礦山地質環境保護與恢復治理技術

田 飛，王沙沙，侯利陽

(河南省地質礦產勘查開發局 第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

為深入貫徹落實習近平生態文明思想和黨的十九大精神，積極踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，遵循節約資源和保護環境的基本國策，以“停產整治、關閉取締、優化重組、生態修復、統一標準、督查驗收”為主要手段，對全省范圍內所有露天礦山開展綜合整治工作。“桐柏縣城郊鄉方家寨片石場大理巖礦”位于該實施方案的重點生態功能區，符合文件精神[1-3]。根據上述文件精神，桐柏縣縣人民政府決定對桐柏縣城郊鄉方家寨片石場大理巖礦進行生態環境綜合整治工作。通過環境治理措施和生物措施的實施，對城郊鄉方家寨片石場大理巖礦礦山活動引發的礦山地質環境問題進行恢復治理，以改善和恢復礦區生態環境，在一定程度上保障當地人民群眾生命財產安全，并為治理施工與施工管理提供相應依據。

1 礦山地質環境條件

1.1 地形地貌

治理區以剝蝕丘陵為主，地勢呈西北高，東南低，最高點高程為+260 m，最低點高程為+195 m，最大高差為65 m。丘體呈渾圓狀，地形坡度一般為25°，地表沖溝發育。工作區南部發育有3條山間沖溝，開口向南，溝谷寬緩平直，上游寬80 m，下游寬100 m，溝深3～5 m，縱坡降2%～3%，下部呈多級平臺狀，匯水面積0.02 km2，工作區內植被發育較差。

由于礦山開采，治理區內形成了4處采坑，采坑一位于工作區西北角，呈圓形，直徑約為110 m，采坑內高程+230 m左右，深20～40 m；采坑二位于工作區北部，采坑內分為兩級平臺，高程分別為+218、+211 m左右，一級采坑平臺深約10 m，二級采坑平臺深10～40 m；采坑三位于工作區東部，采坑高程約+210 m，采坑幾乎呈圓形，采坑內少量碎石、石渣堆積，采坑深4～7 m；采坑四位于工作區南端，采坑最低高程為+195 m左右，采坑幾乎呈圓形，采坑北側為開采邊坡，最大高差約為30 m，最低約為5 m。另外，礦山剝離的廢土石都在工作區采坑一南部的排土場堆放，渣土堆目前高程為+229 m左右，目前堆積寬度約20 m，長約240 m，厚度約5 m。采礦活動已破壞了礦區原有的地形地貌。

1.2 地層

治理區出露的地層簡單，為古生界信陽群龜山組(Pt2g)和第四系(Q)，如圖1所示。

(1)古生界信陽群龜山組(Pt2g)。礦區大面積出露古生界信陽群龜山組，主要巖性為大理巖、斜長角閃片巖。巖性特征自北而南簡述如下：斜長角閃片巖：分布在礦區南、北兩側，巖石為灰褐色、黃綠色。鱗片變晶結構，片狀構造。巖石主要組成礦物角閃石 50%～80%、斜長石 10%～25%，含石英等。

圖1 治理區地質Fig.1 Geology of the treatment area

大理巖幾乎遍布全區構成可利用礦體。

(2)第四系(Q)。一般出露于治理區北部斜坡上部和治理區南部的緩坡上，坡上多為碎石、殘坡積物，在北部斜坡上部土層較薄，南部緩坡上局部形成較厚的土層。治理區內厚度0.4～1.3 m。巖性為粉質黏土、黏土。

1.3 構造

工作區位于北秦嶺褶皺系東段，桐柏松扒斷裂以南。工作區內地層呈單斜構造，總體走向北西—南東，傾向北東30°～85°，傾角65°～80°，未切割礦體圍巖，巖石節理、裂隙不發育。從產狀看，說明巖層走向上擺動較大，工作區外圍構造對其影響明顯。總體來說，工作區區內地質構造簡單。

2 主要礦山地質環境問題

2.1 礦山地質環境問題現狀概述

小礦山開采是以破壞地質環境為代價的，尤其是露天開采造成的地質景觀嚴重破壞，使原本視覺上較為協調的地質景觀、秀美山川遭到了嚴重的破壞，這不僅與原自然環境構成了強烈的對比反差，而且易引發崩塌、滑坡等地質災害；另外，采石均為露天開采，在生產過程中缺乏科學規劃，石沫亂放，濫采亂挖，造成了水土流失加劇，生態環境日益惡化。

治理區內礦山為露天開采，以開采大理巖建筑石料為主，礦山多倚坡開挖，露天作業，廢棄采坑邊坡高度大，坡度陡，在暴雨條件下，易引發崩塌、滑坡災害；礦山開采進行了大面積的開挖，土地壓占破壞、植被破壞、景觀破壞等資源毀損嚴重。

經野外調查，勘查區內目前未發現崩塌、滑坡。調查發現4處規模較大采坑，2處邊坡和2處石沫及渣土堆場。目前，礦山面臨的主要礦山地質問題有地形地貌景觀破壞和土地資源破壞。

2.2 地形地貌景觀破壞及危害

工作區內石料場和渣土堆堆積，石料、渣土堆放嚴重破壞了原有的地形地貌景觀，基巖大面積裸露于地表，采坑及邊坡破碎凌亂，石料、渣土、廢石在勘查區內隨處可見，滿目瘡痍。礦區大部變為裸地，新的地貌條件取代了原有的地貌形態。地形地貌的改變對于小尺度氣候的影響是巨大的；而小尺度氣候對生物多樣性影響是深遠的。工作區地形地貌景觀破壞面積為66 754 m2，其中石沫渣土堆積破壞面積約為22 650 m2。邊坡和采坑破壞面積441 104 m2。各高陡邊坡、石渣石料堆積場、采坑和采礦設施詳細描述如下。

2.2.1 高陡邊坡

方家寨片石場大理巖礦露天開采，開采坡面陡立，破碎，形成邊坡。本次勘查區內主要包括2處高陡斜坡，分別為南部邊坡和北部邊坡。

(1)南部邊坡(圖2)。該邊坡高6～30 m，幾乎呈東西方向展布，坡向約146°，坡度25°～35°，坡寬約200 m。邊坡上部斜坡坡面上堆積廢渣棄土，厚度3～4 m，坡體東部和西部植被茂盛，中部為送料場，裸露，基本無植被，面積約為7 097 m2。

圖2 南部邊坡Fig.2 Southern slope

(2)北部邊坡。北部邊坡高20～50 m，西北—東南方向展布，坡向約201°。坡度45°～65°，坡寬約450 m。坡面破碎、裸露，植被不發育。根據現狀調查，區內礦體及圍巖產狀穩定且與坡向反向，整體保持著巨厚塊狀，基巖裂隙不發育，也未發現軟弱結構層。該坡坡面裸露，坡體較陡，臨空面大，在長期重力和風化作用下，破裂面摩擦力會持續降低，會有局部巖塊與母巖脫離現象。因此，可能會發生崩塌，威脅下方行人。

2.2.2 石渣石料堆積場

(1)南部石沫場(圖3)。工作區南部石料場位于采坑四內，堆積高度5～10 m，現石料場內部的石料已運走，剩余料場的石料堆積呈圓環形。內圓半徑約為35 m，高程約為+195 m；外圓半徑約為50 m，高程為+199～+204m。該石料場破壞面積為7 850 m2。

圖3 南部石沫場Fig.3 Southern shimochang

(2)西北部渣土堆積場。工作區西北部渣土堆積場，位于采坑一的西側，為開采礦石過程中的剝離土堆積而成。剝離土順坡堆積，坡頂堆積厚度較大，厚度6～7 m，堆積寬度約15 m，長約232 m，破壞面積3 494 m2，體積約24 458 m3。斜坡上的剝離土較薄，渣土堆積厚度約0.4～0.6 m，局部厚度達1 m，破壞面積10 000 m2，體積約4 800 m3。

2.2.3 采坑

(1)采坑一(圖4)。采坑一位于工作區西北角，呈圓形，直徑約為110 m。采坑內高程230 m左右，深20～40 m，采坑內少量碎石、石渣堆積，破壞面積約為7 132 m2。

圖4 采坑一Fig.4 Pit one

(2)采坑二。采坑二位于工作區北部，采坑內分為兩級平臺，高程分別為+218、+211 m，一級采坑平臺深約10 m，二級采坑平臺深10～40 m，采坑內少量碎石、石渣堆積，面積分別為3 530、6 430 m2。整個采坑破壞面積為14 709 m2。

(3)采坑三。采坑三位于工作區東部，采坑高程約+210 m，采坑幾乎呈圓形，采坑內少量碎石、石渣堆積，采坑深4～7 m，整個采坑破壞面積為3 102 m2。

(4)采坑四。采坑四位于工作區南端，采坑最低高程為+195 m左右，采坑幾乎呈圓形，采坑北側為開采邊坡，最大高差約為30 m，最低約為5 m。采坑內大量石沫堆積，堆積高度5～10 m，估計石沫方量為58 875 m3。整個采坑破壞面積為16 985 m2。

2.2.4 采礦設施

據調查，礦山內現有2處采礦設施。一處位于南部邊坡東側的為采礦送料器基座，混凝土結構，面積281.2 m2；另一處位于采坑四東南角，為礦山項目部，簡易鐵皮房，面積約48.5 m2。

2.3 土地資源破壞及危害

工作區內無論采坑還是石料、渣土堆放，均使原本稀疏的礦區植被破壞殆盡，地表基巖裸露，石料、渣土、廢石及其他采礦廢棄設施凌亂不堪。采礦場及周圍生態環境的破壞，造成居民的生存環境質量下降。依據土地利用規劃圖，目前治理區內造成壓占與破壞土地類型為采礦用地、有林地、灌木林地、其他林地和其他草地為主，見表1，工作區土地利用現狀如圖5所示。

表1 治理區土地利用現狀Tab.1 Current status of land use in the governance area

目前，礦區生產造成壓占與破壞土地類型為采礦用地、有林地、灌木林地、其他林地和其他草地。其中,西北部渣土堆占地類型為采礦用地，面積為3 494 m2。治理區內采礦形成的巨大采面，植被和表層土層被完全剝離，形成陡峭巖壁，坡面被雨水侵蝕嚴重，人工改造恢復植被非常困難。另外，石料、渣土堆放場地，采礦附屬設施及其他表層種植土剝離區，未加防護的石粉堆、渣土堆等在雨季地表水的侵蝕下在坡面形成不同大小溝壑，加劇水土流失和地質災害的頻發，這部分土地的種植功能也基本喪失，但經人工改造覆土后可恢復為林地等，恢復土地的基本種植功能較為容易。

圖5 工作區土地利用現狀Fig.5 Status of land use in the work area

綜上所述，工作區內土地破壞總面積為66 754 m2，本次設計修復為有林地。

3 礦山地質環境恢復治理設計

3.1 總體設計

根據礦山地質環境問題特點，總體布置如下：礦區劃分為采坑治理區(采坑一、采坑二、采坑三、采坑四)，高陡邊坡治理區、石沫渣土治理區。采坑治理區主要包括坑底平整、覆土和生物綠化。高陡邊坡治理區主要考慮治理總體布局，并結合原始的地形地貌特征，進行整治。布置包括殘山開挖與邊坡整理、覆土綠化和砌筑擋土墻等。2處石沫渣土堆治理區主要采取清運進行整治，其中西南部渣土堆和南部邊坡上的棄土可作為本次治理的覆土土源[4-10]。

3.2 治理分項設計

3.2.1 邊坡整理

針對治理區內采坑面積較大、采坑深、坡面陡、節理裂隙發育、巖體風化中等的現象，邊坡整理重點安排在采坑周邊的邊坡，主要采用分級削坡的方法進行邊坡整理。采坑邊坡采用多級削坡、設置馬道、反壓坡腳等措施增加其穩定性。依據規范中巖質邊坡坡率允許值范圍，邊坡設置為4—6級，巖質挖方邊坡坡率按巖質Ⅲ類中等風化邊坡坡率允許值確定。本次設計邊坡分級高度5 m，設計邊坡坡度為60°，符合Ⅲ類中等風化邊坡坡率為1.00∶0.35～1.00∶0.50的要求。運用南方CASS應用中的方格網法計算挖方量。①將每級平臺和其上方的緊鄰斜坡作為一個整體，假設將該平臺和斜坡共同挖方至該平臺的標高處；②用南方CASS應用中的方格網法計算出該級平臺和其上方的緊鄰斜坡挖至該標高處的挖方量；③用挖方量減去每級斜坡多算出的挖方量，即為每級平臺和其上方的緊鄰斜坡的實際挖方量。例如臺階標高+245 m，上方緊鄰斜坡坡度60°，臺階長度226.8 m，挖方量為9 389.3 m3。則斜坡多算出的面積為固定三角形的面積，即7.217 m2。實際挖方量為7 752.56 m3。邊坡整理每級的開挖方量見表2。治理區內2處邊坡的整理情況如下。

表2 邊坡整理各級臺階及上部緊鄰斜坡挖方量Tab.2 Amount of excavation of the steps at all levels and the upper adjacent slope for side slope preparation

南部邊坡整個邊坡共設置3級臺階，每級臺階標高分別為+210、+205、+200 m；臺階寬度不小于3 m。采坑四底部整理標高至+200 m。北部邊坡盡量結合原始地貌設計。采坑一坑底整理至標高為+220m，共設置8級臺階，每級臺階標高分別+265、+260、+255、+250、+245、+240、+235、+230、+225 m。采坑二和采坑三連接處設置坡面，坡度為60°。采坑二坑底整理至標高+215 m，共設置9級臺階，每級臺階標高分別為+265、+260、+255、+250、+245、+240、+235、+230、+225、+220 m。采坑三坑底整理至標高+210 m。采坑二和采坑三連接處設置坡面，坡度為60°。每級臺階寬度不小于3 m。采坑四坑底整理至標高200 m。采坑三和采坑四連接處設置臺階，標高為205 m，邊坡坡度為60°。每級臺階寬度不小于3 m。

3.2.2 地形平整

地形平整的挖填方量計算方法和邊坡整理計算方法一樣，運用南方CASS應用中的方格網法計算挖方量。①將每級平臺和其上方的緊鄰斜坡作為一個整體，假設將該平臺和斜坡共同挖方至該平臺的標高處；②用南方CASS應用中的方格網法計算出該級平臺和其上方的緊鄰斜坡挖至該標高處的挖方量；③用挖方量減去每級斜坡多算出的挖方量，即為每級平臺和其上方的緊鄰斜坡的實際挖方量。

(1)采坑一：坑底平整至+220 m，平整面積為13 122.9 m2。 開挖方量通過南方CASS方格網土石方填挖計算方法計算，減掉多余方量，即85 386 m3。

(2)采坑二：采坑坑內、及坡腳堆積有少量碎石、廢渣，坑底分為按照標高+218、+211 m可分成2級臺階。根據采坑地形條件，結合周圍環境及施工條件，坑底整體清理至標高+215m，面積為133 019 m2。開挖方量通過南方CASS方格網土石方填挖計算方法計算。減掉多余方量，即30 471 m3。

(3)采坑三：坑底平整至+210m，平整面積為5 070 m2。 開挖方量通過南方CASS方格網土石方填挖計算方法計算。減掉多余方量，即17 540.7 m3。

(4)采坑四：設計坑底平整至+200 m，平整面積為21 245 m2。 開挖方量通過南方CASS方格網土石方填挖計算方法計算。減掉多余方量，即63 295 m3。平整量見表3。

表3 各采坑地形平整挖方量Tab.3 Amount of excavation for each pit terrain leveling

3.2.3 擋土保水岸墻

為解決采坑巖質高陡邊坡的復綠問題，本次治理采用邊坡分級削坡留設馬道，并在馬道上覆土種樹的治理方式。在每級馬道外側砌筑高1.0 m，寬0.5 m的擋土保水岸墻，防止馬道上填筑的復綠土地流失，保水擋墻長度約為3 661.08 m，M10漿砌石1 830 m3，M10砂漿抹面9 154 m2。保水擋墻的斷面如圖6所示。

圖6 保水擋墻斷面示意Fig.6 Cross-section of water retaining wall

3.2.4 覆土

對整平后采坑和邊坡的每級臺階(馬道)上，實施覆土，覆土為自然沉實土壤。地形平整后，下部墊渣0.4 cm上部覆土厚度0.6 m。覆土后地面坡率2%～3%，覆土應為適宜植物生長所需理化性能的自然界中的土壤，碎石含量不大于5%。土源除利用坡面整理和地形平整所得土體之外，可從調查的土源處取土。覆土面積合計59045.25m2，墊渣23 611 m3，覆土35 416 m3。土源除可利用從治理區施工過程中剝離的表土外，其余覆土量經現場調查及協商，西北部渣堆和南部邊坡的渣土土源是由于礦山開采過程中剝離的表土堆積而成。因此，作為本次取土點，經覆土用量計算，2處確定土方量約為36 000 m2。此次覆土需35 416 m3，土方量大于需土量，滿足此次覆土需要。

3.2.5 生物綠化

(1)土地復墾適宜性。針對治理區內的土地損毀，設計開展土地復墾。在結合治理的邊坡整理、地形平整和覆土設計的基礎上，進行土地復墾適宜性評價，為此次生物綠化設計提供依據。根據初步確定的復墾方向及土地適宜性評價原則、評價方法、評價標準、評價單元劃分等，通過分析和調查各評價單元的原土地利用情況、土地損毀、公眾參與、當地社會經濟等情況，以確定各復墾單元不同土地復墾方向的適宜性等級。從各評價單元用地限制性因素分析和施工難易程度等情況，最終確定復墾方向，確定各復墾單元最終復墾方向，見表4。綜上所述，復墾責任范圍通過適宜性評價，臺階和采坑平整后平臺最終確定可復墾為有林地。而斜坡上由于受坡度和地表組成物質限制屬于不適宜類，因此本次可在臺階的外側和內側種植爬藤植物，復墾為灌木林地，對斜坡達到綠化效果。

表4 土地復墾適宜性評價最終結果Tab.4 Final result of land reclamation suitability evaluation

(2)生物綠化設計。生物措施主要起到覆蓋地表、穩定邊坡、控制水土流失、改善礦區生態環境。在此基礎上，全部治理區均要混合播撒草籽和刺槐樹籽、臭椿樹籽。裸露的基巖邊坡上也要撒播。在采坑坑底、各級覆土臺階種植側柏的復綠方法，可達到盡快恢復礦區生態環境的目的。樹間距設計為1.5 m×1.5 m，樹坑規格為0.6 m×0.6 m×0.6 m；應用的苗木應具備生長健壯、枝葉繁茂、冠形完整、色澤正常、根系發達、無病蟲害、無機械損傷、無凍害等基本質量要求；在臺階的內外側種植常青藤，常青藤屬多年生大型落葉木質藤本植物，扦插繁殖，株距1 m×1 m，共計3 661株。在全部治理區內及周邊10 m區域內撒播草籽和刺槐樹籽、臭椿樹籽，混合比例為3∶1∶1。撒播草籽面積79 420 m2，綠化面積共79 420 m2。

3.2.6 廢棄設施拆除

在工作區遺留廢棄磚砌采礦加工設備和項目部等生產性用房共計5間，礦山治理過程中逐步將其拆除，拆除工作量340 m2。設計對拆除廢棄磚砌設備和項目部所產生的建筑垃圾，就近進行采礦平臺坑塘回填。

4 效益分析

4.1 社會效益

對礦山進行環境保護與綜合治理，越來越被認為是人類在可持續發展下資源開發模式的一種理性選擇。桐柏縣城郊鎮方家寨建筑用大理巖礦礦山地質環境保護與恢復治理有助于緩解礦業開發與環境保護之間的矛盾，適應經濟社會可持續發展的戰略要求。同時，增強人民群眾對黨和政府的信任，提高人民群眾進行生產勞動創造財富的積極性，對全面建設小康社會具有重要的意義。

4.2 環境效益

礦山地質環境治理是通過生物措施、措施將因礦山開發破壞的地貌景觀得到修復，增加植被覆蓋率，可有效的凈化大氣污染，調節當地氣候環境，通過對礦山的礦山生態修復，增加林地66 754 m2，將有效提高治理區森林覆蓋率，減少因礦渣堆放等引起的揚塵，有效地改善治理區環境現狀，重現礦區綠樹青山。

5 結語

桐柏縣城郊鎮方家寨建筑用大理巖礦礦山地質環境保護與恢復治理的實施需要大量的人力、物力，能夠一定程度上帶動相關產業的發展，并在一定時期為當地剩余勞動力提供了就業機會，對于緩解當地勞動力過剩、就業困難具有重要意義。并且項目的實施可恢復林地66 754 m2，將會改善礦區的生存條件、生活空間和生活環境，同時，治理過程中產生的土石方量具有一定的經濟價值，能夠有效改善本區域的經濟發展、經濟投資的外部環境，有力于促進當地社會經濟的發展和諧社會的構建。總之，地質環境治理是一項利國利民、造福后代的民心工程，綜合效益顯著。