河南省祁雨沟公峪矿区地质环境问题及防治措施

2022-12-03靳贝贝张传东姚娇娇崔盼盼

能源与环保 2022年11期

靳贝贝，张传东，姚娇娇，罗璇，崔盼盼

(1.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南郑州 450000； 2.河南省金属矿产深孔钻探工程技术研究中心，河南郑州 450000)

矿产资源包括非金属矿、金属矿和能源矿产3大类；开采方式主要为地下开采或露天开采，不同矿种的矿产资源、不同的开采方式及充填采矿法，产生的地质环境问题区别较大[1-2]。地下开采金属矿产资源存在的主要环境问题为地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、深层地下水破坏、地形地貌植被破坏、土地占压与损毁、尾矿溃坝和水土污染等，为了解决矿产资源开发与矿山地质环境保护协调发展，减少地质灾害，防止水土污染，保持生态平衡，建设绿色矿山[1，3-4]，本文以祁雨沟公峪金矿为例，探讨全胶结或胶结+尾砂的充填法在地下金矿开采的应用，并进行了实地地质环境问题调查，预测了潜在地质环境问题，提出了有效的恢复治理措施，为矿山生产、修复和保护及土地复垦提供理论依据和应用实例。

1 矿区地质环境背景

祁雨沟公峪金矿位于嵩县西北部，为地下开采的生产大型矿山，开采深度+700～+280 m，目前开采J4、J5矿体，采用平硐+主副井+风井开拓，无底柱分段崩落法与阶段空场法，井下充填采用全胶结或胶结+尾砂的充填方法[5-6]。矿山固体废弃物主要是采矿产生的废石，选矿厂排尾量为2905.8t/d，井下充填1 018 t/d，废水主要为矿井涌水、选矿废水及生活污水等。

1.1 自然地理

矿区地处暖温带向亚热带大陆性季风气候过渡带；属黄河水系伊河支流流域，发育公峪沟和祁雨沟与美沟壕；属侵蚀剥蚀低山地貌，三山夹两沟，西北高东南低，山势稍陡，地形坡度一般为10°～30°，冲沟断面近似“V”形；植被茂密，植被覆盖率可达80%；土壤类型以褐土与棕壤土为主，土壤厚度一般为0.2～0.5 m，局部风化岩石裸露。

1.2 地质环境背景

矿区位于中朝准地台南缘华熊台缘坳陷南部边缘的崤山—鲁山拱褶断束分区内，褶皱构造不发育，主要为向东南倾的单斜构造。断裂构造较发育，主要为断裂F24的次级构造，呈北东向，走向10°～80°，倾角55°～65°，倾向南东或北西，宽0.30～4.32 m，由角砾岩和碎裂岩构成，并遭受不同程度的热液蚀变。发育爆破角砾岩构造6处，角砾岩型金矿体严格受角砾岩体控制。主要出露太古宇太华岩群黑云斜长角闪片麻岩、中元古界熊耳群许山组安山岩夹安山玢岩和第四系残坡积物。岩浆岩主要为前加里东期安山玢岩和燕山期花岗斑岩。

1.3 水文地质特征

地下水类型为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。前者含水层岩性主要为太华岩群黑云斜长角闪片麻岩、隐爆角砾岩、熊耳群许山组安山岩、前加里东期安山玢岩与燕山期花岗斑岩，含水层主要为风化裂隙与构造裂隙带，风化裂隙带深度可达30 m，向下裂隙率逐渐减弱，水位埋深不一，受季节影响大，富水性弱；后者含水层岩性由第四系砂土、砂质黏土与砂砾石层组成，分布于冲沟底部，水量季节性变化明显，地下水水位埋深在6～8 m。

1.4 工程地质特征

矿区内岩体类型主要为岩浆岩建造坚硬的块状侵入岩岩性组与变质岩建造坚硬的片麻岩岩性组，土体类型主要为单层结构的卵砾石、砂类土与黏性土。围岩主要为黑云斜长角闪片麻岩与花岗斑岩，坚硬致密，一般情况下较稳定，但是在侵入岩体附近裂隙比较发育处，岩石破碎，不稳定。围岩较稳定，局部结构破碎，工程地质条件中等。

1.5 矿体地质特征

金矿体赋存于太华群隐爆角砾岩体内[7-8]，开采J4与J5矿体，矿体在空间上近直立，与角砾岩体产状基本一致，空间形态为一不规则透镜体。矿石为碎裂结构，块状构造为主。矿石的化学成分以SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、Fe2O3、FeO为主，Ag含量一般0.9×10-6～1.7×10-6，铜含量0.106%～0.914%，铅小于0.1%，砷含量6.25×10-6。

2 地质环境问题现状

2.1 矿山地质灾害

评估区内未发现崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地质灾害，仅发现1处地面塌陷，位于J4矿体采空区(图1)。

图1 J4塌陷坑特征Fig.1 Characteristics of J4 collapse pit

地面塌陷坑位于采空区正上方，南侧在J4矿体内部塌陷，北侧沿围岩接触带塌陷，坑长约230 m，宽约150 m，面积约3.5 hm2，南侧边坡高90 m，中部塌陷深度30 m。塌陷坑边缘坡度较陡，结构松散，处于不稳定状态，受降雨影响，不断塌落，边缘裂缝不断向外延伸。采区现状地面塌陷区地质灾害发育程度强、危险性大、危害程度中等[9-10]。

2.2 含水层破坏

矿山开采J4、J5矿体标高达+310 m，无重要含水层。矿体开采(挖损破坏、爆破围岩松动及移动变形)对基岩裂隙基岩含水层结构造成了一定的破坏，形成新的地下水运移通道，但基岩裂隙含水层富水性弱，不具供水意义，只局部破坏了地下水赋存条件及径流条件，对含水层结构和水位破坏影响较轻。此外，采矿活动产生的污水主要作为选矿用水、职工生活用水和绿化灌溉用水，满足地表水Ⅲ类标准，且生活污水经净化处理达标后排放，采矿活动对地下水环境影响较轻[9，11]。

2.3 地形地貌景观破坏

现状下地形地貌景观破坏(表1)主要是3个工业场地(图2(a))、3处废石场(图2(b)、图2(c))、J4采区、选矿厂和韩村尾矿库对地形地貌景观的破坏严重；矿山道路、风井场地和炸药库(图2(d))对地形地貌景观的破坏较严重；祁雨沟尾矿库已覆土绿化恢复，对原始地形地貌景观影响较小。

表1 地形地貌破坏情况Tab.1 Landform damage

图2 地形地貌景观破坏Fig.2 Landform and landscape damage

2.4 水土污染

对矿区东侧陶村水井、高都川河边大口井及库址上游观测井取样监测，pH值、化学需氧量、氨氮、氰化物、氟化物、硫化物、悬浮物、铜、铅、锌、铬流量等，满足地表水Ⅲ类标准要求，矿山生产对水环境污染情况为轻度污染；对矿区3号废石场、选矿厂下游农田和炸药库下游农田土壤进行取样检测，pH值、阳离子交换量、银、铜、锌、钼、铁、铅、汞、砷、铝、铬、镉、氰化物等均低于土壤环境质量标准第二级值，对土壤环境污染情况为轻度污染[12-13]。

2.5 土地损毁

祁雨沟公峪金矿对土地的损毁主要为以往开采矿体形成的露天采坑、地面塌陷、工业场地、废石场、选矿厂和尾矿库等对土地造成的损毁，细分为压占损毁、塌陷损毁和挖损损毁等(表2)。其中，现状压占土地主要包括工业场地、炸药库、废石场、矿山道路、选矿厂和尾矿库；塌陷损毁为J4采区地面塌陷区，面积3.5 hm2，边坡高度可达90 m，最大塌陷深度30 m；挖损损毁为J4矿体在2009年以前形成有1处露天采坑，底面标高+650 m以上，后又形成塌陷坑，露天采坑面积3.6 hm2。

表2 已损毁土地利用现状Tab.2 Damaged land use status hm2

3 地质环境问题预测

3.1 地质灾害

矿山的地形地貌、工程地质条件和构造特征和井下开采方式，使得评估区可能引发和遭受的地质灾害有滑坡、泥石流和地面塌陷。

2号废石场位于美沟壕一侧冲沟底部，主要是采矿产生的废石，结构松散，遇到暴雨，废石场下面坡积物遇水变软可能引发滑坡和泥石流；采空塌陷后山体边坡处于欠稳定—不稳定状态，并伴生地裂缝使危岩体主控拉破裂面直立呈上宽下窄，裂面内有掉块现象，危岩上方有细小裂隙分布，可能引发崩塌和滑坡；J4矿体北侧与南侧有F12、F17、F18、F20断裂以及燕山期花岗斑岩入侵，J5矿体西侧有F41断裂与前加里东期安山玢岩入侵，岩体裂隙发育，产生塌陷坑，发生地面塌陷。

3.2 含水层

矿区开采矿体主要位于+310 m以下，围岩属弱透水岩层，无重要含水层分布，无供水意义；矿体与陶村水库间存在20～170 m的花岗斑岩岩墙，不透水；韩村尾矿坝溢流水和矿井排水，经处理用作选矿用水、生活用水和绿化灌溉用水等，采矿对含水层结构、地下水水位和水质影响较小[14]。

3.3 地形地貌景观破坏

矿区工业场地、风井场地、炸药库场地和矿山道路、3号废石场、选矿厂、韩村尾矿库和取土场规模不再扩大，但对地形地貌景观破坏仍然为较严重；1号废石场与2号废石场仍需继续排放废石渣，且规模仍需扩大，对地形地貌景观破坏严重；J4采区仍在进行开采，仍存在塌陷坑塌现象，采坑边坡、采区宽度和高度会进一步加大，对地形地貌景观破坏严重。

3.4 水土污染预测

矿山有较完善的回水设施(沉淀池、清水池、高位水池等)，生活污水经SBR处理后达回用水标准循环使用，除汛期外，对高都川河、陆浑水库水质基本没有影响。矿山土壤环境污染状监测数据表明，工业场地、废渣等淋溶过程不会对周边土壤环境造成污染，对地下水水质无影响，故矿山生产对水土污染影响较轻。

3.5 土地损毁

矿山为井下开采，采用浅孔留矿法，全胶结/胶结+尾砂充填法回采矿体，利用废石及时回填采空区，有效控制了地表塌陷造成的土地损毁，但仍有地表塌陷造成的土地损毁的可能。祁雨沟公峪金矿为正在生产矿山，3号废石场规模不再扩大，1号废石场与2号废石场还要排放废石渣，规模还要扩大，预计1号废石场面积增大至1.2 hm2，2号废石场面积增大至1.4 hm2，仍需占用大量的土地资源。

此外，矿山结束后，对工业场地和废石场等进行复垦，对其进行覆土，需要就近取土，会造成一定程度的土地毁损。

4 地质环境问题防治

4.1 矿山地质环境治理分区

坚持“以人为本”，充分考虑区内主要建设工程的重要性，划分为重点防治区、次重点防治区和一般防治区3个区(图3)，其中重点防治区划分了5个防治分区(表3)，总面积0.437 8 km2，次重点防治区划分了4个防治分区，总面积约0.006 7 km2，其他区域为一般保护区，面积约3.615 9 km2。

图3 矿山地质环境治理分区Fig.3 Zoning map of mine geological environment treatment

表3 矿山地质环境保护与恢复治理分区Tab.3 Zoning of mine geological environment protection and restoration

4.2 地质灾害防治

区内地质灾害主要为采矿造成的地面塌陷1处，可能引发和遭受的地质灾害有滑坡、泥石流和地面塌陷等。

(1)治理。矿区主要开采J5和J4矿体，J4采区存在地面塌陷，拟对塌陷坑边坡削坡和挖废渣清除危岩体处理，边坡削成台阶，陷坑及平台废石和废渣回填，平台外缘修建挡水坝，陷坑周围设置泄洪洞、挡水坝和排水沟(图4)，利用排水，防止冲刷，保持水分，种植植物。1号废石场与3号废石场内有可能引发泥石流灾害，修建挡墙与截水沟；2号废石场边坡较陡，有可能发生滑坡灾害，威胁炸药库人员与东风井安全，设置3级平台。

图4 治理后地质环境特征Fig.4 Geological environment characteristics after treatment

(2)预防。地下开采过程中，严格执行开发方案，加强顶板控制和废渣石回填采空区，避免地面塌陷、地裂缝的发生和地形地貌及土地资源的破坏；废石场修建挡土墙，防止遭受崩塌和滑坡地质灾害的破坏。加强地面变形监测，发生异常现象及时分析和整理；防止地表水渗入地下巷道，威胁矿山安全；加强废石和废土的综合利用，减少排土场土石量，源头上避免泥石流的发生。

4.3 含水层防治

采矿对含水层结构、地下水水位和水质影响较小，故无需治理，主要以预防和矿坑水综合利用为主。

开采过程中，加强探水和含水层封堵工作，安排合理工程措施封堵钻孔揭穿地下水含水层和断层突发水电，减轻对地下水破坏[15-16]。加强地下水水位和水质及矿井排水量监测，合理利用水资源，注意防水，避免矿坑水渗漏，监督水必须经过排水处理系统，确保水质达标排放；尽量减少弃渣石和弃渣的排放，防止地下水污染。

4.4 地形地貌景观破坏

地下开采废石尽量不出坑，及时充填采空区；避免生产运输占用破坏临时用地；采矿地面活动严格限制在工业场地内；对周边土地做好养护和修复(图4(c)、图4(d))；最大限度地减少对原生地形地貌景观和土地资源的破坏。加强废石和尾矿的综合利用，减少排放量，降低对原生地形地貌景观及土地资源的破坏。

4.5 水土环境防治

矿山为井下开采，矿山生产对水土污染影响较轻，以水土监测为主，主要表现为：提高矿山废水综合利用率，减少有毒有害废水排放，矿区外排水水质必须达到污水排放标准，避免对周围地表水和地下水环境造成污染；加强地表水、废水、地下水及土壤的动态监测，积极推进矿区水土环境污染防治工作，减小水土环境污染程度。

4.6 土地损毁与复垦

祁雨沟公峪金矿复垦责任范围面积17.37 hm2，其中，复垦有林地14.33 hm2，其他草地2.92 hm2，农村道路0.12 hm2。

(1)治理。工业场地和炸药库区域总面积为3.89 hm2，复垦方向为有林地，主要措施包括种植穴换填土和植被重建等措施；1—3号废石场堆渣平台，总面积为2.49 hm2，复垦方向为有林地，主要措施包括土地平整、种植穴换填土和植被重建等措施；1—3号废石场堆渣边坡，总面积为0.71 hm2，复垦方向为其他草地，主要措施包括覆土和植被重建等措施；J4矿体现存塌陷区边坡经削坡整理后边坡坡度50°，由于露天采场边坡坡度较大，表面无法自然附着土壤，仅在边坡坡脚位置种植爬山虎来护坡。塌陷区边坡复垦地类为其他草地，面积约0.97 hm2；J4矿体现存塌陷区塌陷坑经废渣回填、种植穴换填土后栽植刺槐绿化，复垦地类为有林地，面积约2.53 hm2，主要措施包括土地平整、种植穴换填土和植被重建等措施；J4矿体现存露天采坑经废渣回填、种植穴换填土后栽植刺槐绿化，复垦地类为有林地，面积约2.36 hm2，主要措施包括土地平整、种植穴换填土和栽植刺槐等措施；拟塌陷区采矿用地边生产边充填，故损毁程度为轻度，复垦方向为有林地，面积0.32 hm2，主要措施包括种植穴换填土和植被重建等措施；露天采坑边坡经削坡整理后边坡坡度50°，由于露天采场边坡坡度较大，表面无法自然附着土壤，仅在边坡坡脚位置种植爬山虎来护坡；拟塌陷区林地，仍复垦为有林地，对因塌陷造成缺苗和死苗的地方进行补植，树种以刺槐为主。

(2)预防。严格执行矿山规划生产布局，加强规划和施工管理，各种生产活动严格控制在规划区内，各种运输车辆规定固定路线，尽量缩小对土地的影响范围；掘进废石尽量回填到采场内，减少废石出坑，防止出现地表塌陷及地表裂缝，此外，生态修复和道路规划应因地制宜，减少土地压占[17]。