豫北地區某水泥用灰巖礦綠色礦山建設研究

崔小蘭，吳維洋，吳德運

(中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊,河南 信陽 464000)

黨的二十大指出,大自然是人類賴以生存的基本條件。尊重自然、順應自然、保護自然,是全面建設社會主義現代化國家的內在要求[1-2]。本文以豫北水泥用灰巖礦為例,主要分析礦山開采過程中礦區環境存在的問題,深入分析礦區環境、資源綜合利用、節能減排等方面存在的問題,提出綠色礦山的環境保護舉措,為豫北地區綠色礦山持續性發展提供參考[3]。

1 礦山概況及地質環境背景

1.1 礦區概況

礦山位于河南省洛陽市新安縣鐵門鎮境內。地貌屬于黃土丘陵地貌,礦區地勢總體上北高南低,山頂渾圓,最高海拔標高+495.26 m,最低+350 m。礦區面積0.425 6 km2,開采標高+465 m～+335 m。新安縣屬北暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明,冬季寒冷,夏季炎熱,春秋兩季較適宜。降水具有年內分配不均,年際相差懸殊的特點。最大年降水量1 097.3 mm,最小降水量373.34 mm,屬半干旱區,風向多為西風或西北風,最大風速19 m/s。霜期平均142 d,冰凍期在12月至次年2月,最大凍土深度18 cm,地下水補給主要為大氣降水。礦區農作物群落分布面積很大,呈不規則斑塊狀散布于礦區內,地面植被覆蓋較高。礦區內土壤以棕壤土為主,其次為褐土,土體厚度不均;礦區范圍內無村莊居民點,區內及周邊無其他重要工程設施,礦區周邊亦遠離各級自然保護區或重要旅游景點及水源地。

露天采場位于礦區中、北部,自上而下、臺階式開采,沿走向縱向采擴,工作面由東向西推進。利用礦山現有的穿孔、采裝、運輸設備?？觾刃纬?個臺階,地表剝離已全部完成,礦區北部已開采至礦體底板。

1.2 地層

新安縣地處華北地臺華熊臺緣坳陷澠池-確山陷褶斷束,地層區劃屬華北地層區、豫西地層分區、澠池-確山小區。礦區出露地層主要是古生界沉積巖,寒武系中統張夏組。其中二段(∈2z2)總厚90 m～100 m,巖性主要為鮞狀豆狀灰巖,竹葉狀灰巖和致密塊狀灰巖,虎皮灰巖(花斑灰巖),呈厚層狀、巨厚層狀,是礦體賦存層位和開采對象。

1.3 構造

礦區位于新安傾伏向斜的北翼東端,為一單斜構造。地層走向270°～295°,傾向南西,傾角18°～32°。本區斷層規模一般不大,延伸100 m～600 m,性質以平移斷層、正斷層為主,少數為逆斷層(F3),從斷層走向可分為兩組:北東向斷層有F1,F3,F4,F5,北西向斷層組有F2,構造較為復雜,但對礦區影響不大。

1.4 礦層地質特征

礦床賦存于寒武系中統張夏組中上部層位中,礦區內發現2層水泥灰巖礦層,礦石組成為石灰巖。依據巖礦鑒定資料,礦石的礦物成分較簡單,以方解石為主,含量在98%以上。本區水泥用灰巖礦石以Ⅰ級品為主。Ⅱ號礦體是礦區最大礦體,全為Ⅰ級品,為主要開采區。

1.5 水文地質概況

在礦區北部方山出露的元古代砂巖是下部距礦體最近的含水層,該層位在礦體下部200 m以上,中間夾多層厚而不透水的頁巖,該含水層對礦區無影響;礦區周圍附近沒有常年性泉水,與區域地下水關系不大。礦區地下水含水巖組類型有松散巖類孔隙水碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、斷裂帶裂隙含水層,對礦區影響甚微,影響礦床開采的唯一充水因素為大氣降水。

1.6 工程地質特征

本礦床各工程地質巖組均為堅硬巖石,巖性組合簡單,內無軟弱夾層,開采邊坡穩定,未發現其他不良工程地質現象,故本礦床工程地質條件應屬簡單類型。但在特殊地段仍需采取相應防護措施。

1.7 環境地質條件

經現場調查,現狀條件下礦山地質環境問題主要是開采礦體、工業廣場建構筑物及廢石堆放破壞原生地形地貌景觀、占壓土地資源,礦山地質環境問題的類型較多,危害較大。確定礦區環境地質類型屬中等類型。

2 礦山地質環境現狀及存在的問題

本次從地質災害現狀、礦區標識標牌達標率、礦區綠化覆蓋率、礦山土地復墾率、地形地貌影響以及“三廢”等方面礦區地質環境現狀進行分析[4]。

2.1 地質災害現狀

該礦采用露天開采礦山,自上而下、臺階式開采,沿走向縱向采擴,工作面由東向西推進。露天采礦區無村莊,采用公路開拓-汽車運輸方案,在開采境界內形成了面積約0.212 9 km2,深約40 m的露天礦坑,現形成四個開采臺階,臺階標高分別為:407 m～394 m,394 m～381 m,381 m～369 m,369 m～357 m,臺階高為12 m～13 m,開采邊坡40°～50°(見圖1,圖2)。

由于長期的邊坡開采,造成邊坡坡腳偏陡,坡面不平整,機械的振動造成巖體裂隙發育,突出的巖體較破碎,現狀情況下邊坡穩定,但容易造成崩塌、滑坡等地質災害。

2.2 礦區標識標牌達標率現狀

采石場運輸路線限速標志、轉彎過橋等路段的危險標志,出入大門口的限高標識牌,主要道路上“爆破區域、閑人免進”等標志,采石場剝離層等處設置安全警示牌或者警戒護欄,工作場所出入口設置“禁止飲酒上崗”“禁止吸煙”“注意安全”“注意防塵”“當心墜落”“必須持證上崗”“必須戴安全帽”“必須戴手套”“必須戴防塵口罩”“高處作業系安全帶”等安全警示標志比較缺少,附近居民有闖入礦區的危險,施工作業安全隱患比較大。

2.3 礦區土地綠化率及礦山土地復墾率現狀

礦區土地目前綠化分布比較稀少,排土場、廢石場、沉陷區、礦區工業場地、礦區專用道路兩側等可綠化土地比例為50%,距離標準指標100%還有很大的綠化空間。露天采礦基巖裸露,終了邊坡未進行復墾,礦山已恢復的土地面積僅占礦山被破壞土地面積的30%,礦區綠化工程及土地復墾工作量比較大。終了平臺雖然進行了覆土,但是未砌筑漿砌石擋墻和排水溝,容易造成水土流失[5]。

2.4 地形地貌景觀破壞現狀

礦區現狀條件下礦山地質環境問題主要是開采礦體、工業廣場建構筑物及廢石堆放破壞原生地形地貌景觀、占壓土地資源,山體破壞、巖石裸露,坡面植被破壞等改變了原來礦區的面貌,礦山地質環境破壞比較大。目前取土場土地利用類型為其他草地,總面積2.5 hm2?？扇⊥梁穸? m～8 m,平均取土厚度3.5 m,取土場對土地的損毀類型為挖損。故露天采礦對礦區地形地貌景觀破壞嚴重,礦山道路對原始地形地貌破壞較嚴重。

2.5 礦山粉塵、噪聲、廢水及廢石等主要環境影響現狀

礦山開采過程中對環境產生影響的主要因素為:粉塵、噪聲、廢水及廢石。礦山開采過程中,鑿巖、爆破、裝載及廢石堆存時都會產生粉塵,對操作個人的健康產生影響;機械使用過程中以及礦石運輸過程中均會產生噪聲,對操作工人的聽力損害比較大;采場生產用水量很小,少部分廢水含有微量石油類,工業場地生活廢水可能會污染環境。雖然礦區采取了一定措施,但是各種防治措施還不夠完善,缺乏環境影響指標的動態監測系統。

3 綠色礦山提升方案

3.1 礦山地質災害預防措施[6-9]

1)露天采場邊坡坡度較陡的邊坡進行削坡減載,及時清理消除危巖體,消除滑坡、泥石流隱患。2)在采石場上游設置截水溝,將地表水攔截至礦區低洼山溝處;不穩定的巖體下部修建擋墻或者支撐墻,材料宜用混凝土、鋼筋混凝土或者砌石。支撐建筑物的基礎要設置在滑動面以下。3)開采期間嚴格按照開采設計順序自上而下有序進行,嚴禁超挖或者跳挖,保持臺階工作面平整及安全坡度,以保證最終的邊坡穩定性。4)要保證礦山安全有序的進行,在采石場外圍設置警示牌及圍欄以警告路人注意安全。5)嚴格落實應急排水等措施,采石期間設置監測點,建立長期邊坡變形監測點,做好相應地護坡、排水、綠化措施,避免新的開采活動引發新的地質災害。

3.2 加密礦區標識標牌

在礦山開采過程中,在露天采場周圍或進出口加密設置警示牌,主要運輸道路上增加限高限寬的警示標志,工作崗位出入口設置安全警戒線后者加設圍欄,加大安全警示標志和安全設施等投入,健全安全生產管理制度,提高作業人員的安全意識。

3.3 提高礦區土地綠化率及礦山土地復墾

按步驟、分階段的做好礦區綠化和土地復墾工作,做到“開發中保護,保護中開發”,保證礦區綠化率,維護良好的周邊生態環境。治理礦區內土石裸露區域、地形地貌破壞區域;綠化不可開采區、道路兩旁、臨時表土堆場;對礦區東南側最終邊坡進行土地復墾,完成已破壞區域的土地復墾和生態環境恢復,堅持生態文明建設[10]。

3.4 地形地貌景觀破壞預防措施

科學制定開采方案,在礦山開采過程中最大限度的減少破壞耕地及林草地等原始地形地貌;及時清理采場產生的廢石、廢渣及碎石,避免長時間的暴露在空氣中,破壞原始地形地貌;露采區采取邊開采邊治理的生產模式,在開采的同時進行植物綠化,及時進行地形地貌的恢復;提高現有生活生產配套設施利用率,改善職工的作業環境和生活環境,避免對地形地貌造成二次破壞。

3.5 粉塵、噪聲、廢水及廢石影響環境的預防措施

1)粉塵。使用專項資金對各系統的收塵設施進行升級改造,在皮帶廊增加收塵器,對皮帶輸送桁架進行密封,增加噴霧抑塵等環保設施。主要穿孔設備自帶捕塵裝置,消除鉆孔中的揚塵,操作工人佩戴防塵口罩,采礦工作面、運輸道路和臨時表土堆場采取定期灑水,減少揚塵。2)噪聲。礦山鑿巖、空壓機、挖掘機等設備工作中會產生噪聲,設備選型時可選擇噪聲低的設備或加裝消聲器,生產中操作工人采取個人防護措施。3)廢水。工業場地生活廢水經化糞池處理后排出。4)廢石。礦山開采過程中剝離的夾石全部與礦石搭配使用。

4 礦山地質環境恢復治理措施

4.1 露天采場恢復治理措施

采用平臺種植灌木或喬木遮擋和邊坡栽種藤草的方式進行復綠[11]。

1)首先對采石場的平臺及邊坡進行修整,對裸露的危巖進行人工開鑿或者機械爆破(邊坡治理工程量見表1),平整后露天采場已經到位的平臺先填20 cm的碎石,后覆土50 cm進行復墾為有林地,選用蜀檜、側柏等常青喬木,株行距2 m×2 m,坑徑大小1 m×1 m×0.5 m,并撒播草籽,草種選用羊胡子草、狗牙根、篙類草。

表1 終了平臺和邊坡治理工程量表

2)終了邊坡采用30 cm覆土,然后撒播草籽,草種選用羊胡子草、狗牙根、篙類草。同時在平臺靠近邊坡位置種植五葉地錦或葛藤,以條播形式種植,條播20 cm間距。同時預留施工便道,以便后期進行植被保護(生態環境恢復治理工程量見表2)。

表2 生態環境恢復治理工程量表

3)擋土設施:在各覆土點外圍設置高70 cm、寬30 cm的漿砌石擋土墻用于保護表土(見圖3),防止水土流失,保護幼林草的生長。采用人工灌溉和自然灌溉相結合的復合方式提高幼苗的成活率[12]。

4.2 礦山道路兩側綠化工程

在老破碎站至礦山的公路兩側約200 m路段進行綠化(見圖4),采用挖坑種植喬木和撒播草籽相結合的方式進行。喬木選用側柏或楊樹,間距2 m×2 m,坑徑大小1 m×1 m×0.5 m,路基整治工程4 000 m2植樹800棵,并撒播草籽,草種選用羊胡子草、狗牙根、篙類草[13]。

4.3 礦山地質環境監測工程

1)環境空氣質量監測。礦山生產過程中,在鑿巖、爆破、二次破碎、運輸、初破破碎等環節中產生了大量的粉塵、廢氣、噪聲等,為減少上述污染,保護大氣環境,礦山應每年進行環保檢測。

為監測礦山開采對大氣環境的影響,在礦區東側、西側居民區及礦山破碎站處設置3個環境空氣質量現狀監測點。

2)噪聲環境質量現狀監測。為了解礦山生產活動對周圍環境噪聲現狀的影響情況,設計在礦區邊界東、南、西、北4個方向及礦區東側、西側居民區布設共計6個監測點。

監測頻率每季度一次,每次監測1 d,分別在晝間和夜間各進行一次。

3)地表水環境質量監測。在礦坑積水處設置一個地表水監測點DB1,了解礦山開采對本區地表水環境質量的影響。監測項目:pH,COD,BOD5,氨氮,高錳酸鹽指數,總磷,SS,總氮,硫化物,硫酸鹽,硝酸鹽,氯化物,氟化物,氰化物,鉻,砷,銅,全鹽量等。監測頻率為每季度1次,每次監測1 d時間,上午、下午各取樣一次。

4)地下水環境質量監測。及時掌握地下水水位、水量及水質情況。當發現水量、水位、水質發生較大變化時,及時分析變化原因,若與礦山采礦活動有關,及時采取措施處理。設計在礦區設置3個監測點,對地下水的水質進行監測分析,樣送至有資質的檢測單位檢測。

地下水樣的采集、包裝和運輸:取樣前將取樣瓶沖洗干凈,且取樣時要用新鮮水沖洗水樣桶至少3次。水樣采取后立即封好瓶口,填寫水樣標簽,及時送樣。

5)設置邊坡位移監測設施。在邊坡臺階平臺設置觀測標(點),作為觀測的水準點,定期監測邊坡和采礦場邊沿地帶的變化幅度并與地面觀測點一起構成網狀分布,形成水準網,定期進行觀測,隨時掌握巖移情況。

對重點部分設置臨時觀測點,按周期進行觀測,監視局部變形,及時作出變形或滑坡預報。

測點埋設:每一個臺階均需設置監測點,且一個臺階上至少設兩個測點,一個靠邊坡頂,另外一個靠近邊坡腳,測點位置應考慮到觀測方便與觀測人員安全;觀測點須與邊坡巖體緊密結合,埋設時可在巖體上打眼,深度不小于0.5 m,然后插入直徑20 mm,長0.8 m～1.0 m的金屬桿并灌滿混凝土。金屬桿頂需加工成半圓球形,離地面不超過0.3 m[14]。

6)復墾植被監測。復墾為林地的植被監測內容,為植物生長勢、高度、種植密度、成活率、郁閉度、生長量等;復墾為牧草地的植被監測內容,為植物生長勢、高度、覆蓋度、產草量等;監測方法為樣方隨機調查法。在復墾規劃的服務年限內,露采坑布設監測點1個,廢渣場布置1個,表土堆場布置1個,工業場地布置監測點1個,合計布置監測點4個,每季度至少監測一次。

7)復墾配套設施監測。土地復墾的輔助設施,主要是田間道路和排水。配套設施監測,以土地復墾方案設計標準為準,監測主要內容是各項新建配套設施是否齊全、能否保證有效利用,以及已損毀的輔助設施是否修復,能否滿足當地居民的生產生活需求等。

及時發現礦山可能形成的地質環境問題并采取相應的措施有效治理[15],確保礦山安全生產和人車安全;對恢復治理及復墾效果進行監測管護,提高植被存活率及配套設施的使用年限。

5 結論及建議

1)通過對邊坡危巖體的清理,設置截水溝,修建擋土墻以及植樹等措施,有效的減少了滑坡、泥石流等自然災害,保護了水土、維持了生態平衡。2)通過采取前期一系列的預防措施,結合后期的喬木灌木遮擋以及藤草復綠、道路植綠的恢復治理方式,減輕了礦山對生態環境產生的污染和破壞,并且在采礦活動結束后能夠快速的恢復。3)通過對礦山地質環境的監測,形成一個動態的數據系統,隨時可以根據檢測的數據情況調整生產方式、及時進行生態修復,有效提高礦山治理恢復的效率和質量。4)綠色礦山建設完成后續開采要嚴格遵守“邊開采、邊恢復”的原則,建議按照開發利用方案積極組織礦山開采,嚴格按照設計要求開采,不得形成新的重大隱患。礦山恢復方案和綠色礦山同時進行,努力實現礦山發展的資源效益、環境效益和社會效益的協調統一,資源開發與環境保護并舉,礦山發展與社會繁榮共贏[16]。