山東省沂源縣大田莊石灰?guī)r露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程探討

李寧寧，單吉成，郝翰，時(shí)晨，李麗，王會韜

(1.沂源縣自然資源局，山東 沂源 256100；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)， 山東 濟(jì)南 250014；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250199；4.臨朐縣自然資源和規(guī)劃局，山東 臨朐 262600)

0 引言

隨著礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度不斷增大,導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害等一系列地質(zhì)環(huán)境問題日益突出[1-2]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)在保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題,嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，極大地降低了地質(zhì)地貌景觀質(zhì)量[3]。露天開采礦山引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題是目前我國突出的礦山地質(zhì)環(huán)境問題之一[4]，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患的,必須及時(shí)采取有效措施,消除隱患[5]。沂源縣地處魯中山區(qū)，淄博市最南端，地層出露齊全，地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，非金屬礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏潛力大，以建筑石料用灰?guī)r、建筑用風(fēng)化砂為主的非金屬礦產(chǎn)資源尤為豐富。隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，各類礦山開發(fā)、工程建設(shè)等人類活動導(dǎo)致地形地貌破壞、山體和土地?fù)p毀、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、地下水及土壤污染等環(huán)境地質(zhì)問題日益嚴(yán)重。截至2019年沂源縣歷史形成的廢棄礦坑、礦井多達(dá)94處，地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)52處。地質(zhì)環(huán)境破壞已嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件

沂源縣大田莊石灰?guī)r礦區(qū)位于沂源縣城西南處約6.5km，青蘭高速公路南約0.42km，省道S234東約0.21km，位于田莊水庫西南角，屬沂源縣南麻街道辦轄區(qū)內(nèi)(圖1)。

1—沂河組；2—山前組；3—五陽山組；4—土峪組；5—北庵莊組；6—東黃山租；7—三山子組；8—炒米店組；9—崮山組；10—張夏組；11—饅頭組；12—孫家峪單元；13—斷裂；14—項(xiàng)目區(qū)位置圖1 治理區(qū)地質(zhì)簡圖

礦區(qū)地層出露復(fù)雜，基底為太古代泰山巖群雁翎關(guān)組變質(zhì)巖和侵入巖，蓋層有奧陶紀(jì)馬家溝群北庵莊組灰?guī)r及第四紀(jì)地層。北庵莊組主要巖性為灰色厚層云斑灰?guī)r、灰?guī)r和白云巖；第四系主要為殘坡積物，巖性為黃土狀粉質(zhì)黏土，含有灰?guī)r礫石。該治理區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，褶皺、構(gòu)造裂隙較發(fā)育，裂隙寬約5～150mm，局部達(dá)200mm，裂隙內(nèi)多被棕色黏土充填，由于構(gòu)造裂隙發(fā)育，局部巖石破碎，開采坡面分布大量危巖體。區(qū)內(nèi)未有巖漿巖出露，開采區(qū)未揭露巖漿巖。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地處南麻水文地質(zhì)單元，沉積裂隙巖溶含水組，含水層巖性主要為微晶灰?guī)r，富水性較好。地表水向沂河及田莊水庫徑流排泄，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，受地形地貌影響，地下水由西南向西北流向，一般8—9月份水位最高，豐水期過后，水位開始緩慢下降，至次年6—7月份，地下水位呈低—高—低變化，屬于入滲-徑流型，地下水礦化度516.74mg/L。

單井涌水量在1000～5000m3/d之間。治理區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單。

3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

沂源縣大田莊礦區(qū)的礦石種類主要為石灰?guī)r礦，自20世紀(jì)七八十年代開始零星開采，至20世紀(jì)九十年代，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑材料的需求增加，開采規(guī)模不斷增大，開采方法采用機(jī)械打孔爆破，再進(jìn)行人工分揀。無節(jié)制的礦產(chǎn)資源開采，給當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)，也帶來一系列環(huán)境地質(zhì)問題，如地形地貌破壞，生態(tài)環(huán)境惡化以及地質(zhì)災(zāi)害等問題，并在一定程度上危及到人民財(cái)產(chǎn)生命安全[6]。

3.1 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的特征及其危害

礦區(qū)因開采石灰?guī)r形成高陡邊坡，南部和北部邊坡高差較小，東部邊坡高差較大，坡度一般近乎直立，形成臨空面。邊坡裂隙發(fā)育，巖石破碎、整體性差，極易發(fā)生邊坡崩塌災(zāi)害。邊坡長度為505.73m，坡高10～50m，最大坡角為約90°，近乎直立，坡面危巖體、危石隨處可見,整體性差，在降水、凍融、地震等外營力的作用下,危巖體因重力共同作用下，脫離母體，產(chǎn)生崩塌災(zāi)害。

3.2 水土流失特征及其危害

石灰?guī)r礦的無序開采,毀壞了大量的土地與植被。礦區(qū)石灰?guī)r開采歷史悠久，歷經(jīng)數(shù)十年的破壞性開采，土地和植被遭受嚴(yán)重破壞，石灰?guī)r開采表層殘積、坡積風(fēng)化層剝離，植被遭受毀滅性的破壞，同時(shí)采石場邊坡坡度大，覆蓋層薄，局部基巖裸露，剝離殘坡積層未采取任何水土保持措施，大氣降水產(chǎn)生地表徑流，造成水土流失，造成了礦山荒漠化、石漠化，山體遺留的少許土壤也因?yàn)殚L期淋濾,土壤內(nèi)有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重流失，致使礦區(qū)內(nèi)植被再生困難，山體裸露，對自然生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞。

3.3 地質(zhì)地貌景觀破壞

無序的礦山開采，形成了大量的采石陡崖和大面積的采石平臺，采場和礦山周邊遺棄、遺留大量廢石，渣石堆，對原生地形地貌景觀破壞嚴(yán)重，該礦區(qū)西鄰省道S234，北鄰青蘭高速，人流車流量巨大，造成嚴(yán)重視覺污染。因此，實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理在當(dāng)下十分重要[7]。

4 工程治理方案

4.1 治理工程原則與目標(biāo)

(1)治理原則

治理工程首先要解決現(xiàn)存的崩塌、滑坡等礦山地質(zhì)環(huán)境問題，確保周邊群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[8]。治理工程以恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)為根本遵循，整體打造，整體修復(fù)，確保治理工程能夠達(dá)到和周邊環(huán)境協(xié)調(diào)一致的效果。治理工程在經(jīng)濟(jì)承受力的前提下，盡最大所能達(dá)到預(yù)期治理效果。在堅(jiān)持公益方向的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)財(cái)政資金在礦山生態(tài)修復(fù)工程上的支持性和引導(dǎo)性[9]。按照“宜林則林、宜水則水、宜耕則耕、宜景則景”的原則，根據(jù)治理區(qū)所處區(qū)位特點(diǎn)并結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展情況，合理確定破損山體治理的方向[10]。治理工程采取分級處理方法進(jìn)行預(yù)測，并制定良好的防治措施[11]。

(2)治理目標(biāo)

通過符合實(shí)際的工程措施，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，恢復(fù)破壞的地形地貌景觀、生態(tài)環(huán)境，解決現(xiàn)有地質(zhì)環(huán)境問題，提高治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量。

4.2 綜合治理方案

礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程技術(shù)主要分為危巖體清理工程、臺階削坡工程、漿砌石擋土墻工程、截排水溝工程等防治技術(shù)[12]。

(1)邊坡治理

《條例》將流域作為統(tǒng)一整體列為管理對象，但是各地區(qū)水功能區(qū)劃，尤其是邊界河湖水功能區(qū)劃仍有不統(tǒng)一的地方。如2010年國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水功能區(qū)劃》將淀山湖整體劃為淀山湖蘇滬緩沖區(qū)，但在以前的江蘇省、上海市人民政府對有關(guān)的水功能區(qū)劃批復(fù)中均對淀山湖使用功能進(jìn)行了不同的定位，江蘇定位為漁業(yè)用水區(qū)，利用率較高，上海定位為水源保護(hù)區(qū)，對環(huán)湖地區(qū)發(fā)展進(jìn)行了嚴(yán)格限制。建議兩省一市各自調(diào)整水功能區(qū)劃，將保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一到2010年5月國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水功能區(qū)劃》蘇滬緩沖區(qū)這一統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中來。

將邊坡進(jìn)行爆破削坡、人工及機(jī)械將坡面危巖體清除處理，將礦區(qū)邊坡進(jìn)行削坡，采取爆破削坡[13]。清理危巖體和削坡產(chǎn)生的土石方回填至礦坑處平整并覆土。治理區(qū)工程邊坡治理部分主要是對坡度較陡、裂隙發(fā)育的邊坡段進(jìn)行治理，治理區(qū)內(nèi)邊坡高度0～40m，坡度較陡，局部達(dá)90°，坡面上存在大量的危石，邊坡存在嚴(yán)重的不穩(wěn)定隱患。一是清除危石，二是在邊坡坡底修排水溝一道，走向沿邊坡走向布設(shè)，截水溝尺寸為42cm(高)×42cm(寬)，20cm厚M10漿砌片石砌筑；坡腳采取種植小葉爬山虎。爬山虎種植的間距為0.5m，每叢3株，共690株(圖2)。

1—坡面線；2—治理后地形線；3—灰?guī)r；4—削坡；5—續(xù)坡；6—擋墻；7—側(cè)柏；8—爬山虎圖2 臺階治理削方設(shè)計(jì)大樣圖

邊坡爆破過程中需提前剝離表土層，由于本區(qū)表土層較薄，剝離的表土層可集中堆放于治理區(qū)平整地段，以備綠化用。爆破工程由相關(guān)資質(zhì)的專業(yè)公司承擔(dān)，編制專項(xiàng)爆破方案，通過后方可施工。邊坡爆破過程中需提前剝離表土層，由于本區(qū)表土層較薄，剝離的表土層可集中堆放于治理區(qū)平整地段，回填時(shí)一并覆土。

(2)擋墻砌筑

爆破后，在臺階式坡頂布設(shè)擋土墻，沿平臺邊坡走向布設(shè)，坡頂擋土墻尺寸40cm(上底)×80cm(下底)×70cm(高)，40cm厚漿砌片石砌筑(圖3)。

1—M10漿砌石；2—基巖；3—回填土圖3 坡頂擋墻大樣圖

削方后，坡腳處采取臺階式續(xù)坡的方式，為確保渣石的穩(wěn)定，須砌筑一個階地，阻擋續(xù)坡回填的渣石，形成一個穩(wěn)定的臺階，為第三平臺。尺寸為5m(上底)×10m(下底)×8.6m(高)，40cm厚漿砌片石砌筑(圖4)。

圖4 坡腳處階地?fù)鯄Υ髽訄D

(3)采坑治理

采坑采用石方回填平整，將爆破削方后的土石方分層填入，然后進(jìn)行渣石平整。石方回填施工要求石方分層充填，每100cm為一層，分層壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.93，用機(jī)械碾壓。結(jié)合治理區(qū)場地實(shí)際，提前制定施工機(jī)械、車輛行走路線，對過窄的區(qū)域必要時(shí)要進(jìn)行加固、加寬，并做好標(biāo)記和施工準(zhǔn)備方案。施工前對填方基底、已完隱蔽工程進(jìn)行查驗(yàn)，做好記錄。底層壓實(shí)渣土的填方，不得用有機(jī)質(zhì)含量的土和碎塊草皮。底層渣土使用6～8遍振動平輾。碾壓時(shí)，輪(夯)跡應(yīng)互相搭接，避免漏壓或漏夯。當(dāng)回填土區(qū)域施工機(jī)械無法壓實(shí)時(shí)，要用人工運(yùn)土填平壓實(shí)。雨季填土作業(yè)時(shí)，要啟動應(yīng)急預(yù)案，對地挖處進(jìn)行挖溝排水，有必要時(shí)，要停止施工作業(yè)，雨停后做好檢查，對沖毀的填土區(qū)域進(jìn)行重新填平壓實(shí)。在爆破削坡后的平臺及陡崖坡底采用“廢石—客土”的工藝進(jìn)行回填,分層回填壓實(shí),厚度為70cm，種植土從距離治理區(qū)5km的魯村庫區(qū)購買。種植土覆蓋完成后用挖掘機(jī)進(jìn)行平整，并采用人工對內(nèi)部較大石塊進(jìn)行破碎。肥沃的表土是復(fù)墾時(shí)再種植成功的關(guān)鍵要素[14],故上層種植土首選附近較為肥沃的表層土或耕植土。

通過實(shí)施高陡邊坡削臺回?fù)跆钔?，為爬山虎、?cè)柏等植物生長創(chuàng)造適當(dāng)條件，爭取在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮植物的生態(tài)防護(hù)功能，達(dá)到修復(fù)該破損山體的目的，而硬巖地區(qū)植被復(fù)綠植物的選擇極為關(guān)鍵，關(guān)系到生態(tài)復(fù)綠工程實(shí)施的成敗。一般本地物種的抗逆性和適應(yīng)性強(qiáng)于外來品種[15]或礦區(qū)采用單一植被，恢復(fù)效果不但不佳，還往往出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象[16-18]，故在植被的恢復(fù)上，按照多層次、多結(jié)構(gòu)，喬木、灌木、草本立體混交原則進(jìn)行恢復(fù)。平整后的場地覆土后，整個治理區(qū)范圍內(nèi)，按2.0m×2.0m的株距種植側(cè)柏，為防止水土流失，整個治理區(qū)撒上狗牙根草籽，以固定表土。

(5)毛石支護(hù)

礦區(qū)南部因臺階式開采造成渣石臺階式堆積，堆積的渣石松散、強(qiáng)度低、整體性差、抗?jié)B透性差，當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨，在自然環(huán)境內(nèi)外應(yīng)力作用下很容易滑塌，所以采用毛石支護(hù)以確保邊坡的穩(wěn)定性。采用40cm厚的毛石進(jìn)行支護(hù)(圖5)。

1—毛石；2—碎石土圖5 毛石支護(hù)大樣圖

根據(jù)工程布置設(shè)計(jì)圖，采用全站儀對需支護(hù)位置進(jìn)行測量放線，采用木樁或白灰標(biāo)示。偕同監(jiān)理及設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)收。根據(jù)測放好的擋墻位置，對坡面進(jìn)行清理，清除雜草、虛土等。達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。選用無風(fēng)化、無裂隙毛石，對毛石外側(cè)進(jìn)行勾縫處理，灰縫的寬度掌控在20～30mm；支護(hù)厚度為40cm。支護(hù)工程完成后及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維護(hù)，確保工程施工質(zhì)量，組織施工技術(shù)人員對所有施工資料進(jìn)行整理匯總，及時(shí)報(bào)請監(jiān)理進(jìn)行分項(xiàng)工程驗(yàn)收。

5 結(jié)論

(1)已關(guān)閉的露天石灰?guī)r礦山存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題是地質(zhì)災(zāi)害(主要是崩塌、滑坡、泥石流)及地質(zhì)地貌景觀的破壞。消除已關(guān)閉礦山地質(zhì)災(zāi)害目前國內(nèi)主要是高陡邊坡及危巖體的卸載，需要采取控制爆破技術(shù)，減少飛石的發(fā)生，同時(shí)還要結(jié)合人工排險(xiǎn)技術(shù)。只有確定治理生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)，才可以有效的完成各項(xiàng)治理工作，減少地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)。礦山地質(zhì)環(huán)境治理應(yīng)在消除地質(zhì)災(zāi)害隱患的基礎(chǔ)目標(biāo)之上，以生態(tài)重建為主，土木工程建設(shè)為輔。

(2)工程治理措施的選擇上要充分考慮巖石邊坡的穩(wěn)定性，對其采取科學(xué)的分析和判別，在此基礎(chǔ)上綜合考慮各種自然和人為因素,對崩塌區(qū)域整體和分部重點(diǎn)判斷，確定需要卸載的危巖體大小和區(qū)域。

(3)已關(guān)閉露天礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)治理工程首先要考慮實(shí)施后的生態(tài)效益,綠化方案應(yīng)著重考慮本土樹種，盡量體現(xiàn)生物多樣性。在綠化樹種的選擇上，在美觀、經(jīng)濟(jì)、便捷的原則下，突出植物群落的豐饒感、整體美，要優(yōu)先選擇搭配抗旱性強(qiáng)，與周邊景觀協(xié)調(diào)一致，符合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的樹種來栽植。

(4)針對于當(dāng)前的發(fā)展形勢，要積極地開展相關(guān)的預(yù)防以及保護(hù)工作，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路不動搖，堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)與資源開發(fā)管理共同發(fā)展的道路，全面實(shí)施對礦山地區(qū)的環(huán)境進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃。