石灰?guī)r礦山高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復初探

壽立永，崔擁軍，李向陽，李 龍

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003)

石灰?guī)r礦廣泛應用于水泥、骨料、石灰、化工等產(chǎn)業(yè)，是支撐我國經(jīng)濟建設的最大宗礦產(chǎn)資源之一。其礦山分布具有與重要經(jīng)濟帶、人口重要集中區(qū)高度重合的特點。石灰?guī)r礦產(chǎn)資源開發(fā)是把“雙刃劍”，促進經(jīng)濟增長的同時，也誘發(fā)高陡邊坡失穩(wěn)的安全生產(chǎn)事故，導致環(huán)境污染、生態(tài)破壞與區(qū)域發(fā)展衰退等問題[1]。石灰?guī)r礦產(chǎn)資源粗放式開發(fā)破壞了環(huán)境，而環(huán)境的惡化又反過來制約礦產(chǎn)資源開發(fā)，唯有礦產(chǎn)資源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

石灰?guī)r礦山高陡邊坡穩(wěn)定性控制是安全生產(chǎn)的關鍵問題，生態(tài)修復一直是難點和痛點。針對石灰?guī)r礦山高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復面臨的問題，本文提出了矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡5個方面的解決思路，并對主要內(nèi)容進行了具體闡述，對高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復具有一定參考意義。

1 面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)問題

1.1 面臨的挑戰(zhàn)

近20年來，伴隨著石灰?guī)r礦山高強度開采，形成了很多高度超過100m的高陡邊坡，威脅著安全生產(chǎn)和生命財產(chǎn)安全，同時帶來了山體破損、陡坡裸露、環(huán)境景觀破壞、人居環(huán)境惡化等生態(tài)環(huán)境問題[4]，這些問題已經(jīng)成為制約石灰?guī)r礦產(chǎn)資源高效利用、礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要瓶頸。高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復主要面臨以下挑戰(zhàn)。

(1)石灰?guī)r破損山體數(shù)量多、分布廣、面積大。

石灰?guī)r礦山分布與重要經(jīng)濟帶、人口重要集中區(qū)高度重合，例如長江沿岸、珠江西江沿岸、京津冀地區(qū)、川渝地區(qū)、汾渭地區(qū)等。目前在主要城市圈、主要交通線周邊形成大量裸崖峭壁、采石坑遍布的現(xiàn)狀，這些破損立面嚴重影響了景觀風貌和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

(2)水脅迫是石灰?guī)r邊坡生態(tài)修復的瓶頸。

火成巖、碎屑巖區(qū)具有完整土壤結(jié)構(gòu)，底部巖石具有典型的、完整的風化結(jié)構(gòu)，可貯存植被生長依賴的包氣帶水、上層滯水。區(qū)別于火成巖和碎屑巖風化成壤過程，石灰?guī)r地區(qū)以溶蝕為主，成壤慢于剝蝕造成了土粒虧損，石灰?guī)r區(qū)本身具有石漠化的演替趨勢[5]，而以礦山開采為代表的人類活動更加劇了這一過程，導致土層變薄或者徹底消失。石灰?guī)r具有透水的特點，石灰?guī)r礦山土壤、新鮮石灰?guī)r二元結(jié)構(gòu)又缺乏保水能力，水脅迫是石灰?guī)r邊坡生態(tài)修復的瓶頸。

(3)理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新滯后。

對于公路鐵路、露天礦山、城市破損山體等形成的高陡邊坡，部分專家學者從邊坡穩(wěn)定性評價與監(jiān)測、地貌整理、生態(tài)修復技術(shù)方法、生物治理措施、水與生態(tài)約束條件、因地制宜的分區(qū)治理等多方面開展了大量研究工作，但缺乏針對石灰?guī)r高陡邊坡的專門研究，缺乏系統(tǒng)理論總結(jié)，缺乏工程案例的驗證和長期跟蹤，缺乏修復效果的評估。

1.2 面臨的技術(shù)問題

(1)部分礦山資源勘查階段對開采生態(tài)環(huán)境影響預測評估不夠，簡單按照資源儲量估算范圍劃定開采境界；部分礦山按行政邊界(大多以山脊)劃定礦權(quán)范圍。開采境界劃定不合理，人為導致形成高陡邊坡問題[6]。另外，落后開采工藝的廢棄小型礦山也形成了大量高陡邊坡。

(2)隨著邊坡加高，邊坡失穩(wěn)風險越來越大，威脅著安全生產(chǎn)和生命財產(chǎn)安全；放緩邊坡又降低資源回收率，安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益矛盾突出[7]。各礦山高陡邊坡巖性、結(jié)構(gòu)面、水文等地質(zhì)條件存在較大差異，但坡面設計參數(shù)往往依賴經(jīng)驗，缺乏基于巖體變形破壞過程和機理的穩(wěn)定性定量評價、控制措施和系統(tǒng)監(jiān)測。

(3)高陡邊坡生態(tài)修復景觀格局營造往往聚焦于點，對社會、經(jīng)濟、生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用考慮不足[8]，缺少區(qū)域國土空間格局提升和生態(tài)保護屏障的宏觀把控，缺少礦山修復后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)服務、城市建設服務等功能輸出的綜合考慮。

(4)高陡邊坡生態(tài)修復缺乏基于自然生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和內(nèi)在機理的整體性把握，缺乏對地貌景觀、水、土壤結(jié)構(gòu)、生物群落等自然要素之間的系統(tǒng)性協(xié)調(diào)。重建的以草本植物為主的植被系統(tǒng)穩(wěn)定性低、易退化，依賴灌溉長期維護，修復效果不持久，維護不經(jīng)濟。

(5)基于信息化、智能化的高陡邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、土壤水分等生態(tài)因子動態(tài)監(jiān)測應用程度較低，高新技術(shù)應用達不到礦山工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的要求。

2 解決思路和主要措施

針對高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復面臨的5方面主要技術(shù)問題，從多學科聯(lián)合、融合入手，提出了矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡解決思路(圖1)。這5個部分相互融合、相互支撐、相互補充，共同解決石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復問題。

圖1 高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復解決思路

2.1 源頭減損，矮化邊坡

以生態(tài)環(huán)境保護為出發(fā)點，充分考慮環(huán)境承載力，根據(jù)地形完整性、山形特點合理劃定或調(diào)整開采境界，避免邊界沿山脊、半坡將山體分割，減少人為因素形成高陡邊坡[6]。對于廢棄采坑，通過地形重塑、廢棄物回收利用，盡量消除高陡邊坡或?qū)⑦吰路啪彛瑴p輕對環(huán)境景觀的視覺沖擊。

矮化邊坡是基于源頭把控的思路，從科學規(guī)劃入手，優(yōu)化開采境界，通過預測、預判，避免形成高陡邊坡，實現(xiàn)源頭減損，為末端治理、中間治理過程的生態(tài)修復創(chuàng)造條件。

2.2 風險管控，安全邊坡

邊坡穩(wěn)定性決定因素包括巖土工程地質(zhì)性質(zhì)、地應力等內(nèi)在因素，也包括表生作用、風化卸荷、植物根劈、凍融凍脹、礦山爆破震動、地震破壞等外在因素。在這些因素共同作用下，高陡邊坡可能失穩(wěn)，發(fā)生落石、崩塌、滑坡等地質(zhì)災害。綜合氣候氣象、水文條件、巖石巖性、結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等因素，對高陡邊坡進行分區(qū)，在此基礎上采用工程地質(zhì)分析法、極限平衡分析法、極限分析法、數(shù)值分析法，基于概率論的邊坡可靠性分析等方法對邊坡穩(wěn)定性進行評價[9]。通過多種方法計算、對比驗證，分段提出安全邊坡角、邊坡錨固措施、礦山爆破控制等邊坡穩(wěn)定性控制措施。

邊坡穩(wěn)定性控制是露天礦山安全生產(chǎn)的關鍵技術(shù)，準確掌握高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機制，對于推動邊坡治理技術(shù)發(fā)展、保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的理論和實際意義[7]。通過具體工程實踐，總結(jié)形成石灰?guī)r礦高陡邊坡失穩(wěn)風險評價體系，建立風險科學防控體系，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定整體可控的目標。

2.3 協(xié)調(diào)布局，美麗邊坡

針對高陡邊坡生態(tài)修復的景觀格局營造整體性、協(xié)調(diào)性不足的問題，以礦產(chǎn)資源高效開發(fā)與環(huán)境景觀協(xié)調(diào)為切入點，以從自然地域單元的整體性出發(fā)，協(xié)調(diào)布局，以人地和諧為目標，將生態(tài)修復融入經(jīng)濟、社會、文化建設中，助力國土空間格局優(yōu)化和民生福祉提升[10]。

根據(jù)地形條件、坡面物質(zhì)、表面狀態(tài)、邊坡坡度、邊坡高度、生態(tài)敏感度、景觀影響等限制因子確定治理思路[11]；基于環(huán)境影響因素、人類工程活動、社會經(jīng)濟指標、景觀遺跡指標等確定露天礦山治理目標[12]。從規(guī)劃設計的角度出發(fā)，依據(jù)景觀生態(tài)學理論，充分考慮土地后續(xù)利用方式，綜合考慮地貌景觀、植物配置、色彩搭配、植被高低錯落搭配等因素，將破損山體修復與景觀營造相結(jié)合，構(gòu)建和諧美麗的新景觀。

2.4 師法自然，生態(tài)邊坡

生態(tài)修復是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及礦床學、采礦學、恢復生態(tài)學、景觀生態(tài)學、災害學、土壤學、植物學、水文及水資源學等多個學科[13]。遵循自然生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和內(nèi)在機理，按提升生態(tài)系統(tǒng)自我修復能力的修復理念[14]，基于多學科系統(tǒng)性、整體性支撐，從生態(tài)基底重建、土壤系統(tǒng)重建、含水層重建、水土保持綜合治理、生物多樣性恢復5個方向出發(fā)，系統(tǒng)進行高陡邊坡生態(tài)修復(表1)。

表1 石灰?guī)r高邊坡生態(tài)修復主要內(nèi)容及措施

石灰?guī)r高邊坡生態(tài)修復目標是通過人工干預，促進自然修復，增強生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)生態(tài)服務功能的恢復和提升，促進自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體改善和生態(tài)效應、景觀效應的整體提升。

2.5 協(xié)同監(jiān)測，智慧邊坡

高陡邊坡巖體的復雜性、隨機性、不確定性決定了穩(wěn)定性評價和穩(wěn)定性控制的局限性，開展穩(wěn)定性監(jiān)測和實時預警是必要補充。水分和環(huán)境溫度是重要的生態(tài)因子和環(huán)境要素，決定高陡邊坡植被重建的成敗。通過生態(tài)因子監(jiān)測，進一步總結(jié)建立水分、溫度與植被生長的動態(tài)響應機制，實現(xiàn)植被生長水分最優(yōu)化控制。

以人工智能、5G為代表的第四次工業(yè)革命給石灰?guī)r礦山帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，采用智能化高新技術(shù)帶動傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型升級是社會發(fā)展必然趨勢[15]。目前石灰?guī)r礦山信息化、智能化改造尚處在探索階段，尚未形成“投入—產(chǎn)出”評價體系，為避免出現(xiàn)“為了信息化而信息化”的問題，可從威脅礦山安全生產(chǎn)、生態(tài)保護的關鍵問題入手，初步實現(xiàn)石灰?guī)r礦山信息化、智能化。通過地表變形監(jiān)測、深部變形監(jiān)測、松弛范圍監(jiān)測、地應力監(jiān)測、地下水及滲流場監(jiān)測、錨桿錨索應力監(jiān)測、爆破震動監(jiān)測等技術(shù)手段對巖體結(jié)構(gòu)場、位移場、應力場進行實時監(jiān)測，在此基礎上進行智能化的邊坡穩(wěn)定性實時預警。通過土壤水分、環(huán)境溫度濕度實時監(jiān)測，進而控制智能噴灌系統(tǒng)運行。

3 愿景目標

結(jié)合具體工程實踐，通過持續(xù)、系統(tǒng)深入的科學研究，構(gòu)建“矮化、安全、美麗、生態(tài)、智慧”邊坡建設體系。

(1)以系統(tǒng)觀念為引領，通過采礦學、礦床學、土壤學、景觀生態(tài)學、恢復生態(tài)學等交叉學科聯(lián)合攻關，整合已有的研究、實踐成果，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)方法適用條件、突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，構(gòu)建高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復創(chuàng)新平臺。

(2)總結(jié)適用于石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性分析方法、邊坡監(jiān)測、預報預測方法，建立邊坡巖體損傷演化模型，推動實現(xiàn)高陡邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析預測。預防高陡邊坡失穩(wěn)，保障礦山安全生產(chǎn)。

(3)通過揭示石灰?guī)r礦高陡邊坡生態(tài)環(huán)境的時空演替規(guī)律，對不同地區(qū)、不同礦區(qū)，進行資源開發(fā)環(huán)境脅迫過程區(qū)劃[16]，根據(jù)水資源約束條件、經(jīng)濟社會條件等因素，分區(qū)明確生態(tài)修復目標，提出生態(tài)修復技術(shù)方法組合，進一步構(gòu)建具體生態(tài)修復模型。從而推動生態(tài)修復精準化、科學化、模塊化，避免生態(tài)修復盲目性。

(4)形成較為完備的高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復理論體系，進一步完善石灰?guī)r綠色礦山建設標準體系。

4 結(jié)論及建議

(1)石灰?guī)r礦山生態(tài)修復面臨著礦山數(shù)量多、分布廣、破損面積大，生態(tài)修復水脅迫的瓶頸，理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新滯后，技術(shù)方法亟待突破等挑戰(zhàn)。

(2)石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復是石灰?guī)r礦山實現(xiàn)安全生產(chǎn)和綠色發(fā)展的瓶頸。存在開采境界劃定不合理導致高陡邊坡形成，邊坡缺乏參數(shù)的科學論證、缺乏穩(wěn)定性控制措施、缺乏監(jiān)測預警措施，生態(tài)修復景觀格局營造不協(xié)調(diào)，生態(tài)修復缺乏生態(tài)演替規(guī)律和內(nèi)在機理全局性把握，信息化程度低等技術(shù)問題。

(3)針對石灰?guī)r高陡邊坡安全和生態(tài)修復高面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)問題，提出矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡5方面解決思路，應對石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復難題。

(4)建議進一步聚合礦山企業(yè)、研究機構(gòu)的優(yōu)勢力量，通過多機構(gòu)有效協(xié)同、多學科的充分融合，共同構(gòu)建石灰?guī)r高陡邊坡建設技術(shù)體系，推進石灰?guī)r礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。