襄汾县恒鑫铁矿矿山地质环境问题及防治对策

李 超

(河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001)

0 前 言

襄汾县恒鑫铁矿位于襄汾县城直距为13 km 的姜家庄村，采用全段面房柱式采矿方法进行开采，斜井开拓，生产能力3万t/a，主要开采Ⅰ、Ⅵ号矿体，累计查明资源储量89.63万t，其中保有333资源量38.37万t，消耗资源储量 51.26万t。近10余年的开采，带来了不稳定斜坡、地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地损毁等一系列地质环境问题，环境治理迫在眉睫。

1 概 况

矿区位于塔儿山西侧，属低中山区，地势东高西低，地形切割较强烈，沟谷发育；属暖温带半干旱大陆季风气候区，年平均降水量为500 mm，年降水量集中在7月、8月、9月 3个月，占全年的60%；属黄河流域汾河水系，主要沟谷为姜家沟，沟内无常年性地表水体，暴雨时有短暂洪水汇入沟中排出区外，向北西注入汾河，再汇入黄河；姜家沟沟谷长度 3 970 m，山坡坡度20°～50°，上游大部为基岩裸露区，主要有奥陶系中统大理岩化灰岩和斑状闪长岩， 沟谷狭窄，呈“V”形，下游为黄土出露区，沟谷较宽阔；属北温带落叶阔叶林地带的山地丘陵区，自然植被类型主要有油松林、荆条、酸枣、三裂绣线菊、白羊草等组成的灌草丛和草丛，植被覆盖率40%；土壤属褐土，土质疏松，团粒结构，通透性好，适宜林木生长；矿区面积为0.388 8 km2，土地类型主要有耕地、草地、交通运输用地、其他土地、城镇村及工矿用地等。

2 地质环境特征

2.1 地质特征

矿区位于临汾断陷盆地的东部边缘，塔儿山-二峰山隆起带西部，构造主要有褶皱和接触带。褶皱发育，对地层分布影响较大，产状变化较大；接触带极其发育，主要为石炭、奥陶系的碳酸盐与闪长岩接触交代，有带状的矽卡岩或铁矿生成，是矽卡岩型矿床的重要控矿构造；后期岩浆的破坏作用强烈，规模较小，分布凌乱，地表接触带规模一般数米到几十米。地震基本烈度为Ⅷ度区，地震加速度为0.20g，反应谱特征周期为0.35 s。

南部出露中奥陶统海相峰峰组和上马家沟组，北部第四系广泛分布。马家沟组分为三段，下段厚70 m，为灰绿、黄褐色砾状泥岩、含泥质大理岩夹大理岩；中段厚76 m，为灰、深灰色厚层豹皮状大理岩、灰白色厚层大理岩；上段厚90 m，为灰白、浅黄色厚层大理岩、泥质大理岩。峰峰组分为两段，下段厚66 m，为灰绿、黄褐色含泥质大理岩、角砾状泥质大理岩夹大理岩；上段处于侵蚀面附近，各处厚度不等，3～8 m，为灰、深灰色厚层大理岩。第四系上更新统厚0～40 m，为灰黄色砂土、黏土。区内主要出露斑状闪长岩，少部分斑状正长岩和二长岩。

2.2 矿床特征

恒鑫铁矿矿体主要分布于斑状闪长岩与中奥陶统马家沟组白云质灰岩或钙质白云岩接触带上，属矽卡岩型铁矿床；共发现有3个隐伏小型矿体，呈透镜状、似层状产出，形态较复杂，受侵入接触构造控制；矿石类型为磁铁矿石，矿石矿物主要为磁铁矿、假象赤铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等；矿石TFe 品位为25.96%～61.75%，平均为 44.80%；mFe品位为23.92%～50.08%，平均为 45.12%；主要有害成分为硫、磷。

1)Ⅰ号矿体：位于矿区中部，以透镜状或似层状产出；矿倾向为北西，倾角为 20°～27°；矿体走向延长 100 m，倾向延深 200 m；矿体真厚度 1.37～1.82 m，平均为 1.62 m；顶板为矽卡岩、大理岩，底板为矽卡岩、斑状闪长岩；TFe品位为39.24%～41.52%，平均为 40.65%；mFe 品位为33.76%～35.94%，平均为34.57%。

2)Ⅵ号矿体：位于矿区北部，以透镜状或似层状产出；矿体走向北东，倾向北西，倾角10°～30°，平均倾角18°；长约190 m，延深180 m；矿体真厚度1.71～12.61 m，平均为4.60 m；顶板为矽卡岩、大理岩，底板为矽卡岩、大理岩；TFe品位为31.09%～61.75%，平均为46.06%； mFe品位为23.92%～50.08%，平均为39.60%；S含量0.018%～0.956%，平均为0.229%； P含量0.007%～0.017%，平均为0.011%；矿体沿走向有向北东侧伏的趋势。

3)Ⅶ号矿体：位于矿区南部，呈透镜状或似层状产出；矿体产状291°∠25°，延长 335 m，延深100 m；矿体真厚度1.00～13.11 m，平均为5.06 m；顶板为矽卡岩、大理岩，底板为斑状闪长岩；TFe品位为25.96%～51.61%，平均为43.72%；S含量0.010%～1.025%，平均为0.094%；P含量0.005%～0.024%，平均为0.010%。

2.3 水文地质条件

区内水系发育一般，沟谷内的水流量随雨量大小而异，地表排泄条件好，部分沟谷发育间歇性小溪。矿区东北部发育有南北向沟谷一条，面积0.15 km2，河流纵坡12‰，形态呈“V”形；西部有北西向沟谷一条，流域面积0.24 km2，河流纵坡16‰，沟谷形态呈“V”形。

地下水划分为第四系松散层孔隙含水层、中奥陶统碳酸盐岩裂隙岩溶含水层和岩浆岩裂隙含水层3种类型。前者岩性为粉土、粉质黏土，垂直节理发育，透水性较好，富水性弱，最大厚度50 m，流量在10～100 t/d；中者岩性为灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、灰质白云岩等，巷道所见岩溶不发育，只在层间裂隙及风化裂隙含水，随埋深加大而减弱；后者闪长岩本身不含水，是良好的深部隔水层，但侵入过程中由于顶推穿刺或旋转过程中使围岩产生网状裂隙系统，加大了周围岩层的富水性，面积不大，泉水出露少，且流量小，泉流量仅0.1～0.2 L/s。

矿区地下水一部分接收大气入渗补给，一部分接收上覆第四系松散层孔隙含水层的垂向补给，地下水由北东向南西方向径流，并向新绛县古堆泉排泄；矿体开采标高均高于奥陶系灰岩水位标高，不存在带压开采，未发现导水断层的存在，水文地质条件中等。

2.4 工程地质条件

1)土体工程地质特征：第四系松散层广泛分布，主要由黄色粉土、粉质黏土和砂砾石层夹棕红色古土壤层组成，稍湿，稍密-中密，具中-低压缩性，中等-弱湿陷性，垂直节理发育，工程地质条件中等。

2)岩体工程地质特征：矿区开采对象为马家沟组与斑状闪长岩接触带上磁铁矿体，矿体的顶底板为灰岩、斑状闪长岩、大理岩、矽卡岩等，岩石性质属中等坚硬较稳固性岩石。其中，石英岩岩体质量为Ⅰ类，矽卡岩岩体质量为Ⅱ类，硅化大理岩、大理岩、二长岩和闪长岩岩体质量为Ⅲ类，铁矿体岩体质量达Ⅳ级。

3 地质环境现状和预测

3.1 地质灾害

1)采空区特征

矿山自2011年底参与整合以来，仅2019年进行了生产活动，主要开采矿体为Ⅵ矿体，开采区域位于矿体西北部，采出矿石量为0.45 万t；南部Ⅶ号矿体矿界范围内资源量在资源整合以前已采空，其余矿体未进行任何开采活动。Ⅵ号矿体采空区有3处，采高4.68 m，采空区面积约18 925 m2；Ⅶ矿体采空区1处，采高5.51 m，采空区面积约73 071 m2；采空区总面积为91 996 m2。

2)地质灾害现状

区内发育不稳定斜坡1处，泥石流1处，已修复地面塌陷4处，无地面裂缝及下沉迹象。

不稳定斜坡XP1：位于矿区北部姜家沟内，工业广场东部为沟谷边坡(见图1a)，边坡高约6 m，坡长约50 m，坡度约65°；裂隙发育，上部为上更新统黄土，底部有钙质结核；下部为中更新统淡红色黏土，现状条件下边坡稳定性较好，存在崩塌、滑坡隐患，造成可能经济损失小于100万元，受威胁人数小于10人。

图1 不稳定斜坡和废石场

姜家沟泥石流：位于塔儿山西北坡的姜家沟，沟谷横截面呈“V”形。基岩裸露，主要为奥陶系大理岩化灰岩，其次为斑状闪长岩，少量松散堆积物；下游主要为黄土覆盖区，沟谷内松散堆积物大面积分布，厚度较大；沟内有废石场 1处，位于主井工业广场西部沟内，现状调查形成的废石堆积斜坡坡高约4.5 m，坡长31 m，坡度约75°，修建有水泥砂浆块石砌筑结构挡土墙(见图1b)，废石存量11 516 m3；沟谷内无常年性地表水体，在暴雨时有短时洪流，沟谷沟口无泥石流堆积的痕迹，历史上未发生过泥石流地质灾害，由于沟内有大量废石堆积，不排除暴雨时发生泥石流地质灾害可能[1-2]。

此外，矿区范围内共存在4个采空区，企业已对采空区进行充填治理并通过验收，目前已有采空区上部地表没有明显地面裂缝和下沉迹象，采空区底部没有积水。

3)地质灾害预测

主副井工业场地、废石场、回风斜井工业场地遭受崩塌、滑坡和泥石流地质灾害危险性较大，影响程度较严重，面积1.6 hm2；Ⅵ号矿体开采范围内引发地面塌陷地质灾害危险性较大，影响程度较严重，减去重叠主副井工业广场面积1.12 hm2，较严重面积10.203 hm2；Ⅰ号矿体开采影响范围引发地面塌陷地质灾害危险性较小，影响程度较轻，面积4.256 hm2；其他范围地质灾害影响较轻，面积30.737 hm2。

总之，现状条件下，地面塌陷、地裂缝地质灾害不发育，未发生过崩塌、滑坡和泥石流地质灾害，存在崩塌、滑坡和泥石流地质灾害隐患[2-3]，地质灾害危险性较轻(见图2a)。预测后期工业场地遭受崩塌、滑坡和泥石流地质灾害危险性较大，影响程度较严重；Ⅵ号矿体开采范围引发地面塌陷地质灾害危险性较大，影响程度较严重；其他范围地质灾害影响较轻(见图2b)。

图2 地质灾害现状和预测评估

3.2 含水层现状

区内Ⅵ号矿体存在采空区3处，主要分布于矿区中部，采高4.68 m，采空区面积约18 925 m2；Ⅶ矿体采空区1处，分布于矿区西南部，采高5.51 m，采空区面积约73 071 m2。矿山开采对采空区以上的含水层均造成了一定的破坏。

1)含水层现状

Ⅵ号矿体开采对采空区以上的新生界第四系松散岩类孔隙含水层造成了一定的破坏，改变上部含水层储水结构，局部疏干上部含水层，对第四系松散岩类孔隙含水层地下水影响较严重；中奥陶统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层地下水位标高约为480 m，矿区最低开采标高530 m，位于奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层地下水位以上，矿床开采对奥陶系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层地下水影响程度较轻；矿床开采使岩浆岩裂隙含水层部分地段结构被破坏，水位下降，由于岩浆岩裂隙含水层富水性弱，没有统一的地下水位，矿床开采对岩浆岩裂隙含水层影响程度较轻[5-6]。

矿井涌水量较小，评估区无村庄分布，该矿现处于停产状态，采矿活动对矿区及当地居民生产生活用水影响较小；矿区生产和生活用水取自矿区以外，矿床开采对生产生活用水影响较轻。

总之，现状条件下采矿对区内各类含水层影响程度分为“较严重区”和“较轻区”(见图3a)。其中“较严重区”主要位于采空区，影响第四系松散岩类孔隙含水层地下水结构和地下水水位，面积为8.552 1 hm2；其他区域含水层未受到采矿活动影响，影响与破坏程度“较轻”，面积为32.388 hm2。

2)含水层预测

随着采矿范围的扩大，对含水层的破坏与现状类似，但面积有所扩大(见图3b)，其中，含水层破坏程度“较严重区”，面积为15.572 hm2；含水层破坏程度“较轻区”，面积为25.368 hm2。

图3 含水层现状和预测评估

3.3 地形地貌景观

1)地形地貌景观现状

现状条件下，区内形成的采空区主要有4处，但未在地表形成地面塌陷区。对地形地貌景观产生影响主要为工业场地的修建。2处工业场地、2处运矿道路和1处废石场对地形地貌景观影响和破坏程度为“较严重”(见表1)，面积为1.6 hm2；其余范围对地形地貌景观影响和破坏程度“较轻”，面积39.78 hm2(见图4a)。

表1 地形地貌景观现状一览

2)地形地貌景观预测

矿山开采后将形成整体塌陷或下沉变形，地面将出现沉陷及地裂缝现象，进一步引起加速侵蚀、植被退化、土地退化等荒漠化危害，结合相似矿山经验、矿体厚度、顶板岩性、回采工艺等[7-9]，预测地形地貌损毁程度为“较严重”，面积15.947 hm2；其他范围地形地貌损毁程度为“较轻”，面积24.993 hm2(见图4b)。

图4 地形地貌影响现状和预测评估

3.4 损毁土地

1)损毁土地现状

区内土地利用现状主要有旱地和其他草地，属崇实村集体所有，其次为采矿用地。矿山为地下开采，对地表原有植被破坏较小，但是废石堆放、工业场地等工程活动不同程度地破坏土地。

现状损毁土地主要为压占损毁，主要有已有主副井工业场地、回风斜井、废石场、临时用地、运矿道路及废弃采矿用地(见表2)，占地类型为其他草地、采矿用地、农村道路和村庄等，损毁程度为重度。

表2 已损毁土地情况一览

2)损毁土地预测

在矿山服务年满后，对各个损毁单元进行复垦，部分损毁单元需要进行覆土，覆土土源来自设计取土场，本次取土场面积为0.06 hm2，表现为挖损损毁占地类型为其他草地。

3.5 环境污染

空气污染主要有原矿堆场粉尘和运输道路扬尘；废水污染主要为矿井水和生活污水；固体废物污染为废石和生活垃圾；噪声污染为提升机、通风机、空压机、水泵和运输车辆等。

3.6 生态破坏

1)生态破坏现状

工业广场主要占地类型为采矿用地，占地面积1.12 hm2；废石场平均堆积厚度4 m，堆放量11 516 m3，占地类型为采矿用地；废弃工业场地为原襄汾县陶寺乡鑫昌达铁矿工业场地不再利用，占地类型为采矿用地，面积为10.65 hm2；植被类型均属于无植被区。

2)生态破坏现状预测

拟建取土场有1处，选在矿区西部，占地0.06 hm2，占地类型为其他草地，会进行一定量的挖方工作，破坏草丛，使占地范围内土地利用的结构和类型发生变化，原有的植被类型的结构和分布将发生一定变化，从而增加了水土流失。

4 环境保护与土地复垦

4.1 地质灾害防治

未来采矿活动可能引发的不稳定边坡的崩塌，拟对边坡较陡或土质边坡采取削坡减载、减缓坡度、修建截排水系统的措施，并加强边坡稳定性监测。地面塌陷和地裂缝主要以局部整平、恢复土地功能为主。即地表塌陷就近取土，进行塌陷坑的填埋、整平；地裂缝以填埋为主，对不同的地类实施差异的土地复垦手段，以恢复土地的原有功能。

4.2 含水层破坏防治

铁矿采矿活动对含水层的破坏主要为铁矿开采对含水层结构的破坏，主要采取回填采空区、修补含水层等工程。含水层破坏以自然恢复水位为主，加强周边水井地下水水位、水质、水量监测。

4.3 地形地貌景观防治

铁矿采矿活动影响地形地貌景观的单元为废石场、工业场地等。工业场地内建筑物在矿山服务期满后留续使用；地形地貌景观防治主要集中在废石场、取土场。取土场先采用回填、覆土等简单工程措施[10]；之后根据不同的地类实施差异的土地复垦手段[11]，基本恢复原有地形地貌和土地的原有功能。

4.4 水土环境污染防治

采矿活动可能引起的水土污染，以监测预防为主，定期取样对地下水水质及地表土壤污染情况进行监测，同时，加强对生活污水的管理，污水必须通过处理达标后才可排放。工业场地及废石场采用修筑截排水沟，废石场底部修建排水涵洞，矿坑水收集再利用，工业场地生活污水处理后再利用。

5 结 论

襄汾县恒鑫铁矿现状地质环境问题不稳定斜坡、含水层破坏和地下水位下降、地形地貌景观破坏和压占损毁土地；预测地质环境问题为地面塌陷、崩塌、滑坡和泥石流、含水层和地形地貌损毁面积进一步增大和取土场的挖损损毁土地等；削坡边坡、修建截排水，填埋和整平地表塌陷，回填和覆土取土场，再选择合适的土地复垦和植被绿化措施，恢复原有的地形地貌景观和土地的原有功能，以期为井下金属矿提供生产、修复和保护的理论依据。