任岐山,高召奎,楊德根 ,王大光,張 強,徐偉瑜
(1.河南省地球物理空間信息研究院,河南 鄭州 450009;2.河南省地質(zhì)物探工程技術研究中心,河南 鄭州 450009)
為深入貫徹落實習近平生態(tài)文明思想和黨的十九大精神,積極踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念,遵循節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策,促進礦業(yè)經(jīng)濟全面轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展,全國各地開展礦山生態(tài)修復,消除地質(zhì)災害隱患,提高土地資源利用率,改善人居生態(tài)環(huán)境,保障人民群眾生命財產(chǎn)安全[1-3]。本文以廢棄采石礦山群為研究對象,開展礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查,探討礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理的相關工程對策,以期為廢棄采石礦山恢復治理工作提供參考。
研究區(qū)位于河南省駐馬店市驛城區(qū)朱古洞鄉(xiāng),南部與確山縣相鄰,西部與老樂山森林公園接壤,主要涉及5個歷史遺留礦山,包括王明亮采石場、王大生采石場、李漢章建筑石料礦、董玉霞采石場和立泰采石場,開采時間較長,管理不完善,私挖亂采較為嚴重,礦山與礦山之間已經(jīng)連成一片,礦界范圍不清晰。
本次工作為了便于治理,將礦區(qū)合并為3個治理區(qū)(圖1):①治理Ⅰ區(qū)包括王明亮采石場和王大生采石場,分布有2個采坑、2個渣堆和3處崩塌隱患區(qū);②治理Ⅱ區(qū)包括李漢章建筑石料礦和董玉霞采石場,分布有3個采坑、1個渣堆和1處崩塌隱患區(qū);③治理Ⅲ區(qū)為立泰采石場,分布有1個采坑。主要生態(tài)環(huán)境問題為高陡邊坡、深坑、廢渣堆、挖損與壓占土地資源,生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。
圖1 廢棄礦山相對及治理分區(qū)Fig.1 Relative and treatment zoning of abandoned mines
(1)氣象水文。研究區(qū)位于北亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū),屬大陸性季風氣候,四季分明,溫熱適中,雨熱同季,降水量適中,但年際變化量較大;屬淮河流城臻頭河水系,水系發(fā)育,呈輻射狀,徑流量受大氣降水的影響,年內(nèi)、年際變化較大。
(2)地形地貌研究區(qū)位于伏牛山脈侵蝕低山丘陵區(qū),東部為淮北平原,地勢西高東低,自西向東為山地—山前崗地—沖積平原,山地高程最高+555.0 m,平原區(qū)高程在+98.2~+109.8 m;地貌類型屬伏牛山余脈與黃淮平原過渡的低山丘陵區(qū),位于古臻頭河沖洪積扇,河流自西向東流出;區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育,植被稀疏。
區(qū)內(nèi)橫跨華北地臺和秦嶺褶皺帶2大構造單元,主要構造線呈北西—南東向,斷層密集呈網(wǎng)格狀,早期以近東西向和北西向為主,晚期由南北向組和北東向為主,對區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)的形成和發(fā)展及水文地質(zhì)條件起到一定控制作用。主要出露古生界下寒武統(tǒng)和零星第四系,前者主要為辛集組、饅頭組和毛莊組,厚26~925 m,巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r夾頁巖和粉砂巖;后者分布于山前丘陵陵崗壟地帶及山間溝谷,一般厚1~10 m,巖性為黏土、粉砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土和卵石等。主要發(fā)育燕山期細粒斑狀花崗巖和中?;◢弾r,以巖基、巖株形式產(chǎn)出,具多期侵入特征。
礦區(qū)露天開采,位于當?shù)厍治g基準面以上,地形有利于自然排水,水文地質(zhì)條件簡單。區(qū)內(nèi)地下水劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2種類型。前者賦存于第四系坡洪積卵石層、粉質(zhì)黏土中的孔隙潛水;后者主要是寒武—奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r中溶巖裂水。
區(qū)內(nèi)主要劃分為厚層狀堅硬巖類工程地質(zhì)區(qū)和松散巖類工程地質(zhì)區(qū)。前者以白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主,斷裂發(fā)育,厚層狀,地貌為差異性上升斷塊山地,巖層傾斜組成單面山,溝谷發(fā)育,地形切割較強烈,在陡峭巖壁地段常有崩坍及脫落現(xiàn)象;受斷裂控制,地震活動輕微,區(qū)域穩(wěn)定性較好;巖體承載力高,但結構節(jié)理發(fā)育,巖層傾斜,巖層層面不穩(wěn)定;整體工程地質(zhì)條件較差。后者以單一結構黏性土為主;近山前地帶其厚度受基巖面控制,沖溝發(fā)育,崗坡及溝坡見有滑坡崩塌現(xiàn)象;屬持續(xù)差異性沉降區(qū),地震很少、強度低、工程地質(zhì)條件一般。
露天開采不僅破壞了礦區(qū)內(nèi)的原生地形地貌景觀,而且打破了淺表巖土體平衡,導致一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題發(fā)生或加劇[4-5]。區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)環(huán)境問題為露天開采形成的高陡邊坡引發(fā)崩塌等地質(zhì)災害、形成的采坑破壞地形地貌景觀、占用土地資源和影響生態(tài)環(huán)境等方面。
區(qū)內(nèi)礦山長期處于露天開采,形成了高度10~42 m、邊坡角45°~90°的高陡邊坡。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,共發(fā)現(xiàn)崩塌隱患點4處,無其他地質(zhì)災害隱患點。其中,治理Ⅰ區(qū)2處小型崩塌隱患點和1處較大崩塌隱患點,治理Ⅱ區(qū)1處小型崩塌隱患點。
(1)崩塌隱患點1。位于治理Ⅰ區(qū)1號采坑中部(圖2(a)),邊坡角約為65°,采坑北部及南部同時開采1號采坑內(nèi)礦體,開采至1號采坑中部時礦山停止了開采,致使1號采坑中部出現(xiàn)“孤立山脊”。崩塌隱患點邊坡70°~90°,坡面植被較少,可見少量野草及矮小喬木,上部為原始土層,厚度為0.5~2.0 m,下部為中度風化石灰?guī)r。崩塌隱患點易引發(fā)原因為三面開挖山體,形成“孤立山脊”,使東部、南部及北部失去支撐,“孤立山脊”巖體內(nèi)裂隙構造發(fā)育及開采擾動,崩塌隱患點坡度陡峭,加上雨季降水,使得坡體飽水,邊坡抗剪強度降低而易引發(fā)。崩塌體隱患點直線型,巖性灰?guī)r,崩塌體隱患點結構松散,透水性強。崩塌體長約385 m,寬1.5~131.0 m,相對高差為65~119 m,體積約為490 000 m3,為滑移式Ⅰ類崩塌。崩塌隱患點邊坡坡腳為采坑,崩塌尚未發(fā)生,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生崩動的可能性,崩塌危害程度大,危險性大,后期可能對過往行人造成一定的潛在威脅。
圖2 崩塌隱患點Fig.2 Potential collapse point
(2)崩塌隱患點2。位于治理Ⅰ區(qū)1號采坑中部(圖2(b)),邊坡坡角約65°,人工開挖后形成“直立山尖”,崩塌隱患點處邊坡角度70°~90°,坡面植被較少,可見少量野草及矮小喬木,下部為中度風化石灰?guī)r。崩塌隱患點易引發(fā)原因為開挖坡腳,斜坡坡度陡峭,加上雨季降水,使得坡體飽水,邊坡抗剪強度降低而引發(fā)的。崩塌隱患體長約49 m,寬約24 m,體積約1 920 m3,為滑移式小型崩塌,相對高差22 m。崩塌隱患點邊坡坡腳為采坑,崩塌尚未發(fā)生,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生崩動的可能性,崩塌危害程度小,危險性小,后期可能對過往行人造成一定的潛在威脅。
(3)崩塌隱患點3。位于治理Ⅰ區(qū)1號采坑東部(圖2(c)),邊坡自然坡角約60°,人工開挖后形成高陡邊坡,崩塌隱患點處邊坡角70°~75°,坡面植被較少,可見少量野草及矮小喬木,上部為原始土層,厚度0.5~1.0 m,下部為中度風化石灰?guī)r。崩塌隱患點易引發(fā)原因為開挖坡腳,斜坡坡度陡峭,加上雨季降水,使得坡體飽水,邊坡抗剪強度降低而引發(fā)的。崩塌隱患體長約40 m,寬2~8 m,體積約為1 350 m3,為滑移式小型崩塌,相對高差56 m。崩塌隱患點邊坡坡腳為采坑,崩塌尚未發(fā)生,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生崩動的可能性,崩塌危害程度小,危險性小,后期可能對過往行人造成一定的潛在威脅。
(4)崩塌隱患點4。位于治理Ⅱ區(qū)3號采坑東部(圖2(d)),邊坡自然坡角約60°,人工開挖后形成高陡邊坡,崩塌隱患點處邊坡70°~75°,坡面植被較少,可見少量野草及矮小喬木,上部為原始土層,厚度0.5~1.0 m,下部為中度風化石灰?guī)r。崩塌隱患點易引發(fā)原因為開挖坡腳,斜坡坡度陡峭,加上雨季降水,使得坡體飽水,邊坡抗剪強度降低。崩塌隱患體長約20 m,寬為5~10 m,體積約為1 840 m3,為滑移式小型崩塌,相對高差42 m。
區(qū)內(nèi)地形地貌景觀破壞較為嚴重,主要為大規(guī)模開挖石灰?guī)r產(chǎn)生的大量礦渣亂堆亂放導致,嚴重破壞了原有的地形地貌,其現(xiàn)狀為高陡邊坡、渣堆裸露、高低起伏的微地貌[6-7]。礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)采礦坑6個(表1),采坑內(nèi)臺階高差參差不齊,臺階坡面角較大,邊坡坡面裸露,嚴重破壞了區(qū)內(nèi)的地形地貌景觀,且局部礦坑頂部浮石險石殘存,礦坑內(nèi)有礦渣,結構松散,可誘發(fā)小規(guī)模的崩塌或滑坡。
表1 采坑基本情況統(tǒng)計Tab.1 Basic statistics of pit
(1)1號采坑。不規(guī)則多邊形,采坑坑壁北側(圖3(a))、東側陡峭,中部為一孤立山脊;長約750 m,寬約355 m,最大采高121 m,占地面積216 570 m2,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,北側、東側部分巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,坡面上局部存在崩塌隱患點;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
(2)2號采坑。不規(guī)則多邊形,采坑坑壁北側、西側陡峭(圖3(b)),長約109 m,寬約75 m,最大采高22 m,占地面積8 890 m2,邊坡角70°~90°,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,坡面上局部存在危巖體;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
(3)3號采坑。不規(guī)則多邊形,采坑坑壁西北側、東南側陡峭,長約430 m,寬約206 m,最大采高42 m,占地面積73 250 m2,邊坡角70°~90°,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,西北側坡面上局部存在危巖體;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
(4)4號采坑。不規(guī)則橢圓形(圖3(c)),采坑坑壁北側、東側陡峭,長約165 m,寬約95 m,最大采高19 m,占地面積13 190 m2,邊坡角70°~90°,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,西北側坡面上局部存在危巖體;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
(5)5號采坑。不規(guī)則扇貝形,采坑坑壁西側陡峭,長約170 m,寬約103 m,最大采高15 m,占地面積14 960 m2,邊坡角70°~90°,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,西北側坡面上局部存在危巖體;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
(6)6號采坑。不規(guī)則圓形(圖3(d)),采坑坑壁四周陡峭,長約290 m,寬約198 m,最大采高49 m,占地面積45 930 m2,邊坡角70°~90°,采坑邊坡為石灰?guī)r。巖體斷面較新鮮,風化較弱,巖壁較完整,邊坡較穩(wěn)定,西北側坡面上局部存在危巖體;礦坑內(nèi)側邊緣有礦渣,結構松散,透水性較強。
圖3 地形地貌景觀破壞Fig.3 Destruction of topography and landscape
礦區(qū)內(nèi)土地資源破壞方式主要為挖損和壓占;其次為礦山建設時礦區(qū)植被的破壞[8-9]。區(qū)內(nèi)共有采坑6個,挖損土地資源嚴重(圖3);大小不一廢渣堆3個,壓占土地資源嚴重(圖4)。
圖4 土地資源破壞Fig.4 Destruction of land resources
堅持保護優(yōu)先、以人為本、施法自然的原則,實行連片治理,科學布置工程措施,消除地質(zhì)災害隱患,統(tǒng)籌考慮整治區(qū)環(huán)境問題,以生態(tài)學、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)理論為指導,因地制宜,因害設防,做到“宜耕則耕、宜林則林、宜草則草”,優(yōu)化配置土地復墾工程,合理選擇植物種類,提高工程設計的科學性,突出環(huán)境效益和社會效益,兼顧經(jīng)濟效益,統(tǒng)一規(guī)劃、綜合治理,促進土地生態(tài)環(huán)境的改善與恢復和區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。
治理區(qū)采坑分布密集,地形地貌景觀破壞嚴重,擬對地質(zhì)災害進行治理和預防,對地貌景觀進行修整,對土地功能進行恢復[10-12]。采坑內(nèi)整平后的平臺及平臺間的斜坡覆土植樹種草,對自然恢復效果不好的區(qū)域采取補植樹木,恢復植被,并對治理區(qū)進行養(yǎng)護;石料加工區(qū)場地較為平整,臨近村莊,周邊為耕地,清理地表硬化物后覆土恢復為耕地。
(1)治理Ⅰ區(qū)。1號采坑中部和東側2個崩坍隱患體進行清除,對2號采坑西北部的崩坍隱患點進行清理,清除的崩坍隱患體及場地內(nèi)的廢渣進行統(tǒng)一利用;1號采坑內(nèi)的水面進行保留,用于治理恢復區(qū)內(nèi)耕地、林地管護使用;1號采坑及2號采坑回填平整至設計標高,對采坑北部石料加工區(qū)內(nèi)渣堆進行統(tǒng)一廢物利用;北部石料加工區(qū)平整后,覆土恢復成耕地;1號、2號采坑內(nèi)整平后的平臺及平臺間的斜坡覆土植樹種草,采礦西側、北側及東側坡底種植馬尾松和爬山虎,恢復植被。
(2)治理Ⅱ區(qū)。3號采坑西北側邊坡及崩坍隱患體進行清理和削坡工程,清除的崩坍隱患體及場地內(nèi)的廢渣進行統(tǒng)一利用;3號采坑內(nèi)的水面進行保留,用于治理恢復區(qū)內(nèi)耕地、林地管護使用;3號采坑東部及北部坑壁較為陡立,臨近道路,修建圍墻;3號、4號、5號采坑回填至設計標高,對采坑北部石料加工區(qū)內(nèi)渣堆進行統(tǒng)一廢物利用;3號采坑西南部整平后的平臺及平臺間的斜坡覆土植樹種草,采礦西側、北側及南側坡底種植馬尾松和爬山虎,恢復植被;4號、5號采坑平整后覆土植樹種草,坡地及坑壁處種植馬尾松和爬山虎,恢復植被。
(3)治理Ⅲ區(qū)。6號采坑進行危巖清理工程,采坑內(nèi)的水面進行保留,用于治理恢復區(qū)內(nèi)林地管護使用;采坑周邊較為陡立,臨近進場道路,修建圍墻;采坑南部及北部進采坑道路高于水面平臺,進行覆土后恢復為林地,在治理南部及北部邊坡種植爬山虎,恢復植被。
(1)采場地質(zhì)災害治理。采場整理包括礦區(qū)內(nèi)所有場地進行平整、局部的挖高填低;崩塌隱患點和邊坡清理與渣堆清理。
崩塌隱患點1清理最終平臺高度為+198.00 m,長度385 m,寬度1.5~131 m,最大高差119 m,清理崩塌隱患體體積為490 000 m3;崩塌隱患點2清理最終平臺高度為+160.00 m,長度49 m,寬度24 m,最大高差22 m,清理崩塌隱患體體積為1 920 m3;崩塌隱患點3清理最終平臺高度為+195.00 m,長度40 m,寬度2~8 m,最大高差56 m,清理崩塌隱患體體積為1 350 m3;崩塌隱患點4清理最終平臺高度為+146.00 m,長度20 m,寬度5~10 m,最大高差42 m,清理崩塌隱患體體積為1 840 m3。崩塌隱患體清除工作量見表2。
表2 覆土工程工作量Tab.2 Workload of earth covering works
區(qū)內(nèi)現(xiàn)有渣堆3處,渣堆面積10 500 m2,廢渣量4 654 m3,礦石量1.11萬t。其中,治理Ⅰ區(qū)有渣堆2處,渣堆面積4 540 m2,廢渣量2 270 m3,礦石量0.54萬t;治理Ⅱ區(qū)有渣堆1處,渣堆面積5 960 m2,廢渣量2 384 m3,礦石量0.57萬t;現(xiàn)有渣堆主要為礦山開采時剝離的土石方,土石比率約為4∶1??傊瑘龅厍謇硗瓿珊?,覆土后對適宜修復為耕地的,修復為耕地;對適宜修復為林地的,修復為林地,并在林地內(nèi)撒播草籽。
(2)建筑物拆除。區(qū)內(nèi)共有建筑物27座,總拆除面積2 362 m2,拆除廢棄建筑物產(chǎn)生的建筑垃圾約827 m3,建筑垃圾運至采坑平整。其中,治理Ⅰ區(qū)拆除建筑物19座,拆除總面積為1 927 m2,建筑物垃圾674 m3;治理Ⅱ區(qū)拆除建筑物9座,拆除總面積為435 m2,建筑物垃圾152 m3。
(3)覆土工程。區(qū)內(nèi)北部礦石加工廠場地較為平整,堆積廢渣較少,廠區(qū)周邊臨近村莊,且周邊耕地較多,適宜恢復為耕地(表2)。區(qū)內(nèi)原有表土未剝離,剝離地表硬化物約30 cm,剝離硬化物后壓覆的土層可以利用,可利用厚度約50 cm,項目治理時,對該區(qū)域覆土30 cm即可恢復為耕地(耕地區(qū)域土層厚度需80 cm),復墾耕地面積為8.87 hm2。
南部開采區(qū)距居民區(qū)較遠,地形坡度較大,礦山開采前原始地類為林地,區(qū)內(nèi)剝離表土有限,運輸條件及灌溉條件較差,適宜恢復為林地,擬利用井泉寺南部廢棄礦山堆積的土方進行覆土,覆土厚度50 cm,恢復為林地(林地區(qū)域土層厚度需50 cm),復墾林地面積為55.13 hm2。
(4)土壤改良工程。此次工作擬恢復耕地6處,土地翻耕總面積8.87 hm2。復墾區(qū)擾動后的地表大多是新生的、不成熟的“粗骨土”,擬通過增施復合肥和有機肥提高土壤肥力,促進土壤熟化,保證作物增產(chǎn)。擬每公頃施有機肥45 m3,施復合肥750 kg,區(qū)內(nèi)供需施有機肥399.15 m3,施復合肥6 653 kg。其中,治理Ⅰ區(qū)土地翻耕面積為5.42 hm2,施有機肥243.9 m3,施復合肥4 065 kg;治理Ⅱ區(qū)土地翻耕面積為3.45 hm2,施有機肥155.25 m3,施復合肥2 587.5 kg。
(5)綠化工程。根據(jù)治理區(qū)的環(huán)境、氣候及土壤條件,選擇種植馬尾松,采用穴栽的方式種植,樹坑大小為1 m×1 m×1 m,行間距2 m,株間距1.5 m,錯落種植,進行造林綠化、撒播草籽,并使其產(chǎn)生較好的經(jīng)濟價值。此外,播撒草籽進行植被恢復,撒播草籽40 kg/hm2,選用耐旱的黑麥草、紫花苜蓿草。具體綠化工程見表3。
表3 綠化工程工作量Tab.3 Workload of greening works
(6)排水溝工程。為匯集和排除路面、路肩及邊坡的流水,在路基一側修建縱向排水溝。排水溝與采坑相連,匯集后流至采坑內(nèi)用于恢復治理區(qū)林地、草地管護。本次共設計排水溝3 730 m,挖土方560 m3。其中,治理Ⅰ區(qū)排水溝2 220 m,挖土方333 m3;治理Ⅱ區(qū)排水溝580 m,挖土方87 m3;治理Ⅲ區(qū)排水溝930 m,挖土方140 m3。
(7)安全防護工程。治理Ⅱ區(qū)內(nèi)3號采坑、治理Ⅲ區(qū)6號采坑坑壁近乎直立,最深達48 m,為保證恢復為坑塘水面后的安全,在礦區(qū)道路的醒目位置設置警示牌,提醒路人遠離可能發(fā)生危險的區(qū)域。在采坑周圍設置一圈防護網(wǎng),防止人畜或車輛意外跌落或發(fā)生其他意外事故。
防護網(wǎng)采用低碳鋼絲防護網(wǎng),網(wǎng)高3 m,立柱直徑60 mm,埋設深度不小于50 cm;警示牌柱體埋設深度不小于1 m。此次共設計警示牌19個,防護網(wǎng)長度1 095 m。其中,治理Ⅱ區(qū)設計警示牌10個,防護網(wǎng)長度235 m;治理Ⅲ區(qū)設計警示牌9個,防護網(wǎng)長度860 m。
(8)管護工程。恢復后的耕地交給當?shù)卮迕襁M行耕種,不需要專門養(yǎng)護。因此,僅對治理區(qū)內(nèi)恢復為林地和草地的區(qū)域進行養(yǎng)護,包括土壤水分管理、施肥管理、抹芽修枝、松土、除草和病蟲害防治等。
廢棄采石礦山主要地質(zhì)環(huán)境問題是露天開采形成的高陡邊坡引發(fā)崩塌等地質(zhì)災害、形成的采坑破壞地形地貌景觀、采坑挖損與廢渣堆壓占土地資源和影響生態(tài)環(huán)境等。擬實行連片治理,采用采場地質(zhì)災害治理、建筑物拆除、覆土和土壤改良工程、綠化工程、排水溝工程和安全防護與管護工程等治理措施整治礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題,提高土地資源利用率,改善人居生態(tài)環(huán)境,保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。