鞏義市歷史遺留露天礦山地質環境問題現狀及治理對策

劉 勇，王浩霖，李靜靜，宋維壯

(河南省資源環境調查一院，河南 鄭州 451150)

礦山地質環境是資源與環境的同一體，礦產資源是人類生存與發展的物質基礎，而環境則是人類生存與發展的必要條件，礦產開采引發的礦產地質環境問題已經成為影響礦山生產和人居生態環境的重要因素。為實現礦產開發與環境保護并重的綠色礦業目標，需要在合理開發利用礦產資源的同時，最大限度地減少、減輕礦業開發對礦山地質環境的負面影響[1]。資源與環境有時互相影響、互相轉化，礦產資源的不合理開發必然破壞礦山地質環境，而地質環境的惡化反過來又破壞礦山資源(如礦區土地資源、風景景觀資源、水資源等)，唯有資源合理開發與環境保護協調的發展才是科學的發展[2-6]。

按照《鞏義市礦山地質環境恢復和綜合治理規劃(2017—2025年)》，截至2017年9月，全市共有礦山(采點)283個，其中有證礦山42個，歷史遺留礦山(采點)241個，露天礦山(采點)174個，占61.5%。目前，全市持證礦山38個，按礦產資源類型劃分：能源礦山11個，金屬礦山13個，建材及其他非金屬礦山14個。為落實河南省委、省政府關于污染防治攻堅戰部署要求，統籌露天礦山環保安全開發，有效保障礦產資源剛性需求，促進鞏義市礦業經濟全面轉型升級和高質量發展，對全市范圍內的責任主體滅失礦山進行地質環境恢復治理，開采礦種主要為鋁土礦、建材灰巖及其他非金屬礦。

1 地質環境背景

1.1 自然地理

該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，光熱充足，降水偏少，四季分明，平均氣溫15.33 ℃，平均降水量572.67 mm，夏季降水占全年57.2%。地處我國第二、第三級地貌臺階膠結過渡帶，地勢東南高、西北低，分為構造侵蝕中低山、構造剝蝕丘陵、黃土丘陵、沖洪積傾斜平原4種地貌類型。

1.2 地質條件

(1)地層。地層出露連續完整，主要有下元古界(Pt1)、中元古界(Pt2)、下古生界的寒武系(∈)、奧陶系(O)、上古生界的石炭系(C)、二疊系(P)、中生界的三疊系(T)、新生界的第四系(Q)等。自下而上：下元古界嵩山群(Pt1sh)羅漢洞組、五指嶺組、廟坡組與花峪組；中元古界馬鞍山群(Pt2mn)紫紅色中厚—巨厚層狀中—粗石英砂巖；下古生界寒武系下統(∈1)辛集組和饅頭組；寒武系中統(∈2)饅頭組、張夏組，寒武系上統(∈3)崮山組、長山組及鳳山組；奧陶系中統(O2)馬家溝組；上古生界石炭系(C)本溪組、太原組；二疊系(P)山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組；中生界三疊系(T)劉家溝組；第四系—新生界(Q)分布廣泛，主要有中更新統坡積—洪積層、上更新統沖積層、全新統沖積層。

(2)構造。區域上位于華北地臺嵩箕臺隆北部邊緣滎密背斜北翼，總體為一走向NWW—SEE、傾向15°左右、傾角一般小于10°的單斜構造，區內發育少量高角度正斷層及滑動構造，地質構造較復雜。以斷裂構造為主，褶皺構造不甚發育，褶皺構造多出露在南部的嵩山、五指嶺一帶，主要有五指嶺復向斜、嵩山背斜、上莊向斜、盤龍尖背斜、宋嶺背斜等；斷裂構造以正斷層為主，逆斷層次之，主要分為北東、近東西、北西3個方向。區內新構造運動主要表現為新生代以來的間歇性抬升，第四系沉積物厚度不大，溝谷發育，剝蝕及流水侵蝕作用明顯。

(3)水文地質。該區地形南高北低，地層自南向北由老而新呈規律性變化。地層走向近東西，傾向北，出露齊全，南部分水嶺地帶為變質巖系，向北分別為碳酸鹽巖沉積，河谷階地、山前傾斜平原和丘陵區為松散巖類堆積。根據地下水埋藏條件、水理性質和水力特征，將調查區地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水3種類型。礦山(采點)基本處于當地侵蝕基準面以上，有利于自然排水，地表基本無水體分布，露天開采對含水層及地下水影響較小。

1.3 水文地質條件

鞏義市地形南高北低，地層自南向北由老而新呈規律性變化。地層走向近東西、傾向北，出露齊全，南部分水嶺地帶為變質巖系，向北分別為碳酸鹽巖沉積，河谷階地、山前傾斜平原和丘陵區為松散巖類堆積。根據地下水埋藏條件、水理性質和水力特征，將調查區地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水3種類型。

2 礦山地質環境問題

改革開放以來，由于國家經濟發展對礦產資源的需求量增大，造成對國有礦山企業的沖擊，使得部分礦山片面追求經濟效益而淡化安全意識和環境保護意識，加之開采技術及設備的相對落后，導致礦山環境不斷惡化，礦山地質災害問題日趨嚴重，由礦業引發的環境污染和生態破壞問題與日俱增[7-8]。

地質環境調查是在充分收集和利用已有環境地質、水文地質、工程地質及地質災害資料的基礎上進行的，調查對象包括地質地貌、地下水與地表水、礦山基本概況、邊坡變形的特征和分布規律、地裂縫和崩塌地質災害分布情況，渣堆、采坑、高陡邊坡等礦山地質環境問題。采用路線穿越法調查，調查過程中采集巖石樣、水樣、土壤樣，進行力學性質及污染監測等相關試驗。經調查，區內存在的主要礦山地質環境問題有以下4個方面。

2.1 地質災害

地質災害是礦山地質環境問題的三大類型之一，鞏義市鋁土礦、建筑石料礦資源豐富，大規模開發形成的高陡邊坡及廢棄礦渣堆積，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的隱患大，且發生滑坡轉化為泥石流的地質災害鏈的可能性大。地質災害鏈間轉化問題是學科的邊緣問題，也是前沿問題[9-10]。

(1)崩塌。鋁土礦及灰巖礦開采過程中，未按露天礦臺階式的開采設計要求進行，遺留眾多采坑采場，邊坡坡度多70°以上或直立；或礦體掏挖形成負角度，后緣產生卸荷張裂縫。陡崖危巖體邊坡在降雨、風化剝蝕及人類活動等外部因素作用下，容易發生崩塌。

(2)滑坡。鋁土礦開采產生大量廢棄礦渣，礦渣就原地、山坡或溝谷堆放，其結構松散，形成高陡不穩定斜坡，自重加自然風化、人工開挖破壞坡腳，遇有強降雨誘發，極易產生滑坡，威脅下方居民、建筑物和道路等安全。高陡邊坡如圖1所示。渣堆邊坡如圖2所示。

圖1 高陡邊坡Fig.1 High and steep slope

(3)泥石流。調查區南部為中低山鋁土礦采區，溝谷陡峭，縱坡度大，匯水面積較廣，廢渣多順坡或沿溝堆積，堆存方量較大，若遇暴雨，堆存的松散渣土(石)在自身重力作用下，易形成泥石流，破壞性極大。

圖2 渣堆邊坡示意Fig.2 Slag pile slope

2.2 地形地貌景觀破壞

地形地貌景觀破壞是礦山地質環境問題中地面變形的重要形式之一[11]，也是本區重點治理的地質環境問題，主要表現為以下2個方面。

(1)石料灰巖露天采場破壞地形地貌景觀。石料灰巖、鋁土礦露采場多形成數十米深凹陷采坑，裸露邊坡造成山體破損，原始植被景觀、地形地貌景觀破壞嚴重，過去的山清水秀因濫采變成了滿目瘡痍的荒山。

(2)礦渣堆積破壞地形地貌景觀。各類廢棄礦渣或渣土，尤其是鋁土礦開采產生的大量廢棄渣石，沿溝谷或順坡隨意堆放壓占，改變了原始地形地貌，破壞了植被景觀。

2.3 土地及植被資源破壞

土地及植被資源破壞是礦山地質環境問題中資源損毀的主要形式[5]，主要表現為礦產開采將上覆巖層和表土剝離后形成的廢棄采礦邊坡與采坑造成土地植被資源挖損及礦渣堆放產生的壓占。這些土地長期不能發揮效益，植被自然恢復難度大(表1)。

表1 各鄉鎮土地資源損毀情況統計Tab.1 Statistics on the destruction of land resources in each township hm2

2.4 含水層破壞

調查區含水層主要為鋁土礦底板直接充水的奧陶系灰巖含水層，厚度1.05～12.5 m，以及頂板直接充水含水層的太原組灰巖含水層，露天礦山基本處于當地最低侵蝕基準面以上，采坑未見含水層溢流。因此，對含水層的破壞較小，不影響深部含水層富水性。

3 礦山現狀及治理分區

3.1 礦山現狀

鞏義市礦產資源豐富，采礦業在對全市經濟社會發展起到重要支撐作用的同時，也對礦山地質環境造成了破壞。隨著地表礦產的銳減，礦產資源開采深度的逐步加大，特別是早期受“有水快流”思想的影響，礦業開發一哄而上，各種類型、各種規模的礦山企業一齊上，開采一度進入無序狀態。建筑灰巖礦及淺部鋁土礦無節制的開挖，遺留的礦坑和堆渣，使得局部地貌形態完全改變，影響了當地生態環境和自然景觀，所誘發的礦山環境地質問題逐漸增多，其危害程度逐漸加大。1990年以后，為規范開采，當地政府進行了資源整合，由于采礦企業仍沒有相應的環境保護措施，致使該礦區地質環境進一步惡化。2006年以來，鞏義市國土資源局按照上級有關精神逐步對相關采礦企業采取了關停措施，部分礦山成為無責任人的廢棄礦山。礦山環境現狀如圖3所示。

圖3 礦山環境現狀Fig.3 Current status of mine environment

3.2 治理分區

共調查歷史遺留礦山(采點)241個，根據位置、礦種、殘留資源及周邊情況等現狀特征，以鄉鎮為單位，因地制宜、歸集分區綜合治理，全域共分43個治理區，其中重點治理區8個，一般治理區35個。工程部署如圖4所示。

圖4 工程部署Fig.4 Project deployment

礦山環境治理模式是針對治理對象特性、具有特定功能的若干方法的組合，模式的選擇應當目標明確、針對性強、技術先進、經濟合理。重點治理區采取強工程治理模式，傳統工程治理為主，生態及生物措施為輔，適用于土地資源破壞及次生地質災害嚴重的礦區，重點解決礦山環境問題穩定性突出的治理對象。一般治理區采取強生態治理模式，改善受損的生態系統功能，提高系統的總體生產力和穩定性，生態恢復技術為主，工程及生物措施為輔，適用于景觀和環境破壞嚴重的礦區，水土流失、地貌景觀破壞等礦山環境問題突出的治理對象，目的是恢復受損的生態系統功能。

3.2.1 重點治理區

根據《河南省露天礦山綜合整治三年行動計劃(2018—2020年)實施方案》(豫政[2018]30號)精神，要創新露天礦山治理模式，對建筑石料礦開采中形成高陡邊坡且視覺污染嚴重的殘留山體，經嚴格規劃設計、項目論證、社會公示并經省轄市或省直管縣市級人民政府批準，通過整體降坡或整體采平等方式實施開發式治理，治理出的土地指標可作為工礦廢棄地復墾利用或占補平衡指標使用或交易，指標收益可按規定用于礦山環境恢復治理。治理動用礦石總量在50萬t以下的，可通過地質環境保護治理、生態環境修復治理和全域土地綜合整治等項目進行治理；動用礦石總量在50萬t以上的，可不受儲量規模和生產規模準入條件限制設置采礦權進行治理。重點治理區主要針對灰巖礦開采遺留的高陡邊坡且視覺污染嚴重的殘留山體，采取的治理方式主要為臺階式降坡或整體采平，后對場地進行墊渣平整，覆土后復墾或復綠。治理中產出一定規模的建筑石料灰巖礦，創造的經濟收益用以彌補一般治理區的治理費用。重點治理區工作量統計見表2。

表2 重點治理區工作量統計Tab.2 Workload statistics of key governance areas

3.2.2 一般治理區

一般治理區可歸納為以下4種類型[11-14]。

(1)自然恢復及半自然恢復區。根據《鞏義市礦山地質環境恢復和綜合治理規劃》(2017—2025年)中“對歷史遺留能夠自然恢復的礦山，應明確開采方式、破壞面積與地類，自然恢復的區域是否需要采取輔助恢復治理措施等”的要求，對已基本自然恢復區采用自然恢復的方式進行恢復，半自然恢復區采取加以輔助治理措施的方式予以加快恢復，輔助工程措施主要為撒播草籽(不覆土)、撒播草籽(覆土)，保持已恢復的自然地貌現狀。

(2)鋁土礦遺留場地。鋁土礦由于多年的無序開采大都形成大型采坑及多個渣堆，原則上采用就近渣堆回填采坑的方式進行治理，之后根據土地利用總體規劃結合周邊實際情況進行復綠或復墾。部分采坑附近沒有渣堆或渣堆已進行了恢復治理的，則采用修建防護網、修建截排水溝等方式進行治理。

(3)建筑石料用灰巖礦遺留場地。這一類礦山大都遺留有高陡邊坡及開采平臺，因受地形地貌及周邊環境因素限制，不適合開發式治理。針對高陡邊坡主要采用危巖清理、視人類活動情況在坡頂修建防護網的方式進行治理；平臺則采用清渣及平整，覆土后復綠或復墾，并于邊坡處安全隔離帶。

(4)渣堆。渣堆的治理采用邊坡整治、覆土復綠的工程手段進行。若周邊有采坑，則進行清運回填。分鄉鎮治理工作部署位置有米河鎮、魯莊鎮、新中鎮、西村鎮、夾津口鎮、夾津口鎮、小關鎮、涉村鎮、大峪溝鎮、竹林鎮、北山口鎮等。一般治理區工作量統計見表3。

表3 一般治理區工作量統計Tab.3 Workload statistics of general governance area

4 治理工程技術措施

為保證治理工程質量和效果，針對治理區已存在的地質災害、地形地貌景觀破壞、土地植被資源損毀等問題，根據治理原則和思路，采用的工程技術措施包括：危巖體清理、邊坡整治、渣堆清理及回填、場地平整、覆土工程、(截)排水溝、擋土墻、重力式擋墻、生物工程等[15]，最終達到消除礦山地質災害、恢復土地植被資源、美化礦山地質環境的目的。

(1)危巖體清理。采面過陡，坡度多在70°以上，部分礦體掏挖后，形成負角度，后緣產生卸荷張裂縫。施工過程中，為了保證治理效果，保障施工人員與機械安全，需對危巖進行清理。對治理區附近有居民、常規爆破法具有危險性的危巖體，采用機械清除或人工清理。

(2)邊坡整治。采礦開挖及礦渣堆積而形成的邊坡，坡角可達60°～90°，高度達20～40 m，需對高陡邊坡進行放坡處理，常采用整體降坡或臺階式削坡，坡頂、坡面、坡腳設置漿砌片石或塊石排水溝渠，溝底縱坡度不小于0.5%。

(3)渣堆清理及回填。對渣堆與采坑相鄰的采坑，將渣堆進行清理，用以填充露天采坑。要求分層壓實，壓實系數不小于0.90，設計每回填1 m進行一次壓實工作，防止后期地表自然沉降。

(4)場地平整。場地平整即對邊坡清理、廢渣清理、采坑回填后的平臺及用于后續施工的工作場地進行統一整理。包括場地的整平、局部的挖高填低、清理殘留的巖土體、礦渣、雜物，最后采用機械和人工相結合的方式統一壓實。

(5)覆土工程。場地平整后進行覆土，用以恢復土地植被資源。覆土厚度依恢復地類而定，恢復為旱地的場地覆土0.8 m、恢復為林地的場地覆土0.6 m、恢復為草地的場地覆土0.3 m。

(6)(截)排水溝。排土場坡頂及邊坡平臺設置截水溝，坡面根據斜坡寬度大小，設計縱向排水溝。(截)排水溝設計斷面為矩形，寬0.6 m，深0.6 m，溝壁厚0.2 m，采用M7.5砂漿勾縫漿砌塊石，M10砂漿抹面。

(7)擋土墻(擋土埂)。對設計恢復為旱地及林地的覆土區域地塊，為防止水土的流失，在覆土邊坡處布設擋土墻。巖石基底一般布設漿砌石擋土墻，旱地規格為0.8 m×0.3 m，林地為0.6 m×0.3 m，視墊渣厚度調整擋土墻高度，一般墊渣30 cm；石渣基底一般布設擋土埂，旱地規格為0.8 m×0.3 m，林地為0.6 m×0.3 m。

(8)重力式擋墻。為保證渣堆穩定，防止地質災害的發生以及利于邊坡綠化，設計在渣堆底部修建重力式擋墻，重力式擋墻高3 m，地面以上高2 m，截面積3.15 m2。材料選用M7.5漿砌塊石，塊石強度不低于MU30。墻體后選用透水性較好的砂類土作為填料。

(9)生物工程。結合實際情況，距村莊較近且能提高地類的區域，根據當地政府及群眾意愿，盡可能多恢復為可耕地；距村莊較遠且不宜提高地類的區域，根據周邊地類種植適合當地生長的樹木及植被，恢復地表景觀，美化環境，但必須保證耕地面積不減少。

依據《生態公益林建設技術規范》，綠化植物要選擇適宜當地氣候、環境條件的樹種，同時應考慮達到視覺效果。設計喬木品種為側柏、黃櫨等，種植密度2 m×2 m；草種選擇白羊草、狗尾草、荊條等在邊坡部位用以恢復成草地；高陡邊坡底部種植爬山虎等攀緣型植物。

5 工程效益分析

礦山恢復治理項目屬公益性、社會性項目，其價值具有間接性、潛在性和長久性的特點。工程效益表現在社會效益、環境效益和經濟效益3個方面。

(1)社會效益。化解群眾對政府的不滿情緒，緩解社會矛盾，促進社會和諧，創造一個安全的居住旅游環境，改善營商環境，提高城市形象，促進新農村建設及社會和諧穩定發展。

(2)環境效益。改善地表自然景觀，恢復土地生態功能；減少地面揚塵含量，提高空氣質量，改善礦區生態環境；環境得到改善，為經濟和社會的可持續發展奠定基礎，具有重要的戰略意義。

(3)經濟效益。通過工程、生態及生物措施，恢復采礦對土地植被資源的破壞，恢復土地的功能，預計可恢復旱地103.24 hm2(新增25.44 hm2)、林地184.86 hm2(新增63.69 hm2)。

6 結論

(1)鞏義市10個鄉鎮共有責任主體不明的歷史遺留礦山(采點)241個，存在的地質環境問題主要包括：崩塌、滑坡及泥石流等地質災害、地形地貌景觀破壞、土地植被資源損毀、含水層破壞4個方面。

(2)經多方論證探討，共劃分43個治理區，重點治理區8個，一般治理區35個，以鄉鎮為單位，統籌管理。治理措施包括危巖體清理、邊坡整治、渣堆清理及回填、場地平整、覆土、(截)排水溝、擋土墻、綠化管護等工程、生態及生物工程技術。重點治理區與一般治理區相比，前者采取強工程治理模式，后者采取強生態治理模式，且前者會產生一定收益，可彌補后者的費用差額。

(3)礦山恢復治理項目屬公益性、社會性項目，其價值具有間接性、潛在性和長久性的特點。治理工程的實施，將消除地質災害隱患、恢復破壞的土地植被資源、改善生態環境，有力保障群眾生命財產安全，社會效益、環境效益和經濟效益顯著。