信陽上天梯珍珠巖礦地質環境保護與恢復治理探討

杜安鵬，吳德運，張廣山，康 耀

(中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000)

信陽上天梯珍珠巖礦位于秦嶺造山帶以東，大別山北麓，信陽市東南。主要礦產為與中生界白堊系中酸性火山噴發有關的非金屬礦產，礦區的珍珠巖、膨潤土、沸石、凝灰巖等礦產均為大—特大型礦床[1]。礦區出露地層主要為白堊系陳棚組(K1c)與周家灣組(K2z)，其中主要賦礦層位是陳棚組楊家灣段(K1c5)一套火山熔巖[2]。礦區資源開發始于1974年，1986年前主要是國有礦開采，規模小，年采礦量不足10萬t。以后集體、個體采礦和加工業迅速發展，最多時發展到百余家，近年來又逐步回落，目前已整合為5個礦權企業。開采方式主要為露天開采，已形成大小不等的采坑110余個，較大的有40多個。隨著采礦深度加大，邊坡規模也不斷擴大，易發生崩塌、滑坡等地質災害。本文以信陽上天梯珍珠巖礦礦山地質環境調查資料為依據，進行礦山地質環境問題分析，探索礦山地質環境保護與恢復治理的措施，取得一些經驗和教訓，對礦區其他條件類似的礦山具有借鑒意義。

1 礦山概況與地質環境背景

1.1 礦山概況

礦區位于信陽市東南約20km，行政區劃屬信陽市平橋區。礦山始建于1986年，礦區面積0.065km2，采礦標高+75m～-30m，露天開采，汽車運輸，年開采能力18萬t。目前最低開采標高27.53m，實際動用珍珠巖儲量5.32萬t，保有總礦石量625.97萬t。

1.2 地形地貌

礦區位于大別山北麓丘陵區，區內最高海 拔118.20m，最 低 海 拔78.20m，相 對 高 差20～40m，屬中等剝蝕丘陵。由于多年的采礦活動，地形地貌有較大改變，形成一個大的不規則采坑，邊坡坡度很陡，坑內積水。

1.3 地層與構造

礦區出露的地層主要為中生界下白堊統陳棚組[3]，分布于礦區中部，第四系在礦區內廣泛分布，基巖出露較少。礦區地層由老到新分別為：陳棚組喻樓段(K1c3)含礫晶屑凝灰巖、凝灰質粉砂巖、巖屑晶屑凝灰巖，在礦區南部有少量出露，產狀穩定，傾向15°左右，傾角14～20°；陳棚組上天梯段(K1c4)火山碎屑沉積巖，傾向北東，傾角8～15°，是沸石的主要賦存層位；陳棚組楊家灣段(K1c5)珍珠巖、流紋巖，厚度5～80m，流紋巖流動構造明顯，流面產狀受古地形影響，一般傾角較緩。該層上部有厚度不大的角礫狀流紋巖，其角礫為同生自碎角礫，珍珠巖呈層狀、交錯層狀伏于流紋巖下部，是礦區珍珠巖主要控礦層位[4]。礦區為單斜構造，礦體底板地層總體傾向北東，傾角10～20°，礦區內無斷裂構造。

1.4 礦體(層)地質特征

礦體整體形態為不規則的開闊巖盆狀(或稱熔巖流狀)，沿北東25°方向拉長，底板為膨潤土礦層，礦體南北長約310m，東西寬約166～343m，礦體厚度一般大于30m，最厚96m。礦體中夾有少量火山角礫巖、沸石巖、燧石巖等夾石，礦體賦存標高+91～-30m(圖1)。

圖1 礦體示意剖面圖

1.5 水文地質

根據礦區地下水的賦存介質、水力性質和埋藏條件，可將礦區地下水劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水[5]。松散巖類孔隙水是礦區主要含水層，多分布在肖河階地和溝谷地帶，主要由粘土夾砂礫石、塊石組成，水質屬HCO3-Ca、Mg型淡水。基巖裂隙水主要賦存在礦區基巖中，含水性較弱，水質屬HCO3-Na(Ca)型淡水。礦區大多為隔水或弱含水巖石，地下水主要來源為基巖裂隙水及大氣降水(表1)。

表1 露天采場涌水量統計表

2 礦山地質環境現狀

2.1 土地資源現狀

礦區土地利用性質為采礦用地，土地類型為荒山。礦山開采涉及面積6.65hm2。在礦山生產過程中設置工業場地、堆場和道路等礦山基礎設施，改變了礦區原有地形地貌，對礦區生態系統產生一定的負面影響。治理前礦區范圍內幾乎無可利用的土地，礦坑和工業場地周邊以及運輸道路兩側幾乎沒有綠化，揚塵嚴重。

2.2 地質環境現狀

礦區最大開采深度約40m，局部地段近似直立開挖，形成陡峭邊坡，坡度最大約64～80°，部分采坑陡壁已經崩塌(圖2、圖3)。該崩塌規模稍大，危巖體沿陡坡塌落，塌落高度約8m，崩塌體積約300m3，現狀條件下礦區崩塌地質災害危險性中等[6]。

圖2 采坑陡峭邊坡

圖3 局部發生崩塌

2.3 水資源現狀

礦山露天開采最低標高為27.53m，位于當地侵蝕基準面以下[7]，局部積水，對含水層結構有一定的影響。珍珠巖礦不含有毒和重金屬離子，對含水層水質影響較小，但礦石和廢石長期受雨水淋濾，以及生活、生產廢水對地表水體造成一定的污染。治理前礦區內蓄積的地表水已無法利用，礦區周邊井水水質普遍較差。

3 礦山地質環境分區及措施

3.1 分區原則

在礦山地質環境現狀基礎上，預測采礦活動可能引發或加劇哪些地質環境問題，評價其危害程度大小，進行礦山地質環境影響預測分區；緊密結合礦山資源開發利用方案，以人為本，統籌規劃，突出重點，進行礦山地質環境保護與恢復治理分區。

3.2 礦山地質環境影響預測分區

露天采坑劃分為嚴重區，工業場地和廢石場劃分為較嚴重區[8](表2)。

表2 礦山地質環境影響預測分區表

3.3 礦山地質環境保護與恢復治理分區

露天采坑劃分為重點防治區，面積占整個評估區面積的98.05%，工業場地和廢石場劃分為次重點防治區[8](表3、圖4)。

圖4 礦山地質環境保護與恢復治理分區圖

表3 礦山地質環境保護與恢復治理分區表

3.4 礦山地質環境保護(預防)措施

3.4.1 露天采坑崩塌、滑坡的保護(預防)措施

存在滑坡、崩塌隱患區域，采取削方減載、坡腳堆載、清除危巖等工程措施消除隱患后再采礦[9]。嚴禁開采臺階高度超過開發利用方案設計高度，避免形成高陡邊坡；保持底板的完整性，不得順向在礦體底板切坡，如無法避免順向切，應采取加固措施；采用預裂爆破，開采至終了邊坡20～30m時采用光面爆破，保證邊坡完整性。采礦活動期間設置監測點，建立長期的邊坡觀測網，發現異常及時處理。

3.4.2 廢石場滑坡的保護(預防)措施

堆放廢石前對基底進行整理，清除表面的腐殖土及軟弱層。由于廢石場自然地面有坡度，應開挖成臺階，防止滑坡，設計穩定的堆土坡角，分臺階放坡，坡腳處設置攔石壩，分區段排棄廢石，倒堆整治，形成各級碾壓平臺，確保廢石體密實度。

3.4.3 廢石場泥石流的保護(預防)措施

將廢石綜合利用，減少堆放量；在廢石場上方開挖截水溝，兩側開挖排水溝，堆土穩定后，設置縱向坡面排水溝，排水系統聯系成一個整體，將匯水導入坡底處的沉砂池，澄清后排出場外。

3.5 礦山地質環境恢復治理措施

3.5.1 露天采坑恢復治理措施

(1)采坑回填。閉坑后將廢石場內堆土運至采坑內回填，分層壓實，整理成斜坡狀。由于開挖范圍內最低標高位于礦區南側(+40m)，為方便回填后地表水排泄，設計回填標高以+40m為準，回填深度30m；填土來源一部分為廢石場堆土，共計0.3×104m3，另一部分從上天梯非金屬礦管理區統一管理的固廢堆場取運；采坑頂部回填0.5m粘性土，從2km外購買，用于植樹綠化(表4)。

表4 露天采坑回填工作量表

(2)覆土綠化。坑底回填后進行植樹綠化，露天平臺整理成反坡；平臺外側砌筑0.3m高的擋墻，內側修筑排水溝，平臺中間覆蓋0.3m厚的粘性土并植草，平臺坡腳處種植攀爬植物[10]；植樹選用刺槐，樹高120cm，間距3.0m×2.0m，植草選用白三葉，攀爬植物選擇紫藤，密度1株/m(表5、圖5)。

圖5 采場邊坡綠化工程示意圖

表5 平臺整理工作量表

3.5.2 廢石場和工業場地恢復治理措施

廢石場的堆土、工業場地內的房屋等設施全部拆除，均用于采坑回填；場地整理后，廢石場覆蓋0.3m厚的粘性土并植草，選用白三葉，植草面積820m2；工業場地覆蓋0.50m厚的粘性土并植樹，選用刺槐，間距3.0m×2.0m，植樹80棵。

3.6 恢復治理后的效果預測

措施實施后，社會、環境、經濟效益顯著，主要體現在：基本消除治理區地質災害隱患，修復破壞的地形地貌景觀，減少礦區對地下水的污染，有效保護和改善礦區生態環境；礦區可恢復治理荒山6.782hm2，恢復林地2.56hm2，恢復草地3.082hm2，使治理區植被覆蓋率大幅提高；恢復治理方案設計植樹4 260棵，樹木成材后可獲得一定的經濟效益。

3.7 經驗與教訓

由于礦山早期無序開采，從根本上沒有建立一套科學完整的開發利用體系，已造成的地質環境破壞沒有及時修復，進一步影響了開采過程，導致了更嚴重的地質環境問題。例如采場邊坡過高過陡，危巖不清理，引發崩塌，砸壞部分設施，掩埋作業面。亂挖形成的邊坡治理起來困難，花費較大，不治理又影響采礦作業。經預算，保護與恢復治理工程施工總費用已達892萬元。該礦的現象在上天梯非金屬礦區普遍存在，程度不同，值得反思。若最初就進行科學規劃、合理開采，堅持“資源開發與環境保護并重，在保護中開發，在開發中保護”原則，治理費用將大幅降低。在調查分析和提出措施的過程中，感受到恢復治理措施選擇余地較小，特別是礦區地下水污染在短期內很難消除，主要工作還是在預防地質災害和修復地貌景觀方面。要進一步探索國內外先進的治理經驗，爭取用盡量少的資金取得盡量好的治理效果。

4 結論

現狀條件下，礦區土地資源和水資源破壞程度較大，地質災害危險性中等。預測露天采坑為礦山地質環境影響嚴重區，工業場地、廢石場為較嚴重區。

礦山地質環境破壞的根本原因是沒有踐行綠色發展理念[11]，盲目無序開采，造成資源浪費和生產成本增加，礦山發展可持續性差。在開采礦產資源的全過程中，礦山企業要科學分析礦山地質環境特征，預測可能產生的地質環境影響，科學制定合理可行的開采方案，采用適宜的技術方法 監測與預警，盡最大可能減少礦山地質環境的影響。

礦山地質環境保護與恢復治理分區將露天采坑劃分為重點防治區，工業場地和廢石場劃分為次重點防治區。部署保護工程3項，治理工程3項及地質環境監測工程。通過治理，消除了礦區崩塌、滑坡、泥石流地質災害隱患，已發生的災害得到有效治理，地形地貌景觀得到恢復，環境效益顯著，社會經濟效益良好。