南阳市石灰岩矿山地质环境特征及生态环境修复治理研究

王 昊，张道阔，孔庆强

(1. 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南 郑州 450046； 2. 河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000； 3. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450000)

0 前 言

矿业开采与生态环境保护的矛盾越来越大，在矿山开采后及时进行恢复治理，实现绿色矿山建设，可极大地缓解矿业开发与环境的矛盾[1-3]。本次研究以在建露天水泥用和建筑石料用石灰岩矿为例，通过现场踏勘，开展矿山地质环境现状与土地利用现状调查，查明矿区地质环境条件复杂程度和土地资源破坏情况及范围。进行矿山地质环境影响现状及预测评估，根据矿山地质环境现状及预测评估结果，进行矿山地质环境保护与恢复治理，提出矿山土地复垦与地质环境保护和恢复治理技术措施，以达到消除地质灾害隐患和改善研究区的生态环境的目标[3-6]。

1 研究区地质环境概况

1.1 地层岩性

研究区地层属于北秦岭分区南阳小区，主要是古元古界秦岭群雁岭沟组，由北到南主要的岩性有云母石英片岩、大理岩、斜长角闪片岩。该层地表可见小裂隙、裂隙填充物，为条带状及柔皱构造。大理岩在矿区的北、中、南部皆有分布，成分为方解石，次为石墨及白云石、石英等，该岩石是水泥原料的主要赋存层位。

1.2 地质构造

研究区位于秦岭褶皱系南阳-襄樊坳陷南阳断陷分区内。

褶皱构造：矿区构造以褶皱构造为主，总体上为一单斜岩层，岩层走向280°～340°，倾向南西，倾角45°～47°。局部形成规模不大的由层间挤压形成的小柔皱构造。

断裂构造：矿区内断裂有2条，一条分布于矿区的南部，长740 m，产状215°∠62°～72°；另一条分布于矿区中部，长240 m，产状75°∠73°～80°。2条断层均属于扭性断裂。

1.3 水文地质条件

研究区附近地下水类型为碳酸盐岩类溶蚀裂隙水、基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。碳酸盐岩类裂隙水含水层与松散岩类孔隙水含水层均接受大气降水与童家河地表水补给，基岩裂隙水主要受大气降水补给。地下水的径流受含水层分布条件限制，沿裂隙或孔隙以地下径流的方式向下、向地形较低处缓慢渗透排泄。矿体大部分位于地下水位以上，水文地质边界较简单，地形有利于自然排水，局部与地表水有联系，为水文地质条件中等的矿床。

1.4 工程地质条件

根据矿区地层岩性、结构及物理力学性质等特征，将地质体划分为岩体和土体2大类。

岩体类型：主要为变质岩建造坚硬的大理岩岩性组、片岩岩性组、岩浆岩建造坚硬的侵入岩岩性组，岩层完整，饱水极限抗压强度39.8～166.7 MPa。地表风化裂隙带深度一般可达3～5 m。

土体类型：主要由砾石、碎石、粗砂、粉质黏土等组成，结构松散。分布于山坡、沟底两侧，边坡稳定角一般为45°，较陡边坡受雨水冲蚀易坍塌。

矿床围岩主要以厚层状、块状整体结构为主，岩性简单，风化破碎带小于5 m，围岩稳固性较好，边坡基本上不存在外倾软弱结构面或危岩，边坡总体较稳定，局部破碎。矿区工程地质条件属于中等。

2 研究区土地利用现状

现场调查，研究区面积120.90 hm2，包括矿区面积120.40 hm2，矿区外面积0.5 hm2(见表1)。根据矿区现有采矿活动特点，将研究区场地类型划分为1采区、2采区、3采区、4采区和其他区(见图1)。区内没有居民点，无交通要道或建筑设施，远离各级自然保护区和重要旅游景区(点)，无较重要水源地，采矿活动破坏耕地、林地、草地，评估区重要程度分级为重要区。

图1 研究区土地利用现状及预测分布

表1 评估区各场地面积一览

3 研究区地质环境影响评估

3.1 地质灾害危险性评估

3.1.1 渣土排放引发地质灾害危险性评估

现有渣土场位于1采区内，处于山坡上部，地势较高，所处冲沟较小，上游汇水区域约0.015 km2，植被较好，汇水量较小，最大1 h降雨量73 mm，泥石流发育程度弱；渣土场已经进行了临时治理，形成4级台阶，后期全部挖除用于各平台治理，预测引发泥石流的可能性小；现有渣土场下游有耕地，人员活动较少，一般小于10人，危害程度小。综上所述，现有渣土场引发泥石流地质灾害危险性等级为小[7]。

3.1.2 采矿活动可能引发崩塌地质灾害危险性预测评估

采场4与1采区内现有采场1、采场2、采场3的边坡大部已经治理，少量正在治理，已经清除危岩体，崩塌发育程度分级为弱；边坡距离拟采区较远，发生崩塌的可能性小；边坡下方人员一般小于10人，遭受崩塌的危害程度小；预测采矿活动引发崩塌地质灾害危险性等级为小。

1采区内拟采区、2采区、3采区内设计采场每级台阶边坡高度15 m，岩石边坡角70°，土层边坡角45°，矿体与围岩主要为大理岩、花岗岩，致密坚硬，无软弱夹层，地层倾角45°～74°，地层倾向与采场坡面倾向多斜交，局部同向，一般情况下边坡较稳定。但是地表土壤覆盖层局部可达4 m，土层以下3 m内岩石风化裂隙较发育，裂隙多有黏性土充填，结构松散，再加上采矿爆破处裂隙较发育，边坡上部分松动岩石形成危岩体，处于欠稳定状态，因此崩塌发育程度分级为中度；在采矿爆破与地震震动以及降雨的影响下，危岩体容易失稳，发生崩塌的可能性中等。边坡下方可能有挖掘机、运输车辆、人员在施工活动，一旦发生崩塌，威胁人员一般小于10人，设备遭受的损失一般小于100万元，人员与设备遭受崩塌的危害程度小。预测采矿活动引发崩塌地质灾害危险性等级为中等[8]。

3.2 矿区含水层破坏现状分析与预测

地下水位标高约314 m，现有各采场标高在320 m以上，露采场内没有见到地下水，采矿活动对地下水位与水资源量没有影响，没有引起矿区及周围含水层水位下降。附近居民距离较远，生产生活用水没有受到影响。现状下矿业活动对含水层破坏较轻。

3.3 矿区地形地貌景观破坏现状分析

现状下地形地貌景观的破坏主要是露采场、民采场与渣土场对地形地貌景观的破坏。

1采区内现有采场1、采场2、采场3、渣土场，场地宽90～200 m，长110～520 m，边坡高度可达35 m，渣土场渣土量约125 800 m3，厚度可达15 m，场地规模大，对地形地貌景观破坏严重；拟采区保持自然形态，尚未破坏，地形地貌景观破坏较轻。

4采区采场4场地宽220 m，长340 m，边坡高度可达10 m，场地规模大，对地形地貌景观破坏严重。

3采区民采场宽100～320 m，长770 m，边坡高度可达15 m，场地规模大，对地形地貌景观破坏严重。拟采区保持自然形态，尚未破坏，地形地貌景观破坏较轻。

2采区与评估区其他区内没有采矿活动，地形地貌景观破坏较轻。

3.4 矿区土地损毁评估

本矿区原有采矿活动，已经形成4处露采场、1条矿山道路、1处渣土场、1处民采场，矿山道路包含在采场2与采场3内。已损毁土地面积共计43.3 hm2，已损毁土地情况见表2。各场地位置见图1。

表2 已损毁土地情况汇总 hm2

1)1采区：区内已经形成采场1、采场2与采场3(含矿山道路)、渣土场，其中矿山道路位于采场2与采场3内原平台上。

采场1、采场2、采场3处地貌原为山坡，地类主要为有林地、采矿用地，其他草地、公路用地、旱地较少，植物主要为杨树、桦栎木、山荆、狗牙根草之类，土壤为黄棕壤土，厚度0.3～4 m。露采场开挖深度一般大于10 m，最大可达80 m，土层全部破坏，出露基岩，剥离土壤存放在现有渣土场。土地损毁方式主要为挖损，损毁程度为重度。

现有渣土场位于采场1南侧，地貌原为冲沟底部，地势平坦，地类为采矿用地，植物主要为杨树、山荆、狗牙根草之类，堆积物部分为废渣，部分为含碎石黏性土，厚度可达15 m，损毁采矿用地0.7 hm2，场地使用时间>5 a，土地损毁方式主要为压占。压占面积>0.5 hm2，压占时间>3 a，土地损毁程度为重度。

2)采场4：地貌原为山坡，地类主要为有林地、采矿用地，其他草地，植物主要为桦栎木、山荆、狗牙根草之类，土壤为黄棕壤土，厚度0.3～1.0 m不等。露采场开挖深度可达50 m，土层全部破坏，出露基岩。土地损毁方式主要为挖损，损毁程度为重度。

3)3采区(民采场)：地貌原为山坡，地类主要为有林地、采矿用地，其他草地，植物主要为刺槐、桦栎木、山荆、狗牙根草之类，土壤为黄棕壤土，厚度0.3～0.5 m不等。露采场开挖深度一般可达20 m，土层全部破坏，出露基岩。土地损毁方式为挖损，损毁程度为重度。

4 修复方法讨论

4.1 地质灾害防治工程

露采场边坡可能引发崩塌灾害，威胁人员安全，切坡时要防止边坡过陡，在采场周边布设监测点与防护网，重点监测露采场边坡上方危岩体分布、位移变化情况，对边坡上部存在安全隐患的岩土体及时清除，可最大限度减少地质灾害的发生，避免崩塌造成人员受伤和财产损失[9-10]。

1)削坡：对崩塌灾害的防治主要是清除危岩体与较厚土体。根据边坡坡向与地层倾向相交情况，危岩体主要在采场北侧高坡方向，与南侧断层处，削坡方式先采用爆破方式，然后人工撬动清理碎石，削坡后边坡角要小于60°，不能有松动岩石。产生的废石块可以在台阶上砌筑挡墙利用。根据边坡长度与裂隙发育情况预计需要削坡41 200 m3。

2)设置防护网：沿采场最终边界周边5 m外设置铁丝防护网，每隔5 m埋设1根木桩，木桩高度1.7 m，埋深0.5 m，每根木桩挂4条铁蒺藜，上下间隔0.3 m，防护高度1.2 m，铁蒺藜规格单绳拧编，丝径2.5 mm。需要安装防护网距离4 750 m。

4.2 含水层破坏防治工程

采区320 m平台以下靠近童家河处，采矿过程中会有地下水入渗，但是随即排入童家河，对周围居民生产生活用水没有影响，对含水层基本上没有破坏。但为预防坑内外水质互相影响，水位受季节变化较大影响，在坑内四周修筑浆砌石护坡。护坡横断面为平行四边形，高度5 m，厚度0.4 m，断面积2 m2。护坡材料为浆砌片石，片石极限抗压强度不低于50 MPa。预计护坡长度1 880 m，需要浆砌石护坡3 760 m3。治理剖面见图2。

图2 采区底部护坡剖面示意

4.3 地形地貌景观破坏防治工程

以1采区治理工程为例：

1)砌筑挡墙：沿各平台外侧边缘砌筑浆砌石挡墙。挡墙横断面为矩形，高度1.4～2.0 m(拟回填废渣与覆土厚度1.2 m)，厚度0.7 m，基础落在平台基岩上。挡墙材料为浆砌片石，片石极限抗压强度不低于50 MPa。预计修建挡墙7 400 m，需浆砌石挡墙7 252 m3。平台与边坡治理断面如图3。

图3 平台边坡治理剖面示意

2)回填废渣：对矿区内底部平台回填废渣，回填废渣厚度0.4 m，平台面积47 700 m2，需要回填废渣19 080 m3。

3)平整场地：回填废渣后对废渣进行平整，表面起伏小于10 cm，平台外侧高内侧低，坡度小于5°。

平整方式利用挖掘机挖高填低与人工平整结合进行，根据面积与废渣厚度估算，预计需要挖废渣8 500 m3，人工平整面积47 700 m2。

4.4 土地复垦工程

复垦区为4处露采场，共划分复垦单元12个，以1采区复垦为例。治理剖面见图4。

图4 治理剖面复垦示意

1)土壤剥离：露采区除去已经开挖部分，可剥离面积约5.64 hm2，其中土壤厚度3.6 m，区域面积2.1 hm2，土壤平均厚度0.4 m的区域面积3.54 hm2，现有渣土场堆放土壤64 800 m3，总共剥离土壤154 560 m3。

2)覆土：对矿区外采场1内+415 m平台覆土，土源为现有渣土场内存放的黏性土。覆土厚度0.8 m，覆土面积0.9 hm2，需要覆土6 300 m3。对矿区内各平台覆土，土源为拟设表土场内存放的黏性土，运输方式采用挖掘机挖装汽车运输方式，平均运距按照2.9 km。覆土厚度0.8 m，覆土面积3.87 hm2，根据覆土面积与厚度计算，需要覆土27 090 m3，合计需要覆土33 390 m3。

3)平土：对矿区内各平台的覆土要抚平，厚度0.8 m，起伏小于10 cm，坡度小于5°，倾向边坡脚。+415 m平台采用机械平土，其他平台采用人工平土。预计需要机械平土9 000 m2,人工平土面积38 700 m2。

4)绿化：在各平台栽植刺槐绿化平台，林间种草。在平台上栽植爬山虎对边坡复垦单元绿化。共需栽植刺槐9 855株，撒播种草4.77 hm2，根据平台长度与密度计算，需要栽植爬山虎7 160株。

5 效益分析

5.1 经济效益

通过生态环境恢复治理实施，共复垦旱地8.7 hm2、有林地22.7 hm2、其他林地13.1 hm2、其他草地4.2 hm2、坑塘水面12.6 hm2，共栽植刺槐36 910株。为当地村民增加了就业机会，增加家庭收入，产生一定的经济效益。

5.2 生态效益

矿山开采对环境造成了严重的破坏，易加剧土壤的侵蚀，导致水土流失。通过实施土地复垦工程，可以使植被破坏的露采场、取土场、矿山道路与工业场地复绿，变为林地，防风固沙，使水土得以保持，可以提高林地覆盖率，涵养水源，固氮储碳，可以净化空气，对局部环境空气和小气候产生正效与长效影响，增加动物群落多样性。同时避免尘土飞扬，恶化环境，影响周边居民生活，充分体现了“在保护中开发，在开发中保护”“依靠科技进步，发展循环经济，建设绿色矿业”等矿山环境保护的基本原则，其环境效益较好[11-13]。

5.3 社会效益

该复垦方案的实施，可以稳定农业与林业基础，为项目所在区人民提供更多的就业机会，增加当地居民收入，改善居住环境，避免对周边居民生命财产造成危害，减少矿山企业与当地村民之间的矛盾，减少社会不安定因素，使人民安居乐业，促进居民的和谐和团结，促进本矿区经济可持续发展，对于维护社会安定起到积极的促进作用，有利于社会稳定[9]。

6 结 语

通过对该研究区地质环境现状调查，评估了矿业活动对该地区的地质环境影响程度，通过讨论采取最优的生态恢复治理方法，以期达到消除地质灾害隐患和改善研究区的生态环境的目标。

1)研究区面积1.209 km2。评估为重要区，矿山地质环境条件复杂程度为中等，矿山生产建设规模为大型，矿山地质环境影响评估级别为一级，地质灾害危险性评估级别为一级。

2)经矿山地质环境影响分析，采矿活动引发崩塌地质灾害危险性中等，对含水层破坏较轻，对地形地貌景观破坏严重，对水土环境污染程度较轻；1采区、2采区、3采区、采场4为重点防治区，其他区为一般防治区。

3)经土地损毁分析与预测，土地损毁方式主要为挖损，已损毁43.3 hm2，拟损毁44.5 hm2，重复损毁26.5 hm2，合计损毁土地面积61.3 hm2，损毁程度全部为重度；其中损毁旱地2.3 hm2、有林地19.0 hm2、其他草地18.72 hm2、公路用地0.38 hm2、采矿用地20.9 hm2。损毁土地不涉及基本农田。

4)通过对研究区内地质灾害隐患排查及治理，生态环境恢复及土地复垦，矿山地质环境得到改善，可给当地带来较好的经济、环境、社会效益。