湖南某鐵礦地質(zhì)環(huán)境評價及恢復(fù)治理措施

蔣洪亮 鄧繼輝 傅 濤

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學院地質(zhì)與測繪工程學院，重慶402260；2.中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶400016）

近年來，伴隨著高強度的開發(fā)，礦區(qū)開采環(huán)境惡劣［1］、土地資源浪費［2］、地下水系統(tǒng)被破壞［3］、廢渣廢水隨意堆棄和排放［4］等一系列地質(zhì)環(huán)境問題愈發(fā)嚴重，嚴重影響了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。本研究以湖南某鐵礦為例，分別從礦山地質(zhì)災(zāi)害影響程度、含水層破壞程度、地形地貌景觀影響程度和土地資源影響程度等方面對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行評價，并根據(jù)評價結(jié)果，對相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理措施進行探討。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

（1）氣象水文。礦區(qū)位于溫帶季風氣候區(qū)，年最大降水量為1 698.7 mm，年平均降水量為945.7 mm，雨季主要為每年7～9月。礦區(qū)所在區(qū)域四季分明，年極端最高和最低溫度分別為39℃，-11℃，平均氣溫為17.6℃。礦區(qū)內(nèi)分布百福水系，多為小型沖洪積階地。

（2）地形地貌。礦區(qū)屬中低山丘陵地貌，總體呈NW—SE向展布，地形平緩、完整，地形坡度一般為5°～10°，局部為低矮山丘，地形較陡，地面坡度一般大于25°，林木茂密，局部分布有居民地和旱地。

（3）地層巖性。區(qū)內(nèi)地層巖性較簡單，沿線出露的基巖地層為白堊系（K）礫巖夾粉砂巖，地表斷續(xù)分布第四系（Q）覆蓋層。區(qū)內(nèi)地層巖性由新至老依次為：①第四系（Q），按成因類型可分為沖洪積物、坡積物及殘坡積物；②沖洪積物（Qpal），主要分布于周邊的沖洪積階地上，表部分布0～1 m厚的耕植土或灰褐色砂壤土，下部為砂、卵礫石、碎石、塊石夾粉質(zhì)黏土，厚度一般為1.5～17 m；③坡積物（Qdl），由塊石、碎石及粉質(zhì)黏土組成，主要分布于小型沖溝溝底位置，厚度為5～10 m；④殘坡積物（Qedl），由灰褐色、棕紅色粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、粉砂土夾碎塊石、碎石組成，主要分布于礦區(qū)山脊和緩坡地帶，厚度一般為1～5 m；⑤白堊系（K）礫巖夾粉砂巖，灰黑色，粒徑為0.5～20 cm，以棱角狀和次棱角狀為主，成分以板巖和砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為N30°～40°W，SW∠15°～20°，在公路沿線均有分布。

（4）工程地質(zhì)條件。研究區(qū)位于長柏主干斜沖斷裂和躍船壓性、壓扭性斷裂之間。區(qū)內(nèi)主要褶皺有思村向斜、福壽山背斜、石柱峰倒轉(zhuǎn)向斜、楓樹坑倒轉(zhuǎn)背斜等，其中，福壽山背斜緊靠工程區(qū)，軸線走向約N80°W，延伸長度約12 km，該背斜西北、南東分別被連云山花崗巖體和大圍山花崗巖體吞沒，軸部及兩翼均為冷家溪群第二巖組，北東翼巖層傾角多為30°～70°，南西翼巖層傾角以50°～70°為主。工程區(qū)斷裂構(gòu)造以壓性、壓扭性為主，展布方向以NE、NNE向為主，次為NW、NEE向，區(qū)內(nèi)主要區(qū)域斷裂帶有瀏陽—衡陽—零陵斷裂帶（長—柏主干斜沖斷裂）、躍船斷裂和馬尾皂斷裂，均系早—中更新世活動斷裂或前第四紀活動斷裂。其中，馬尾皂斷裂位于工程區(qū)南東、上水庫庫尾，系前第四紀活動斷裂，壓扭性，總體走向約N45°E，延伸長度約35 km，于楓樹坑西南一帶與長柏主干斷裂交匯。該斷層切割了冷家溪群及燕山早期花崗巖以及福壽山背斜、石柱峰倒轉(zhuǎn)向斜，沿線巖層擠壓破碎強烈，產(chǎn)狀變陡（傾角70°～80°），多形成角礫巖。區(qū)域新構(gòu)造運動較弱，無晚更新世以來有過活動的斷裂或褶皺，不存在發(fā)生中強地震的構(gòu)造，地震活動較微弱，新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為大面積整體性緩慢的掀斜和間歇性升降運動，伴有以斷裂為邊界的斷塊差異運動，新構(gòu)造運動較弱，屬于相對穩(wěn)定地區(qū)。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征

礦區(qū)從20世紀80年代開始采用池浸選礦和露天開采方式進行生產(chǎn)，使得礦區(qū)基巖裸露，不可避免地引發(fā)了泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，礦區(qū)房屋危害、農(nóng)田淹沒、河道池塘淤積、水土流失和尾砂堆積的面積分別為5.1×10-4，1.5，1.3，1.9，5.8 km2。目前該礦區(qū)有34個采礦點，總占地面積為 0.752 km2，其中，剝采區(qū)面積為0.258 km2，其余為尾砂堆區(qū)域。采礦引起的主要環(huán)境問題為植被遭受嚴重破壞、農(nóng)田被淹沒、池塘河道被堵塞、發(fā)生泥石流和山洪等地質(zhì)災(zāi)害的概率不斷增加。

該礦山采用池浸工藝生產(chǎn)時會產(chǎn)生大量尾砂［5］，大量尾砂被隨意堆砌于山坡上，易誘發(fā)山洪、泥石流等災(zāi)害，給下游村莊居民的生命財產(chǎn)安全造成了巨大威脅。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，堆積尾砂的山坡坡度小于35°，滑坡泥石流的體積一般不超過12 m3，不會產(chǎn)生較大的安全威脅，但是隨著時間的推移和尾砂數(shù)量的不斷增大，加之礦區(qū)夏季降雨較為集中，發(fā)生山洪的可能性非常大。并且由于長時間高強度開采，易引起地表發(fā)生不均勻沉降，并產(chǎn)生地面裂縫。

礦山生產(chǎn)形成的大量尾砂被隨意堆積于溝底、河邊等區(qū)域，經(jīng)過長時間的雨水沖刷后，易堵塞河道。目前，尾砂堆積的深度為1～3 m，面積達到5.8 km2。

礦區(qū)植被破壞嚴重，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，目前該區(qū)域已無植被覆蓋，礦區(qū)開采前地表植被主要為灌木，覆蓋率約為60%。但隨著礦區(qū)開采的進行，尾砂堆積量越來越多，尤其是在夏季，尾砂會隨著降雨滲流至礦區(qū)其他區(qū)域，對礦區(qū)植被造成了較嚴重的破壞［6］。

2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價

2.1 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響程度

（1）工業(yè)場地、廢石場和露天采礦坑引起的地質(zhì)災(zāi)害。工業(yè)場地、廢石場和露天采坑引起的地質(zhì)災(zāi)害較小，直接損失和間接損失總和小于20萬元且威脅人數(shù)少于50人，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模和可能性較小，因此，工業(yè)場地、廢石場和露天采坑相對安全，不會引發(fā)大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害。

（2）地表不均勻沉降和地面裂縫。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料，本研究通過計算礦區(qū)的采深采厚比，進行地面不均勻沉陷和地面裂縫預(yù)測評價［7-8］。按照采深采厚比是否等于30可將該礦區(qū)分為A區(qū)域和B區(qū)域。其中，A區(qū)域的采深采厚比等于30，礦體底板投影寬度為36.98 m，傾角為75°，底板埋深為115.1 m，由此可以判定塌陷區(qū)位于礦體附近，地面沉陷區(qū)位于距離礦體大于38.21 m的區(qū)域；B區(qū)域采深采厚比小于30，礦體底板投影寬度為32.54 m，傾角為69°，底板埋深為113.9 m，由此可以判定塌陷區(qū)為礦體在地表的投影范圍，塌陷面積為0.029 8 km2，地質(zhì)災(zāi)害的具體表現(xiàn)形式為地面裂縫（圖1）和地表不均勻沉降（圖2），沿礦體成帶狀分布，分布于礦體附近。經(jīng)計算，礦區(qū)塌陷面積為0.029 8 km2，可造成300萬元左右的經(jīng)濟損失，危及約100人的安全，尤其是井下20人的安全，地表不均勻沉降和地面裂縫引起的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模中等，危害程度較大。

2.2 含水層破壞程度

礦區(qū)地下水位于地面以下30～40 m處，位于鐵礦層上部，因而礦體開采對地下含水層的破壞程度較小。風井和豎井建設(shè)影響了地下含水層的穩(wěn)定，增大了含水層的倒水滲透能力。地面塌陷會影響地下含水層的結(jié)構(gòu)，但其影響范圍僅為開采區(qū)域，總體上影響范圍較小。

2.3 地形地貌景觀影響程度

開采活動對區(qū)內(nèi)地形地貌造成了較大影響，尤其是對丘陵地形的破壞程度較大，形成了數(shù)量較多的塌陷坑。此外，對地形地貌影響較大的還有露天碎石場，隨著開采的進行，堆積的廢石數(shù)量不斷增多，對原來較為平坦的區(qū)域影響較大，并且大量廢石對礦區(qū)原有的植被景觀造成了較嚴重的影響（圖3）。工業(yè)場地主要為施工營地和施工廠房，對原有的地形地貌的影響程度較小，工業(yè)場地對植被景觀僅造成了小范圍的破壞。

2.4 土地資源影響程度

礦體開采后形成了大量采空區(qū)，易導致地表發(fā)生不均勻沉降，并產(chǎn)生地表裂縫，對土地資源破壞程度較嚴重。經(jīng)統(tǒng)計，礦區(qū)地表不均勻沉降和地表裂縫區(qū)域的面積達到0.247 km2，露天采礦區(qū)原有的植被破壞，礦區(qū)開采活動對土地資源的影響程度較大。

3 地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理措施

3.1 地表塌陷坑回填

目前工程區(qū)最大塌陷坑的回填深度為19.68 m。回填料主要選用卸載或者邊坡清理的巖土體。采用分層碾壓回填方法，每次回填深度不超過40 cm。當回填至1/4、3/4深度時，應(yīng)注意設(shè)置0.4 m厚的夯實黏土隔水層。本研究利用Geo-Studio軟件，分步驟對回填過程進行有限元模擬分析［9］。由于塌陷坑回填采用了2層夯實黏土，導致回填土的透水性較好，故可不考慮降雨的影響［10］。本研究分4個步驟對塌陷坑回填過程進行了模擬，塌陷坑不同回填深度對應(yīng)的豎向應(yīng)力場如圖4所示。

分析圖4可知：隨著回填深度的增大，坑底的豎向應(yīng)力明顯增大，回填1/4時最大豎向應(yīng)力僅為84 kPa，回填完畢時的最大豎向應(yīng)力高達439 kPa。

本研究采用的塌陷坑填筑方法為邊回填邊夯實，使得回填土的壓實度特別高，但根據(jù)圖4數(shù)值模擬結(jié)果，塌陷坑回填產(chǎn)生的豎向應(yīng)力較大，因此在回填過程中會產(chǎn)生較大的不均勻沉降。塌陷坑回填1/2和回填完畢時的回填體變形情況如圖5所示。分析圖5可知：塌陷坑回填1/2和回填完畢時的回填體的變形輪廓基本一致，均為中間沉降大、兩側(cè)沉降小，隨著填筑深度的增加，沉降越來越大，回填完畢時沉降量的最大值為1.19 m，回填1/2時的最大沉降量僅為0.35 m。

如圖6所示，為確保塌陷坑回填后形成向內(nèi)的5%的坡度，應(yīng)按照“兩側(cè)回填量多、中間回填量少”的原則進行回填。

為保證排水系統(tǒng)的完成性，在回填區(qū)域中間設(shè)置排水溝，將坡內(nèi)的水匯集至排水溝內(nèi)。由于回填體沉降發(fā)生的過程較為緩慢，且持續(xù)時間較長，故修筑排水溝時需選用抗變形能力較強的碎石盲溝，根據(jù)回填體中間區(qū)域的匯水面積，選用截面為矩形的排水溝，截面尺寸為0.8 m×0.8 m（長×寬）。

3.2 地裂隙灌漿

地面裂縫的產(chǎn)生會引發(fā)一系列災(zāi)害：①在降雨區(qū)間，雨水會通過地表裂縫流入采空區(qū)，雨水會沿著地下通道繼續(xù)進入正在開采的礦井內(nèi)，會極大增加礦井生產(chǎn)成本和涌水量，尤其是遇到強降雨的情況，極易引發(fā)淹井事故；②地表裂縫的產(chǎn)生會逐漸增大地層的透水性，軟化和浸泡巖土體，會嚴重影響山體的穩(wěn)定性。本研究在進行人工清縫后，利用灌注水泥砂漿的方法進行回填封堵，不僅可以增大巖土體的整體性和黏結(jié)力，而且可有效預(yù)防地表水滲入采空區(qū)或礦井。由于地面裂縫有進一步變大的可能，因此在進行灌漿時，在其上方應(yīng)設(shè)置0.5 m厚的黏土夯實層。

3.3 尾砂及廢石清理

根據(jù)礦區(qū)附近的航拍圖、實測地形圖等資料，發(fā)現(xiàn)位于礦區(qū)西北300 m處有一道天然沖溝。本研究利用該沖溝規(guī)劃了一處渣場，可將尾砂和廢石堆砌至指定位置，該渣場平臺高程為323 m，棄渣容量為141 068.67 m3。在該渣場設(shè)置了長412 m的排水溝，排水溝采用C25預(yù)制混凝土梯形溝，邊溝壁厚30 cm，內(nèi)側(cè)坡比為1∶0.5，截面凈尺寸為40 cm×40 cm（底長×高度），渣場的堆渣坡比不宜小于1∶1.3。為防止邊溝積水的沖刷，在沖溝底部四周（周長27 m）設(shè)置了3道鋼筋石籠，橫剖面上3道石籠采用“品”字形布設(shè)方式，每個鋼筋石籠長度均為1 m（圖7）。鋼筋石籠不僅可以起到擋渣的作用，而且可以透水，方便渣場范圍內(nèi)排水，避免發(fā)生垮塌或泥石流等災(zāi)害。對于無沖溝的渣場底部區(qū)域，設(shè)置了周長42 m的M7.5漿砌石擋墻，擋墻剖面如圖8所示。該型擋墻為墻高4 m的衡重式重力式擋土墻，擋墻底部的地基承載力需大于 250 kPa［11］。

3.4 植樹種草

為有效恢復(fù)礦區(qū)地形地貌，本研究采用植樹種草方案，即巖質(zhì)邊坡種植爬藤類植物，土質(zhì)邊坡采用植草方法。對于高邊坡每隔8 m設(shè)置一級馬道，馬道寬2 m，在馬道邊緣處將土埂壓實，壓實的土埂截面尺寸為0.4×0.3 m（長×寬）（圖9）。采用平鋪草皮的方式進行植草，草皮規(guī)格為30 cm×30 cm（長×寬）。為提高植物的存活率，在種植草皮前首先覆蓋一層10 cm厚的有機體，利用人工將地基夯實，而后澆水并采用自上而下的方式鋪植草皮。在靠近礦區(qū)公路的區(qū)域，為了美觀，增設(shè)一排迎春、倒掛金鐘等垂掛性植物，株距1 m。

4 結(jié)語

分別從礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響程度、含水層破壞程度、地形地貌景觀影響程度和土地資源影響程度等方面對湖南某鐵礦礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行了評價。在此基礎(chǔ)上，采取了地表塌陷坑回填、地裂隙灌漿、尾砂及廢石清理、植樹種草等措施對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行了恢復(fù)。上述措施實施后，經(jīng)過近18個月的現(xiàn)場觀察，地面不均勻沉降和地表裂縫得到了有效遏制，尾砂和廢石得到了有效清理，通過進行植樹種草，目前地形地貌已基本恢復(fù)至開采前的狀態(tài)，已恢復(fù)耕地1 547 331 m2，恢復(fù)草地169 333 m2，增加可利用工業(yè)用地31 200 m2，邊坡修復(fù)21 333 m2。通過綜合治理，減少了礦山開采對周圍環(huán)境的破壞，改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，有利于礦山可持續(xù)發(fā)展。