鞍山市大孤山礦區地質環境問題及防治措施

馬振翰 劉乾靈

（1.鞍鋼集團礦業公司大孤山鐵礦；2.中國地質大學（北京）工程技術學院）

礦產資源有力支撐著我國工業化和城鎮化的快速發展，但礦產資源開發不可避免地破壞了礦區地質環境［1］。長期的露天開采活動導致礦區地質災害頻發［2-4］、地區生態環境惡化［5-6］，同時影響地下水正常補給循環路徑及地形地貌受到破壞［7-8］。對礦區地質環境問題進行系統性分析，根據不同問題提出具有針對性的防治措施，無論是對礦山安全開采作業，還是對礦區居民的正常生活，都具有至關重要的意義。

鞍山市大孤山鐵礦已有100余年的開采歷史，目前開采面積約2 km2，開采深度達414 m，強烈的工程活動導致礦區地質環境問題嚴重。本研究通過現場調查與資料收集，對礦區不穩定邊坡、含水層地下水位變化和生態環境污染等主要問題進行分析，在此基礎上對礦區地質環境治理措施提出建議。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

大孤山鐵礦位于遼寧鞍山市千山區，鐵礦床屬千山山脈西北邊緣地帶。研究區由丘陵山地和山間平原組成，總地勢東南高于西北，中西部主要為大面積的平原。該區屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫8.8 ℃，降水量多集中在7—9 月，年平均降水量為741.03 mm。區內發育大孤山小河，歷史記錄水量較大，環抱鐵礦礦坑南、西、北3面，常年流水，河床最寬約10 m。然而近年來河流流量逐漸變小，特別在礦坑西側和南側附近出現了斷流現象，當地生態環境較差。圖1為礦山開采現狀。

1.2 礦區地質

礦區位于鞍山—本溪構造變形帶，從太古代構造運動到新構造運動漫長的演化歷史中，形成了現在復雜的構造格局，其中對鐵礦床影響最大的是由數條平行或相互交匯復合斷層組成的寒嶺斷裂［9］。礦區出露地層包括太古界鞍山群、下元古代遼河群和新生界第四系覆蓋層。巖漿巖分布廣泛，主要包括弓長嶺花崗巖、二長花崗巖和千山花崗巖。平原區主要為上覆第四系覆蓋層，含黏土、砂質黏土。礦床巖石主要有綠泥石英片巖、假象赤鐵貧礦、含鐵石英巖、碳酸鐵低品位礦、極貧礦、綠泥片巖、閃長玢巖組成。

根據地下含水層的巖石類型和賦水條件，可將區內地下水劃分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。其中第四系孔隙水富水性強，平均單位涌水量為1.42～3.082 L/（s·m），主要接受大氣降雨的補給。基巖裂隙水水質較好，富水性不均一，徑流條件取決于淺層風化裂隙和深層構造裂隙的發育及連通程度。

2 地質環境問題

2.1 礦山地質災害

2.1.1 露天礦坑不穩定邊坡

在露天開采過程中，邊坡的穩定性是重要的工程地質問題。礦山現階段開采已形成長軸為北西向的近橢圓形采場，采場南側邊坡為順向邊坡，北側為逆向邊坡，邊坡傾角為40°～70°，局部邊坡甚至接近直立。這些高陡邊坡存在多處滑塌地質災害隱患點，見表1。

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邊坡穩定性的影響因素主要有以下3個方面：

（1）振動。在開采作業中，來自機械設備產生的振動力和爆破形成的震動使得結構面處巖體受到反復的拉伸壓縮作用，部分節理裂隙在原來的基礎上產生新的裂隙，從而降低了巖體結構面的抗剪強度，影響邊坡穩定性［10］。

（2）地下水滲漏。礦坑東南、南、西側出現嚴重地下水滲漏現象，水量較大且常年漏水。長期的滲水作用使得邊坡巖土體的密度和含水率增加，從而增加了不穩定邊坡的下滑力［11-12］，對露天開采順層邊坡的穩定性造成嚴重威脅，是誘發滑坡發生的重要因素。

（3）開挖擾動。在礦山開采過程中，開挖擾動導致邊坡原有的應力平衡狀態受到破壞，坡體應力狀態重分布，使得坡面產生瞬時卸荷回彈變形，當下滑力達到甚至超過抗滑力時，出現邊坡破壞［13］。

2.1.2 尾礦庫不穩定邊坡

尾礦庫位于鐵礦東北方向（圖1），與鐵礦相鄰。該庫南北長2.8 km，東西寬1.5 km。北側坡底標高60 m，坡頂最高標高203 m，南側標高約160 m。邊坡按90、160、190 m 水平分為三級平臺，其中90 m 平臺為原尾礦庫運輸鐵路。由于受周邊村莊的限制，礦山排巖無法向四周延伸，每天排放的幾千立方米巖石只能在原壩體設計允許高度向上繼續堆積，已嚴重超出了設計荷載。另外排巖電機車連續不斷的從壩體半山腰經過，這使得該區域受到震動作用更頻繁。有關記錄顯示，共發生滑坡災害15起，其中2017年5月份在尾礦庫北部發生一處規模較大的滑坡地質災害，造成一家工廠被淹沒。目前，尾礦庫北部邊坡仍存在多處地質災害潛伏點，對該區域不穩定邊坡進行治理和動態監測，是礦山安全生產的重要任務。

2.2 水資源系統破壞

礦山地下水位埋深為1.46～9.81 m，位于鐵礦層上部。礦山長期露天開挖形成的巨大降落漏斗使得地下水正常補給循環路徑被破壞。隨著含水層的破壞，礦坑周圍地下水滲流場發生巨大變化。首先，原來空間上連續的含水層被阻斷；其次，地下水系統在礦坑周邊形成了新的補給徑流循環體系，礦坑變成了地下水排泄的場所，周邊的地下水不斷流入礦坑后被抽排，造成嚴重的地下水位下降和河水流量不斷減少等環境問題。

2.2.1 礦區地下水位下降

選取了礦區周邊10 個居民生活用井，分別于2014年8月和2019年5月對其水位進行監測，各井的位置和水位監測結果如表2 所示，并在圖2 中展示了這5 a來地下水位的變化情況。

由圖2 可知，不同區域水位下降不一致，其中位于礦區北側和東北方向的調查井（#1、#2 和#4）水位下降不明顯，而同樣位于該區域的#3 點水位下降高達3.24 m。調查得知該井位于尾礦庫邊坡下方，為防止尾礦庫廢水滲漏對當地居民生活用水造成危害，在其周圍布置有3 個大水管常年抽水，導致其水位下降明顯。

礦區西側地下水位下降0.7～2.77 m 不等，由圖2可知，靠近礦坑附近的井水點（#7、#8、#9）水位下降明顯，而位于謝房身村附近的井水點（#5、#6）水位下降相比較小，這說明礦坑開挖對西側大孤山村地區的地下水位影響明顯，對居民的正常生活造成影響。

2.2.2 河水斷流

礦區河流在流經大孤山鐵礦西側時出現階段斷流現象（圖3），現場調查斷流長度約2 km，導致當地生態環境較差。另外河流兩岸居民生活排水使河道微生物大量繁殖，該區域水質嚴重污染。

2.3 礦區生態環境破壞

2.3.1 空氣污染

來自采礦區、尾礦庫以及運輸道路的揚沙、飄塵等顆粒物可隨風在大氣中長距離輸送，顆粒污染物對市區及周邊城市造成嚴重的環境污染。

粉塵主要來自以下幾個方面：①鉆孔作業粉塵，單臺設備排放量為1.05 kg/（臺·h）；②爆破作業粉塵，排放量與爆破方法、爆破技術、藥量、礦巖理化性質和氣象條件等眾多因素有關；③采裝作業粉塵，電鏟作業時粉塵排放量的變化較大，在干燥情況下排放量約為2.27 kg（臺·h）；④運輸粉塵，汽車運輸的露天礦，其道路揚塵污染占主導地位，汽車粉塵的排放量與汽車類型、車速、風向以及路面情況和干燥度等因素有關，一般情況下，單輛汽車的粉塵排放量約為40 kg/（臺·h），遠遠超過礦山其他設備。

2.3.2 土地資源的占用及破壞

大孤山鐵礦開挖山地面積約2.38 km2，礦山廢渣在礦坑東北部朱家峪西側一帶形成高約160 m、面積6～7 km2的堆積體。礦山開采占用大量土地，當地的植被逐漸減少，造成土地荒漠化。

2.3.3 自然景觀破壞

據記載大孤山鐵礦開挖前標高為260 m［14］，現露天采場坑底標高為-316.7 m。開采剝巖、運輸道路和建筑修建等工程使原來的地表植被不斷被挖損和掩埋，這使得礦區植被覆蓋率由20 世紀50 年代初的60%降到現在的不足20%［15］。

3 礦山地質環境防治措施

3.1 不穩定邊坡防治措施

采場內部的不穩定邊坡一旦發生滑動將造成嚴重后果，對危巖體應做好防治措施，避免地質災害的發生。結合相關研究和當地采礦實際情況，提出以下措施。

（1）利用智能監測、測繪和信息處理系統對礦坑邊坡穩定性進行監測與研究，查清露天礦邊坡破壞特點及成因，將可能滑動的高陡邊坡消滅在萌芽狀態［16］。

（2）合理進行爆破作業，首先在接近不穩定邊坡的位置盡量控制炸藥量，不要進行大規模的爆破。其次采用新型爆破技術，例如微差爆破、預裂爆破和減震爆破等控制爆破技術，來代替傳統爆破方式［17］。

（3）通過現場測量和數值模擬，對露天礦區整體穩定性進行分區，對危險區域邊坡進行支護工作［18］。

（4）對于排巖場不穩定邊坡，應選擇合適位置堆放巖渣，控制堆放巖渣高度在設計范圍之內。對礦山北側潛在地質災害點時刻監測，防止滑坡發生。

3.2 水資源破壞防治措施

通過水文地質調查的方法確定地下水滲漏補給通道，重點解決活動斷裂與礦區之間的水力聯系，然后修建阻擋措施，防治地下水和地表水進一步排泄到礦坑，既能提高礦區邊坡的穩定性，還能阻止礦區地下水位下降，減小地下水污染。

3.3 礦山生態環境治理措施

（1）采用合理的爆破工藝抑制爆破作業產生的粉塵量，通過向預爆區灑水等措施來降塵。在礦石運輸過程中向主要路面灑水以及增大裝卸礦巖的濕度來抑制產生的揚塵，減少粉塵對周邊環境的影響。

（2）對礦區進行生態環境評價與影響分區，根據礦區生態敏感程度合理地進行礦山植被恢復規劃和分區治理。

4 結 語

對礦山露天開挖和尾礦庫廢石堆積形成的高陡邊坡可能引發的地質災害進行了評估，分析了礦山地下水系統的破壞、開采過程中的粉塵污染和地表生態環境破壞等主要地質和環境問題，最后結合當地實際情況提出了相關防治措施。下一步需要針對各項地質災害及環境問題進行專項研究，提出更加系統的治理方案和管理體系。