栾川县百炉沟废弃露天矿山地质环境特征及生态环境修复治理研究

2023-01-11靳贝贝张传东刁文博姚娇娇

能源与环保 2022年12期

靳贝贝，张传东，刁文博，姚娇娇

(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)

根据栾川县历史遗留露天矿山地质环境综合治理要求，对历史遗留露天矿山进行矿山地质环境进行恢复治理，以消除地质灾害、恢复地形地貌景观、恢复生态环境为出发点，以“地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观再现”的步骤，对区内采坑、边坡和工业场地以及存在地质灾害隐患的区域进行恢复治理，以改善治理区生态环境和消除地质灾害隐患、保护人民生命财产安全为目标，促进治理区社会经济、生态环境协调发展[1-2]。本文以现场踏勘调查，基本查清了矿区边坡、危岩体、矿坑分布范围、规模及空间形态特征，物质组成及结构。其中，共查明边坡12处，分布在小柏木沟治理区3处(BP1、BP2、BP3)，位于拳菜沟治理区4处(BP1、BP2、BP3、BP4)，位于芦院沟治理区5处(BP1、BP2、BP3、BP4、BP5)，以及相对应的采矿平台。采取坡修整工程、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、生物工程及后期养护[3-10]。将治理区内的危岩体清除，对废弃矿渣进行清理，将开采平台并进行压实平整，其平整后高度与治理区周围的标高相协调。对治理区内的高陡边坡依照合适的坡度和平台宽度进行整理，以达到稳定边坡要求，在平台及台阶边缘设置挡土保水岸墙防止水土流失，最后对平整过的采坑及平台进行覆土工程及生物工程恢复成林地，从而达到恢复生态环境的目的[6-15]。

1 治理区地质环境概况

1.1 地层岩性

区域上位于华北板块南缘，伏牛山台缘隆褶区中段，栾川石庙—庙子不对称倾没复向斜的北翼。向斜轴部为新元古界震旦系陶湾群地层，向斜北翼为中元古界蓟县系官道口群和新元古界青白口系栾川群地层。治理区内出露官道口群地层，有龙家园组、巡检司组、杜关组、冯家湾组，岩性有含滑石石英白云石大理岩、硅质条带白云石大理岩、绢云石英白云岩及含石英白云石方解大理岩互层、绢云千枚岩等；栾川群地层，有白术沟组、三川组、南泥湖组、百炉沟组，与冯家湾组断层接触，岩性有炭质千枚岩、长石石英岩、黑云钾长钙质云母片岩、黑云大理岩、绢云大理岩等。

1.2 地质构造

治理区位于栾川石庙—庙子不对称倾没复向斜的北翼，接近倾没端。由于断裂的影响，地层有一些小揉皱和褶曲，但区内地层以单斜构造为主，总体走向为北西300°～320°，倾向210°～230°，倾角57°～78°。断裂以压扭性逆断层为主，断裂带内挤压片理化、碎裂岩、靡棱岩发育，有石英脉充填。

1.3 水文地质条件

治理区范围内没有常年性地表水体。地下主要含水层为基岩风化裂隙含水带，大理岩岩溶含水层和构造破碎裂隙含水带，大气降水是地下水的主要补给来源，随季节变化较大。治理区自然排水条件良好，水文地质条件属简单类型。

1.4 工程地质条件

治理区主要为浅变质大理岩及部分破碎带角砾岩，岩性比较简单，地质构造不甚发育，一般岩体稳定性较好，局部地段有工程地质问题。工程地质条件为简单—中等类型。

(1)大理岩。呈厚层状，致密坚硬，岩石裂隙率不高，岩体结构面(节理、裂隙、层面)发育频率2～3条/m，间距1.0～0.4 m，左右张开度1～3 mm；硅质、钙质泥质胶结，岩石抗压强度为85.1～112.4 MPa，抗折强度13.2～36.5 MPa；岩石RQD=50%～65%，力学强度高，整体性结构好，抗风化能力强，其质量等级良好。

(2)破碎带角砾岩。多沿构造破碎带呈条带状分布，宽0.3～1 m，岩石质量指标RQD=20%～35%，属于破碎结构类型，节理、裂隙发育，彼此交切，岩体完整性差，强度低，属于较破碎岩体。水平极限抗压强度都大于40 MPa，岩石质量指标大于50%，质量等级属于中等。

2 矿区现状

治理区内因开采石料建材等造成山体残缺不全、地貌破坏严重，采场遗留大量的陡崖、危岩体、采坑、工业场地等矿山地质环境问题，存在极大的安全隐患。治理区分别为治理1区(小柏木沟治理区)、治理2区(拳菜沟治理区)、治理3区(芦院沟治理区)，如图1所示。

图1 治理区分布示意Fig.1 Distribution diagram of administrative area

2.1 地质灾害

(1)治理1区。面积为0.059 km2，地质灾害类型主要为崩塌。露天开采形成陡坡BP2，高度近70 m，平均坡度58°，局部坡度较陡，可达68°～75°。部分岩体突出，具有崩塌隐患。

(2)治理2区。面积为0.138 5 km2，地质灾害类型为不稳定边坡。主要为陡坡BP1，坡度较陡，坡体有较多松散堆积物，破碎程度高。

(3)治理3区。面积为0.271 2 km2，地质灾害类型为不稳定边坡。主要为陡坡BP4，坡体坡度约40°，坡高30 m，坡向63°，宽度35 m，上部为碴堆，成分为碎石，边坡植被覆盖率为5%，水土流失严重，坡体基本稳定性，存在安全隐患。

2.2 含水层破坏

露天开采面均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开采影响小，露天开采对矿区及周围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，治理区内含水层没有受到破坏[10-16]。

2.3 地形地貌景观破坏

(1)治理1区。现场调查，造成地形地貌景观破坏的主要是露天开采形成的边坡和开采形成的平台，分为破坏边坡(BP)3处，破坏面积总计6 109.3 m2，裸露平台(PT)3处，破坏面积总计3 434.38 m2，如图2所示。

图2 治理1区破坏边坡及裸露平台Fig.2 Treatment of damaged slope and exposed platform in Zone 1

治理区内的破坏边坡和裸露平台在严重破坏原生林地地形地貌景观的同时，对土地资源也造成了严重破坏，致使勘查区部分地区植被稀少，生态环境恶化。治理1区，边坡、平台参数统计见表1—表2。

表1 治理1区边坡参数统计Tab.1 Statistical of slope parameters in Zone 1

表2 治理1区平台参数统计Tab.2 Statistical of platform parameters in Zone 1

(2)治理2区。现场调查，地表岩石裸露，植被稀少，原生的地形地貌破坏严重，造成地形地貌景观破坏的主要是露天开采形成的边坡，4处边坡(BP)主要参数统计见表3。

表3 治理2区边坡参数统计Tab.3 Statistical of slope parameters in Zone 2

(3)勘查3区。现场调查，原生的地形地貌破坏严重，造成地形地貌景观破坏的主要原因是露天开采形成的边坡和开采形成的平台以及渣堆，破坏边坡(BP)5处，破坏面积总计39 562.14 m2，裸露平台(PT)5处，破坏面积总计19 834.23 m2，参数统计见表4—表5。

表4 治理3区边坡参数统计Tab.4 Statistical of slope parameters in Zone 3

表5 治理3区平台参数统计Tab.5 Statistical of platform parameters in Zone 3

2.4 土地资源破坏

矿区共计损毁土地11.860 9 hm2，其中损毁有林地0.591 8 hm2，损毁采矿用地11.269 1 hm2。治理1区损毁土地1.052 6 hm2，治理2区损毁土地4.496 3 m2，治理2区损毁土地6.311 9 hm2。

3 修复工程讨论

3.1 边坡修整工程

3个治理区进行分区治理，先将原有坡面进行渣石清理后，采取修建台阶边缘挡墙、覆土恢复植被等进行综合治理。

(1)治理1区。边坡治理，削坡整形会造成更大面积的山体破坏，由于现状为半圆弧型产出，山体本身起到一定的遮挡作用。因此，本次的边坡采用清理后保持现状，台阶边坡修筑挡水保土暗墙，用来防止覆土流失。

(2)治理2区。针对高陡峭岩坡面，采用创面山体纤维骨架综合生态治理技术，可有效防止雨水冲刷导致绿化失败，提高植被成活率恢复裸露坡体植被，达到净化空气、降低粉尘含量、保持水土、净化和涵养水源、保护生物多样性的目的[18]。

边坡整治后安装锚杆，锚杆采用长30～50 cm，直径12～14 mm的螺纹钢，打孔后下锚杆注浆，锚杆间距0.55 m，孔深20 cm，锚杆外露10 cm。坡体顶部为加强稳定，可用长60 cm进行加密加长处理。锚杆稍上倾，与坡面夹角95°～100°坡体部分岩石风化严重处，视情况锚杆进行加长，以锚杆贯入坡体后稳定为准。稳固后铺设14号镀锌勾花铁丝网(网目5 cm×5 cm)。制作长200～500 cm、直径3 cm左右的植物纤维束，将纤维束从上到下塞入钢丝网内，外露12～15 cm长度，留下的尾端部分应露出喷播层上面1～2 cm。上下左右间距在100～200 cm，视具体坡面坑凹程度而定。进行基材喷播，喷射分3～5次进行，首先喷射不含种子厚2～3 cm的营养基材，再喷厚3～4 cm的中层基盘，后喷含种子的培养基，含种子层厚度为1 cm，播种量为20～41 g/m2。喷播完后，铁丝网被基材覆盖的面积应在80%～90%，如图3所示。

(3)治理3区。利用现有的采矿台阶(+860、+880、+900 m)，进行碎石清理后，以10 m为界划分台阶，台阶间斜坡坡度设计为不大于80°，台阶宽度依照现有地形不小于4 m。治理后台阶标高分别为+850、+860、+870、+880、+890、+900、+920 m。由于治理边坡修整后高度较大，对其稳定性进行了分析。经计算，边坡总抗滑力大于总下滑力，安全系数为1.466>1，因此，修整后边坡稳定[19]。

图3 锚固喷播断面Fig.3 Sectional view of shotcrete anchorage

3.2 场地平整工程

场地平整工程包括各治理区平台。

(1)治理1区平台进行碎石清理后，设计标高为+827～+841 m，斜坡依照地形修整，平台坡率3‰，治理后共挖方量为2 358.63 m3，填方1 103.35 m3。

(2)治理2区平台进行碎石清理后，设计标高为+896～+950 m，斜坡坡度依据原有地形不大于45°，坡率3‰，治理面积27 827.62 m2，共挖方量为195 136.30 m3，填方1 994.70 m3。

(3)治理3区平台进行碎石清理后，设计标高为+836～+907 m，斜坡坡度设计为80°，坡率3‰，治理面积34 400.70 m2，共挖方189 649.10 m3，填方95 120.20 m3。

3.3 挡土保水岸墙工程

在边坡每级台阶及平台外缘30 cm处设置挡水保土暗墙，设计宽0.5 m，高0.6 m，用来防止覆土流失，给予生物良好的生长环境。挡水保土暗墙工程合计长12 285.87 m，共消耗石方量2 948.61 m3，均采用边坡、场地和工业场地整理工程剩余的石方量。

3.4 截、排水工程

本区的排水系统由截水渠和排水渠两部分组成[16]。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。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；起于顶部平台截水渠，终于露天采场坡脚挡土墙，其中芦院沟治理区排水渠设计宽度为2.5 m，其余设计宽度为1.0 m(图4)。

图4 截水渠、排水渠断面尺寸Fig.4 Sectional size of truncated canal

3.5 垫渣和覆土工程

治理区内台阶和平台首先覆盖一层碎石土，厚30 cm，然后覆盖一层种植土，其中种植土草地覆土厚度为30 cm，林地覆土厚度为50 cm，旱地覆土厚度为60 cm，方能保证生物成活。治理区内覆土面积共142 716.60 m2，共需碎石土方量42 814.98 m3，需种植土方量72 655.29 m3。

3.6 植被恢复

采石场平台种植乔木，树种选择耐干旱、耐贫瘠、抗污力强的侧柏，采石场边坡撒播草籽，草种选择能够耐干旱、固土护坡的高羊矛、黑麦草、白三叶和小冠花实施立体植被复绿。采用覆土种植和客土穴栽两种种植方式，共植草面积92 832.87 m2，爬山虎40 858株，侧柏9 843株，火炬树9 271株。

4 效益分析

4.1 社会效益

栾川县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。该项目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[16]。

4.2 环境效益

通过治理工程措施、植物措施，将通过改变微地形、增加地表植被，使植被生长的环境条件不断得到改善，可减轻项目区的矿山地质环境问题，使受损植被得到恢复，改善农业生产环境和矿区地质环境和生态环境，并提高当地居民的生存环境质量，降低矿山地质灾害所造成的人民生命财产损失，有利于人民群众安居乐业和社会稳定[20]。

4.3 经济效益

按照目前市场价，每销售1 m3石料缴纳税费为1.8元。以10%考虑市场价格变动风险，削坡减荷所得毛石按照31.1元/m3计价，可得收益820.36万元。项目实施恢复耕地(旱地)面积约63 125.1 m2，若补充耕地指标交易按起始价每亩5万元进行计算，可收益395.55万元。另外,恢复林草地9.737 2 hm2，林草地生产新增了经济效益，经济效益显著。