毗鄰風(fēng)景區(qū)廢棄露天礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題及治理措施

徐偉瑜，楊德根，高召奎

(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)

始祖山國家級森林公園位于河南新安縣西沃鄉(xiāng)，山清水秀，風(fēng)景如畫，黃帝文化遺跡遍布山野，開發(fā)條件得天獨厚。始祖山硫鐵礦、鋁土礦礦區(qū)位于風(fēng)景區(qū)內(nèi)部，北鄰黃河小浪底庫區(qū)，距庫區(qū)僅850 m，是新安縣重點礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程之一。本文以新安縣始祖山礦區(qū)為研究對象，總結(jié)了風(fēng)景區(qū)周邊廢棄礦山主要地質(zhì)環(huán)境問題，并提出了恢復(fù)治理措施，以期為景區(qū)周邊礦山生態(tài)環(huán)境治理工作提供參考。

1 概況

河南省新安縣始祖山硫鐵礦、鋁土礦礦區(qū)始采于20世紀(jì)50年代末60年代初，為露天開采，礦區(qū)面積2.65 km2，主要包括竹園硫鐵礦、八一硫鐵礦、五一硫鐵礦和個體鋁土礦礦山。20世紀(jì)90年代末閉坑，屬無主礦山。前期亂采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重，廢棄的礦山露天采坑、硫鐵礦礦渣及鋁土礦礦渣到處堆放，近千畝耕地遭到破壞，嚴(yán)重破壞了土地資源，同時礦區(qū)位于黃河小浪底庫區(qū)邊緣，嚴(yán)重影響著景區(qū)的景觀環(huán)境和土地資源，限制了風(fēng)景區(qū)建設(shè)。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

(1)自然地理。研究區(qū)位于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明；屬于黃河流域黃河小浪底庫區(qū)，小浪底大壩壩高281 m，最高蓄水位為275 m，無地表河流；屬侵蝕剝蝕丘陵地貌，地勢東南高西北低，最高標(biāo)高+402.6 m，最低標(biāo)高+261.4 m；礦區(qū)長期處于露天采礦活動，數(shù)個露天采坑呈雞窩狀分散展布在礦區(qū)內(nèi)，地形地貌破壞嚴(yán)重。

(2)區(qū)域地質(zhì)特征。研究區(qū)位于華北板塊中朝準(zhǔn)地臺澠池—確山陷褶斷束，區(qū)域斷裂構(gòu)造較為簡單，主要有石井河斷層、省磺礦斷層、仙人溝斷層和許村香坊溝斷層等。主要出露有中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r；上石炭統(tǒng)本溪組鋁土巖和黏土巖；上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r、細粒石英砂巖、泥頁巖、黏土巖夾煤；下二疊統(tǒng)山西組砂質(zhì)頁巖、泥巖、黏土巖夾煤；下二疊統(tǒng)下石盒子組砂質(zhì)頁巖、中細粒砂巖夾鋁質(zhì)頁巖；第四系中更新統(tǒng)黃土。

(3)水文地質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)無穩(wěn)定地下水位，地下水位埋深2.7 m，水位標(biāo)高+246.40 m，主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類孔隙裂隙水，其中前二者含水微弱，后者富水性較好。地下水的補給主要為大氣降水；地下水位隨小浪底水庫水位變化而變化；以大氣降水及側(cè)向徑流補給為主，水位變化幅度受季節(jié)影響較大。

(4)工程地質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組主要有堅硬厚層狀石灰?guī)r巖組，堅硬中層狀細砂巖巖組，軟質(zhì)巖石有頁巖、泥巖和鐵、鋁質(zhì)黏土巖，第四系粉質(zhì)黏土以及廢棄礦渣。其中，廢渣厚0.4～24.7 m，承載力170 kPa；強風(fēng)化頁巖厚3.0～9.1 m，承載力280 kPa；強風(fēng)化鋁質(zhì)黏土巖厚1.90～2.30 m，承載力320 kPa；強風(fēng)化灰?guī)r厚0.90～6.10 m，承載力400 kPa；中風(fēng)化頁巖最大揭露厚度3.2 m，承載力550 kPa；中風(fēng)化粉砂巖最大揭露厚度3.50 m，承載力600 kPa；中風(fēng)化灰?guī)r最大揭露厚度6.00 m，承載力1 600 kPa。

3 礦山主要地質(zhì)環(huán)境問題

3.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)災(zāi)害主要為崩塌和不穩(wěn)定斜坡(圖1)。

圖1 崩塌和不穩(wěn)定斜坡Fig.1 Collapse and unstable slopes

3.1.1 崩塌

區(qū)內(nèi)長期露天開采，形成高度5～40 m、坡角70°～90°的高陡邊坡，部分邊坡表層巖石的完整性已受開采時的爆破擾動破壞，巖石結(jié)構(gòu)已松動，在風(fēng)化、降雨等條件下可發(fā)生崩塌，共發(fā)現(xiàn)小型崩塌隱患點2處，未發(fā)現(xiàn)地裂縫，無地下水出露，植被亦未發(fā)現(xiàn)變形跡象，穩(wěn)定性好。

(1)1號崩塌。位于CK02采坑西側(cè)，邊坡自然坡角約30°，人工開挖后形成高陡邊坡(圖1(a))，崩塌處邊坡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，厚度約4～5 m，下部為中度風(fēng)化灰?guī)r夾鋁質(zhì)泥巖。崩塌引發(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。崩塌體呈三角狀堆積在邊坡坡腳，巖性為粉質(zhì)黏土，崩塌體結(jié)構(gòu)松散，透水性強，在坡腳形成較緩斜坡，坡角約40°。崩塌體長約56 m，寬約20 m，厚度0.5～1.5 m，平均厚約1.0 m，體積約132 m3，為滑移式小型崩塌。崩塌方向130°，相對高差40 m。塌邊坡坡腳為采坑，崩塌已經(jīng)發(fā)生，現(xiàn)狀條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在連續(xù)降雨作用下有再次發(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[1]。

(2)2號崩塌。位于1號崩塌南側(cè)100 m處(圖1(b))，與1號崩塌性質(zhì)和類型相似。上部為堆積礦渣，間夾渣土，厚度4～5 m，下部為中度風(fēng)化石灰?guī)r。崩塌體長約12 m，寬約16 m，崩塌體厚0.5～1.1 m，平均厚約0.8 m，體積約50 m3，崩塌方向140°，相對高差10 m。

總之，區(qū)內(nèi)崩塌為滑移式小型崩塌，邊坡坡腳為采坑和礦山簡易道路，對后期坡腳一帶的施工人員存在一定的安全隱患，危害程度小，危險性小；正常情況下發(fā)生滑坡的可能性小，在遭遇連續(xù)強暴雨時，有引發(fā)滑坡的可能。

3.1.2 不穩(wěn)定斜坡

區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)高陡巖質(zhì)邊坡6條(表1)，均為切坡形成的巖質(zhì)邊坡，現(xiàn)狀條件下均為穩(wěn)定邊坡，但由于坡角開挖、爆破等原因，坡面局部存在危巖體，在雨水的沖刷及自重的作用下可能引發(fā)小規(guī)模崩塌、落石[2-4]，對后期施工工人安全有一定的影響，發(fā)生崩塌的可能性小，危害程度小。

表1 邊坡特征Tab.1 Slope feature

(1)1號邊坡。位于CK01采坑，為人工巖質(zhì)邊坡(圖1(c))，巖性為灰?guī)r，邊坡整體北高南低，邊坡長約276 m，高20～90 m，坡角70°～90°；自然邊坡坡角30°，坡向260°，巖層產(chǎn)狀32°∠7°，邊坡巖層傾角較小、近水平，坡頂植被較好，未發(fā)現(xiàn)有裂縫等不良現(xiàn)象，為基本穩(wěn)定邊坡。

(2)2號邊坡。位于CK02采坑西側(cè)，為人工巖質(zhì)邊坡，巖性主要為灰?guī)r，局部夾鋁質(zhì)泥巖，邊坡上部局部有礦渣堆積，邊坡整體西高東低，邊坡長約170 m，高15～35 m，坡角70°～90°，坡向260°；自然邊坡30°，巖層產(chǎn)狀33°∠8°；邊坡巖層傾角較小、近水平，坡頂植被較好，未發(fā)現(xiàn)有裂縫等不良現(xiàn)象，為基本穩(wěn)定邊坡。

(3)3號邊坡。位于治理3區(qū)南部，為人工巖質(zhì)邊坡(圖1(d))，巖性為灰?guī)r、鋁質(zhì)泥巖、泥巖等；邊坡整體南高北低，邊坡長約892 m，高10～40 m，坡角70°～85°，自然邊坡30°，巖層產(chǎn)狀34°∠6°；邊坡巖層傾角較小、近水平，坡頂植被較好，未發(fā)現(xiàn)有裂縫等不良現(xiàn)象，為基本穩(wěn)定邊坡。

(4)其他邊坡。主要為人工開挖形成的巖質(zhì)邊坡，邊坡的結(jié)構(gòu)類型相似，邊坡發(fā)育破壞特征基本相同，危險性和危害類型基本相同。

表1中，穩(wěn)定性評價結(jié)果均為基本穩(wěn)定，失穩(wěn)模式均為落石、小規(guī)模崩塌。

3.2 地形地貌景觀破壞

區(qū)內(nèi)地形地貌景觀破壞隨處可見，主要為大規(guī)模開挖石灰?guī)r和鋁土礦采礦坑和礦渣亂堆亂放，共有采礦坑2個，渣堆7個，嚴(yán)重破壞了原有的低山地貌，現(xiàn)狀為高陡邊坡、渣堆裸露、高低起伏的微地貌(圖2)。

圖2 地形地貌景觀破壞Fig.2 Destruction of topography and landscape

(1)露天采坑。露天采礦形成深度5～30 m的采坑2個，面積18 689.39 m2。采坑內(nèi)部邊坡呈近直立，邊坡高度5～45 m，邊坡傾角70°～90°，巖石堅硬，邊坡頂部植被茂盛，邊坡現(xiàn)狀下基本穩(wěn)定，局部邊坡存在小規(guī)模崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，危害小[5-6]。①CK01采坑(圖2(a))?？颖诒眰?cè)陡峭，采坑長約145 m，寬約85 m，最深40 m，北側(cè)邊坡最高45 m，占地面積8 843.80 m2，邊坡角為70°～90°，巖石產(chǎn)狀32°∠7°，采坑邊坡為灰?guī)r，巖壁較完整，邊坡較穩(wěn)定，坡面上局部存在危巖體(高陡部位)。礦坑內(nèi)側(cè)邊緣有礦渣，結(jié)構(gòu)松散，透水性較強，可誘發(fā)小規(guī)模的崩塌，但發(fā)生的可能性較小。②CK02采坑(圖2(b))。南北寬東西窄，CK02采坑長約147 m，寬約107 m，最深35 m，占地面積9 845.59 m2，邊坡角為70°～85°，巖石產(chǎn)狀33°∠8°，坑內(nèi)巖壁陡峭，多為灰?guī)r，風(fēng)化程度弱，坡面較完整，局部可見小體積危巖體。礦坑內(nèi)側(cè)邊緣有礦渣，結(jié)構(gòu)松散，可誘發(fā)小規(guī)模的崩塌。

(2)礦渣堆。采礦活動產(chǎn)生的廢棄礦渣，隨意堆放在斜坡及溝谷地帶，共查明區(qū)內(nèi)現(xiàn)存獨立或連片堆放的渣堆7個(表2)，破壞地形地貌景觀面積共計152 613.3 m2；主要為巖層剝離物和采礦形成的碎石、渣土(圖2(c)、圖2(d))，巖性以灰?guī)r、鋁質(zhì)泥巖為主；渣堆邊坡處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生失穩(wěn)滑塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象；渣堆表面以塊碎石、渣土為主，植被很難自然恢復(fù)，破壞了原生的地形地貌景觀。

表2 渣堆特征統(tǒng)計Tab.2 Slag heap characteristic statistics

3.3 土地資源破壞

區(qū)內(nèi)采坑及礦渣破壞土地資源嚴(yán)重，破壞方式主要為壓占和挖損[7-8]。治理區(qū)范圍內(nèi)土地破壞最為嚴(yán)重，原始土地類型已基本被破壞，現(xiàn)狀為邊坡裸露基巖和成片的渣堆(圖3)，其他區(qū)塊僅礦坑及礦坑周邊小面積土地被破壞。礦山開采破壞各類土地面積20.39 hm2。其中，旱地9.36 hm2、林地0.96 hm2、采礦用地4.65 hm2、草地4.98 hm2和裸地0.44 hm2。

圖3 土地資源破壞Fig.3 Destruction of land resources

4 治理措施

4.1 總體設(shè)計

不穩(wěn)定高陡邊坡坡面危巖清理與削坡后，對采坑進行回填，對渣堆進行放坡平整，整平后的平臺覆土恢復(fù)成旱地，平臺間的斜坡覆土植樹種草，對自然恢復(fù)效果不好的區(qū)域采取補植樹木，恢復(fù)植被，并對治理區(qū)進行養(yǎng)護[5，9-11]。

(1)治理1區(qū)。采坑CK01西側(cè)和北側(cè)危巖體進行清除，清除的危巖用于采坑CK01回填，采坑CK01回填平整至設(shè)計標(biāo)高，對渣堆ZD01進行放坡和平整，恢復(fù)成耕地。在采坑CK01西側(cè)、北側(cè)坡底種植速生楊和爬山虎，恢復(fù)植被。

(2)治理2區(qū)。采坑CK02西側(cè)邊坡進行清理危巖和削坡工程，清理的危巖用于采坑CK02的回填，將采坑CK02回填至設(shè)計標(biāo)高，恢復(fù)成耕地。在采坑CK02西側(cè)坡底植速生楊和爬山虎，恢復(fù)植被。

(3)治理3區(qū)。對渣堆ZD02 、ZD03和ZD04進行放坡整理，恢復(fù)成耕地。平臺間斜坡覆土后恢復(fù)為林地(刺槐)和草地，南部邊坡坡底種植速生楊和爬山虎，恢復(fù)植被。

(4)治理4區(qū)。對渣堆ZD05和ZD06進行放坡整理，恢復(fù)成耕地。西側(cè)和北側(cè)邊坡坡底種植速生楊和爬山虎，恢復(fù)植被。

4.2 分項設(shè)計

(1)危巖清理工程。本次采用定點機械輔助人工清除，在治理1區(qū)CK01采坑西側(cè)、北側(cè)坡面、治理2區(qū)CK02采坑西側(cè)坡面、治理3區(qū)西南側(cè)坡面、東南側(cè)坡面和治理4區(qū)西側(cè)和北側(cè)坡面采取危巖清理和削坡工程，清理的危巖用于附近采坑回填。

(2)挖填方工程。區(qū)內(nèi)采坑與渣堆相連成片，渣堆平整同時對采礦坑進行回填。平整采取順坡就勢挖高填低，形成帶狀平臺，平臺與平臺之間由斜坡相連。土質(zhì)邊坡削高度在6～8 m，土的類型為碎石土，稍密，本次斜坡的坡角為30°，邊坡穩(wěn)定；治理區(qū)面積為143 349.6 m2、挖方量與填方量為169 319.7 m3、機械壓實83 477.30 m3。采用就近渣堆回填，推土機分層堆土壓實。

表3 采場危巖體清除工作量Tab.3 Removal workload of dangerous rock mass in stope

(3)覆土及平整工程。覆土及平整工程主要為平臺(覆土厚度0.8 m)和平臺間的斜坡(覆土厚度0.3 m)；各邊坡底部的爬山虎、刺槐、速生楊采用穴栽種植的方式種植，爬山虎種植坑的長、寬、高均為0.3 m，則每棵爬山虎需覆土0.027 m3，共種植爬山虎1 691株，需覆土45.66 m3。刺槐、速生楊樹坑大小為0.8 m×0.8 m×0.8 m，每棵樹覆土0.512 m3，種植刺槐和速生楊21 844棵，需覆土11 184.13 m3。

(4)修建田埂。為避免水土流失，采用土質(zhì)田埂，橫斷面呈等腰梯形，頂寬0.5 m，底寬1.0 m，高0.5 m，共計8條，長851 m，工作量319.14 m3。此外，種植紫穗槐保證田埂使用壽命，坑穴為0.3 m×0.3 m，種植1排，株距0.5 m，共種植1 702株。

(5)綠化工程。治理區(qū)靠近黃河小浪底庫區(qū)，雨黑麥草、苜蓿草水較多，選擇速生楊(高陡邊坡底部和生產(chǎn)道路兩側(cè))和刺槐(治理3區(qū)斜坡)，進行造林綠化。除耕地范圍，其他區(qū)域播撒草籽，進行植被恢復(fù)，按15 kg/hm2草籽播散，草種選用耐旱的黑麥草、苜蓿草，撒播草籽8.64 hm2。

(6)土壤改良工程。區(qū)內(nèi)挖填平衡后會產(chǎn)生大量平整的土地，有恢復(fù)成耕地的潛力，采取土地翻耕和土壤培肥工程，達到可以耕種目的。本次按750 kg/hm2復(fù)合肥，共土地翻耕和土壤肥培面積11.74 hm2。其中，治理1區(qū)3.22 hm2、治理2區(qū)1.30 hm2、治理3區(qū)6.06 hm2、治理4區(qū)1.16 hm2。

(7)養(yǎng)護工程?；謴?fù)治理后的耕地交給當(dāng)?shù)卮迕襁M行耕種，不需要專門養(yǎng)護；僅對治理區(qū)內(nèi)恢復(fù)為林地和草地的區(qū)域進行養(yǎng)護，養(yǎng)護面積8.64 hm2。其中，治理1區(qū)1.61 hm2、治理2區(qū)0.32 hm2、治理3區(qū)5.89 hm2、治理4區(qū)0.82 hm2。林地的養(yǎng)護主要為水分管理、養(yǎng)分管理、林木修枝、林木密度調(diào)控和林木病蟲防治等；草地的養(yǎng)護主要有澆水、施肥、修剪草坪和除雜草。

5 結(jié)論

始祖山礦區(qū)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)崩塌和不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害、形成的采坑和渣堆裸露破壞地形地貌景觀、采坑挖損與成片的渣堆壓占土地資源等。擬采用危巖清理、挖填方、覆土及平整、修建田埂、綠化工程和土壤改良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，改善景區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，促進當(dāng)?shù)芈糜钨Y源發(fā)展。