都蘭縣五龍溝金礦礦山環境地質問題及治理措施研究

陳菊林，張云飛，蘇生云，趙 瑛

(1 .青海省水文地質及地熱地質重點實驗室，青海 西寧 810000；2.青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海 西寧 810000；3.青海省核工業地質局，青海 西寧 810000)

礦業開發的過程中，不可避免地產生地形地貌景觀破壞、土地資源破壞、含水層破壞等諸多礦山地質環境問題，這些問題直接或間接地影響到當地社會經濟的可持續發展[1-7]。近年來，地質生態環境問題越來越受到國家的重視[8-10]，為了落實《中共中央 國務院 關于全面加強生態環境保護 堅決打好污染防治攻堅戰的意見》等文件精神，開展礦山地質環境綜合治理工作，恢復礦山生態環境，以實現生態環境保護和礦業開發的可持續發展，促進當地社會經濟的發展。

礦區位于青海省都蘭縣境內，隸屬都蘭縣宗加鎮管轄，東距都蘭縣276 km，西距格爾木市117 km，自109國道2640里程碑通過簡易道路南行30 km可達礦區，年內雨雪季道路時常中斷，交通條件較差。礦山現已開采多年，根據礦山地質環境現狀調查，礦區現已形成Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6較危險或易發生崩塌等危害的高陡斜坡6段，棄渣場及道路壓占荒地面積1.662萬 m2，挖損荒地面積0.584萬 m2。本文對該處的礦山環境地質問題、現狀、進行了預測評估，通過開展高陡斜坡的治理工程、預測地面塌陷區設立安全警示工程、棄渣平整、回填工程、壓占荒地的清理復平工程等，防治、恢復礦山地質環境，保障礦山安全、有序、環保地開展采礦活動[11-15]。礦山目前處于開采階段，主要工程布置有采礦工業場地(值班室、空壓機房、動力房、機修間、配電室等)、棄渣場、炸藥庫、礦山道路等(圖1)。

圖1 礦區地表現狀地貌影像Fig.1 Image map of the current surface topography of the mining area

1 地質環境特征

1.1 地形地貌

礦區位于昆侖中段北坡，海拔+3 100～+4 500 m，相對高差一般在800 m以上，地形復雜，區內受斷裂控制，溝谷切割多，山勢陡峭，坡度多在35°以上[16]。

1.2 地層巖性

下元古界金水口群(Pt)呈北西向展布，與區內構造線方向相一致，巖性主要為黑云斜長片麻巖、黑云石英片巖和黑云角閃斜長片麻巖及斜長角閃巖、鎂質大理巖等組成的中深變質地層，地層傾向30°～40°，傾角30°～70°，巖石均遭受不同程度的混合巖化。

1.3 地質構造與地震

根據國家地震局發布的1∶400萬《中國地震動峰值加速度區劃圖》和《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》，工程場址的地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，相應的地震烈度Ⅶ度[11]，屬地質構造現代活動的基本穩定區。

2 水文地質、工程地質條件

2.1 水文地質條件

(1)基巖裂隙水。基巖裂隙水分布廣泛，主要賦存于元古界的變質巖中，可劃分為層狀和塊狀巖類裂隙水。層狀巖類裂隙水賦存于層狀變質巖構造裂隙中，呈分布不均勻的網狀構造裂隙水，局部為斷裂帶脈狀水，接收降雨和冰雪融水的補給；塊狀基巖裂隙水賦存于塊狀巖性構造裂隙中，由于礦區處于柴達木盆地邊緣，受盆地干旱氣候的影響明顯，降水較少，故地下水的補給條件較差。

(2)大氣降水。礦區氣候干燥，降水量少，年降水量40 mm左右。大氣降水入滲量小，對礦區的充水影響小。

(3)地表水。沒有地表水流經礦區，礦區侵蝕基準面在3 151 m左右，位于最近地表水體水位之上，且相隔較遠。礦區地下水與地表水無水力聯系，對礦區充水沒有影響。

(4)地下水。礦區內只有黑云斜長片麻巖、混合巖化黑云斜長片麻巖中含有少量裂隙水，但富水性較差，坑道涌水量為0.043 L/s，地下水對礦坑充水影響不大。

(5)坑道涌水量。礦區斷裂構造雖然較多，但其規模一般較小，一般不含水或富水性很差，北西向斷裂構造含少量的構造裂隙水，礦坑最大涌水量為350 m3/d，對礦坑充水影響不大，且在開采過程中，礦區針對坑道涌水已安裝2套相同排水設施，采取各中段直接排水方式，采礦同時對坑道涌水進行排泄。因此，礦區水文地質條件簡單。

2.2 工程地質條件

根據巖(土)體成因、結構構造及物理力學性質劃分礦區內巖(土)體工程地質類型。

(1)堅硬巖體。塊狀花崗閃長巖巖組，由華力西花崗巖組成，巖石單軸飽和抗壓強度多大于60 Ma，弱風化，巖石較為完整，含弱風化裂隙水；層狀片麻巖、片巖巖組，礦區分布廣泛，巖性主要為黑云斜長片麻巖、斜長角閃片巖，巖石單軸飽和抗壓強度36～75 MPa，軟化系數為0.7～1.0。巖體構造裂隙發育，風化剝蝕強烈，表層風化裂隙極為發育，但強風化帶厚度較薄，一般1～5 m，強風化巖體呈碎裂結構。

(2)黏性土砂礫層土體。主要分布于礦區內各山間溝谷地帶，由砂、碎塊石構成，雜亂松散堆積，無分選，一般厚度1～3 m。

3 主要礦山生態環境地質問題

3.1 礦山地質環境現狀

該礦目前正在開采，已施工平硐4條，為PD2-0、PD2-1、PD2-2、PD2-4，硐口開挖寬度為12～20 m，長為8～100 m，平硐經修整后作為開拓平硐，硐口處各形成一段不穩定斜坡Q1、Q2、Q3、Q4(圖2)，礦區因修筑道路開挖形成了多處高陡斜坡。經現場調查，較危險或易發生崩塌等危害的高陡斜坡有2段斜坡Q5、Q6，不穩定斜坡特征見表1。

圖2 Q3/Q5不穩定斜坡 Fig.2 Q3 and Q5 unstable slope

表1 不穩定斜坡特征Tab.1 Characteristics of unstable slopes

3.1.1 不穩定斜坡預測：以斜坡Q5為例

位于礦區道路北側，巖質斜坡，為人工開挖所至，斜坡寬約25 m，長約150 m，坡向170°，坡度約70°，坡面裸露，巖體破碎，坡腳堆積大量松散堆積物，可見最大堆積塊石的直徑為0.8 m，巖性為斜長片麻巖等，產狀320°∠55°，巖層節理裂隙發育，節理有3組：①110°∠65°，延伸長度4～7 m，裂隙寬度0.2～0.4 cm；②280°∠60°，延伸長度4～11 m，裂隙寬度0.10～0.15 cm；③190°∠70°延伸長度3～10 m，裂隙寬度0.1～0.2 cm。坡頂有小型松動危巖體分布，坡腳為陡崖，為斜向斜坡，巖體在以上節理切割影響下，破壞了原有結構和強度，致使坡面危巖、危石較發育，時常有小規模崩塌、墜石等現象發生。將上述節理在赤平投影圖(圖3)投影后發現，有1個結構面的交點位于坡面投影線的一側，而且交于坡面內部。

圖3 Q5不穩定斜坡赤平面投影Fig.3 Raw plane projection of Q5 unstable slope

綜上所述，該段不穩定斜坡現狀穩定性差，工業場地位于該斜坡坡腳南側約15 m處，且礦區道路在坡腳處通過，對工施工人員、工業場地工程及車輛和其他器械構成一定威脅，現狀評估危險性中等[12-13]。其他不穩定斜坡預測方法與Q5相似。

3.1.2 棄渣場堆放引發地質災害的危險性預測

礦區已建1號、2號棄渣場，此次新建1處3號棄渣場，均采用先擋后棄原則進行，在棄渣場前緣設置高1.5 m、底寬1.5 m塊石擋墻，并按40°邊坡角堆放，堆高2.1～8.51 m，碎石土自然邊坡安息角為35°，引發棄渣場邊坡失穩的可能性小，危險性小。擬建棄渣場位于地形相對平緩的山坡面及溝谷內，區內降雨稀少，引發次生坡面泥石流災害的可能性較小，危險性小。

3.1.3 地面塌陷地質災害的危險性預測

開采礦體主要為M2-1、M3-1。M2-1礦體，脈狀、似層狀產出，礦體長215 m，平均厚度2.21 m，傾向50°，傾角50°；M3-1礦體，脈狀、似層狀產出，礦體長580 m，平均厚度2.15 m，傾向30°～50°，傾角55°。最大開采深度510 m。

根據以上參數求得采深與采厚比分別為231、237，采深、采厚之比大于30，地表將出現連續的地表移動，地表移動和變形在空間和時間上是連續的、漸變的，分布有一定規律，地表一般不會出現較大的裂縫或塌陷坑[14-16]。

地表最大下沉值預測：Wmax=ηQcosα

式中，η為地表下沉系數(取堅硬巖石的經驗系數η=0.65)；Q為礦層厚度；α為礦層傾角。

地表最大水平位移值預測：Umax=b·Wmax

式中，b為水平移動系數為0.38(據經驗值)。

計算得出M2-1、M3-1礦體最大下沉量分別為0.92 m和0.81 m；水平位移分別為0.4 m和0.3 m。

采區地表移動特征及地面塌陷范圍預測所需參數，崩落角上盤取65°，下盤取70°，端部取80°，第四系表土均為45°。

通過圖解法對塌陷盆地邊界進行預測(圖4、圖5)，M2-1開采區A-A′剖面預測塌陷范圍為225 m。M3-1開采區B-B′剖面預測塌陷范圍為250 m。地面塌陷XC1面積為57 600 m2，XC2面積150 400 m2，地面塌陷區處于荒漠無人區，僅對采礦工程活動產生影響，預測評估礦業活動引發地面塌陷地質災害的可能性大，危險性中等。

圖4 A-A′剖面地面塌陷范圍預測示意Fig.4 Surface collapse range prediction of A-A′section

圖5 B-B′剖面地面塌陷范圍預測示意Fig.5 Surface collapse range prediction of B-B′ section

3.2 礦區水土環境破壞現狀與分析

3.2.1 礦區水土環境破壞現狀

礦區水土環境破壞的方式主要表現為壓占和挖損，工業場地壓占0.7萬 m2，棄渣場壓占0.51萬 m2，進場道路0.44萬 m2，炸藥庫壓0.012萬 m2，平硐、斜井挖損面積約0.424萬 m2，進場道路挖損面積約0.16萬 m2。

3.2.2 礦區水土環境破壞現狀分析

礦區為地下開采，目前施工了礦區道路及4條平硐和1個斜井，開挖較嚴重，M2-2、M3-1開采區可能引發地面塌陷總面積20.8萬 m2。依據礦山地質環境現狀調查結果，將礦區礦山地質環境現狀影響程度定為較嚴重區。

4 礦區地質環境防治

4.1 總體思路

區內地質災害主要為不穩定斜坡，可通過危石、危巖清理，平硐口采取支護等工程防護措施進行治理，難度較小，技術可行。

(1)地形地貌景觀恢復。通過設立擋石墻、封閉硐口、斜井回填、棄渣平復等手段，技術可行。

(2)土地資源破壞及植被恢復。該礦山礦業活動對土地資源及植被破壞是此次礦山地質環境主要治理項目，其中，土地資源恢復主要是拆除、平整、清理廢棄物等工程，治理難度較小，但因該區海拔較高，氣候惡劣，植被稀少，生態環境脆弱，對礦區植被進行恢復難度相對較大，目前主要是通過土地平整→自然恢復→撫育管理。

4.2 地質災害治理工程

(1)不穩定斜坡治理工程。對礦山現狀條件下發育在PD2-0、PD2-1、PD2-2、 PD2-4平硐口4段斜坡及修建礦區道路形成的2段斜坡(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)坡面進行危石、危巖清理，平硐口采取支護工程措施。礦區道路除具代表性斜坡Q5、Q6外，道路兩側或一側多處局部存在失穩的可能，坡面進行危石、危巖清理。

(2)地面塌陷災害治理工程。地面塌陷防治工程主要是閉坑后的綜合治理，應盡量使塌陷區自然塌陷，盡量使塌陷區與當地地質景觀相諧調。對以后存在塌陷隱患的區段應設置圍欄，并在塌陷區段設置危險警示牌，為2.5 m×1.0 m×0.2 m鋼筋混凝土板。M2-1開采區引發地面塌陷面積5.76萬 m2，設高1.5 m網圍欄工程1 000 m，警示牌5塊。M3-1開采區引發地面塌陷面積15.04萬 m2，設高1.5 m網圍欄工程1 800 m，警示牌9塊。

(3)恢復地貌景觀治理工程。在3處棄渣場(1號、2號、3號)前緣設置各設長100 m、高2.0 m、底寬1.5 m塊石擋墻。

考慮礦區地處荒山，人煙稀少，植被覆蓋率為5%左右，地表土層僅零星分布，確定對礦區挖損、壓占土地資源進行平整處理，不進行覆土工程，植被恢復采用自然恢復法。①礦區采礦過程6處平硐(2.2 m×2.3 m)，閉坑后硐口均采取漿砌石封閉，封閉深度自硐口至硐身為20 m，累計損耗量為608 m3。②斜井回填工程：斜井規格為3.0 m×3.0 m，深度195 m，預計回填量為1 755 m3(運距按200 m計算)。③礦渣復平工程：該礦山采礦過程所產生棄渣量除用于修復礦區道路外，在各棄渣場將堆放棄渣22 552 m3，考慮采礦階段已對各棄渣場內棄渣做了相應復平工作。因此，最終對棄渣的復平方案采取削高補低的方法，復平量按總棄渣量40%估算，總復平量為9 021 m3。

(4)礦區土地資源破壞恢復工程。該礦山采礦過程共壓占荒地面積1.662萬 m2，挖損荒地面積0.584萬 m2，開采區可能引發地面塌陷面積20.8萬m2。采取工程措施為：拆除已有工程設施，平整、清理廢棄物，按平整厚度0.2 m計算，產生廢棄物總方量為48 056 m3，并就近有序堆放于各自棄渣場內(運距按500 m計算)。

4.3 效益分析

(1)社會效益。礦山地質環境保護與恢復治理工程利于人民群眾安居樂業和社會穩定，并對保障礦山自身安全運行及持續發展具有現實意義。該礦山治理區自然生態環境十分脆弱，保護和建設好生態環境，對當地的經濟社會可持續發展意義重大。

(2)環境效益。該方案的實施，有效保護了都蘭縣五龍溝金礦礦產資源的有序開發，減輕了地質災害對礦山企業的危害，改善了區內不良地質環境和生態環境。

5 結論

本文在分析都蘭縣五龍溝金礦礦山地質環境特征和水文地質工程地質特征的基礎上，得到以下結論：

(1)礦區現存不穩定斜坡有6處，裂隙發育、穩定性較差，較危險或易發生崩塌等地質災害的高陡斜坡有2處，其成因均為修筑道路開挖形成的；棄渣場堆放過程中引發地質災害可能行較小，危害性小；礦業活動引發地面塌陷地質災害的可能性大，危險性中等。

(2)礦區為地下開采，礦區水土環境破壞的方式主要表現為壓占和挖損，礦山地質環境現狀影響程度為較嚴重區。

(3)對Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6高斜坡處危巖清理、設立支護及擋石墻、斜井回填、設置圍欄等防治工程技術手段，以減輕地質災害威脅；通過對棄渣場的平復治理，盡可能恢復原有地貌特征。從而為礦山開采引起的斜坡崩塌及采空區塌陷等地質災害問題提供了較為有效的治理措施。

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