浚縣屯子鎮善化山廢棄礦山生態恢復治理研究

趙 莉，秦旭龍，周 維，余少凱

(1.河南省資源環境調查五院，河南 鄭州 450053；2.河南省礦山環境生態修復工程技術研究中心，河南 鄭州 450053)

礦山地質環境問題指受采礦活動影響而產生的地質環境破壞的現象，表現為礦山生產環境惡劣、“三廢”排放、地質災害、環境資源破壞等[1-2]。露天開采礦山所引發的地質環境尤為嚴重，需要重點預防和治理[3-5]，特別是廢棄露天礦山所產生的陡崖、平臺、采坑和殘余孤丘等因缺少后期地質環境恢復治理，致使生態環境破壞嚴重，同時也存在發生地質災害的隱患。

善化山東臨衛河，西靠太行山，是太行山余脈，原為浚縣最高峰，山頂標志性的“三棵樹”是善化山古廟會會址。然而，歷經多年建筑石料用灰巖大規模不規則開采，形成了大量陡崖、平臺、采坑和殘余孤丘，地表巖石裸露，石漠化嚴重，生態環境極度惡化；已成為當地居民信仰的標志性“三棵樹”，也由于斷崖式開采，水力聯系遭破壞，幾百年的古樹因此而枯死，對當地地形地貌景觀和人文景觀造成嚴重破壞。為了解決廢棄礦山環境問題，先后開展了善化山廢棄礦山恢復治理可行性研究、礦山地質環境勘查，基本查明了廢棄礦山地質環境問題，為開展廢棄礦山生態恢復治理奠定了基礎。

近年來，關于廢棄礦山生態保護修復理論和技術方法研究是專家學者的熱門研究方向，任岐山等[6]提出對礦山地質災害進行治理和預防，對地貌景觀進行修整，對土地功能進行恢復；白中科等[7]提出了地貌重塑、土壤重構、植被重建、景觀重現的礦山生態修復模式。但目前的礦山生態修復研究工作還不夠系統和全面，理論還不夠完善，部分技術實用性不強。

本文針對善化山廢棄露天礦山存在的主要地質環境問題，借鑒國家第三批試點工程——河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程實踐經驗，分析研究了廢棄礦山生態恢復治理思路，并提出了生態恢復治理分項工程措施，為后續廢棄露天礦山生態恢復治理提供參考和借鑒[8-11]。

1 礦山概況

善化山廢棄礦山位于河南省鶴壁市浚縣縣城西北方向12 km處，行政區劃隸屬浚縣屯子鎮，原開采礦種為建筑石料用灰巖礦，自二十世紀八十年代形成大范圍、大規模開采，后因多種因素于二十世紀九十年代末關閉，責任人滅失。區域地層區劃屬華北地層區華北平原分區豫北小區。礦區內地層簡單，出露地層有寒武系中統張夏組、第四系中更新統坡洪積層。區域受地理位置影響，水資源貧乏，且為淺層水一般超采區。礦區地下水主要接受大氣降水的補給，在雨季地下水位上升，旱季沒有補給來源。地面無地表水體，礦區自然排水條件良好，有利于地表水的排泄。根據巖石沉積建造類型、巖性組合特征，礦區巖體主要為堅硬厚層狀中等巖溶化石灰巖巖組；根據土的粒度和力學特征，土體主要為黏性土單層結構土體。

歷史上長期無序地礦業開采，改變了區內的原始地貌。善化山原為浚縣最高峰，海拔+180 m，經過幾十年的不規則開采，地形地貌發生了極大的改變，目前只有兩處最高點+150 m，大部分已開采到+100 m以下，分布有15處采坑，深度2～59 m不等，分布面積807.86～432 464.30 m2，體積6 462.87～14 920 018.48 m3。縱觀整個礦區，山體滿目瘡痍，采坑及陡崖星羅棋布，地表基巖裸露，生態植被不復存在，亟待修復治理。

2 礦山地質環境問題

善化山嚴重的不規則開采現象不但破壞了善化山的原生地形地貌景觀，還打破了處于穩定或準穩定狀態的淺表巖土體平衡，從而加劇和導致一系列礦山地質環境問題的發生。礦區內露天采坑遍布，山體破損，生態植被破壞嚴重。主要的地質環境現狀為不規則開采形成的15處采坑及其四周高陡邊坡上分布的8處危巖體(圖1)，造成的主要礦山地質環境問題為礦山地質災害隱患、地形地貌景觀破壞和土地植被資源破壞。

圖1 礦山地質環境問題分布圖Fig.1 Distribution map of mine geological environment problems

2.1 礦山地質災害隱患

善化山礦山地質災害隱患主要為露天采坑高陡邊坡開采面上的危巖體引發的崩塌隱患。礦區內危巖體主要分布在露天采石場中部、北部和西南部邊坡上，邊坡巖性主要為寒武系厚層鮞狀白云巖、白云質灰巖、巨厚層鮞狀灰巖，夾藻礁灰巖、花斑狀灰巖，厚度20～50 m，坡面白云質灰巖呈破碎狀，大部分危巖塊浮于邊坡上，部分已基本脫離山體，隨時可能發生巖石掉塊、滾落，甚至整體垮塌(圖2)。據估算，礦區8處危巖體分布邊坡坡長20～170 m不等，坡高10～50 m，危巖體厚度2～3 m不等，合計需要清理的危巖體方量約41 875 m3(表1)。

表1 危巖體方量統計表Table 1 Statistical table of dangerous rock mass square quantity

圖2 危巖體Fig.2 Potential unstable rock mass

2.2 地形地貌景觀破壞

善化山石灰巖礦歷經多年的大規模不規則開采，形成大量陡崖、平臺、采坑和殘余孤丘，巖石裸露，石漠化嚴重，生態環境極度惡化。已成為當地村民信仰的標志性“三棵樹”，由于斷崖式開采，水力聯系遭破壞，幾百年的古樹因此而枯死，對當地地形地貌景觀和人文景觀造成嚴重的破壞。礦區內造成地形地貌景觀破壞的主要是山體挖損形成的露天采坑(圖3)。據測量，礦區內共分布有采坑15處，破壞山體總面積740 671.91 m2(表2)。

2.3 土地植被資源破壞

礦區土地資源破壞主要表現為礦山開采活動對土地的挖損、壓占，礦區土地破壞面積35.57 hm2(不計采礦用地)，破壞地類有耕地、林地、草地等。礦區土地破壞致使生長在土層表面的植被無法生長而破壞，累計破壞面積1.89 hm2，其中，破壞林地0.42 hm2，破壞草地1.47 hm2，破壞區地表基巖裸露，植被不復存在，生態問題嚴重。

3 生態恢復治理思路

針對善化山廢棄礦山主要地質環境問題，選取自然恢復和生態重建的生態保護修復模式，在地形重塑的基礎上，根據適宜性分析進行廢棄土地復墾或植被恢復以恢復土地功能(圖4)。

善化山廢棄礦山因過度開采導致山體千瘡百孔，采坑遍布，尤其在三棵古樹底部已形成由四周高陡邊坡圍起來的深大采坑，不利于排水，且地表基巖裸露，植被破壞殆盡，從生態學及保護生態環境的觀點，宜將其恢復為林地，以恢復生態、涵養水源；宜將善化山西側頁巖坑、東南部采坑及周邊零散采坑進行回填復墾為梯田，增加耕地指標。具體設計思路如下所述。

圖3 露天采坑Fig.3 Open pits

表2 采坑占地面積情況Table 2 Land area of mining pit

圖4 廢棄礦山生態恢復治理流程圖Fig.4 Flow chart of ecological restoration and treatment of abandoned mine

針對三棵古樹陡崖開采面及西部山體和斜坡，通過簡單的工程輔助進行保護性治理，使其自然恢復，另外在邊坡底部相對危險范圍界線外增設防護網及警示牌；在三棵古樹斜坡即廟宇周邊穴栽補種側柏進行綠化，并沿懸崖邊增設防護網及警示牌提醒來往廟會人員安全；對善化山西側頁巖坑、東南部采坑、周邊零星分布的采坑及山體周邊的坡地區，結合周邊地形地貌現狀和土地復墾利用方向，進行回填平整，分級修建梯田，實施土地整治工程；三棵古樹底部由四周高陡邊坡圍起來的深大采坑及采坑西南部入口處，地表基巖裸露，植被破壞殆盡，以恢復生態、涵養水源，將其恢復為林地，具體以栽植大葉女貞為主，輔以紅楓做色彩點綴，造出一個“善”字，景與善化山山名相應。

4 生態恢復治理設計

針對礦區現狀，按照以人為本、防災減災，規劃引領、協同治理，技術經濟可行、三效合一的原則，根據上述設計思路部署分項工程：廢棄建筑物拆除工程→表土剝離工程→采坑及場地整理工程(危巖體參與挖填方計算，不再單列危巖清除工程)→擋土墻工程→覆碎石、土工程→道路工程→排水工程→植被恢復工程。

4.1 廢棄建筑物拆除工程

在礦區東北部零散分布20處廢棄建筑物，均為磚混結構，占地面積4 163.66 m2。地面建筑物拆除方量按照高3.5 m計算、系數0.2折算，地面建筑物拆除量2 914.58 m3；地基拆除按照深度0.30 m計算，地基拆除量12 149.08 m3，合計需清運拆除建筑垃圾4 163.66 m3。

4.2 表土剝離工程

對現狀地表有土壤的田塊進行表土剝離、存放，以便后期利用。表土剝離厚度根據現有土壤表土層厚度、復墾利用方向及土方需要量等確定。現狀條件下具有表土覆蓋的田塊面積約35.73萬m2，可剝離厚度根據調查均厚0.40～1.40 m，可剝離土壤資源約29.72萬m3。

4.3 采坑及場地整理工程

采坑及場地整理工程即采用挖高填低的方法，將采坑底部及場地平整區高凸破碎或孤立的巖石塊、廢棄窯洞回填于采場低洼處，進行場地平整。

對治理區以除災、消災為前提，結合周邊地勢變化情況，設計不同標高地塊或平臺。 根據各地塊或平臺設計標高進行方格網法土石挖填方計算(表3)。經計算，治理區一般石方開挖方量2 393 091.45 m3，填方量2 292 693.20 m3，挖填工程結束剩余石方量100 398.25 m3。

對采坑回填后用于后續施工的工作場地進行平整。工作內容包括場地的整平、局部的挖高填低、清理殘留的巖土體、垃圾、雜物，最后采用機械和人工相結合的方式統一壓實。場地平整內容包括：①石渣清理回填部位的整平；②未實施挖填方工程但地表雜亂的部位，如廢棄建筑物分布區，地形相對較平整，建筑物拆除后僅需清理表面的建筑垃圾、雜物，經平整后，即可覆土進行植被恢復或復墾為耕地；③場地邊界與自然地形交接部位，使之平緩接觸。

表3 挖填方計算公式一覽表Table 3 List of calculation formulas for cutting and filling

4.4 擋土墻工程

擋土墻主要修建在治理平臺外圍，攔阻平臺碎石土順坡滑落或被雨水沖刷。應在穩定基巖上修建擋土墻，若根據工程實際情況，必須在回填地段修建擋墻時，應對回填部分進行處理，保證回填地層承載力滿足荷載要求，處理方法可采用換填級配碎石。根據礦區治理實際，設計擋土墻分保水擋土墻和重力墻，均采用漿砌石結構。

1) 保水擋土墻。 保水擋土墻設計斷面呈矩形，頂底寬均為0.60 m，頂部高出平臺覆土層標高0.20 m，根據平臺覆碎石(0.3 m)及覆土(0.5 m)厚度確定保水擋土墻高1.0 m(平臺以上)。為了增強擋墻的穩定性，應在基巖平面下挖10 cm砌筑，砌筑石料就地取材，一般用毛石、料石，毛石中部厚度不小于20 cm，料石厚度一般不小于20 cm，選用質地堅硬不宜風化的巖石。在墻身中設置1排直徑100 mm的PVC塑膠管為導水管的排水孔(長1 m)，間距2.5 m，排水孔后設反濾層。墻體頂部表面用砂漿抹面，厚度為20 mm。砂漿中所用的水泥選用普通硅酸鹽水泥，且不低于32.5級。砂選用潔凈天然中砂，砂的最大粒徑不應超過5 mm。保水擋土墻分平臺進行設計，經統計，治理區設計保水擋土墻總長1 991.41 m。

2) 重力墻。重力墻設計為路肩式(圖5)，不同高度漿砌石擋土墻頂底寬、截面積不同，截面尺寸及參數詳見表4。 在碎石層中擋土墻墻趾底部基礎埋深不宜小于0.80 m、擋土墻頂部距離覆土層標高不小于0.20 m。根據擋土墻高度在墻身中設置1～3排直徑100 mm的PVC塑膠管為導水管的排水孔(長1 m)，間距2.5 m，排水孔后設反濾層，沿墻線每隔10 m或地基性狀變化時設置一道有機硅改性聚氨酯伸縮縫，縫寬30 mm。重力墻分地塊進行設計，經統計，治理區設計重力墻總長2 198.44 m。

圖5 路肩式重力墻斷面示意圖Fig.5 Kerb gravity wall

4.5 覆碎石、土工程

經過挖填方、場地整平和擋墻工程后，為達到復墾和植被恢復要求，需進行覆土。 根據耕地土體厚度不小于0.50 m的要求[12]，設計旱地統一覆土1.00 m。

表4 路肩式重力墻截面尺寸及參數Table 4 Section dimensions and parameters of kerb gravity wall

根據植被恢復覆土厚度對于灌草地不小于30 cm，對于喬木和經濟林用地不小于50 cm要求[13]，設計喬木、經濟林用地和灌草地覆土前，首先覆蓋一層碎石，厚0.30 m，以利根系舒展，然后統一覆土0.50 m。治理區需覆土量和碎石量分耕地和林地分別匯總統計，經統計治理區設計恢復耕地面積397 821.74 m2，恢復林地面積281 562.17 m2，合計需覆碎石總方量84 468.65 m3，覆土總方量538 602.83 m3。

4.6 道路工程

設計道路分田間道和生產路，田間道的路面寬度設計為4 m和5 m兩種規格，生產路的路面寬度設計為2 m，具體設計規格如下所述。①4 m寬田間道斷面設計如圖6所示，5 m寬田間道除路面寬度外其他規格一致，均采用300 mm厚碎石路基，200 mm厚水泥混凝土路面，每間隔5 m設計1條有機硅改性聚氨酯伸縮縫。②生產路的路面寬度設計為2 m，生產路斷面設計如圖7所示，采用200 mm厚素土夯實路基，100 mm厚泥結碎石路面。經統計，治理區設計4 m寬田間道1 773.24 m，5 m寬田間道4 077.65 m，設計生產路461.04 m。

圖6 4 m寬田間道橫斷面圖Fig.6 4 m wide field road

圖7 生產路橫斷面圖Fig.7 Production road

4.7 排水工程

礦區為山地丘陵區，屬侵蝕剝蝕崗丘區，排水工程應考慮暴雨季節排水系統設計。設計在田間道單側和平臺內側修建排水溝，考慮滿足排泄五十年一遇洪水，且預留一定的安全系數，斷面設計規格如圖8所示。 由圖8可知，橫斷面底寬0.80 m、深0.60 m、厚0.30 m，基槽開挖截面積1.26 m2，砌體截面積0.78 m2，采用M7.5漿砌塊石砌筑，塊石的強度等級為Mu40，表面用M7.5砂漿(厚度為20 mm)抹平收光，每間隔5 m設計1條有機硅改性聚氨酯伸縮縫。經統計，治理區設計修筑排水溝4條，總長度7 938.84 m。

圖8 排水溝斷面結構示意圖Fig.8 Drainage ditch

4.8 植被恢復工程

植被恢復主要起到覆蓋地表、穩定邊坡、控制水土流失、美化環境的作用。本次設計采用喬/灌草綠化模式，地表全部植草，選用樹種考慮植物適宜性、生長周期和種植效果，以本土樹種為主，包括國槐、欒樹、白蠟、核桃、大葉女貞、紅楓、側柏和油松；草種選用格桑花。喬灌木種植株行距2.00 m×2.00 m，樹坑開挖尺寸0.80 m×0.80 m×0.80 m；草籽撒播標準按照65 kg/hm2執行。設計在采坑底部平臺大片種植大葉女貞，以栽植紅楓做色彩點綴，造出一個“善”字，景與善化山山名相應。經統計，治理區植被恢復工程共需種植國槐1 742株、欒樹12 631株、白蠟3 027株、核桃11 350株、大葉女貞38 583株、紅楓3 058株、側柏675株，植草面積421 296.63 m2。

另外，在三棵樹斜坡邊緣距懸崖1 m處，巖懸崖邊安裝2 m高成品防護網，防護網長度180.93 m，采用隔離柵欄規格，網片尺寸為2 000 mm×3 000 mm，材質為Q235低碳冷拔鋼絲，浸塑絲徑3 mm，網孔為尺寸75 mm×150 mm的長方孔，邊框為20 mm×30 mm×1.5 mm厚方管，立柱為48 mm×1.5 mm厚圓管，鋼管均浸塑處理，頂端蓋有塑料防雨帽或者焊接蓋，并在醒目處設置“懸崖陡峭，請勿靠近”警示牌；在三棵古樹陡崖開采面及西部山體斜坡正下方，相對危險范圍界線外安裝2 m高成品防護網，防護網長度139.60 m，規格同前，并在醒目處設置“危巖落石，請勿靠近”警示牌。

5 預期治理成效

經總體工程設計，礦區治理面積89.82 hm2，其中，自然恢復區面積14.38 hm2，工程治理區面積75.44 hm2，治理后可恢復耕地39.78 hm2(596.70畝(1)1畝=666.67 m2。)、林地28.16 hm2(422.40畝)，通過疊加最新“三調”數據庫，治理區可新增耕地37.12 hm2(556.80畝)、林地27.74 hm2(416.10畝)。礦山生態恢復治理設計圖如圖9所示；生態恢復預期效果見礦區治理前后對比圖(圖10)。

圖9 礦山生態恢復治理設計圖Fig.9 Design drawing of mine ecological restoration and management

圖10 礦區治理前后對比圖Fig.10 Comparison of mining area before and after treatment

工程實施后的經濟效益主要體現在：每畝耕地指標價格按照預估5萬元計算，可增加當地收入2 784萬元；若將恢復的耕地按每年兩季農作物，一季冬小麥，一季玉米，復墾后預計小麥產量400 kg，玉米450 kg，農作物價格小麥按現有市場價2.1元/kg，玉米按現有市場價2.3元/kg計算，治理區每年經濟收入增加量為111.88萬元。浚縣屯子鎮善化山廢棄礦山生態恢復治理工程屬公益性、社會性項目，其價值具有間接性、潛在性和長久性特點，主要表現在恢復生態環境方面，治理工程的實施，可使浚縣屯子鎮善化山一帶嚴重的礦山地質環境問題得到改善，恢復當地良好的生態景致和農耕環境，較好地改善當地居民的人居環境和旅游環境，對打造旅游景區的品牌效應，提升浚縣屯子鎮整體形象具有深遠意義，經濟效益、社會效益和環境效益非常顯著。

6 結 語

浚縣屯子鎮善化山廢棄露天灰巖礦主要地質環境問題是山體挖損及露天開采造成的礦山地質災害隱患、地形地貌景觀破壞和土地植被資源破壞等。本文以生態復綠型+土地復墾型設計思路，部署廢棄建筑物拆除、表土剝離、采坑及場地整理、擋土墻、覆碎石、土、道路、排水及植被恢復等分項工程措施修復礦山生態環境，提高廢棄土地復墾利用率，增加植被覆蓋率，改善人居環境，促進當地旅游資源的開發，提高當地居民的旅游收入。