灤平縣寶財(cái)鐵礦地質(zhì)環(huán)境評估及恢復(fù)治理研究

王 讓，崔朋濤，尚佳楠

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

灤平縣寶財(cái)鐵礦地處冀北山區(qū)燕山山脈，行政區(qū)屬承德市管轄，礦區(qū)總面積2 195 326 m2，為露天開采，對地貌景觀和土地資源的破壞嚴(yán)重，采礦形成的大量廢石無序堆積于采場內(nèi)，春秋干旱季節(jié)，揚(yáng)塵四起，已經(jīng)構(gòu)成沙塵暴及霧霾物質(zhì)來源，對大氣構(gòu)成了嚴(yán)重的污染[1-3]。為了落實(shí)習(xí)近平主席“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)文明建設(shè)理念，對該區(qū)進(jìn)行“礦山復(fù)綠”治理、改變生態(tài)環(huán)境也是當(dāng)?shù)匕傩盏钠惹性竿鸞4-9]。

近年來諸多學(xué)者，如原振雷等[1]開展了礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及其防治研究；張小連等[2-3]開展的礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程設(shè)計(jì)；武樂霞[4]對某礦山實(shí)施邊坡治理、廢棄礦坑填埋、地形地貌景觀植被修復(fù)、土礦廢棄地整治等措施；賈晗等[5]對安徽銅陵硫鐵礦集中開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)研究。以上學(xué)者研究為礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理提供了借鑒。本文對礦區(qū)進(jìn)行了全面的調(diào)查，查明了礦山開采對環(huán)境破壞現(xiàn)狀(圖1)，重點(diǎn)調(diào)查了露天采場破壞現(xiàn)狀和不良地質(zhì)現(xiàn)象及存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患問題。根據(jù)以上問題，有針對性地布置礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)工程，采用削方平整工程、擋土墻工程、覆土綠化工程等分項(xiàng)工程進(jìn)行治理，最大限度地對露天采場、料堆、礦區(qū)道路進(jìn)行綜合整治，治理后形成較大面積的可利用土地資源[10-13]。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分布Fig.1 Distribution of mine geological environment

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地形地貌

礦區(qū)地處冀北山區(qū)，屬燕山山脈，標(biāo)高+300～+578 m，相對高差278 m，屬低山地貌形態(tài)類型，地勢東高西低。區(qū)內(nèi)溝谷橫斷面多以V形為主，溝內(nèi)為松散坡積物，溝口暢通，谷兩側(cè)山坡不對稱，局部基巖裸露。

1.2 地層巖性

礦區(qū)內(nèi)主要地層為太古界單塔子群白廟組，為一套變質(zhì)巖系。巖性主要有黑云斜長變粒巖、黑云角閃斜長片麻巖、磁鐵石英巖、磁鐵斜長角閃巖。地層產(chǎn)狀，傾向20°～324°，傾角50°～72°，礦體主要賦存在該組地層中，其余為第四系覆蓋。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

(1)地質(zhì)構(gòu)造。礦區(qū)大地構(gòu)造位置上處于中朝準(zhǔn)地臺、燕山臺褶帶、承德拱斷束、大廟穹斷束之中，北臨灤平中生代火山斷陷沉積盆地，中生代地層廣泛出露。南受北古口—上古東西向大斷裂影響，區(qū)內(nèi)斷裂相當(dāng)發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)未見大斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。

(2)新構(gòu)造運(yùn)動與地震。區(qū)域上屬燕山地震構(gòu)造帶，該區(qū)域地震動峰值加速度為0.05g，地震動峰值加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第3組[14]。礦區(qū)所處區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好。

2 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

(1)地下水類型。第四系松散巖類孔隙水及基巖風(fēng)化裂隙水。第四系全新統(tǒng)松散巖類孔隙水主要分布在潮河河谷、漫灘及溝谷中，含水層巖性主要為砂土及碎石土層，富水性因地而異，由于潛水位埋藏較淺，容易接受大氣降水的滲透補(bǔ)給?；鶐r風(fēng)化裂隙水主要分布在基巖的表層風(fēng)化裂隙中。因基巖風(fēng)化較嚴(yán)重，存在多處貫通裂隙，有利于形成風(fēng)化裂隙潛水，含水層富水性較差。

(2)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件。區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙水主要補(bǔ)給來源為大氣降水直接滲入補(bǔ)給及潮河的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次為基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式主要以潛水徑流形式向下游排泄，其次為人工開采(生活用水、工礦企業(yè)用水、農(nóng)田的灌溉等)。基巖裂隙水的補(bǔ)給主要接受大氣降水的補(bǔ)給，排泄主要為地下徑流的方式向下游排泄，并在溝谷斜坡陡峭處以泉的形式排泄。綜上所述，治理區(qū)水文地質(zhì)條件良好[15]。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖性類型和物理力學(xué)性質(zhì)的差異，治理區(qū)可劃分為2個(gè)工程地質(zhì)層：①較堅(jiān)硬變質(zhì)巖類巖組；②第四系松散土體。巖土體工程地質(zhì)特征見表1。

3 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀及評估

礦區(qū)主要以露天開采，開采極不規(guī)范，礦業(yè)活動主要造成3處露天采場、2處殘丘堆積、2處工業(yè)場地及礦區(qū)道路，總占地面積為111 114 m2，礦山閉坑后形成大面積的陡峭工作面、開采平臺，采坑、料石堆零亂分布，區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，改變了原始自然地貌。山體工作面為巖質(zhì)邊坡，近直立，起伏較大，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，中—強(qiáng)風(fēng)化，巖體切割強(qiáng)烈，局部呈大塊狀或碎裂狀，存在崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。同時(shí)，采坑和部分平臺邊坡角較大，一般為75°，最大邊坡角可達(dá)80°～90°，形成工作面，且采石放炮震動產(chǎn)生的裂隙較多，坡面危巖體較多，亦存在崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。

3.1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

(1)露天采場。露天采場占地面積為100 287 m2，呈北西—南東方向展布，長700 m，寬約550 m，西側(cè)最高開采標(biāo)高為+510 m，東側(cè)最高開采標(biāo)高為+500 m，底面最低開采標(biāo)高為+397 m。采場內(nèi)無序分布3處采坑及多級不規(guī)則開采臺階(圖2)。①1號采坑：占地面積28 574 m2，東西長225 m，南北寬137 m，頂面最高開采標(biāo)高+500 m，底面最低開采標(biāo)高+464 m，最大高差36 m，采坑入口北側(cè)分布2級開采臺階，寬5～10 m，高4～8 m，臺階頂面凹凸不平，坡面坡角50°～70°，采坑入口南側(cè)分布3級開采臺階，寬7～15 m，高6～8 m，頂面較平整，坡面坡角50°～60°，近直立，節(jié)理發(fā)育，坑底有少量碎石松散堆積。②2號采坑：占地面積47 608 m2，東西長394 m，南北寬142 m，頂面最高開采標(biāo)高+440 m，底面最低開采標(biāo)高+416 m，最大高差24 m，采坑西側(cè)分布4級開采臺階，寬3～15 m，高5～30 m，頂面凹凸不平，坡面坡角50°～80°，采坑坡面坡度較緩，但不規(guī)整，節(jié)理發(fā)育，坑底有少量碎石松散堆積。③3號采坑：占地面積24 105 m2，南北長187 m，東西寬153 m，頂面最高開采標(biāo)高+443 m，底面最低開采標(biāo)高+411 m，最大高差32 m，東側(cè)邊坡存在1級開采臺階，寬2～24 m，采坑坡面坡角較大，約75°，節(jié)理發(fā)育，坑底存在1處水坑，水深0.1～0.5 m，均為大氣降雨形成，該區(qū)對含水層影響程度較輕，坑底有少量碎石松散堆積。

圖2 露天開采采坑Fig.2 open-pit mining

(2)殘丘堆積。礦區(qū)共有2處殘丘堆積(圖3)，總面積為5 997 m2，山麓線以上體積236 238 m3。①1號殘丘：占地面積5 395 m2，南北長122 m，東西寬50 m，頂面標(biāo)高約+420 m，底面標(biāo)高約+403 m，最大高差17 m，體積225 998 m3，坡面坡角60°～80°，基巖裸露，無植被覆蓋。②2號殘丘：占地面積為602 m2，南北長41 m，東西寬17 m，頂面標(biāo)高約為+408 m，底面標(biāo)高約+398 m，最大高差10 m，體積10 240 m3，坡面坡角45°～70°，西側(cè)已種植楊樹，部分位置基巖裸露，植被覆蓋50%。

圖3 殘丘堆積Fig.3 Residual mound accumulation

(3)工業(yè)場地。工業(yè)場地2處(圖4)，分別為生產(chǎn)區(qū)及辦公區(qū)，總占地面積為4 830 m2。

圖4 工業(yè)場地Fig.4 Industrial site

砂場生產(chǎn)區(qū)占地面積3 075 m2，背靠露天采場北側(cè)邊坡，坐落于2級平臺之上，包含破碎車間、篩選車間及傳送帶；辦公區(qū)占地面積1 755 m2，為砂場辦公廠房。

3.2 地質(zhì)環(huán)境評估

礦區(qū)多年的礦業(yè)活動使礦山地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遭到了極大的破壞，出現(xiàn)了大量的環(huán)境地質(zhì)問題。主要環(huán)境地質(zhì)問題有次生地質(zhì)災(zāi)害、地貌景觀的破壞、植被損壞、土地資源壓占損毀、揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境等問題，地質(zhì)環(huán)境影響評估見表2。

表2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響評估Tab.2 Geological environment impact assessment table of mining area

(1)次生地質(zhì)災(zāi)害。礦區(qū)內(nèi)散亂分布多處坡角大于70°的高陡邊坡，坡面裂隙較發(fā)育，坡面殘留大量浮石，部分塊石已掉落，自然狀態(tài)下，浮石處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但若受到震動或雨水沖刷后可能發(fā)生失穩(wěn)，形成崩塌、不穩(wěn)定邊坡地質(zhì)災(zāi)害。對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度較大、較嚴(yán)重。

(2)地形地貌景觀破壞。礦區(qū)周邊皆為自然山體，春夏秋季呈現(xiàn)一片綠色生態(tài)景觀。而采石場都是露天開采，礦山在開采過程中采面表面植被皆被破壞殆盡，巖面裸露，與周邊植被生長茂盛的山區(qū)綠色生態(tài)環(huán)境極不協(xié)調(diào)。由于早期開采的不規(guī)范，造成現(xiàn)狀存有大量植被破壞、巖壁裸露的殘山，地貌景觀遭受嚴(yán)重破壞。原有的植被僅為山體頂部的灌木及雜草。在建承德懋龍溪生態(tài)陵園項(xiàng)目位于治理區(qū)北西側(cè)，位于陵園可視范圍內(nèi)的采坑、殘丘嚴(yán)重影響著陵園的整體生態(tài)環(huán)境。對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度大、嚴(yán)重。

(3)植被毀壞。由于礦業(yè)活動，大量的原有植被遭到破壞，使基巖、廢石和廢渣直接裸露，與周邊環(huán)境形成了巨大的反差。對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度大、嚴(yán)重。

(4)土地資源壓占損毀。礦區(qū)內(nèi)分布大量由于采礦形成的采坑，形成采坑、平臺相間的現(xiàn)狀地貌。由于粗放采石，形成的采坑大多形狀各異，部分采坑集中連片形成采坑群，采坑總面積達(dá)100 287 m2，同時(shí)大量石料和廢渣胡亂堆積于坑口及采礦平臺上，大量的土地資源壓占損毀，閑置荒蕪，造成了土地資源的極大浪費(fèi)，對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度大、嚴(yán)重。

(5)揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境。由于礦業(yè)活動，治理區(qū)范圍內(nèi)大量的植被破壞，松散覆蓋層幾乎全部被剝離，被剝離的松散堆積物和礦渣混合在一起形成渣土，礦渣、細(xì)顆粒物等遇風(fēng)極易起揚(yáng)塵，污染環(huán)境，形成揚(yáng)塵天氣，與周邊環(huán)境形成了巨大的反差。每遇大風(fēng)，二次揚(yáng)塵經(jīng)常造成周圍村莊的塵霧彌漫，降低空氣清潔度和大地的光照度，極大地影響了周圍村莊居民的健康及采礦區(qū)域周圍的植被生長。對礦山地質(zhì)環(huán)境影響大且程度嚴(yán)重。

4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理

礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理主要包含露天采場的平整及綠化、料堆的平整及綠化、礦區(qū)道路綠化，主要通過削方平整工程、擋土墻工程、覆土綠化工程等分項(xiàng)工程進(jìn)行治理[16-18]。

4.1 削方平整工程

削方平整工程包括采坑底面的削平臺、削緩坡平整及邊坡削臺階平整3部分(圖5)。①平臺：平臺頂面標(biāo)高統(tǒng)一，地形低洼處可適當(dāng)填方，壓實(shí)。緩坡：緩坡坡角<3°，地形規(guī)整。②臺階：為消除崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患，需在采坑高陡邊坡處修建平緩臺階，臺階寬6 m，坡面55°，臺階臺面高差10 m，根據(jù)實(shí)際地形，臺階高度、寬度可適當(dāng)調(diào)整；相同標(biāo)高的臺階在地形條件允許的情況下盡量相連，以保證整體的美觀；各級平臺間便道相連，以便后期養(yǎng)護(hù)。

圖5 場地廢渣削方平整示意Fig.5 Schematic diagram of site waste cutting and leveling

4.2 擋土墻工程

(1)技術(shù)要求。不穩(wěn)定陡坡設(shè)置擋土墻[19-20]，外沿3 m為養(yǎng)護(hù)車行駛道路，在距臺階外沿3 m處修建擋土墻，墻內(nèi)覆土綠化。各級臺階總長度為14 623 m，頂面為穩(wěn)定基巖，擋土墻高1.4 m，墻身頂寬0.5 m，底寬0.5 m，基礎(chǔ)埋深0.2 m(圖6)。

圖6 不穩(wěn)定陡坡?lián)跬翂熬G化示意Fig.6 Schematic diagram of retaining wall and greening on unstable steep slope

墻身為M10.0漿砌石，墻體采用M10.0漿砌毛石砌筑，采用座漿法施工；石材強(qiáng)度等級不應(yīng)低于MU30(石料就地取材)，且軟化系數(shù)不小于0.8；水泥應(yīng)采用不低于P.O32.5普通硅酸鹽水泥，墻身立面采用M7.5水泥砂漿勾縫；墻頂使用M7.5砂漿找平抹面，厚度不小于2 cm。

(2)工程量。擋土墻砌筑工程量=墻體橫斷面面積×墻體總長度；墻體抹面面積=頂面寬度×頂面長度。①漿砌毛石量：1.4 m(高)×0.5 m(寬)×14 623 m(長)=10 236.1 m3；②基礎(chǔ)挖方量為：0.2 m(深)×0.5 m(寬)×14 623 m(長)=1 462.3 m3；③墻體頂面抹面面積為： 0.5 m(頂寬)×14 623 m(頂長)=7 311.5 m2。

4.3 覆土綠化工程

將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的泥砂摻雜一定量的氮磷鉀等肥料后，搬運(yùn)至治理區(qū)內(nèi)用于回填，回填泥砂0.7 m，回填耕植土0.3 m(圖7)。

圖7 回填區(qū)復(fù)墾綠化示意Fig.7 Schematic diagram of reclamationand greening of backfill area

5 地質(zhì)環(huán)境修復(fù)效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益。通過礦山地質(zhì)環(huán)境治理結(jié)合礦山公園概念規(guī)劃，恢復(fù)治理區(qū)生態(tài)環(huán)境，為建設(shè)一流的礦山公園打下良好的基礎(chǔ)。治理工程的實(shí)施可新增利用土地24.6 hm2，考慮灤平縣所處的區(qū)位條件，借助首都優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)要素富集的優(yōu)勢，可以給當(dāng)?shù)氐拇迕駧硪欢ǖ慕?jīng)濟(jì)收入[12-15]。

(2)環(huán)境效益。通過項(xiàng)目實(shí)施治理，大大減輕治理區(qū)巖壁裸露、植被稀少等不良地質(zhì)環(huán)境影響，恢復(fù)邊坡綠化面積184 221 m2；同時(shí)，此次設(shè)計(jì)對裸露的工作面規(guī)整的臺階式布設(shè)，大力建設(shè)礦山公園，消除治理區(qū)內(nèi)形成的揚(yáng)塵污染，凈化治理區(qū)及其周邊的空氣[13-14]。

(3)社會效益。灤平縣寶財(cái)鐵礦通過充分挖掘廢棄工礦用地潛力，改善投資環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展。為該地區(qū)同類礦山地質(zhì)環(huán)境治理探索出一套治理模式，積累適合該地區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境治理的寶貴經(jīng)驗(yàn)。在探索礦山地質(zhì)環(huán)境治理、保障發(fā)展、促進(jìn)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會建設(shè)方面具有明顯的示范作用[14-18]。

6 結(jié)論

灤平縣寶財(cái)鐵礦采取露天開采方式生產(chǎn)，由于早期缺乏規(guī)劃，造成現(xiàn)狀礦區(qū)采坑、殘丘遍布，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患、地貌景觀破壞、土地資源壓占損毀、揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境等礦山地質(zhì)環(huán)境問題，地質(zhì)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。通過現(xiàn)狀環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，因地制宜，對礦區(qū)內(nèi)3處采坑、2處殘丘及2處工業(yè)場地，采用削方平整工程、擋土墻工程、覆土綠化工程等分項(xiàng)工程進(jìn)行治理。最大限度地對露天采場、料堆、礦區(qū)道路進(jìn)行綜合整治，治理后形成較大面積的可利用土地資源。共恢復(fù)坡面綠化面積184 221 m2。