肅北縣敖包溝金礦礦山地質(zhì)環(huán)境問題及恢復(fù)治理措施

蒙學(xué)禮，蒙發(fā)強，劉振龍，李渙森，彭鵬程

(1.廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊，廣西 南寧 530033； 2.廣西第一地質(zhì)工程公司，廣西 南寧 530033)

礦產(chǎn)資源開發(fā)作為社會經(jīng)濟發(fā)展的必要因素，給社會經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大福利的同時，也不可避免地產(chǎn)生地形地貌景觀破壞、土地資源破壞、含水層破壞等諸多礦山地質(zhì)環(huán)境問題[1]，這些問題直接或間接地影響了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[2-5]。為了突破環(huán)境問題對人民群眾生活水體提高的制約因素，黨中央決定加強生態(tài)環(huán)境保護(hù)，開展礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理工作，以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和礦業(yè)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展[6-10]。

敖包溝金礦區(qū)位于甘肅省肅北縣境內(nèi)，東距都縣城110 km。根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，礦區(qū)現(xiàn)已形成HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6較危險或易發(fā)生崩塌等危害的高陡斜坡6段，采空區(qū)塌陷面積為137359.2m2，棄渣場及道路壓占荒地面積為1.1 561 hm2。本文對該處的礦山環(huán)境地質(zhì)問題、現(xiàn)狀進(jìn)行了預(yù)測評估，通過開展高陡斜坡的治理工程、預(yù)測地面塌陷區(qū)設(shè)立安全警示工程、棄渣平整、回填工程、壓占荒地的清理復(fù)平工程等，防治、恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境，保障礦山安全、有序、環(huán)保地開展采礦活動。礦山目前處于開采階段，礦區(qū)主要工程布置有采礦工業(yè)場地(值班室、空壓機房、動力房、機修間、配電室等)、棄渣場、礦山道路等(圖1)。

圖1 礦區(qū)范圍影像Fig.1 Image map of mining area

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地形地貌

敖包溝金礦區(qū)位于阿爾金東段，標(biāo)高+3 400～+4 200 m，溝谷切割多、密度大，多受斷裂控制，山勢陡峭，溝壑密布，絕壁林立。區(qū)內(nèi)大部分地段基巖裸露，植被覆蓋率極低(圖2)。

圖2 礦區(qū)地形地貌特征Fig.2 Landform features of mining area

1.2 地層巖性

礦區(qū)出露地層主要為長城紀(jì)朱龍關(guān)群和第四系。①長城紀(jì)朱龍關(guān)群主要為一套火山碎屑巖、火山熔巖組合，巖石經(jīng)歷了輕微的變質(zhì)作用，巖性有變英安巖、變安山質(zhì)凝灰?guī)r、變英安質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰質(zhì)板巖、變英安質(zhì)凝灰熔巖、變安山巖、變安山玄武巖、輝石玄武巖、灰綠色綠泥片巖等；②第四系全新統(tǒng)坡洪積物，分布于礦區(qū)內(nèi)山間溝谷地帶，由砂、碎塊石構(gòu)成。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

礦區(qū)屬祁連造山帶中—南祁連弧盆系。礦區(qū)主構(gòu)造格架由一條呈北西—南東向展布，傾向北或北東的脆韌性剪切帶構(gòu)成，分布于水閘東溝—紅旗溝—三窩水溝一線，延展長度約8 km，寬300～500 m。根據(jù)國家地震局發(fā)布的1∶400萬《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，工程場址的地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，相應(yīng)的地震烈度Ⅶ度[11]，評估區(qū)屬現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造活動的基本穩(wěn)定區(qū)[12]。

2 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為 +3 485 m左右，地形條件有利于自然排水，地表沒有水體存在，地下水主要為構(gòu)造裂隙水，北西向斷裂構(gòu)造是含水構(gòu)造，但含水比較弱，礦坑涌水量大小受控水結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度和程度的影響，在風(fēng)化裂隙發(fā)育密集帶、斷層破碎帶和地形有利于匯水的地段可形成一定量的集中涌水，但總體水量不大，平硐中破碎帶涌水量為0.013 0～0.031 4 L/s。礦坑涌水量會隨季節(jié)性變化，總體趨勢上礦坑涌水量會隨開采時間的增長而逐漸減小，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單。

2.2 工程地質(zhì)條件

(1)侵入巖巖組。巖性為變安山巖、變安山玄武巖、輝石玄武巖等，致密堅硬，巖石單軸飽和抗壓強度100～120 MPa，軟化系數(shù)0.7～1.0。巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育，風(fēng)化剝蝕強烈，呈破碎結(jié)構(gòu)。由于巖性硬、脆，在陡斜坡帶出露時卸荷裂隙發(fā)育，出現(xiàn)松動危巖體。巖體完整性屬中等完整—較完整。

(2)薄層狀變質(zhì)巖組。巖性為變英安質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰質(zhì)板巖、灰綠色綠泥片巖等。該巖組巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體易風(fēng)化，強風(fēng)化帶厚度為5～15 m，強風(fēng)化層呈破碎結(jié)構(gòu)。地層連續(xù)性差，斷層及斷層破碎帶、節(jié)理、裂隙發(fā)育。巖石單軸飽和抗壓強度大多在60～122 MPa，屬堅硬巖，軟化系數(shù)為0.5～0.7，少量的炭質(zhì)千枚巖、綠泥石英片巖單軸飽和抗壓強度在31～48 MPa，為半堅硬巖。

3 礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及評估

3.1 不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)狀評估

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查資料，礦區(qū)已施工平硐6條，編號為YM4、YM3、PD10-3、PD10-2、PD10-2-1、PD10-1，硐口開挖寬度8 m，高為5 m，平硐經(jīng)修整后作為開拓平硐，硐口處共形成不穩(wěn)定斜坡HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6，采用赤平投影對礦山HQ1、HQ3、HQ4斜坡進(jìn)行分析(圖3)，斜坡對采掘人員構(gòu)成威脅，現(xiàn)狀評估危險性中等，不穩(wěn)定斜坡特征見表1。

圖3 平硐口不穩(wěn)定斜坡赤平投影分析Fig.3 Stereographic projection analysis of unstable slope at adit entrance

表1 不穩(wěn)定斜坡特征Tab.1 Characteristics of unstable slopes

3.2 泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評估

(1)泥石流的發(fā)育特征。評估區(qū)內(nèi)紅旗溝長2.15 km，流域面積3.64 km2，溝口高程+3 415 m，溝腦高程+3 895 m，高差480 m，主溝縱坡126‰，流域處于基巖中高山區(qū)。泥石流溝溝谷斷面呈“V”形，溝岸坡角45°～70°，主溝溝床為沖溝，溯源侵蝕強烈，主溝切深1～2 m。溝谷兩側(cè)斜坡巖體裸露，植被覆蓋較低，風(fēng)化碎石遍布，坡面沖刷劇烈，坡腳及溝谷底部坡積、沖洪積層平均厚度3～5 m，在該溝中下游紅旗溝采區(qū)溝底及左側(cè)斜坡堆積有大量的廢棄礦渣，其總體積約18.5×104m3，為泥石流形成提供了豐富的物源。該溝平常干涸無水，屬季節(jié)性溝谷，遇暴雨時，洪水?dāng)y帶坡面沖刷、溝岸側(cè)蝕、溝底刨蝕的松散層和人工堆積松散層沖出溝外，形成泥石流。

(2)泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評估。礦山為延續(xù)開采礦山，已開采，現(xiàn)狀條件下流域范圍內(nèi)，在該溝中下游紅旗溝采區(qū)溝底及左側(cè)斜坡堆積有大量的廢棄礦渣，其總體積約18.5×104m3，坡體表層堆積有大量松散礦渣，泥石流地質(zhì)災(zāi)害威脅對象為礦區(qū)采礦人員及機械，危害程度嚴(yán)重，危險性大[12-14]。

3.3 采空區(qū)影響范圍評估

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查采空區(qū)地表無大的裂縫或塌陷坑，但易出現(xiàn)連續(xù)的有規(guī)律的地表移動和變形，礦區(qū)采空區(qū)長度與最大采深比0.54～0.65，說明地表移動盆地呈碗狀，為非充分采動[15-16]。

(1)

式中，Wmax為移動地表最大下沉值；η為地表下沉系數(shù)，取堅硬巖石的經(jīng)驗系數(shù)η=0.65；m為法線厚度；b為水平移動系數(shù)為0.38(據(jù)經(jīng)驗值)。

據(jù)式(1)求得，采區(qū)地面塌陷地表最大下沉值為1.502 m，最大水平位移值為0.571 m。塌陷區(qū)中心部位以垂直下沉為主，水平位移量較小。塌陷面積為137 359.2 m2，但地面塌陷處于荒漠無人區(qū)，僅對采礦工程活動產(chǎn)生影響，危險性為中等。

3.4 礦區(qū)水土環(huán)境破壞現(xiàn)狀評估

(1)含水層的影響評估。礦區(qū)最低開采標(biāo)高位于侵蝕基準(zhǔn)面+3 485 m以下，+3 485 m以下區(qū)域，可能在斷裂破碎帶及巖體構(gòu)造裂隙富水，井下最大涌水量0.301 m3/d，預(yù)測最大涌水量350 m3/d，礦區(qū)地下水補給來源為降雨、融雪水，沒有地表水通過礦區(qū)，礦井開拓時坑道發(fā)生大量涌水的可能性小，其影響程度較輕，破壞小。

(2)地形地貌景觀的影響評估。礦區(qū)遠(yuǎn)離居民區(qū)，保護(hù)區(qū)、風(fēng)景旅游區(qū)等重要設(shè)施。礦業(yè)活動對地形地貌的影響和破壞主要為礦山勘查過程中施工的探槽、平硐、尾礦堆放。現(xiàn)狀條件下，紅旗溝礦區(qū)已施工平硐6處，開采引發(fā)地面塌陷面積13.74 hm2，礦業(yè)活動對整個礦區(qū)的原生地形地貌景觀影響和破壞程度嚴(yán)重。

4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境防治

4.1 總體思路

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要為不穩(wěn)定斜坡和泥石流，可通過危石、危巖清理，平硐口采取支護(hù)，設(shè)置攔河壩等工程進(jìn)行治理，難度較??；地形地貌景觀通過設(shè)立擋石墻、封閉硐口、斜井回填、棄渣平復(fù)等手段，技術(shù)可行；土地資源及植被恢復(fù)可通過拆除、平整、清理廢棄物等工程，治理難度較小，但礦區(qū)海拔較高，氣候惡劣，以土地平整、自然恢復(fù)為主[17-18]。

4.2 地質(zhì)災(zāi)害治理工程

(1)不穩(wěn)定斜坡治理工程。針對礦山現(xiàn)狀條件下發(fā)育的不穩(wěn)定斜坡HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6坡面。結(jié)合斜坡治理需要和地形、地層特征，選擇在斜坡中上部，建設(shè)板樁加緩沖帶；在中部借助格構(gòu)梁和錨索，確保坡體抗滑力的不斷增大；在下部修建截排水溝設(shè)置，減少雨水對坡體產(chǎn)生的影響，增強坡體穩(wěn)定程度，選擇坡腳合理處設(shè)置護(hù)腳墻(圖4)。①削坡減荷。在斜坡中上部采用臺階形逐級放坡方式，確保斜坡下滑力得以削減，增強斜坡的穩(wěn)定性。通過削坡減荷方法，可以改善既有坡高比與坡度，降低災(zāi)害發(fā)生概率[16]，并借助板樁創(chuàng)建前緣緩沖帶。②合理加固邊坡。采用削坡減荷方法的同時，借助格構(gòu)梁和錨索，保證坡體抗滑能力增強。將植被種植于格構(gòu)中間，不斷增強護(hù)坡效果。③護(hù)腳墻。將護(hù)腳墻設(shè)置在斜坡前緣坡腳位置，且墻體要合理設(shè)置排水孔，并于墻后排水孔的位置加設(shè)過濾層。需要注意的是，排水孔要傾斜特定坡度，同時每隔一段距離要設(shè)置一道伸縮縫。④截排水溝設(shè)置。大氣降水會使坡體內(nèi)部潤滑程度增加，影響土體抗剪強度。應(yīng)在斜坡坡面上以及較大沖溝內(nèi)設(shè)置漿砌片石截排水溝。在截排水溝的作用下，可向排水溝內(nèi)部排放坡面雨水。⑤護(hù)網(wǎng)設(shè)置。對坡面進(jìn)行危巖、危石清理，平硐口采取支護(hù)工程措施，對威脅嚴(yán)重的不穩(wěn)定斜坡落石采用主動防護(hù)網(wǎng)防治措施。

圖4 平硐口不穩(wěn)定斜坡綜合治理Fig.4 Comprehensive treatment of unstable slope in adit mouth

(2)地面塌陷災(zāi)害治理工程。敖包溝金礦圍巖穩(wěn)定，因采礦引起的地面塌陷影響范圍較小，礦區(qū)閉坑后，盡量使塌陷區(qū)自然塌陷，與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)景觀相諧調(diào)。因此，一般采取綜合治理措施，主要采取如下方法[17]：①警示標(biāo)志柵欄圍護(hù)法。對以后存在塌陷隱患的區(qū)段，進(jìn)行混凝土夯實回填、禁止或控制地下水開采，設(shè)立警示標(biāo)志并在其外圍設(shè)置鐵絲網(wǎng)或木柵欄等，避免人、畜等進(jìn)入塌陷區(qū)而遭受傷害。設(shè)置高1.5 m網(wǎng)圍欄工程1 700 m，平均每200 m設(shè)警示牌1塊，共設(shè)警示牌9塊。②灌注法。把灌注材料(水泥、砂、礦渣和速凝劑等)通過鉆孔進(jìn)行注漿，其目的是強化土層及鉆孔封堵，隔斷地下水流通道，加固土體抗塌能力。③強混凝土法回填。對礦區(qū)采礦過程中斜井進(jìn)行棄渣回填，斜井?dāng)嗝?.6 m2，長100 m，總方量360 m3。采用錘吊讓其自由下落，造成強烈的沖擊，提升了混凝土體的強度。該措施不但可以壓實塌陷后松軟的土層和塌陷坑內(nèi)的回填土，以提高土體強度，還可以消除隱伏土洞和軟弱帶，是一種處理和預(yù)防相結(jié)合的措施。

(3)恢復(fù)地貌景觀治理工程?？紤]礦區(qū)地處荒山，人煙稀少，植被覆蓋率低，地表土層僅零星分布，因此確定對礦區(qū)挖損、壓占土地資源進(jìn)行平整處理，不進(jìn)行覆土工程，植被恢復(fù)采用自然恢復(fù)法。①采礦過程中施工6處平硐，規(guī)格為2.2 m×2.2 m，閉坑后硐口均采取漿砌石封閉，封閉深度自硐口至硐身為20 m，總方量累加損耗量為521 m3。②采礦過程所產(chǎn)生棄渣除用于修復(fù)礦區(qū)道路外，在各棄渣場將堆放棄渣15 552 m3，考慮采礦階段已對各棄渣場內(nèi)棄渣做了相應(yīng)復(fù)平工作，最終對棄渣的復(fù)平方案采取削高補低的方法，復(fù)平量按總棄渣量40%估算，總復(fù)平量為6 421 m3(圖5)。

圖5 礦區(qū)場地平整示意Fig.5 Mine site leveling schematic diagram

(4)礦區(qū)土地資源破壞恢復(fù)工程(圖6)。礦區(qū)開采過程中共壓占荒地面積1.156 1 hm2，挖損荒地面積14.78 hm2。同時，礦區(qū)屬高原荒漠區(qū)，且大多巖壁陡峭，在這種環(huán)境下開展復(fù)綠的技術(shù)難度大，植被存活率低。根據(jù)礦山生態(tài)環(huán)境特征，把握“山水林田湖草是一個生命共同體”的理念，結(jié)合區(qū)域人文、經(jīng)濟、社會發(fā)展需求，因地制宜確保生態(tài)修復(fù)的社會效益和經(jīng)濟效益最大化。

圖6 礦區(qū)土地資源破壞恢復(fù)工程Fig.6 Mining area land resources destruction restoration project

統(tǒng)籌考慮礦山及其周邊區(qū)域的系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)問題，打破“生態(tài)修復(fù)就是復(fù)綠”的思維定式，具體采取工程措施為，拆除已有工程設(shè)施，設(shè)置擋土墻，使采礦產(chǎn)生的廢石沿坡自由堆放，按平整厚度0.2 m計算，產(chǎn)生的廢棄物總方量為31 872.2 m3。后期根據(jù)社會需求，可開發(fā)成礦山地質(zhì)公園、攀巖基地等景觀區(qū)。

4.3 效益分析

礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理工程利于人民群眾安居樂業(yè)和社會穩(wěn)定，并對保障礦山自身安全運行及持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。礦山治理區(qū)自然生態(tài)環(huán)境十分脆弱，保護(hù)和建設(shè)好生態(tài)環(huán)境，減輕地質(zhì)災(zāi)害對礦山企業(yè)的危害，改善區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展意義重大[19-20]。

5 結(jié)論

評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度屬復(fù)雜，開采規(guī)模為小型，重要程度屬一般。

(1)評估區(qū)因平硐口開挖形成的斜坡，發(fā)生小規(guī)模崩塌、墜石地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大，威脅采礦工作人員的安全，對采礦活動影響程度較嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)發(fā)生泥石流、崩塌等災(zāi)害的可能性大，危險性大。工程活動對區(qū)內(nèi)含水層影響和破壞程度較輕，對礦區(qū)地形地貌景觀影響和破壞程度較嚴(yán)重，對土地資源影響和破壞程度較輕。

(2)礦區(qū)為地下開采，礦區(qū)水土環(huán)境破壞的方式主要表現(xiàn)為壓占和挖損，礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀影響程度為較嚴(yán)重。

(3)本文提出對HQ1、HQ2、HQ3、HQ4、HQ5、HQ6高斜坡處危巖清理、設(shè)置臺階式邊坡削坡減荷，加固錨栓固定邊坡，修建截、排水溝等防治工程技術(shù)手段，以減輕地質(zhì)災(zāi)害威脅；通過對棄渣場的平復(fù)治理，盡可能恢復(fù)原有地貌特征，從而為礦山開采引起的斜坡崩塌及采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題提供了較為有效的治理措施。