博愛縣月山一帶采石場礦山地質(zhì)環(huán)境特征及恢復(fù)治理研究

崔立東

(河南省焦作地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司,河南 焦作 454000)

為了保障河南省南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程建設(shè),主管部門將該區(qū)域劃分為6大流域(安陽河流域、湯河流域、淇河流域、大沙河(衛(wèi)河)流域、沁蟒河流域和小浪底—西霞院水庫匯水區(qū)),對區(qū)內(nèi)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程開展多要素本底調(diào)查,并編制生態(tài)修復(fù)方案[1-5]。博愛月山一帶采石場礦山地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)治理項(xiàng)目屬于大沙河(衛(wèi)河)流域礦山環(huán)境生態(tài)治理類項(xiàng)目,是河南省南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的重要組成部分[6-9]。

該礦山于20世紀(jì)90年代末開始開采,現(xiàn)已關(guān)閉。早期的掠奪式開采,和濫采亂挖,“只破壞、不治理”,遺留下了嚴(yán)重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。開采巖層主要是奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中段石灰?guī)r。開采方式為:露天+硐采。露天開采造成高陡邊坡、地形地貌景觀破壞嚴(yán)重、壓占損毀土地資源。渣堆沿自然坡體堆放,形成不穩(wěn)定斜坡,易造成滑坡威脅引丹水渠、月山水庫和周邊村民生命財(cái)產(chǎn)安全。礦山地質(zhì)環(huán)境治理已迫在眉睫,本文以礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查為基礎(chǔ),開展生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理研究工作,以保障南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)[10-16]。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 自然地理?xiàng)l件

博愛縣地處太行山脈與豫北平原的過渡地帶。地貌由平原與山區(qū)兩大基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成,由北向南依次為:構(gòu)造溶蝕低山—構(gòu)造剝蝕丘陵—山前沖洪積傾斜平原—沖積平原。研究區(qū)地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵,地貌類型單一,其溝谷發(fā)育,區(qū)內(nèi)地面高程為+280～+320 m,相對高差40 m。地形起伏不大,沖溝較發(fā)育,多呈樹枝狀,切割深度一般達(dá)30 m。地表多為林地,植被覆蓋率較高。勘查區(qū)位于山脊及山頂處,坡度10°～25°。受采礦活動影響,形成了高陡采礦邊坡、廢石廢渣堆積和無序采坑,地形地貌和地表植被遭到了嚴(yán)重的破壞。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

勘查區(qū)出露地層較為簡單,以沉積巖為主,主要為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中段及石炭系、第四系。巖層成單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀為160°～170°∠5°～15°。構(gòu)造以斷層為主,北側(cè)為鳳凰嶺斷層,南側(cè)為盤古寺斷層。

1.3 地質(zhì)環(huán)境條件

勘查區(qū)巖土類型分為堅(jiān)硬厚層狀中等巖溶化石灰?guī)r巖組,堅(jiān)硬中厚層狀砂巖、泥巖巖組,砂性、黏性多層土體3個(gè)工程地質(zhì)巖組。

(1)較堅(jiān)硬的中厚層狀砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖巖組:主要由砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖組成。巖質(zhì)較軟弱,抗剪強(qiáng)度低,易風(fēng)化,頁巖力學(xué)強(qiáng)度具各向異性。地下工程及水工建筑物易沿軟弱夾層產(chǎn)生滑動。巖石干抗壓強(qiáng)度65～180 MPa,軟化系數(shù)為0.75～0.94。工程地質(zhì)問題為頁巖易造成邊坡失穩(wěn)。

(2)堅(jiān)硬厚層狀灰?guī)r、白云巖巖組:主要由巖溶化石灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、白云巖組成。巖石一般致密堅(jiān)硬,抗壓強(qiáng)度高,溶洞發(fā)育,具軟弱夾層。巖石干抗壓強(qiáng)度120～230 MPa,軟化系數(shù)0.77～0.81。

(3)黏性土單層土體及亞黏土、亞砂土、細(xì)砂多層土體:主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)組成。巖性為砂、粉砂、礫石層和黃土狀亞黏土、棕紅色亞黏土。粒間聯(lián)結(jié)極弱,孔隙比較大,連通性好,力學(xué)強(qiáng)度低,透水性好。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 研究區(qū)分布概況

勘查區(qū)主要為博愛縣下嶺后村建筑石料用石灰?guī)r采石場,研究區(qū)總面積1.7 km2,調(diào)查面積2 km2。包含2個(gè)勘查子區(qū)(圖1),分別為半架山西勘查Ⅰ區(qū),月山水庫東勘查Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)位于東礬廠村東0.7 km,月山寺北1 km,東怕溝南側(cè)1 km,面積約0.32 km2,涉及旱地1.83 hm2、工礦廢棄地3.33 hm2、裸地0.27 hm2、其他草地26.58 hm2;Ⅱ區(qū)西側(cè)緊鄰月山水庫,東側(cè)緊鄰省道S237,南側(cè)緊鄰焦枝鐵路,面積約1.38 km2,涉及旱地9.23 hm2、工礦廢棄地5.5 hm2、裸地0.86 hm2、村莊1.87 hm2、建制鎮(zhèn)0.34 hm2、其他草地121.15 hm2。

圖1 研究區(qū)周邊及礦山分布情況Fig.1 Distribution of surrounding areas and mines in the research area

2.2 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

研究區(qū)的主要生態(tài)、礦山地質(zhì)環(huán)境問題包括植被破壞、土壤破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源占用、地質(zhì)災(zāi)害及不良地質(zhì)現(xiàn)象等[16-17]。

(1)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。礦山開采對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,大面積基巖裸露的采坑和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀,破壞原有林地,部分原生植被遭到嚴(yán)重破壞,使礦區(qū)大面積林地變成裸地,可利用的土地資源減少。造成林草地質(zhì)量下降,自然災(zāi)害加劇,生態(tài)平衡難以為繼[13]。

(2)土地利用現(xiàn)狀。兩個(gè)勘查區(qū)均位于近山頂位置,地形起伏小,匯水面積有限,匯水小范圍內(nèi)基本沿山頂四處流散,大范圍內(nèi)整體流向向南。由于勘查區(qū)干旱少雨,巖層以黏土巖為主,風(fēng)化嚴(yán)重,巖體破碎,同時(shí)渣堆雜亂堆放,在水流沖蝕下滲的作用下,形成沖溝,廢石廢渣沿自然邊坡下滑,自然坡面形覆蓋廢渣,植物在廢渣坡面上幾乎無法生存,裸露的山體在雨水和風(fēng)力的作用下水土流失嚴(yán)重,甚至在雨季,廢渣大規(guī)模滑落,覆蓋溝谷植被。

(3)植被現(xiàn)狀?？辈閰^(qū)位于太行山南部,隸屬大沙河(衛(wèi)河)流域,流域植被可分為山區(qū)植被和平原植被兩大類、6個(gè)植被類型,分別是針葉林、闊葉林、草甸、竹林、灌叢及草灌叢和沼澤及水生植被。勘查區(qū)自然植被類型是以落葉闊葉林的次生林為主,灌木及草地。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況,勘查區(qū)自然植被情況匯總見表1。

表1 自然植被現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics on current situation of natural vegetation

3 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境問題分布不同,將勘查Ⅰ區(qū)分為6個(gè)子勘查區(qū),勘查Ⅱ區(qū)分為17個(gè)勘查子區(qū),共計(jì)23個(gè)勘查子區(qū),此次勘查工作對23個(gè)勘查子區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘與調(diào)查,得出如下結(jié)論:

研究區(qū)子區(qū)面積459 753 m2,存在渣堆21處,渣堆水平投影面積130 632 m2,渣堆體積315 694.9 m3,渣堆邊坡長度2 571 m;高陡邊坡19條,長度共計(jì)3 436 m,邊坡投影面積25 981 m2,巖性多為灰?guī)r、黏土巖邊坡,上部存在少量覆蓋層,覆蓋層厚度一般0.1～0.2 m,植被較稀疏;采坑3處,采坑容積2 544 m3,各類平臺5個(gè),平臺面積11 022 m2,采硐18個(gè),開采礦層均為黏土巖,上覆巖層均為灰?guī)r,現(xiàn)狀條件下,只要受采動影響,上覆灰?guī)r均受到不同程度破壞;地裂縫12條,總長度1 348 m;滑坡體1處,整體滑動方向向西,受威脅對象為邊坡下方不定行人及月山水庫,滑動體長494 m,寬度20～80 m,高度20～45 m,投影面積34 600 m2,體積103.8×104m3,屬大型滑坡;崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患1處,危巖體方量約25 104 m3,屬中型崩塌,發(fā)育4組豎向裂隙,危巖體呈塊狀,塊度長2 m、寬3 m、高2 m,坡面傾向190°,巖層產(chǎn)狀100°∠5°。

3.1 研究區(qū)分布概況

勘查Ⅰ區(qū)分為6個(gè)子勘查區(qū),以Ⅰ-5區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題為例,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,Ⅰ-5區(qū)破壞地形地貌景觀及土地資源10.68 hm2(圖2),本區(qū)山頂之上全部為廢渣堆堆積,高陡邊坡2條,裂縫6條。

圖2 Ⅰ-5區(qū)內(nèi)成區(qū)連片的渣堆及采坑破壞地形地貌Fig.2 Landform and topography of contiguous slag piles and mining pits in area Ⅰ-5

(1)廢渣堆及采坑破壞地形地貌景觀。本區(qū)位勘查Ⅰ區(qū)最大分區(qū),面積106 828 m2,破壞區(qū)位于山頂,區(qū)內(nèi)廢石廢渣隨意棄置,原私挖亂采從東南側(cè)開始向西北側(cè)進(jìn)行,開采礦種為黏土礦,工作面向西北推進(jìn)過程中產(chǎn)生的廢渣隨即排放在后方,順山坡及溝谷傾倒,現(xiàn)狀本區(qū)局部區(qū)域已被荒草覆蓋,個(gè)別地區(qū)椿樹生長極好,但整體廢渣裸露嚴(yán)重,植被無法自然覆綠。

山頂上廢渣無序堆放形成的邊坡及廢渣合圍而成的渣坑、平臺、斜坡隨處可見,難以進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分,另外南側(cè)及西側(cè)原始邊坡上方均堆有2～4 m厚廢渣,山頂整體地勢中間高,南北均低。

廢石廢渣沿溝谷傾倒后壓占林草地,導(dǎo)致邊坡上方植被無法自然生長,水土流失嚴(yán)重,主要成分為半風(fēng)化黏土巖廢渣,含有灰褐色及青灰色碎石。碎石粒徑為1.0～5.0 cm,含量約為60%;偶含塊石,最大塊徑50.0 cm。渣堆南側(cè)緊鄰渣坑,連接渣堆邊坡,渣堆平均厚2～4 m,部分大渣堆厚度4～10 m。渣堆面積54 340 m2,體積141 242 m3。

(2)高陡邊坡破壞地形地貌。區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定高陡邊坡長359 m,高7～22 m,坡度60°～80°,邊坡坡向60°～120°,邊坡BPⅠ-5-1為灰?guī)r、黏土巖邊坡,坡面十分破碎,豎向節(jié)理裂隙發(fā)育,存在崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患,對來后期治理施工可能存在威脅。邊坡BPⅠ-5-2為黏土巖、第四系黃土邊坡,坡面現(xiàn)狀較為完整整潔,但此處山體發(fā)育多條裂縫,整個(gè)山體呈松散狀,坡面穩(wěn)定性差。邊坡特征見表2。

表2 Ⅰ區(qū)邊坡特征Tab.2 Characteristics of slope in zone Ⅰ

(3)地裂縫破壞地形地貌。區(qū)內(nèi)發(fā)育裂縫6處,其中有2處為渣堆渣堆順山坡堆放后形成的后緣拉張裂縫,另4處位于該區(qū)山頂上部,山體向南北兩側(cè)傾斜,而在頂部形成的拉張裂縫。

裂縫LXⅠ-5-1與裂隙LXⅠ-5-2為渣堆順坡傾倒,渣堆自然下沉后在原始邊坡頂部邊沿位置形成的后緣拉張裂縫,該裂縫走向與原始邊坡走向基本一致,裂縫寬度1～5 cm,可見深度10～20 cm,裂縫位置較高,除自然降水下滲外,無其他匯水水流倒灌,若遇強(qiáng)降雨,存在繼續(xù)下滑的可能性。

裂縫LXⅠ-5-3長度80 m,寬度0.3～0.6 m,可見深度1～2 m;裂縫LXⅠ-5-4長度139 m,寬度0.3～0.8 m,可見深度1～3 m;裂縫LXⅠ-5-5長度69 m,寬度0.3～0.5 m,可見深度1～2 m;裂縫LXⅠ-5-6長度109 m,寬度0.4～0.6 m,可見深度1～2 m。4處裂縫均位于山頂上,為4條相互平行的裂縫,4處裂縫將巖體切割成塊狀,導(dǎo)致整個(gè)山體穩(wěn)定性差,其中裂縫LXⅠ-5-4向西北向延伸,已破壞一處穿山渠。裂縫特征見表3。

表3 裂縫特征Tab.3 Crack characteristics

3.2 勘查Ⅱ區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題

勘查Ⅱ區(qū)分為17個(gè)子勘查區(qū),以Ⅱ-11區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題為例,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,Ⅱ-11區(qū)破壞地形地貌景觀及土地資源2.7 hm2,存在廢渣堆3處,高陡邊坡2處,采硐5處,渣堆邊坡總長541 m,投影面積11 651 m2,方量27 539 m3。廢石廢渣沿山坡傾倒,壓占其他草地,導(dǎo)致邊坡上方植被無法自然生長,水土流失嚴(yán)重,主要成分為半風(fēng)化黏土巖廢渣,含有灰褐色及青灰色碎石。碎石粒徑為1.0～5.0 cm,含量約為50%;偶含塊石,最大塊徑45.0 cm。渣堆特征見表4。

表4 渣堆特征Tab.4 Characteristics of slag heap

高陡邊坡破壞地形地貌1 346 m2,邊坡總長194 m,均為灰?guī)r、黏土巖邊坡,坡面較為破碎,穩(wěn)定性較差。邊坡特征見表5。

表5 Ⅱ區(qū)邊坡特征Tab.5 Characteristics of slope in zone Ⅱ

高陡邊坡下方有采硐5處,均為黏土巖采坑,硐口有木樁支護(hù),部分硐口已被廢石廢渣半掩埋,硐深不可見,硐口高1.5～2.5 m,寬1.5～2.5 m。采硐基本情況見表6。

表6 采硐基本情況Tab.6 Basic information of excavation chamber

3.3 土地資源占用破壞

勘查區(qū)內(nèi)采礦活動在嚴(yán)重破壞原生林地地形地貌景觀的同時(shí),對土地資源也造成了嚴(yán)重破壞,致使勘查區(qū)植被稀少,生態(tài)環(huán)境惡化。主要表現(xiàn)為礦產(chǎn)開采將上覆巖層和表土剝離后形成的廢棄采礦邊坡與廢棄采坑造成土地資源毀損,開挖產(chǎn)生的廢棄廢渣隨意堆放壓占土地資源。

(1)按地類劃分?？辈棰駞^(qū)涉及旱地1.83 hm2、工礦廢棄地3.33 hm2、裸地0.27 hm2、其他草地26.58 hm2?？辈棰騾^(qū)涉及旱地9.23 hm2、工礦廢棄地5.5 hm2、裸地0.86 hm2、村莊1.87 hm2、建制鎮(zhèn)0.34 hm2、其他草地121.15 hm2。

(2)按土地權(quán)屬劃分。勘查Ⅰ區(qū)涉及寨豁鄉(xiāng)土地15.67 m2、占用月山鎮(zhèn)土地14.8 m2、占用柏山鎮(zhèn)土地1.54 hm2,勘查Ⅱ區(qū)占用寨豁鄉(xiāng)土地2.02 hm2,占用柏山鎮(zhèn)土地136.94 hm2。

4 治理方案優(yōu)選

根據(jù)勘查區(qū)的分布位置,參考近年來博愛縣對類似礦山地質(zhì)環(huán)境問題的治理措施,建議對勘查區(qū)采取以下治理工程設(shè)計(jì)方案[11-19]。

4.1 方案比選

(1)方案Ⅰ。①邊坡清理、坡腳回填和坡頂裂縫回填:采用坡面清理將坡體表面危巖體清除。之后將清坡后的碎石在坡腳堆積,并回填一部分廢渣,回填角度小于25°,從而降低邊坡的高度。同時(shí),將坡頂裂縫進(jìn)行回填。②場地整理:在整齊、美觀的基礎(chǔ)上,根據(jù)勘查區(qū)渣堆、采坑及采礦平臺分布情況,將勘查區(qū)根據(jù)地形分為若干個(gè)小平臺,每個(gè)小平臺通過不同高度、不同坡度與周圍地形相結(jié)合。③綠化:在勘查區(qū)中較平整的地段種植生態(tài)林側(cè)柏。

(2)方案Ⅱ。①危巖清理:采用坡面清理將坡體表面危巖體清除。之后將清坡后的碎石在坡腳堆積。②渣堆挖填:根據(jù)勘查區(qū)現(xiàn)狀地形,在整齊、美觀的基礎(chǔ)上,根據(jù)勘查區(qū)平臺和渣堆的分布情況,隨坡就勢進(jìn)行平整。③擋墻及排水工程:沿廢渣邊坡下緣修建擋墻,防止廢渣滑塌,在匯水區(qū)修建排水渠,防止水流的沖蝕下滲。④綠化:采用適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境的藤、樹、灌、草相結(jié)合立體綠化系統(tǒng)。由于勘查區(qū)地處山頂且土壤貧瘠,養(yǎng)護(hù)水源有限,故選擇喜光、耐干旱瘠薄的植被;其中喬木選擇為側(cè)柏,側(cè)柏終年常綠,是博愛地區(qū)人工復(fù)綠的主要樹種,且枝葉較小,兼顧森林防護(hù);灌木選擇自然生長較好的杠柳;藤類植物選擇地錦和扶芳藤;草本植物選擇多種草籽混合椿樹、榆樹籽播撒。

4.2 治理方案

上述2種方案都能起到消除或減輕地質(zhì)災(zāi)害隱患,恢復(fù)地形地貌景觀的效果,但考慮到本勘查區(qū)屬于焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)與綜合治理規(guī)劃中的近期亟須治理區(qū)之一,同時(shí)月山水庫東存在滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患,半架山西存在崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患,故應(yīng)采取更加有效的工程措施,本文選取方案Ⅱ?yàn)橹卫矸桨竅8-16]。

5 效益分析

5.1 社會效益

通過廢棄礦山恢復(fù)治理,將有效地保護(hù)和恢復(fù)勘查區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境,改善生態(tài)環(huán)境,提高當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量,同時(shí)以新興旅游產(chǎn)業(yè)帶動博愛縣經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、快速增長,對于實(shí)現(xiàn)柏山鎮(zhèn)、月山鎮(zhèn)、寨豁鄉(xiāng)全面建設(shè)小康社會及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[18]。

5.2 環(huán)境效益

通過礦山生態(tài)修復(fù),治理礦山2處,治理地災(zāi)隱患點(diǎn)2處,治理面積133.8 hm2,新增林地36.5 hm2,植樹91 176棵,其中經(jīng)濟(jì)林45 588棵,廢渣回填的體積量為50 000 m3,客土回覆46 682 m3,場地平整24.31 hm2。植樹造林可以有效地涵養(yǎng)水源,控制水土流失,增加植被,改善氣候條件,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)?？辈閰^(qū)除高陡邊坡及部分無法種植灌草的區(qū)域外,基本恢復(fù)為林地、草地,植被覆蓋率達(dá)到75%以上,可有效改善勘查區(qū)水土流失、石漠化現(xiàn)狀,恢復(fù)生態(tài)環(huán)境,凈化空氣,調(diào)節(jié)小氣候及生物多樣性起到不可估量的作用,使焦作市北部山區(qū)生態(tài)景觀得到恢復(fù);較好地改善月山水庫東與半架山西村及周邊居民的人居環(huán)境,提升博愛縣旅游城市整體形象有深遠(yuǎn)意義,環(huán)境效益非常顯著[20]。

6 效益分析

(1)礦山因不規(guī)范開采,對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞,大面積基巖裸露的采坑和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀,破壞原有林地,部分原生植被遭到嚴(yán)重破壞,使礦區(qū)大面積林地變成裸地,可利用的土地資源減少。造成林草地質(zhì)量下降,自然災(zāi)害加劇,生態(tài)平衡難以為繼。

(2)本次廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)治理研究,包含2個(gè)勘查子區(qū),分別為半架山西勘查Ⅰ區(qū),月山水庫東勘查Ⅱ區(qū),總面積1.7 km2。針對不同的地質(zhì)環(huán)境問題,采用危巖清理、渣堆挖填、植被復(fù)綠等治理措施,改善礦山生態(tài)環(huán)境和消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。

(3)通過廢棄礦山經(jīng)地質(zhì)環(huán)境綜合治理,將消除地質(zhì)災(zāi)害隱患,遏制水土流失的發(fā)生,消除對周邊環(huán)境的污染,解決了歷史遺留的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。從而促進(jìn)了柏山鎮(zhèn)、月山鎮(zhèn)、寨豁鄉(xiāng)旅游資源的開發(fā),可增加當(dāng)?shù)厝罕姷氖杖?發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。