迁安市露天开采矿山地质环境综合治理关键技术研究

刘晓波,季 文,张学文,才智远,王 菲

(中冶一局 城市安全与地下空间研究院有限公司,北京 101100)

习近平总书记指出:“山水林田湖草是一个生命共同体”,人的命脉在田,田的命脉在水,水的命脉在山,山的命脉在土,土的命脉在树(林和草)。矿业在促进社会经济发展的同时,也严重破坏了人类赖以生存和发展的自然环境。特别是近年来,地质环境问题越来越突出,严重影响了周边群众的正常生产生活。因此,治理恢复露天矿山的地质环境具有重要的现实意义,提高了矿区的生活质量,增加土地资源,预防地质灾害[1-2]。

1 迁安地区区域地质概况

迁安地区大地构造位于华北地台(Ⅰ)燕山台褶带(Ⅱ)马兰峪复背斜(Ⅲ)遵化穹褶束(Ⅳ)迁安穹窿(Ⅴ)。区域内地层主要为太古界、元古界、古生界、中生界、新生界地层。迁安铁矿的含矿变质岩系主要处在迁安古隆起的西缘,其形态为一向西突出的弧形构造带。北起水厂宫店子经孟家沟、北屯、蔡园和白马山,柳河峪、羊崖山、二马,过横山后,从大石河、耗子沟起、转塔山杏山至脑峪门。走向为NE-SN-EW,分布在长38～40 km、宽5～8 km的范围内。这个弧形构造带由复杂的褶皱带加上多期的断裂带所组成,是由2个平行的复向斜和一个复背斜所组成的“W”型复向斜带,通常称为东西矿带。这个弧形构造带被3个大的EW向构造带分割,北部有黄金寨大断裂,中部有横山大断裂,南部有佛峪院大断裂。向斜构造特点是:大多数呈两翼不完整的钩状,NE端仰起,向SW方向倾伏,小型褶皱构造较为发育。区域上岩浆岩活动以燕山中期酸性侵入岩为主,主要有细、中粒斑状花岗岩体,细、中粒花岗岩体,花岗岩岩体及石英斑岩脉。迁安矿产资源丰富,矿产种类齐全。现已探明的矿产达20多种,本区金属矿产以沉积变质铁矿为主,非金属矿藏主要是石灰石、白云石、花岗岩等,如图1所示。

图1 迁安地区区域地质图Fig.1 Regional geological map of Qian′an area

2 露天矿山地质环境治理与恢复的研究现状

迁安地区持证矿山56座,其中露天开采37座:大型矿山18座,中型矿山12座,小型矿山7座;铁矿17座,石矿20座。迁安地区的露天矿山主要是铁矿和石灰岩矿,为了满足市场需求,进行了高强度、大范围的开发。由于采矿过程中忽视了生态环境的恢复和保护,矿山原有的景观、植被和水体受到了极大的破坏。由于缺乏对土地复垦和恢复治理的重视,造成了土地、水和大气的污染,甚至露天开采造成的次生地质灾害也在逐渐增加(图2、图3)。主要技术难点和重点在有效经济地消除地质灾害和恢复环境[3-7]。

图2 迁安市某白云岩矿露天采场的岩质边坡Fig.2 The rock slope of an open-pit mining site in a dolomite mine in Qian′an City

图3 迁安某铁矿的岩质边坡Fig.3 The rocky slope of a certain iron mine in Qian′an

当前,迁安市露天开采矿山地质环境综合治理主要涉及露天采场、排土场、矿区道路、工业场地及办公生活区等主要区域。

2.1 岩质边坡坡面治理恢复技术

当前,露天矿治理恢复多借鉴客土喷播技术、厚层基材喷播技术、植被混凝土防护技术、飘台法、植生袋防护技术、格构加固技术、爆破燕窝、藤本护坡技术等[8]。

(2)迁安市上射雁庄镇某矿山岩质边坡采用厚层基材喷播技术,运用喷播系统将混有植物种子的防侵蚀材料基质喷附在由锚杆固定网面的坡面上,形成一层既适宜植物生长又稳定的基材层[9]。在坡面构建一个自身生长的防护系统,通过植物根系对边坡加固,可有效降低降雨对坡面泥土的冲刷[10]。

(3)迁安市马兰庄镇某矿山岩质边坡采用植被混凝土生态防护技术,该技术由液压喷播技术演化而来,植被混凝土是典型的人工复合生态基材,其固体部分由植生土、腐殖质、植被混凝土绿化添加剂和水泥混合而成。植被混凝土因具有良好的稳定性及物理力学特性而得到广泛应用[11]。

(4)迁安市蔡园镇某矿山岩质边坡采用飘台法,在特别陡峭平滑的石壁钻洞灌浆,用钢架支起一行一行的飘台,在飘台中填土绿化。飘台法应用于高陡边坡防护,显著提高了边坡的绿化率,但施工难度大,槽内土壤较少,失稳风险大,成本相对较高[12]。

(5)迁安市木厂口镇某矿山岩质边坡采用植生袋防护技术,事先将护坡草种准确均匀地分布并定植在营养带基上,再用塑料编织好的护网一体加工成60 cm×40 cm规格的袋子。植生袋往里加上土壤封口后堆积即成,然后浇透水后按照正常护坡草坪养护管理方式进行。该植生袋绿化成坪速度快,同时具有避免灌溉或大雨冲刷种子的优点[13]。

(6)迁安市野鸡坨镇某矿山岩质边坡采用格构加固技术,利用浆砌块石、预制预应力混凝土或现浇钢筋混凝土进行边坡坡面防护,并利用锚杆或锚索加以固定。边坡格构加固技术具有与坡面密贴、布置灵活、可随坡就势、格构形式多样、截面调整方便等显著优点。并且框格内可用现浇混凝土板进行加固,也可植草、挂网、喷射混凝土等方式进行防护。

液压喷播技术、厚层基材喷播技术、植被混凝土生态防护技术等因其施工速度快、机械化程度高、覆盖效果好、维护方便、种植初期可防止边坡水土流失等优点,在岩质边坡治理恢复中得到了广泛应用。但是,草本植物具有绿期短、抗寒性和抗旱性差、根系锚固能力差等缺点。随着使用寿命的增加,在降雨、冻融等因素的影响下,基质中的氮、磷、钾、铁、锌、锰等元素将流失严重。同时,在雨水的侵蚀下,基质本身也会受到侵蚀,产生水土流失现象。如果仅使用草本植物进行绿化,在恢复后期,植被退化将非常严重。如图4所示,为迁安市太平庄镇某铁矿露天边坡高陡,客土喷施后受干湿交替和冻融作用的影响,局部脱落[14-15]。

图4 某石灰岩矿喷播基材脱落后的现场情况Fig.4 Field situation of a limestone mine after the base material of spraying seeding falls off

2.2 采坑工作平台治理恢复技术

采坑工作平台是露天矿边坡的一部分,因为相对平坦,治理恢复与坡面相比较为容易,有利于覆盖土壤和种植植物,有利于减少水土肥料的流失。迁安市杨各庄镇某矿山采用在平台内侧覆土后种植木本植物和草本植物,在平台外缘修建挡土墙,实现了对采坑工作平台的治理恢复。

采坑工作平台治理恢复也存在土壤量不足和土壤肥力不足的问题,因此,在覆土后及时施肥,并做好给排水系统设计,防止旱季的植物干旱枯死和雨季的水土流失。

据介绍，X型混凝土布内层以交叉连接织造，适用范围主要是紧急护坡、护堤、护岸，紧急加高和应急道路的抢险工程，充填技术可达到厚度为300～600mm以及600～1000mm等特殊要求。抢险材料X型混凝土布是织造物，分量轻，彻底改变了原来复杂环境施工难、难施工的情况以及抢险过程中的不安全因素，解决了原来大型机械设备施工难的问题，可以根据实际情况调整控制所需部位以及充填高度、长度等，施工简单。充填材料可以是混凝土，也可就地取材，直接灌入泥浆、沙土，填充后会快速排出水分，在短时间内即可凝固，增加密度和提高抗压强度。现场作业只需五六个人，配套3台灌浆机、1台小型发电机，就可替代原来的“人海战役”。

2.3 采坑底部治理恢复技术

由于采坑底部地形相对平缓,其治理恢复技术相对较少且简单,坑底治理恢复容易取得较好的效果。但如果局部滑坡产生的滑坡体或水土流失产生的泥沙,会对坑底恢复植被造成破坏。因此,采坑底部治理恢复主要取决于边坡的稳定性以及整个矿区的水土流失情况。

矿山闭坑后,地下水和地表水往往在矿山最低处的采坑底部汇集,不利于植被恢复。作为灌溉水源或者将矿山开发为休闲娱乐场所,充分利用矿山的地形特点,使闭坑矿山仍有可持续发展的空间[16]。

迁安市彭店子镇某治理恢复方案利用采坑底部水源为矿山治理恢复的植被提供灌溉用水;迁安市五重安镇某矿山通过治理恢复,构建了以种植、养殖、农副产品加工、生态旅游为一体的社会经济自然复合生态系统。

2.4 排土场治理恢复技术

排土场平台中土壤压实增加了容重,降低了孔隙度,严重影响了植物根系的发育,降低了单位面积的植被生物量;坡面土壤密度较低,易造成沟壑侵蚀和水土流失。排土场的形成过程决定了其具有大孔隙发达、物质组成复杂、土壤理化性差等特点:在强降雨、爆破震动、地震等作用下易发生滑坡、泥石流等地质灾害。排土场治理恢复宜深耕平台表层土,以利于植物根系的生长,并采取蓄水截流等技术措施,减少水土流失。

在治理恢复排土场过程中,现有的技术发挥了积极作用,但也存在一些问题:迁安市扣庄镇某矿山排土场边坡顶部、中上部出现了拉伸裂缝,不仅增加滑坡和泥石流等地质灾害发生的可能性,还使土壤快速流失,影响土壤微生物和植被的正常生长,局部甚至造成植物死亡。因此,在排土场治理恢复前期,做好防排水系统的修建工作和选择适宜的根系发达的植被对保证治理恢复达到预期效果尤为重要。

2.5 矿区道路治理恢复技术

矿区内未经混凝土硬化的道路,应当采取翻耕、覆土、栽植乔木、灌木等治理恢复;迁安地区的实际治理恢复中保留了大部分硬化水泥路为以后的管护提供道路,同时维护防水、排水系统和道路两侧的绿化,以确保道路畅通。

2.6 工业场地及办公生活区治理恢复技术

工业场地和办公生活区的恢复技术较为简单、成熟。在保证治理恢复效果的前提下,迁安市夏官营镇某些治理恢复中也有结合土地复垦,作为补充耕地以创造更多的价值。

3 露天矿山地质环境治理与恢复趋势展望

在露天矿治理恢复技术研究中,国内外许多学者取得了大量研究成果和宝贵经验,为露天矿山治理恢复提供了很有价值的参考。研究对露天开采矿山治理恢复与重建未来需要深入应用的技术方向进行讨论。

3.1 排土场种植沙棘

调查表明,经过10年自然恢复的排土场夏季植被平均覆盖度在10%以下,在平台平坦宽阔的地带,植被覆盖度不足5%,只有个别草本植物,高度一般在10 cm以下,植被的自然恢复过程极其缓慢。丁香、紫穗槐、刺梅等灌木在排土场平台上可以成活,但平均株高0.5 m左右,树冠盖度在20%左右。沙棘林不仅成活率高,而且3年之后即达到郁闭,林下大量的草本植物。在水分条件较好的地段,还会有杨树和柳树[17]。

沙棘耐干旱、耐盐碱、生长迅速,是浅根性树种,根系发达,可以在表土中形成密集的根系层,根系层的厚度随沙棘树的增长而变厚,密集的根系散布于土体,增强了土壤的凝聚力,起到了固化土壤和保持水分的作用。沙棘是少有的具有根瘤的树种,具有固氮作用,大大改善了土壤理化性质。沙棘可以在半湿润地区的不同立地类型中生长,沟底、山地阴坡和半阴坡生长较好,其次是梁峁顶部和山地阳坡。所以沙棘可以作为阴坡的建群物种及阳坡的伴生物种。同时沙棘覆盖的土地,地表径流减少80%,表土流失减少75%,风蚀减少85%[18]。

栽植沙棘,可取得生态、经济、社会三大效益。以沙棘为核心的灌草组合体系,是排土场平台治理恢复的有效模式之一,不仅可以加速排土场的植被恢复,还可以创造可观的经济价值,如图5所示。

图5 某铁矿排土场种植沙棘Fig.5 Planting seabuckthorn in a certain iron ore dumping site

3.2 缓坡鱼鳞坑栽植灌木

鱼鳞坑是在15°～45°的坡面上,通过风镐或小爆破来开挖适当的鱼鳞坑,分散拦截坡面径流,控制水土流失。挖坑取出的土,在坑的下方培成半圆的埂,以增加蓄水量。在坑内填土,种植乔灌木及爬藤类植物。在坡面上坑的布置上下相间,排列成鱼鳞状,故名鱼鳞坑。沿种植沟插埋的生物材料,能形成护坡网树干;利用其下部埋置于坡土内的枝条交错编织护坡网树干,以便形成生物护坡网格墙;利用所述枝条下部芽点的沿生物护坡网格墙生根发芽且成活生长出的新发枝条,形成绿化护坡墙,绿色环保,稳定边坡,防止水土流失,涵养水土,又能恢复植被,具有多功能生态效果,如图6所示。

图6 鱼鳞坑治理缓坡Fig.6 Slow slope treatment of fish-scale pit treatment

鱼鳞坑开挖应根据当地降雨量、地形、土质和植树造林要求而定,一般要求为0.5 m×0.5 m,坑深0.5 m,间距2 m,交叉开挖呈梅花状,如图7所示。工序流程:风镐或小爆破成坑→槽内装填种植土→种植乔灌木及爬藤类植物→养护。

图7 鱼鳞修筑技术Fig.7 Fish-scale construction technology

3.3 陡坡采用柔性生态系统等新兴技术

目前岩质边坡的修复方式多采用客土喷播、厚层基材喷播、飘台法、爆破燕窝等技术。但是面对高陡边坡,喷播极易剥落;飘台和爆破各种成本太高。柔性生态系统可对裸露山体进行整体治理恢复,具有重要和直接的社会效益,施工工程及效果如图8所示。

图8 柔性生态系统施工工程及效果Fig.8 Flexible ecosystem construction engineering and effect

在实际施工过程中,可根据不同的立地条件,选择不同的柔性生态系统施工方案,施工方法及原理如图9所示。

图9 柔性护坡生态技术Fig.9 Ecological technology of flexible slope protection

3.4 绿化植被本土化

露天采矿矿山地质环境治理与恢复绿化植被的选择目前多借鉴园林方面的经验,但两者之间存在较大的差别。迁安市以往治理恢复中绿化的主要方向,花费巨资移植外来的树种而不是本土树木,主观选择植被来让自然环境来承受,没有很好地尊重自然,所以付出很多,收获甚微。在运输过程中,这些外来树种不可避免地会有损害,有些树木水土不服,种植后会慢慢死亡。此外,在选择植被时,只注重当时的防护效果,而不太关心设计的保护形式是否能很好地融入周围环境,矿山治理恢复的植被生态系统往往难以保持长期稳定,植被护坡逐渐失效[19]。

在长期的历史进程中,自然环境选择了大量的相容植被种类。在选择植被时要施法自然,在本土植物中选择优势种作为生态治理恢复的建群物种,建立与周边环境相协调的植被群落。迁安野生自然植被目前可划分为3类,即针叶林、灌草丛、沙地植被。①针叶林。迁安地处温带地区,四季分明,土壤呈中性且干燥,因此具有层生结构(含油脂、角质层发达)的油松、侧柏针叶林在迁安分布广泛。目前在迁安的森林群落中,纯林占绝大多数,混交林较少。在混交林中,混交林种多以松柏混交为主,间有零星栎树、榆树、刺槐、椿树等。②灌草丛。指由中生或旱中生的多年生灌木,禾本科、菊科等草本植物种群组成的群落。这一类型由于没有乔木层覆盖,灌木层光照较好,因而较发达,遍布于迁安市各地区,主要有以下种类。荆条、胡枝子、酸枣、白羊草丛广泛分布于北部长城沿线和西部地区,在海拔+400 m以下的地区;杭子梢、蚂蚱腿子、绣线菊、欧李、隐子草丛这一类型分布在海拔+400 m以上的区域。③沙地植被。迁安市沙地面积较大,主要分布于青龙河右岸、滦河故道及两岸、沙河两岸,沙地由于生态环境差,生长的植物需有较强的抗旱能力。主要野生植物有狗尾草、茅根、猪毛菜、生地、马齿苋、车前子、苍耳、蒿类等植物60多种。下面对迁安市露天采矿矿山地质环境治理与恢复的本土植被进行初步介绍。

油松是森林群落乔木层植被的优势树种,广泛分布于北部长城沿线和西部地区,目前迁安占地总面积0.98 万hm2(包括人工林0.48 万hm2),郁闭度在0.2～0.4,林内光照较好,灌草两层较发达,生长的灌木有荆条、花木兰、欧李、酸枣等,草本植物有桔梗、苍术、远志及禾本科、菊科的一些植物。

侧柏也是森林群落乔木层植被的优势树种,在西部山区、长城沿线少有分布,全市不足66.67 hm2,主要分布于石灰岩地区,适生于偏碱性土壤,植物种类较少,兼有零星生长的松树、刺槐等。由于树形及其他原因,其林下光照条件较好,虽然灌木草本比松林的种类少些,但也比较发达。分布的灌木有荆条、胡枝子、酸枣;草本植物有白羊草、远志、白薇、茜草。侧柏林群落所在地大多在石灰岩母质发育的土壤上,土层厚,长势良好,树相整齐,群落稳定[20]。

3.5 治理和效益相结合

诸多治理方案中,最有效也是最不易操作的是引入社会资本,结合其他方案,让治理不止停留在出资治理,而让治理和效益相结合,提高各方治理的积极性、主动性。迁安金岭矿山传奇公园如图10所示。公园总占地面积676 hm2,计划投资8.5亿元,规划建设期为10年,拟分3期建设农业灌溉区、农旅休闲产业区、产业物流加工区、水上娱乐区、山地极限运动区和综合服务区“六大分区”,集生态旅游、休闲观光、亲子娱乐、运动拓展、康养度假于一体,打造世界级矿山主题乐园、华北地区亲子旅游目的地。

图10 迁安金岭矿山传奇公园Fig.10 Qian′an Jinling Mining Legend Park

金岭矿山传奇公园不仅种植了10万余株油松、白皮松,种植了445.15 hm2的“花海”,增加了3 km观光火车、1.5 km景观河道,还修复了4座山体;通过回填采坑,土地复垦,实现新增耕地33.80 hm2。同时,金岭矿山公园通过“三连”模式带动本地群众:“景村连体、园民连利、绿富连兴”。

4 结语

我国露天矿山的地质环境形式十分严峻,国家越来越重视环境保护,对矿山的治理恢复,是一项造福国家和人民的系统工程。在开发矿产资源的同时,应采取相应措施保护矿山环境,以减少露天开采对环境造成的破坏。笔者总结了排土场种植沙棘、缓坡鱼鳞坑栽植灌木、陡坡采用植生袋、绿化植被本土化等治理效果较好的新兴技术,探讨了引入社会资本等治理和效益相结合的治理修改技术,可以有效的预防地质灾害,改善露天矿山的地质环境,实现可持续发展。