河南省某鋁土礦山地質(zhì)災(zāi)害評估和生態(tài)修復(fù)

韓文斌

（中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450041）

河南省某鋁土礦位于外方山系余脈的五指嶺東北支脈和東南支脈的夾角地帶，西、北、南三面群山聳立，中部丘陵起伏、丘谷交錯，東部為河谷平原，地勢由西北向東南傾斜，形如簸箕，山脈屬外方山系向東延伸的支脈，是嵩山的組成部分，由西向東北及南方向延伸，構(gòu)成了低山丘陵地貌，東部平坦，沿河有小塊平原。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬華北地臺的組成部分，處于中朝淮地臺南西部位的嵩箕山區(qū)，主要有東西向、北東向和北西向三條構(gòu)造體系。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境

1.1 地層巖性

礦區(qū)內(nèi)出露地層簡單。絕大部分面積為第四系覆蓋，只有零星的奧陶系、石炭系和二疊系露頭。

（1）奧陶系(O)僅有兩塊露頭分布于礦區(qū)東北部山來礓溝北，屬于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，且頂部出露不全。根據(jù)區(qū)域和鉆孔資料，其巖性底部為灰黃色、黃綠色頁巖夾透鏡狀泥質(zhì)白云巖，由下而上透鏡體夾層增多。沿走向及傾向厚度變化很小，層位穩(wěn)定，可做為奧陶系與下伏寒武系區(qū)分的標(biāo)志層；下部為硅化白云巖，礫砂屑白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r；上部為白云質(zhì)粉晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r及白云巖化泥晶灰?guī)r（豹皮灰?guī)r）,厚度約87.88m。

（2）石炭系（C）地表零星露頭，出露在東北角山來礓溝，中部保安寨以及胡家門等地，劃分為兩個組：本溪組（C2b）、太原組（C2t）。

其中本溪組（C2b）自下而目可分為4個巖性段。

一段（C2b1），巖性由灰白、暗灰、暗紫及黃褐等色的含鐵粘土巖和鐵質(zhì)粘土巖組成。下部以斑雜狀鐵質(zhì)粘土巖為主，并含赤鐵礦、褐鐵礦的結(jié)核或團(tuán)塊，局部夾有形態(tài)不規(guī)則厚度不穩(wěn)定的“山西式”鐵礦。深部可見到菱鐵礦和黃鐵礦。少數(shù)部位底部有含鐵較低的粘土巖。上部以含鐵粘土巖為主，并夾有鐵質(zhì)粘土巖、粘土巖及薄層狀、透鏡狀或漏斗狀的碎屑狀鋁土礦（即下層鋁土礦）。厚度0.49m～42.43m，平均8.04m。

二段（C2b2），巖性由淺灰色、灰白色、暗灰色粘土巖及粘土礦組成，夾有薄層狀或透鏡狀的鐵質(zhì)粘土巖、含鐵粘土巖及不規(guī)則團(tuán)塊狀黃鐵礦、鮞狀菱鐵礦等。厚度0.60m～11.00m，平均2.71m。

三段（C2b3），巖性由灰白色、灰綠色、暗灰色鋁土礦、鋁土巖及粘土礦組成，是礦區(qū)主要的工業(yè)礦層（上層鋁土礦），一般為單層礦，局部2～3層。含植物化石。厚度0.41m～40.80m，平均8.72米。

四段（C2b4），巖性為：下部為灰白色、暗灰色粘土礦（巖）、鋁土巖，厚度0.42m～3.70m，平均1.56m；中部為暗灰色、灰黑色、棕黃色含炭粘土巖和含鐵粘土巖。厚度0.20m～5.18m，平均1.39m；上部為含碳較多的炭質(zhì)粘土巖或煤線（層），局部夾有鐵質(zhì)粘土巖及粉砂質(zhì)泥巖小薄層。厚度0.56m～4.03m，平均1.94m。

太原組（C2t），厚度為38米，自下而上分為三個巖性段。

下段（C2t1），下部為灰色，灰白色含生物碎屑粉晶灰?guī)r；中部為灰白色含燧石團(tuán)塊（條帶）生物碎屑灰?guī)r與黑色燧石巖互層，夾黑色粘土巖、炭質(zhì)粘土巖及薄煤層（線），局部煤層可采；上部為深灰色、灰黑色含生物碎屑灰?guī)r；頂部常有一層燧石團(tuán)塊灰?guī)r，局部燧石連續(xù)形成燧石層（或條帶）。

中段（C2t2），中下部為灰白色、淺褐紅色粘土巖、粉砂巖、含炭質(zhì)粘土巖夾薄煤層；上部為灰白色、灰色細(xì)——中粒長石石英砂巖，砂質(zhì)泥巖夾生物碎屑灰?guī)r、燧石團(tuán)塊生物碎屑灰?guī)r及燧石層。

上段（C2t3），為灰色、深灰色泥晶生物碎屑灰?guī)r夾粘土巖或含炭粘土巖。下部質(zhì)純，上部常含燧石團(tuán)塊。

（3）二疊系（P）是礦區(qū)內(nèi)的主要含煤地層。僅在礦區(qū)南部界河附近的溝谷中有零星露頭，層位出露不全。自下而上分為兩個組：

下統(tǒng)山西組（P1s），巖性下部為深灰色、灰黑色粘土巖、炭質(zhì)粘土巖、炭質(zhì)粉砂巖，含區(qū)內(nèi)主要可采煤二1煤層，層位穩(wěn)定，平均厚度4.31m，中部為灰白色、灰黃色中——粗粒長石石英砂巖（俗稱大占砂巖），為二1煤層的直接或間接頂板。上部為灰黃色、淺灰色、灰色細(xì)——中粒長石石英砂巖及石英雜砂巖，頂部為灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖。厚度61.36m。

下統(tǒng)下石盒子組（P1x），巖性為灰色、灰綠色、灰黃色厚層狀細(xì)——中粒長石石英砂巖，中部夾有灰色粘土巖，厚度30.75m。

（4）第四系（Q）區(qū)內(nèi)第四系廣泛分布于山前平坦地帶，及山間溝谷之中，總覆蓋面積約占全礦區(qū)面積的90%以上。

巖性下部為棕紅色粉砂質(zhì)亞粘土、粉砂質(zhì)輕亞粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核。底部含礫石層；中部以灰黃色粉砂質(zhì)亞粘土、亞砂土、輕亞粘土為主，夾棕紅色粘土，含砂礫石層；上部為青灰色砂、礫石、亞砂土和少量亞粘土等殘坡積物，構(gòu)成沖積層、河漫灘及河谷階地。含鈣質(zhì)結(jié)核。厚度0.00m～33.75m。

圖1 綜合柱狀圖

圖2 地質(zhì)剖面圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

（1）礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)是位于楊臺向斜北翼，只包括該向斜的奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系中—上統(tǒng)，本溪組和太原組、二疊系山西組和下石盒子組，巖層走向近東西向南傾斜的單斜，傾角5～25度。礦區(qū)內(nèi)斷層和次一級褶皺不發(fā)育。

（2）地震與區(qū)域地殼穩(wěn)定性

根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（河南省部分），本區(qū)地震動峰值加速度為0.1g，相應(yīng)的基本烈度為Ⅶ度，其地震設(shè)防應(yīng)為Ⅶ，表1為地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表。

表1 地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表

根據(jù)中國區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究成果，參照原地質(zhì)礦產(chǎn)部《工程地質(zhì)調(diào)查規(guī)范（1：10萬～1：20萬）》（ZBD14002-89）第8.5.2條規(guī)定，評估區(qū)區(qū)域地殼屬較穩(wěn)定區(qū)（表2）。

表2 區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價表

綜上所述，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造，本礦構(gòu)造復(fù)雜程度應(yīng)為中等偏復(fù)雜。

1.3 工程地質(zhì)條件

本區(qū)中奧陶統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r屬堅硬巖石巖組，平均厚87.88m，上石炭統(tǒng)太原組一段含燧石團(tuán)塊生物灰?guī)r，平均厚12.41m。為本區(qū)主要工業(yè)鋁土礦體的間接頂?shù)装?，其次為鋁土礦。

本區(qū)含鋁巖系中除鋁土礦以外的巖石，是礦層的直接頂?shù)装?，軟弱巖石巖組。其中頂板厚0.00m～1.76m，平均0.82m，底板厚度2.73m～24.19m，平均9.03m。

松散沉積巖組第四系粉砂質(zhì)輕亞粘土、粉砂質(zhì)重亞粘土，在區(qū)內(nèi)大面積出露，厚度0.00m～33.75m，平均11.51m。

本區(qū)礦體結(jié)構(gòu)簡單，礦層（體）頂?shù)装搴偷V床圍巖穩(wěn)固性中等，礦山工業(yè)場地地基穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)類型為簡單類型。

2 礦山現(xiàn)狀

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（DZ/T0286-2015），本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的災(zāi)種主要包括：崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂縫和巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害類型。

本區(qū)范圍內(nèi)由于礦產(chǎn)資源的露天開采，造成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為山體整體破損，地形地貌景觀嚴(yán)重破壞、壓占和挖損土地資源，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成巨大影響。采礦活動結(jié)束后形成高陡邊坡存在著嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害隱患。

現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度弱，危害程度小，地質(zhì)災(zāi)害危險性小。但治理區(qū)內(nèi)露天所形成的露天采坑，基巖裸露，坡度均大多在50°左右，最大高差約60m；采坑內(nèi)堆放多處廢渣堆，廢渣堆沿著治理區(qū)采坑壁堆放，堆放坡度約50°，堆放高度約30m。長期太陽暴曬、雨水沖刷等不利因素的影響下存在一定的崩塌、滑坡等安全隱患。

3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估

根據(jù)本區(qū)地形地貌特征、圍巖巖土工程地質(zhì)條件及礦山開發(fā)利用方案等，礦山開采可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害為崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，礦山采礦活動集中在可采鋁土礦體區(qū)域，礦渣回填在露天民采區(qū)及排土場，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估主要針對上述區(qū)域。

3.1 露天開采評估

礦層的直接頂板大多數(shù)為本溪組四段的粘土礦、鋁土巖、粘土巖及含鐵粘土巖等，其次為太原組下段生物碎屑粉晶灰?guī)r，少數(shù)為本溪組頂部標(biāo)志層煤層、含炭質(zhì)粘土巖，在靠近地表的局部地段，由于礦體被蓋層剝蝕嚴(yán)重，礦層為第四系粉砂質(zhì)亞粘土層所覆蓋。礦層頂板（C2b4）在礦區(qū)內(nèi)層位較穩(wěn)定，鋁土礦體的直接底板為C2b1、C2b2地層，巖性以粘土礦、粘土巖及鋁土巖為主，含鐵粘土巖及鐵質(zhì)粘土巖次之，露天開采在開采過程中部分地段形成較陡的臨空面，危害程度中等，危險性等級中等。

3.2 地下開采評估

礦層直接頂、底板中的粘土巖、鋁土巖、含鐵粘土巖，抗壓強(qiáng)度為17.9～151.3MPa，應(yīng)屬于軟弱～半堅硬巖層，穩(wěn)固性差。礦體間接頂板巖性為砂巖及泥巖等?；?guī)r裂隙巖溶發(fā)育，巖石破碎，局部完整，抗壓強(qiáng)度為17.9～151.3MPa，巖層整體穩(wěn)固性好。據(jù)其巖性組合特征，其工程地質(zhì)分類劃歸為Ⅱ-Ⅲ類型。底板由中奧陶統(tǒng)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，其頂部風(fēng)化嚴(yán)重，巖石堅硬，抗壓強(qiáng)度為62.7～121.8MPa，巖層穩(wěn)固性好?？偟膩碚f，區(qū)內(nèi)礦體直接頂板不穩(wěn)固，間接頂板穩(wěn)固。礦區(qū)巖（礦）移動角為：表土層45°，基巖為70°。礦石松散系數(shù)為1.36～1.676，安息角為42°。根據(jù)礦體的分布特征及圍巖的地層產(chǎn)狀、工程地質(zhì)條件，確定地表移動參數(shù)見表3。

表3 地表移動變形基本參數(shù)表

經(jīng)計算預(yù)測礦區(qū)內(nèi)地采區(qū)最大下沉值為4412mm，沉陷面積37.51hm2，最大傾斜值178.41mm/m，最大曲率值12.96mm/m，最大水平移動1323.58mm，最大水平變形81.35mm/m。

由于地下開采引起的地面塌陷是一個緩慢的動態(tài)過程，隨著采礦規(guī)模的擴(kuò)大，地下采空區(qū)也將不斷擴(kuò)大，在重力作用下造成地下巖體應(yīng)力場改變，巖體產(chǎn)生變形和破壞，將出現(xiàn)大面積的地面塌陷并伴生地裂縫，對礦區(qū)內(nèi)的耕地及道路產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，塌陷區(qū)塌陷發(fā)育程度強(qiáng)，采礦引發(fā)采空塌陷的危害程度大。

4 生態(tài)修復(fù)工程

根據(jù)本區(qū)及其周圍地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案和土地復(fù)墾方案，本著“宜景則景、宜林則林、宜建則建”的原則，有效的改善治理區(qū)及周邊礦山環(huán)境，主要措施為采坑回填壓實、田坎、覆土、綠化等工程措施。

4.1 礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程

根據(jù)《河南省礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程勘查、設(shè)計、施工技術(shù)要求》，結(jié)合當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門意見，本區(qū)治理區(qū)域內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程分為4個平臺開挖回填，邊坡按照1：1.75進(jìn)行放坡。平臺設(shè)計標(biāo)高分別為：+295m平臺、+290m平臺、280m平臺、+270m平臺，回填的所需廢渣來源于現(xiàn)有堆放的廢渣量。

挖填方計算采用四點挖方（正方形）方格法網(wǎng)法進(jìn)行計算。計算公式如下所示：

式中：a——方格網(wǎng)的邊長（m）；

h1、h2、h3、h4——方格網(wǎng)四角點的施工高程（m），用絕對值帶入；

Σh——填方或挖方施工高程的總和（m），用絕對值帶入；

V——挖方或填方體積（m3）。

表4 礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程量一覽表

4.2 土地復(fù)墾工程

廢石回填至設(shè)計高度之后對其進(jìn)行平整壓實。平整壓實之后對其進(jìn)行表土覆蓋，表土來源于本區(qū)露天采場前期剝離的表土，根據(jù)本區(qū)所在區(qū)域旱地的種植標(biāo)準(zhǔn)和實際經(jīng)驗設(shè)計，考慮到底部為鋁土礦露采廢石，為保證復(fù)墾效果，覆土?xí)r可先覆底土，再覆表土，覆蓋厚度為0.8m，可滿足農(nóng)作物的生長需要。

經(jīng)過計算，平臺所需覆土量為11694.54m3。

表5 平臺覆土工作量一覽表

覆土后在治理區(qū)平臺外側(cè)修筑保水擋墻，防止水土流失，保水擋墻采用梯形截面，頂寬0.6m，底寬1.0m，高0.8m。修筑前首先對基面進(jìn)行清理，分層夯實，每層夯實厚度不大于25cm，壓實度不小于95%，高度偏差不大于2%。擋土坎斷面見圖3。修筑擋土坎長度約1331m，共需方量403.24m3。

圖3 保水擋墻大樣圖

6 結(jié)束語

通過對本區(qū)地質(zhì)開展生態(tài)修復(fù)工程，提高了林木覆蓋率，同時，植樹造林構(gòu)成了穩(wěn)定性強(qiáng)、生物生產(chǎn)能力高的生態(tài)系統(tǒng)，形成了經(jīng)濟(jì)合理的物質(zhì)能量流，抵御夏季干熱風(fēng)對農(nóng)作物的侵害。

生態(tài)修復(fù)工程完成后，可以減少水土流失，有效保護(hù)附近種植耕地和林草生長，擴(kuò)大耕地面積，能夠改善礦區(qū)周邊環(huán)境，可以提升所在區(qū)域的對外形象，充分體現(xiàn)了“預(yù)防為主，防治結(jié)合”“在保護(hù)中開發(fā)，在開發(fā)中保護(hù)”“依靠科技進(jìn)步，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)綠色礦業(yè)”等礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的基本原則。