河南省祁雨溝公峪礦區地質環境問題及防治措施

靳貝貝，張傳東，姚嬌嬌，羅 璇，崔盼盼

(1.河南省地質礦產勘查開發局 第三地質勘查院，河南 鄭州 450000； 2.河南省金屬礦產深孔鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450000)

礦產資源包括非金屬礦、金屬礦和能源礦產3大類；開采方式主要為地下開采或露天開采，不同礦種的礦產資源、不同的開采方式及充填采礦法，產生的地質環境問題區別較大[1-2]。地下開采金屬礦產資源存在的主要環境問題為地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、深層地下水破壞、地形地貌植被破壞、土地占壓與損毀、尾礦潰壩和水土污染等，為了解決礦產資源開發與礦山地質環境保護協調發展，減少地質災害，防止水土污染，保持生態平衡，建設綠色礦山[1，3-4]，本文以祁雨溝公峪金礦為例，探討全膠結或膠結+尾砂的充填法在地下金礦開采的應用，并進行了實地地質環境問題調查，預測了潛在地質環境問題，提出了有效的恢復治理措施，為礦山生產、修復和保護及土地復墾提供理論依據和應用實例。

1 礦區地質環境背景

祁雨溝公峪金礦位于嵩縣西北部，為地下開采的生產大型礦山，開采深度+700～+280 m，目前開采J4、J5礦體，采用平硐+主副井+風井開拓，無底柱分段崩落法與階段空場法，井下充填采用全膠結或膠結+尾砂的充填方法[5-6]。礦山固體廢棄物主要是采礦產生的廢石，選礦廠排尾量為2905.8t/d，井下充填1 018 t/d，廢水主要為礦井涌水、選礦廢水及生活污水等。

1.1 自然地理

礦區地處暖溫帶向亞熱帶大陸性季風氣候過渡帶；屬黃河水系伊河支流流域，發育公峪溝和祁雨溝與美溝壕；屬侵蝕剝蝕低山地貌，三山夾兩溝，西北高東南低，山勢稍陡，地形坡度一般為10°～30°，沖溝斷面近似“V”形；植被茂密，植被覆蓋率可達80%；土壤類型以褐土與棕壤土為主，土壤厚度一般為0.2～0.5 m，局部風化巖石裸露。

1.2 地質環境背景

礦區位于中朝準地臺南緣華熊臺緣坳陷南部邊緣的崤山—魯山拱褶斷束分區內，褶皺構造不發育，主要為向東南傾的單斜構造。斷裂構造較發育，主要為斷裂F24的次級構造，呈北東向，走向10°～80°，傾角55°～65°，傾向南東或北西，寬0.30～4.32 m，由角礫巖和碎裂巖構成，并遭受不同程度的熱液蝕變。發育爆破角礫巖構造6處，角礫巖型金礦體嚴格受角礫巖體控制。主要出露太古宇太華巖群黑云斜長角閃片麻巖、中元古界熊耳群許山組安山巖夾安山玢巖和第四系殘坡積物。巖漿巖主要為前加里東期安山玢巖和燕山期花崗斑巖。

1.3 水文地質特征

地下水類型為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。前者含水層巖性主要為太華巖群黑云斜長角閃片麻巖、隱爆角礫巖、熊耳群許山組安山巖、前加里東期安山玢巖與燕山期花崗斑巖，含水層主要為風化裂隙與構造裂隙帶，風化裂隙帶深度可達30 m，向下裂隙率逐漸減弱，水位埋深不一，受季節影響大，富水性弱；后者含水層巖性由第四系砂土、砂質黏土與砂礫石層組成，分布于沖溝底部，水量季節性變化明顯，地下水水位埋深在6～8 m。

1.4 工程地質特征

礦區內巖體類型主要為巖漿巖建造堅硬的塊狀侵入巖巖性組與變質巖建造堅硬的片麻巖巖性組，土體類型主要為單層結構的卵礫石、砂類土與黏性土。圍巖主要為黑云斜長角閃片麻巖與花崗斑巖，堅硬致密，一般情況下較穩定，但是在侵入巖體附近裂隙比較發育處，巖石破碎，不穩定。圍巖較穩定，局部結構破碎，工程地質條件中等。

1.5 礦體地質特征

金礦體賦存于太華群隱爆角礫巖體內[7-8]，開采J4與J5礦體，礦體在空間上近直立，與角礫巖體產狀基本一致，空間形態為一不規則透鏡體。礦石為碎裂結構，塊狀構造為主。礦石的化學成分以SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、Fe2O3、FeO為主，Ag含量一般0.9×10-6～1.7×10-6，銅含量0.106%～0.914%，鉛小于0.1%，砷含量6.25×10-6。

2 地質環境問題現狀

2.1 礦山地質災害

評估區內未發現崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地質災害，僅發現1處地面塌陷，位于J4礦體采空區(圖1)。

圖1 J4塌陷坑特征Fig.1 Characteristics of J4 collapse pit

地面塌陷坑位于采空區正上方，南側在J4礦體內部塌陷，北側沿圍巖接觸帶塌陷，坑長約230 m，寬約150 m，面積約3.5 hm2，南側邊坡高90 m，中部塌陷深度30 m。塌陷坑邊緣坡度較陡，結構松散，處于不穩定狀態，受降雨影響，不斷塌落，邊緣裂縫不斷向外延伸。采區現狀地面塌陷區地質災害發育程度強、危險性大、危害程度中等[9-10]。

2.2 含水層破壞

礦山開采J4、J5礦體標高達+310 m，無重要含水層。礦體開采(挖損破壞、爆破圍巖松動及移動變形)對基巖裂隙基巖含水層結構造成了一定的破壞，形成新的地下水運移通道，但基巖裂隙含水層富水性弱，不具供水意義，只局部破壞了地下水賦存條件及徑流條件，對含水層結構和水位破壞影響較輕。此外，采礦活動產生的污水主要作為選礦用水、職工生活用水和綠化灌溉用水，滿足地表水Ⅲ類標準，且生活污水經凈化處理達標后排放，采礦活動對地下水環境影響較輕[9，11]。

2.3 地形地貌景觀破壞

現狀下地形地貌景觀破壞(表1)主要是3個工業場地(圖2(a))、3處廢石場(圖2(b)、圖2(c))、J4采區、選礦廠和韓村尾礦庫對地形地貌景觀的破壞嚴重；礦山道路、風井場地和炸藥庫(圖2(d))對地形地貌景觀的破壞較嚴重；祁雨溝尾礦庫已覆土綠化恢復，對原始地形地貌景觀影響較小。

表1 地形地貌破壞情況Tab.1 Landform damage

圖2 地形地貌景觀破壞Fig.2 Landform and landscape damage

2.4 水土污染

對礦區東側陶村水井、高都川河邊大口井及庫址上游觀測井取樣監測，pH值、化學需氧量、氨氮、氰化物、氟化物、硫化物、懸浮物、銅、鉛、鋅、鉻流量等，滿足地表水Ⅲ類標準要求，礦山生產對水環境污染情況為輕度污染；對礦區3號廢石場、選礦廠下游農田和炸藥庫下游農田土壤進行取樣檢測，pH值、陽離子交換量、銀、銅、鋅、鉬、鐵、鉛、汞、砷、鋁、鉻、鎘、氰化物等均低于土壤環境質量標準第二級值，對土壤環境污染情況為輕度污染[12-13]。

2.5 土地損毀

祁雨溝公峪金礦對土地的損毀主要為以往開采礦體形成的露天采坑、地面塌陷、工業場地、廢石場、選礦廠和尾礦庫等對土地造成的損毀，細分為壓占損毀、塌陷損毀和挖損損毀等(表2)。其中，現狀壓占土地主要包括工業場地、炸藥庫、廢石場、礦山道路、選礦廠和尾礦庫；塌陷損毀為J4采區地面塌陷區，面積3.5 hm2，邊坡高度可達90 m，最大塌陷深度30 m；挖損損毀為J4礦體在2009年以前形成有1處露天采坑，底面標高+650 m以上，后又形成塌陷坑，露天采坑面積3.6 hm2。

表2 已損毀土地利用現狀Tab.2 Damaged land use status hm2

3 地質環境問題預測

3.1 地質災害

礦山的地形地貌、工程地質條件和構造特征和井下開采方式，使得評估區可能引發和遭受的地質災害有滑坡、泥石流和地面塌陷。

2號廢石場位于美溝壕一側沖溝底部，主要是采礦產生的廢石，結構松散，遇到暴雨，廢石場下面坡積物遇水變軟可能引發滑坡和泥石流；采空塌陷后山體邊坡處于欠穩定—不穩定狀態，并伴生地裂縫使危巖體主控拉破裂面直立呈上寬下窄，裂面內有掉塊現象，危巖上方有細小裂隙分布，可能引發崩塌和滑坡；J4礦體北側與南側有F12、F17、F18、F20斷裂以及燕山期花崗斑巖入侵，J5礦體西側有F41斷裂與前加里東期安山玢巖入侵，巖體裂隙發育，產生塌陷坑，發生地面塌陷。

3.2 含水層

礦區開采礦體主要位于+310 m以下，圍巖屬弱透水巖層，無重要含水層分布，無供水意義；礦體與陶村水庫間存在20～170 m的花崗斑巖巖墻，不透水；韓村尾礦壩溢流水和礦井排水，經處理用作選礦用水、生活用水和綠化灌溉用水等，采礦對含水層結構、地下水水位和水質影響較小[14]。

3.3 地形地貌景觀破壞

礦區工業場地、風井場地、炸藥庫場地和礦山道路、3號廢石場、選礦廠、韓村尾礦庫和取土場規模不再擴大，但對地形地貌景觀破壞仍然為較嚴重；1號廢石場與2號廢石場仍需繼續排放廢石渣，且規模仍需擴大，對地形地貌景觀破壞嚴重；J4采區仍在進行開采，仍存在塌陷坑塌現象，采坑邊坡、采區寬度和高度會進一步加大，對地形地貌景觀破壞嚴重。

3.4 水土污染預測

礦山有較完善的回水設施(沉淀池、清水池、高位水池等)，生活污水經SBR處理后達回用水標準循環使用，除汛期外，對高都川河、陸渾水庫水質基本沒有影響。礦山土壤環境污染狀監測數據表明，工業場地、廢渣等淋溶過程不會對周邊土壤環境造成污染，對地下水水質無影響，故礦山生產對水土污染影響較輕。

3.5 土地損毀

礦山為井下開采，采用淺孔留礦法，全膠結/膠結+尾砂充填法回采礦體，利用廢石及時回填采空區，有效控制了地表塌陷造成的土地損毀，但仍有地表塌陷造成的土地損毀的可能。祁雨溝公峪金礦為正在生產礦山，3號廢石場規模不再擴大，1號廢石場與2號廢石場還要排放廢石渣，規模還要擴大，預計1號廢石場面積增大至1.2 hm2，2號廢石場面積增大至1.4 hm2，仍需占用大量的土地資源。

此外，礦山結束后，對工業場地和廢石場等進行復墾，對其進行覆土，需要就近取土，會造成一定程度的土地毀損。

4 地質環境問題防治

4.1 礦山地質環境治理分區

堅持“以人為本”，充分考慮區內主要建設工程的重要性，劃分為重點防治區、次重點防治區和一般防治區3個區(圖3)，其中重點防治區劃分了5個防治分區(表3)，總面積0.437 8 km2，次重點防治區劃分了4個防治分區，總面積約0.006 7 km2，其他區域為一般保護區，面積約3.615 9 km2。

圖3 礦山地質環境治理分區Fig.3 Zoning map of mine geological environment treatment

表3 礦山地質環境保護與恢復治理分區Tab.3 Zoning of mine geological environment protection and restoration

4.2 地質災害防治

區內地質災害主要為采礦造成的地面塌陷1處，可能引發和遭受的地質災害有滑坡、泥石流和地面塌陷等。

(1)治理。礦區主要開采J5和J4礦體，J4采區存在地面塌陷，擬對塌陷坑邊坡削坡和挖廢渣清除危巖體處理，邊坡削成臺階，陷坑及平臺廢石和廢渣回填，平臺外緣修建擋水壩，陷坑周圍設置泄洪洞、擋水壩和排水溝(圖4)，利用排水，防止沖刷，保持水分，種植植物。1號廢石場與3號廢石場內有可能引發泥石流災害，修建擋墻與截水溝；2號廢石場邊坡較陡，有可能發生滑坡災害，威脅炸藥庫人員與東風井安全，設置3級平臺。

圖4 治理后地質環境特征Fig.4 Geological environment characteristics after treatment

(2)預防。地下開采過程中，嚴格執行開發方案，加強頂板控制和廢渣石回填采空區，避免地面塌陷、地裂縫的發生和地形地貌及土地資源的破壞；廢石場修建擋土墻，防止遭受崩塌和滑坡地質災害的破壞。加強地面變形監測，發生異常現象及時分析和整理；防止地表水滲入地下巷道，威脅礦山安全；加強廢石和廢土的綜合利用，減少排土場土石量，源頭上避免泥石流的發生。

4.3 含水層防治

采礦對含水層結構、地下水水位和水質影響較小，故無需治理，主要以預防和礦坑水綜合利用為主。

開采過程中，加強探水和含水層封堵工作，安排合理工程措施封堵鉆孔揭穿地下水含水層和斷層突發水電，減輕對地下水破壞[15-16]。加強地下水水位和水質及礦井排水量監測，合理利用水資源，注意防水，避免礦坑水滲漏，監督水必須經過排水處理系統，確保水質達標排放；盡量減少棄渣石和棄渣的排放，防止地下水污染。

4.4 地形地貌景觀破壞

地下開采廢石盡量不出坑，及時充填采空區；避免生產運輸占用破壞臨時用地；采礦地面活動嚴格限制在工業場地內；對周邊土地做好養護和修復(圖4(c)、圖4(d))；最大限度地減少對原生地形地貌景觀和土地資源的破壞。加強廢石和尾礦的綜合利用，減少排放量，降低對原生地形地貌景觀及土地資源的破壞。

4.5 水土環境防治

礦山為井下開采，礦山生產對水土污染影響較輕，以水土監測為主，主要表現為：提高礦山廢水綜合利用率，減少有毒有害廢水排放，礦區外排水水質必須達到污水排放標準，避免對周圍地表水和地下水環境造成污染；加強地表水、廢水、地下水及土壤的動態監測，積極推進礦區水土環境污染防治工作，減小水土環境污染程度。

4.6 土地損毀與復墾

祁雨溝公峪金礦復墾責任范圍面積17.37 hm2，其中，復墾有林地14.33 hm2，其他草地2.92 hm2，農村道路0.12 hm2。

(1)治理。工業場地和炸藥庫區域總面積為3.89 hm2，復墾方向為有林地，主要措施包括種植穴換填土和植被重建等措施；1—3號廢石場堆渣平臺，總面積為2.49 hm2，復墾方向為有林地，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和植被重建等措施；1—3號廢石場堆渣邊坡，總面積為0.71 hm2，復墾方向為其他草地，主要措施包括覆土和植被重建等措施；J4礦體現存塌陷區邊坡經削坡整理后邊坡坡度50°，由于露天采場邊坡坡度較大，表面無法自然附著土壤，僅在邊坡坡腳位置種植爬山虎來護坡。塌陷區邊坡復墾地類為其他草地，面積約0.97 hm2；J4礦體現存塌陷區塌陷坑經廢渣回填、種植穴換填土后栽植刺槐綠化，復墾地類為有林地，面積約2.53 hm2，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和植被重建等措施；J4礦體現存露天采坑經廢渣回填、種植穴換填土后栽植刺槐綠化，復墾地類為有林地，面積約2.36 hm2，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和栽植刺槐等措施；擬塌陷區采礦用地邊生產邊充填，故損毀程度為輕度，復墾方向為有林地，面積0.32 hm2，主要措施包括種植穴換填土和植被重建等措施；露天采坑邊坡經削坡整理后邊坡坡度50°，由于露天采場邊坡坡度較大，表面無法自然附著土壤，僅在邊坡坡腳位置種植爬山虎來護坡；擬塌陷區林地，仍復墾為有林地，對因塌陷造成缺苗和死苗的地方進行補植，樹種以刺槐為主。

(2)預防。嚴格執行礦山規劃生產布局，加強規劃和施工管理，各種生產活動嚴格控制在規劃區內，各種運輸車輛規定固定路線，盡量縮小對土地的影響范圍；掘進廢石盡量回填到采場內，減少廢石出坑，防止出現地表塌陷及地表裂縫，此外，生態修復和道路規劃應因地制宜，減少土地壓占[17]。

4.7 礦山地質環境監測

祁雨溝公峪金礦的生產將引發采空塌陷、崩塌、滑坡、泥石流地質災害，從而對地下含水層、水土環境等產生影響，應加強地質災害、含水層和水土污染的監測和管理。

5 結論

(1)膠結尾砂充填法地下開采金礦主要環境為地面塌陷、地形地貌景觀的破壞和土地損毀等，潛在地質環境問題為滑坡、泥石流和地面塌陷的發生、地形地貌景觀破壞和土地損毀的進一步加劇。

(2)堅持“以人為本”，劃分為重點防治區、次重點防治區和一般防治區3個區，并從恢復治理和預防角度，提出了相應的防治和治理措施，既保證了礦山的正常生產，也盡量恢復和保護了自然環境。