衛輝市米山洞灰巖礦歷史遺留采場礦山地質環境問題分析及防治

王銀西，馬傳福

（1.河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州 450000； 2.河南省資源環境調查三院，河南 鄭州 450000）

灰巖是工民用建筑和鐵路、公路、水利建設的重要原料，歷來受到國家相關部門的重視。特別是近幾年安居工程的實施、高速公路的建設和國家西部大開發戰略的實施，建筑用石料及水泥的需求量日漸加大，建筑石料的需求增長帶動了采石業的發展。隨著礦業開發活動的快速增長，也產生了一系列的地質環境問題，特別是露天開采建筑石料的礦山，其具有數量多、分布廣、集中連片的特點[1]。露天礦山長時間、高強度的粗放型開采引發了礦山地質災害、土地資源占用破壞、地形地貌景觀破壞、含水層破壞等一系列礦山地質環境問題，與社會經濟綠色發展的矛盾日益突出[2]。衛輝市米山洞灰巖礦為資源整合礦山，經過長時間的不規范開采，礦區已形成了大面積的歷史遺留露天采場，導致較多地質環境問題[3]，如植被破壞、土地損害、地形地貌景觀破壞、水土污染等。隨著國家生態文明建設力度加大，眾多歷史遺留下來的采坑急需生態治理。開展礦山地質環境問題恢復治理不僅是生態文明建設的要求，也是促使我國采礦行業永續發展的關鍵[4-5]。本文以衛輝市米山洞灰巖礦歷史遺留露天采場為研究對象，開展礦山地質環境調查，探討礦山地質環境恢復治理的相關工程對策[6-9]，以期為米山洞灰巖礦歷史遺留露天采場的恢復治理工作提供參考。

1 礦山概況

1.1 基本概況

米山洞灰巖礦為擬整合礦山，位于河南省衛輝市西北部唐莊鎮米山洞—石字嶺一帶，由9個采礦權整合而成，整合后礦區面積2.13 km2，開采礦種為石灰巖，露天開采，設計生產規模為950萬t/a，開采標高+170.0～+364.9 m。整合后礦區周邊歷史遺留露天采坑面積為1.253 3 km2。

1.2 自然地理

礦區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明；年降水量多集中在7—9月，約占全年降水量的60%；年平均降水量576.5 mm，最大日降水量151.8 mm。 本區屬海河流域衛河水系，沖溝較發育，徑流條件好，無常年性地表水體，溝壑常年干涸無水，僅雨時有短暫流水，雨后即干。該區地貌屬于山前構造剝蝕低山區，山勢大體呈近東南—西北走向；地形起伏較大，總體地勢為中西部高、南北兩側較低，山體頂部呈渾圓狀，其邊緣沖溝呈放射狀，構成巖性為中奧陶統灰巖。區內土壤類型主要為褐土，因大面積露天開采使基巖裸露，僅在東、西部局部區域發育第四系，厚度0～1.0 m，表土層厚度一般為0.2～0.3 m。礦區內土地利用類型為灌木林地、其他草地、農村道路、裸地、采礦用地。

2 地質環境

2.1 礦區地質特征

（1）地層。該區位于華北板塊南部，屬于太行構造亞區之太行斷隆，周邊主要出露地層由老至新依次為奧陶系中統下馬家溝組下段（O2x1）白云質灰巖，奧陶系中統下馬家溝組中段（O2x2）灰巖、白云質灰巖及白云巖互層，上馬家溝組下段（O2s1）灰巖、白云質灰巖，上馬家溝組中段（O2s2）灰巖、白云質灰巖，第四系黏土、亞黏土。

（2）構造。礦區總體構造為一軸向NE—SW較寬緩背斜（米山洞背斜），軸向沿NE—SW（7°～207°），背斜軸長度大于1 200 m，呈寬緩的近似對稱的背斜形態產出。東南翼較緩，傾向190°～260°、傾角4°～20°；西北翼地層地層較陡，傾向270°～340°，傾角10°～25°，局部發育次級小褶曲。

礦區中部發育1條NE向正斷層（F1），延伸長度1 100 m，走向91°～99°，傾向179°～188°，傾角70°～80°，破碎帶寬度2～8 m，落差0～20 m；為北盤上升、南盤下降的高角度正斷層。礦區地質構造復雜程度為簡單類型。

（3）巖漿巖。在礦區北部沿上馬家溝組石灰巖層面呈巖床侵入，巖性為燕山期第一階段石英閃長玢巖，分布面積約1.12 km2。

2.2 礦體特征

礦體賦存于奧陶系中統下馬家溝組上段（O2x2）、下馬家溝組下段（O2x1）地層中，含礦地層厚度123.45 m，礦層厚度101.64 m，含礦系數82.33%。下馬家溝組（O2x）地層分5個礦層，巖性主要為白云質灰巖、灰質白云巖、含灰白云巖、石灰巖，其中3層為建筑石料用灰巖礦層，2層為水泥用灰巖礦層，呈互層狀。上馬家溝組（O2s）地層，巖性為白云質灰巖及少量零星分布的石灰巖，為建筑石料用灰巖礦體。

2.3 水文及工程地質特征

礦區含水巖組主要為第四系松散巖類孔隙含水巖組、奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組。前者主要分布于礦區南北兩側邊緣溝谷中，雨季含少量孔隙水；后者廣泛分布于全區，主要為馬家溝組白云質灰巖、石灰巖和泥質灰巖等，礦區含水層厚度120 m，受斷層影響，巖層裂隙、節理發育，裂隙率可達20%，裂隙寬度一般0.5～10 cm；巖溶發育不甚強烈，地表偶見10～20 cm溶洞，鉆孔中僅見沿裂隙的溶蝕現象，多呈半充填狀態。礦體位于當地最低侵蝕基準面以上，地形有利于自然排水，地下水補給條件差，水文地質條件簡單。

礦體主要賦存于奧陶系上馬家溝組中，由中厚—厚層狀白云質灰巖、石灰巖組成，總厚度101.64 m。巖礦石自然含水狀態下單軸抗壓強度32～79 MPa，平均為56 MPa，整體屬堅硬巖類巖石。工程地質條件屬簡單類型。

3 礦山地質環境問題

主要為礦山地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞等，其中礦山地質災害、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞問題較為突出。

3.1 地質災害現狀

礦山地質災害是指由自然地質作用和人類采礦活動引起的、造成人員生命財產損害或礦山地質生態環境破壞的災害事件。歷史遺留露天采場邊坡高度多為20～30 m，最高處約90 m，邊坡坡度60°～90°，現狀條件下露天采坑內未發現泥石流、滑坡等現象，僅有多處小規模的崩塌現象，崩塌體在10～30 m3，多發生在采坑周圍的坑壁上，采場坑壁陡峭，巖石出露較破碎，上方裂隙分布明顯，在降雨、風化剝蝕及人類活動等外部因素作用下形成小規模崩塌[10]。由于邊坡上方危巖體多處于欠穩定—不穩定狀態，且發育多條張性裂隙，裂隙內有掉塊現象，底部巖體有壓碎狀，崩塌地質災害發育程度強；現狀下崩塌地質災害未造成人員傷亡及直接經濟損失，地質災害危害程度小。現狀下區內地質災害發育程度強，地質災害危害程度小，誘發因素主要為人為因素，地質災害危險性中等。

3.2 含水層破壞

該區地下水補給來源單一，絕大部分來源于大氣降水。根據地貌形態特征，大氣降水大部沿山坡直接以地表徑流形式排泄，小部分由地表風化裂隙向深部滲透補給基巖裂隙水。據野外調查，歷史遺留露天采坑破壞面積較大，采場最低標高為+128 m，高于地下水位標高+100 m，采礦活動對含水層的影響和破壞程度較輕。

3.3 地形地貌景觀破壞現狀

該區不屬于各類自然保護區，亦無名勝古跡、無軍事設施、高壓線和其他重要的設施，不在主要干道的可視范圍內，現狀下采礦活動對地形地貌景觀的影響主要表現在遺留露天采坑破壞了原生的地形地貌，改變了山體原有形態[11]。 現狀下露天采場面積125.33 hm2，露天采場邊坡高度多為20～30 m，最高處約90 m，邊坡坡度60°～90°，直接破壞了原生地形地貌景觀，改變了地面標高（圖1、圖2），造成與原有自然景觀極不協調，對原生地形地貌景觀破壞程度較大，影響程度嚴重。

圖1 露天采坑Fig.1 Open-pit

圖2 廢渣Fig.2 Waste residue

3.4 損毀土地現狀

現狀下主要為歷史遺留露天采場對土地造成了損毀，共損毀土地面積125.33 hm2，損毀方式為挖損損毀；按損毀土地類型劃分，損毀旱地2.93 hm2、灌木林地7.91 hm2、其他草地17.13 hm2、農村道路0.04 hm2、裸地39.70 hm2、采礦用地57.62 hm2。損毀程度均為重度。

3.5 礦山地質環境影響及恢復治理分區

該礦為資源整合礦山，現狀下歷史遺留露天采場內礦山地質災害影響程度中等，采礦活動對含水層的影響和破壞程度較輕，對地形地貌景觀影響和破壞程度嚴重，對土地資源損毀嚴重。綜合分區將歷史遺留露天采場區劃分為礦山地質環境影響嚴重區（圖3）；并充分考慮礦山地質環境問題類型、分布特征及其危害性、礦山地質環境影響評估結果，進行礦山地質環境保護與治理恢復分區，將歷史遺留露天采場區劃分為礦山地質環境恢復治理重點防治區（表1）。

圖3 歷史遺留采場礦山地質環境影響綜合分區Fig.3 Comprehensive zoning map of geological environment impact of historical stopes and mines

表1 礦山地質環境影響綜合評估及恢復治理分區Tab.1 Comprehensive assessment of mine geological environment impact and zoning of restoration and treatment

針對礦山地質環境重點防治區，主要治理措施為對遺留露天采場進行削坡、清除危巖體和場地整形，并進行土地復墾等工程。

4 礦山地質環境恢復治理工程

為保證治理工程質量和效果，針對遺留露天采坑重點防治區內已存在的地質災害、地形地貌景觀破壞、土地資源損毀等問題，以創建和諧社會和可持續發展為目的，全面落實科學發展觀，做到“事前預防，事中治理，事后恢復”，按照綠色礦山建設的要求，對礦區及周邊歷史遺留的地質環境問題進行綜合治理和復墾，使礦山地質環境與周邊生態環境相協調，達到與區域條件相適應的環境功能。根據治理原則和思路，此次采用的工程技術措施包括危巖體清除、防護及警示工程、場地平整、廢渣回填及覆土工程、土壤改良工程、植被恢復工程、（截）排水溝等[12-13]，最終達到消除礦山地質災害、恢復土地植被資源、美化礦山地質環境的目的。

4.1 危巖體清除

歷史遺留露天采場內存在多處高陡邊坡，且邊坡上沿巖體破碎，局部已出現小規模崩塌。對現存高陡邊坡的危巖體（松散或裂隙發育破碎段）進行清除，對松散老土堆積層修整后坡度不大于45°，巖質邊坡采用炮錘法清理至不易破碎為宜。采用長臂挖掘機（炮錘法）施工，將清除的礦渣就近清運至坑底回填，不外運。共需清除危巖體約35處，累計清除危巖方量約1 200 m3。

4.2 防護及警示工程

（1）布設防護網。由于遺留露天采場局部與周邊原始地形落差較大，在采場外部邊緣設置防護網，避免出現意外墜落。防護網采用刺絲拉網，網高1.5 m，每3 m設1根立柱。刺拉絲規格為三股鍍鋅鋼絲，縱向拉網間距為20 cm，第1排離地高度20 cm，共7根，每根長3 m，斜角對拉1根穿插在橫絲中，共2根，每根長3.5 m；立柱選用直徑48 mm、高1.8 m刺拉絲專用鍍鋅鋼管噴塑綠色漆，立柱預埋30 cm，素混凝土澆筑固定[14]。工程量：共布設防護網900 m，圓管立柱304根、素混凝土8.2 m3、刺拉絲長度8 400 m。

（2）設置警示牌。在通往采場的道路上處分別設警示牌1塊。警示牌由角鐵、鐵皮焊接而成，角鐵長度2.6 m（埋入地下0.6 m），警示牌離地高度1.0 m，大小1.6 m×1.0 m。共設置警示牌10塊。

（3）場地平整。現狀下遺留露天采坑底局部遺留有少量廢渣，且多處地形起伏較大，為了便于復墾，對露天采場坑底進行平整，復墾為旱地的地塊平整后場地坡度控制在6°以內，復墾為有林地的地塊平整后場地坡度控制在15°以內。預計平整場地面積113.06 hm2。

（4）廢渣回填及覆土工程。在平整后的采坑坑底鋪設小顆粒廢渣30 cm后進行覆土，有林地場地覆土厚度50 cm、旱地場地覆土厚度80 cm。渣源來自礦山開采過程中產生的剝離物，土源采用剝離的第四系表土，不足部分外購。預計鋪廢渣量33.47萬m3，覆土69.31萬m3。

（5）土壤改良工程。新復墾的旱地覆土后表土肥力欠佳，采用增施有機肥、土地翻耕進行土壤改良[15]。

（6）植被恢復工程。本次復墾有林地66.45 hm2，施工時穴栽喬木側柏，撒播麥芽草、狗牙根草混合草籽，并在各邊坡坡底扦插葛藤，使藤條沿邊坡向上攀爬，澆水、施肥管護。預計穴栽側柏166 125株、扦插葛藤22 000株，撒播狗牙根、麥芽草混合草籽約3 200 kg。

（7）截（排）水溝。在遺留露天采場外圍1.5 m處敷設預制梯形截（排）水溝，以疏排上游降水。采用外購預制混凝土排水溝，排水溝截面呈梯形，單塊長度1 000 mm、內底寬300 mm、內口寬800 mm、內深500 mm、厚80 mm、邊坡比1∶0.5（圖4）。施工時挖梯形溝槽，截面600 mm×1 000 mm，底部用粒徑3 cm的細石C20混凝土找平，置入預制塊，兩側用黏性土填實。塊與塊間用瀝青麻絲勾縫連接。（截）排水溝長約4 800 m，人工挖土方1 296 m3、人工修整邊坡4 320 m2、澆注C20細石混凝土硬化43 m3。

圖4 排水溝斷面Fig.4 Cross section of drainage ditch

5 結論

（1）米山洞灰巖礦歷史遺留采坑地質災害主要以崩塌為主；露天采坑對地形地貌景觀及土地資源的影響和破壞程度嚴重。

（2）對露天采坑采用危巖體清除、布設防護網及警示牌、場地平整、廢渣回填及覆土、土壤改良、植被恢復及修筑截（排）水溝等工程措施能恢復治理礦山地質環境問題，從而消除地質災害隱患、恢復破壞的土地植被資源、改善生態環境，有力保障群眾生命財產安全，社會效益、環境效益和經濟效益顯著。