韓城市西山廢棄采石礦山環(huán)境恢復(fù)治理的途徑

黃 齊, 高德彬, 楊永輝, 楊 川

(1.長安大學(xué) 地測學(xué)院， 陜西 西安 710054; 2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054; 3.陜西省土體工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710054)

我國早期以大量消耗資源支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的粗放型經(jīng)濟(jì)建設(shè)模式造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，如環(huán)境污染、土壤污染、水污染、空氣質(zhì)量惡化等。因此，必須加大環(huán)境治理以改變早期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展造成的生態(tài)環(huán)境欠賬。其中廢棄采石礦山是造成上述環(huán)境問題的重要方面之一，也是人為營力作用造成的一種極度退化的生態(tài)系統(tǒng)，其原有植被因生態(tài)環(huán)境的劇變而減少、退化乃至消失，嚴(yán)重影響著社會與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)文明的新理念“綠水青山就是金山銀山”被提出后，對廢棄采石礦山進(jìn)行人為加快生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理，已成為目前研究的熱點(diǎn)問題。為了加快廢棄礦山環(huán)境恢復(fù)進(jìn)度，有效規(guī)避廢棄礦山遺留的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)，及時開展對廢棄采石礦山進(jìn)行生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理研究，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會意義。在《陜西省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2016—2020年)》中，韓城礦區(qū)既為渭北煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)，又屬陜西省渭北重點(diǎn)礦區(qū)。在《韓城市礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020)年》中也提及，截止2015年底，韓城市內(nèi)已探明儲量的礦產(chǎn)有4大類10余種。煤炭預(yù)測總量達(dá)1.00×1010t以上，占渭北煤田的35.5%，其中已探明儲量達(dá)2.09×109t；預(yù)測煤層氣儲量1.91×1011m3，是渭北最大的氣田，其中已探明儲量達(dá)1.20×1010m3。因此韓城市的煤炭、煤層氣開發(fā)潛力在陜西省占有重要地位，除了煤氣，還有礦石資源。韓城市西山區(qū)的灰?guī)r、白云巖礦石資源豐富，30 km范圍內(nèi)分布規(guī)模不等的采石礦山21座[1]，其開發(fā)利用為韓城市早期經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。然而長期大范圍的掠奪式、無序露天開采使得礦區(qū)及周圍空氣質(zhì)量惡化、土壤污染、地質(zhì)災(zāi)害等問題極為突出[2]，尤其新建G108國道西側(cè)山體景觀破壞極為嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境以及旅游、農(nóng)業(yè)等帶來了嚴(yán)重?fù)p失。因此，近年來不斷加大對其關(guān)停、重組及其后期環(huán)境恢復(fù)治理力度。2016年開始實(shí)行“韓城市采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)與農(nóng)業(yè)重建項(xiàng)目”，其中包含了西部沿山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理。為了探索韓城西山廢棄采石礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理模式及治理成本、施工經(jīng)驗(yàn)，本研究選取龍門鎮(zhèn)西塬村西廢棄采石礦山環(huán)境地質(zhì)工程治理及生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行試點(diǎn)，通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探及室內(nèi)試驗(yàn)對該礦山的地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行分析，并提出環(huán)境生態(tài)恢復(fù)治理方案，旨在為韓城西山一帶其余廢棄采石礦山和煤礦山的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理提供借鑒。

1 采石礦山環(huán)境地質(zhì)分析

1.1 氣象、水文

韓城市屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，雨量較多，光照充足。年平均氣溫13.5 ℃以上，極端最高氣溫42.6 ℃，最低氣溫-14.8 ℃，年降雨量為266.0～709.2 mm，平均為529.3 mm[3]。

1.2 地形地貌

研究區(qū)屬低山侵蝕構(gòu)造地貌，整體呈現(xiàn)出西高東低。基巖斜坡地形復(fù)雜，山勢陡峭，溝谷深切，由南西至北東向發(fā)育5條大小不一的沖溝，沖溝縱坡降100‰～150‰，沖溝兩側(cè)山坡坡度35°～60°，局部甚至直立。同時，由于人為營力改造，即采掘礦石及堆填廢棄渣石，造成坡體前緣與山前洪積扇裙地形復(fù)雜多變，采石斷面與坡體后緣形成了以高陡巖石邊坡直接接觸的地貌景觀。

1.3 地層巖性

通過現(xiàn)場工程調(diào)繪與勘探，采石礦區(qū)范圍內(nèi)的巖土層主要由第四系全系統(tǒng)人工堆積廢棄渣石、沖洪積與殘坡積的碎石土，下古生代上寒武系白云巖等組成。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造及地震

研究區(qū)最大斷裂是韓城斷裂(F1)，為一右行走滑斷層，局部最大錯動速率達(dá)3.57～0.17 cm/a，其它斷裂基本上平行于F1，且多為其伴生斷裂[3]。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動強(qiáng)烈，地殼形變幅度較大，小震活動十分密集，存在著發(fā)生中強(qiáng)以上地震的構(gòu)造條件和歷史背景。地震設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震分組為第2組，基本地震加速度值0.15 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.40 s[4]。

2 廢棄采石邊坡地質(zhì)環(huán)境問題

該采石礦山位于西塬村西約500.0 m處基巖斜坡前緣，天然坡度約33°。由于露天采石向山體內(nèi)部推進(jìn)約500.0 m，橫向?qū)挾冗_(dá)840.0 m，形成了連片的高陡巖石創(chuàng)傷面，面積達(dá)6.40×104m2。由南至北可分為2個采坑4個采掘斷面(圖1)。斷面不穩(wěn)定邊坡高度64.0～138.0 m，坡度約60°，局部呈直立或反傾狀。

2.1 邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪表明，邊坡中上段為寒武系上統(tǒng)(∈3)常山—鳳山組，巖性組合為中厚層細(xì)晶泥質(zhì)白云巖與紋層狀泥粉晶泥質(zhì)白云巖互層產(chǎn)出，灰白—褐灰色，泥質(zhì)條帶發(fā)育，夾黃灰色竹葉狀細(xì)晶泥質(zhì)白云巖，產(chǎn)狀325°∠25°。出露厚度約60.0 m(編號為①)。邊坡下段為寒武系上統(tǒng)(∈3)崮山組鮞粒白云巖夾薄層泥質(zhì)白云巖，深灰色，中厚層，可見斜層理。鮞粒白云巖中泥質(zhì)含量較少，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。出露厚度45.0～50.0 m(編號②)。上、下兩段巖體節(jié)理裂隙均發(fā)育，包括X型剪節(jié)理和不規(guī)則狀張節(jié)理，其中剪節(jié)理面上發(fā)育擦痕，部分裂隙和孔洞被亮晶方解石所充填。同時，坡腳附近發(fā)育一高角度正斷層(FX)，傾向北西，斷層寬10.0～15.0 m。斷層帶內(nèi)巖體呈碎塊狀，角礫0.5～3.0 cm不等。

2.2 邊坡變形特征分析

由于開山采石嚴(yán)重削弱了前部的支撐力，坡體應(yīng)力礦山發(fā)生顯著變化，向下、向后形成了不同程度的松弛區(qū)[5]。盡管邊坡巖體產(chǎn)狀與坡面呈反向，但巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，加之采石爆破振動已使巖體不同程度的松動甚至已不能自穩(wěn)，致使斷面后緣出現(xiàn)3～5條弧形拉張裂縫，以及各斷面兩側(cè)出現(xiàn)數(shù)量眾多的卸荷裂縫。各斷面邊坡后緣發(fā)育的裂縫距離開采斷面10.0～63.0 m，寬度5.0～40.0 cm，長度15.0～40.0 m，個別切穿整個山脊。同時，拉裂縫呈現(xiàn)出明顯的外移和下錯趨勢，最大下錯距離達(dá)70.0 cm。這些拉張裂縫、卸荷裂縫切割破壞了巖體的完整性，降低了巖體強(qiáng)度，構(gòu)成邊坡側(cè)向滑坡(塌)的邊界條件，其變形破壞模式表現(xiàn)為卸荷—拉裂—剪斷—滑移[6]。同時，現(xiàn)場多次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在降雨、刮風(fēng)、振動等作用下，各斷面邊坡不時出現(xiàn)崩塌、落石，危及人身財(cái)產(chǎn)安全。

3 廢棄渣石環(huán)境地質(zhì)問題

礦區(qū)大量廢棄渣石主要由礦石開采爆破、機(jī)械搬運(yùn)及破碎分選等過程中留存下的小粒徑廢渣組成。其在礦區(qū)內(nèi)分上、下兩層堆放，其中第一層堆積在礦區(qū)前緣，面積約7.90×104m2，方量約1.58×106m3；第二層堆放于中后緣且距開采斷面10.0～25.0 m，面積約1.32×105m2，方量約1.08×106m3。礦區(qū)內(nèi)廢渣的無序堆放不僅占用了山前部分耕地，且其表面未采取任何防護(hù)措施，在風(fēng)力作用下粉細(xì)粒物質(zhì)隨風(fēng)卷入空氣，引起區(qū)域空氣環(huán)境質(zhì)量惡化。同時，在暴雨、連陰雨等形成的地表水流的沖蝕下廢渣逐步向坡地蔓延，使農(nóng)田里形成一層板結(jié)貧瘠土壤，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)減產(chǎn)(圖2)。同時，降雨入滲及沖刷常引起堆渣坡頂出現(xiàn)拉裂縫，渣堆坡面沖蝕嚴(yán)重引起坡面局部發(fā)生淺表層的泥流、崩塌等(3)。

圖2 礦區(qū)渣堆泥流侵蝕坡地

圖3 礦區(qū)渣堆邊坡拉裂縫及局部崩塌

3.1 廢渣物質(zhì)組成及粒度分析

廢棄礦渣來源于開采白云巖及其加工處理等過程中形成的細(xì)渣顆粒，表現(xiàn)為砂性廢渣，其礦物成分與白云巖組成相同，主要以方解石為主，其次含有少量白云石和黏土礦物。為了分析廢棄礦渣的粒徑組成及顆粒級配，室內(nèi)對8組試樣分別采用10，5，2，1，0.5，0.075 mm的圓孔搖篩機(jī)進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，粒徑大于10.0 mm的粒徑質(zhì)量均值6.5%；5.0～10.0 mm均值10.9%；2.0～5.0 mm均值29.3%；1.0～2.0 mm均值19.1%；1.0～0.5 mm均值19.6%；0.075～0.5 mm均值21.2%(表1)。同時，篩分試驗(yàn)曲線連續(xù)，表明廢渣粒徑組成不均勻，級配良好，且顯示出粗砂、礫砂性質(zhì)。

表1 廢渣顆粒組成質(zhì)量平均百分比 %

3.2 廢渣堆天然休止角分析

礦區(qū)廢渣黏聚力接近于0，內(nèi)摩擦角接近于其休止角。因此，現(xiàn)場對礦區(qū)渣堆在天然濕度及降雨沖刷形成沖溝內(nèi)進(jìn)行了大量測試，以確定其天然濕度與飽和(水下)狀態(tài)下的休止角，結(jié)果詳見表2。由表2可以看出，天然濕度下渣堆休止角進(jìn)行了68次測定，其值范圍31°～42°，均值35.4°；飽和(水下)狀態(tài)下進(jìn)行了39次測試，其值范圍16°～34°，均值28.6°。由此可以看出，廢渣天然濕度狀態(tài)下的休止角變化較小，差值僅為8°。而飽和狀態(tài)下的變異系數(shù)較大，最小值16°，最大值34°，差值達(dá)18°，這與水流沖刷下渣堆斜坡廢渣細(xì)顆粒含量變化、地表水流的流速差異引起沖刷力大小不同等有關(guān)。

表2 廢渣休止角現(xiàn)場測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 廢渣擊實(shí)試驗(yàn)分析

由篩分試驗(yàn)結(jié)果可知，廢渣粒徑大于5.0 mm的粒徑平均質(zhì)量占其總量約17.4%，最大達(dá)33.7%，因此，應(yīng)選用重型擊實(shí)設(shè)備進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)以確定廢渣的壓實(shí)特性，獲取廢渣分層壓實(shí)的控制參數(shù)。圖4為兩組廢渣的最大干密度與最優(yōu)含水率(ρdmax—ωop)關(guān)系曲線。由圖4可以看出，礦區(qū)廢渣的試驗(yàn)結(jié)果：最大干密度2.159和2.186 g/cm3，均值2.173 g/cm3；最優(yōu)含水量7.6%和6.7%，均值7.15%。

圖4 廢渣重型擊實(shí)ρdmax-ωop試驗(yàn)曲線

4 礦山環(huán)境恢復(fù)治理

4.1 采石邊坡環(huán)境恢復(fù)治理

4.1.1 工程治理 根據(jù)規(guī)范[7]中邊坡安全等級劃分可知，該采石邊坡工程安全等級Ⅲ級，加之該礦山已處于關(guān)停廢棄狀態(tài)，工程治理僅需保證其不發(fā)生較大規(guī)模的崩(滑)塌，即不影響植被生長的“地基條件”。經(jīng)多方案比較[1]，選用安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的削方壓腳方案。邊坡上部采取45°～50°削方減載，中部50°～55°清方處理，并將其削清方部分分層壓實(shí)堆積于邊坡前緣，以減小斷面邊坡有效高度，增加其穩(wěn)定性及安全余度。同時，削方不能全部將裂縫區(qū)域不穩(wěn)定坡體完全清除。因此，對斷面后緣遠(yuǎn)距離裂縫(隙)進(jìn)行灌注漿封堵處理，防止地表徑沿其入滲至坡體內(nèi)部，而且可增強(qiáng)拉裂分離巖體的完整性[8]。值得指出的是，封堵灌漿時應(yīng)注意分散、間斷性灌漿，防止全面、高壓灌漿使裂縫增大甚至惡化前部坡體的穩(wěn)定性，甚至誘發(fā)崩(滑)塌等事故。

4.1.2 坡面生態(tài)恢復(fù) 已有研究[9-12]資料表明，巖石邊坡是廢棄采石礦山生態(tài)恢復(fù)難度很大。由于采石邊坡陡峭，無植被生長的土壤條件，且無法固土保水，植被生長極為困難，僅靠天然恢復(fù)至少需100 a甚至更長[13]。巖體邊坡的生態(tài)恢復(fù)核心是在邊坡表層上構(gòu)建適宜植被生長的“地基條件”。根據(jù)韓城市前期選用的植被混凝土技術(shù)進(jìn)行礦山巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的效果調(diào)查表明，該技術(shù)適宜進(jìn)行巖石高陡邊坡的植被恢復(fù)，其核心技術(shù)為綠化添加劑。施工時首先在穩(wěn)定坡面上鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)并用錨桿固定，并將植被混凝土原料經(jīng)攪拌均勻后噴射到其坡面上，形成厚8.0～10.0 cm的植被混凝土基層，并灑水養(yǎng)護(hù)[1]，基層內(nèi)植被即可發(fā)芽生長，達(dá)到邊坡生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的效果。

4.2 廢棄渣石環(huán)境恢復(fù)治理

4.2.1 工程治理 由于礦區(qū)廢渣基本上分上、下兩層，且屬無序堆放，堆放高度及坡度均較大。因此，應(yīng)盡可能在礦區(qū)范圍內(nèi)將其消化處理，以免其在挖除、搬運(yùn)、二次堆填等過程造成空氣污染。根據(jù)礦區(qū)廢渣堆填位置、方量，進(jìn)行削高填低并坡率法進(jìn)行分級放坡，減緩堆渣坡度[13]，并應(yīng)分級設(shè)置擋墻攔擋廢渣，形成由廢棄渣石壓實(shí)填筑的臺階型人工邊坡，以便與上部邊坡形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的地貌景觀。同時，為了增大其邊坡設(shè)計(jì)坡比，可添加一定數(shù)量的水泥或布設(shè)土工布以增加廢渣的粘聚力，防止廢渣邊坡的側(cè)向溜滑。

4.2.2 生態(tài)恢復(fù)治理 通過工程治理形成了由廢棄渣石壓實(shí)填筑的臺階型人工邊坡地形，在邊坡單級平臺與單級坡面鋪筑了厚約1.0 m的人工壤土以適宜植被生長。根據(jù)韓城西山一帶的氣候條件，選擇適宜的植被類型與栽植方式等。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和工程實(shí)踐，植被選擇應(yīng)選取耐旱寒、耐瘠薄的植物種類，且應(yīng)遵循“喬、灌、草、藤相結(jié)合”原則，同時注意景觀效果和經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合。因此，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，喬木選擇當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)林花椒樹、洋槐等，草類宜矮冬麥、高羊茅、紫花苜蓿、狗牙根等[14]。栽植方式選擇坑穴法與溝渠法[15]，其中喬灌木采用坑穴法，花草選用溝渠法。栽種植間距不宜過密，否則氣候干旱時植被易出現(xiàn)枯萎、“小老樹”甚至死亡。

5 結(jié) 論

(1) 西塬廢棄采石礦山的巖石創(chuàng)傷面達(dá)6.40×104m2，斷面邊坡高陡，局部呈直立或反坡狀。同時，斷面后緣及周邊發(fā)育3～5條拉張裂縫和數(shù)量眾多的卸荷裂隙，其中拉裂縫寬度達(dá)40.0 cm，距離斷面最遠(yuǎn)約63.0 m。各斷面邊坡在降雨、風(fēng)力作用、振動等作用下，極易發(fā)生崩(滑)塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害。礦區(qū)廢渣面積約2.11×105m3，方量約2.66×106m3，其無序堆放不僅侵占山前部分耕地，而且在降雨沖刷、入滲作用下渣堆邊坡場常發(fā)生淺表層的泥流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(2) 根據(jù)邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)及變形破壞特征，建議采用削清方與壓腳進(jìn)行邊坡工程治理，在此基礎(chǔ)上，選用植被混凝土防護(hù)技術(shù)進(jìn)行邊坡環(huán)境恢復(fù)治理。植被類型應(yīng)選取耐旱、耐寒、耐貧瘠的草本植被，如矮冬麥、高羊茅等，不宜選擇灌木甚至喬木。

(3) 根據(jù)礦區(qū)廢渣組成及工程特征，建議采用挖高填低，修筑擋墻與分層壓實(shí)填埋并采用壤土進(jìn)行坡面及平臺封面。在此基礎(chǔ)上，選用坑穴法及溝渠法栽植喬灌花草，且栽種植間距不宜過密，否則氣候干旱時植被易出現(xiàn)干枯或“小老樹”現(xiàn)象。