新建吕东沟钒矿生态环境恢复治理研究

冯彦虎

(金堆城钼业集团有限公司,陕西 渭南 714026)

0 引 言

近年来,随着各国对生态环境的重视程度逐渐加强,国内外对于矿山生态环境恢复治理问题的研究也在逐步深入,并且取得了一定的研究成果,如地表土保存技术、废弃地改造技术、植被恢复技术等[1]。对于“生态恢复”这一概念,目前国内外学术研究领域乃至实践领域,都在探索的初步阶段,尚未有统一的解释,广义上是指将人类生产生活中破坏的生态系统恢复生物多样性和动态平衡,通过采用科学的生态恢复技术与手段,再现该地区生态系统的自然原始功能和结构。因此,针对矿山的特殊情况,即其开采中对水文地质造成了较为显著的破坏,不仅有地表生态环境的改变,还包括岩土层结构、性质等方面的改变,在矿山生态恢复理念指导下,要求矿山生态恢复必须遵循因地制宜与农地优先、自然属性与社会属性相结合、两点论与重点论统一、可持续利用等基本原则[2]。

山阳县位于陕西省东南部,钒矿资源丰富,是陕西省钒矿的主要分布地区,该区域的开采方式主要为地下开采。合理开发利用当地的钒矿资源,对于振兴山阳县地方经济,具有十分重要的意义。吕东沟钒矿位于山阳县城东南,根据矿山地质详查报告,该钒矿资源较丰富,开采技术条件比较简单,矿区附近公路交通条件较好,水电条件有保证,具备开发建设条件。2007年某投资公司决定对该矿山进行开发建设,于同年完成了该项目的可行性研究报告、选矿扩大试验报告等前期设计文件,委托西安地质矿产研究所编制完成该矿山环境影响报告书,并于2007年9月取得原陕西省环境保护厅批复。

该项目于2008年2月开工,首先开展矿山主平硐掘进工程建设,于2008～2012年间在矿区断续进行基建施工,后因该投资公司经营不善,基建工程基本停滞,直至2019年,该投资公司股权变更后更名为某钒业公司(统一社会信用代码不变),于2019年8月重新启动矿山建设,目前仍处于矿山基建期。

由于该钒矿废石场、尾矿库等地面工程规模大、占地面积广,降低了矿山生态环境质量。为深入开展国家级“绿色矿山”建设,保障矿山生态安全,本文拟通过吕东沟钒矿矿山生态环境恢复治理的深入研究,提出相应的生态环境保护与恢复治理方案并科学有序组织实施,以期有效促进现代矿产资源开发与社会经济的协同高质量发展[3]。

1 生态环境现状概况

1.1 环境污染与影响现状

1.1.1 主要环境污染源

目前矿山仍处于基建施工期,主要建设内容为井巷掘进,尚未正式投产使用,主要环境污染来自施工期的各类环境污染源。基建期矿山主要环境污染源情况见表1。

表1 矿山主要环境污染源

1.1.2 环境影响现状

矿山开发中对生态环境的影响因素包括环境污染和生态环境破坏两方面,具体情况见表2。

表2 矿山开发中生态影响因素一览表

1.2 生态环境破坏与主要生态问题

1.2.1 土地资源与生态环境破坏现状

1.2.1.1 土地压占损毁情况

矿山施工已造成的土地资源影响情况见表3。由表3可知,目前矿山基建已经造成了1 830 m2的土地压占、挖损。其中,炸药、雷管库为矿山服役期内永久占用,2处施工场地为基建期临时占用,将在施工结束后进行生态恢复,施工平硐口处有部分废石堆放,该地点在原设计废石场范围以外,应尽快清理废石至指定废石场并恢复原有地貌。

表3 矿山建设现阶段土地资源影响情况 ×104m2

1.2.1.2 景观破坏情况

由于新建矿山为地下开采矿山,无地表采坑,对景观影响相对较小,仅施工营地对局部山体景观有所影响,但3#废石场西北硐掘进废石沿山体倾倒处形成了以弃土弃渣为主的裸露岩面与堆石堆渣地貌,与周边绿色林地景观存在明显视觉差异分隔[4]。

1.2.2 现存主要生态问题

1.2.2.1 废石堆放与边坡破坏

根据钒业公司统计资料,2008～2012年间基建施工共产生废石约1.5×104m3,全部沿硐口东北侧山体直接倾倒入山下3#废石场范围,垂直高差约120 m,已形成了大约4 300 m2的碎石坡面;2020年恢复基建至今共产生废石约6 500 m3,全部堆存于3#废石场场内,但该废石场未按照原设计要求修筑截排水、挡墙等防护措施,也未对沿山坡倾倒的废石坡面采取有效的防冲刷防流失措施。

此外,为压缩施工工期,自2021年4月起钒业公司实施了1100巷道掘进工程,已开凿1000、1050东、1050西3个平硐,掘进场地约为1000平硐130 m,1050东平硐120 m,1050西平硐100 m,累计产生掘进废石约5 000 m3,一部分用于平硐口上山道路、回车场地的填垫,但未设置拦挡措施,存在滑坡隐患;还有约2 900 m3废石直接堆存于掘进施工现场与原设计的1#废石场内,但1#废石场也未建设挡墙、截排水等防护设施。

矿山投产后,产生废石将全部存放于1#、2#废石场内;钒业公司计划于2023年完成对3座废石场的标准化建设工程,将3#废石场内全部主平硐掘进废石与前期基建遗留废石将用于选冶厂北侧的某河道防洪工程修筑,将掘进施工现场乱堆废石清运入1#废石场内。

1.2.2.2 药库北侧边坡

矿山炸药、雷管库房已于2020年开工建设并于同年投入使用,库房占地面积约1 700 m2,位于矿区西南的某村,据现场勘查,库房已经采取了包括地面硬化、上游截排水、北侧场界修筑1.5 m砌石挡墙等措施,但场址东—东北侧边坡仍有大面积裸露山体,既影响局地景观,也存在暴雨冲刷影响库房安全隐患。

根据实地调查结果,结合现阶段已建成工程与原环评批复中相关要求的对照性分析,明确现阶段矿山建设存在的主要问题及相应治理措施见表4。

表4 矿山现存主要生态问题及相应治理措施

2 生态环境治理任务

2.1 总体方案设计

2.1.1 生态环境治理功能分区

根据矿山资源开发利用方案、矿山生态环境问题的类型、分布特征及其危害性(见图1),结合生态环境影响预测结果,将本次方案治理区域分为采矿工程区、选冶工程区2个大功能区与井巷施工区、废石场区、选冶厂区、尾矿库区等多个小功能区,又可按照影响程度分为严重影响区、较严重影响区与较轻影响区[5],见表5。

图1 矿区示意图

图2 典型生态治理工程设计图

表5 生态环境影响治理分区情况×104m2

2.1.2 方案总体设计

本次治理方案整体设计见表6。

表6 生态环境治理整体方案

2.2 典型生态治理工程设计

具体工程分述如下：

2.2.1 采矿工程区

2.2.1.1 现有废石堆放问题整治

2.2.1.1.1 吕东沟内废石清运

先采用大型施工机械清运地表堆积废石,再对清运后场地地面进行二次清理,清理剩余碎石、岩屑等,彻底清运地面杂物后对场地进行翻耕,翻深>80 cm,随后整平场地覆盖50 cm种植土层播撒紫花苜蓿草种。

平硐外边坡覆盖50 cm种植土层播撒紫花苜蓿草种,边坡底部修筑拦渣墙挡护,墙高1.5 m,基础埋深200 mm,墙趾顶厚200 mm。墙顶用M7.5级的水泥砂浆抹平,厚度≥20 mm,挡土墙外露面用M7.5水泥砂浆勾缝。

2.2.1.1.2 3#废石场东北边坡加固

主平硐东北边坡治理工程生态恢复工程采用挂网喷播生态基材的方式进行试验[6],施工方案如下。

(1)坡面清理：先清理坡面浮石、浮根,整平施工区域。

(2)锚钉施工：电钻成孔,孔径为φ42 mm,孔深15～30 cm,灌注砂浆固定。

(3)挂网：在锚钉基础上覆盖一层外覆PVC材料的铁丝网(丝径2 mm、网孔5 cm×5 cm),每隔30 cm用铁丝扎紧,铁丝网铺设应从坡顶向外延伸100 cm,相邻铁丝网之间的搭接宽度控制在10 cm左右。为确保基质能够有效附着于网上,施工中可采用垫竹片或安装水泥垫块等方法,保证网与坡面间距在 2～3 cm。

(4)基材喷播：绿化基质(含糠壳、纸浆等纤维材料)、植生土(包括泥炭土、生物有机肥等)与粘结剂按设计体积比倒入搅拌机搅拌,再加入保水剂、水、种子等二次搅拌,随后进行喷播,喷播前应先润湿坡面及挂网,以提高基材附着效率。喷播应从正面进行,顺序自上而下,左右来回覆盖,做到喷播面厚薄均匀。

(5)铺设无纺布：为提高喷播基材固定率与成活率,喷播施工结束后用透气无纺布从上至下进行铺盖作业面,无纺布规格15 g/m2,用U型钉固定。待种子大部分出苗后揭除。

(6)养护管理：前期采用高压喷雾器使水呈雾状均匀润湿基材面,避免水流直接冲击,根据天气情况控制浇水量,并在水中加入广谱抗菌剂与液肥,防治植物病虫害。待在草苗成坪、苗木生长正常后(45～60 d后)逐渐减少浇水次数,但在旱季应视天气情况进行人工护理,以确保植被成活率。

2.2.1.2 1#～3#废石场标准化建设

2.2.1.2.1 截排水设施

截水沟沟身混凝土为C25,垫层混凝土为C15。纵向钢筋采用直径为10 mm的HPB300(Ⅰ级)钢筋,横向钢筋采用直径为12 mm的HRB400(Ⅲ级)钢筋,边沟每15～25 m设置一道伸缩缝,在截水沟末端设置沉砂池一座用于收集上游雨水回用于矿山生产。

2.2.1.2.2 拦挡设施

在废石场下游坡脚处,修建拦渣墙,墙高10 m,基础埋深800 mm,墙趾顶厚200 mm。墙顶用M7.5级的水泥砂浆抹平,厚度≥20 mm,挡土墙外露面用M7.5水泥砂浆勾缝。

挡墙外侧若有排水沟,在挡墙与排水沟之间设备浆砌片石边沟平台,平台宽1 m,为便于向截水沟汇水,横向坡度>1%。

1#、2#、3#废石场的拦渣墙长度分别为60 m、70 m和50 m,总长180 m。

2.2.1.2.3 废石边坡加固

(1)边坡处理。废石场边坡应按照设计要求坡度和高度进行放坡,边坡削坡宜自上而下进行,土方开挖采用机械与人工相结合的方法施工,削坡机械采用反铲与推土机、装载机开挖,推土机及装载机就近运输至填方位置,避免远距离运输和过量开挖。边坡修整至设计坡度和高度后,清理表面大块废石并夯实坡面[7]。

(2)覆土绿化。由于边坡和平台表面大部分为废石,不能直接用于苗木栽植和生态恢复,需覆盖黄土后方可进行后期复垦。为防止废石直接暴露和雨水渗入堆体内,设计覆土2层,下层为阻隔层,覆20 cm厚的粘土,并压实,防止雨水渗入固体废物堆场内;上层为耕作层表土,覆土厚度50 cm。

覆土摊铺顺序：堆土场地准备→土料拉运到场→铲车收集土方成堆→人工配合挖机进行土料摊铺→按照设计标高要求进行整形处理。

摊铺耕植土后应连续进行并应及时修整拍压,防止后期大量沉降。耕植土应摊铺均匀,摊铺平均厚度50 cm,误差不大于5 cm。种植土回填完成后应及时覆盖,防治雨水冲刷。

覆土后坡面采用紫花苜蓿草籽按照4×10-3kg/m2规格撒播种植。在草籽撒播前,选择优良种籽做好发芽试验和催芽处理,根据气候条件温度,预先1～2 d 将草籽浸水处理。播种前,先将坡面土壤整理压平,浇透水,1～2 h后,将预播草籽均匀撒播到表土中,后覆盖薄层细土,以看不见种子为度。视天气情况,可考虑覆盖薄膜、苇帘以达到保湿保温的目的,待出芽后,撤除覆盖物。

前期约45 d,每天早晚各养护一次。向阳坡面应在早晨10点之前和下午16点之后进行。养护中期以自然雨水养护为主,每月喷水两次,并视植株长势追施肥料。养护后期视植物长势定期护理,逐步进入自然生长状态。

2.2.1.3 炸药库边坡加固

石砌护坡厚度≥200 mm。铺砌层的底面设置0.10～0.15 m厚的碎石或砂砾垫层,最下面一排泄水孔距地面高度≥300 mm,泄水孔间距2 m,采用100 mm×100 mm的方孔。

2.2.1.4 施工营地生态恢复

拆除现有临建彩钢房,转移施工机械设备后彻底清扫铲平地面杂物,对场地进行翻耕,翻深>80 cm,随后覆土,覆土厚度50 cm,播撒紫花苜蓿草籽绿化。

2.2.1.5 矿山道路绿化

目前矿山道路均为砂石路面,计划先对道路外侧表面松散石块进行清理,沿坡脚修筑1.5 m砌石挡墙以确保道路行车安全。整修后道路改为沥青混凝土路面,宽5 m,并对道路外侧的挡墙和路肩进行覆土,覆土厚度50 cm,其中主平硐运矿道路沿边坡种植1行油松作为行道树,间距2 m,2棵乔木间种植1棵小叶女贞等景观灌木,并播撒白车轴草、大波斯菊等景观草种点缀;吕东沟内联络道路沿靠沟道一侧种植1行小叶女贞灌木绿篱,2丛灌木间播撒景观草种点缀。

2.2.2 选矿工程区

2.2.2.1 选冶厂绿化

2.2.2.1.1 场地道路两侧行道树

在选冶厂区进场道路与厂内主干道两侧栽植1行行道树防护林带,树株距3.5 m,树种选用黄栌或油松组合,株间种植80 cm×200 cm小叶女贞或金丝桃灌丛。总种植面积约1 500 m2。行道树带春季进行整地,乔木穴状整地50 cm×50 cm×50 cm,灌木穴装整地30 cm×30 cm×30 cm。栽植时将完全风化的石块清除出坑外,并将坑外风化生土填入坑内,以利于蓄水保墒,提高成活率。

2.2.2.1.2 厂区景观绿化

在选冶厂区空地上种植绿化美化植被,树种与现有一致,以当地适生的珍珠梅、金丝桃等草灌木为主,穿插种植其他观赏类绿篱苗木,面积600 m2。车间厂房周边空地播撒白车轴草与波斯菊草籽,草地面积约2 500 m2,场地绿化率15%。

2.2.2.2 尾矿库区治理工程

2.2.2.2.1 表土整体剥离

库区清基开挖的弃土应在3#废石场内开辟专门堆放场地作为表土转运场,全部用于矿区复垦绿化。弃土堆高6 m,进行临时防护,采用三层草土袋压坡脚,表面覆盖彩条布防止冲刷流失。

2.2.2.2.2 初期坝面绿化

坝体设计复垦为草地,坝面先碾压平整,再覆耕植土50 cm,撒播草籽选用紫花苜蓿与高羊茅按照1∶1比例混合。草种采用撒播的方式进行播种,播种标准8×10-3kg/m2。

2.2.2.2.3 库区道路施工

(1)临时占地恢复。库区道路施工结束后对施工遗留临时占地清理完遗留建筑垃圾杂物后统一整平覆盖50 cm黄土,播撒紫花苜蓿草种绿化。

(2)道路绿化。道路两侧种植油松,株距2 m,采用60 cm×60 cm×50 cm穴装整地,一穴一株,总长1.15 km。

2.3 资源综合利用措施

2.3.1 废水回收利用

矿山矿坑水、尾矿库回水全部用于矿山洒水和选冶厂生产用水,回用率100%。每年可节约用水117.48×104m3。

2.3.2 氨的回收利用

对沉钒工序产生的高浓度含氨废水采取脱盐工艺回收氯化铵和伴生的氯化钠,回收利用率90%以上;对干燥热解工序氨气采稀盐酸饱和吸收装置回收氯化铵后用于沉钒工艺,氨回收利用率98%。

2.3.3 固体废弃物综合利用

脱硫石膏渣可用于水泥原料,净化高含钒渣可用作浸出原料,脱盐和氨吸收产生的氯化铵可作沉钒原料,脱盐副产品氯化钠可用于工业盐加工等,钒业公司计划后续进一步探索废石和尾矿的利用措施,最大限度回收利用资源[8]。

2.4 生物多样性保护

2.4.1 就地保护

对于受损程度较低的林地与草地植被,人工机械恢复将对受损地周边植被造成影响,故建议对于轻度受损的野生植被以及原始生境保存较好的中度受损植被采取自然恢复与人工巡护结合的方式,尽量减少对原始植被的侵扰。

2.4.2 人工栽培物种选择

为减少人工引入物种对本地原始植被的影响,参考矿山现有设施土地复垦经验,推荐采用本地广布的适生树种进行后期的生态恢复与重建工作。结合矿山周边苗圃种苗种植情况,推荐选用树种如下：

(1)乔木：复垦树种推荐选用油松。根据现状植被调查,油松属当地造林广泛采用的树种,普遍分布于整个调查范围内,具有生长快、能适应多种土壤等特性;道旁景观树种选择黄栌,黄栌为当地本土树种,适生性强,也是良好的造林树种。

(2)灌木：推荐选用女贞、金丝桃、珍珠梅等当地广布种作为景观美化灌木。

(3)草种：参考山阳县其他矿山复垦经验,推荐选用紫花苜蓿与高羊茅作为复垦初期播撒草种,紫花苜蓿抗逆性强,适应范围广,能生长在多种类型的气候、土壤环境下,其根系发达,水土保持效果较好,且作为豆科作物能够通过根瘤提高土壤肥力,改善土壤耕性,能够为后期植被演替提供营养保障。

2.4.3 宣传教育

矿山建设与开采时应加大对自然资源、生物多样性和周边生态环境保护的宣传力度,增强职工与周边群众的保护意识。让人们了解保护自然、保护濒危物种的重要性,增强人们保护珍稀濒危物种的意识,使保护生态环境成为公民的自觉行动,同时应加大对破坏植物资源及生存环境者的处罚和制裁,严禁滥砍滥伐和乱捕乱猎等行为。

3 治理效果及效益分析

矿山生态环境恢复治理工程也是防灾工程,其经济效益主要表现为减灾效益、增值效益和资源回收利用节约成本[9]。其中减灾效益等于无防灾工程时可能造成的直接经济损失与有防灾工程时可能造成的直接经济损失之差,例如炸药库边坡治理工程与废石场标准化改造工程能够减少因滑坡泥石流等地质灾害引起的经济损失,降低安全风险;增值效益主要体现在恢复的林草地,林木及牧草产量较大,可产生可观的经济收入;另外,各项综合利用指标的提高,也可节约大量成本,如矿坑涌水和尾矿水回用于选矿用水可节约选矿新鲜用水成本,生态环境治理方案的实施能够产生可观的经济效益。

此外,以上生态环境治理方案的实施,一方面可以吸纳部分社会劳动力,提供就业机会,增加村民收入;另外一方面矿山环境将逐渐得到改善与优化,复垦后的原有占地,随着生态系统的不断演替,生态系统功能将得到加强,周边居民的生产和生活条件也得到相应的改善,将会产生客观的社会效益[10]。

4 结 语

本次新建吕东沟钒矿生态环境恢复治理研究坚持“系统全面,突出重点”原则,首先科学划分采矿工程区、选冶工程区等2个大功能区与井巷施工区、废石场区、选冶厂区、尾矿库区等多个小功能区;其次结合吕东沟钒矿矿山开发利用实际提出并有序实施生物、工程、信息化和管理等措施为主的生态环境恢复治理方案;最后以典型示范工程和以点带面分步实施的方式,逐年将工程措施、植被措施及监控措施等稳步推动全面实施。全文广泛应用矿山生态环境恢复治理新技术、新方法,全面提高吕东沟钒矿生态环境保护和恢复治理成效和水平,为类似矿山企业开发利用和生态环境保护提供借鉴实例,期待共同助力实现矿产资源开发与社会经济协同高质量发展的目标。