韓城市西山廢棄采石礦山環境恢復治理的途徑

黃 齊, 高德彬, 楊永輝, 楊 川

(1.長安大學 地測學院， 陜西 西安 710054; 2.信息產業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研究中心， 陜西 西安 710054)

我國早期以大量消耗資源支撐經濟發展的粗放型經濟建設模式造成了嚴重的環境問題，如環境污染、土壤污染、水污染、空氣質量惡化等。因此，必須加大環境治理以改變早期經濟社會發展造成的生態環境欠賬。其中廢棄采石礦山是造成上述環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系統，其原有植被因生態環境的劇變而減少、退化乃至消失，嚴重影響著社會與經濟的可持續發展。生態文明的新理念“綠水青山就是金山銀山”被提出后，對廢棄采石礦山進行人為加快生態環境修復治理，已成為目前研究的熱點問題。為了加快廢棄礦山環境恢復進度，有效規避廢棄礦山遺留的崩塌、滑坡等地質災害危險，及時開展對廢棄采石礦山進行生態環境恢復治理研究，具有顯著的經濟、環境和社會意義。在《陜西省礦產資源總體規劃(2016—2020年)》中，韓城礦區既為渭北煤炭國家規劃礦區，又屬陜西省渭北重點礦區。在《韓城市礦產資源規劃(2016—2020)年》中也提及，截止2015年底，韓城市內已探明儲量的礦產有4大類10余種。煤炭預測總量達1.00×1010t以上，占渭北煤田的35.5%，其中已探明儲量達2.09×109t；預測煤層氣儲量1.91×1011m3，是渭北最大的氣田，其中已探明儲量達1.20×1010m3。因此韓城市的煤炭、煤層氣開發潛力在陜西省占有重要地位，除了煤氣，還有礦石資源。韓城市西山區的灰巖、白云巖礦石資源豐富，30 km范圍內分布規模不等的采石礦山21座[1]，其開發利用為韓城市早期經濟社會建設做出了巨大貢獻。然而長期大范圍的掠奪式、無序露天開采使得礦區及周圍空氣質量惡化、土壤污染、地質災害等問題極為突出[2]，尤其新建G108國道西側山體景觀破壞極為嚴重，給當地人居環境以及旅游、農業等帶來了嚴重損失。因此，近年來不斷加大對其關停、重組及其后期環境恢復治理力度。2016年開始實行“韓城市采煤沉陷區生態修復與農業重建項目”，其中包含了西部沿山生態環境恢復治理。為了探索韓城西山廢棄采石礦山生態環境恢復治理模式及治理成本、施工經驗，本研究選取龍門鎮西塬村西廢棄采石礦山環境地質工程治理及生態恢復進行試點，通過地質調查、鉆探及室內試驗對該礦山的地質環境問題進行分析，并提出環境生態恢復治理方案，旨在為韓城西山一帶其余廢棄采石礦山和煤礦山的生態環境恢復治理提供借鑒。

1 采石礦山環境地質分析

1.1 氣象、水文

韓城市屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，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

研究區屬低山侵蝕構造地貌，整體呈現出西高東低。基巖斜坡地形復雜，山勢陡峭，溝谷深切，由南西至北東向發育5條大小不一的沖溝，沖溝縱坡降100‰～150‰，沖溝兩側山坡坡度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

通過現場工程調繪與勘探，采石礦區范圍內的巖土層主要由第四系全系統人工堆積廢棄渣石、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 地質構造及地震

研究區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]。區內新構造活動強烈，地殼形變幅度較大，小震活動十分密集，存在著發生中強以上地震的構造條件和歷史背景。地震設防烈度Ⅶ度，設計地震分組為第2組，基本地震加速度值0.15 g，地震動反應譜特征周期0.40 s[4]。

2 廢棄采石邊坡地質環境問題

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部推進約500.0 m，橫向寬度達840.0 m，形成了連片的高陡巖石創傷面，面積達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 邊坡地質結構特征

根據地質調繪表明，邊坡中上段為寒武系上統(∈3)常山—鳳山組，巖性組合為中厚層細晶泥質白云巖與紋層狀泥粉晶泥質白云巖互層產出，灰白—褐灰色，泥質條帶發育，夾黃灰色竹葉狀細晶泥質白云巖，產狀325°∠25°。出露厚度約60.0 m(編號為①)。邊坡下段為寒武系上統(∈3)崮山組鮞粒白云巖夾薄層泥質白云巖，深灰色，中厚層，可見斜層理。鮞粒白云巖中泥質含量較少，抗風化能力較強。出露厚度45.0～50.0 m(編號②)。上、下兩段巖體節理裂隙均發育，包括X型剪節理和不規則狀張節理，其中剪節理面上發育擦痕，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

由于開山采石嚴重削弱了前部的支撐力，坡體應力礦山發生顯著變化，向下、向后形成了不同程度的松弛區[5]。盡管邊坡巖體產狀與坡面呈反向，但巖體節理裂隙發育，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，致使斷面后緣出現3～5條弧形拉張裂縫，以及各斷面兩側出現數量眾多的卸荷裂縫。各斷面邊坡后緣發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，拉裂縫呈現出明顯的外移和下錯趨勢，最大下錯距離達70.0 cm。這些拉張裂縫、卸荷裂縫切割破壞了巖體的完整性，降低了巖體強度，構成邊坡側向滑坡(塌)的邊界條件，其變形破壞模式表現為卸荷—拉裂—剪斷—滑移[6]。同時，現場多次調查發現，在降雨、刮風、振動等作用下，各斷面邊坡不時出現崩塌、落石，危及人身財產安全。

3 廢棄渣石環境地質問題

礦區大量廢棄渣石主要由礦石開采爆破、機械搬運及破碎分選等過程中留存下的小粒徑廢渣組成。其在礦區內分上、下兩層堆放，其中第一層堆積在礦區前緣，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。礦區內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措施，在風力作用下粉細粒物質隨風卷入空氣，引起區域空氣環境質量惡化。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，使農田里形成一層板結貧瘠土壤，嚴重影響農業減產(圖2)。同時，降雨入滲及沖刷常引起堆渣坡頂出現拉裂縫，渣堆坡面沖蝕嚴重引起坡面局部發生淺表層的泥流、崩塌等(3)。

圖2 礦區渣堆泥流侵蝕坡地

圖3 礦區渣堆邊坡拉裂縫及局部崩塌

3.1 廢渣物質組成及粒度分析

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渣顆粒，表現為砂性廢渣，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，室內對8組試樣分別采用10，5，2，1，0.5，0.075 mm的圓孔搖篩機進行了篩分試驗，粒徑大于10.0 mm的粒徑質量均值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，篩分試驗曲線連續，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。

表1 廢渣顆粒組成質量平均百分比 %

3.2 廢渣堆天然休止角分析

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

表2 廢渣休止角現場測試結果統計

3.3 廢渣擊實試驗分析

由篩分試驗結果可知，廢渣粒徑大于5.0 mm的粒徑平均質量占其總量約17.4%，最大達33.7%，因此，應選用重型擊實設備進行擊實試驗以確定廢渣的壓實特性，獲取廢渣分層壓實的控制參數。圖4為兩組廢渣的最大干密度與最優含水率(ρdmax—ωop)關系曲線。由圖4可以看出，礦區廢渣的試驗結果：最大干密度2.159和2.186 g/cm3，均值2.173 g/cm3；最優含水量7.6%和6.7%，均值7.15%。

圖4 廢渣重型擊實ρdmax-ωop試驗曲線

4 礦山環境恢復治理

4.1 采石邊坡環境恢復治理

4.1.1 工程治理 根據規范[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停廢棄狀態，工程治理僅需保證其不發生較大規模的崩(滑)塌，即不影響植被生長的“地基條件”。經多方案比較[1]，選用安全可靠、經濟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堆積于邊坡前緣，以減小斷面邊坡有效高度，增加其穩定性及安全余度。同時，削方不能全部將裂縫區域不穩定坡體完全清除。因此，對斷面后緣遠距離裂縫(隙)進行灌注漿封堵處理，防止地表徑沿其入滲至坡體內部，而且可增強拉裂分離巖體的完整性[8]。值得指出的是，封堵灌漿時應注意分散、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定性，甚至誘發崩(滑)塌等事故。

4.1.2 坡面生態恢復 已有研究[9-12]資料表明，巖石邊坡是廢棄采石礦山生態恢復難度很大。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，僅靠天然恢復至少需100 a甚至更長[13]。巖體邊坡的生態恢復核心是在邊坡表層上構建適宜植被生長的“地基條件”。根據韓城市前期選用的植被混凝土技術進行礦山巖石邊坡生態恢復的效果調查表明，該技術適宜進行巖石高陡邊坡的植被恢復，其核心技術為綠化添加劑。施工時首先在穩定坡面上鋪設鐵絲網并用錨桿固定，并將植被混凝土原料經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，并灑水養護[1]，基層內植被即可發芽生長，達到邊坡生態環境恢復的效果。

4.2 廢棄渣石環境恢復治理

4.2.1 工程治理 由于礦區廢渣基本上分上、下兩層，且屬無序堆放，堆放高度及坡度均較大。因此，應盡可能在礦區范圍內將其消化處理，以免其在挖除、搬運、二次堆填等過程造成空氣污染。根據礦區廢渣堆填位置、方量，進行削高填低并坡率法進行分級放坡，減緩堆渣坡度[13]，并應分級設置擋墻攔擋廢渣，形成由廢棄渣石壓實填筑的臺階型人工邊坡，以便與上部邊坡形成統一協調的地貌景觀。同時，為了增大其邊坡設計坡比，可添加一定數量的水泥或布設土工布以增加廢渣的粘聚力，防止廢渣邊坡的側向溜滑。

4.2.2 生態恢復治理 通過工程治理形成了由廢棄渣石壓實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。根據現場調查和工程實踐，植被選擇應選取耐旱寒、耐瘠薄的植物種類，且應遵循“喬、灌、草、藤相結合”原則，同時注意景觀效果和經濟效益相結合。因此，根據上述標準，喬木選擇當地經濟林花椒樹、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枯萎、“小老樹”甚至死亡。

5 結 論

(1) 西塬廢棄采石礦山的巖石創傷面達6.40×104m2，斷面邊坡高陡，局部呈直立或反坡狀。同時，斷面后緣及周邊發育3～5條拉張裂縫和數量眾多的卸荷裂隙，其中拉裂縫寬度達40.0 cm，距離斷面最遠約63.0 m。各斷面邊坡在降雨、風力作用、振動等作用下，極易發生崩(滑)塌、落石等地質災害。礦區廢渣面積約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生淺表層的泥流、崩塌等地質災害。

(2) 根據邊坡地質結構及變形破壞特征，建議采用削清方與壓腳進行邊坡工程治理，在此基礎上，選用植被混凝土防護技術進行邊坡環境恢復治理。植被類型應選取耐旱、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) 根據礦區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填埋并采用壤土進行坡面及平臺封面。在此基礎上，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干枯或“小老樹”現象。