登封市建筑用砂礦山地質(zhì)環(huán)境特征及生態(tài)恢復(fù)治理研究

劉世響，祝金峰，鄧國成，高 俊，王平偉

(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(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

登封某礦區(qū)的礦山開采始于20世紀(jì)八九十年代，開采礦種為建筑用砂，開采方式為露天開采，生產(chǎn)規(guī)模為3萬m3/a。由于長期無規(guī)則、無秩序的粗放式開采，造成礦區(qū)采坑遍布，使原有的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境條件遭受了極大的破壞。高陡的邊坡、廢渣的堆放在遭遇強(qiáng)降雨或外界壓力時(shí)，極有可能使附近村莊及公路遭受崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

根據(jù)當(dāng)?shù)卣畬ㄖ系V山重新整合開發(fā)的要求，從露天礦山綜合整治、綠色礦山建設(shè)、歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾和礦山尾礦、固體廢棄物再開發(fā)等方面著手，引領(lǐng)建筑石料行業(yè)朝著綠色、生態(tài)的方向發(fā)展。本文以生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查為手段，查明礦區(qū)地形地貌破壞程度，分析地質(zhì)災(zāi)害體的危險(xiǎn)性及可能發(fā)育的程度，制定有針對性的治理方案，因地制宜地推進(jìn)礦山的地質(zhì)環(huán)境生態(tài)治理，研究討論礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程，為施工設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)資料[4-9]。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

區(qū)域位于華北地臺(tái)南緣，中朝準(zhǔn)地臺(tái)嵩箕臺(tái)隆北部，嵩山復(fù)式背斜南翼。區(qū)域斷裂構(gòu)造較為簡單，礦區(qū)內(nèi)無構(gòu)造、褶曲發(fā)育。

區(qū)域地層屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)嵩箕小區(qū)。北部為太古界登封群古老變質(zhì)巖系，南部為寒武系碳酸鹽巖系，中部為元古代王屋山期酸性巖侵入。礦區(qū)內(nèi)出露地層為第四系，主要為風(fēng)化剝蝕后的殘坡積物，零星分布，受地形切割影響，大多集中在山梁頂部地勢平坦處，砂質(zhì)成分較多，主要為腐殖土，厚度不大，一般為20～40 mm。

礦區(qū)大部分出露的是元古代王屋山期酸性侵入巖石秤巖體的一部分。位于登封市水磨灣—石秤一帶，呈東西延伸的巖株?duì)?，南部被第四系覆蓋，北部與登封群嵩山群及嵩陽期石牌河閃長巖體呈侵入接觸。邊緣常見圍巖捕虜體，剝蝕程度中等。巖體分內(nèi)部相和邊緣相，兩者呈漸變過渡關(guān)系。礦區(qū)主要為巖體內(nèi)部相，巖性為中粗粒黑云母花崗巖，局部含有長石斑晶。

1.2 水文、工程地質(zhì)

區(qū)內(nèi)主要含水層為下元古界裂隙及花崗巖孔隙含水層，巖石致密堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育中等，導(dǎo)透水性良好，含水性微弱。補(bǔ)給水源主要為大氣降水，補(bǔ)給水源單一。礦體位于靜水位標(biāo)高以上，且礦體附近無地表水體，故礦床水文地質(zhì)條件簡單。

礦山開采的礦石為花崗巖體的風(fēng)化殼，巖石疏松易碎，其密度為2.00 t/m3，屬松軟類巖石，對開采極其有利，適于山坡露天開采。工程地質(zhì)條件簡單。

2 土地利用現(xiàn)狀

礦區(qū)土地權(quán)屬為登封市石道鄉(xiāng)陳家門村，土地利用類型分為耕地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地等，合計(jì)面積為90.07 hm2(圖1)。

圖1 礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of land use in mining area

3 礦山主要環(huán)境問題

礦區(qū)開采對周邊的交通設(shè)施、土地、水文、植被和大氣影響程度較大，引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題，較為突出的有引發(fā)崩塌等地質(zhì)災(zāi)害、對地形地貌景觀破壞、破壞和占用土地資源、影響生態(tài)環(huán)境等方面。

3.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

經(jīng)野外調(diào)查，礦區(qū)存在的地質(zhì)災(zāi)害主要為不穩(wěn)定斜坡。由于長期露天開采及礦山道路修建，在礦區(qū)內(nèi)形成不穩(wěn)定斜坡3處(圖2)。

圖2 不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)狀Fig.2 Status of unstable slopes

(1)1號(hào)不穩(wěn)定斜坡(BP1)。該斜坡位于CK3采坑西北部道路外側(cè)，邊坡長約60 m，高約20 m，坡角約80°，坡面上堆積有大量的礦渣，在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危險(xiǎn)性小，影響過往人員及車輛安全。

(2)2號(hào)不穩(wěn)定斜坡(BP2)。該斜坡位于CK2采坑西北部道路外側(cè)，邊坡長約35 m，高約15 m，坡角約60°，坡面上堆積有大量的礦渣，在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危險(xiǎn)性小，影響過往人員及車輛安全。

(3)3號(hào)不穩(wěn)定斜坡(BP3)。該斜坡位于CK2采坑?xùn)|側(cè)，邊坡長約70 m，高約12 m，坡角約60°，坡面上堆積有大量的礦渣，在連續(xù)降雨作用下有發(fā)生滑坡的可能性，滑坡危害程度小，危險(xiǎn)性小，影響過往人員安全。

3.2 地形地貌景觀破壞

礦區(qū)內(nèi)地形地貌景觀破壞隨處可見，主要為挖砂產(chǎn)生的礦渣亂堆亂放導(dǎo)致，采礦活動(dòng)嚴(yán)重破壞了本區(qū)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。項(xiàng)目區(qū)目前形成4個(gè)采坑，采坑內(nèi)臺(tái)階高差參差不齊，臺(tái)階坡面角較大，邊坡坡面裸露，嚴(yán)重破壞了項(xiàng)目區(qū)的地形地貌景觀，且局部礦坑頂部浮石險(xiǎn)石殘存，礦坑內(nèi)有礦渣，結(jié)構(gòu)松散，可誘發(fā)小規(guī)模的滑坡(圖3)。

圖3 礦區(qū)采坑現(xiàn)狀Fig.3 Mining pit status in mining area

3.3 土地資源破壞

參照土地利用現(xiàn)狀圖，本區(qū)的原始土地類型主要為耕地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地。礦區(qū)內(nèi)采坑破壞土地資源嚴(yán)重，破壞方式主要為挖損和壓占。目前礦區(qū)共形成4個(gè)采坑，挖損土地資源嚴(yán)重；有2個(gè)生產(chǎn)加工區(qū)，1個(gè)排土場，壓占土地資源嚴(yán)重。

經(jīng)與土地利用現(xiàn)狀圖疊合，礦山共挖損、壓占各類土地面積27.63 hm2。其中，旱地3.79 hm2，水澆地0.80 hm2，其他草地17.02 hm2，有林地1.03 hm2，其他林地3.70 hm2，村莊1.29 hm2。礦區(qū)及周邊已損毀土地統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 礦區(qū)及周邊已損毀土地統(tǒng)計(jì)Tab.1 Mining area and surrounding damaged land statistics table

4 生態(tài)環(huán)境治理原則

本次礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項(xiàng)目通過削坡工程、場地平整，廢棄機(jī)組拆除，道路硬化、生物措施等措施，恢復(fù)礦山周邊地形地貌景觀，消除和治理因礦山開采帶來的地質(zhì)災(zāi)害隱患，對礦山采礦活動(dòng)帶來的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行治理[10-12]。使其與原生地質(zhì)環(huán)境相協(xié)調(diào)、美觀，該項(xiàng)目對保護(hù)本地區(qū)自然環(huán)境、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)意義重大。

治理區(qū)設(shè)計(jì)原則：①安全與生態(tài)統(tǒng)籌兼顧、生態(tài)環(huán)境保護(hù)優(yōu)先原則；②技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則；③突出重點(diǎn)、注重效益的原則；④工程措施與生物措施相結(jié)合的原則；⑤創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的原則；⑥環(huán)境效益、社會(huì)效益相統(tǒng)一，兼顧經(jīng)濟(jì)效益的原則。

5 治理工程討論

礦區(qū)內(nèi)地貌景觀破壞嚴(yán)重，本次治理針對礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題，主要是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理和預(yù)防，對地貌景觀進(jìn)行修整，對進(jìn)礦道路進(jìn)行硬化，對生產(chǎn)加工區(qū)進(jìn)行重新規(guī)劃，土地功能進(jìn)行恢復(fù)，從而達(dá)到治理目的[13-16]。治理區(qū)面積為90.07 hm2、礦區(qū)外東北部排土場(面積2.05 hm2)及礦區(qū)外東南部生產(chǎn)加工區(qū)(面積1.76 hm2)，總面積0.94 km2。

對礦區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行治理，修建安全平臺(tái)及修筑田?。粚M(jìn)礦道路進(jìn)行硬化，道路兩側(cè)修建排水溝；對礦石礦渣進(jìn)行統(tǒng)一堆放覆蓋，采場進(jìn)行平整；對礦區(qū)內(nèi)及周邊環(huán)境進(jìn)行綠化。

5.1 削坡及平臺(tái)工程

削坡工程是將破損山體形成的危巖、峭巖及陡坡采用人工或機(jī)械方式削減平緩，削坡的坡比為1.0∶0.5，使山體更加穩(wěn)固，減少崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率[15]。本次共設(shè)計(jì)削坡工程1處，位于CK2采坑?xùn)|部，均為第四系覆蓋層，削坡后用于本次覆土工程。清理區(qū)塊周長127.61 m，清理區(qū)塊面積791.37 m2，平均坡高15 m，清理方量11 900 m3。

通過對CK1、CK2、CK3、CK4采坑，排土場，規(guī)劃果園區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一治理，大部分區(qū)域已進(jìn)行過場地平整，按照地勢高低、不同標(biāo)高共設(shè)置安全平臺(tái)29個(gè)，平臺(tái)高度2～10 m，平臺(tái)總長3 357 m。

5.2 田埂修筑工程

為防止排土場及規(guī)劃果園區(qū)的安全平臺(tái)外側(cè)覆土因大氣降水流失，在平臺(tái)外側(cè)同斜坡交匯處修筑田埂[16]。根據(jù)平整區(qū)域底層特征，因地制宜地確定田埂為土質(zhì)，田埂修筑位置在各層平臺(tái)外側(cè)，橫斷面結(jié)構(gòu)為等腰梯形，頂寬0.5 m，底寬1.0 m，高0.5 m，修建總長度1 572 m，工作量589.55 m3。充分利用天然降水，為防止雨水沖刷田埂，影響田埂使用壽命，設(shè)計(jì)在新規(guī)劃的土質(zhì)田埂上采用植苗法種植紫穗槐，加固田坎，防止水土流失，紫穗槐坑穴標(biāo)準(zhǔn)為0.3 m×0.3 m，種植一排，株距0.5 m(圖4)。

圖4 田埂、紫穗槐大樣圖Fig.4 Large sample of field ridge drainage ditch

5.3 礦山道路工程

礦山原運(yùn)輸?shù)缆窞槟嘟Y(jié)碎石道路，不能夠滿足后期道路運(yùn)輸及綠色礦山建設(shè)需求，需重新進(jìn)行規(guī)劃修建。礦山道路主要用于后期生產(chǎn)建設(shè)、原料及成品運(yùn)輸、安全巡查等，新修道路基本按照原路基布設(shè)，部分地段進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)全長850 m，道路寬度10 m。路面采用厚26 cm水泥混凝土路面。

礦山道路兩側(cè)設(shè)置漿砌石排水溝，并加設(shè)蓋板，排水溝呈矩形，規(guī)格：60 cm×60 cm(深×寬)，溝身采用M7.5漿砌片石，溝身及溝底采用M10砂漿抹面，蓋板采用C25鋼筋混凝土，臺(tái)帽采用C20混凝土。本次設(shè)計(jì)道路排水溝1 520 m，漿砌石方量897.4 m3。道路排水溝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 道路排水溝結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of road drainage ditch

5.4 覆土及平整工程

對工作區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)為挖填方區(qū)域以及平臺(tái)間的斜坡開展覆土及平整工程，將恢復(fù)成耕地的區(qū)域覆土80 cm，恢復(fù)成林地的區(qū)域覆土50 cm，恢復(fù)成草地的區(qū)域覆土30 cm。覆土及平整土地面積173 194 m2，覆土方量106 553.2 m3。另外，爬山虎、白皮松采用穴栽的方式種植，爬山虎種植坑的大小為0.3 m×0.3 m×0.3 m，則每棵爬山虎需覆土0.027 m3，工作區(qū)共種植爬山虎977株，需覆土26.4 m3；白皮松樹坑大小為0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵樹覆土0.512 m3，工作區(qū)共栽植白皮松45 661棵，需覆土23 378.4 m3，覆土后進(jìn)行人工配合機(jī)械平整。

5.5 土壤改良工程

根據(jù)“宜耕則耕、宜草則草、宜林則林”的原則，生產(chǎn)加工2區(qū)內(nèi)挖填平衡后可產(chǎn)生平整的土地，結(jié)合石道鄉(xiāng)土地利用規(guī)劃，設(shè)計(jì)恢復(fù)成耕地，故對覆土平整后的平臺(tái)采取土地翻耕和土壤培肥工程，達(dá)到可以耕種的目的。本次按施復(fù)合肥750 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤改良。土壤改良工程工作量如下：土壤改良工程生產(chǎn)加工2區(qū)，土地翻耕0.80 hm2，土壤肥培0.80 hm2。

5.6 綠化工程

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，CK2、CK3采坑內(nèi)部分地段進(jìn)行了復(fù)綠，其中CK2采坑內(nèi)主要種植小麥，CK3采坑內(nèi)主要種植銀杏樹、冬青樹、白皮松。

(1)樹種選擇。①CK1、CK2采坑內(nèi)各平臺(tái)及礦山道路兩側(cè)、職工宿舍及辦公區(qū)周邊進(jìn)行綠化，栽植白皮松；②采坑CK1、CK2、CK3、CK4各平臺(tái)坡底種植爬山虎；③臨時(shí)治理區(qū)域播撒草籽進(jìn)行植被恢復(fù)，按15 kg/hm2草籽播撒，草種選用耐旱的黑麥草、苜蓿草。

(2)種植方式。①白皮松。根據(jù)本區(qū)的實(shí)際情況，為了保證白皮松的生長，采用穴栽的方式種植，按樹坑大小覆土，樹坑大小為0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵樹覆土0.512 m3。間排距為1.5 m×2.0 m，錯(cuò)落種植，樹徑3 cm，株高1.5 m，裸根，采用符合要求的土壤進(jìn)行栽種。②爬山虎。爬山虎也采用穴栽的方式種植，覆土按樹坑大小覆土，樹坑大小為0.3 m×0.3 m×0.3 m，每株爬山虎覆土0.027 m3，間距為1.0 m，樹徑1 cm，株高60 m，裸根。

5.7 養(yǎng)護(hù)工程

(1)本項(xiàng)目林地養(yǎng)護(hù)措施主要為水分管理、養(yǎng)分管理、林木修枝、林木密度調(diào)控、林木病蟲防治等。①水分管理。主要是通過植樹帶內(nèi)植樹行間和行內(nèi)的鋤草松土，防止幼樹成長期干旱災(zāi)害，以促使幼林正常生長和及早郁閉。及時(shí)灌溉，灌溉用水采取蓄水井內(nèi)的水，人工方式灌溉，以保證苗木的成活率。②養(yǎng)分管理。在植被損毀嚴(yán)重的地區(qū)，防護(hù)林幼林時(shí)期的撫育一般不宜鋤草松土，應(yīng)以防旱施肥為主。③林木修枝。林帶剛進(jìn)入郁閉階段時(shí)，由于輔佐樹種生長茂密產(chǎn)生壓迫主要樹種的情況，要采取部分輔佐樹種修枝，以解除主要樹種的被壓狀態(tài)，促進(jìn)主要樹種生長并使其在林帶中占優(yōu)勢地位。④林木密度調(diào)控。林木郁閉后，撫育工作的主要任務(wù)是通過人為干涉，調(diào)節(jié)樹種間的關(guān)系，調(diào)節(jié)林帶的結(jié)構(gòu)，保證主要樹種的健康生長。林帶的樹種組成與密度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是仍應(yīng)隔一定時(shí)間(5年左右)對林帶進(jìn)行調(diào)節(jié)，及時(shí)砍除枯梢木和病腐木等。⑤林木病蟲害防治。對于林帶中出現(xiàn)各類樹木的病、蟲、害等要及時(shí)地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。對于病株要及時(shí)砍伐防止擴(kuò)散，對于蟲害要及時(shí)施用藥品等控制災(zāi)害的發(fā)生。

(2)草地的養(yǎng)護(hù)主要有澆水、施肥、修剪草坪、除雜草。①澆水。養(yǎng)護(hù)栽種的草坪及地被植物時(shí)，除雨季外，應(yīng)每周澆水2～4次，以水滲入地下10～15 cm處為宜。應(yīng)在每年土地解凍后至發(fā)井前澆水1次返青水，晚秋在草葉枯黃后至土地結(jié)凍前澆1次防凍水，水量要足，要使水滲入地下15～20 cm處。②施肥。為了保持草坪葉色常綠、生長繁密，必須施肥。冷季型草坪的追肥時(shí)間最好在早春和秋季。第1次在返青后，可以促進(jìn)生長；第2次在仲春。天氣轉(zhuǎn)熱后，應(yīng)停止追肥。秋季施肥可于9—10月進(jìn)行。暖季型草種的施肥時(shí)間是晚春。在生長季每月或2個(gè)月應(yīng)追1次肥。③除雜草。防、除雜草的最根本方法是合理的水肥管理，促進(jìn)目的草的生長勢，增強(qiáng)與雜草的競爭能力，并通過多次修剪抑制雜草的發(fā)生。一旦發(fā)生雜草侵害，除用人工“挑除”外，還可以用化學(xué)除草劑抑制雜草的萌發(fā)和或殺死剛萌發(fā)的雜草。

6 結(jié)語

通過對登封市建筑用砂礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，基本查明了礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀以及存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，根據(jù)礦山生態(tài)恢復(fù)治理原則，就治理工程方案進(jìn)行了研究。

(1)采場長期無序開采，采坑遍布，地形地貌景觀破壞嚴(yán)重，植被損毀和水土流失嚴(yán)重，地質(zhì)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化。

(2)礦區(qū)內(nèi)長期露天開采及礦山道路修建，內(nèi)形成了部分不穩(wěn)定斜坡。由于大量松散碎石土層堆放，當(dāng)雨季出現(xiàn)時(shí)，表部土層沿下伏基巖面發(fā)生蠕滑，極易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

(3)根據(jù)礦山生態(tài)恢復(fù)治理原則和礦山現(xiàn)在地貌類型，經(jīng)研究討論采取削坡及平臺(tái)修建、修筑田埂、采坑覆土及平整、土壤改良、植被恢復(fù)等工程，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

(4)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，將有效遏制項(xiàng)目區(qū)周邊環(huán)境的惡化，減少水土流失，對局部環(huán)境空氣和小氣候產(chǎn)生正效與長效影響，改善周邊區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量，從而改善礦區(qū)人民的生活工作環(huán)境和自然生態(tài)環(huán)境。