天?？h華藏寺冰嶺溝石膏礦地質環(huán)境問題及治理對策探討

龐朋朋，郭振斌，張立勛

(中冶一局城市安全與地下空間研究院有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 前 言

祁連山自然保護區(qū)是我國西北最重要的生態(tài)屏障，是整個河西走廊地區(qū)賴以生存、維系健康發(fā)展的重要源泉[1]。礦區(qū)位于祁連山自然保護區(qū)外圍，祁連山區(qū)域的東段，區(qū)內海拔高，自然氣候條件區(qū)域差異大，地質環(huán)境脆弱[2]。礦區(qū)自20世紀50年代以來，長期無序地開發(fā)，忽視了對礦山地質環(huán)境的保護，使礦山地質環(huán)境遭受嚴重破壞，引發(fā)了一系列嚴重的礦山地質環(huán)境問題，成為制約天?？h經濟發(fā)展的重要因素[3-5]。近年來隨著國家對生態(tài)文明建設的重視，該礦山屬政策性關閉礦山并提出恢復治理措施。

大量學者對于礦山地質環(huán)境恢復與治理的方法進行了研究，如戴興等[1]礦山地質環(huán)境治理工程技術研究；田安家等[3]對某礦山實施邊坡治理、廢棄礦坑填埋、地形地貌景觀植被修復、土礦廢棄地整治等措施；原振雷等[6]礦產資源開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及其防治，上述研究均以礦山復綠為首要目標。通過礦山生態(tài)地質環(huán)境現狀調查，并對礦業(yè)活動引發(fā)的具體地質環(huán)境問題進行評價，采取擋墻護坡、削坡減載、土地平整、植被恢復等工程技術手段，對開采后遺留的采坑、高陡邊坡、棄渣堆積、植被破壞等礦區(qū)地質環(huán)境問題進行治理和修復，消除地質災害隱患[7]，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現生態(tài)系統的良性循環(huán)和總體治理目標[8]。

1 地質環(huán)境特征

1.1 地形地貌

冰嶺溝石膏礦區(qū)位于石門河右岸一級支溝冰嶺溝左側斜坡地帶，地貌為構造-侵蝕低中山丘陵地貌。地勢總體西高東低，地形起伏變化較大，山坡坡度一般10°～30°，局部地段坡大于35°。山體整體呈南北向展布，地形切割較強烈，形成多條南北向溝谷，溝道橫斷面多呈“V”字形。坡面植被由東向西逐漸變差，加之人類工程活動影響，致使區(qū)內部分區(qū)域裸露。

1.2 地層巖性

礦區(qū)及周邊出露地層主要有石炭系，廣泛分布勘查區(qū)礦山山體，礦區(qū)山體中上部均有出露，巖性以深灰色厚層灰?guī)r等為主。巖相變化較大，與下伏地層呈不整合接觸，表層較強風化，厚度一般1～5 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，實測產狀58°∠55°，出露厚度一般20～50 m。第四系主要為全新統沖洪積物。

1.3 地質構造與地震

1.3.1 地質構造

礦區(qū)在大地構造上位于祁呂弧形褶皺帶(一級構造單元)，二級構造單元分屬于北祁連多字型構造系、隴西帚狀構造系和河西構造系3個構造體系。項目區(qū)主要由一系列北北西向的新生帶隆起帶和坳陷帶組成，其中武威-天祝-窯街的坳陷帶經過區(qū)內。

1.3.2 新構造運動與地震

礦區(qū)新構造運動是老構造運動的繼續(xù)，區(qū)內主要斷裂大都在加里東期形成。根據現有地震資料，已證明這些斷裂至今大都有明顯的活動性。依據全國第二代地震區(qū)劃圖甘肅省地震區(qū)帶的劃分，調查區(qū)位于青藏高原北部地震區(qū)，祁連山地震亞區(qū)。地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應普特征周期為0.45 s。

2 地質條件

2.1 水文地質條件

根據地下水的分布、賦存條件和含水介質性質及水動力特征，并結合野外調查和區(qū)內已有相關資料，將區(qū)內地下水劃分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2種類型。調查期間礦區(qū)內未見地下水出露，采礦活動未破壞地下含水層。

2.2 工程地質條件

對礦區(qū)巖體建造類型、巖體結構、巖相類型及其力學性質進行劃分，巖體屬堅硬-較堅硬層狀碳酸鹽巖組，巖性以灰白色灰?guī)r、砂巖等為主，巖相變化較大，整體致密堅硬，為較好的工程地質巖組。礦區(qū)土體為人工堆積物，一般土體主要有碎石土，粉土和砂礫卵石雙層結構土體。

3 礦區(qū)環(huán)境地質現狀及評估

天?？h冰嶺溝石膏礦屬露天采礦，在礦山長期礦業(yè)活動過程中，由于缺乏對生態(tài)環(huán)境的保護措施，致使礦區(qū)植被遭到嚴重破壞，特別是大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞[9-10]。區(qū)內礦山地質環(huán)境問題主要表現在以下4個方面：①礦業(yè)活動引發(fā)地質災害；②礦業(yè)活動對含水層的影響；③礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響；④礦業(yè)活動對土地資源破壞。

經調查礦區(qū)范圍內共發(fā)育1處不穩(wěn)定斜坡，因采礦活動開挖而成，屬巖質邊坡，其破壞方式為潛崩，坡高為35～75 m，寬為119 m，坡度一般30°～75°；區(qū)內礦山礦區(qū)范圍共分布4處渣堆，其中2處渣堆位于采坑內，因采礦活動對土地資源造成了挖損和壓占破壞，破壞的土地類型均屬草地，破壞總面積約4.29 hm2，其中，挖損總面積約2.23 hm2(山體挖損破壞面積0.71 hm2，采坑挖損面積約1.39 hm2，道路挖損面積0.13 hm2)，壓占總面積約2.06 hm2。礦區(qū)采坑位于地下水位以上，未造成地下含水層的破壞。綜合判定，礦業(yè)活動對礦山地質環(huán)境影響程度為嚴重。

3.1 礦業(yè)活動引發(fā)地質災害

礦區(qū)因采礦開挖形成不穩(wěn)定斜坡1處X1，屬巖質斜坡，由灰?guī)r組成，坡高35～75 m，寬約245 m，坡度為30°～75°。斜坡局部坡段存在孤立的危巖體，其危巖體臨空，坡頂局部發(fā)育2條裂縫，分別位于不穩(wěn)定斜坡南北兩端，距離坡肩約0.5～2.0 m，裂縫寬5～8 cm，長度5～10 m，裂縫深度0.5～1.0 m，局部發(fā)生崩塌的可能性較大。該斜坡破壞方式以潛崩為主，平均厚度0.25～0.4 m，體積約0.34×104m3，規(guī)模等級屬小型。組成坡體的基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，其節(jié)理裂隙充填碎塊或無充填，節(jié)理面較破碎；部分巖體被節(jié)理面切割呈條塊狀、塊狀、碎塊狀，底部懸空，實測節(jié)理產狀58°∠55°。經調查發(fā)現，該斜坡體坡面存在危巖體，凌亂分布于采坑西側坡面，時有掉塊、落石現象發(fā)生(見圖1)。

圖1 不穩(wěn)定斜坡全貌及裂縫、危巖體分布

綜合分析不穩(wěn)定斜坡現狀穩(wěn)定性較差，在降水、地震、人類工程活動等不利條件下，整體發(fā)生崩塌的可能性小，局部發(fā)生崩塌災害的可能性較大。威脅坡腳一帶臨時過往行人以及后期礦山治理期間施工人員、設備等的安全，潛在威脅可造成財產損失5萬元～10萬元，威脅人數1～3人，險情等級為小型，綜合判定地質災害對環(huán)境的影響程度較輕。

3.2 礦業(yè)活動對含水層的影響

采礦過程中無地下水溢出，采坑在地下水位以上，未造成地下含水層的破壞；礦區(qū)及周圍地表水體未漏失，礦區(qū)內出露礦石及礦渣含有的CaSO4微溶于水，在常溫情況下不會分解產生SO2，未影響到礦區(qū)周圍生產生活供水。故礦業(yè)活動對含水層造成的影響程度較輕。

3.3 礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響

礦山地形地貌景觀破壞主要表現在挖損坡體、修建道路以及渣堆壓占等方面(見圖2)，挖損破壞總面積約2.23 hm2。其中，挖損山體形成坡高一般35～75 m，寬約119 m的不穩(wěn)定斜坡，該斜坡整體高陡局部臨空，坡度一般30°～75°，山體挖損破壞面積0.71 hm2，采坑挖損面積約1.39 hm2，挖損對山體的完整性、原始性造成了破壞；礦山開采前期，修建一寬度約5 m，長度約260 m的礦山道路，對道路沿線整體完整性造成了破壞，挖損面積0.13 hm2，礦區(qū)內分布的4處渣堆順坡或掌子面坡腳一帶無序堆放，堆積長度一般20～167 m，寬度一般12～128 m，堆積高度一般1～12 m，渣堆壓占總面積約2.06 hm2，渣堆對礦區(qū)內整體觀賞性造成了破壞。礦業(yè)活動對礦區(qū)原生景觀影響和破壞程度大，綜合判定礦業(yè)活動對礦區(qū)內的地形地貌景觀的影響程度嚴重[10]。

圖2 礦區(qū)地形地貌景觀破壞情況

3.4 礦業(yè)活動對土地資源破壞

冰嶺溝石膏礦采礦方式為露天開采，造成基巖大面積裸露，臨空面大大增加，采礦棄渣大量堆放于礦區(qū)周邊，壓占草地資源，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞。經調查，礦區(qū)內對土地資源造成的挖損和壓占破壞面積約4.29 hm2，均為草地。

3.4.1 挖損破壞

礦區(qū)范圍內挖損破壞的地方共有3處，其中1處為礦區(qū)山體坡面挖損，1處為采坑挖損，1處為礦區(qū)道路挖損，破壞總面積約2.23 hm2(見表1)。山體挖損坡面寬度約227 m，長度22～40 m，坡度35°～75°，挖損面積約0.71 hm2；采坑寬度約207 m，長度55～80 m，深度16～20 m，采坑挖損面積約1.39 hm2；礦山修建一寬度約5 m，長度約260.0 m的礦山道路，道路右側坡腳形成高1～2 m的陡坎，挖損面積約0.13 hm2。

表1 冰嶺溝石膏礦礦區(qū)挖損破壞統計表

3.4.2 壓占破壞

礦區(qū)內礦業(yè)活動對土地資源的壓占破壞主要表現在渣堆順坡或沿坡腳一帶無序堆放，對原生草地造成了嚴重破壞，壓占的廢渣成分主要以碎石土為主，碎石粒徑一般2～20 cm，最大達120 cm。礦區(qū)范圍內共分布4處渣堆。其中2處位于采坑底部，未壓占土地資源；2處壓占土地資源渣堆長度一般85～175 m，寬度一般35～110 m，堆積高度一般2～13 m，渣堆壓占總面積2.06 hm2，渣堆壓占總體積約148 130 m3。

4 礦區(qū)地質環(huán)境防治

根據礦山存在的地質環(huán)境問題以及危害范圍、破壞方式等，按照因地制宜、景觀相似性原則開展恢復治理工作，包括清理危巖+平整渣堆、回填采坑+覆土綠化+圍欄防護等措施[7-8]。

4.1 清理危巖

冰嶺溝石膏礦礦區(qū)發(fā)育不穩(wěn)定斜坡特征與危害特征，為防止坡體危巖崩落，結合礦區(qū)周邊地形條件以及植被分布情況，按照因地制宜、景觀相似性原則，首先對礦區(qū)西側不穩(wěn)定斜坡體坡面危巖、浮石進行清理(見圖3)，特別是對斜坡上部2條裂縫進行清理，由于裂縫距離坡肩約0.5～2.0 m，裂縫寬5～8 cm，長度5～10 m，且裂縫為采礦期間開挖山體形成的山體表面的淺層裂縫，未貫穿整個坡面，故本次消除裂縫即可。根據坡面危巖體發(fā)育與分布特征(見表2)，危巖清理寬度270 m，平均厚度約0.2～0.4 m，清理面積約11 810 m2，清理危巖體積約3 445 m3，清理方式為人工清理。

表2 清理危巖工程量表

4.2 平整渣堆、回填采坑工程

4.2.1 平整渣堆工程

根據冰嶺溝石膏礦礦區(qū)渣堆分布、堆積厚度、采坑回填以及破壞范圍等，結合礦區(qū)地形條件，開展治理工程。由于渣堆順坡無序堆放且堆積厚度大、破壞面積大，結合采坑回填的要求，采取分級平整措施進行治理，平整工程分三級進行治理[9]。自下至上布置2條馬道，馬道寬度一般為2.0 m，一、二級馬道控制高程分別為2 795.80 m、2 803.80 m，坡腳高程依據現狀確定；自坡腳起，第一級坡現狀坡率較緩，依據地形平整渣堆，設計坡高4.0～17.0 m，設計坡率為1∶2.5～1∶3.6；第二級坡設計坡高8.0 m，坡率為1∶2.5～1∶3.5；第三級坡平整至采坑回填東側邊緣，坡肩高程為2 811.0 m，南北兩側高程依據實際情況確定，設計第三級坡高7.2 m，坡率為1∶3～1∶8.5；設計采坑回填平整后，采坑西側斜坡坡腳高程為2 817.0 m。局部地段利用原有渣堆平臺對其進行平整，以恢復原始地貌為主(見圖3)。礦區(qū)渣堆平整土方約132 763 m3。

圖3 礦區(qū)治理工程剖面圖

4.2.2 采坑回填治理工程

根據冰嶺溝石膏礦實際采坑深度及范圍，在平整過程中利用清理危巖后落至采坑的塊石、渣堆及礦區(qū)零星分布的礦渣進行回填，總計回填采坑136 208 m3。將礦渣回填后進行機械壓實，壓實系數不小于0.9，采坑西側斜坡坡腳回填標高至2 817.0～2 120.0 m，東側坡肩高程為2 811.0 m，采坑回填后會形成南北兩側傾向中部，西側傾向東側的地形，有利于降雨匯流，不會造成采坑積水。

4.3 礦區(qū)覆土和植被綠化

4.3.1 礦區(qū)覆土工程

待渣堆平整、回填采坑結束后，首先在平整后渣堆上部進行覆土，覆土面積為植樹后剩余面積，單個樹穴面積為0.5 m×0.5 m，植樹5 360株，樹穴總面積0.134 hm2，樹穴深度0.8 m，樹穴培土1 072 m3；礦區(qū)綠化面積為3.35 hm2，植樹后剩余面積為3.216 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為9 648 m3，樹穴培土和植草覆土總量為10 720 m3。

考慮到綠化效果及礦區(qū)道路的挖損破壞，設計對礦區(qū)西側的道路在主礦區(qū)恢復治理結束后進行覆土綠化，寬度約5 m，長度約260.0 m的礦山道路，覆土面積0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為390 m3。

綜上，本次綠化所需客土由樹穴培土、礦區(qū)覆土及道路覆土三部分組成，共需客土11 110 m3，客土來源于冰嶺溝取土場，拉運距離約3.0 km。

4.3.2 植樹綠化

礦區(qū)周邊分布樹種以松樹為主，鄰區(qū)石膏礦區(qū)植被恢復樹種也為松樹，且成活率較好，本次樹種選擇松樹(見圖4)。植樹范圍為平整覆土復綠地段，考慮到種植場地土質問題，樹穴規(guī)格選擇Φ0.5 m×0.5 m×0.8 m，樹穴按照既定規(guī)格開挖完成后，將化肥與細土拌勻，平鋪坑底，厚度約20～40 cm，將樹木(帶土球)擺放樹坑時注意不能破損，擺放于樹坑中心位置，并注意與前后左右已種植完的樹木保持整齊，然后進行樹穴全部培土，回填搗實，土壤回填至原地面后利用剝離土壤做高度20 cm的圍堰澆水，并適時補土，單樹穴培土0.2 m3，樹穴培土總量為1 072 m3。

圖4 礦區(qū)周邊植被

為確保種植后的樹木穩(wěn)定生長，架立支柱，保證樹木生長直立，同時避免樹木受外力影響而晃動、倒伏，使根系受損松動。最后修整圍堰，平整及清理場地。

栽后應立即灌水，無雨天不超過一晝夜就應澆上頭遍水。水一定要澆透，使土壤吸足水分，有助于根系與土壤密接，才能確保成活。后期養(yǎng)護與植草養(yǎng)護同時進行。

4.4 取土場耕地恢復

冰嶺溝取土場位于天?？h華藏寺鎮(zhèn)冰嶺溝村北側1 km處，距離冰嶺溝石膏礦約3 km。取土場面積約3 066 m2，土地類型為耕地，表層種植為牧草。地層主要以沖洪積粉土為主，厚度大于3 m。冰嶺溝石膏礦渣堆平整后，覆土及種樹共需土方量約11 110 m3，取土場面積約為3 067 m2，取土深度3.0～4.5 m，自東向西取土深度逐漸加深，西側坡比1∶1，取土場控制高程為2 608.00 m。取土結束后將其復墾為耕地，因表層已種農作物，需要對其表層50 cm土層進行剝離，就近堆放，取土結束后用于復墾，剝離和覆土方量分別為1 533.0 m3，覆土后利用農用機耕犁平整，并交付村民耕種。

4.5 礦區(qū)道路恢復

路面由于施工需要應在渣堆和采坑施工結束后2～3年內進行治理，因采坑和渣堆施工需要人員和機械通行，避免破壞恢復成果。將路面覆土堆放在廠區(qū)空曠處留作備用。礦山道路覆土面積0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為390 m3，植草面積0.13 hm2。

5 地質環(huán)境修復效益分析

5.1 經濟效益

通過及時治理，能夠減少區(qū)內的水土流失，治理生態(tài)環(huán)境問題，可保障區(qū)內生產生活安全，避免巨大損失。同時，可促進群眾的生產，并且損毀草地得以有效利用，提高了群眾的經濟收益[2-8]。

5.2 環(huán)境效益

通過礦山生態(tài)環(huán)境恢復治理，可使祁連山區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到改善，受采礦影響的地形地貌景觀得到恢復，棄土棄渣壓占草地得以恢復生機，將極大減輕水土流失，結合植被恢復工程的實施，將為整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復、改善奠定基礎。礦山環(huán)境恢復治理種植松樹、播撒草籽恢復植被，植樹5 360株，恢復植被面積為3.48 hm2。不僅可美化景觀，還可控制水土流失、調節(jié)小區(qū)域氣候，增加水源涵養(yǎng)等[2-5]。

5.3 社會效益

礦山開采壓占破壞土地資源、影響地形地貌景觀，進而破壞地質環(huán)境，影響生態(tài)環(huán)境。通過生態(tài)環(huán)境恢復治理工程的實施可以對礦渣堆、草地損毀等問題進行治理，提高區(qū)域生態(tài)條件，改善人民生活環(huán)境，提高人民生活質量，而且可以留青山綠水于后代，做到社會效益、經濟效益和環(huán)境效益的可持續(xù)發(fā)展，構建文明富裕、和諧進步的社會，增加當地社會經濟效益[6-7]。

6 結 論

華藏寺冰嶺溝石膏礦位于祁連山自然保護區(qū)外圍，祁連山自然保護區(qū)作為西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，生態(tài)戰(zhàn)略意義重大。該礦區(qū)在20世紀70～80年代大辦鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，忽視了對礦山地質環(huán)境的保護，無序開采，受開采條件、開采方式、生產工藝、技術設備等綜合影響，使礦山地質環(huán)境遭受嚴重破壞。本次工作主要針對礦山開采造成大面積采坑，以及造成的壓占草地進行恢復治理，對周邊因水土流失造成的草場進行土壤重構與改良；恢復區(qū)內的排洪溝渠，消除采挖形成的高陡邊坡可能帶來的地質災害隱患，恢復植被面積約3.48 hm2。通過本次恢復治理工作，該區(qū)原始地貌得以恢復，提高了植被覆蓋率，使得生態(tài)環(huán)境呈現良性循環(huán)，提高水源涵養(yǎng)功能，最大限度地消除地質災害隱患。