遷安市露天開采礦山地質環境綜合治理關鍵技術研究

劉曉波,季 文,張學文,才智遠,王 菲

(中冶一局 城市安全與地下空間研究院有限公司,北京 101100)

習近平總書記指出:“山水林田湖草是一個生命共同體”,人的命脈在田,田的命脈在水,水的命脈在山,山的命脈在土,土的命脈在樹(林和草)。礦業在促進社會經濟發展的同時,也嚴重破壞了人類賴以生存和發展的自然環境。特別是近年來,地質環境問題越來越突出,嚴重影響了周邊群眾的正常生產生活。因此,治理恢復露天礦山的地質環境具有重要的現實意義,提高了礦區的生活質量,增加土地資源,預防地質災害[1-2]。

1 遷安地區區域地質概況

遷安地區大地構造位于華北地臺(Ⅰ)燕山臺褶帶(Ⅱ)馬蘭峪復背斜(Ⅲ)遵化穹褶束(Ⅳ)遷安穹窿(Ⅴ)。區域內地層主要為太古界、元古界、古生界、中生界、新生界地層。遷安鐵礦的含礦變質巖系主要處在遷安古隆起的西緣,其形態為一向西突出的弧形構造帶。北起水廠宮店子經孟家溝、北屯、蔡園和白馬山,柳河峪、羊崖山、二馬,過橫山后,從大石河、耗子溝起、轉塔山杏山至腦峪門。走向為NE-SN-EW,分布在長38～40 km、寬5～8 km的范圍內。這個弧形構造帶由復雜的褶皺帶加上多期的斷裂帶所組成,是由2個平行的復向斜和一個復背斜所組成的“W”型復向斜帶,通常稱為東西礦帶。這個弧形構造帶被3個大的EW向構造帶分割,北部有黃金寨大斷裂,中部有橫山大斷裂,南部有佛峪院大斷裂。向斜構造特點是:大多數呈兩翼不完整的鉤狀,NE端仰起,向SW方向傾伏,小型褶皺構造較為發育。區域上巖漿巖活動以燕山中期酸性侵入巖為主,主要有細、中粒斑狀花崗巖體,細、中粒花崗巖體,花崗巖巖體及石英斑巖脈。遷安礦產資源豐富,礦產種類齊全。現已探明的礦產達20多種,本區金屬礦產以沉積變質鐵礦為主,非金屬礦藏主要是石灰石、白云石、花崗巖等,如圖1所示。

圖1 遷安地區區域地質圖Fig.1 Regional geological map of Qian′an area

2 露天礦山地質環境治理與恢復的研究現狀

遷安地區持證礦山56座,其中露天開采37座:大型礦山18座,中型礦山12座,小型礦山7座;鐵礦17座,石礦20座。遷安地區的露天礦山主要是鐵礦和石灰巖礦,為了滿足市場需求,進行了高強度、大范圍的開發。由于采礦過程中忽視了生態環境的恢復和保護,礦山原有的景觀、植被和水體受到了極大的破壞。由于缺乏對土地復墾和恢復治理的重視,造成了土地、水和大氣的污染,甚至露天開采造成的次生地質災害也在逐漸增加(圖2、圖3)。主要技術難點和重點在有效經濟地消除地質災害和恢復環境[3-7]。

圖2 遷安市某白云巖礦露天采場的巖質邊坡Fig.2 The rock slope of an open-pit mining site in a dolomite mine in Qian′an City

圖3 遷安某鐵礦的巖質邊坡Fig.3 The rocky slope of a certain iron mine in Qian′an

當前,遷安市露天開采礦山地質環境綜合治理主要涉及露天采場、排土場、礦區道路、工業場地及辦公生活區等主要區域。

2.1 巖質邊坡坡面治理恢復技術

當前,露天礦治理恢復多借鑒客土噴播技術、厚層基材噴播技術、植被混凝土防護技術、飄臺法、植生袋防護技術、格構加固技術、爆破燕窩、藤本護坡技術等[8]。

(2)遷安市上射雁莊鎮某礦山巖質邊坡采用厚層基材噴播技術,運用噴播系統將混有植物種子的防侵蝕材料基質噴附在由錨桿固定網面的坡面上,形成一層既適宜植物生長又穩定的基材層[9]。在坡面構建一個自身生長的防護系統,通過植物根系對邊坡加固,可有效降低降雨對坡面泥土的沖刷[10]。

(3)遷安市馬蘭莊鎮某礦山巖質邊坡采用植被混凝土生態防護技術,該技術由液壓噴播技術演化而來,植被混凝土是典型的人工復合生態基材,其固體部分由植生土、腐殖質、植被混凝土綠化添加劑和水泥混合而成。植被混凝土因具有良好的穩定性及物理力學特性而得到廣泛應用[11]。

(4)遷安市蔡園鎮某礦山巖質邊坡采用飄臺法,在特別陡峭平滑的石壁鉆洞灌漿,用鋼架支起一行一行的飄臺,在飄臺中填土綠化。飄臺法應用于高陡邊坡防護,顯著提高了邊坡的綠化率,但施工難度大,槽內土壤較少,失穩風險大,成本相對較高[12]。

(5)遷安市木廠口鎮某礦山巖質邊坡采用植生袋防護技術,事先將護坡草種準確均勻地分布并定植在營養帶基上,再用塑料編織好的護網一體加工成60 cm×40 cm規格的袋子。植生袋往里加上土壤封口后堆積即成,然后澆透水后按照正常護坡草坪養護管理方式進行。該植生袋綠化成坪速度快,同時具有避免灌溉或大雨沖刷種子的優點[13]。

(6)遷安市野雞坨鎮某礦山巖質邊坡采用格構加固技術,利用漿砌塊石、預制預應力混凝土或現澆鋼筋混凝土進行邊坡坡面防護,并利用錨桿或錨索加以固定。邊坡格構加固技術具有與坡面密貼、布置靈活、可隨坡就勢、格構形式多樣、截面調整方便等顯著優點。并且框格內可用現澆混凝土板進行加固,也可植草、掛網、噴射混凝土等方式進行防護。

液壓噴播技術、厚層基材噴播技術、植被混凝土生態防護技術等因其施工速度快、機械化程度高、覆蓋效果好、維護方便、種植初期可防止邊坡水土流失等優點,在巖質邊坡治理恢復中得到了廣泛應用。但是,草本植物具有綠期短、抗寒性和抗旱性差、根系錨固能力差等缺點。隨著使用壽命的增加,在降雨、凍融等因素的影響下,基質中的氮、磷、鉀、鐵、鋅、錳等元素將流失嚴重。同時,在雨水的侵蝕下,基質本身也會受到侵蝕,產生水土流失現象。如果僅使用草本植物進行綠化,在恢復后期,植被退化將非常嚴重。如圖4所示,為遷安市太平莊鎮某鐵礦露天邊坡高陡,客土噴施后受干濕交替和凍融作用的影響,局部脫落[14-15]。

圖4 某石灰巖礦噴播基材脫落后的現場情況Fig.4 Field situation of a limestone mine after the base material of spraying seeding falls off

2.2 采坑工作平臺治理恢復技術

采坑工作平臺是露天礦邊坡的一部分,因為相對平坦,治理恢復與坡面相比較為容易,有利于覆蓋土壤和種植植物,有利于減少水土肥料的流失。遷安市楊各莊鎮某礦山采用在平臺內側覆土后種植木本植物和草本植物,在平臺外緣修建擋土墻,實現了對采坑工作平臺的治理恢復。

采坑工作平臺治理恢復也存在土壤量不足和土壤肥力不足的問題,因此,在覆土后及時施肥,并做好給排水系統設計,防止旱季的植物干旱枯死和雨季的水土流失。

據介紹，X型混凝土布內層以交叉連接織造，適用范圍主要是緊急護坡、護堤、護岸，緊急加高和應急道路的搶險工程，充填技術可達到厚度為300～600mm以及600～1000mm等特殊要求。搶險材料X型混凝土布是織造物，分量輕，徹底改變了原來復雜環境施工難、難施工的情況以及搶險過程中的不安全因素，解決了原來大型機械設備施工難的問題，可以根據實際情況調整控制所需部位以及充填高度、長度等，施工簡單。充填材料可以是混凝土，也可就地取材，直接灌入泥漿、沙土，填充后會快速排出水分，在短時間內即可凝固，增加密度和提高抗壓強度。現場作業只需五六個人，配套3臺灌漿機、1臺小型發電機，就可替代原來的“人海戰役”。

2.3 采坑底部治理恢復技術

由于采坑底部地形相對平緩,其治理恢復技術相對較少且簡單,坑底治理恢復容易取得較好的效果。但如果局部滑坡產生的滑坡體或水土流失產生的泥沙,會對坑底恢復植被造成破壞。因此,采坑底部治理恢復主要取決于邊坡的穩定性以及整個礦區的水土流失情況。

礦山閉坑后,地下水和地表水往往在礦山最低處的采坑底部匯集,不利于植被恢復。作為灌溉水源或者將礦山開發為休閑娛樂場所,充分利用礦山的地形特點,使閉坑礦山仍有可持續發展的空間[16]。

遷安市彭店子鎮某治理恢復方案利用采坑底部水源為礦山治理恢復的植被提供灌溉用水;遷安市五重安鎮某礦山通過治理恢復,構建了以種植、養殖、農副產品加工、生態旅游為一體的社會經濟自然復合生態系統。

2.4 排土場治理恢復技術

排土場平臺中土壤壓實增加了容重,降低了孔隙度,嚴重影響了植物根系的發育,降低了單位面積的植被生物量;坡面土壤密度較低,易造成溝壑侵蝕和水土流失。排土場的形成過程決定了其具有大孔隙發達、物質組成復雜、土壤理化性差等特點:在強降雨、爆破震動、地震等作用下易發生滑坡、泥石流等地質災害。排土場治理恢復宜深耕平臺表層土,以利于植物根系的生長,并采取蓄水截流等技術措施,減少水土流失。

在治理恢復排土場過程中,現有的技術發揮了積極作用,但也存在一些問題:遷安市扣莊鎮某礦山排土場邊坡頂部、中上部出現了拉伸裂縫,不僅增加滑坡和泥石流等地質災害發生的可能性,還使土壤快速流失,影響土壤微生物和植被的正常生長,局部甚至造成植物死亡。因此,在排土場治理恢復前期,做好防排水系統的修建工作和選擇適宜的根系發達的植被對保證治理恢復達到預期效果尤為重要。

2.5 礦區道路治理恢復技術

礦區內未經混凝土硬化的道路,應當采取翻耕、覆土、栽植喬木、灌木等治理恢復;遷安地區的實際治理恢復中保留了大部分硬化水泥路為以后的管護提供道路,同時維護防水、排水系統和道路兩側的綠化,以確保道路暢通。

2.6 工業場地及辦公生活區治理恢復技術

工業場地和辦公生活區的恢復技術較為簡單、成熟。在保證治理恢復效果的前提下,遷安市夏官營鎮某些治理恢復中也有結合土地復墾,作為補充耕地以創造更多的價值。

3 露天礦山地質環境治理與恢復趨勢展望

在露天礦治理恢復技術研究中,國內外許多學者取得了大量研究成果和寶貴經驗,為露天礦山治理恢復提供了很有價值的參考。研究對露天開采礦山治理恢復與重建未來需要深入應用的技術方向進行討論。

3.1 排土場種植沙棘

調查表明,經過10年自然恢復的排土場夏季植被平均覆蓋度在10%以下,在平臺平坦寬闊的地帶,植被覆蓋度不足5%,只有個別草本植物,高度一般在10 cm以下,植被的自然恢復過程極其緩慢。丁香、紫穗槐、刺梅等灌木在排土場平臺上可以成活,但平均株高0.5 m左右,樹冠蓋度在20%左右。沙棘林不僅成活率高,而且3年之后即達到郁閉,林下大量的草本植物。在水分條件較好的地段,還會有楊樹和柳樹[17]。

沙棘耐干旱、耐鹽堿、生長迅速,是淺根性樹種,根系發達,可以在表土中形成密集的根系層,根系層的厚度隨沙棘樹的增長而變厚,密集的根系散布于土體,增強了土壤的凝聚力,起到了固化土壤和保持水分的作用。沙棘是少有的具有根瘤的樹種,具有固氮作用,大大改善了土壤理化性質。沙棘可以在半濕潤地區的不同立地類型中生長,溝底、山地陰坡和半陰坡生長較好,其次是梁峁頂部和山地陽坡。所以沙棘可以作為陰坡的建群物種及陽坡的伴生物種。同時沙棘覆蓋的土地,地表徑流減少80%,表土流失減少75%,風蝕減少85%[18]。

栽植沙棘,可取得生態、經濟、社會三大效益。以沙棘為核心的灌草組合體系,是排土場平臺治理恢復的有效模式之一,不僅可以加速排土場的植被恢復,還可以創造可觀的經濟價值,如圖5所示。

圖5 某鐵礦排土場種植沙棘Fig.5 Planting seabuckthorn in a certain iron ore dumping site

3.2 緩坡魚鱗坑栽植灌木

魚鱗坑是在15°～45°的坡面上,通過風鎬或小爆破來開挖適當的魚鱗坑,分散攔截坡面徑流,控制水土流失。挖坑取出的土,在坑的下方培成半圓的埂,以增加蓄水量。在坑內填土,種植喬灌木及爬藤類植物。在坡面上坑的布置上下相間,排列成魚鱗狀,故名魚鱗坑。沿種植溝插埋的生物材料,能形成護坡網樹干;利用其下部埋置于坡土內的枝條交錯編織護坡網樹干,以便形成生物護坡網格墻;利用所述枝條下部芽點的沿生物護坡網格墻生根發芽且成活生長出的新發枝條,形成綠化護坡墻,綠色環保,穩定邊坡,防止水土流失,涵養水土,又能恢復植被,具有多功能生態效果,如圖6所示。

圖6 魚鱗坑治理緩坡Fig.6 Slow slope treatment of fish-scale pit treatment

魚鱗坑開挖應根據當地降雨量、地形、土質和植樹造林要求而定,一般要求為0.5 m×0.5 m,坑深0.5 m,間距2 m,交叉開挖呈梅花狀,如圖7所示。工序流程:風鎬或小爆破成坑→槽內裝填種植土→種植喬灌木及爬藤類植物→養護。

圖7 魚鱗修筑技術Fig.7 Fish-scale construction technology

3.3 陡坡采用柔性生態系統等新興技術

目前巖質邊坡的修復方式多采用客土噴播、厚層基材噴播、飄臺法、爆破燕窩等技術。但是面對高陡邊坡,噴播極易剝落;飄臺和爆破各種成本太高。柔性生態系統可對裸露山體進行整體治理恢復,具有重要和直接的社會效益,施工工程及效果如圖8所示。

圖8 柔性生態系統施工工程及效果Fig.8 Flexible ecosystem construction engineering and effect

在實際施工過程中,可根據不同的立地條件,選擇不同的柔性生態系統施工方案,施工方法及原理如圖9所示。

圖9 柔性護坡生態技術Fig.9 Ecological technology of flexible slope protection

3.4 綠化植被本土化

露天采礦礦山地質環境治理與恢復綠化植被的選擇目前多借鑒園林方面的經驗,但兩者之間存在較大的差別。遷安市以往治理恢復中綠化的主要方向,花費巨資移植外來的樹種而不是本土樹木,主觀選擇植被來讓自然環境來承受,沒有很好地尊重自然,所以付出很多,收獲甚微。在運輸過程中,這些外來樹種不可避免地會有損害,有些樹木水土不服,種植后會慢慢死亡。此外,在選擇植被時,只注重當時的防護效果,而不太關心設計的保護形式是否能很好地融入周圍環境,礦山治理恢復的植被生態系統往往難以保持長期穩定,植被護坡逐漸失效[19]。

在長期的歷史進程中,自然環境選擇了大量的相容植被種類。在選擇植被時要施法自然,在本土植物中選擇優勢種作為生態治理恢復的建群物種,建立與周邊環境相協調的植被群落。遷安野生自然植被目前可劃分為3類,即針葉林、灌草叢、沙地植被。①針葉林。遷安地處溫帶地區,四季分明,土壤呈中性且干燥,因此具有層生結構(含油脂、角質層發達)的油松、側柏針葉林在遷安分布廣泛。目前在遷安的森林群落中,純林占絕大多數,混交林較少。在混交林中,混交林種多以松柏混交為主,間有零星櫟樹、榆樹、刺槐、椿樹等。②灌草叢。指由中生或旱中生的多年生灌木,禾本科、菊科等草本植物種群組成的群落。這一類型由于沒有喬木層覆蓋,灌木層光照較好,因而較發達,遍布于遷安市各地區,主要有以下種類。荊條、胡枝子、酸棗、白羊草叢廣泛分布于北部長城沿線和西部地區,在海拔+400 m以下的地區;杭子梢、螞蚱腿子、繡線菊、歐李、隱子草叢這一類型分布在海拔+400 m以上的區域。③沙地植被。遷安市沙地面積較大,主要分布于青龍河右岸、灤河故道及兩岸、沙河兩岸,沙地由于生態環境差,生長的植物需有較強的抗旱能力。主要野生植物有狗尾草、茅根、豬毛菜、生地、馬齒莧、車前子、蒼耳、蒿類等植物60多種。下面對遷安市露天采礦礦山地質環境治理與恢復的本土植被進行初步介紹。

油松是森林群落喬木層植被的優勢樹種,廣泛分布于北部長城沿線和西部地區,目前遷安占地總面積0.98 萬hm2(包括人工林0.48 萬hm2),郁閉度在0.2～0.4,林內光照較好,灌草兩層較發達,生長的灌木有荊條、花木蘭、歐李、酸棗等,草本植物有桔梗、蒼術、遠志及禾本科、菊科的一些植物。

側柏也是森林群落喬木層植被的優勢樹種,在西部山區、長城沿線少有分布,全市不足66.67 hm2,主要分布于石灰巖地區,適生于偏堿性土壤,植物種類較少,兼有零星生長的松樹、刺槐等。由于樹形及其他原因,其林下光照條件較好,雖然灌木草本比松林的種類少些,但也比較發達。分布的灌木有荊條、胡枝子、酸棗;草本植物有白羊草、遠志、白薇、茜草。側柏林群落所在地大多在石灰巖母質發育的土壤上,土層厚,長勢良好,樹相整齊,群落穩定[20]。

3.5 治理和效益相結合

諸多治理方案中,最有效也是最不易操作的是引入社會資本,結合其他方案,讓治理不止停留在出資治理,而讓治理和效益相結合,提高各方治理的積極性、主動性。遷安金嶺礦山傳奇公園如圖10所示。公園總占地面積676 hm2,計劃投資8.5億元,規劃建設期為10年,擬分3期建設農業灌溉區、農旅休閑產業區、產業物流加工區、水上娛樂區、山地極限運動區和綜合服務區“六大分區”,集生態旅游、休閑觀光、親子娛樂、運動拓展、康養度假于一體,打造世界級礦山主題樂園、華北地區親子旅游目的地。

圖10 遷安金嶺礦山傳奇公園Fig.10 Qian′an Jinling Mining Legend Park

金嶺礦山傳奇公園不僅種植了10萬余株油松、白皮松,種植了445.15 hm2的“花海”,增加了3 km觀光火車、1.5 km景觀河道,還修復了4座山體;通過回填采坑,土地復墾,實現新增耕地33.80 hm2。同時,金嶺礦山公園通過“三連”模式帶動本地群眾:“景村連體、園民連利、綠富連興”。

4 結語

我國露天礦山的地質環境形式十分嚴峻,國家越來越重視環境保護,對礦山的治理恢復,是一項造福國家和人民的系統工程。在開發礦產資源的同時,應采取相應措施保護礦山環境,以減少露天開采對環境造成的破壞。筆者總結了排土場種植沙棘、緩坡魚鱗坑栽植灌木、陡坡采用植生袋、綠化植被本土化等治理效果較好的新興技術,探討了引入社會資本等治理和效益相結合的治理修改技術,可以有效的預防地質災害,改善露天礦山的地質環境,實現可持續發展。