牦牛坪稀土礦礦山地質(zhì)環(huán)境問題及治理

沈 波,馬東濤

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

1 概述

牦牛坪稀土礦區(qū)位于四川省涼山州冕寧縣城西南22km處，稀土礦儲(chǔ)量居全國稀土資源儲(chǔ)量的第二位，牦牛坪礦床規(guī)模居各礦床之首，約占四川探明稀土礦物總量的90%。長期以來的無序開采，采富棄貧，采易棄難，造成了資源利用率低，增加了進(jìn)一步開采的難度，也使礦山周圍本來十分突出的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性增加，礦山本身也存在十分重大的安全隱患。

如何保障礦山開采過程中人員設(shè)備的安全，防治減少地質(zhì)災(zāi)害及礦山開采過程中造成的人為災(zāi)害的發(fā)生對(duì)于礦山的可持續(xù)生產(chǎn)及地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)有著非常重要的意義。本文在客觀分析礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害對(duì)礦區(qū)和下游沿河兩岸造成危害等因素，根據(jù)安全性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則，確定了治理工程的內(nèi)容、主要設(shè)計(jì)思路，擬定了整治方案，提出了治理措施，估算了治理工程數(shù)量。這些措施的采取將有效保障礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)營，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境的改善也會(huì)產(chǎn)生積極的效應(yīng)。本文對(duì)今后礦山地質(zhì)環(huán)境方面的治理有著一定的借鑒意義。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境問題及其危害

2.1 泥石流災(zāi)害及危害

礦區(qū)現(xiàn)有泥石流災(zāi)害10處，主要集中在礦區(qū)公路所在的瓦維埃河右岸一側(cè)，大部分泥石流溝口與礦區(qū)公路交叉，隨時(shí)對(duì)道路上生產(chǎn)車輛的運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，而礦區(qū)所在的主溝瓦維埃溝由于河道棄渣過多，各泥石流的排泄物又都集中在此溝，河道淤堵嚴(yán)重，對(duì)礦區(qū)所在的生產(chǎn)設(shè)備、人員以及礦產(chǎn)成品等等都是極大的安全隱患。

礦區(qū)泥石流的流域面積均在10km2以下，面積較小，均發(fā)育在岸旁的溝谷中，為溝谷型泥石流，各條泥石流溝坡度較陡，溝道長度不等，泥石流溝口物質(zhì)含粗大物質(zhì)較多，粘粒含量較低[1]，經(jīng)分析初步認(rèn)定礦區(qū)泥石流大部分屬稀性泥石流，少部分接近于水石流(表1)。造成礦區(qū)泥石流的主要物源類型多樣數(shù)量巨大，既有坡面侵蝕和沖溝侵蝕造成的兩岸的碎屑流和滑坡崩塌等重力侵蝕形成的固體物質(zhì)，也有因礦山開采堆積在溝道中的棄渣。泥石流最后匯入的主溝均為瓦維埃溝，該溝溝形狹窄，溝道內(nèi)淤埋堵塞嚴(yán)重，泥石流經(jīng)過幾乎礦區(qū)內(nèi)的所有生產(chǎn)場地和修建的廠區(qū)工房。該溝一旦暴發(fā)后將在上游形成急劇沖刷沖擊危害，而在下游將主要表現(xiàn)為漫流、堵塞和淤埋危害，一次性沖出物將達(dá)到幾十上百萬立方米，危害嚴(yán)重。

2.2 滑坡、崩塌災(zāi)害及危害

目前，已查明礦區(qū)分布有滑坡和崩塌12處(表2)，規(guī)模均為中小型，主要分布在礦區(qū)右側(cè)和采坑陡壁及棄渣邊坡處，總體積約為25萬m3。此外,在礦區(qū)下游包子山南側(cè)有一處較大規(guī)模的老滑坡分布，一定時(shí)期內(nèi)未出現(xiàn)滑動(dòng)的跡象，狀態(tài)較為穩(wěn)定。總的來講，瓦維埃河流域內(nèi)大規(guī)模的滑坡、崩塌發(fā)育較少,造成原因大都為礦渣的不合理堆放及礦坑卸荷拉裂所致?；麓蟛糠志哂幸韵氯齻€(gè)特征，第一與人類工程活動(dòng)關(guān)系密切；第二以松散堆積層滑坡分布為主，規(guī)模普遍較?。坏谌路植寂c地層分布有較大的關(guān)系，溝谷左岸為砂巖分布，雖邊坡平均坡度較大，但滑坡不發(fā)育，右岸花崗巖分布區(qū)覆蓋層較厚，有較多的滑坡發(fā)生。

表1 牦牛坪泥石流災(zāi)害特征統(tǒng)計(jì)表

表2 牦牛坪礦區(qū)滑坡、崩塌災(zāi)害一覽表

2.3 礦渣、礦坑高邊坡

牦牛坪礦區(qū)在23年的礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，由于采用露采的采礦方式，在礦區(qū)形成了眾多深達(dá)數(shù)十甚至超過百米的開采基坑。開采過程中，各種棄渣、尾礦堆積如山，個(gè)別棄渣堆高近百米，全部堆棄在瓦維埃河河谷及河道中，在礦區(qū)中上部，已無正常溝道，河谷已全部被侵占。據(jù)實(shí)地調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)較大的棄渣堆可歸并為26處，合計(jì)規(guī)模為1.77×107m3。此外，礦區(qū)下游三道河溝口原榮福選礦廠在瓦維埃河右岸堆積有棄渣及尾砂堆一處，體積為2.08×105m3，二道河溝口在瓦維埃河右岸堆積有棄渣及尾砂堆一處，體積為5.0×105m3，總計(jì)棄渣規(guī)模達(dá)1.84×107m3。礦渣堆均為自然堆棄，絕大多數(shù)未設(shè)置任何邊坡支護(hù)工程，礦渣高邊坡坡度均在30°以上，接近或與其自然休止角相同。礦坑邊坡高度一般為20～50m，個(gè)別邊坡高度近100m，四周均為設(shè)置排水措施，局部出現(xiàn)卸荷拉裂現(xiàn)象[2]。

2.4 礦山生態(tài)環(huán)境問題及危害

礦區(qū)所在地屬于中高山區(qū)，礦區(qū)山頂及山坡生長著大量的常綠闊葉林和草皮。礦區(qū)周邊山體植被覆蓋率在80%左右。礦山長期開采對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^地形造成了原有景觀的破壞和新的自然景觀格局的形成。采礦活動(dòng)對(duì)地表的干擾，改變了地區(qū)的地形、地貌，形成許多人工景觀，降低了礦區(qū)原有的自然景觀美學(xué)價(jià)值。露天采場挖損地表：采場開挖對(duì)植被破壞嚴(yán)重，采場斜坡陡峻、巖石裸露，原有植被消失殆盡。綜合而言，礦山建設(shè)對(duì)局部自然生態(tài)環(huán)境也有相當(dāng)?shù)钠茐?，但?duì)整個(gè)區(qū)域自然體系的穩(wěn)定性不會(huì)造成明顯影響。

由于礦山采選及堆渣，對(duì)局部區(qū)域植被鏟除，造成水土流失，土壤侵蝕度增加，而礦區(qū)所在區(qū)域主要為荒山地，坡度在15°～35°之間，水土侵蝕形式將以水力侵蝕為主。

由于原采坑、棄渣、尾礦未采取合理防護(hù)措施，下游河道南河將被污染，河中懸浮物增加，河道沉積大量尾礦渣，呈混濁狀，對(duì)周圍地表水環(huán)境產(chǎn)生較嚴(yán)重影響。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境治理

3.1 治理目標(biāo)、思路及關(guān)鍵

通過對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境實(shí)施綜合治理，消除原有礦山棄渣、采坑及尾礦對(duì)新建礦山采區(qū)、棄土場的危害，使礦區(qū)內(nèi)邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)，防止崩塌滑坡、泥石流的發(fā)生，使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到一定恢復(fù)。主要采取工程措施和生物措施相結(jié)合的方式進(jìn)行治理，工程措施主要采取治理與防護(hù)相結(jié)合的方式。地質(zhì)環(huán)境保護(hù)以治理?xiàng)壴鼮橹?，兼顧采坑，通過棄渣搬運(yùn)和采坑回填的方式從源頭上消除礦區(qū)現(xiàn)存的滑坡、崩塌、礦渣、礦坑高邊坡的危害；地質(zhì)災(zāi)害治理以泥石流災(zāi)害為主，通過修建攔擋壩、導(dǎo)流堤的方式防治泥石流的發(fā)生。

治理的關(guān)鍵主要集中在四個(gè)方面：第一，在新建的牦牛坪稀土礦采區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)原有礦區(qū)棄渣廢石進(jìn)行處理；第二，礦區(qū)西部、北部高陡邊坡穩(wěn)定性治理工程，主要在滑坡區(qū)及人工邊坡區(qū)實(shí)施；第三，礦區(qū)西部泥石流溝治理，修筑泥石流溝攔擋水壩、導(dǎo)流堤工程[3]；第四，新建排土場攔擋水壩工程，清理溝道中棄渣，有效保障排土場安全。

3.2 治理方案措施

結(jié)合原有礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，綜合選定棄渣搬運(yùn)+采坑區(qū)回填+泥石流攔擋壩+導(dǎo)流堤工程+修建棄渣場措施的綜合治理方案。

3.2.1 棄渣搬運(yùn)

前期開采遺留在礦區(qū)內(nèi)的1840萬m3礦渣、廢石中的約1200萬m3是泥石流潛在的固體物質(zhì)來源，也是造成礦區(qū)大部分滑坡、崩塌及礦渣高邊坡及礦坑高邊坡形成的主要因素，對(duì)瓦維埃河下游構(gòu)成嚴(yán)重威脅，計(jì)劃將其搬運(yùn)至在礦區(qū)外江銅擬新建的排土場和采坑中妥善堆集。堆置過程中按規(guī)范覆土植樹，在礦區(qū)為大礦建設(shè)形成露天開采境界創(chuàng)造條件。棄渣場周界設(shè)置擋土墻，擋墻長度：750m估算，擋土墻采用M 7.5漿砌片石砌筑，高度7m，其中基礎(chǔ)埋設(shè)2.0m，面坡、背坡坡比均為1∶0.3，墻厚2.0m，墻面設(shè)置50mm泄水孔，縱橫向間距均為3.0m，每隔20m設(shè)置一道伸縮縫，并用瀝青木板填筑。墻后平臺(tái)后分4級(jí)放坡，每級(jí)邊坡按照1∶1.5放坡，高度10m，并設(shè)2.0m寬卸荷平臺(tái)，坡面采用拱型骨架植被護(hù)坡處理。

3.2.2 采坑區(qū)回填

原有的13處廢棄的采坑均位于江銅新的采區(qū)以內(nèi)，其面積約100000m2，待開采完成后，實(shí)施回填和綠化。

3.2.3 泥石流攔擋壩工程

在瓦維埃河主河道內(nèi)布置2座攔擋壩，即1#壩、2#壩。攔砂壩的主要功能是攔截部分泥石流體，削減泥石流峰值流量，減少輸送至下游的泥砂數(shù)量。壩型采用槳砌塊石重力壩。在壩頂中部設(shè)置梯形溢流口，壩體中部設(shè)計(jì)二排排水孔[4]。1#、2#壩攔擋壩主要尺寸見表3、表4。

表3 1#攔砂壩的主要尺寸

表4 2#攔砂壩的主要尺寸

N2～N6等5條泥石流位于瓦維埃和右岸的流域中上游，尤其是N2、N3(四道河)、N4(三道河)、N5內(nèi)堆積了大量礦渣，泥石流對(duì)礦區(qū)規(guī)劃的棄渣場、瓦維埃河造成嚴(yán)重危害，擬在以上5條溝口附近各設(shè)一座攔擋壩，壩高5～8m,頂寬2m，上游壩坡1∶0.5,下游1∶0.1, 基礎(chǔ)埋深3.00m。在壩頂中部設(shè)置梯形溢流口，壩體中部設(shè)計(jì)二排排水孔。壩軸線長在20～40m。

3.2.4 泥石流排導(dǎo)工程

在瓦維埃河和四道河出山口右側(cè)分別設(shè)置一道防護(hù)堤，防治泥石流出山口后沖出，威脅岸旁的居民點(diǎn)，材料采用漿砌塊石修建，單側(cè)長度依次為1100.00m和400.00m，高度分別設(shè)置為5.00和4.00m，基礎(chǔ)埋深均為2.00m，迎水面邊坡均為1∶0.35，背水面邊坡均為1∶0.10，堤身布置兩排排水孔。

3.2.5 新建棄渣場

棄渣的堆置擬在露天采場南側(cè)的牦牛溝主山谷中修建新的排土場，占地面積約273.4hm2。排土場系統(tǒng)包括：排土場、攔石壩、清污分流截水溝、酸性水庫、運(yùn)廢石道路等。廢石堆置總高度暫定285m，總?cè)莘e約31198.0萬m3，滿足礦山開采堆棄廢石的堆存要求。排土場排土采用汽車加推土機(jī)排土工藝排土，先低后高，分臺(tái)推排；尾礦庫筑壩按照尾礦庫壩體修筑工藝要求實(shí)施。

4 礦山治理效益

4.1 社會(huì)效益

礦山環(huán)境治理工程直接保護(hù)了牦牛坪稀土礦區(qū)職工生命及國家財(cái)產(chǎn)安全；減輕了水土流失對(duì)下游安寧河支流南河的泥沙危害，保護(hù)了流域下游牦牛村、馬廠村、森榮鄉(xiāng)1000域名彝族同胞的安全，對(duì)促進(jìn)礦山生產(chǎn)，使區(qū)內(nèi)居民安居樂業(yè)。社會(huì)效益顯著。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

治理工程方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施完成后，既解決了歷史遺留的礦山環(huán)境問題，也減少了礦山生產(chǎn)的不安全隱患，為確保將牦牛坪建設(shè)成為集“采、選、冶、加、研”為一體、年生產(chǎn)規(guī)模145萬t、年產(chǎn)值達(dá)40億元的稀土產(chǎn)業(yè)集群提供了可靠的保障，經(jīng)濟(jì)效益巨大。同時(shí)，每年可減少用于采場、棄土場、尾礦以及礦區(qū)公路、河道等清理費(fèi)數(shù)百萬元，減災(zāi)效益也十分可觀。

4.3 生態(tài)和環(huán)境效益

通過礦山環(huán)境治理工程的實(shí)施，穩(wěn)定了采坑、棄渣邊坡和尾礦，減少了滑坡、泥石流等的危害，減少了礦區(qū)水土流失，以及對(duì)下游河道的危害。通過植樹、種草等生物工程，有效地減少地表徑流，減少了礦區(qū)水土流失發(fā)生、發(fā)展。

[1] 陳寧生,崔鵬,劉中港，等. 基于黏土顆粒含量的泥石流容重計(jì)算 [ J ]. 中國科學(xué)：E緝, 2003, 33 (增刊) : 164-174.

[2] 李峰，趙濤，朱瑞賡. 綠色生態(tài)材料在礦山高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(2):5297-5300.

[3] 吳積善，田連權(quán)，康志成，等.泥石流及其綜合治理[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

[4] 李冠奇，魏鴻，谷明成，等.泥石流攔擋壩優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2009(20):29-32.