南陽市石灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境特征及生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理研究

王 昊，張道闊，孔慶強(qiáng)

(1. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450046； 2. 河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000； 3. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

0 前 言

礦業(yè)開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾越來越大，在礦山開采后及時進(jìn)行恢復(fù)治理，實現(xiàn)綠色礦山建設(shè)，可極大地緩解礦業(yè)開發(fā)與環(huán)境的矛盾[1-3]。本次研究以在建露天水泥用和建筑石料用石灰?guī)r礦為例，通過現(xiàn)場踏勘，開展礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀與土地利用現(xiàn)狀調(diào)查，查明礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度和土地資源破壞情況及范圍。進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境影響現(xiàn)狀及預(yù)測評估，根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及預(yù)測評估結(jié)果，進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理，提出礦山土地復(fù)墾與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)治理技術(shù)措施，以達(dá)到消除地質(zhì)災(zāi)害隱患和改善研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)[3-6]。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地層巖性

研究區(qū)地層屬于北秦嶺分區(qū)南陽小區(qū)，主要是古元古界秦嶺群雁嶺溝組，由北到南主要的巖性有云母石英片巖、大理巖、斜長角閃片巖。該層地表可見小裂隙、裂隙填充物，為條帶狀及柔皺構(gòu)造。大理巖在礦區(qū)的北、中、南部皆有分布，成分為方解石，次為石墨及白云石、石英等，該巖石是水泥原料的主要賦存層位。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于秦嶺褶皺系南陽-襄樊坳陷南陽斷陷分區(qū)內(nèi)。

褶皺構(gòu)造：礦區(qū)構(gòu)造以褶皺構(gòu)造為主，總體上為一單斜巖層，巖層走向280°～340°，傾向南西，傾角45°～47°。局部形成規(guī)模不大的由層間擠壓形成的小柔皺構(gòu)造。

斷裂構(gòu)造：礦區(qū)內(nèi)斷裂有2條，一條分布于礦區(qū)的南部，長740 m，產(chǎn)狀215°∠62°～72°；另一條分布于礦區(qū)中部，長240 m，產(chǎn)狀75°∠73°～80°。2條斷層均屬于扭性斷裂。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)附近地下水類型為碳酸鹽巖類溶蝕裂隙水、基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。碳酸鹽巖類裂隙水含水層與松散巖類孔隙水含水層均接受大氣降水與童家河地表水補(bǔ)給，基巖裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給。地下水的徑流受含水層分布條件限制，沿裂隙或孔隙以地下徑流的方式向下、向地形較低處緩慢滲透排泄。礦體大部分位于地下水位以上，水文地質(zhì)邊界較簡單，地形有利于自然排水，局部與地表水有聯(lián)系，為水文地質(zhì)條件中等的礦床。

1.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)礦區(qū)地層巖性、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)等特征，將地質(zhì)體劃分為巖體和土體2大類。

巖體類型：主要為變質(zhì)巖建造堅硬的大理巖巖性組、片巖巖性組、巖漿巖建造堅硬的侵入巖巖性組，巖層完整，飽水極限抗壓強(qiáng)度39.8～166.7 MPa。地表風(fēng)化裂隙帶深度一般可達(dá)3～5 m。

土體類型：主要由礫石、碎石、粗砂、粉質(zhì)黏土等組成，結(jié)構(gòu)松散。分布于山坡、溝底兩側(cè)，邊坡穩(wěn)定角一般為45°，較陡邊坡受雨水沖蝕易坍塌。

礦床圍巖主要以厚層狀、塊狀整體結(jié)構(gòu)為主，巖性簡單，風(fēng)化破碎帶小于5 m，圍巖穩(wěn)固性較好，邊坡基本上不存在外傾軟弱結(jié)構(gòu)面或危巖，邊坡總體較穩(wěn)定，局部破碎。礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬于中等。

2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)面積120.90 hm2，包括礦區(qū)面積120.40 hm2，礦區(qū)外面積0.5 hm2(見表1)。根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有采礦活動特點，將研究區(qū)場地類型劃分為1采區(qū)、2采區(qū)、3采區(qū)、4采區(qū)和其他區(qū)(見圖1)。區(qū)內(nèi)沒有居民點，無交通要道或建筑設(shè)施，遠(yuǎn)離各級自然保護(hù)區(qū)和重要旅游景區(qū)(點)，無較重要水源地，采礦活動破壞耕地、林地、草地，評估區(qū)重要程度分級為重要區(qū)。

圖1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀及預(yù)測分布

表1 評估區(qū)各場地面積一覽

3 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響評估

3.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

3.1.1 渣土排放引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

現(xiàn)有渣土場位于1采區(qū)內(nèi)，處于山坡上部，地勢較高，所處沖溝較小，上游匯水區(qū)域約0.015 km2，植被較好，匯水量較小，最大1 h降雨量73 mm，泥石流發(fā)育程度弱；渣土場已經(jīng)進(jìn)行了臨時治理，形成4級臺階，后期全部挖除用于各平臺治理，預(yù)測引發(fā)泥石流的可能性?。滑F(xiàn)有渣土場下游有耕地，人員活動較少，一般小于10人，危害程度小。綜上所述，現(xiàn)有渣土場引發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害危險性等級為小[7]。

3.1.2 采礦活動可能引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

采場4與1采區(qū)內(nèi)現(xiàn)有采場1、采場2、采場3的邊坡大部已經(jīng)治理，少量正在治理，已經(jīng)清除危巖體，崩塌發(fā)育程度分級為弱；邊坡距離擬采區(qū)較遠(yuǎn)，發(fā)生崩塌的可能性?。贿吰孪路饺藛T一般小于10人，遭受崩塌的危害程度小；預(yù)測采礦活動引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性等級為小。

1采區(qū)內(nèi)擬采區(qū)、2采區(qū)、3采區(qū)內(nèi)設(shè)計采場每級臺階邊坡高度15 m，巖石邊坡角70°，土層邊坡角45°，礦體與圍巖主要為大理巖、花崗巖，致密堅硬，無軟弱夾層，地層傾角45°～74°，地層傾向與采場坡面傾向多斜交，局部同向，一般情況下邊坡較穩(wěn)定。但是地表土壤覆蓋層局部可達(dá)4 m，土層以下3 m內(nèi)巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙多有黏性土充填，結(jié)構(gòu)松散，再加上采礦爆破處裂隙較發(fā)育，邊坡上部分松動巖石形成危巖體，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，因此崩塌發(fā)育程度分級為中度；在采礦爆破與地震震動以及降雨的影響下，危巖體容易失穩(wěn)，發(fā)生崩塌的可能性中等。邊坡下方可能有挖掘機(jī)、運輸車輛、人員在施工活動，一旦發(fā)生崩塌，威脅人員一般小于10人，設(shè)備遭受的損失一般小于100萬元，人員與設(shè)備遭受崩塌的危害程度小。預(yù)測采礦活動引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性等級為中等[8]。

3.2 礦區(qū)含水層破壞現(xiàn)狀分析與預(yù)測

地下水位標(biāo)高約314 m，現(xiàn)有各采場標(biāo)高在320 m以上，露采場內(nèi)沒有見到地下水，采礦活動對地下水位與水資源量沒有影響，沒有引起礦區(qū)及周圍含水層水位下降。附近居民距離較遠(yuǎn)，生產(chǎn)生活用水沒有受到影響?，F(xiàn)狀下礦業(yè)活動對含水層破壞較輕。

3.3 礦區(qū)地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀分析

現(xiàn)狀下地形地貌景觀的破壞主要是露采場、民采場與渣土場對地形地貌景觀的破壞。

1采區(qū)內(nèi)現(xiàn)有采場1、采場2、采場3、渣土場，場地寬90～200 m，長110～520 m，邊坡高度可達(dá)35 m，渣土場渣土量約125 800 m3，厚度可達(dá)15 m，場地規(guī)模大，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重；擬采區(qū)保持自然形態(tài)，尚未破壞，地形地貌景觀破壞較輕。

4采區(qū)采場4場地寬220 m，長340 m，邊坡高度可達(dá)10 m，場地規(guī)模大，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重。

3采區(qū)民采場寬100～320 m，長770 m，邊坡高度可達(dá)15 m，場地規(guī)模大，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重。擬采區(qū)保持自然形態(tài)，尚未破壞，地形地貌景觀破壞較輕。

2采區(qū)與評估區(qū)其他區(qū)內(nèi)沒有采礦活動，地形地貌景觀破壞較輕。

3.4 礦區(qū)土地?fù)p毀評估

本礦區(qū)原有采礦活動，已經(jīng)形成4處露采場、1條礦山道路、1處渣土場、1處民采場，礦山道路包含在采場2與采場3內(nèi)。已損毀土地面積共計43.3 hm2，已損毀土地情況見表2。各場地位置見圖1。

表2 已損毀土地情況匯總 hm2

1)1采區(qū)：區(qū)內(nèi)已經(jīng)形成采場1、采場2與采場3(含礦山道路)、渣土場，其中礦山道路位于采場2與采場3內(nèi)原平臺上。

采場1、采場2、采場3處地貌原為山坡，地類主要為有林地、采礦用地，其他草地、公路用地、旱地較少，植物主要為楊樹、樺櫟木、山荊、狗牙根草之類，土壤為黃棕壤土，厚度0.3～4 m。露采場開挖深度一般大于10 m，最大可達(dá)80 m，土層全部破壞，出露基巖，剝離土壤存放在現(xiàn)有渣土場。土地?fù)p毀方式主要為挖損，損毀程度為重度。

現(xiàn)有渣土場位于采場1南側(cè)，地貌原為沖溝底部，地勢平坦，地類為采礦用地，植物主要為楊樹、山荊、狗牙根草之類，堆積物部分為廢渣，部分為含碎石黏性土，厚度可達(dá)15 m，損毀采礦用地0.7 hm2，場地使用時間>5 a，土地?fù)p毀方式主要為壓占。壓占面積>0.5 hm2，壓占時間>3 a，土地?fù)p毀程度為重度。

2)采場4：地貌原為山坡，地類主要為有林地、采礦用地，其他草地，植物主要為樺櫟木、山荊、狗牙根草之類，土壤為黃棕壤土，厚度0.3～1.0 m不等。露采場開挖深度可達(dá)50 m，土層全部破壞，出露基巖。土地?fù)p毀方式主要為挖損，損毀程度為重度。

3)3采區(qū)(民采場)：地貌原為山坡，地類主要為有林地、采礦用地，其他草地，植物主要為刺槐、樺櫟木、山荊、狗牙根草之類，土壤為黃棕壤土，厚度0.3～0.5 m不等。露采場開挖深度一般可達(dá)20 m，土層全部破壞，出露基巖。土地?fù)p毀方式為挖損，損毀程度為重度。

4 修復(fù)方法討論

4.1 地質(zhì)災(zāi)害防治工程

露采場邊坡可能引發(fā)崩塌災(zāi)害，威脅人員安全，切坡時要防止邊坡過陡，在采場周邊布設(shè)監(jiān)測點與防護(hù)網(wǎng)，重點監(jiān)測露采場邊坡上方危巖體分布、位移變化情況，對邊坡上部存在安全隱患的巖土體及時清除，可最大限度減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，避免崩塌造成人員受傷和財產(chǎn)損失[9-10]。

1)削坡：對崩塌災(zāi)害的防治主要是清除危巖體與較厚土體。根據(jù)邊坡坡向與地層傾向相交情況，危巖體主要在采場北側(cè)高坡方向，與南側(cè)斷層處，削坡方式先采用爆破方式，然后人工撬動清理碎石，削坡后邊坡角要小于60°，不能有松動巖石。產(chǎn)生的廢石塊可以在臺階上砌筑擋墻利用。根據(jù)邊坡長度與裂隙發(fā)育情況預(yù)計需要削坡41 200 m3。

2)設(shè)置防護(hù)網(wǎng)：沿采場最終邊界周邊5 m外設(shè)置鐵絲防護(hù)網(wǎng)，每隔5 m埋設(shè)1根木樁，木樁高度1.7 m，埋深0.5 m，每根木樁掛4條鐵蒺藜，上下間隔0.3 m，防護(hù)高度1.2 m，鐵蒺藜規(guī)格單繩擰編，絲徑2.5 mm。需要安裝防護(hù)網(wǎng)距離4 750 m。

4.2 含水層破壞防治工程

采區(qū)320 m平臺以下靠近童家河處，采礦過程中會有地下水入滲，但是隨即排入童家河，對周圍居民生產(chǎn)生活用水沒有影響，對含水層基本上沒有破壞。但為預(yù)防坑內(nèi)外水質(zhì)互相影響，水位受季節(jié)變化較大影響，在坑內(nèi)四周修筑漿砌石護(hù)坡。護(hù)坡橫斷面為平行四邊形，高度5 m，厚度0.4 m，斷面積2 m2。護(hù)坡材料為漿砌片石，片石極限抗壓強(qiáng)度不低于50 MPa。預(yù)計護(hù)坡長度1 880 m，需要漿砌石護(hù)坡3 760 m3。治理剖面見圖2。

圖2 采區(qū)底部護(hù)坡剖面示意

4.3 地形地貌景觀破壞防治工程

以1采區(qū)治理工程為例：

1)砌筑擋墻：沿各平臺外側(cè)邊緣砌筑漿砌石擋墻。擋墻橫斷面為矩形，高度1.4～2.0 m(擬回填廢渣與覆土厚度1.2 m)，厚度0.7 m，基礎(chǔ)落在平臺基巖上。擋墻材料為漿砌片石，片石極限抗壓強(qiáng)度不低于50 MPa。預(yù)計修建擋墻7 400 m，需漿砌石擋墻7 252 m3。平臺與邊坡治理斷面如圖3。

圖3 平臺邊坡治理剖面示意

2)回填廢渣：對礦區(qū)內(nèi)底部平臺回填廢渣，回填廢渣厚度0.4 m，平臺面積47 700 m2，需要回填廢渣19 080 m3。

3)平整場地：回填廢渣后對廢渣進(jìn)行平整，表面起伏小于10 cm，平臺外側(cè)高內(nèi)側(cè)低，坡度小于5°。

平整方式利用挖掘機(jī)挖高填低與人工平整結(jié)合進(jìn)行，根據(jù)面積與廢渣厚度估算，預(yù)計需要挖廢渣8 500 m3，人工平整面積47 700 m2。

4.4 土地復(fù)墾工程

復(fù)墾區(qū)為4處露采場，共劃分復(fù)墾單元12個，以1采區(qū)復(fù)墾為例。治理剖面見圖4。

圖4 治理剖面復(fù)墾示意

1)土壤剝離：露采區(qū)除去已經(jīng)開挖部分，可剝離面積約5.64 hm2，其中土壤厚度3.6 m，區(qū)域面積2.1 hm2，土壤平均厚度0.4 m的區(qū)域面積3.54 hm2，現(xiàn)有渣土場堆放土壤64 800 m3，總共剝離土壤154 560 m3。

2)覆土：對礦區(qū)外采場1內(nèi)+415 m平臺覆土，土源為現(xiàn)有渣土場內(nèi)存放的黏性土。覆土厚度0.8 m，覆土面積0.9 hm2，需要覆土6 300 m3。對礦區(qū)內(nèi)各平臺覆土，土源為擬設(shè)表土場內(nèi)存放的黏性土，運輸方式采用挖掘機(jī)挖裝汽車運輸方式，平均運距按照2.9 km。覆土厚度0.8 m，覆土面積3.87 hm2，根據(jù)覆土面積與厚度計算，需要覆土27 090 m3，合計需要覆土33 390 m3。

3)平土：對礦區(qū)內(nèi)各平臺的覆土要撫平，厚度0.8 m，起伏小于10 cm，坡度小于5°，傾向邊坡腳。+415 m平臺采用機(jī)械平土，其他平臺采用人工平土。預(yù)計需要機(jī)械平土9 000 m2,人工平土面積38 700 m2。

4)綠化：在各平臺栽植刺槐綠化平臺，林間種草。在平臺上栽植爬山虎對邊坡復(fù)墾單元綠化。共需栽植刺槐9 855株，撒播種草4.77 hm2，根據(jù)平臺長度與密度計算，需要栽植爬山虎7 160株。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理實施，共復(fù)墾旱地8.7 hm2、有林地22.7 hm2、其他林地13.1 hm2、其他草地4.2 hm2、坑塘水面12.6 hm2，共栽植刺槐36 910株。為當(dāng)?shù)卮迕裨黾恿司蜆I(yè)機(jī)會，增加家庭收入，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 生態(tài)效益

礦山開采對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，易加劇土壤的侵蝕，導(dǎo)致水土流失。通過實施土地復(fù)墾工程，可以使植被破壞的露采場、取土場、礦山道路與工業(yè)場地復(fù)綠，變?yōu)榱值?，防風(fēng)固沙，使水土得以保持，可以提高林地覆蓋率，涵養(yǎng)水源，固氮儲碳，可以凈化空氣，對局部環(huán)境空氣和小氣候產(chǎn)生正效與長效影響，增加動物群落多樣性。同時避免塵土飛揚，惡化環(huán)境，影響周邊居民生活，充分體現(xiàn)了“在保護(hù)中開發(fā)，在開發(fā)中保護(hù)”“依靠科技進(jìn)步，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)綠色礦業(yè)”等礦山環(huán)境保護(hù)的基本原則，其環(huán)境效益較好[11-13]。

5.3 社會效益

該復(fù)墾方案的實施，可以穩(wěn)定農(nóng)業(yè)與林業(yè)基礎(chǔ)，為項目所在區(qū)人民提供更多的就業(yè)機(jī)會，增加當(dāng)?shù)鼐用袷杖?，改善居住環(huán)境，避免對周邊居民生命財產(chǎn)造成危害，減少礦山企業(yè)與當(dāng)?shù)卮迕裰g的矛盾，減少社會不安定因素，使人民安居樂業(yè)，促進(jìn)居民的和諧和團(tuán)結(jié)，促進(jìn)本礦區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對于維護(hù)社會安定起到積極的促進(jìn)作用，有利于社會穩(wěn)定[9]。

6 結(jié) 語

通過對該研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，評估了礦業(yè)活動對該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境影響程度，通過討論采取最優(yōu)的生態(tài)恢復(fù)治理方法，以期達(dá)到消除地質(zhì)災(zāi)害隱患和改善研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。

1)研究區(qū)面積1.209 km2。評估為重要區(qū)，礦山地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為中等，礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模為大型，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估級別為一級，地質(zhì)災(zāi)害危險性評估級別為一級。

2)經(jīng)礦山地質(zhì)環(huán)境影響分析，采礦活動引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性中等，對含水層破壞較輕，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重，對水土環(huán)境污染程度較輕；1采區(qū)、2采區(qū)、3采區(qū)、采場4為重點防治區(qū)，其他區(qū)為一般防治區(qū)。

3)經(jīng)土地?fù)p毀分析與預(yù)測，土地?fù)p毀方式主要為挖損，已損毀43.3 hm2，擬損毀44.5 hm2，重復(fù)損毀26.5 hm2，合計損毀土地面積61.3 hm2，損毀程度全部為重度；其中損毀旱地2.3 hm2、有林地19.0 hm2、其他草地18.72 hm2、公路用地0.38 hm2、采礦用地20.9 hm2。損毀土地不涉及基本農(nóng)田。

4)通過對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查及治理，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及土地復(fù)墾，礦山地質(zhì)環(huán)境得到改善，可給當(dāng)?shù)貛磔^好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會效益。