露天矿山地质环境问题及其综合治理技术

刁文博，张传东

(河南省地质矿产勘查开发局 第三地质勘查院，河南 郑州 450000)

栾川县栾川乡煤窑沟历史遗留露天矿山地质环境综合治理项目位于栾川县城伊河北岸，直线距离约500 m，由于以往采石活动，造成山体大面积破坏。目前形成露天采坑面积约49 048 m2，采坑长约270 m，宽80 m左右，最大采高约91 m，采坑边坡基岩裸露，底部为大量采石粉及废石堆积，地形地貌及土地资源破坏严重。栾川县栾川乡煤窑沟历史遗留露天矿山地质环境综合治理项目其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点，主要表现在减灾、防灾方面，将对后续类似地质环境治理工程起到“示范工程”效应[1-5]。研究有助于缓解露天采坑视觉污染与环境保护之间的矛盾，消除 “三区两线”可视范围内视觉污染，适应经济社会可持续发展的战略要求。

1 工程概况

本次地质环境治理的矿山为栾川县煤窑沟历史遗留露天矿山，属于主体责任灭失矿山，开采矿种为大理岩岩矿，开采方式为露天。治理区为历史遗留矿山，由于早期开采过程中滥采乱挖，“只破坏、不治理”，遗留下了较为严重的矿山地质环境问题，矿山地形地貌和生态环境遭受严重破坏，采坑巨大、危岩高耸、矿渣如山、满目疮痍。生态环境的破坏严重影响当地群众生活，阻碍了该区生态建设的可持续发展。本次矿山环境治理工程主要是针对历史遗留矿区露天采场进行恢复治理，治理工程包括边坡整形、拦挡工程和生物修复工程等。煤窑沟治理区航片图如图1所示。

图1 煤窑沟治理区航片Fig.1 Aerial photo of Meiyaogou treatment area

2 主要矿山地质环境问题

勘查区矿山地质环境现状如图2所示。

图2 勘查区矿山地质环境现状Fig.2 Current status of mine geological environment in prospecting area

2.1 矿山地质灾害

现状条件下，勘查区内地质灾害主要为发育在采矿高陡岩壁的危岩体及不稳定边坡。

(1)危岩体(WYT)。经调查，勘查区共发现危岩体3处，均位于治理区西部高陡边坡上。危岩体特征详见表1。

表1 勘查区危岩体特征Tab.1 Characteristics of dangerous rock mass

(2)不稳定边坡(BP)。①不稳定边坡BP1。BP1位于治理区东北部，治理区内道路一侧。边坡呈半环形，破坏面朝北东向，高度8～16 m，延伸长度约65 m，走向158°，坡度48°～58°。坡体由弃渣堆积组成，成分为碎石土，碎石岩性为大理岩。碎石土空隙度大，结构松散，级配差。碎石含量约占质量的80%，粒径1～30 cm，其中以粒径1～5 cm的碎石含量居多，约占总量的50%。边坡无植被覆盖，坡体水土流失严重，坡体稳定性较差，有碎石溜滑现象。边坡下方为以往采矿平台(PT1)。②不稳定边坡BP2。BP2位于治理区中部，呈半环形，破坏面朝东向，高度2～5 m，延伸长度约115 m，走向107°～170°，坡度28°～36°。坡体由大理岩组成，坡体为采矿过程中遭受破坏。边坡植被覆盖率约20%，坡体稳定性较好。边坡下方为以往采矿平台(PT2)。③不稳定边坡BP3。BP3位于治理区西部，治理区靠近山脊部分，为采矿活动切割山体时遗留地势较高一侧山体。边坡呈半环形分布，高度10～70 m，长度约420 m，坡度40°～80°。坡体由大理岩组成，坡面底部有部分碎石渣土，大理岩呈厚层状，较致密。边坡植被覆盖率约20%，为自然生长杂草，坡体水土流失严重，坡体稳定性较差，有岩块掉落现象。边坡底局部有大理岩块石堆积，块径0.5～1.0 m。边坡下方为以往采矿平台(PT3)。④不稳定边坡BP4。BP4分布于勘查区中部，在治理区南侧与不稳定边坡BP3呈对望之势，为采矿活动切割山体时遗留，坡面朝西南向，边坡东北侧为一小规模岩体(YT1)。BP4高度2～30 m，长度约110 m，走向130°，坡度40°～60°。坡体由大理岩组成，大理岩呈厚层状，较致密。边坡植被覆盖率约10%，为自然生长杂草，坡体水土流失严重，坡体稳定性较好，少见岩块掉落现象。边坡下方为以往采矿平台(PT3)。

边坡参数统计见表2。

2.2 含水层破坏

该区为露天采石，主要为整块状岩石开采，未造成含水层结构破坏，采坑最低点标高为+784.49 m，地下水位标高为+750～+760 m，位于当地侵蚀基准面及当地地下水水位之上，大气降水及地下水对矿体开采影响小，矿山开采对矿区及周边生产生活供水影响小；矿山开采对植被的破坏不利于水源的涵养及水土保持，会对勘查区的含水层补给产生影响，但对水质基本没有影响。

表2 勘查区边坡参数统计Tab.2 Statistics of slope parameters in exploration area

2.3 地形地貌景观破坏

(1)采坑(CK)。根据现场调查，勘查区范围内因采矿形成采坑1处，破坏土地面积2 803.22 m2。采坑破坏情况：采坑CK1为楔形，长58 m，宽55 m，深15.5 m，坡角20°～54°，面积2 803.22 m2。

(2)渣堆。根据现场调查结果，勘查区共有渣堆1个，ZD1分布于平台PT3上，渣堆规模较小，高度2～4 m，渣石主要为碎石土堆积。渣堆破坏情况：ZD1为勺子形，长72 m，宽50 m，高2～4 m，坡角15°～28°，面积2 973.82 m2，方量11 590.34 m3。

(3)采矿平台(PT)。经调查，勘查区共形成采矿平台3处：①平台PT1。位于勘查区北部，平台呈椭圆形，长约47 m，宽约38 m，面积约1 342.47 m2，平台标高+785～+789 m。平台表面裸露，分布碎石渣，与其相连的边坡底部较多碎石渣，北侧、东侧与矿区简易道路相连，往南约30 m为林地。②平台PT2。位于勘查区中部，平台PT1西部。呈不规则形状，长约188 m，宽15～45 m，面积约4 782.64 m2，平台标高+802～+804.9 m。平台表面裸露，与其相连的边坡底部较多碎石渣。③平台PT3。位于勘查区中部，平台呈椭圆形，长约270 m，宽28～86 m，面积约10 973.70 m2，平台标高+827～+833 m。平台表面裸露，该平台西侧为半环状BP3，东侧为BP2和BP4，渣堆ZD1位于该平台上西部。平台面积不包含渣堆面积。边坡底部的平台上有较多碎石渣，平台中间有渣石路面。

(4)植被损毁。矿山开采造成了矿山表土剥离和大面积的植被损毁。开采区地表土质贫瘠，土层较浅，植物生长较缓慢，植被破坏后，很难自然恢复。采坑内大面积基岩裸露，不具备植被生长的基本水土条件。弃渣掩埋了原始地表，加上结构松散，水土无法保持，植被难以生长。尤其大小不一、形状不尽相同、剥离岩体高度不等的露天采场，采坑面积大且连续分布，由于基岩直接裸露，并且坡度陡，表面植物生长十分困难，视觉效果极差。

2.4 土地资源破坏

根据收集第3次土地调查图件，勘查区渣堆、边坡、采矿平台等矿山活动影响区总面积4.591 6 hm2，土地利用现状为乔木林地0.005 hm2、采矿用地4.586 6 hm2。

表3 勘查区土地资源损毁统计Tab.3 Land resource damage statistics in exploration area hm2

勘查区内矿山开采对生态环境造成了严重破坏，大面积基岩裸露的采坑和随意堆放的弃渣改变了原来的地貌景观，破坏原有林地、草地等，使勘查区大面积林地变成裸地。同时，山体涵养水分的能力下降，地表水径流条件的改变，使坡脚部分耕地耕作、灌溉困难。

3 治理工程总体方案

由于多年的无序开采与长期的地质作用影响，治理区内边坡存在崩塌地质灾害隐患，原始地形地貌景观破坏严重，土地(主要为草地、林地)资源损毁较大。设计方案主要针对崩塌地质灾害隐患进行消除，对地形地貌景观及土地资源利用功能进行修复。对坡面高度落差大、裂隙发育强烈、岩体破碎严重的边坡，采用清理坡面、纤维骨架与团粒喷播绿化相结合技术进行治理；对其他地质情况较好、危险性较小、边坡高差小、坡度缓的边坡，进行坡面凸起、悬挂、浮石等危岩体清理然后削坡，将削坡、危岩体清除与治理区内废弃渣堆清理产生的土石方堆砌于边坡坡脚的平台及用于采坑回填，上部覆盖生植土后种植绿化植物，外围砌筑挡墙保持稳定[6-10]。

设计治理方案包括边坡修整工程、场地平整工程、挡土保水岸墙工程、排水沟工程、垫渣和覆土工程、生物工程[11-15]。

(1)边坡修整。采用坡面清理将坡体表面危岩体清除，依照合适的坡度和台阶宽度对边坡进行整理后，在各级台阶上及边坡边缘进行生物工程，以恢复植被。

(2)场地平整。依据拟治理区现状地形，在整齐、美观并充分考虑排水的基础上，随坡就势将其设计成若干个不同高度、坡度的面，根据设计高程进行场地平整，恢复成林地，以改善生态环境。

(3)垫渣、覆土及生物工程。在平整的区域覆土后开挖树坑，回填种植土后栽种适合当地生长的侧柏和火炬树，对拟治理区的场地进行生态复绿；同时，在边坡下部开挖树坑，回填种植土后栽植爬山虎，对边坡进行绿化。

4 工程治理分区

依据矿山地质环境调查成果，且由于治理区面积较小，为了治理工程设计叙述方便及工程施工管理方便，将本次工作区作为一个整体进行治理，即1个治理区，面积0.057 5 km2(图3)。

图3 治理区范围Fig.3 Governance area

5 治理工程分项设计

5.1 危岩清理工程

根据现场调查可知，危岩体均位于不稳定边坡BP3坡面上，BP3为高陡边坡，坡面岩石破碎，部分岩体已经滚落。由于采场需要做回填处理，故对此处的高陡边坡无需进行支护，直接予以清理。根据实测结果，危岩体有3处，边坡危岩体需清理方量为2 068.75 m3，详见表4。

表4 BP3危岩体清理工程量Tab.4 Volume of dangerous rock mass cleanup

5.2 废渣清理工程

治理区共有渣堆1处，位于PT3中部，堆积方量不大，渣堆ZD1顺坡(BP3)堆放，渣堆不仅压占土地，破坏地形地貌景观，还引发水土流失。针对治理区废渣分布和现状地势，采用挖高填低平整的方式，因地制宜，平整为平台，开挖掉的废渣就近回填邻近采坑，需要清理的废渣量为11 590.34 m3。修整至+828.5 m标高，渣堆ZD1清理工程量统计：长43.2 m，截面积268.30 m2，挖方工程量11 590.34 m3。

5.3 场地整理工程

(1)场地平整。场地平整工程布置在PT1、PT2、PT3渣坡平台以及采矿坑(CK1)的回填平整。依据分布位置与地面高程的差异，将治理区划分3个平台整平(图4)。①PT1位于BP1底部，靠近进沟道路，最终平整标高+785 m；②PT2位于治理区中部，在原采矿平台基础上，整平至统一标高+802 m；③PT3位于治理区西南，为最高处平台，将原采矿平台(PT3)结合BP4山体修整至标高+828.5 m，BP4东北侧岩体绿化较好，保持原有现状不变。

图4 治理区场地平整示意Fig.4 Leveling of treatment area

采矿坑(CK1)利用废渣进行回填，回填至标高+828.5 m，与采矿平台PT3形成统一平台，靠近道路部分进行放坡，为了坡面稳定及便于施工和绿化，坡面按30°进行整平。因采坑为由下至上逐步回填到位，故不再留设马道。边坡部分为便于排水，设计为由南向北倾斜1‰坡度平台。治理区平整总面积18 977.95 m2，挖方9 171.02 m3，填方16 025.92 m3。自然状态下，现有渣堆结构松散，空隙大，压实后体积减小。因此，在计算回填方量时，应取松散系数1.3，回填方量(自然方)乘以松散系数1.3，得到最终回填方量(压实方)。因采矿坑CK1距离渣堆ZD1较近(小于50 m)，ZD1清理的同时就近充填采坑，故CK1填方中来源为渣堆的工程量(11 590.34 m3)，不再作为填方工程量计入预算。

(2)边坡修整。边坡整理工程布置边坡BP1—BP4共计4处以往采矿边坡。项目区边坡整理工程部署主要考虑消除地质灾害隐患，对边坡进行绿化等。露天采坑边坡局部为高陡边坡，遇降雨易崩落，应特别注意施工安全，自上而下有序进行，利用爆破及人工修坡对坡面进行修整，将坡度削减为70°以内，稳定坡面。网面铺设大样、主副锚杆、锚固喷播断面如图5所示。

图5 网面铺设大样、主副锚杆、锚固喷播断面Fig.5 Detailed drawing of mesh laying,main and auxiliary anchor bolts,anchoring and shotcrete section

5.4 挡土墙工程

依据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)及《公路挡土墙设计》，挡土墙基础埋深土质地基不小于0.5 m，碎石层可不考虑冻土深度的影响，受水流冲刷时冲刷线以下不小于1 m，结合项目区历史冲刷情况及堆积特征，综合确定基础埋深不小于1.0 m；对于坡度较大或过流断面较窄的区域两侧工程基础埋深可适当加深，增强工程抗冲刷性能。在平台边坡坡脚下设置重力式挡土墙，主要是为了防止滑落的碎石滚落，采用浆砌石砌筑，挡墙上宽0.9 m，出地面下宽1.5 m，挡墙出地面高度约2.0 m，在PT1、PT2两处平台底部设置2处挡墙，挡墙长度分别为81.34、67.63 m，总长度148.97 m，墙背垂直，胸墙坡度1∶0.3，墙身采用M10浆砌条石砌筑，石材强度不低于30 MPa，挡墙的墙面应用M10砂浆勾缝处理。挡墙中浆砌块石可利用石方开挖所得石块。根据设计地形，为防止平台覆土后水土流失，在台阶外侧修建0.6 m浆砌石保水挡土墙，地面以上0.5 m，埋深0.1 m。挡土墙具体位置及治理设计如图6所示。

图6 挡土墙断面Fig.6 Retaining wall section

5.5 排水渠工程

5.5.1 截排水渠工程

(1)截排水渠平面布置。治理区的排水系统由截水渠和排水渠两部分组成。截水渠主要是截流露天采场边坡及其上游的洪流，从而减少洪流对边坡及覆土的侵蚀；排水渠主要为汇集各截水渠排出水体和截流其所经区域及上游的洪流，并将汇集后的水体引排至区外，从而防止洪流对边坡及覆土的侵蚀。该区截、排水渠的结构为矩形断面的浆砌石截水渠，共设计各种规格的截、排水渠9条，其中排水渠5条、截水渠4条，分布在露天采场整形平台内侧。具体布置如下：坡面截水渠分布在露天采场整形平台的内侧，截流高处台阶上部坡面上的水流；排水渠起于顶部平台截水渠，终于露天采场坡脚挡土墙，排导上游水流。

(2)截、排水渠断面设计。露天采场削坡整形后，治理区内最大汇水面积为上部采矿平台+830 m，总汇水面积为18 905 m2，根据栾川县当地降水资料，本地日最大降水量为146 mm，截水渠最大截面面积为0.18 m2，排水渠最大截面面积为1.49 m2。

(3)截、排水渠结构设计。截、排水渠均为M10浆砌石结构，砌石壁厚0.3 m，底厚0.3 m，截、排水渠每隔10 m设一条宽为2 cm的沥青木板沉伸缝，外露部分全部为M10砂浆抹面，顶部用厚3 cm的M10砂浆抹平。

(4)截、排水渠工作量。截水渠、排水渠工程工作量见表5。

表5 截、排水渠工程工作量Tab.5 Workload of interception and drainage works

5.5.2 排水涵管

在排水明渠穿过路面部分设置排水涵管，涵管基础采用强度为C25的混凝土浇筑，涵管采用直径100 cm的Ⅲ级柔性承插口钢筋混凝土预制圆形断面排水管。每节圆管长度为2 m，壁厚为0.1 m。涵管纵坡为0.5%，共计4处，总长度26 m。

5.6 覆土及土壤修复工程

(1)土地修复方式。设计BP3高陡边坡部分采用高陡边坡创面纤维骨架团粒结构修复技术，其余边坡采用削坡覆土修复，并配套灌溉设施。采矿平台(PT1、PT2、PT3)直接覆土恢复为旱地。采矿坑(CK1)回填边坡及削坡平台部分覆土恢复为林地，削坡(BP1)边坡部分覆土恢复为其他草地。

(2)土源。区内基本无可供恢复植被的土源，覆土及换填的所有土均需从区外购置。

(3)覆土设计。土地在平整完毕后覆土，标高+828.5 m平台面积11 403.86 m2，+802 m平台面积4 036.23 m2，+785 m平台面积1 342.47 m2，平整总面积16 782.56 m2。采矿平台覆土厚度按0.6 m计算，复垦为旱地。削坡产生平台面积为71.97 m2，覆土厚度按0.5 m，复垦为林地。产生边坡总面积4 518.67 m2，边坡覆土厚度按0.3 m计算，复垦为其他草地。

(4)土壤培肥。本区的用土养分设计：土养分等级执行酸碱度中度、全氮一级、缓效钾一级、速效钾三级、有机质四级、有效磷四级标准，养分低限值分别为全氮2 g/kg、缓效钾500 mg/kg、速效钾50 mg/kg、有机质10 g/kg、有效磷5 mg/kg。覆土后，治理区3个采矿平台全部复垦成旱地，拟用土的有机质、速效磷尚不满足设计低限，需改良。改良应从增施有机肥入手，通过增施农家肥来培肥地力，提高土壤有机质含量，改善土壤结构和理化性质，从而达到改土培肥、提高地力，使土地资源能够可持续利用。根据当地施肥经验45 m3/hm2，治理区共需要培肥量为75.52 m3，具体工程量见表6。

表6 土壤培肥工程工作量Tab.6 Soil fertility project workload

5.7 道路工程

通往各平台道路尽量利用原有道路，道路总长504.6 m，坡度约20°，作为生产道路服务于治理区管护工作。道路设计为水泥路面，采用强度C20混凝土，路基宽约4 m，路面宽约3 m，开挖0.2 m，开挖量479.41 m3。

结合当地情况，本方案设计在道路两侧栽植行道树，每侧一行，树种选择高1 m的侧柏，间距2 m，共种植600株，穴状整地，规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m。开挖量129.56 m3。

5.8 喷淋工程

该区年降水量为757.6～1 205.4 mm，年平均降水量897.8 mm，雨季多集中在7—9月。同时治理区为中低山区，区内沟谷较为发育，且由于边坡设计坡度较大，对天然降水的保持能力极差。此次治理设计对边坡实施覆土和不适宜植物生长地区土壤修复等方式，改善植被生长条件，但由于覆土的厚度及土壤修复的区域有限，很难保证植物生长的水分要求。为了确保此次种植的植物能达到预计的成活率，设计在区内布置简易的灌溉工程。

5.9 生物工程

根据该区的实际情况，拟采用覆土种植和客土穴栽2种种植方式。①覆土种植：对边坡有利于覆土的区域，采用覆土，覆土厚度50 cm；②客土穴栽：对平台采用客土穴栽，树坑尺寸0.6 m×0.6 m×0.6 m。边坡底部种植爬山虎，每穴2株，间距为1 m。针对高陡边坡BP3，采用底部种植爬山虎，边坡顶部种植金银花。植被绿化效果如图7所示。

图7 植被绿化效果Fig.7 Vegetation greening effect

5.10 废弃建筑物拆除工程

项目区内有2处废弃建筑物，一处位于采矿平台(PT3)边界，紧挨采矿坑边缘；一处位于采矿坑南部边界，靠近小型岩体(YT1)。均为砖混单层建筑物，高约2.5 m，没有顶。拆除工程量为45 m2，建筑垃圾清运20 m3。

6 结语

项目实施主要以恢复耕地为主，其中耕地(旱地)恢复面积约16 782.56 m2。根据河南省补充耕地指标交易文件，拍卖起始价格为75万元/hm2，若补充耕地指标交易按起始价75万元/hm2进行计算，可收益125.865万元。另项目恢复林草地0.66 hm2，林草地生产新增了经济效益，增加了农民收入，经济效益显著。