露采金屬礦坑邊坡生態修復實踐

李桂林，胡新紅，張曉昀

(1.湖北省地質局第一地質大隊，湖北 大冶 435100； 2.湖北省鄂東南基礎工程有限公司，湖北 黃石 435000)

1 引言

礦產資源是經濟社會發展必不可少的物質基礎。隨著工業化發展，我國對銅、金等有色金屬原材料需求急劇增加，大量有色金屬礦山被開發利用[1]。早期，采礦工藝主要采用基建工程量少、生產效率高的露天開采方式。據統計，我國近50%有色金屬礦山采用露天開采[2]。多年來，隨著礦山資源開采活動的推進，礦山面積不斷擴大，邊坡高度逐漸增加，造成礦區周邊學校、農田、地表水體等生態環境敏感點的環境風險不斷加大。礦山地質環境問題日益凸顯[3]。早期的露天金屬礦山的開采常采用爆破、陡幫、高臺階的作業方式。由此形成的邊坡具有坡度陡、臺階高度大、巖體易崩塌、穩定性差的特點[4]。長達數十年的開采和自然風化，邊坡地質穩定性逐漸減弱。同時，在地表徑流、雨水的沖刷浸溶下，礦區土壤重金屬污染情況也不容樂觀[5]。上述條件都對礦山邊坡的生態修復提出了挑戰[6]。高陡邊坡基巖裸露，與周邊自然環境形成鮮明對比，地形地貌景觀破壞，礦區空氣PM2.5、PM10等監測指標嚴重超標。金屬礦坑由于酸雨、地表水浸溶等因素影響，可能存在重金屬水污染、酸性礦山廢水外溢等環境風險。地質損毀、生態破壞和環境污染逐漸成為我國露采礦山典型的生態病癥[7]。因此，露采坑邊坡的生態修復技術研究成為行業重要且緊迫的研究工作[8，9]。

常用的邊坡生態環境修復技術有客土噴播、高次團粒噴播、植生混凝土復綠、植生帶復綠技術、V型槽復綠等，在國內相關礦山修復工程應用較多[10～12]。但對金屬礦山的露采坑邊坡的生態環境治理的研究報道卻明顯不足[2,8]。本文以湖北某露天金屬礦山為研究對象，開展生態修復技術分析，并對修復后的效果進行了評價，以期為我國同類礦山邊坡修復提供有益參考。

根據湖北省《礦產資源開發利用與生態復綠方案》，按照“邊開采，邊治理”理念，對銅山口露天礦山邊坡區域開展生態修復治理工作。主要任務是消除礦區地質環境惡化威脅，改善礦山生態地質環境，減少礦山揚塵，提高礦區周邊空氣環境治理，實現水土保持[13]。使礦山生態環境得到明顯改善與恢復，創建人與自然和諧發展的“綠色礦山”。

2 邊坡地質環境

銅山口銅礦始建于1958年，位于湖北省大冶市陳貴鎮銅山口，距大冶市區僅18 km，現礦區總面積2.88 km2。銅礦露天礦床資源目前殆盡，已進入深部開采。露采境界面內遺留有大面積裸露巖質邊坡和碎石。本研究區位于銅山口銅礦露采坑東側，治理區高陡邊坡，治理面積達27433 m2。礦區區域宏觀地貌屬低山丘陵區，總地勢東南高、西北低。礦區東南部以裸露型碳酸鹽巖為主，地形標高200～600 m，溝谷切割強烈，山坡坡度15°～30°，是大氣降雨的主要入滲區，也是區域巖溶地下水的主要補給區；區內植被較少，局部山坡巖石裸露，山坡植被主要為原生的灌木林。露采坑邊坡為南高北低的臺階式，臺階高度12 m，總坡高50～154.63 m。

2.1 地形地貌

治理區內屬丘陵壟崗狀地貌，東側地勢較高，最高標高為+175 m，西側地勢較低，標高為-30.09 m，相對高差約為205 m；山坡坡角為20°～40°，坡體巖石裸露，植被不發育，原治理區內的露采活動已形成一個大的采剝面，形成高陡邊坡(圖1)。

2.2 地層巖性

區內分布地層有第四系、二疊系、三疊系。由新到老分述如下。

2.2.1 第四系全新統殘坡積層(Q4)

多分布治理區北部低洼地帶，為殘坡積物，厚0～25.40 m。浮土為褐黑色及紫紅色砂質土或粘土，夾巖石碎石。厚度0～8 m。在地表礦層的溶溝亦有零星出露。分布不均，厚度不一，一般厚度在2 m以內，局部厚度大于5 m，最厚者達8 m。與下伏地層呈不整合接觸。

圖1 研究區露采坑邊坡現狀

2.2.2 二疊系下統棲霞組(P1q )

礦區僅出露棲霞組第二段(P1q2)地層，分布于礦區南東部。巖性主要為深灰色中厚層含燧石結核夾燧石條帶灰巖，燧石條帶順層分布。厚度190 m。

2.2.3 三疊系下統大冶組和嘉陵江組

區內中北部廣泛分布，與成礦關系較為密切。分為下統大冶組和中下統嘉陵江組。

(1)大冶組(T1d)。分為4個巖性段。第一段(T1d1)：巖性主要為褐黃色薄層鈣質頁巖夾灰巖透鏡體。厚度約21 m。第二段(T1d2)：巖性主要為淺灰色中厚層灰巖。質純，厚度97 m。第三段(T1d3)：下部為灰色薄層含泥質條帶灰巖，層理較發育，泥質條帶呈波狀，齒狀分布，中部為灰—灰黃色薄層蠕蟲狀灰巖，上部為灰—淺灰色薄層—中厚層狀灰巖，具縫合線狀泥質條帶。厚度177 m。第四段(T1d4)：下部為灰白色中厚層細晶灰巖，含白云質灰巖，上部為灰—灰白色厚層含白云質灰巖、灰質白云巖，頂部為灰白色厚層灰質白云巖，厚度270 m。

(2)嘉陵江組(T1-2j)。分為3個巖性段。第一段(T1-2j1)：巖性主要為米黃色、肉紅色薄層白云巖、角礫狀白云巖，含石膏假晶。厚度185 m。第二段(T1-2j2)：下部為灰色薄—中厚層含白云質灰巖，泥質條帶發育，寬1～3 mm，具似香腸狀構造特征，上部為淺灰色中厚層微晶灰巖，具縫合線構造。厚度110 m。第三巖性段(T1-2j3)：下部為褐黃色、淺灰色中厚層白云巖，上部為肉紅色厚層狀角礫狀白云巖，該層未見頂，厚度大于67 m。

2.3 水文地質條件

依據其水文地質特征劃分其含水層如下：第四系殘坡積孔隙含水層：由殘坡積和人工堆積的第四系組成，殘坡積零星分布在山頂及邊坡地帶。人工堆積主要集中在底盤附近，地下水主要賦存在亞粘土夾碎石、砂質土孔隙中，滲透性強，富水微弱。巖溶裂隙含水層：該層為二疊系下統和三疊系下統，此層碳酸鹽巖淺部溶蝕較強，為透水層，深部為治理區主要含水層。

治理區內地下水類型主要為巖溶裂隙水，地下水主要補給來源為大氣降水。地下水接受補給后沿巖溶裂隙依地勢自高向低徑流，一部分在地勢低洼處以泉或散浸的形式排除地表，另一部分參與區域地下水徑流。因此，治理區水文地質條件簡單類型。

2.4 工程地質條件

治理區巖體出露地表，巖層厚度大，產狀穩定，治理區除西部第四系殘坡積覆蓋層外，其他均為可利用的礦石巖層，工程地質巖組簡單。主要分為2個工程地質巖類，層狀堅硬碳酸巖類，松散結構堆積層巖類。

(1)散體結構殘坡積巖組。在治理區西部為人工廢渣堆,厚度為5～40 m。主要為原大冶鐵礦采礦廢渣。廢渣堆主要堆放在礦區東南側,塊徑大小不一, 其結構松散,透水性強,穩定性較差。

(2)堅硬的中厚層～厚層中等巖溶化碳酸鹽巖類巖組。本巖組為二疊系下統和三疊系下統灰巖，該巖組巖石堅硬、結構完整，局部地段裂隙發育，,裂隙寬3～5 cm,均被泥質充填,裂隙面見有溶蝕孔洞;從現場調查,巖體總體力學強度高,抗風化能力較強,工程地質性狀良好。

綜上所述，區巖性單一，主要由層狀較堅硬碳酸鹽巖類構成，巖體質量中等～良好，巖體穩定程度較高，工程地質條件良好，工程地質條件屬簡單型。

2.5 邊坡生態資源破壞情況

2.5.1 土地資源破壞情況

治理區為一開采礦山，挖損和壓占了土地資源，也改變了土地利用現狀。開采形成的高陡邊坡，坡面上基巖裸露，坡體水分和土體難以保存，植被難以成活，對治理區產生了土地資源壓占破壞。

2.5.2 地形地貌景觀破壞情況

治理區露天開采已形成一個大的高陡坡面，坡體巖石裸露，植被不發，破壞了坡體原有的部分綠色植被。形成的邊坡和采場底盤，使得山體植被損壞殆盡，高陡邊坡和采場底盤裸露，與周邊自然植被對比鮮明，十分不協調，嚴重影響了道路景觀，礦山開采對地形地貌景觀破壞嚴重。

2.5.3 含水層破壞情況

治理區最低標高均賦存于當地最低侵蝕基準面以上，采場不抽排侵蝕基準面以下的地下水，因此對治理區內地下水均衡影響較小。但一部分大氣降水順坡面向低洼處匯流，地表采坑的形成破壞了巖溶裂隙含水層，降低了礦山露采坑周邊地下水的埋藏深度，引起地下水流失，對侵蝕基準面以上含水層的補充具有截留作用。

3 邊坡生態修復方案

3.1 邊坡生態修復技術方法分析

根據研究區現場調查，由于巖體在坡面部分完整性差，且坡度較陡，結合以往實踐經驗和經濟適用，若直接噴播綠化方面效果不佳，且多個邊坡修復項目實踐表明，高次團粒噴播技術相比普通掛網噴播技術在土壤基質抗沖刷、植被恢復速度與植被種群結構等方面均有其優越性[16]。因此本項目治理工程設計主要為坡面清危+封邊墻覆土綠化工程(含壓頂墻)+高次團粒噴播+蓄水池及綠化養護+監測預警工程。在清理坡面危險活石后，利用原有臺階進行修建封邊墻，墻內覆土綠化。為保證綠化效果，選擇固土條件更好的高次團粒噴播技術(表1)。

表1 邊坡生態修復技術方法分析評定

3.2 工程設計

對于露天金屬礦山的開采，常采用爆破工藝，邊坡巖面高陡，內部裂隙多，隨著雨水、烈日等自然條件會加速風化，造成坡面巖石脫落。在開展邊坡生態修復前，首先應清楚危巖活石后，再開展坡面復綠施工作業。

3.2.1 坡面清方

從坡頂開始設計對坡面危險活石進行清理，消除坡面安全隱患。經估算，坡面危險活石清理方量5486.6 m3。

3.2.2 臺階封邊墻及覆土綠化(含壓頂墻)

利用原有坡面馬道臺階布設封邊墻工程，沿臺階通長布設。封邊墻是C25混凝土結構，縱筋HRB400Φ16@300鋼筋，2排；橫筋Φ8@200鋼筋，3排；主筋插入完整基巖深度≥0.4 m。墻高、寬分別為1 m、0.30 m，墻外邊線距臺階邊緣≥0.3 m；澆筑封邊墻混凝土時必需將基巖面打毛沖洗干凈。根據規范及同類工程經驗[17]，封邊墻每15 m布設一道伸縮縫，縫寬20 mm，縫內采用瀝青麻筋或瀝青木板充填。插筋孔孔徑≥4 cm，用M30水泥砂漿灌注。沿封邊墻底部布設一排泄水孔，距地面為20 cm處，泄水孔傾向墻外，采用φ75mmPVC排水管，孔距5 m，封邊墻內雨水向兩側分流。封邊墻可作為坡面高次團粒噴播掛網壓頂砼。封邊墻內覆土，種植刺槐、紅葉石楠和草籽對馬道進行綠化，覆土厚度0.8 m。栽植刺槐，胸徑4～5 cm，紅葉石楠，米徑4～5 cm，高101～110 cm，蓬徑81～100 cm(圖2)。

圖2 封邊墻截面(mm)

3.2.3 高次團粒噴播工程

設計對清危后的坡面采用高次團粒噴播的方案進行治理，治理面積約27433 m2。高次團粒噴播技術是通過噴播、機械或人工作業方式將由黏土、種子、團粒劑等混合制成的“人工基質土壤”噴射到坡面的綠化措施。這種“人工基質土壤”具有特殊的團粒結構，既有保水性，又有透水性、透氣性，適于植物生長，又能有效抵抗雨蝕和風蝕，防止水土流失。一般由團粒劑、植物纖維、黏土等材料混合制成(圖3、4)。

在噴射基質或鋪平鐵絲網前，應清除表面松散塊石及雜物，確保坡面平整。具體工序要求如下。鋪網：選用網孔5 cm×5 cm、鐵絲直徑2 mm(14#)過

圖3 高陡巖質邊坡高次團粒噴播綠化大樣

圖4 邊坡高次團粒噴播綠化工程剖面

塑鍍鋅菱形鐵絲網鋪設于坡面，長度根據需要裁剪，坡頂延伸不少于50 cm，并用樁釘固定后采用C25混凝土壓頂。坡頂固定后自上而下鋪設。上下及左右采用平行對接，兩片之間搭接寬度不小于10 cm，并用18#鐵絲綁扎牢固。網片距坡面保持5～8 cm的距離，用墊塊支撐。對過于平滑的坡面，在鍍鋅網間加設木條，以營造植物的生存空間，防止基材流失。釘網：錨釘使用Φ14防銹處理的鋼筋，水泥砂漿錨固，錨釘入坡深度根據邊坡地質情況確定，錨釘使用過程中需加設抗滑體。主錨釘長1.0 m，副錨釘長0.5 m，外露段長度0.18 m。孔偏差不大于5 cm，外露段錨釘向上彎折，將鍍鋅鐵絲網固定于坡面上。坡體頂部為加強穩定，按間距0.8 m×0.8 m，長70 cm進行兩排加密處理。

噴播原材料各組分粘土、有機質添加料、復合纖維料、土壤穩定劑、團粒劑、植物纖維等占比分別為0.4∶0.25∶0.15∶0.12∶0.03∶0.05。混拌均勻過篩后，用噴播機加壓噴射到坡面上。噴射分步實施。首先噴射不含種子的混合料，待第一次噴射的基質土達到一定強度后，緊接著第二次噴射含種子的混合材料，最終噴射混合材料平均厚度不小于15 cm。每次噴護單寬4～6 m，高度3～5 m，噴播由大于12 m3的空壓機送風，采用干式噴漿法施工，施工時須嚴格核準材料混合比例及用水量。噴射施工時，自上而下對坡面進行噴射，并盡可能保證噴管出口與坡面垂直。綠化用的植物品種應優選適宜本地氣候的鄉土作物，有利于提高植物的抗逆性，增加發芽率和生長質量。

3.2.4 養護管理

養護管理應首要保持基質水分，同時防止雨水沖刷和水分蒸發。采用霧狀水灑向坡面，按規定厚度浸潤透基材。除要灑水養護外，針對實際條件和設計要求的不同，視種子發芽情況施加肥料。出苗15 d后，可施N肥(5 g/m2)一次，再過10 d施復合肥(15 g/m2)一次。同時，注意土壤基質水分情況，按時噴灌澆水，以達到護坡及綠化邊坡的效果，養護管理期為竣工后一個水文年。設計在坡面坡頂處修建一個混凝土蓄水池，蓄水池匯集水源作為治理區綠化養護水源，蓄水池設置在排風井外側。養護用水源用高壓水泵輸送到坡頂蓄水池，供水管道采用PVC管，主、分、支管管徑分別為φ63 mm、φ50 mm、φ32 mm。噴灌噴頭采用旋轉式全圓噴頭。設計噴頭與噴頭之間的縱橫間距均為25 m(圖5)。

圖5 養護系統布置

4 分析及建議

露天金屬礦山邊坡生態修復工程按照問題導向、因地制宜的原則，結合礦坑原有立地條件在選擇最小工程擾動的條件下，營造植被生長環境，選擇草、灌木、喬木、爬藤植物等不同類型植被為礦坑自然生態的恢復重建創造了條件。治理工程的實施，減緩了治理區地質環境不斷惡化的趨勢，增加了治理區水土保持力度，對降低高陡邊坡次生地質災害風險也有一定積極貢獻。總之，提升了治理區區域的生態環境質量，增加周邊空氣環境質量，產生了較好的經濟社會效益。本項目的成功實踐，可為同類金屬礦山邊坡的生態治理工作提供參考(圖6)。

5 結論

治理區位于湖北省大冶市陳貴鎮，由于長期露天

圖6 邊坡治理前后對比照片

開采，形成高陡巖質礦坑，總面積達2.88 km2，坡高可達150 m，造成嚴重的地形地貌景觀破壞等礦山地質環境問題和地質災害隱患。裸露的巖石礦坑，與周邊山體地形地貌極不相稱，為改善治理區地質環境，美化周邊生態環境是項目生態治理的主要目的。

經現場勘查，生態治理方案設計經多部門專家審批，最終確定采用坡面清危+封邊墻覆土綠化工程(含壓頂墻)+高次團粒噴播+蓄水池及綠化養護+監測預警工程等措施進行修復。最終實施效果較好，生態修復措施可構建穩定的植物群落結構，形成相對穩定的植被生態系統，恢復山體植被景觀。達到了工程實施目的，順利通過專家組驗收。

采用小規模的工程措施，對露采礦坑進行生態修復治理，并選用多層次的鄉土作物營造適宜的植物生境，使治理區在人工治理的基礎上快速恢復自然狀態，與周邊環境融為一體，和諧統一。本項目的案例可作為高陡巖質邊坡生態修復的典型案例，在南方同類型露采礦坑邊坡的修復工程中借鑒應用。