靈寶市金礦區礦山地質環境恢復治理技術研究

李廣濟，朱 濤，郭曉林

（1.河南省地礦局第一地質環境調查院，河南鄭州450008；2.河南省航空物探遙感中心，河南鄭州450000）

靈寶市是一個以金礦開采為主體的礦產資源大縣，至2015年，連續30年，礦產金產量排名全國產金縣第二，有“中國金城”的美譽。長期金礦開采遺留下了嚴重的礦山地質環境問題。為消除和減輕金礦區礦山地質環境災害對礦業生產及人居安全的威脅，實現礦業開發、經濟增長與地質環境保護的和諧發展，2004～2016年，中央和河南省在金礦區共下達探礦權采礦權兩權價款地質環境類項目23個，其中礦山地質環境治理項目16個。通過以上項目的實施并驗收，使金礦區礦山地質環境得以初步改善。本文以已實施完成的礦山環境治理項目為基礎，針對主要礦山地質環境問題，進行了主要治理技術綜合研究。

1 金礦區位置及范圍

金礦區位于靈寶市西部，距靈寶市約16km。西部與陜西接壤，南依秦嶺，北臨黃河，總面積約660km2。其范圍包括小秦嶺分水嶺以北的棗鄉峪、大湖峪、文峪、西峪（河南部分）主峪道及其支溝，分水嶺以南的倉朱峪至王家峪之間的主峪道及其支溝。

2 主要礦山地質環境問題

金礦區在礦產資源的采礦活動中存在礦山地質災害（采空區塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流）、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和土地資源破壞等礦山地質環境問題。金礦區地質災害隱患危害程度以礦渣泥石流最為嚴重，其次為崩塌、滑坡、采空區塌陷和地裂縫。據中國地質調查局西安地質調查中心完成的金礦區礦山泥石流隱患溝危險性評價結果，金礦區共查明泥石流40處，其中2條溝為極高危險性泥石流隱患溝、26個高危險性泥石流隱患溝、12個中危險性泥石流隱患溝。上述泥石流隱患溝威脅人口多、威脅財產大，急需重點防范和治理。

2.1 金礦區礦渣泥石流形成條件

2.1.1 地形地貌特征

靈寶市小秦嶺主體山脈呈東西走向，在北故峪—東桐峪20km長的范圍內，分布著36座海拔不小于2000m的山峰，最高峰老鴉岔海拔2413.8m，而幾條溝的山口（山地與平地交接處）海拔500～600m，流域平均高度1600～1900m。山高坡陡，溝谷切割強烈，發育20條南北向“V”型主峪道，溝坡坡度30°～65°；北部12條主峪道長4.6～15.8km，縱坡降比9.1%～26%；南部8條主峪道長2.9～6.2km，縱坡降比14.0%～25.0%；峪道上游的支溝坡降比在25%～35%。從分水嶺到出山口最大相對高差達1900m。嶺谷相對高度之懸殊，使堆積在溝谷上游及溝源處的松散碎屑物質擁有巨大的勢能，而陡峭的地形則為勢能轉化為動能提供了有利條件。

2.1.2 水源條件

形成泥石流必須要有數量充足的水源，對于泥石流來說，水體的來源最為普遍的是大氣降雨。據靈寶氣象站1956～2015年氣象資料顯示：多年平均降水量645.8mm，年最大降水量為984.7mm（1958年），日最大降水量達110.2mm（1960年7月22日），最大一次降水量達194.9mm（1982年7月28日至8月4日），年內降水多集中于7、8、9三個月，并多為暴雨。短時段高強度暴雨為泥石流形成提供了水動力條件，因此，靈寶市金礦區具備激發泥石流形成的短時段高強度的暴雨條件。

2.1.3 物源條件

金礦區石渣量大，且不合理地集中堆放于溝腦、坡面和溝谷河道兩側，擠占溝床、堵塞河道，造成行洪受阻，加大了溝床的縱坡降比，很多廢渣堆堆積坡度陡，沒有筑構防護工程設施或防護工程設施過于簡單，廢渣堆穩定性極差，為泥石流的發生提供了豐富的松散物源，導致大部分溝谷逐漸演變成為泥石流溝，金礦區泥石流物源的90%來自于開礦后堆放的廢石礦渣。

綜合有關資料，小秦嶺分水嶺以北主峪道及其支溝內采礦及選礦渣堆509處，礦渣量約1358×104m3；礦渣堆高度一般在5～15m，個別高達30m，渣堆自然安息角在30o～45o之間。

2.2 金礦區礦渣型泥石流成災模式

金礦區礦渣型泥石流起動主要是特大暴雨下水力為主導因素的起動方式，其成災模式一是在特大暴雨作用下，溝谷匯水形成的強大洪流鏟蝕溝中廢渣，從上游到下游運動過程中不斷卷入沿途廢渣，形成能量不斷加大的泥石流，即溝床直接起動型；二是特大山洪淘蝕廢渣堆—渣堆失穩滑塌—堵塞行洪通道—潰決形成泥石流，即堵潰型泥石流。

3 礦山地質環境治理技術

根據金礦區礦渣泥石流形成條件和成災模式，結合金礦區長期、大量工程項目的經驗和教訓，經過長期工程改進、優化，目前在金礦區通常使用采用攔渣壩、擋渣墻、防護墻、防護堤、肋檻、排水渠、溝道整理、礦渣清運、過水路面、管涵、道路修復、拆除工程、雨量監測工程等措施，盡量避免攔溝修建重力壩等放大泥石流災害效應的工程；優先治理威脅區內居民及礦山企業安全的地質災害隱患；通過綜合治理不合理堆排的采礦廢渣堆，使主干道行洪通暢；達到防災減災的目的。由于篇幅所限，本文在此只對技術相對復雜工程展開系統研究。

3.1 攔渣壩

3.1.1 作用及解決問題

攔渣壩是沖溝中攔擋棄渣的橫向建筑物，起到穩定溝谷渣體，防止棄渣流失，攔截水沙，改變輸水條件，調節下泄水量和輸沙量，多用于點式工程，在金礦區還起到減小溝道坡度的作用。

主要解決了因溝道本身縱坡降大，地形陡峻造成渣、水所具有較大勢能的問題；還解決了溝道廢渣、溝床的穩定問題。

3.1.2 優點及缺點

在2013年靈寶金礦區“7·9”洪災經驗教訓中提出，在進行類似的泥石流地質災害治理項目時，首先要降低溝道的坡降并且采用攔渣壩、擋渣墻等工程固定溝道內的廢渣，從而降低泥石流的勢能，減少固體物源，削弱其破壞能力。但也有專家提出，因攔溝修建的重力壩長時間聚集礦渣，堵潰而放大泥石流的災害效應。因此，設置此類工程時，應充分考慮上述優點及缺點，慎重使用。

3.1.3 工程布置位置及設計

該工程措施可設置在部分支溝及主溝道坡度變化較大的位置，垂直溝道修建攔渣壩，所有攔渣壩壩肩均采用臺階式，并嵌入完整基巖內。壩高0～3m，基礎埋深4m，攔渣壩基礎及壩體均采用C20毛石砼結構，攔渣壩墻體中部地表以上預留圓形泄水洞，泄水洞為內徑1.0m的預應力混凝土管，正面安裝鋼筋網，鋼筋直徑為16mm，網格間距0.15m×0.15m，壩體設計地面以上預留2排直徑110mmPVC管泄水孔，水平間距2m，垂直間距1m，PVC管要伸出墻外5cm；壩體基礎部分設置2排泄水孔，內置內徑400mm的預應力混凝土管，水平間距2.0m，垂直間距1.6m，每隔10～20m預留伸縮縫。

與金礦區早期完成的攔渣壩相比，新建攔渣壩基礎及壩體由漿砌石結構改為C20毛石砼結構，壩體基礎小口徑泄水孔改為較大尺寸泄水孔，大大提高了壩體安全穩定性及泄水能力。

3.1.4 施工后的效果

治理工程實施后，起到穩定溝谷渣體，防止棄渣流失，減小了溝道坡度，降低了下泄洪水勢能，緩解了洪水對溝底棄渣淘蝕和擋渣墻或護堤基礎沖刷。

3.2 擋渣墻

3.2.1 作用及解決問題

擋渣墻是布置在棄渣體坡腳，抵抗渣體壓力的一種擋渣建筑物。能起到穩定渣體邊坡，縮短邊坡長度，防止棄渣流失的目的。多用于線性工程。

主要解決了渣堆固化，溝道兩側廢渣擠占溝道、阻礙行洪，洪水沖刷渣堆坡腳，渣堆滑塌，新產生渣堆有序存放等問題。

3.2.2 優點及缺點

在金礦區治理工程中最常見的工程措施，具有擋渣固渣針對性強，可以利用渣堆中符合條件的塊石砌筑，施工工藝簡單等優點。由于在金礦區狹窄的溝谷內擋渣墻尺寸較大；對基礎穩定性要求高；在金礦區礦渣堆積厚度大，為保證基礎質量，設計為毛石砼基礎，擋渣墻埋進渣堆深度大，造成工程量較大，成本較高；上部漿砌石質量控制難度大等缺點。

3.2.3 工程布置位置及設計

在主溝道及各支溝內沿溝道兩側廢渣堆底部順沿溝道方向修建擋渣墻。墻體底寬2.9～3.2m、頂寬1.4m、高 5～6m，背坡垂直，面坡坡率 1∶0.30，埋深3.5m，部分擋渣墻工程基礎及墻體均采用M15漿砌石結構，部分河道內擋渣墻基礎及其以上1.0m采用C20毛石砼結構，其余采用M15漿砌石結構，外露的漿砌石墻頭及墻體必須采用M15砂漿勾縫，采用方格狀平縫，方格尺寸為30cm×50cm，橫豎對齊使整體規范、美觀、堅固；墻體設計地面以上0.5m布置2排排水孔，內置直徑110mm的PVC管，水平間距2m，垂直間距1m，PVC管要伸出墻外5cm。為便于墻后渣堆排水及防止洪水沖刷基礎，可增加直徑400mm的預應力混凝土管和墻腳石籠網。詳見圖1。

圖1 擋渣墻斷面大樣圖（單位：cm）

與金礦區早期完成的擋渣墻相比，新建擋渣優化改進比較多。新增基礎預應力混凝土管，便于墻后渣堆排水，避免墻后滯留大量雨水，使渣堆飽和液化，與下伏巖層之間摩擦系數減小，增大作用于擋墻后背的壓力；新增墻腳石籠網，防止洪水沖刷基礎；河道內擋渣墻基礎由最初漿砌石改成C15毛石砼結構，后又改為C20或C20毛石砼結構，基礎進行了多次改進，大大增加了擋渣墻基礎強度和穩定性。確保渣堆與洪水分離，從源頭防止礦渣泥石流的發生。

3.2.4 治理后的效果

治理工程實施后，穩固了渣堆邊坡，有效隔開了下泄洪水和渣堆，避免洪水沖走渣堆成為形成泥石流的物源。

3.3 防護堤

3.3.1 作用及解決問題

防護堤是布置在渣坡、山坡或路塹坡腳，穩定坡腳和抵擋洪水的建筑物。上層為路基或較堅硬和節理發育的巖石，下層為棄渣或軟質巖石時，采用防護堤既可擋住下部棄渣或軟質巖石不致坍塌，又可保護棄渣或軟質巖石不受洪水沖刷，從而使邊坡穩定性得到保證；多用于線性工程。

防護堤將水、路分離，疏通河道，避免水流沖刷而滑塌，形成地質災害，影響道路交通，在金礦區道路基礎大多為棄渣，修建防護堤進行保護顯得更為重要。

3.3.2 優點及缺點

在金礦區治理工程中最常見的工程措施，有利于排水排洪，較好保護了生產道路，施工工藝簡單等優點。為保證質量，一般設計為毛石砼防護堤，埋進渣堆深度大，造成工程量較大，成本較高。

3.3.3 工程布置位置及設計

主溝道及部分支溝將溝道內清理的部分廢渣、碎石堆置于溝谷另一側低洼地段進行平整碾壓，并沿道路鄰水一側修建C20毛石砼防護堤。防護堤頂寬1.2～1.4m、底寬2.85～3.05m、高2.5m，埋深3.0m，基礎及墻體均采用C20毛石砼結構。

治理工程實施后，使礦區的道路和排水系統各行其道，排水排洪通暢有序，運輸道路平坦通暢。

3.4 排水渠

排水渠是將暴雨洪水順暢排到下游河溝中。其排水型式，要根據流域面積、降雨量、工程等級及相應洪水標準確定。排水工程型式一般分涵洞式和排水渠2類。

溝道上游部分地段由于河道較窄，無法修建防護堤工程，且上游水流較小，修建排水渠工程基本能夠滿足日常行洪需求，雨季水流可沿道路通行，水路不分。可設計修建單邊排水渠，排水渠凈寬1.0m，凈深1.0m，渠壁厚0.3m，渠底厚0.5m，均采用C20砼結構，每隔10～20m或地形變化較大地段預留伸縮縫。

3.5 肋檻

為約束溝道主流，降低溝道坡度，防止主流淘蝕河床、沖刷兩側擋渣墻及防護堤工程基礎，保護治理工程安全，在溝道兩側防護堤及擋渣墻工程易受沖刷地段，設計肋檻工程。肋檻工程在前期項目中沒有使用過，在后期重點工程應用較多。

河道內肋檻設計埋深一般為2.0m，肋檻斷面均為等腰梯形，肋檻高度均為2.0m，頂寬1.0m，底寬1.8m；肋檻內部沿縱向加4根直徑12mm的鋼筋，縱筋距肋檻外表面距離均為20cm；每隔15cm加一道直徑8mm的箍筋。肋檻工程必須和與之相接的防護堤或擋渣墻工程同時施工，澆筑為一個整體，肋檻鋼筋要插入擋渣墻或防護堤1m。詳見圖2。

圖2 肋檻斷面大樣圖（單位：cm）

3.6 雨量監測工程

通過開展礦山雨量監測，進一步認識區內降雨過程及變化，掌握礦山地質環境動態變化，預測礦山地質災害發展趨勢，為合理預防災害、保護礦山地質環境、開展礦山環境綜合整治、礦山生態環境恢復與重建、實施礦山地質環境監督管理提供基礎資料和依據。在實施過程中，發現重大問題，及時調整治理對象和方案，避免重大地質環境問題危及礦業生產和人群生態環境安全。任務主要體現在監測金礦區降雨過程及雨量的動態變化。

4 結語

因此，在金礦區開展礦山地質環境治理工作所涉及的規劃、監測、監管、治理工程措施等方面繼續開展研究工作仍很必要。

參考文獻：

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[3]靈寶市資源枯竭型城市礦山地質環境治理重點工程項目（2011年度）總結報告[R].河南省水文地質工程地質勘察院有限公司,2015.

[4] 李廣濟.靈寶市金礦區礦山地質環境恢復治理技術研究[R].河南省地礦局第一地質環境調查院,2017.