露天礦轉地下礦山地質環境問題分析及治理方法研究：以倉上金礦為例

李成習，龔甲桂，高文凱，宋德東，劉 一，胡兆國，王 浩

(中國冶金地質總局山東正元地質勘查院,山東 濟南 250014)

礦山露天開采可提高礦產資源的開發利用率，但對周邊地質環境影響嚴重，平原地區的露天采礦活動對生態環境的破壞更為突出[1]。倉上金礦是萊州市三山島金礦的下屬礦區，該礦山20世紀90年代曾是我國最大的露天開采金礦，倉上金礦的開采在帶來巨大經濟收益的同時也引起了一系列礦山地質環境問題，如采坑邊坡發育的滑坡嚴重威脅采坑北部人民群眾的人身安全和財產安全。本文從地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、水土環境污染等4個方面分析了目前存在的礦山地質環境問題[2]，并將露天采坑納入重點防治區，開展了恢復治理的方法研究，提出了經濟、高效、穩定的解決措施；同時對倉上金礦轉入地下后的礦山地質環境問題進行了分析預測，以期為礦山開采和生態環境保護提供重要的科學依據，促進當地礦業經濟可持續發展[3]。

1 倉上金礦地質環境背景

1.1 自然地理概況

倉上金礦地處山東省萊州市金倉街道中心區域，距離萊州市區20 km。礦區到萊州市區有省道連接，交通便利，礦區距離渤海萊州灣3.5 km，氣候兼具海洋氣候與內陸氣候特點，晝夜溫差較小，四季分明，年降水量648.3 mm。礦區內無河流通過，地下水自東南向西北徑流，因露天采坑的存在，礦區周邊地下水向露天采坑徑流。礦區地貌為濱海平原，地形平坦。礦區周圍人類活動較為強烈，主要從事礦業開發、農業種植、漁業養殖、城鎮建設和旅游開發等。

1.2 地質概況

倉上金礦位于三山島-倉上斷裂帶南部(圖1)，該斷裂帶為膠西北三大控礦斷裂蝕變帶之一，該斷裂帶由北向南控制了三山島北部海域金礦、三山島金礦、倉上金礦等3個大型-超大型金礦[4]。倉上金礦地表出露主要為第四系全系統堆積層，為濱海相沉積物；第四系以下為倉上花崗巖，灰白-淺紅肉色，花崗變晶結構，塊狀構造。礦區主要斷裂整體呈反“S”形展布，是區內唯一的控礦斷裂構造，構造帶內構造巖體發育，主要有糜棱巖、角礫巖、碎裂巖等[5]。

圖1 三山島-倉上斷裂帶地質圖Fig.1 Geological sketch of Sanshandao-Cangshang Fault Zone

1.3 礦山開發利用情況

倉上金礦始建于1986年，采用無底柱分段崩落法進行露天開礦[6]，2006年停產，2014年倉上金礦被山東黃金集團有限公司收購，目前該礦山作為山東黃金集團有限公司三山島金礦下屬礦區管理。礦山停產前在礦區范圍內形成了一個東西長約1 200 m，寬約390 m，深186 m的露天采坑(圖2)。

根據山東省綠色礦山實施方案的相關要求，倉上金礦不再進行露天采礦，但為充分利用礦產資源，延長倉上金礦的服務年限，倉上金礦擬由露天轉入地下生產，設計采用上向水平尾砂膠結采礦法進行地下開采，井下礦石通過豎井提升至地表后通過汽車運輸至三山島金礦選礦廠進行集中選礦。礦石開采后遺留的采空區由選礦尾砂和膠固粉混合后進行充填處理，充填時接幫接頂，充填率97%，充填強度大于2 MPa。

2 礦山地質環境問題現狀分析

2.1 礦山地質災害危險性現狀分析

倉上金礦露天開采停產后，露天采坑邊坡因缺少維護出現多處滑坡等地質災害，雖未出現人員傷亡，但損毀北部邊坡的房屋和農田，造成經濟損失約30萬元。根據調查，倉上金礦露天采坑邊坡共發育5處滑坡，其中，H1號滑坡、H2號滑坡、H3號滑坡、H4號滑坡位于采坑內邊坡道路，道路邊坡因停產缺少維護，在降雨條件下易發生滑坡；H1號滑坡～H4號滑坡均為現代土質滑坡，滑坡類型為滑移式，滑坡體積在200～3 000 m3，規模均為小型；H1號滑坡～H4號滑坡主要對礦坑道路造成損毀，損毀長度約為120 m，損毀程度為中度，經清理后，不影響道路通行，滑坡未造成人員傷亡，直接經濟損失約3萬元；目前露天采坑已全部封閉，禁止人員進出，H1號滑坡～H4號滑坡主要威脅對象為道路，但危害性較小(圖3)。

圖2 倉上金礦露天采坑Fig.2 Open pit of Cangshang Gold Mine

圖3 倉上金礦地質災害分布圖Fig.3 Distribution of geological hazards in Cangshang Gold Mine

H5號滑坡發育于露天采坑北幫，屬于巖質滑坡和滑移式滑坡，滑坡體積約30 000 m3，規模為中型。該滑坡2009年出現輕微變形，2013年發生劇烈變形，滑坡后緣出現明顯裂縫，雖未造成人員傷亡，但導致滑坡后緣房屋和耕地損毀，直接經濟損失27萬元。H5號滑坡前緣坡度65°，滑體和滑床為花崗巖，滑動帶為倉上斷裂帶碎裂巖，滑動的主要原因為倉上礦區停產后，缺少對礦區北部邊坡維護，在降水的自然因素下，滑體沿著構造軟弱面發生滑動變形。根據礦山多年地面變形和井下位移監測資料分析，H5號滑坡仍處于欠穩定狀態[7]，滑坡對后緣耕地和居民人身安全造成威脅，危害性為中等。因此，倉上金礦H5號滑坡范圍內地質災害危險性較嚴重，其他區域為較輕。

2.2 礦山含水層破壞現狀分析

倉上金礦充水水源為大氣降水和基巖裂隙水，礦山停產前，礦區涌水量為1 800 m3/d，地下水位-186 m。礦山露天開采將含水層直接進行剝離，對含水層結構破壞嚴重；礦山停產前，礦區地下水位最大降深約186 m，區域含水層形成了以露天采坑為中心的降落漏斗；停產后，礦山不再進行疏干排水，礦區周邊地下水位進行逐步恢復，目前礦坑內地下水位-60 m。因此，倉上金礦露天采坑范圍對含水層破壞嚴重，其他區域較輕。

2.3 礦山地形地貌景觀破壞現狀分析

倉上金礦露天采礦向地表深部進行采掘，最終形成了長約1 200 m，寬約390 m，深186 m的露天采坑。倉上金礦所在區域為濱海平原區，礦山周圍地形平坦，礦山緊鄰萊州市金倉街道，屬于人口稠密、經濟發達區域。倉上金礦產生凹陷的露天采坑與周邊地貌不一致，嚴重影響當地地貌景觀。因此，倉上金礦露天采坑對地形地貌景觀破壞嚴重。

2.4 礦山水土環境污染現狀分析

通過采集倉上金礦露天采坑內水、南部基巖監測井水、北部居民第四系機井水進行化驗測試，露天采坑水和基巖監測井水均為咸水，礦化度在1.2～3.2 g/L，主要為硫酸鹽和氯化物超過V類水指標，這與礦區距海岸線較近，基巖地下水受海水入侵相關；北部居民第四系機井水為淡水，礦化度0.45 g/L，水質較好，未受到礦山活動影響。因此礦山生產建設活動對水環境影響較輕。

通過采集倉上金礦西部農田土壤，測試結果表明，礦區表層土壤pH值為6.8，有機質含量1.23，土壤中重金屬含量均不超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)中規定的風險篩選值，土壤污染風險低。因此，倉上金礦對水土環境污染現狀評估為較輕。

2.5 礦山地質環境防治分區

根據倉上金礦礦山地質環境問題現狀分析，倉上礦區主要地質環境問題為滑坡、含水層破壞和地形地貌景觀破壞。礦山地質環境問題主要集中在倉上金礦露天采坑，因此將倉上金礦露天采坑劃分為礦山地質環境重點防治區，并對其進行重點防治，其他區域為一般防治區，加強監測。

3 礦山地質環境恢復治理方法研究

3.1 礦山地質環境問題治理可行性分析

3.1.1 技術可行性分析

1) 地質災害防治技術。倉上金礦露天采坑邊坡滑坡等地質災害主要由于露天采坑內巖土體被采掘后，形成了高陡的臨空面造成失穩，其形成原因與坡腳開挖有關。從技術層面分析，采用回填壓腳的處置方法，可有效增強滑坡穩定性，當露天采坑被回填至地表后，邊坡上的滑坡隱患也得到根本消除。同時，礦山所在區域礦業活動發達，大量尾砂等固體廢棄物需要處置，用于回填壓腳的物質比較充沛，回填物質通過管道或汽車運輸方式可直接用于采坑回填。

2) 含水層破壞防治技術。根據礦山開采情況，礦山對含水層的破壞主要表現在含水層結構破壞、水位下降和水質影響。露天開采對含水層結構造成直接破壞，這種結構破壞是不可逆的，修復難度大，目前國內此方面的技術尚不成熟，效果也不理想。而礦山活動對含水層水質的影響，可以通過定期地下水水質檢測，找出污染源，在開采過程中盡量減少可能造成污染的工序并通過對礦坑水的處理達標排放，既能提高地下水的利用率，也可以減少對地下、地表水的污染途徑。

3) 地形地貌景觀破壞防治技術。礦山開采對地形地貌景觀破壞主要體現在露天采坑改變了原有的地形地貌景觀，針對這些問題主要采用采坑回填、場區生態恢復等手段，從技術上可有效對地形地貌景觀的恢復。

4) 水土環境污染防治技術。倉上金礦按照國家規定進行采礦，對水土環境污染較輕；為防止因礦山開采可能造成對水土環境的不利影響，在礦山開采過程中，應建立完善的環境監測制度，摸清各類廢棄物的排放情況，定期監測各類污染物是否達標，加強水質、土壤監測工作，在礦區內設立地下水、土壤監測點，定期取樣進行分析測試，從技術上可有效對水土污染現象進行管控。

3.1.2 經濟可行性分析

根據倉上金礦停產后露天采坑地形測繪資料，采用南方Cass軟件進行計算，倉上金礦露天采坑容積約2 700萬m3，因此需要大量固體物質進行回填，經濟花銷巨大，且該礦位于濱海平原區，周圍缺乏回填原料。而倉上金礦所屬的三山島金礦每年需要外排大量尾砂至尾礦庫，因此將三山島金礦尾砂直接用于回填倉上露天采坑，既能節約采坑回填治理成本，又可以處置尾砂，減少尾礦庫對周圍環境影響，從經濟角度和環保角度都十分可行。同時通過生態工程治理措施，將露天采坑治理后的土地迅速恢復成為可利用土地，提高了土地的經濟效益和社會效益，為金倉街道經濟高質量發展助力[8]。

3.1.3 生態環境協調可行性分析

倉上金礦露天開采已經停止，但遺留的露天采坑對周圍生態環境的影響一直在持續。因此在露天采坑治理過程中，增加覆土、植被綠化等元素，美化礦區地貌景觀，使礦區的生態結構趨于合理，促進整個自然生態系統的融洽與協調，可以更好地調節氣候，減少水土流失，恢復生態環境，為周邊居民提供良好的居住環境，促進美麗鄉村建設。

3.2 礦山地質環境恢復治理方法研究

通過上述分析，倉上礦區礦山地質環境問題均與露天采坑密切相關，尤其是采坑邊坡的滑坡對周圍群眾的人身安全影響較大，因此開展露天采坑治理方法研究，可以保障周圍群眾的生命財產安全。露天采坑邊坡地質災害的治理方法主要有兩種，一種是對邊坡進行加固，防止邊坡發生崩塌和滑坡地質災害，該方法需多期多次陸續投入，投入資金較大，且治標不治本；另一種方法是從露天采坑滑坡體坡腳進行堆載反壓，阻止坡體的下滑，該方法具有標本兼治的效果[9]。根據倉上礦區的地質環境、當地土地資源狀況及生態環境現狀，按照經濟合理、技術可行及可操作性的原則，倉上露天采坑地質災害治理選用標本兼治的堆填反壓的方法，主要可采取的工程手段為露天采坑回填、邊坡防滲、場地生態恢復等(圖4)。

3.2.1 露天采坑回填治理措施

倉上金礦露天采坑從坑底到地表，容積達2 700萬m3，經過坡面適當防護處理后回填，不僅能對露天坑地質災害進行治理，而且可創造出巨大的堆存空間。倉上金礦早期廢石已被綜合利用，不能滿足回填要求，同時礦山地處平原區，可用天然回填原料貧乏，但當地有著較為豐富的金礦尾砂，尤其是倉上金礦上級礦山三山島金礦擴能擴界后每年可產生尾砂320萬m3，數量可滿足回填要求。三山島金礦尾礦為I級固體廢棄物，尾砂中不含有毒有害物質，質量可滿足回填要求，三山島金礦選礦廠距離倉上金礦露天采坑4 km，采用地下管道輸送方式回填尾砂，回填穩定性可滿足要求。因此，選擇三山島金礦選礦尾砂作為回填料，既能解決倉上金礦回填原料不足的困境，降低回填治理成本，又能解決三山島金礦尾礦庫庫容不足問題，提高尾砂作為資源集約化利用率[10-11]。

3.2.2 露天采坑邊坡防滲措施

倉上金礦區域基巖裂隙水受海水倒灌影響，整體為咸水，不能用于本區農業生產，目前基巖裂隙水主要用于三山島金礦選廠選礦。倉上金礦采用三山島金礦尾砂回填露天采坑，因此尾砂回填對區域基巖裂隙水影響較小。倉上金礦淺層第四系水為淡水，是當地居民生產生活用水，但回填尾砂至第四系后易引發第四系淡水水質變差，因此沿露天采坑邊坡鋪設土工防滲膜，對露天采坑邊坡進行防滲處理，可有效保護淺層第四系淡水不受竄層污染。

3.2.3 場地生態恢復措施

露天采坑回填至地表后，對場地進行平整處理，保持礦區地面坡度不大于3°。尾砂回填措施使礦區地形地貌條件得到重塑，但表層土壤生態環境短時間內不能得到恢復，因此需要外購土源對場地進行回覆，覆土厚度為60 cm，覆土后在場地內恢復植被，重建礦區生態環境。

圖4 倉上金礦露天采坑治理工程圖Fig.4 Treatment project of open pit in Cangshang Gold Mine

4 礦山地質環境問題預測分析

倉上金礦早期的露天開采方式對于人口密集的金倉街道來說是一種生態災難，目前山東省已明確金屬礦山禁止露天開采，但近年來金礦石價格快速上漲，礦山淺層的金礦資源對當地經濟發展有較大幫助，因此倉上金礦下部選擇地下膠結充填采礦法，對采空區及時進行充填，保證地表不出現塌陷。雖然直接開采成本較高，但符合政策要求，且對生態環境影響較輕，可以促進金倉街道經濟高質量發展。

隨著礦山對露天采坑防治工作的開展，倉上金礦礦山地質環境問題得到有效治理，區域生態環境也逐步恢復。但礦山下部采用地下采礦法，形成的地下采空區引發了新的礦山地質環境問題，本文就礦山轉入地下開采后產生的礦山地質環境問題進行分析和預測。

4.1 礦山地質災害危險性預測分析

倉上金礦由露天開采轉入井下開采后，礦山將采用地下尾砂膠結充填采礦法對剩余礦體進行回采，采空區隨采隨充。尾砂膠結充填采礦法經同一成礦帶的三山島金礦驗證，井下采空區充填率可達97%，充填強度為2 MPa，該方法對地表影響較輕，不會引發采空塌陷等地質災害。因此，露天轉入井下開采后，倉上金礦不會產生新的地質災害，引發或加劇地質災害危險性較輕。

同時礦山采用工程措施對露天采坑進行回填治理，隨著露天采坑逐步回填，回填物質對H5號滑坡前緣進行壓腳處理，增強了滑坡的穩定性，待露天采坑回填至地表后，采坑邊坡地質災害隱患將得到消除。隨著原有地質災害隱患得到治理，倉上金礦礦山地質災害危害性預測評估為較輕。

4.2 礦山含水層破壞預測分析

倉上金礦下部采用尾砂膠結充填采礦法，礦區含水層中的基巖裂隙逐步被膠結尾砂充填，礦區地下水導水通道將被充填封閉，含水層結構遭到破壞。礦區基巖含水層與第四系含水之間存在隔水層，不會引發淺層第四系水和地表水體漏失，對周邊群眾生產生活影響較輕。因此，倉上金礦對基巖含水層破壞嚴重，對第四系含水層破壞預測評估較輕。

4.3 礦山地形地貌景觀破壞預測分析

倉上金礦下部采用地下采礦，廢石不出坑直接回填至采空區，礦石通過主井提升至地表后，用汽車運輸的方式運至三島金礦選礦廠，礦山擬建的工業設施多為單層建筑，與周邊環境協調一致。露天采坑隨著回填治理，地形破壞將得到修復，待露天采坑回填至與周邊地表高度一致時，露天采坑對地形地貌景觀的破壞將得到徹底消除。因此，倉上金礦對地形地貌景觀破壞預測評估較輕。

4.4 礦山水土環境污染預測分析

倉上金礦礦坑涌水主要用于井下生產和地表充填，地表新建水處理車間用于處理廠區生活污水。井下廢石不出坑直接充填采空區，礦石提升至地表后進行防塵處理后直接運輸至三山島金礦選礦廠，不在礦山進行選礦作業，減輕對周邊環境的影響。因此，倉上金礦生產建設活動對水土環境污染預測評估較輕。

綜上所述，隨著露天采坑回填治理，礦區地表生態環境將得到有效恢復，礦山下部采用地下開采對基巖裂隙水含水層破壞嚴重，其他礦山地質環境問題較輕，對區域生態環境影響較輕。

5 結 論

1) 倉上金礦地處濱海平原區，礦山露天采礦活動已經停產，目前礦山地質環境問題主要為滑坡、含水層破壞、地形地貌景觀破壞。露天邊坡H5號滑坡地質災害危害性較嚴重，露天采坑含水層破壞和地形地貌景觀破壞嚴重，水土環境污染較輕。

2) 倉上金礦露天采坑作為重點防治區進行工程防治，主要采取尾砂回填、邊坡防滲、場地功能恢復等措施，不僅消除了露天采坑邊坡地質災害隱患，保障了周邊群眾生命財產安全，還解決了周邊礦山廢棄物處置問題，提高資源集約化利用率。同時還為當地提供了大量可利用土地，為金倉街道城市發展提供了生態空間和土地空間，促進區域經濟高質量發展。

3) 倉上金礦下部由露天轉入地下開采，原有的礦山地質環境問題將得到有效治理，新的礦山地質環境問題主要為基巖裂隙水含水層破壞，對周邊生態環境影響較輕。