陜西省礦山地形地貌景觀損毀現(xiàn)狀及修復(fù)技術(shù)*

李 成，彭 捷，陳建平，高 帥，孫 魁，姬怡微

(1．西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2．陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

礦產(chǎn)資源開發(fā)必然會引發(fā)眾多礦山環(huán)境問題，且由采礦方式的不同，決定著礦山環(huán)境問題的種類和發(fā)育特征，礦山環(huán)境問題對周邊環(huán)境的影響可用環(huán)境影響效應(yīng)來表征，武強(qiáng)認(rèn)為，環(huán)境效應(yīng)可分為：占用與破壞土地資源、水資源損毀、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害以及自然景觀與生態(tài)破壞，其中自然景觀與生態(tài)破壞是最顯而易見且最難以修復(fù)[1]。近年來隨著我國環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)厲，以往礦山環(huán)境治理已經(jīng)從提倡“以人為本”消除礦山地質(zhì)災(zāi)害威脅為主要目標(biāo)向“山水林田湖草”綜合治理的方向轉(zhuǎn)化，“景觀問題”已上升到民生問題的高度，這種轉(zhuǎn)變深刻體現(xiàn)了“人民群眾對美好生活的向往”。因此如何對廢棄礦山進(jìn)行景觀再造，以及生產(chǎn)礦山已破壞損毀的土地功能進(jìn)行重新置換，達(dá)到環(huán)境修復(fù)的目的，成為擺在我們面前的難題。

周妍提出了后工業(yè)景觀的概念，即采用景觀設(shè)計的手法對原有工業(yè)元素進(jìn)行改造、重組與再生，通過對場地功能的全新置換、環(huán)境修復(fù)營造新景觀[2]。潘樹林認(rèn)為礦山景觀修復(fù)的重點在于植被恢復(fù)和重建。然而植被的重建需要有適宜的地形地質(zhì)條件，廢棄礦山和廢棄工礦用地其地形地質(zhì)條件已大大改變或徹底改變，因此，景觀重建的首要難題首先是對地形地質(zhì)條件進(jìn)行重構(gòu)，使其適宜植被的人工種植和自然再生[3]。同時，眾多學(xué)者從地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)、園林景觀學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)等不同的角度對礦山環(huán)境治理技術(shù)與治理模式進(jìn)行了研究[4-10]。筆者通過分析陜西省礦山地質(zhì)環(huán)境問題特征，總結(jié)了陜西省礦山地質(zhì)環(huán)境治理技術(shù)模式及方法，以期為陜西省礦山環(huán)境治理提供借鑒。

1 礦山地形地貌損毀方式

1.1 礦業(yè)開發(fā)引起地形地貌破壞的主要因素

礦產(chǎn)資源開采方式有地下開采、露天開采、露天地下聯(lián)合開采三種方式。礦業(yè)開發(fā)過程中建設(shè)工業(yè)廣場、井口、炸藥庫、選廠等地面建設(shè)工程，這些地面建設(shè)工程均對礦山原生地形地貌產(chǎn)生改變。露天礦山開發(fā)，由于礦體本身就出露于地表，必然需要對地形地貌產(chǎn)生巨大改變；另外礦山開采產(chǎn)生的矸石、廢石、廢土等固體廢棄物堆放在原始溝谷中，也對地形地貌產(chǎn)生很大影響。歸納起來，損毀礦山原始地形地貌的主要因素包括礦山地面建設(shè)工程、礦山露天開采工程、礦業(yè)固體廢棄物堆放。損毀方式可分為挖損、壓占兩種。

1.2 礦山地表挖損損毀

1.2.1 礦山地表挖損分類特征

按照礦山挖損目的不同，可分為地面建設(shè)工程挖損和礦產(chǎn)資源開發(fā)挖損兩種，前者包括建設(shè)工業(yè)場地進(jìn)行挖損；后者是指礦山挖損剝離礦層(脈)而對地表巖土體進(jìn)行的挖損，主要包括露天采礦表土剝離、露天采礦場(坑)等。

按照挖損時序不同，可分為基建期挖損和生產(chǎn)期挖損兩種，前者是指礦山基礎(chǔ)建設(shè)期間，為了建成各類采礦工程、辦公區(qū)、生活區(qū)、道路、固體廢棄物堆放區(qū)等地面設(shè)施而進(jìn)行的地表巖土體挖損。后者是指礦山生產(chǎn)期間，為開發(fā)礦產(chǎn)資源或新建地面建設(shè)工程而進(jìn)行的地表巖土體挖損。

按照挖損地段不同，可分為平面挖損和斜坡挖損兩類，平面挖損是挖損后不改變平面的基本形態(tài)，僅對地表巖土體類型進(jìn)行了改造重建使得地表高程發(fā)生變化；后者是指對礦山區(qū)域內(nèi)斜坡地帶進(jìn)行挖損整理，不僅改變了斜坡面的高程，同時也改變了斜坡的傾角和巖土體性質(zhì)，如工業(yè)廣場邊坡挖損、礦山道路路側(cè)斜坡挖損、炸藥庫斜坡挖損、礦山資源露天剝離斜面挖損等。

按照挖損程度不同，可分為重度挖損、中度挖損和輕度挖損。在此提出礦山挖損程度分類指標(biāo)，主要衡量指標(biāo)包括地表高程變化量、地表坡度變化量和單項工程地表巖土體破壞面積比(表1)。

表1 礦山地表挖損程度分級

1. 2.2 礦山地表挖損治理難度分級

按照恢復(fù)治理的難易程度不同，可分為難治理挖損、較難治理挖損和易治理挖損。一般僅發(fā)生地表高程變化并伴隨巖土體類型破壞的地表挖損較易治理，地表坡度變化量發(fā)生變化并伴隨地表巖土體發(fā)生改變的地表挖損較難治理或難治理，如工業(yè)廣場挖損、道路路面挖損、炸藥庫平臺挖損等易于恢復(fù)治理，工業(yè)廣場邊坡挖損、道路路側(cè)斜坡挖損、炸藥庫后斜坡挖損、高陡露天采礦巖面、露天采礦坑等是地表挖損治理的難點。衡量恢復(fù)治理難易程度的指標(biāo)主要為地表挖損最終巖土體類型和最終斜坡角度(表2)。另外，實際治理過程中還需要參考治理區(qū)所處氣候帶不同而產(chǎn)生的植被生長能力差異綜合確定治理難度。

表2 礦山地表挖損治理難易程度分級

礦山地表挖損治理難度，一是取決于礦區(qū)原始地形地貌特征，如工業(yè)場地及其它地面建設(shè)工程所在位置；二是取決于礦產(chǎn)資源類型，不同礦類所產(chǎn)生的地表挖損不同；三是取決于礦產(chǎn)資源開發(fā)方式。在實際情況中，礦區(qū)地表挖損治理受三種影響因素疊加影響?？傮w來說，礦山地面建設(shè)工程挖損一是大多數(shù)集中在礦山基建期或技術(shù)改造期間，且多以平坦開闊地帶平面輕度挖損為主，因此地表挖損恢復(fù)治理難度一般為易治理。而露天開采對地表的挖損主要是地表松散覆蓋層的剝離和對礦層的開挖，這種開挖一般多為重度斜坡挖損，恢復(fù)治理難度多為難治理。

1.2.3 陜西省礦山地表挖損基本情況

陜北風(fēng)沙灘地區(qū)主要開采礦類為煤以及石油、天然氣，主要為井工開采；陜北黃土高原地區(qū)主要開采礦類包括煤炭、石油、天然氣、磚瓦粘土，煤炭，以井工開采為主，露天開采次之，建材類以露天開采為主，府谷縣黃河沿岸也有少量井工開采的石灰?guī)r礦山；關(guān)中平原北部主要開采煤炭、石灰?guī)r、磚瓦粘土，此區(qū)域煤炭開采方式均為井工開采，石灰?guī)r、磚瓦粘土均為露天開采；關(guān)中平原南部秦嶺北麓主要開采建筑石料、磚瓦粘土以及少量金屬礦山，建材開發(fā)均采用露天開采方式，華縣、華陰、鄠邑區(qū)、周至等少量金屬礦山采用井工開采。陜南秦巴山地區(qū)主要開采金屬、冶金、化工原料非金屬、石灰?guī)r、建筑石料等礦類，金屬非金屬礦山開發(fā)方式以井工開采為主，露天開采次之，石灰?guī)r及其它建材均為露天開采。結(jié)合陜西省氣候、降雨量分帶而產(chǎn)生的植被恢復(fù)難度，確定陜西省礦山地表挖損與影響地表挖損的三大因素關(guān)系，進(jìn)而劃分治理難度(圖1)。

圖1 陜西省礦山地表挖損基本特征

1.3 礦山地表壓占損毀

1.3.1 礦山地表壓占分類特征

礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，按壓占目的不同，可分為地面工程建設(shè)壓占和礦產(chǎn)資源資源開發(fā)壓占兩種，前者包括工業(yè)廣場建設(shè)、礦山道路建設(shè)、修建炸藥庫及采礦井筒等產(chǎn)生的壓占；后者包括排土場、廢石渣、矸石尾礦等對地表巖土體進(jìn)行的壓占。

按壓占時序不同，可分為基建期壓占和生產(chǎn)期壓占兩種，前者是指礦山基建期，建設(shè)地面設(shè)施而進(jìn)行的地表巖土體壓占。后者指生產(chǎn)期，礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的固體廢棄物而進(jìn)行的地表巖土體壓占。

按壓占地段不同，可分為開闊型地貌地表壓占和溝谷型地貌地表壓占兩類，開闊型地貌地表壓占是指壓占后不改變地貌的基本形態(tài)，僅對地表巖土體類型進(jìn)行了改造重建使得地表高程發(fā)生變化。如工業(yè)廣場建設(shè)壓占、礦山道路路基壓占、炸藥庫修建平臺壓占等；后者是指對礦山區(qū)域內(nèi)溝谷區(qū)進(jìn)行壓占，壓占后改變了溝谷的原生地貌參數(shù)。

按壓占程度不同，可分為重度壓占、中度壓占和輕度壓占。因固體廢棄物一般為松散巖土體，其天然休止角一般在35°左右，超過這個角度，邊坡極易失穩(wěn)，因此劃分壓占程度時考慮了邊坡穩(wěn)定角。在此提出礦山壓占損毀程度分類指標(biāo)，主要衡量指標(biāo)包括地表高程變化量、地表坡度變化量和單項工程地表巖土體破壞面積比(表3)。

表3 礦山地表壓占損毀程度分級

1. 3.2 礦山地表壓占治理難度分級

按恢復(fù)治理的難易程度不同，可分為難治理壓占、較難治理壓占和易治理壓占。衡量恢復(fù)治理難易程度的指標(biāo)主要為地表壓占高度、壓占面積、壓占區(qū)邊坡坡度變化量(表4)。一般僅發(fā)生地表高程變化小的地表壓占易治理，地表坡度變化量大且壓占面積大的地表壓占較難治理或難治理。礦山地面建設(shè)工程地表壓占大多數(shù)集中在礦山基建期或技術(shù)改造期間且以重度壓占為主，因此恢復(fù)治理難度一般為難治理或較難治理。另外，實際治理過程中還需要參考治理區(qū)所處氣候帶不同而產(chǎn)生的植被生長能力差異綜合確定治理難度。

表4 礦山地表壓占治理難易程度分級表

1.3.3 陜西省礦山地表壓占基本情況

陜北地區(qū)壓占主要以大型建筑、設(shè)備、表層剝離廢石土、煤矸石壓占為主；關(guān)中平原北部以中小型建筑、設(shè)備、灰?guī)r石渣、煤矸石壓占為主；關(guān)中平原南部秦嶺北麓主要以中小型建筑、選礦采礦設(shè)備、尾礦庫、灰?guī)r石渣、尾礦渣壓占為主；陜南秦巴山地區(qū)主要以中小型建筑、選礦采礦設(shè)備、尾礦庫、灰?guī)r石渣、尾礦渣壓占為主。結(jié)合陜西省氣候、降雨量分帶而產(chǎn)生的植被恢復(fù)難度，確定陜西省礦山地表壓占與影響地表壓占的三大因素關(guān)系，進(jìn)而劃分治理難度(圖2)。

圖2 陜西省礦山地表壓占基本特征

2 礦山地形地貌修復(fù)技術(shù)

2.1 礦山地表挖損修復(fù)技術(shù)

2.1.1 露天采坑修復(fù)技術(shù)

露天采場土地復(fù)墾主要是對采坑和采坑邊坡進(jìn)行復(fù)墾，按照采礦后地形相對高差大小，可歸納為3種修復(fù)方式。相對高差<20 m為小高差露天采坑，相對高差20～50 m為較大高差露天采坑，相對高差>50 m為大高差露天采坑。根據(jù)各自特征和治理恢復(fù)難度，采用不同修復(fù)方式和復(fù)墾方向，改善地形地貌景觀(圖3)。

圖3 露天采坑修復(fù)技術(shù)模式圖

2.1.2 露天采場修復(fù)技術(shù)

露天采場通常表現(xiàn)為高陡露天采礦巖面，根據(jù)地形地貌的不同對露天采場巖面進(jìn)行分類。無臺階的線性斜坡斜長<30 m為低巖面，線性斜坡斜長30～60 m的為中型巖面，線性斜坡斜長>60 m的為高巖面。坡角<45°的硬巖斜坡為緩坡，坡角45～60°的硬巖斜坡為較陡坡，坡度>60°的硬巖斜坡為陡坡。

綜合斜坡長度和坡度特征，可選用適宜的技術(shù)進(jìn)行地形地貌景觀修復(fù)：坡面爆破客土栽植復(fù)綠技術(shù)、綠化砼噴播復(fù)綠技術(shù)、格構(gòu)護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)、填充造坡復(fù)綠技術(shù)、魚鱗坑復(fù)綠技術(shù)、植生袋復(fù)綠技術(shù)、輪胎護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)及綠色屏障復(fù)綠技術(shù)[4]。表5中各欄內(nèi)不同技術(shù)按照推薦優(yōu)先程度進(jìn)行排列。

表5 不同地形地貌條件露天采場修復(fù)技術(shù)推薦表

注：①坡面爆破客土栽植復(fù)綠技術(shù)；②綠化砼噴播復(fù)綠技術(shù)；③格構(gòu)護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)；④填充造坡復(fù)綠技術(shù)；⑤魚鱗坑復(fù)綠技術(shù)；⑥植生袋復(fù)綠技術(shù)；⑦輪胎護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)；⑧綠色屏障復(fù)綠技術(shù)

2.2 礦山地表壓占修復(fù)技術(shù)

2.2.1 礦山地面建設(shè)工程壓占修復(fù)

礦山地面建設(shè)工程壓占修復(fù)，一般對廢棄建筑拆除，礦洞封堵，然后對廢棄土地進(jìn)行平整場地、覆土、植被重建等方法進(jìn)行治理。

2.2.2 固體廢棄物壓占修復(fù)

固體廢棄物壓占修復(fù)一般采取平整、覆土、種植的方法，根據(jù)排放地點不同可分為開闊地排放、溝谷形排放，根據(jù)堆放形式可分為錐形、連脊形、橫向弧形和平坦形等。針對不同情況，可采用三種治理模式：推平整治、臺階式平整、異地遷移平整。一般堆放在開闊地的固體廢棄物可采用推平整治和臺階式平整的方式進(jìn)行修復(fù)，堆放在狹窄溝谷中的固體廢棄物可采用異地遷移平整方式進(jìn)行修復(fù)。

推平整治一般需要對廢石堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新構(gòu)建，下層堆置粗粒廢石和有毒的廢石，并在上部覆蓋土壤或細(xì)粒碎石。若推平后計劃作為林業(yè)用地，則覆土厚度根據(jù)樹種而定，在土壤缺乏的礦區(qū)，一般可在其中摻入垃圾、粉煤灰、尾礦粉、污泥等，提高樹木生長的母質(zhì)環(huán)境，樹苗一般為當(dāng)?shù)剡m生樹苗(圖4)。

圖4 推平整治示意圖

針對規(guī)模較大的廢石堆，可采取臺階式平整的方法，在對堆體頂部表面進(jìn)行平整、覆土、種植外，還需進(jìn)行邊坡整修、植樹種草造林，減少水土流失等措施。在工程實施過程中需要修筑邊坡平臺，同時在邊緣修筑擋水墻，改變水體匯流途徑，減少水土流失，平臺坡面土石構(gòu)建后可種植牧草或灌木，坡腳堆放大石塊或修建漿砌石擋土墻增加堆體的整體穩(wěn)定性(圖5)。

圖5 臺階式平整治理示意圖

對于處于狹窄溝谷中的固體廢棄物，考慮到溝道堵塞和發(fā)生泥石流隱患的可能性，可將順坡堆積的固體廢棄物遷移至主溝道中，平整壓實，預(yù)留排洪渠道，然后覆土種樹種草(圖6)。

圖6 固體廢棄物溝谷填充治理示意圖

3 典型示范工程

3.1 露天采坑治理示范工程

3.1.1 銅川焦平露天采坑綜合治理

該治理示范工程，將露天開采形成的廢棄礦坑回填，對廢棄渣石堆推平，覆土植樹或還耕，使采礦開挖形成的邊坡臺階地得到修復(fù)，臺階覆土還林，清理修筑排水渠，修建礦區(qū)道路，項目實施后，恢復(fù)耕地8.8 hm2，恢復(fù)林地11.5 hm2(圖7)。

3.2 露天采場治理示范工程

3.2.1 藥王山周邊廢棄采場綜合治理

藥王山周邊從1970年開始石灰?guī)r開采，長期的無序開采，遺留的大采坑及廢渣、垃圾等破壞了原本延續(xù)一致的地形地貌，開采形成的裸露的巖質(zhì)邊坡及黃土陡砍極易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，2013年，開始對該區(qū)域進(jìn)行綜合治理，治理內(nèi)容主要涉及三個廢棄灰?guī)r采石場，對于采石巖面主要采取清坡、攔擋措施，采用的治理技方法有填充造坡復(fù)綠技術(shù)和植生袋復(fù)綠技術(shù)，采場、采坑主要采取回填、復(fù)墾措施，再對整個采區(qū)進(jìn)行綜合復(fù)綠。項目實施完成后，恢復(fù)利用廢棄土地10.67 hm2，采石場植樹種草6.87 hm2(圖8)，極大地改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，消除了災(zāi)害隱患。

圖7 焦平露天采坑治理效果

圖8 藥王山周邊采場治理效果

3.2.2 韓城英山露天采場綜合治理

韓城英山露天采場治理示范工程共治理3個開采面及底部平臺，1、2號采面采用坡面清理、臺階形削坡、臺面截排水工程、坡面植生袋施工、綠化工程等治理技術(shù)，3號采面采用坡面清理、掛網(wǎng)、鉆孔植生、綠化工程工程等(圖9)。

圖9 英山露天采場治理效果

3.3 地面建設(shè)工程壓占修復(fù)示范工程

3.3.1 澄城曹村煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理

曹村境內(nèi)原來分布有10余家個體煤礦，2000年后小煤礦全部關(guān)閉，本項目對區(qū)內(nèi)廢棄工業(yè)場地進(jìn)行治理。對建筑工程、采礦設(shè)備進(jìn)行拆除清運，礦洞進(jìn)行封堵，對裂縫及塌陷坑進(jìn)行充填、夯實、平整，治理后，復(fù)墾土地9.47 hm2，恢復(fù)82.07 hm2農(nóng)田耕地功能，提高礦區(qū)土地生產(chǎn)力。

3.4 固體廢棄物修復(fù)示范工程

3.3.4 韓城下峪口廢棄群采煤礦區(qū)綜合治理

韓城市下峪口群采煤礦區(qū)位于下峪口礦區(qū)和桑樹坪礦區(qū)交接地帶，從1980年起，開始了大規(guī)模的開采，長期的無序開采導(dǎo)致礦山地質(zhì)環(huán)境問題非常突出，采礦廢石棄渣壓占損毀土地、地貌景觀破壞、礦山地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等。項目開展后，采用廢渣降坡、清運、主溝道廢渣填充+排洪+覆土綠化的治理方案(圖10)。首先對主溝道及支溝內(nèi)廢渣堆進(jìn)行降坡。在主溝道中下游低洼區(qū)堆放降坡產(chǎn)生廢渣，對主溝道廢渣進(jìn)行推平碾壓降坡，同時修筑漿砌石排洪明渠，疏通主溝道匯水。最后進(jìn)行覆土，種植矮冬麥或者楊槐，既促進(jìn)了礦區(qū)安全，又改善了生態(tài)環(huán)境[11]。

圖10 韓城下峪口廢渣治理效果

4 結(jié)論

礦山原始地形地貌損毀方式可分為挖損、壓占兩種。損毀程度根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)可以分為重度損毀、中度損毀和輕度損毀，相應(yīng)的恢復(fù)治理難易程度可分為難治理、較難治理和易治理。

露天采場適宜的地形地貌景觀修復(fù)技術(shù)有：①坡面爆破客土栽植復(fù)綠，②綠化砼噴播復(fù)綠技術(shù)，③格構(gòu)護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)，④填充造坡復(fù)綠技術(shù)，⑤魚鱗坑復(fù)綠技術(shù)，⑥植生袋復(fù)綠技術(shù)，⑦輪胎護(hù)坡復(fù)綠技術(shù)，⑧綠色屏障復(fù)綠技術(shù)。

固體廢棄物壓占修復(fù)一般可采用推平整治、臺階式平整和異地遷移平整三種治理模式。