唐河縣水泥廠廢棄礦山地質環境特征與治理恢復探索

黃 璞，武守榮，韓天成

(河南省地質礦產勘查開發局 第一地質勘查院，河南 鄭州 450000)

礦山開采始于20世紀90年代，開采礦種主要為水泥用大理巖，開采層位為層狀大理巖，開采方式為露天開采，開采的大理巖主要用作水泥原料。由于粗放式開采，造成山體千瘡百孔，使原有的地質環境條件遭受了極大的破壞，形成了高陡的采場邊坡、坡壁和采場底部基巖大面積裸露、坡壁上巖土體松動、石塊剝落、采場底部堆積著大量廢石棄渣、區內植被嚴重破壞等。區內廢渣、危巖、不穩定斜坡等在遭遇強降雨或外界壓力時，極有可能使附近村莊及公路遭受崩塌、滑坡等地質災害[1-3]。

近年來，國家高度重視生態文明建設，大量學者開展了礦山地質環境恢復與治理的研究[2-16]。本文通過資料收集、地質環境綜合調查等手段，查明礦山地質環境破壞的邊界條件、地形地貌條件、破壞的嚴重程度、巖土體結構、水文地質條件；查明主要礦山地質環境問題，分析地質災害體的危險性及其危害程度，為礦山生態環境修復治理和擬采取的治理方法作出適宜性評價，因地制宜地推進廢棄礦山的山、水、林、田、湖、草綜合治理，探索礦山生態環境修復工程模式。并提出合理的治理方案，為施工設計提供可靠的基礎資料[5-10]。

1 礦山地質概況

礦區位于秦嶺褶皺東段桐柏褶皺帶，處于南陽坳陷之東緣，綿陽店背形褶皺的西翼，呈單斜構造產出。區內出露地層主要為中元古界新城巖群和朱家山巖群，新生界第四系，巖性多為大理巖、含白云石大理巖、黑云石英片巖、少量斜稱角閃片巖、第四系粉土、粉質黏土等，丘陵谷地多為坡積沖積物。礦區內無地表河流，主要為松散巖類孔隙水、大理巖巖溶裂隙水等地下水，其補給來源為大氣降水，其次為低山丘陵區基巖裂隙水的側向補給。水文地質條件良好。礦區內巖溶不發育，僅有少數位于風化帶和構造破碎帶的大理巖見少量溶孔，孔徑一般1～3 cm，最大6～8 cm。深部大理巖巖層完整性好，裂隙巖溶不發育。礦體的質量等級較高，礦體頂底板及圍巖力學強度高，邊坡較穩定，治理區巖土體工程地質條件良好。

2 地質環境調查研究

2.1 研究方法

礦區內采坑、渣堆遍布。危巖體多分布于采坑高陡邊坡和廢棄礦坑相鄰結合部位。不穩定斜坡為可能發生滑坡、崩塌等潛在隱患的陡坡地段。根據地質環境特征，研究方法為[12]：

(1)采用1∶1 000地形圖作為底圖。

(2)采用追索法，將采坑、廢礦渣、危巖體、不穩定斜坡調查清楚，路線間距80 m。

(3)在采礦坑邊緣、廢礦渣、石料堆上每處至少一個點控制，地質調查點采用GPS和微地貌相結合的方法確定。

(4)主要危巖體、危巖塊采用地質點控制，采用GPS和微地貌相結合的方法定位，并標繪在地形圖上，描述其性質、規模和特征。

(5)調查潛在滑坡體的地層巖性、厚度、坡向、地層傾向與斜坡坡向的組合關系，采用GPS和微地貌相結合的方法定位，并標繪在地形圖上。

2.2 地質環境現狀

礦山為露天開采水泥用大理巖。礦山開采使山體殘缺不全、千瘡百孔，造成大量的陡崖、危巖體，采坑陡崖最高相對高差達68 m左右，有些陡崖幾乎接近直立。不但破壞了區內的原生地形地貌景觀，也破壞了巖土體本身的平衡狀態，產生了一系列的礦山地質環境問題。現狀條件下礦區共有63個采坑；18處高陡邊坡；3處廢棄渣堆；20處石料堆；6處危巖體；1處不穩定斜坡；6處廢棄建筑。損毀面積297 679.41 m2(圖1)。

圖1 礦區現狀Fig.1 Status quo of mining area

3 礦山地質環境影響評估

3.1 土地挖損及占壓

(1)廢棄礦坑。區內原始地貌為剝蝕丘陵崗地，廢棄礦坑63處，礦坑破壞面積共164 188 m2。礦坑規模大小不等，自然斜坡平均坡角為3～36°，部分采坑底部及坡腳處存在多處廢渣堆。礦坑開采形成了18處高陡邊坡，陡坎高5～35 m，坡角一般53°～74°。礦坑及高陡邊坡特征如圖2所示。

圖2 采坑及高陡邊坡Fig.2 Mining pit and high and steep slope

(2)廢棄渣堆。由于采石場長期無序開采，在治理區堆積礦渣遺留下來，嚴重影響地貌景觀，占壓破壞土地資源。現場調查廢棄渣堆3處，多沿采場邊沿及邊坡隨意堆放，礦渣成分主要是礦石開采遺留的廢棄大理巖碎塊及少量的坡積物，上部為殘坡積碎石土，底部為大理巖基巖。渣堆規模不一，礦渣粒徑0.1～3.0 m，大部分為0.1～1.0 m，占地面積4 646 m2，體積20 618 m3。

(3)石料堆。由于采石場長期民采，后期礦山開采臨時堆放廢石料，成分主要是開采遺留的廢棄大理巖。石料堆規模不一，沿采邊坡堆放，在現場勘查過程中，占壓了勘查區大面積土地資源，石料堆主要分布在采坑內，經調查統計，共有20處石料堆，占地面積4 361 m2，體積6 385 m3。

(4)廢棄建筑。區內共有6處廢棄房屋，5處磚瓦房，1處為土坯房，將進行拆除，產生廢渣就近回填到采坑內。廢棄建筑壓占損毀面積共計1 306.41 m2。

3.2 地質災害

(1)危巖體。礦區內發現危巖體計6處，編號W1—W6，規模大小不一，邊坡角60°～90°，均為開采過程中造成巖體邊坡破碎，或者由于采石造成風化強烈的破碎巖體臨空，危巖體頂部可見明顯裂縫，是潛在的地質災害危險體(圖3)，危巖體統計見表1。

圖3 危巖體Fig.3 Dangerous rock mass

表1 危巖體調查統計Tab.1 Statistical table of dangerous rock mass investigation

(2)不穩定斜坡。礦區內分布有一處滑坡地質災害隱患點，該滑坡體后緣呈橢圓狀，滑體呈長條形，最大斜長約20 m，平均寬15 m，厚12 m，方量約5 095 m3。滑坡體組成物質亦為斜坡表部松散碎石土層及下部少量強風化巖石。同時在其滑壁后緣斜坡仍可見微張裂縫。從野外實地收集到的資料分析，上述滑坡力學類型均屬牽引式，主滑動面為表部松散坡積層與下伏基巖接觸面，次一級滑動而為強風化巖層內不連續間斷的節理裂隙面。

滑坡地質災害主要表現為先前切坡采石后所形成的不穩定邊坡，后期又堆放大量松散碎石土層。當雨季出現時，礦山邊坡坡頂后緣斜坡表部松散土體吃水飽和，自重加大，抗剪切滑移能力下降，表部土層沿下伏基巖面發生蠕滑，下滑應力聚斂突破臨界點后，滑動土體從坡頂宕口下滑易形成滑坡。現狀穩定性差，需進行綜合工程治理。

4 討論

4.1 地質邊坡穩定性

目前，分析礦山巖質邊坡的穩定與否，一般多采用結構面赤平投影理論[6]。采用赤平投影方法分析邊坡巖體破壞方式主要有2種，即平面滑動破壞和楔形體破壞。本次從采場邊坡面上選擇2個具代表性的觀察點，將采集到的結構面數據通過赤平投影分析如下(圖4)。

圖4 礦山邊坡結構面赤平投影Fig.4 Stereographic projection of structural plane of mine slope

從采場1邊坡采集的節理產狀赤平投影結果分析表明，該邊坡內結構面節理3(140°∠38°)和節理5(130°∠48°)與邊坡面呈小角度相交，具備平面滑動破壞條件外，其余結構面均與邊坡而呈大角度相交或反向內傾；結構面相交所構成的組合交面線交點，有7個點落入不穩定區域(陰影區)內側，結構面構成楔形體破壞方式，2種破壞方式對邊坡穩定性影響較大，邊坡現狀穩定性極差，具備巖體崩塌災害隱患。

從采場2邊坡采集的節理裂隙產狀通過赤平投影結果分析表明，該邊坡內單一結構面除節理1(15°∠70°)與邊坡面呈小角度相交，且節理1傾角大體等同于邊坡角，具備平面滑動破壞條件外；其余單一結構面均與邊坡而呈大角度相交或反向內傾，結構面相交所構成的組合交面線交點，有2點落入不穩定區域(陰影區)內側，結構面構成楔形體破壞方式，2種破壞方式對邊坡穩定性影響較大，邊坡現狀穩定性差，具備巖體崩塌災害隱患。

綜合分析結果表明，采場邊坡呈臨空陡立狀，巖石具碎裂塊體結構特征，存在發生巖體崩塌地質災害隱患，現狀穩定性較差，需進行綜合工程治理。

4.2 土地復墾適宜性討論

礦區現狀采坑眾多，且邊片分布，礦山地質環境破壞的范圍較大，地形地貌破壞較嚴重，復墾方向為旱地、有林地、其他林地、灌木林地。綜合實際情況，選用土層厚度(保證耕作土壤)、土壤質地(保證土壤肥力以及可改造程度)、坡度(是否屬于可以開發范圍)、排澇能力(土地是否存在澇災)、生態環境影響(是否存在生態退化)及水土流失程度(是否造成水土流失)等6個評價因子[6-9]。①土層厚度。區內現狀土層厚度及土壤質地較好，土層厚度約為55 cm；補充耕地區域荒地部分現狀土層厚度30～60 cm，土層厚度薄且夾雜碎石較多，這些區域需要客土。按耕地后備資源有效土層厚度限制等級的有效土層厚度標準，該項為較適宜。②土壤質地。區內大部分地塊土壤為砂質土，可以改良的土質，該項為適宜。③坡度。區內田塊坡角均小于6°，按耕地資源坡度限制規定，該項為最適宜。④排澇能力。區內地形平緩，排澇水可以自流匯入溝谷及河道，該項為適宜。⑤生態環境影響。項目實施后可以大大提高生態保護性能，該項為適宜。⑥水土流失程度。項目實施后，可降低水土流失程度，該項為較適宜。綜合以上分析，項目區內土地是適宜進行合理開發整理利用的。

4.3 環境治理方法討論

4.3.1 治理工程方案優選

(1)治理工程方案1。采取“邊坡整治工程+清理回填平整工程+擋土墻工程+排水工程+道路工程+覆土植樹工程+標志碑+監測工程”工程措施進行綜合治理[13]。

(2)治理工程方案2。按照國家對露采礦山山水林田湖草的有關精神，采用生態綠化并結合唐河縣土地利用總體規劃，擬對治理區進行削坡整平，設計臺階式平臺，最后覆土恢復為林地；對采坑底部進行平整、覆土梯田，恢復為耕地；田間道路兩側種植農田防護林。采取“邊坡整治工程+地形地貌整治工程+排水工程+土地資源恢復工程+生態恢復工程+標志碑+警示工程+監測工程”工程措施進行綜合治理，恢復礦區生態環境。主要治理措施有邊坡削方整理工程、采坑回填整理、擋土墻工程、排水渠工程、排水涵洞工程、邊坡及臺階綠化工程、治理區平臺覆土復墾工程、道路兩側綠化工程[15-20]。

這2個方案在技術上都是可行的，均有成熟的工程設計方案和工程施工工藝，都能達到礦山生態環境修復的目的。方案1，簡單易行，但存在一定的弊端。突顯不出來依山就勢、易林則林、易耕則耕的文件精神。方案2，治理后有機的和周圍環境相協調一致，符合廢棄礦山易林則林、易耕則耕的文件精神，且礦區原有的地形地貌、植被景觀，生態環境得到了有效的改善。綜上，方案2為優選方案。

4.3.2 土地平整工程方案優選

(1)平整工程方案1。水平梯田模式。水平梯田模式是利用原有地形和田埂，按照“等高第一、兼顧等距、大彎就勢、小彎取直、遇凸向外、遇凹向里”的原則，沿等高線將田面修成水平的階梯農田，可以最大限度的利用坡地土地資源，增加耕作面積，取得較大的經濟效益。水平梯田是最常見的一種，也是保水、保土、增長效果最好的一種梯田[11]。

(2)平整工程方案2。坡式梯田模式。坡式梯田模式只沿等高線打埂，比較省工，不打亂土層，如田面不太寬和坡度不太大，田面可逐年自然淤平。坡式梯田依靠逐年翻耕、徑流沖淤并加高地埂，使田面坡度逐漸變緩，終至成水平梯田，所以這也是一種過渡形式。適宜人少地多、坡度較緩的丘陵地區。坡式梯田一般適用于在坡角不超過7°的坡地上修建，方向與等高線平行，當土層較厚，地面坡角大于7°時不宜修建坡式梯田；坡式梯田由于保留原坡面，雖然能降低梯田的修筑成本，但仍存在一定量的水土流失[13]。

(3)平整工程方案3。隔坡梯田模式。隔坡梯田模式適用于年降水量300～400 mm、坡角15°以上的坡地，是坡式梯田與水平梯田的過渡形態。隔坡梯田是沿原自然坡面隔一定距離修筑一水平梯田，在梯田與梯田間保留一定寬度的原山坡植被，使原坡面的徑流進入水平田面中，增加土壤水分以促進作物生長，但相同坡地面積下，隔坡梯田增加耕地面積較少[17]。

本項目為補充耕地項目，在保持水土的基礎上，盡可能多地增加耕地，且項目區年均降水量為851.4 mm。綜合以上，本次選擇方案1，即水平梯田模式。

5 地質環境恢復治理研究

(1)廢渣清理、挖坑回填。通過土地復墾適宜性討論及治理方案優選，采用水平梯田模式，進行渣堆清理、回填平整等地形地貌整治工程，恢復生態、土地資源功能。渣堆清理包含20處石料堆和6處廢棄房屋，清除的廢渣就近回填到采坑內，運距約0.5 km，建筑拆除工程量共計1 306.41 m2，渣堆清理工程量6 385 m3。回填平整包含場地平整和采坑回填機械壓實工程。根據采坑及連接部分地形特征設計挖填平整，形成大平臺；對治理區低于設計高程的區域進行回填，回填時可利用邊坡削方整理的土石，進行分層壓實回填，單層厚度一般≤1 m，壓實系數不小于0.95[15-18]。

采坑挖填過程中多余土石方直接就近回填至采場低洼處及周邊采坑，墊渣覆土后田面坡角小于10°。挖填平整工程如圖5所示。挖填工程結束后，應將相應區域地面進行機械平整，平整面積共計307 997.1 m2，機械壓實119 565.7 m3。

圖5 挖填平整工程示意Fig.5 Schematic diagram of excavation and leveling

(2)邊坡整治。通過地質災害評估，危巖及邊坡穩定性討論，采用邊坡整治工程主要高陡邊坡整治工程和連片采坑連接部分削坡整平工程。由于邊坡整治工程需進行石方開挖，會產生新的地形地貌損毀。對采坑中高陡邊坡延地形等高線分別形成高度不同的臺階，對邊坡進行分級削坡整理，削坡由上往下進行，每10 m形成1臺階，臺階削方完成后留置寬度為4 m，內側邊坡坡角為70°，終了臺階留置寬度為4 m(圖6)。同時清除高陡坡面上的危巖體，形成穩定邊坡，消除礦山地質災害隱患，為后期生態修復打基礎。

圖6 高陡邊坡治理設計示意Fig.6 Schematic diagram of high andsteep slope treatment design

采坑邊坡進行“挖高填低”，形成平整地面(平臺)，根據采坑及連接部分地形特征分別設計挖填平整，形成大平臺，相鄰大平臺間設置為高5～10 m，坡角50°～70°的斜坡。治理區共設計21個平臺，平臺之間共計19個斜坡，需要對其進行邊坡整治。

由于邊坡整治工程需進行土石方開挖，會產生新的地形地貌損毀，應嚴格按照采坑分布范圍界線進行整治工程，減少新的損毀。①根據擬開挖終了邊坡及平臺進行修復區分割，其中平臺及臺階取設計基準高程，每一級邊坡取頂部高程與底部高程平均值，同時對分割區的屬性賦終了高程值；②利用測繪原圖的等高線在原分區基礎上進一步進行分割，其中每2條等高線的差值為1 m，分割后，對每一塊區賦予初始高程值，初始高程值為小區所位于的2條等高線平均高程值；③導出所有分區的屬性數據，包括分區面積、終了高程值、初始高程值，將每一塊分區的初始高程值與終了高程值的差值與面積的乘積進行累加，即可得開挖區的實際開挖土石方體積。經計算，邊坡整治工程共計挖方量1 782 439.10 m3。其中，挖土方量為229 022.64 m3，挖碎石量為261 740.16 m3，挖塊石量為1 291 676.30 m3。受高壓線基座、居民地和工業生產廠房爆破安全距離300 m范圍的影響，邊坡整治工程采用爆破削石方量1 398 074.81 m3，液壓破碎削石方量155 341.65 m3，削土方量229 022.64 m3。

(3)土地復墾。通過對采坑底部進行平整，采坑底部大平臺墊渣0.8 m，上層覆耕植土0.8 m，其他采坑底部田塊墊渣20 cm，覆土厚度80 cm；采場邊坡進行削坡修建臺階后，在臺階底部墊渣0.4 m，上層覆耕植土0.6 m，覆土梯田，種植桅子，并進行林間植草；平臺間斜坡坡頂及坡腳栽植爬山虎進行綠化；高壓線20 m范圍內，種植油松和櫟樹，復墾為有林地。

全區土地復墾共計恢復土地31.79 hm2。其中，恢復旱地28.65 hm2，恢復有林地0.82 hm2，恢復其他林地1.99 hm2，恢復灌木林地0.33 hm2。總復墾耕地面積約為312 965.7 m2，總覆土工程量為249 704.42 m3，總墊渣量為112 673.28 m3。

6 結語

通過對唐河縣水泥廠廢棄礦區地質環境現狀調查，基本查明了礦山地質環境現狀以及存在的礦山地質環境問題，開展了礦山地質環境影響的評估，討論了地質災害發生的可能性及生態恢復治理方案優選，采取相應措施開展生態地質環境治理，得出以下認識。

(1)采場長期無序開采，廢棄采坑和高陡邊坡對勘查區地形地貌景觀破壞嚴重，造成山體支離破碎，植被損毀和水土流失；廢棄礦渣堆，臨時堆放的石料堆，占壓破壞了大面積土地資源。

(2)采坑高陡邊坡和相鄰結合部位，分布大量危巖體，極易發生崩塌地質災害；部分采坑形成的不穩定邊坡，后期又堆放大量松散碎石土層，當雨季出現時，表部土層沿下伏基巖面發生蠕滑，極易發生滑坡地質災害。

(3)針對破壞程度邊界范圍、地形地貌條件和破壞的嚴重程度等，采用礦山生態環境修復工程模式進行修復，采取“邊坡整治工程+地形地貌整治工程+排水工程+土地資源恢復工程+生態恢復工程+標志碑+警示工程+監測工程”工程措施進行綜合治理，恢復礦區生態環境。

(4)通過礦區邊坡整治、危巖清理等地質環境治理工程，消除區內的安全威脅，減災效益明顯。通過回填平整、土地復墾恢復等工程，提高土地利用率、恢復土地使用功能、美化環境，減少因礦渣堆放等引起的揚塵，避免堆積物氧化造成大氣質量惡化，有效地改善治理區環境現狀。