西和县兴隆牟山采石场矿山地质环境现状及生态修复研究

2022-09-27尚佳楠崔朋涛苏永江

中国锰业 2022年4期

王让，尚佳楠，崔朋涛，苏永江

(河南省地质局矿产资源勘查中心，河南郑州 450000)

0 前言

勘查区距西和县城约8 km，面积0.039 km2，交通较方便(见图1)。该矿区开采主要为周边修建公路提供建筑用石料，由于矿山开采范围大，特别是开采后，未对开采面进行任何处理，且开采方式造成该矿山基岩大面积裸露，临空面大大增加，开采面坡势陡峭近似直立，人工堆积弃渣遍布整个矿区，挖损、占压土地面积较大，对矿区地形地貌景观影响严重[1-3]。区域内渣堆多且量大，不利于植被生长，造成该矿区植被覆盖率较低，生态环境逐渐恶化。研究重点对矿山开采形成的开挖掌子面、采坑和渣堆的特征、边坡稳定状态及对地形地貌景观、土地资源、植被资源等受损破坏现状进行调查，分析矿区地质灾害特征、危害对象与危害程度，分析矿区采矿活动对地下水含水层、地形地貌景观、土地与植被资源的影响和破坏情况等，阐明矿山地质环境问题。在此基础上提出矿山地质环境恢复方案，做到社会效益、经济效益和环境效益的可持续发展[4-8]。

图1 采石场遥感影像

1 地质环境特征

1.1 地形地貌

勘查区地处西礼盆地中部，区内地貌根据地表形态特征和成因类型，属于构造剥蚀低山、黄土丘陵沟壑区。

构造剥蚀低山、黄土丘陵沟壑区：分布于漾水河及其支流两岸山地及马元河、洛峪河上游一带，占全县总面积的39%，海拔1 500～2 000 m，相对高差一般200～300 m，个别达500 m，该区为黄土覆盖，沟壑纵横，山坡平缓，坡度为6°～25°。冲沟较发育，多呈“V”字形，土质瘠薄，植被破坏严重，水土流失严重。

1.2 地层岩性

区内分布出露的地层主要为中上泥盆统西汉水群黄家沟组，由细晶灰岩组成，分布于勘查区大部，部分被第四系所覆盖，在山坡边缘陡坎一带有出露，地层产状285°∠80°，厚度约105 m，岩性较为稳定，石灰岩质量较好，是矿区建筑石料用石灰岩的赋矿层位。第四系岩层主要为上更新统风积黄土及人工堆积体。

1.3 地质构造与地震

1)地质构造

勘查区位于西秦岭东西向纬向构造体系和武都山字型构造体系的复合部位。勘查区西南处于秦岭东西纬向构造带东沿部分和武都山字型构造前弧东翼，单斜构造线呈东西转北东向；北部、西部受早期或近期喜山运动，形成东北宽、西南窄的楔形红层盆地。西和-礼县一带，岩层构造呈北西西向，西段以庞集为中心，呈半环形旋卷构造。

2)新构造运动与地震

第四纪下更新世初期，由于喜山运动的影响，新第三系红层盆地产生了宽缓的褶皱和断裂，在铁古下坪、柳树湾一带还伴随有岩浆侵入和火山喷发。中更新世时期，区内经历了两次较大的升降运动，沟谷普遍深切。上更新世时，震荡性的升降运动使河谷区普遍堆积了Ⅲ、Ⅳ阶地。全新世时，地壳仍以震荡性的升降运动为主。

有史以来，区内地震烈度Ⅴ～Ⅵ度地震共发生6次，Ⅶ～Ⅹ度地震发生1次。勘查区地震设防烈度为Ⅷ度，属第一组，设计基本地震加速度为0.30g，地震动反谱特征周期值为0.40 s[5]。

2 水文地质、工程地质条件

2.1 水文地质条件

根据地下水的分布、赋存条件和含水介质性质，区内地下水主要为松散岩类孔隙水，分布于黄土粱峁区，下伏基岩为相对隔水层，该含水岩组富水性弱，主要接受大气降水补给；基岩裂隙水，分布于黄家沟组灰岩中，以潜水为主，赋存在构造及风化裂隙带内，泉流量0.01～0.1 L/s，枯水期径流模数小于0.01 L/(s·km2)；碳酸盐岩溶水，分布于整个矿区，属碳酸盐岩类裂隙岩溶岩组，控制层厚105 m，浅部溶蚀现象比较发育，深部溶蚀现象减弱。矿床地下水化学成分为HCO3-Ca型微硬水。

2.2 工程地质条件

勘查区出露的基岩岩性以碳酸盐岩建造为主，薄、中厚层块状坚硬灰岩岩组，产状285°∠80°，干抗压强度54～94 MPa。

勘查区土体分布于表层，岩性为粉土，浅黄色，干燥松散，裂隙较发育。天然含水量9.0%～18.0%，孔隙比0.95～1.15，液限23%～28%，塑性指数8.0～11.0，内磨擦角27°～30°，承载力特征值110～120 kPa，湿陷性系数0.027～0.090，属于弱湿陷性黄土。

3 矿区环境地质现状及评估

3.1 不稳定斜坡

3.1.1 不稳定斜坡基本特征

经现场调查，西和县兴隆牟山采石场矿区采矿形成的露天采场内，从南向北形成了4处不稳定斜坡地质灾害，编号依次为X1、X2、X3及X4(见图2)。

图2 采石场不稳定斜坡地貌特征

1)不稳定斜坡X1

不稳定斜坡X1位于矿区西南侧(掌子面)区域，坡高10.0～95.0 m，坡宽377.0 m，坡度50°～70°，坡面形态呈“圆”形，坡面基岩节理裂隙较发育，受采矿开挖影响坡体基岩结构较松散。现状坡脚临空，坡体坡面裂缝较发育。现状坡体整体的稳定性较好，主要威胁因素为危岩体，可能发生的变形方式为落石、掉块。

2)不稳定斜坡X2

不稳定斜坡X2位于矿区西侧区域，坡高5.0～30.0 m，坡宽177.0 m，坡度50°～60°，坡面形态呈“圆弧”形，坡体类型为土质-岩质边坡，上部为风积黄土，层厚3～6 m，底部基岩为中上泥盆统西汉水群黄家沟组灰岩。依据调查，受早期采矿开挖影响坡体基岩结构较松散，节理裂隙发育，坡面裂缝较发育，局部发育大块危岩体。成因主要为早期采矿开挖及后期降雨和地震等因素；现状坡体整体的稳定性较差，在地震或强外力作用下可能发生的变形方式为上部土体崩塌和下部基岩区坡面的落石等。

3)不稳定斜坡X3

不稳定斜坡X3位于矿区东侧区域，坡高3.0～15.0 m，坡宽284.0 m，坡度30°～50°，坡面形态呈“直线”形，坡体类型为土质-岩质边坡，上部为风积黄土和局部的人工弃渣，底部基岩为中上泥盆统西汉水群黄家沟组灰岩。依据调查，主要受早期安置设备及选料进行的修整，开挖成台阶状，坡脚临空，受雨水冲刷坡面局部坍塌，堆积体均为碎石土。现状坡体整体的稳定性较差，在地震或强外力作用下可能发生的变形方式为崩塌。

4)不稳定斜坡X4

不稳定斜坡X4位于矿区北侧区域，坡高5.0～15.0 m，坡宽123.0 m，坡度30°～45°，坡面形态呈“圆弧”形，坡体类型为人工边坡，岩性为碎石土，为矿山开采形成的弃渣堆积而成。依据调查，坡面受降雨冲刷，坡面破碎、松散；坡面中部破段设置开采设备，并设有浆砌块石构筑物；现状坡脚临空。现状坡体整体的稳定性差，在地震或强外力作用下可能发生的变形方式为崩塌及滑坡。

3.1.2 不稳定斜坡稳定性分析

根据不稳定斜坡所处的地质环境条件，依据变形迹象，并与以往同类灾害发生条件进行类比，参照斜坡稳定性判别要素判定其稳定性。采石场矿山不稳定斜坡(X1～X4)发生灾害的可能性见表1。

表1 不稳定斜坡稳定性判定一览

3.1.3 不稳定斜坡对矿山地质环境影响程度评价

矿区内的不稳定斜坡发生的可能性较大，损失小，危险性小，对矿山地质环境影响程度均较轻，因区内无耕地、居住区，其威胁对象主要为矿区后期治理期施工人员，预计威胁人数及可能造成的经济损失见表2。

表2 不稳定斜坡对地质环境影响程度

3.2 泥石流

矿区发育N1泥石流沟谷，横穿整个矿区。该泥石流沟谷流域面积为0.496 km2，沟谷长1.4 km，流域内最高点高程为1 900.0 m，最低处海拔为1 600.0 m，相对高差300.0 m，主沟谷纵比降为214.3‰，两侧沟谷坡度为45°(见图3)。

1)泥石流形成条件

地形地貌条件：N1泥石流流域平面形态呈“漏斗状”，沟道中上游部分区域坡面基岩裸露，覆盖层以残破积含砾粉土为主，沟道纵比降较大，且泥石流沟沟道顺直束窄，汇水迅速，流域的形态有利于降水在短期内汇集，为区内泥石流的形成和流动提供足够的能量。

固体物质条件：勘查区内泥石流沟流域内松散固体物质较为丰富，主要是矿山弃渣，为泥石流的发生提供了较为充分的物质条件。

降水条件：流域区内短历时大强度的降水为区内泥石流的形成提供了充足的水源条件，成为区内泥石流形成的主要诱发因素。

2)泥石流对矿山地质环境影响程度评价

勘查区发育的N1泥石流沟道，其威胁对象均为矿区周边的村民、沟道下游岐山河、耕地等；由于沟道中游主要为弃渣占堆积区，现状区内活动人员少，重点威胁区域为沟道下游出口上庙村村民。

现场调查，现状泥石流沟未对弃渣进行拦挡防护，只在弃渣坡脚采取土方回填的方式进行压脚，不能有效对弃渣进行拦挡。对泥石流综合评价，预计威胁人数约10人，潜在经济损失约100万元。泥石流发生的可能性中等，损失小，危险性小，对矿山地质环境影响程度较严重[5-7]。

3.3 矿业活动对土地资源破坏

采矿活动对土地与植被资源的影响和破坏主要表现在采坑(采场)区、弃渣堆、工业广场3个方面。

1)采坑(掌子面)挖损破坏

矿区属露天采矿，由于前期开采时间长，采矿随意性大，采矿不合理、乱挖滥采现象严重。据统计，矿区开挖共计形成1处采坑和1处掌子面(采场)，掌子面边坡50°～70°，局部近似呈直立状，影响和破坏土地面积共计约3.32 hm2。

2)弃渣堆倒占压破坏

矿区开采较随意，采矿不合理，弃渣随意堆倒形成了大量的弃渣弃土，堆积于原始沟道，总计压占破坏土地与植被面积3.55 hm2。

3)工业广场压占破坏

矿区面积较小，开采范围也较小，主要工业广场遗留主要为厂房及部分设备等，现场实地调查，现状已有工业广场压占土地与植被面积0.20 hm2。

3.4 矿区采矿活动对水土污染影响破坏

1)水污染

西和县兴隆牟山采石场矿山属露天开采，矿山用水主要是生产、生活用水，矿山的开采对水资源需求量较小，之前生产时产生的废水主要为冲洗地面和机械设备清洗废水，产生的废水量较少且不外排，随着矿山停采，已不存在该种污染。矿区内无地表水分布，矿山的开采高于当地最低侵蚀基准面，对地下水基本无影响。

2)土壤污染

采石场之前开采时淋滤水及矿区大量粉尘、废气的沉降、生活垃圾等可能会对周围土壤造成污染。土壤污染主要为采石场的弃渣和弃土，弃土、掘进废石淋滤水沉淀或侵入土壤，会使土壤板结、硬化，破坏土壤结构，影响植物生长。矿区粉尘、废气的沉降主要为矿物质粉粒，会对表层土壤造成污染，遇降水会致使土壤表层板结、硬化；生活垃圾集中处理，属一般污染物。在矿山停采后，土壤污染已明显减轻，并随着自然恢复等，部分表层土壤已开始好转。综合分析现状对土壤的污染程度较小。

4 矿区地质环境防治

针对西和县兴隆牟山采石场历史遗留矿山地质环境问题，采用场地整理+渣堆平整+截排水工程+覆土绿化工程等综合治理措施，在改善矿山地质环境问题的同时消除地质灾害隐患[9-10]。

1)场地整理工程

依据调查，矿区在早期开挖采矿过程中形成了1处开挖掌子面和采坑，以及遗留的工业广场的厂房、设备，矿区存在4处不稳定斜坡，坡面危岩体较发育，在后期恢复治理前存在严重安全隐患，为保证治理的施工安全，在施工前期进行厂房、设备拆除、危岩清理、清除坡面的浮土等，为后期工程治理提供施工条件。

2)渣堆平整工程

现状矿区存在1处弃渣堆，结合矿区地形对渣堆进行原地开挖平整，采取分级平整及多余弃渣回填采坑等形式进行整平，尽可能使现状堆积坡体与周边原始坡体坡面相协调。

3)截排水工程

因该矿区内存在泥石流地质灾害隐患，需对诱发泥石流的主要因素形成的地表径流进行治理，拟采用截排水工程，将区内汇水统一汇集排导，防止对弃渣的冲刷、掏蚀，从而诱发泥石流，同时防治水土流失。

4)覆土绿化工程

渣堆平整工程结束后，表层进行覆土并绿化，采取人工种植与当地土壤、气候相适应的植被。

5 效益分析

通过矿山地质环境调查，大致查明了矿山地质环境危害现状，采取有效工程手段进行地质生态环境恢复治理，不仅可美化景观，还可控制水土流失，优化区域生态条件，改善人民生活环境，提高人民生活质量，而且可以留青山绿水于后代，做到社会效益、经济效益和环境效益的可持续发展，构建文明富裕、和谐进步的社会，增加当地社会经济效益。