的破坏将得到彻底消除。因此，仓上金矿对地形地貌景观破坏预测评估较轻。

4.4 矿山水土环境污染预测分析

仓上金矿矿坑涌水主要用于井下生产和地表充填，地表新建水处理车间用于处理厂区生活污水。井下废石不出坑直接充填采空区，矿石提升至地表后进行防尘处理后直接运输至三山岛金矿选矿厂，不在矿山进行选矿作业，减轻对周边环境的影响。因此，仓上金矿生产建设活动对水土环境污染预测评估较轻。

综上所述，随着露天采坑回填治理，矿区地表生态环境将得到有效恢复，矿山下部采用地下开采对基岩裂隙水含水层破坏严重，其他矿山地质环境问题较轻，对区域生态环境影响较轻。

5 结 论

1) 仓上金矿地处滨海平原区，矿山露天采矿活动已经停产，目前矿山地质环境问题主要为滑坡、含水层破坏、地形地貌景观破坏。露天边坡H5号滑坡地质灾害危害性较严重，露天采坑含水层破坏和地形地貌景观破坏严重，水土环境污染较轻。

2) 仓上金矿露天采坑作为重点防治区进行工程防治，主要采取尾砂回填、边坡防渗、场地功能恢复等措施，不仅消除了露天采坑边坡地质灾害隐患，保障了周边群众生命财产安全，还解决了周边矿山废弃物处置问题，提高资源集约化利用率。同时还为当地提供了大量可利用土地，为金仓街道城市发展提供了生态空间和土地空间，促进区域经济高质量发展。

3) 仓上金矿下部由露天转入地下开采，原有的矿山地质环境问题将得到有效治理，新的矿山地质环境问题主要为基岩裂隙水含水层破坏，对周边生态环境影响较轻。