新疆非金屬露天開采礦山地質環境評價指標體系與模型建立

王東旭，張紫昭

(新疆大學地質與礦業工程學院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

礦山地質環境是指曾經開采、正在開采或準備開采的礦山及其鄰近地區的巖石圈表層與大氣圈、水圈、生物圈組分之間不斷進行物質交換和能量流動的一個相對獨立的環境系統[1]。近年來，我國對礦山地質環境的重視程度顯著提高，同時也加大了對礦山地質環境的治理力度，而治理工作的前提是礦山地質環境影響程度評價。目前，礦山地質環境影響程度評價研究取得多種成果[2-12]，而新疆地區對礦山地質環境影響評價工作主要是依據《礦山地質環境保護與治理恢復方案編制規范》(DZ/T 0223—2011)(后簡稱《規范》)開展，筆者在實際評價工作中發現《規范》中的部分評價指標量化性低，人為主觀因素強，而且部分評價指標也不適合新疆礦山地質環境破壞特點。以新疆地區非金屬(主要包括石灰巖、石英巖、白云巖、花崗巖等)礦山為例，此類礦山絕大多數為露天開采，地形地貌破壞程度極大，但《規范》中只定性地劃分該指標影響程度等級，即對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大或者較大或者小，尺度難以把握[13]；新疆地區非金屬礦山地下水埋深較大，露天開采對于含水層基本沒有影響，《規范》中的含水層評價指標基本對評價結果無影響，從而導致使用規范評價的評價結果精確性與適宜性大打折扣。本文旨在綜合考慮新疆地區非金屬礦山地質環境特點，在規范四大評價指標基礎上選取礦山開采引發或加劇地質災害規模、地質災害威脅人員數量、礦山設施挖損或壓占破壞土地后地面主導坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積等6個易量化的評價因子形成評價指標體系，應用Fisher判別分析法[14-18]對新疆地區非金屬礦山地質環境影響程度精確、合理的分區，以求指導礦山地質環境防治規劃。

1 新疆地區非金屬礦山地質環境評價指標體系

新疆地區非金屬礦山開采方式主要為露天開采，礦山地下水埋深較深，絕大多數礦山露天開采不易產生涌水，對含水層的影響程度一般為較輕。因此，《規范》評價指標體系中的含水層指標在新疆地區非金屬礦山地質環境評價中意義不大。本文將僅對《規范》中評價指標體系的其他三個指標類別綜合考慮，即地質災害類、地形地貌景觀類、土地資源類，選取具有代表性、易量化的評價因子作為此次評價研究中的評價指標。

1) 地質災害類。主要由地質災害規模和危害程度2個方面組成：①地質災害發生規模X1：新疆地區非金屬礦山絕大多數采取露天開采方式，開采形成的高陡巖質邊坡易引發崩塌和滑坡地質災害，不易產生采空區塌陷等地質災害。通過《縣(市)地質災害調查與區劃基本要求實施細則》(表1)發現，相同規模等級下，滑坡規模級別劃分閾值與崩塌的閾值相差10倍，因此確定地質災害規模=崩塌體積+滑坡體積×0.1。②地質災害危害程度X2：地質災害危害程度由受威脅人數和可能經濟損失兩方面組成。但是在實地調查中發現，礦山周圍極少有居民、牧民存在，財產損失主要為礦山采礦設備及簡易板房，因此主要選擇受威脅人數來確定危害程度。

表1 滑坡、崩塌規模級別劃分標準表

2) 地形地貌景觀。《規范》中地形地貌景觀影響程度分級主觀性太強，即什么情況下是對地形地貌景觀影響大、較大或小總是因人而異。對此類指標的量化，本次選取以下3個方面指標：①礦山設施挖損或壓占破壞土地后地面主導坡度X3：指礦山土地挖損后地面主導坡度或地面堆積物壓占后地面主導坡度；②挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4：指因礦山開采需要開挖土地最大深度或土地壓占后堆積物最大高度(指廢石和表土最大堆放高度)；③挖損體積或堆積物體積X5：土地挖損體積主要指露天采坑和垃圾填埋場挖損形成坑的體積，堆積物體積指土地壓占后堆積物的體積。

3) 土地資源。礦山設施挖損或壓占土地的面積X6。經現場調查，新疆地區非金屬礦山所在土地類型主要為裸地和草地，《規范》在確定土地資源影響程度等級時，相同等級下裸地面積是草地面積的5倍，因此確定礦山設施挖損或壓占土地的面積(hm2)=草地面積×5+裸地面積。

2 評價模型的建立

2.1 評價單元的劃分

本文通過新疆地區非金屬礦山地質環境評價報告分析和實地調查研究，選用11個非金屬礦山的72個評價單元作為研究對象，采用已確定的礦山開采引發或加劇地質災害規模、地質災害威脅人員數量、礦山設施挖損或壓占破壞土地后地面主導坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積6個評價指標建立評價體系，評價單元評價指標統計見表2。

表2 非金屬礦山地質環境影響程度評價單元統計表

續表2

序號礦山名稱評價單元地質災害地質災害發生規模X1/(104m3)地質災害危害程度X2/人地形地貌景觀挖損或壓占破壞后地面主導坡度X3/(°)挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4/m挖損體積或堆積物體積X5/(104m3)土地資源礦山設施挖損或壓占土地的面積X6/hm2地質環境影響程度分級規范分級結果礦山地質環境防治費用估算/萬元38394041424344454647484950新疆博樂市桑金布拉克紅色花崗巖規劃Ⅰ號礦體露天采礦場0．3585253151．4230．75633201．52規劃Ⅱ號礦體露天采礦場0．28585556161．7927．24533215．32規劃Ⅲ號礦體露天采礦場0．1632605173．7613．5622或398．16規劃Ⅳ號礦體露天采礦場0．32585551142．5229．09733189．67規劃Ⅴ號礦體露天采礦場0．0828525167．213．635522或389．43規劃Ⅵ號礦體露天采礦場0．31325548114．6125．2433152．53規劃Ⅶ號礦體露天采礦場0．1628603846．2211．87922或361．51規劃廢石堆放場0．7463029384．155101．2533132．21規劃荒料堆放場00301032022或314．9已建礦部生活區0030010113．85已建爆破器材庫區004002111．65擬建排土場0025106．552522或30．4垃圾填埋場00330．91．5117．075152535455565758阿圖什市托斯罕鐵橋石灰石礦原生活區005000．1110．82原爆破器材庫區004000．55111．19擬建露天采場0．1215557522．571．74521或27．34擬建廢石場003083．65421或245．65排土場002560．605121或20．37擬建爆破器材庫區005001114．15擬建生活區003001115．5垃圾填埋場00430．030．05110．9359606162新疆阿勒泰市阿克塔木(水泥用)大理巖礦露天采礦場0．32335070210．3736．5533385．61廢石堆放場0．2812303552．4934．13339．1礦山生活區000001．5112．5爆破器材庫000001111．46364656667烏魯木齊達坂城東白楊溝哈拉喬拉克石灰巖礦擬建露天采場0．28135019263．241632或313．68廢石臨時堆放場003041121或22．34爆破器材庫器000000．05113．43新建垃圾填埋場00031．51110．23生活區000001114．276869707172新疆達坂城區天山石灰巖礦擬建露天采場0．321555295204．8639．0533204．03原露天采坑0065123．062．33422或31．2廢石臨時堆放場002561121或21．74垃圾填埋場00330．030．05110．19生活區005001113．385

注：表中數據來源于實地考察測量、礦山地質報告等綜合成果，評價等級分類中“1”代表較輕，“2”代表較嚴重，“3”代表嚴重。

2.2 評價過程

本次評價采用Fisher判別分析方法。該法將72個單元的6個評價指標視為72組6元向量，將它們投影到某一個方向，使得投影后具有某個相同特性的向量相互聚集，不同特性的向量盡可能地放開形成向量組，然后再選擇合適的判別規則，將新的向量組進行分類判別[19]。按照Fisher判別分析方法的原理和計算步驟[20]，采用SPSS分析軟件對表2中評價單元數據進行分析，得到了判別函數的各項系數(表3)，建立新疆地區非金屬礦山地質環境影響程度評價的Fisher判別模型。

將表3中所得的Fisher判別函數各項系數建立兩個線性判別函數表達式，見式(1)和式(2)。

y1=6.82X1+0.009X2+0.072X3-0.001X4-

0.001X5+0.004X6-2.93

(1)

y2=7.769X1+0.098X2-0.151X3+0.02X4-

0.001X5-0.007X6+1.294

(2)

將每個評價單元的指標值帶入式(1)和式(2)，得到其對應的函數值。最后根據所得評價單元函數值與各判別函數在各組別的中心值(表4)的平方距離來判別某一單元歸屬哪一組別。

表3 Fisher判別函數各項系數

本次評價的72個參評單元均被判別函數清晰區分開，見圖1。其中第1類的全部樣本點聚集程度高，分類效果好；第2類和第3類樣本在其中心值附近的聚集程度相對要差，在分組時有可能會產生誤判。

表4 Fisher判別函數在各類別的中心值

圖1 第1判別函數和第2判別函數的分組示意圖

3 評價結果分析

3.1 評價指標體系分析

通過計算分析每一類別6個指標的平均值(表5)可以看出，這些指標值隨著地質環境影響嚴重程度等級的提高而單調遞增。這說明了所選指標均可主導礦山地質環境影響程度評價結果，與地質環境影響程度等級關聯性大，且符合礦山地質環境防治費用估算變化規律，指標選取合理。

表5 6項指標與礦山地質環境影響程度等級關系表

3.2 分類結果分析

此次建立的評價模型分類結果為：21個評價單元地質環境影響程度為“嚴重”，相對應的礦山設施主要包括露天采坑、廢石場等；20個評價單元其地質環境影響程度為“較嚴重”，主要包括小的露天采坑和廢石場及排土場；31個評價單元其地質環境影響程度為“較輕”，主要包括生活區、爆破器材庫區和垃圾填埋場等礦山設施。對72個評價單元利用回代估計法進行檢驗，正確率達98.6%，只有9號樣本——烏魯木齊達坂城托蓋索洛石灰石礦露天采坑4結果與實際結果不符，該樣本根據規范分類為“2”或“3”均可，考慮到其挖損深度達到95 m且其地質環境防治費用估算也達到了112萬元，所以將其定為“3”，即嚴重。因此，該評價模型的分類結果總體上符合礦山實際。

4 評價模型的檢驗

對新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦9個礦山單元采用上述建立的評價模型進行地質環境影響程度評價。該礦位于哈密市207°方向，直徑距離約147 km處，采用露天開采方式，礦區范圍內圈定2個花崗巖礦體，開采境界圈定結果為兩個采礦場：①號礦體為Ⅰ號采場；②號礦體為Ⅱ號采場。礦山布局包括3處原有廢石堆放場、2處露天采坑、擬建廢石場、生活區、爆破器材庫區和垃圾填埋場等(圖2)，各評價單元具體實測指標見表6。

將表6中的9個評價單元的各指標數值通過模型計算分類得出了評價結果(表7)。該礦山9個評價單元的地質環境影響程度分級結果與按規范分類的結果一致，且更加準確、唯一。經驗證，該評價模型分類效果理想，比之使用規范評價方法優越性明顯。

圖2 新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦各礦山設施布局示意圖

序號評價單元地質災害發生規模X1/(104m3)地質災害危害程度X2/人挖損或壓占破壞后地面主導坡度X3/(°)挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4/m挖損體積或堆積物體積X5/(104m3)礦山設施挖損或壓占土地的面積X6/hm21Ⅰ號采場0．5622553578．634．372Ⅱ號采場0．4822553527．311．833擬建廢石場0．52153023119．327．24辦公生活區003000．55垃圾填埋場00330．360．126爆破器材庫004000．37原廢石堆1003530．3450．248原廢石堆2003040．3870．289原廢石堆3004030．5980．53

注：表中數據來源于實地考察測量、土地復墾報告、礦山地質報告、礦產資源開發利用方案、礦山地質環境保護方案等綜合成果。

表7 新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦各評價單元地質環境影響程度評價結果

注：“1”表示較輕區；“2”表示較嚴重區；“3”表示嚴重區。

4 結 論

1) 選取了礦山開采引發或加劇地質災害規模、地質災害威脅人員數量、礦山設施挖損或壓占破壞土地后地面主導坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積6個易量化因子作為評價指標，確定了相關評價指標體系，評價結果與實際情況相符度高。

2) 此次建立的評價指標體系與規范評價法相比，其指標因子更易量化，最大程度減少了人為的影響，優越性顯著。而且此評價體系更加貼合新疆地區非金屬礦山地形地貌破壞嚴重、含水層影響較小的實際環境情況，對新疆地區非金屬礦山地質環境治理具有極大的指導意義。

3) 因礦山資料有限，樣本數目具有一定的局限性。此次礦山評價單元均沒有出現礦山涌水，故該模型不適用于非金屬礦山開采過程中出現礦山涌水情況的地質環境影響程度評價。

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