河北省阜平县葛拉沟废弃露天铁矿地质环境问题及治理方案

籍进柱，李怀彬，任良良

(1.内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.沙旱区地质灾害与岩土工程防御自治区高等学校重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300； 4.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051)

矿山地质环境问题是指受采矿活动影响而产生的地质环境破坏的现象，表现为矿山生产环境恶劣、“三废”排放、地质灾害、环境资源破坏等[1-2]。露天开采矿山所引发的地质环境尤为严重，需要重点预防和治理[3-5]，特别是废弃的露天矿山所产生的废渣堆、掌子面、开采台面等因缺少后期地质环境治理，致使当地生态环境破坏严重，同时也存在发生地质灾害的隐患。

河北省阜平县地处太行山深处，是抗战时期晋察冀边区政治、军事、文化中心，目前该地区拥有晋察冀边区司令部旧址和晋察冀边区革命纪念馆两处红色旅游胜地。葛拉沟废弃露天铁矿区位于两个红色旅游胜地东南约3.0 km处，其破损的山体与周边地质环境极不协调，严重影响了红色旅游胜地视觉景观，致使阜平县对外形象受损。本文针对葛拉沟废弃露天铁矿存在的地质环境问题，进行了地质环境影响评估，并对葛拉沟矿山地质环境治理提出建议。本文治理方案可为同类矿山环境治理提供参考和借鉴。

1 废弃矿山概况

葛拉沟废弃露天铁矿位于阜平县城南约17 km处，行政区划隶属阜平县城南庄镇谷家庄村管辖，中心地理坐标：东经114°11′39″，北纬38°42′03″；区内有县级公路(X320)与省道S203相接，但通往矿区的约700 m道路已经毁坏，交通不便(图1)。

图1 葛拉沟废弃露天铁矿遥感影像位置图Fig.1 Remote sensing image location map of Gelagou Abandoned Open-pit Iron Mine

葛拉沟废弃露天铁矿属于低山丘陵地区，地势东南高西北低，地形较为复杂，海拔350.45～631.54 m，山体坡度较陡，坡角30°～50°。矿区及周边出露地层主要有阜平群南营组黑云斜长片麻岩(Arn)、阜平群团泊口组黑云斜长片麻岩(Art)和第四系覆盖层(Q)。在气候上，属大陆性气候，年平均气温在12 ℃左右，年平均降水量为635 mm左右，降雨多集中在6—8月。矿区内无常年流水性河流，仅有季节性流水汛期。矿区范围内除开采破坏区外，原生山体植物覆盖率较高，覆盖率约为35%。自然植被以灌木丛为主，主要有荆条、酸枣等木本植物，以及荩草、狗尾草、虎尾草、阿尔泰紫菀、苍耳、节节草、鹅观草等草本植物，另在沟谷土层较厚的地段，生长有杨树、枣树等乔木。

葛拉沟铁矿为露天群采超贫磁铁矿矿山，由于长时间无序开采，导致采场及废渣堆的规模较大且杂乱，严重破坏了地形地貌，致使该地区的地质环境趋于恶劣。另外，葛拉沟铁矿已废弃多年，其责任主体灭失，渣堆、掌子面和边坡失去人工维护，在风化作用下，渣堆和掌子面边坡可能引发崩塌和边坡失稳等地质灾害，将会导致生态环境会进一步恶化。

2 废弃矿山地质环境影响评估

2.1 矿山地质环境现状

葛拉沟铁矿为露天开采的老矿山，总面积约0.50 km2。经过多年私挖滥采，矿区内已存在5处渣堆、12个矿山掌子面，5处开采台面和1处矿山泥石流沟(图2)，矿山破坏总面积约0.21 km2。

2.1.1 矿山渣堆

经实地调查，葛拉沟铁矿矿区内主要废渣堆有5处，渣堆按照从南到北、从西向东的顺序编号，依次为ZD1、ZD2、ZD3、ZD4、ZD5。 5处渣堆的现状情况见表1。 由表1可知，渣堆累计占地面积约75 150 m2，实际面积87 392 m2，累计堆积方量280 700 m3，各处渣堆目前基本稳定，未见有失稳迹象，其中，渣堆ZD1、渣堆ZD2和渣堆ZD3规模较大，高差较大(图3)，渣堆ZD4和渣堆ZD5规模相对较小。

图2 葛拉沟废弃露天铁矿地质环境现状Fig.2 Geological environment status of Gelagou Abandoned Open-pit Iron Mine

表1 主要渣堆特征参数表Table 1 Characteristic parameters of main slag heaps

2.1.2 矿山掌子面

葛拉沟铁矿开采时形成的掌子面主要有12处，从上到下编号依次为ZM01、ZM02、ZM03、……、ZM12，12处掌子面的现状情况见表2。 由表2可知，掌子面总长度2 990 m，总破坏面积为39 190 m2，分布于山体露天开采区域，其坡度陡缓不一，陡峭角度多在75°以上，部分接近竖直，甚至大于90°。掌子面上零星分布有危岩，掌子面下部堆积有渣石，边坡坡度在40°左右。 另外，掌子面ZM02、掌子面ZM07、掌子面ZM08、掌子面ZM09自城南庄镇部分可见，影响视觉景观(图4)。

2.1.3 开采台面

葛拉沟铁矿掌子面的底部为开采台面，由于开采缺乏合理的规划，致使开采台面极不规则，台面内孤包、小陡坎、乱石堆林立。 根据勘查，开采台面大致可分为5处，从上到下编号依次为PT01、PT02、PT03、PT04和PT05，5处开采台面的现状情况见表3。 由表3可知，总面积约65 910 m2，采坑底部多数有基岩出露，主要为片麻岩，零星堆积有渣土堆、土堆碎石，粒径大多不足0.5 m，堆积方量约为2 950 m3。另外，开采台面PT02、开采台面PT04和开采台面PT05，自城南庄镇部分可见，影响视觉景观(图5)。

图3 自城南庄镇可见主要渣堆情况Fig.3 The main visible waste-dumps seen from Chengnanzhuang Town

表2 主要掌子面特征参数表Table 2 Characteristic parameters of main abandoned working faces

2.1.4 矿渣冲蚀沟

葛拉沟铁矿废渣主要堆积在坡面，周边地势较平缓，渣堆ZD1、渣堆ZD2和渣堆ZD3坡脚的细粒物质受雨水冲蚀沿沟低洼地带向下游冲蚀、堆积，形成了一处小寨沟废渣冲蚀沟(图6)，其源头与渣堆连成一体，沟内主要为渣堆的细粒物质，其组成物质仍为细粒状黑云角闪斜长片麻岩的风化物，粒径一般小于2 mm，分选较好，呈松散状。 矿渣冲蚀沟呈条带状，沿沟谷延伸，长度约610 m，宽度9.3～37.7 m。标高在349～461 m之间，发育一处支沟，名为小寨沟。整个小寨沟矿渣冲区地面积约为15 800 m2，沟内矿渣细粒物质堆积厚度为1.0～4.0 m，平均厚度约1.5 m，堆积量23 700 m3。

2.2 矿山地质环境影响评估

葛拉沟铁矿已废弃多年，且其责任主体灭失，矿区内原始山坡地貌已经遭到完全破坏，矿渣堆压占损毁大量植被及山地资源，渣堆和掌子面高陡，矿渣、废石随意堆放，致使该矿山地质环境和生态环境遭到了极大的破坏，由此引发的地质环境问题比较突出，主要地质环境问题及其危害如下所述。

图4 自城南庄镇可见主要掌子面情况Fig.4 The main visible working faces seen from Chengnanzhuang Town(注：掌子面ZM09为图4(d)中圈出部分)

表3 开采台面特征参数表Table 3 Characteristic parameters of mining platforms

图5 自城南庄镇可见开采台面情况Fig.5 The partly visible mining mesas seen from Chengnanzhuang Town

图6 矿渣冲蚀沟情况Fig.6 The situation of waste dump erosion ditch

1) 地形地貌景观影响评价。葛拉沟铁矿经多年开采，留下的开采面又高又陡，山体挖损严重，矿渣胡乱堆放，原有地形地貌及原有植被破坏率达95%以上，严重破坏了地形、地貌等自然景观。特别是葛拉沟铁矿距离红色旅游胜地较近，破损严重的山体均在游人可见范围之内，严重影响了阜平县生态文明建设，阻碍了阜平县经济的可持续发展。

2) 土地、植被资源占用与破坏评价。葛拉沟铁矿露天开采造成大面积基岩裸露，区内松散覆盖层几乎全部被剥离，被剥离的松散堆积物与矿渣混合在一起形成渣土。矿山开采共破坏土地资源面积达约0.21 km2，造成土地废弃闲置，严重浪费土地资源。与此同时，大量植被在开采过程中遭到破坏，矿区植被资源受损较大，在强降雨的条件下，极易发生水土流失。由于植被遭到严重破坏，矿渣堆中的细颗粒物质失去植被的保护，直接裸露于地表，在风力吹扬作用下，这些区域极易成为沙尘源，污染空气，降低大气环境质量。如果这些问题得不到及时有效治理，随着水土流失和扬尘落砂现象的进一步发展，将使区域的地质环境及生态环境都将遭到越来越严重的破坏。

3) 地质灾害现状评价。根据实地调查，矿区内尚未发生过崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，但仍存在很大的隐患，具体如下所述。①矿区内渣堆较高，边坡角度大，稳定性差，其中部分渣堆边坡已产生失稳滑溜，在降水等作用下，各渣堆边坡可能进一步滑溜、侵蚀下游的山地资源，甚至引发大规模的矿山泥石流灾害；②掌子面上的危岩在自然条件下，经过风吹、雨淋和日晒，风化程度将进一步加深，掌子面外缘顶部的张裂缝亦有扩大的趋势，掌子面上很有可能发生崩塌灾害，进而引发局部滑坡；③矿山开采台面极不规则，台面内孤包、小陡坎、乱石堆林立，且植被覆盖极少，在强降雨的条件下，极易发生稀性泥石流；④各废渣堆随意堆放于沟谷内，其源头与渣堆连成一体，结构松散、颗粒细小，易受雨水冲蚀而发生滑移。

3 废弃矿山地质环境治理方案

3.1 治理方案设计思路

葛拉沟铁矿已经闭坑多年，后期并没有进行矿山修复和治理，致使矿区内地质环境问题严重，特别是视觉景观影响突出，且存在地质灾害发生的隐患。针对该废弃矿山地质环境问题，其治理方案的设计主要考虑消除环境影响，改善视觉景观，消除地质灾害威胁[6]，保障下游村民生命财产安全和道路等安全。在治理方案设计中，遵循自然规律、近自然的生态修复的思路[7]，保证安全的情况下，应按照“宜农则农、宜林则林、宜建则建”的原则，与当地社会、经济、环境发展相适应，强调综合治理的整体社会效益、环境效益，尽可能将矿山地质环境治理和原有环境有机结合起来；依托治理区原有地形地貌，充分发挥微地貌的作用，尽量少布设土石方工程，见缝插针地利用原有地形，以生物措施为主，促进治理措施与周围自然环境的融合；对可能出现的危害，要采用相应的防范措施，最大限度地减少对矿山地质环境的破坏。

3.2 治理方案

针对矿山的实际情况，对裸露的渣堆、掌子面、开采台面和小寨沟内矿渣冲蚀区等提出合理有效的治理措施，整体效果如图7所示，治理方案总体设计如下所述。

1) 渣堆治理工程设计。渣堆坡面：因地制宜，划分削坡平台[8-9]，确定控制标高，根据削高填低平衡渣量的原则，对渣堆坡面适度削坡，控制各台阶间渣堆坡面不大于35°，各平台台阶宽度保持约2 m，将削坡清理出多余废渣顺势下推，台阶及坡面均挖穴状坑，1∶1间隔种植侧柏和紫穗槐[8](图7和图8(a))。为防止雨水对坡面的冲刷，同时在各台阶内侧修建排水渠[11]，在渣堆外侧边缘修建竖向截水渠，将渣堆台阶内排水渠汇水引入截水渠(图7和图9)。需要注意的是，渣堆坡面的台阶设置时，纵向需保证1°～2°的坡度，确保在台阶上修建的排水渠顺利排水。

图8 绿化方式设计Fig.8 Design of greening method

图9 渣堆坡面排水渠设计Fig.9 Design of drainage ditch for waste-dumps

渣堆平台：进行适当修整，使修整后的平台形成外侧略高、内侧略低的反坡脚，便于将水汇聚于内侧排水渠处，通过排水渠将平台汇水引出区外，减少对坡面的冲刷[10]。在修整后的渣堆顶部平台外缘穴状坑种植刺槐绿化(图7和图8(b))。另外，在修整后的渣堆平台靠近外缘1～2 m处修建挡水土埂，土埂高0.5 m，底宽1.5 m，顶宽0.6 m，修建长度205 m，材料采用废弃的细粒矿渣土，压实系数0.95。

2) 掌子面治理工程设计。掌子面自城南庄镇革命纪念馆大部分不可见，少部分可见，对在城南庄镇可见的掌子面ZM07和掌子面ZM08的区域进行重点工程治理。首先应从安全性的角度考虑，确保采矿掌子面边坡的稳定性，其次综合考虑经济性、因地制宜等因素[11]。经过勘查，建议在掌子面的顶部进行客土喷播，客土喷播前需对掌子面进行清理，然后分营养基层(厚度6 cm)、种子层(厚度2 cm)和防冲刷层(厚度1～2 cm)三层进行喷播(图7)，对掌子面下部进行鱼鳞坑绿化遮挡方式进行治理，对其他掌子面根据需要适当进行补植和生物遮挡，结合自然恢复植被。除了上述的治理方法外，可见部分在其前方的开采台面上客土种植高大乔木，可以很好地被遮挡。

3) 开采台面治理工程设计。根据城南庄镇的可见情况，开采台面PT02、开采台面PT04和开采台面PT05视觉景观影响较大，需进行重点治理。采用整平、客土、植树绿化的方法进行治理，整平后客土覆土，挖坑种植刺槐和侧柏，各坑在坡面上基本沿等高线布设，上下两行坑口呈“品”字形错开排列，坑距1.5 m、行距1.5 m(图7和图8)。在整平过程中，遇有原生植被覆盖时，尽量避免破坏原有自然恢复的植被，可根据需要进行适当的补植。整平工作可随地势大致整平，遇有大块或较多的碎石时，需要清除，大块碎石和块石可作坑外围堰。

4) 小寨沟矿渣冲蚀区治理工程设计。葛拉沟铁矿废渣主要堆积在坡面，周边地势较平缓，汇流范围不大，沟谷较小，矿渣冲蚀区主沟长约610 m，相对高差约112 m，坡降183.6‰，泥砂沿程补给量较为充足，区域构造方面为抬升区，沟谷下切和侧蚀作用一般，流域内植被平均植被覆盖率约35%。另外，沟道内已有三处拦渣挡墙，固源拦蓄效果基本有效。但是，1#拦挡坝、2#拦挡坝和3#拦挡坝分别修建于2010年、1960年左右和1980年左右，经过长时间的雨水及流水冲蚀，有局部存在不稳定，建议在渣堆下游小寨沟内已有的1#拦挡坝、2#拦挡坝坝体间拐弯狭窄处新建干砌石拦挡坝S-S′(图7和图10)，干砌石拦挡坝长20 m，挡墙高3.0 m，顶宽0.8 m，底宽2.0 m，基岩地下埋深0.3 m，并在干砌石拦挡坝上游矿渣区域挖穴状坑种植刺槐(图7)。

图10 干砌石拦挡坝剖面图Fig.10 Dry stone retaining dam(注：此部分对应图7中S-S′位置)

5) 治理过程中及治理后维护工作的建议。在治理过程中，要做好对矿山开展的工程措施进行维护，主要是经治理的平台、砾砂堆、废石堆、块石堆坡面，当其遭受暴雨等损毁时，应进行修复。此外，要做好植被抚育，对绿化区域植被进行维护，发现枯萎、破坏时及时采取补种补栽等措施，确保治理工程能够高质量的完成。

在治理后，要做好绿化植被的维护。虽然所栽植的植被都为适宜当地生长的耐旱植物，但在植被生长的初期，其根系不够发达，在干旱季节，降雨不能满足植被需水要求时，需要进行后期管理维护，及时浇灌，对植被出现枯萎死亡等现象的要进行及时补种,保证植被成活率，达到绿化效果。

4 结 论

1) 葛拉沟废弃露天铁矿已经闭坑多年，后期并没有进行矿山修复和治理，致使矿区内地质环境问题严重，特别是视觉景观影响突出，尤其与晋察冀边区司令部旧址和晋察冀边区革命纪念馆两处红色旅游胜地视觉景观极不协调。与此同时，裸露的渣堆、掌子面、开采台面和小寨沟内矿渣冲蚀区存在地质灾害发生的隐患，威胁周围居民的生命财产安全。

2) 针对治理区矿山的实际影响和破坏情况提出治理措施。①渣堆：渣堆平台整治，划分削坡平台，并在平台内侧修建排水渠，另外在坡面穴状坑种植紫穗槐、侧柏，坡顶种植刺槐；②掌子面：客土喷播，另外在掌子面下部进行鱼鳞坑绿化遮挡，且开采平台上种植的高大乔木也可遮挡；③开采台面：采用整平、客土、植树绿化的方法，其他不可见的开采台面待其自然恢复植被；④小寨沟矿渣冲蚀区：在中下游拐弯狭窄处新建干砌石拦挡坝，并在上游挖穴状坑种植刺槐。

3) 矿山地质环境的治理过程中，定期进行巡查，做好工程维护和植被抚育；在治理后，做好绿化植被的维护，保证植被成活率，确保工程绿化效果。