福建永安灰?guī)r礦山露采區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞及治理

黃光明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建 福州 350005)

近年來，對礦山的環(huán)境問題及治理保護(hù)越來越重視，已有較多針對礦山環(huán)境問題的宏觀研究見諸文獻(xiàn)[1-3]，提出了分區(qū)治理方法并論述了生態(tài)恢復(fù)的可行性。福建省也加大了綠色生態(tài)環(huán)境的建設(shè)力度，黃毓明[4]在福建省礦山環(huán)境及區(qū)劃研究中明確指出永安灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境為嚴(yán)重區(qū)，亟需投入較大的人力物力進(jìn)行治理，以改善當(dāng)?shù)氐V山生態(tài)環(huán)境；程慶展[5 ]、張業(yè)智等[6]、饒如龍等[7]、姜宏汝等[8]分別從機制、法制、政策、資金保障、技術(shù)等方面對礦山環(huán)境生態(tài)治理進(jìn)行研究與探討，如實行相關(guān)制度,對環(huán)境破壞嚴(yán)重的礦山采取閉坑,建立專門的基金實施礦山土地復(fù)墾等。

灰?guī)r礦山環(huán)境問題現(xiàn)嚴(yán)重影響我國的生態(tài)環(huán)境，也引起國家的高度重視，雖然前人已從不同視角取得了一定的研究成果，但灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境是一個開放的系統(tǒng)[9]，受區(qū)域地質(zhì)條件、氣候背景、人類采礦活動強度及開采方式、開發(fā)程度等多因素影響，表現(xiàn)出不同的生態(tài)環(huán)境問題及特點，其治理方式和綜合利用規(guī)劃需經(jīng)具體分析方可擬定。福建省永安市灰?guī)r采區(qū)多位于永安曹遠(yuǎn)一大湖盆地內(nèi)，灰?guī)r作為重要的工業(yè)用料，為永安地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了較大的貢獻(xiàn)。與此同時，由于前期粗放式開采遺留下較多的廢棄礦坑，引起一系列環(huán)境破壞問題。主要的破壞表現(xiàn)為灰?guī)r露采場形成的高陡邊坡呈“鬼剃頭”狀，植被破壞，嚴(yán)重影響地貌景觀，并引起水土流失，也隱藏著崩塌、滑坡的隱患；廢渣棄土不合理占地既浪費了土地資源，也成為了泥石流隱患。本文在充分收集研究區(qū)灰?guī)r露采區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合三明城市地質(zhì)調(diào)查項目野外調(diào)查及室內(nèi)試驗情況，針對所暴露的地質(zhì)環(huán)境問題、生態(tài)治理的影響因素、綜合利用措施進(jìn)行研究和討論。

1　礦區(qū)自然地理與地質(zhì)環(huán)境背景

1.1　自然地理條件

永安市位于福建省中部，地處武夷山脈和戴云山脈之間，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。受大陸性和海洋性季風(fēng)的影響，區(qū)內(nèi)氣候溫暖潮濕、降水充沛、四季分明，多年平均降水量1 587.6～1 855.2 mm，雨量具有年、季節(jié)的變化，3—9月份降水量占全年的73.51%；其中5—6月份降水量占全年35.11%，7—9月多為臺風(fēng)降雨，短時降雨量大且集中，暴雨極易引發(fā)山洪。

1.2　地質(zhì)環(huán)境背景

區(qū)內(nèi)巖溶現(xiàn)象發(fā)育，巖溶作用以侵蝕-剝蝕作用為主，為中-強巖溶發(fā)育，地貌上為以巖溶洼地、溶蝕殘丘為主的巖溶盆地，巖溶洼地標(biāo)高多在215.0 m左右，溶蝕殘丘山頂標(biāo)高多在320～425 m，地下溶洞呈成層發(fā)育，其中在標(biāo)高200～220 m溶洞發(fā)育較為密集。區(qū)內(nèi)地下水類型為碳酸巖巖溶水，據(jù)調(diào)查，水位標(biāo)高多在210.0 m左右，區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面在210.0 m左右。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為二疊紀(jì)地層和第四紀(jì)地層(見圖1)，分述如下：

1)早二疊紀(jì)船山組(P1c)：灰、灰白色厚層質(zhì)純微晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，產(chǎn)狀SE115～120°，<18～25°，厚度220 m。

2)中二疊紀(jì)棲霞組(P2q)：深灰-灰黑色中薄層含燧石微晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，產(chǎn)狀SE125～136°，<20～30°，厚度486 m。

3)中二疊紀(jì)文筆山組(P2w)：灰、灰黑色薄-中厚層泥頁巖、粉砂巖夾少量細(xì)砂巖。

4)第四系紅粘土(Qel)：為灰?guī)r風(fēng)化、溶余物，分布廣泛。含有未風(fēng)化完全的灰?guī)r角礫；具大孔隙，厚度0～35 m。

1.3　礦區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題及危害

礦區(qū)內(nèi)主要開采對象為溶蝕丘陵體，基本為山坡露天階梯式開采，展布標(biāo)高為215.00～401.44 m，其中多數(shù)處于215～225 m和245～250 m兩個標(biāo)高平臺處。由于礦山開采時存在著采富棄貧、亂采濫挖的現(xiàn)象，廢棄后遺留下不同高度、坡度的人工切坡、采坑，同時產(chǎn)生了大量的廢渣，占用了土地，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，加劇了區(qū)內(nèi)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題(圖2)。

武強[10]在研究我國礦山環(huán)境問題的性質(zhì)和影響時將礦山環(huán)境問題分為:三廢問題、地面變形問題、礦山排(突)水和供水與生態(tài)環(huán)保的矛盾問題、水土流失和荒漠化(石漠化)等五大類。礦山的開采開發(fā)對于周邊環(huán)境的影響首先體現(xiàn)為對巖、土和植被的原始狀態(tài)進(jìn)行了改變，其次對土地資源造成了破壞(占用)并可能引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)本次野外調(diào)查情況，現(xiàn)將研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山環(huán)境問題及其誘發(fā)的綜合環(huán)境效應(yīng)劃分為3大類(表1)，即:占用與破壞土地資源、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害以及自然景觀與生態(tài)破壞。

表1　礦山地質(zhì)環(huán)境問題及綜合環(huán)境效應(yīng)分析Table 1　Problems of environmental geology in mines and environmental effects

如表1所示，由于露天無序開采、開挖、爆破造成了自然景觀破壞、生態(tài)系統(tǒng)失衡、土地資源占用及破壞、次生地質(zhì)災(zāi)害隱患等諸多環(huán)境問題。據(jù)《2014年福建省永安市地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果報告》[11]及本次研究的野外測繪調(diào)查成果，區(qū)內(nèi)對土地資源的占用破壞達(dá)97.78 hm2，產(chǎn)生崩塌12處、滑坡2處、泥石流1處、水土流失等，開發(fā)區(qū)域水土流失面積約占總水土流失面積的2%，對周邊的生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞，在土地資源破壞、水土流失、次生地質(zhì)災(zāi)害等方面的問題較為嚴(yán)重[4，6]。

2　灰?guī)r礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題特性分析

灰?guī)r露采礦山與其它類型露天礦山引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題存在共性，其生態(tài)修復(fù)治理效果的影響因素都包含礦山邊坡穩(wěn)定、棄土(渣)場穩(wěn)定、采坑治理、環(huán)境污染治理和植被恢復(fù)等多個方面。但另一方面，灰?guī)r礦山又因其巖性特征而有所區(qū)別，即灰?guī)r礦山在不同的區(qū)域地質(zhì)條件和氣候背景下易產(chǎn)生差異性巖溶溶蝕，這將很大程度上影響到灰?guī)r露采礦山生態(tài)修復(fù)治理的有效性和長效性。

灰?guī)r的溶蝕速率主要受巖性成分、裂隙發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件、氣候條件等因素控制。本次研究礦區(qū)內(nèi)灰?guī)r地球化學(xué)主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析結(jié)果如表2所示。

表2　研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r主要成分Table 2　Main compositions of limestone in the surface mining area

表2中，樣號與圖1中“采樣點”對應(yīng)，CaO/MgO為影響巖溶發(fā)育的主要巖性成分指標(biāo)，研究區(qū)內(nèi)灰?guī)rCaO/MgO比值范圍99.36～204.48，平均值為154.15，據(jù)趙吉發(fā)[12]研究，當(dāng)CaO/MgO值大于10時其相對溶解度趨于1，將有利于巖溶發(fā)育，這與該區(qū)域內(nèi)已剝露的灰?guī)r巖溶現(xiàn)象(溶溝、石芽)異常發(fā)育基本吻合(圖2)。在裂隙發(fā)育方面，灰?guī)r礦山的開采過程中對原始巖體產(chǎn)生了破壞，遺留下破碎的巖面，裂隙發(fā)育，在一定的氣候條件下，有利于巖溶發(fā)育。在水文、氣候方面，區(qū)內(nèi)受亞熱帶季風(fēng)氣候作用，3—9月份降水量占全年的70%，雨量分布不均，在引發(fā)季節(jié)性物理干旱、嚴(yán)重限制成土速率和植被生長[13]的同時，也造成雨季大強度集中降水對巖面的劇烈沖刷侵蝕，進(jìn)而引起巖體崩落。另外出于生態(tài)復(fù)綠需要在巖面上覆蓋種植的各類植物，其凋零物經(jīng)過腐化和微生物分解產(chǎn)生有機酸和CO2，酸性物質(zhì)同雨水結(jié)合后滲入巖石裂隙中，進(jìn)行緩慢溶蝕，受損巖面在應(yīng)力-水流-化學(xué)的耦合作用下更加容易產(chǎn)生溶蝕和力學(xué)性質(zhì)變化[14]。因而在治理時尤其需要考慮灰?guī)r可溶性這一特性，巖溶的發(fā)育將嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性及治理的長效性。

由于區(qū)內(nèi)灰?guī)r主要成分為CaO，能夠引起環(huán)境污染的重金屬及其他有害物含量極低(表2)，故灰?guī)r礦山棄土(石)場不存在重金屬污染等問題，但對土地資源的大量占用、浪費仍然需要予以重視，在綜合治理及應(yīng)用中需要重視的是生態(tài)修復(fù)有效性及綜合利用的風(fēng)險控制。場內(nèi)棄土與灰?guī)r碎石混合，平整度差，自然狀態(tài)下成土率低，植被覆蓋有限，在強度變化較大的雨水沖刷下，極易產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失，從而引發(fā)荒漠化問題。因而在進(jìn)行場地修復(fù)時，除進(jìn)行必要的平整處理、工程穩(wěn)定處理外，還應(yīng)重視客土回填厚度把握和植被引種的選取，以保證植物的成活率和固土有效性。

3　灰?guī)r礦區(qū)生態(tài)治理措施探討

依據(jù)前文的討論，研究區(qū)灰?guī)r礦山環(huán)境治理應(yīng)綜合考慮灰?guī)r在一定的氣候下有溶蝕的作用特殊性，采用分區(qū)治理模式[2]，將治理的有效性、長效性相結(jié)合，將礦石開采對地質(zhì)環(huán)境所造成的影響降到最低。在進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境治理時，各方應(yīng)結(jié)合礦山工程地質(zhì)條件，并在《環(huán)境保護(hù)法》《礦產(chǎn)資源法》《福建省礦山環(huán)境保護(hù)管理條例》《水土保護(hù)法》《地質(zhì)災(zāi)害防治管理辦法》等法律、法規(guī)框架下開展設(shè)計施工，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定支護(hù)、土地復(fù)墾、地貌景觀改善、廢棄礦山綜合利用等[15]。

3.1　開采面邊坡治理措施

區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山宕口邊坡含基巖、土質(zhì)、土巖混合邊坡(圖2)3類，各類邊坡性質(zhì)差異較大，邊坡治理應(yīng)按不同類型區(qū)別對待。

針對巖質(zhì)邊坡，治理措施為：(1)處理邊坡上的危巖。要詳細(xì)調(diào)查巖層傾向、傾角、裂隙發(fā)育情況、邊坡形態(tài)等影響穩(wěn)定性的要素，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，及時清除露采坡面的危石，防止發(fā)生巖塊崩落、滾落等崩塌地質(zhì)災(zāi)害；(2)在邊坡的上方修建截排水溝，防止水流強烈沖刷邊坡。(3)施工SNS被動防護(hù)網(wǎng)。由于當(dāng)?shù)貧夂蛴绊憛^(qū)內(nèi)有利巖溶作用，受降雨及植物腐植酸影響，溶蝕作用強烈，采場巖面不可避免地產(chǎn)生落石，建議采用SNS被動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行治理。SNS柔性防護(hù)網(wǎng)通過局部錨固，形成柵欄式的攔石網(wǎng)，此種防護(hù)網(wǎng)允許落石在相對限制空間內(nèi)順坡滾落至坡腳或坡上平臺[16]，能夠有效攔截因長期巖溶作用而形成的滾石，保證邊坡穩(wěn)定的長效性。圖3是SNS被動防護(hù)網(wǎng)及植被混凝土復(fù)綠邊坡示意圖。(4)噴植被混凝土進(jìn)行坡體綠化，以復(fù)綠采場邊坡。植被混凝土施工技術(shù)要點：將植被混凝土原料噴射到巖石坡面，厚度控制在8～10 cm。噴射完畢后，覆蓋紡布防曬保墑，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)可在坡面形成植被覆蓋[17-19]。

土質(zhì)邊坡、土巖混合邊坡的支擋工程措施包括擋墻、抗滑樁、錨索框架(地梁)等。區(qū)內(nèi)該類邊坡宜采用下部擋墻、上部錨索框架格構(gòu)，在保證邊坡穩(wěn)定的同時也對恢復(fù)植被及美化環(huán)境有利。具體恢復(fù)治理措施為：(1)對邊坡進(jìn)行修整；(2)下部施工擋土墻，高度6～8 m，上部施工錨索框架格構(gòu)；(3)在邊坡的上方修建截排水溝，防止沖刷邊坡；(4)對邊坡進(jìn)行坡體綠化，混種草、灌木，灌木為胡枝子、多花木藍(lán)等植物，以防止表土溜滑、地表水入滲及沖刷邊坡，平臺施種馬尾松以復(fù)綠采場。

3.2　棄土(石)場治理措施

區(qū)內(nèi)土地資源框架為“八山一水一分田”，土地資源捉襟見肘。目前當(dāng)?shù)卣趯嵤┤魃鷳B(tài)工貿(mào)區(qū)永安貢川園建設(shè)，用地更為緊張。對于已廢棄的采場及棄渣堆場建議按不同標(biāo)高段215～225 m、245～250 m分別進(jìn)行利用。

針對標(biāo)高215～225 m的采場，依照政策對區(qū)內(nèi)采場及棄渣堆場的無證、有證礦山進(jìn)行了關(guān)停閉坑，并不再續(xù)期。關(guān)閉后的采場及堆場可考慮作為建設(shè)用地，以避免與耕地競爭。為更好地解決礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理資金來源，更好地實現(xiàn)土地資源利用，可嘗試建立“誰治理、誰受益”的治理制度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的互利互贏。

針對245～250 m的采場及棄渣堆場，宜采用土地復(fù)墾進(jìn)行恢復(fù)治理，治理目標(biāo)為林地，可選擇植草、灌木、喬木的立體植被模式[20]，樹種為馬尾松，灌木為胡枝子[21]。具體有如下4條恢復(fù)措施。(1)平整場地。對場地進(jìn)行適當(dāng)平整，坡度≤5°。(2)修建截排水溝。在堆場的四周和采場內(nèi)側(cè)(采場邊坡的下側(cè))分別修建排水溝，防止沖刷造成水土流失。(3)覆土。覆土整平，達(dá)到恢復(fù)土地植種的功能，按照喬木(馬尾松) 覆土標(biāo)準(zhǔn)0.60 m進(jìn)行覆土，并施基肥。(4)生物措施。按草、灌木、喬木的立體植被模式進(jìn)行種植(圖4)。

3.3　治理模式的推廣應(yīng)用

灰?guī)r露采礦山在不同的區(qū)域地質(zhì)條件和氣候背景下產(chǎn)生不同強度的巖溶溶蝕作用，尤其在亞熱帶降雨充沛區(qū)域內(nèi)，氣候極有利于灰?guī)r礦山的巖溶作用，易使灰?guī)r開采邊坡在巖溶溶蝕下失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌掉塊隱患，并在很大程度上影響灰?guī)r露采礦山地質(zhì)環(huán)境治理的有效性和長效性。由于礦山環(huán)境是一開放的系統(tǒng)，灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境治理因地制夷是關(guān)鍵，并把當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展和土地綜合開發(fā)利用需求作為礦山生態(tài)治理的重點目標(biāo)。福建處于亞熱帶降雨充沛區(qū)，省內(nèi)其它地區(qū)的露采灰?guī)r礦山可參照此模式進(jìn)行治理，使礦山開采活動破壞和影響的地質(zhì)環(huán)境得到治理，破壞和壓占的土地資源得到恢復(fù)，更長效性地消除地質(zhì)災(zāi)害隱患和恢復(fù)美麗生態(tài)環(huán)境。

此外，由于區(qū)內(nèi)降雨充沛，地表徑流相對穩(wěn)定，構(gòu)造斷裂發(fā)育，溶蝕作用強烈，建議選擇適當(dāng)區(qū)域建立灰?guī)r礦山生態(tài)恢復(fù)治理實驗室，將裸露的未治理區(qū)和已治理區(qū)進(jìn)行綜合對比，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對治理措施進(jìn)行實效性評價，并指導(dǎo)其它區(qū)域類似礦山的治理。

4　結(jié)論

本文結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料和野外調(diào)查、采樣試驗分析成果，探討了永安灰?guī)r露采區(qū)礦山環(huán)境破壞問題、治理措施的有效性和長效性，得到以下結(jié)論：

1)區(qū)內(nèi)存在的灰?guī)r礦山環(huán)境問題及其環(huán)境效應(yīng)主要有3大類：占用與破壞土地資源、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害以及自然景觀與生態(tài)破壞，其中在土地資源破壞、水土流失、次生地質(zhì)災(zāi)害等方面的問題較為嚴(yán)重。

2)區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山露采區(qū)受巖性成分、裂隙發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件、氣候條件等因素控制，巖溶作用強烈，持續(xù)造成邊坡不穩(wěn)、水土流失以及荒漠化等問題，嚴(yán)重影響治理長效性，因而在綜合治理時應(yīng)著重將有效性和長效性緊密結(jié)合。

3)針對不同的邊坡類型采取相應(yīng)的治理措施：巖質(zhì)邊坡采用SNS被動防護(hù)網(wǎng)和植被混凝土進(jìn)行坡體綠化，土質(zhì)邊坡、土巖混合邊坡采用下部擋墻、上部錨索框架格構(gòu)，在美化環(huán)境的同時保證邊坡穩(wěn)定。

4)對已廢棄的采場和棄渣堆場應(yīng)依據(jù)政策導(dǎo)向、標(biāo)高條件及土地資源需求進(jìn)行綜合利用。高程較低(215～225 m)的采場可開發(fā)為建設(shè)用地，高程較高(245～250 m)的采場可經(jīng)過平整、截排水溝修建、覆土和生物綠化后恢復(fù)為林地。選取適當(dāng)區(qū)域建立實驗室，加強對生態(tài)修復(fù)綜合治理及地下水巖溶作用的研究，為礦山生態(tài)修復(fù)治理、綜合利用規(guī)劃及城市建設(shè)提供依據(jù)。

5)在亞熱帶降雨充沛區(qū)域的露采灰?guī)r礦山，應(yīng)充分考慮灰?guī)r可溶性對灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性影響，采用分區(qū)治理模式，并根據(jù)礦山的實際情況因地制夷進(jìn)行地質(zhì)生態(tài)綜合治理，實現(xiàn)灰?guī)r露采礦山生態(tài)綜合治理與當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展和土地綜合開發(fā)利用相適應(yīng)。

致謝：感謝三明城市地質(zhì)調(diào)查項目組成員參加野外調(diào)查及資料整理，同時感謝永安市國土資源局的工作人員在此工作中給予的協(xié)助。

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