矿山地质环境保护与恢复治理技术

田 飞，王沙沙，侯利阳

(河南省地质矿产勘查开发局 第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

为深入贯彻落实习近平生态文明思想和党的十九大精神，积极践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，遵循节约资源和保护环境的基本国策，以“停产整治、关闭取缔、优化重组、生态修复、统一标准、督查验收”为主要手段，对全省范围内所有露天矿山开展综合整治工作。“桐柏县城郊乡方家寨片石场大理岩矿”位于该实施方案的重点生态功能区，符合文件精神[1-3]。根据上述文件精神，桐柏县县人民政府决定对桐柏县城郊乡方家寨片石场大理岩矿进行生态环境综合整治工作。通过环境治理措施和生物措施的实施，对城郊乡方家寨片石场大理岩矿矿山活动引发的矿山地质环境问题进行恢复治理，以改善和恢复矿区生态环境，在一定程度上保障当地人民群众生命财产安全，并为治理施工与施工管理提供相应依据。

1.1 地形地貌

治理区以剥蚀丘陵为主，地势呈西北高，东南低，最高点高程为+260 m，最低点高程为+195 m，最大高差为65 m。丘体呈浑圆状，地形坡度一般为25°，地表冲沟发育。工作区南部发育有3条山间冲沟，开口向南，沟谷宽缓平直，上游宽80 m，下游宽100 m，沟深3～5 m，纵坡降2%～3%，下部呈多级平台状，汇水面积0.02 km2，工作区内植被发育较差。

由于矿山开采，治理区内形成了4处采坑，采坑一位于工作区西北角，呈圆形，直径约为110 m，采坑内高程+230 m左右，深20～40 m；
采坑二位于工作区北部，采坑内分为两级平台，高程分别为+218、+211 m左右，一级采坑平台深约10 m，二级采坑平台深10～40 m；
采坑三位于工作区东部，采坑高程约+210 m，采坑几乎呈圆形，采坑内少量碎石、石渣堆积，采坑深4～7 m；
采坑四位于工作区南端，采坑最低高程为+195 m左右，采坑几乎呈圆形，采坑北侧为开采边坡，最大高差约为30 m，最低约为5 m。另外，矿山剥离的废土石都在工作区采坑一南部的排土场堆放，渣土堆目前高程为+229 m左右，目前堆积宽度约20 m，长约240 m，厚度约5 m。采矿活动已破坏了矿区原有的地形地貌。

1.2 地层

治理区出露的地层简单，为古生界信阳群龟山组(Pt2g)和第四系(Q)，如图1所示。

(1)古生界信阳群龟山组(Pt2g)。矿区大面积出露古生界信阳群龟山组，主要岩性为大理岩、斜长角闪片岩。岩性特征自北而南简述如下：斜长角闪片岩：分布在矿区南、北两侧，岩石为灰褐色、黄绿色。鳞片变晶结构，片状构造。岩石主要组成矿物角闪石 50%～80%、斜长石 10%～25%，含石英等。

图1 治理区地质Fig.1 Geology of the treatment area

大理岩几乎遍布全区构成可利用矿体。

(2)第四系(Q)。一般出露于治理区北部斜坡上部和治理区南部的缓坡上，坡上多为碎石、残坡积物，在北部斜坡上部土层较薄，南部缓坡上局部形成较厚的土层。治理区内厚度0.4～1.3 m。岩性为粉质黏土、黏土。

1.3 构造

工作区位于北秦岭褶皱系东段，桐柏松扒断裂以南。工作区内地层呈单斜构造，总体走向北西—南东，倾向北东30°～85°，倾角65°～80°，未切割矿体围岩，岩石节理、裂隙不发育。从产状看，说明岩层走向上摆动较大，工作区外围构造对其影响明显。总体来说，工作区区内地质构造简单。

2.1 矿山地质环境问题现状概述

小矿山开采是以破坏地质环境为代价的，尤其是露天开采造成的地质景观严重破坏，使原本视觉上较为协调的地质景观、秀美山川遭到了严重的破坏，这不仅与原自然环境构成了强烈的对比反差，而且易引发崩塌、滑坡等地质灾害；
另外，采石均为露天开采，在生产过程中缺乏科学规划，石沫乱放，滥采乱挖，造成了水土流失加剧，生态环境日益恶化。

治理区内矿山为露天开采，以开采大理岩建筑石料为主，矿山多倚坡开挖，露天作业，废弃采坑边坡高度大，坡度陡，在暴雨条件下，易引发崩塌、滑坡灾害；
矿山开采进行了大面积的开挖，土地压占破坏、植被破坏、景观破坏等资源毁损严重。

经野外调查，勘查区内目前未发现崩塌、滑坡。调查发现4处规模较大采坑，2处边坡和2处石沫及渣土堆场。目前，矿山面临的主要矿山地质问题有地形地貌景观破坏和土地资源破坏。

2.2 地形地貌景观破坏及危害

工作区内石料场和渣土堆堆积，石料、渣土堆放严重破坏了原有的地形地貌景观，基岩大面积裸露于地表，采坑及边坡破碎凌乱，石料、渣土、废石在勘查区内随处可见，满目疮痍。矿区大部变为裸地，新的地貌条件取代了原有的地貌形态。地形地貌的改变对于小尺度气候的影响是巨大的；
而小尺度气候对生物多样性影响是深远的。工作区地形地貌景观破坏面积为66 754 m2，其中石沫渣土堆积破坏面积约为22 650 m2。边坡和采坑破坏面积441 104 m2。各高陡边坡、石渣石料堆积场、采坑和采矿设施详细描述如下。

2.2.1 高陡边坡

方家寨片石场大理岩矿露天开采，开采坡面陡立，破碎，形成边坡。本次勘查区内主要包括2处高陡斜坡，分别为南部边坡和北部边坡。

(1)南部边坡(图2)。该边坡高6～30 m，几乎呈东西方向展布，坡向约146°，坡度25°～35°，坡宽约200 m。边坡上部斜坡坡面上堆积废渣弃土，厚度3～4 m，坡体东部和西部植被茂盛，中部为送料场，裸露，基本无植被，面积约为7 097 m2。

图2 南部边坡Fig.2 Southern slope

(2)北部边坡。北部边坡高20～50 m，西北—东南方向展布，坡向约201°。坡度45°～65°，坡宽约450 m。坡面破碎、裸露，植被不发育。根据现状调查，区内矿体及围岩产状稳定且与坡向反向，整体保持着巨厚块状，基岩裂隙不发育，也未发现软弱结构层。该坡坡面裸露，坡体较陡，临空面大，在长期重力和风化作用下，破裂面摩擦力会持续降低，会有局部岩块与母岩脱离现象。因此，可能会发生崩塌，威胁下方行人。

2.2.2 石渣石料堆积场

(1)南部石沫场(图3)。工作区南部石料场位于采坑四内，堆积高度5～10 m，现石料场内部的石料已运走，剩余料场的石料堆积呈圆环形。内圆半径约为35 m，高程约为+195 m；
外圆半径约为50 m，高程为+199～+204m。该石料场破坏面积为7 850 m2。

图3 南部石沫场Fig.3 Southern shimochang

(2)西北部渣土堆积场。工作区西北部渣土堆积场，位于采坑一的西侧，为开采矿石过程中的剥离土堆积而成。剥离土顺坡堆积，坡顶堆积厚度较大，厚度6～7 m，堆积宽度约15 m，长约232 m，破坏面积3 494 m2，体积约24 458 m3。斜坡上的剥离土较薄，渣土堆积厚度约0.4～0.6 m，局部厚度达1 m，破坏面积10 000 m2，体积约4 800 m3。

2.2.3 采坑

(1)采坑一(图4)。采坑一位于工作区西北角，呈圆形，直径约为110 m。采坑内高程230 m左右，深20～40 m，采坑内少量碎石、石渣堆积，破坏面积约为7 132 m2。

图4 采坑一Fig.4 Pit one

(2)采坑二。采坑二位于工作区北部，采坑内分为两级平台，高程分别为+218、+211 m，一级采坑平台深约10 m，二级采坑平台深10～40 m，采坑内少量碎石、石渣堆积，面积分别为3 530、6 430 m2。整个采坑破坏面积为14 709 m2。

(3)采坑三。采坑三位于工作区东部，采坑高程约+210 m，采坑几乎呈圆形，采坑内少量碎石、石渣堆积，采坑深4～7 m，整个采坑破坏面积为3 102 m2。

(4)采坑四。采坑四位于工作区南端，采坑最低高程为+195 m左右，采坑几乎呈圆形，采坑北侧为开采边坡，最大高差约为30 m，最低约为5 m。采坑内大量石沫堆积，堆积高度5～10 m，估计石沫方量为58 875 m3。整个采坑破坏面积为16 985 m2。

2.2.4 采矿设施

据调查，矿山内现有2处采矿设施。一处位于南部边坡东侧的为采矿送料器基座，混凝土结构，面积281.2 m2；
另一处位于采坑四东南角，为矿山项目部，简易铁皮房，面积约48.5 m2。

2.3 土地资源破坏及危害

工作区内无论采坑还是石料、渣土堆放，均使原本稀疏的矿区植被破坏殆尽，地表基岩裸露，石料、渣土、废石及其他采矿废弃设施凌乱不堪。采矿场及周围生态环境的破坏，造成居民的生存环境质量下降。依据土地利用规划图，目前治理区内造成压占与破坏土地类型为采矿用地、有林地、灌木林地、其他林地和其他草地为主，见表1，工作区土地利用现状如图5所示。

表1 治理区土地利用现状Tab.1 Current status of land use in the governance area

目前，矿区生产造成压占与破坏土地类型为采矿用地、有林地、灌木林地、其他林地和其他草地。其中,西北部渣土堆占地类型为采矿用地，面积为3 494 m2。治理区内采矿形成的巨大采面，植被和表层土层被完全剥离，形成陡峭岩壁，坡面被雨水侵蚀严重，人工改造恢复植被非常困难。另外，石料、渣土堆放场地，采矿附属设施及其他表层种植土剥离区，未加防护的石粉堆、渣土堆等在雨季地表水的侵蚀下在坡面形成不同大小沟壑，加剧水土流失和地质灾害的频发，这部分土地的种植功能也基本丧失，但经人工改造覆土后可恢复为林地等，恢复土地的基本种植功能较为容易。

图5 工作区土地利用现状Fig.5 Status of land use in the work area

综上所述，工作区内土地破坏总面积为66 754 m2，本次设计修复为有林地。

3.1 总体设计

根据矿山地质环境问题特点，总体布置如下：矿区划分为采坑治理区(采坑一、采坑二、采坑三、采坑四)，高陡边坡治理区、石沫渣土治理区。采坑治理区主要包括坑底平整、覆土和生物绿化。高陡边坡治理区主要考虑治理总体布局，并结合原始的地形地貌特征，进行整治。布置包括残山开挖与边坡整理、覆土绿化和砌筑挡土墙等。2处石沫渣土堆治理区主要采取清运进行整治，其中西南部渣土堆和南部边坡上的弃土可作为本次治理的覆土土源[4-10]。

3.2 治理分项设计

3.2.1 边坡整理

针对治理区内采坑面积较大、采坑深、坡面陡、节理裂隙发育、岩体风化中等的现象，边坡整理重点安排在采坑周边的边坡，主要采用分级削坡的方法进行边坡整理。采坑边坡采用多级削坡、设置马道、反压坡脚等措施增加其稳定性。依据规范中岩质边坡坡率允许值范围，边坡设置为4—6级，岩质挖方边坡坡率按岩质Ⅲ类中等风化边坡坡率允许值确定。本次设计边坡分级高度5 m，设计边坡坡度为60°，符合Ⅲ类中等风化边坡坡率为1.00∶0.35～1.00∶0.50的要求。运用南方CASS应用中的方格网法计算挖方量。①将每级平台和其上方的紧邻斜坡作为一个整体，假设将该平台和斜坡共同挖方至该平台的标高处；
②用南方CASS应用中的方格网法计算出该级平台和其上方的紧邻斜坡挖至该标高处的挖方量；
③用挖方量减去每级斜坡多算出的挖方量，即为每级平台和其上方的紧邻斜坡的实际挖方量。例如台阶标高+245 m，上方紧邻斜坡坡度60°，台阶长度226.8 m，挖方量为9 389.3 m3。则斜坡多算出的面积为固定三角形的面积，即7.217 m2。实际挖方量为7 752.56 m3。边坡整理每级的开挖方量见表2。治理区内2处边坡的整理情况如下。

表2 边坡整理各级台阶及上部紧邻斜坡挖方量Tab.2 Amount of excavation of the steps at all levels and the upper adjacent slope for side slope preparation

南部边坡整个边坡共设置3级台阶，每级台阶标高分别为+210、+205、+200 m；
台阶宽度不小于3 m。采坑四底部整理标高至+200 m。北部边坡尽量结合原始地貌设计。采坑一坑底整理至标高为+220m，共设置8级台阶，每级台阶标高分别+265、+260、+255、+250、+245、+240、+235、+230、+225 m。采坑二和采坑三连接处设置坡面，坡度为60°。采坑二坑底整理至标高+215 m，共设置9级台阶，每级台阶标高分别为+265、+260、+255、+250、+245、+240、+235、+230、+225、+220 m。采坑三坑底整理至标高+210 m。采坑二和采坑三连接处设置坡面，坡度为60°。每级台阶宽度不小于3 m。采坑四坑底整理至标高200 m。采坑三和采坑四连接处设置台阶，标高为205 m，边坡坡度为60°。每级台阶宽度不小于3 m。

3.2.2 地形平整

地形平整的挖填方量计算方法和边坡整理计算方法一样，运用南方CASS应用中的方格网法计算挖方量。①将每级平台和其上方的紧邻斜坡作为一个整体，假设将该平台和斜坡共同挖方至该平台的标高处；
②用南方CASS应用中的方格网法计算出该级平台和其上方的紧邻斜坡挖至该标高处的挖方量；
③用挖方量减去每级斜坡多算出的挖方量，即为每级平台和其上方的紧邻斜坡的实际挖方量。

(1)采坑一：坑底平整至+220 m，平整面积为13 122.9 m2。

开挖方量通过南方CASS方格网土石方填挖计算方法计算，减掉多余方量，即85 386 m3。

(2)采坑二：采坑坑内、及坡脚堆积有少量碎石、废渣，坑底分为按照标高+218、+211 m可分成2级台阶。根据采坑地形条件，结合周围环境及施工条件，坑底整体清理至标高+215m，面积为133 019 m2。开挖方量通过南方CASS方格网土石方填挖计算方法计算。减掉多余方量，即30 471 m3。

(3)采坑三：坑底平整至+210m，平整面积为5 070 m2。

开挖方量通过南方CASS方格网土石方填挖计算方法计算。减掉多余方量，即17 540.7 m3。

(4)采坑四：设计坑底平整至+200 m，平整面积为21 245 m2。

开挖方量通过南方CASS方格网土石方填挖计算方法计算。减掉多余方量，即63 295 m3。平整量见表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 挡土保水岸墙

为解决采坑岩质高陡边坡的复绿问题，本次治理采用边坡分级削坡留设马道，并在马道上覆土种树的治理方式。在每级马道外侧砌筑高1.0 m，宽0.5 m的挡土保水岸墙，防止马道上填筑的复绿土地流失，保水挡墙长度约为3 661.08 m，M10浆砌石1 830 m3，M10砂浆抹面9 154 m2。保水挡墙的断面如图6所示。

图6 保水挡墙断面示意Fig.6 Cross-section of water retaining wall

3.2.4 覆土

对整平后采坑和边坡的每级台阶(马道)上，实施覆土，覆土为自然沉实土壤。地形平整后，下部垫渣0.4 cm上部覆土厚度0.6 m。覆土后地面坡率2%～3%，覆土应为适宜植物生长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体之外，可从调查的土源处取土。覆土面积合计59045.25m2，垫渣23 611 m3，覆土35 416 m3。土源除可利用从治理区施工过程中剥离的表土外，其余覆土量经现场调查及协商，西北部渣堆和南部边坡的渣土土源是由于矿山开采过程中剥离的表土堆积而成。因此，作为本次取土点，经覆土用量计算，2处确定土方量约为36 000 m2。此次覆土需35 416 m3，土方量大于需土量，满足此次覆土需要。

3.2.5 生物绿化

(1)土地复垦适宜性。针对治理区内的土地损毁，设计开展土地复垦。在结合治理的边坡整理、地形平整和覆土设计的基础上，进行土地复垦适宜性评价，为此次生物绿化设计提供依据。根据初步确定的复垦方向及土地适宜性评价原则、评价方法、评价标准、评价单元划分等，通过分析和调查各评价单元的原土地利用情况、土地损毁、公众参与、当地社会经济等情况，以确定各复垦单元不同土地复垦方向的适宜性等级。从各评价单元用地限制性因素分析和施工难易程度等情况，最终确定复垦方向，确定各复垦单元最终复垦方向，见表4。综上所述，复垦责任范围通过适宜性评价，台阶和采坑平整后平台最终确定可复垦为有林地。而斜坡上由于受坡度和地表组成物质限制属于不适宜类，因此本次可在台阶的外侧和内侧种植爬藤植物，复垦为灌木林地，对斜坡达到绿化效果。

表4 土地复垦适宜性评价最终结果Tab.4 Final result of land reclamation suitability evaluation

(2)生物绿化设计。生物措施主要起到覆盖地表、稳定边坡、控制水土流失、改善矿区生态环境。在此基础上，全部治理区均要混合播撒草籽和刺槐树籽、臭椿树籽。裸露的基岩边坡上也要撒播。在采坑坑底、各级覆土台阶种植侧柏的复绿方法，可达到尽快恢复矿区生态环境的目的。树间距设计为1.5 m×1.5 m，树坑规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m；
应用的苗木应具备生长健壮、枝叶繁茂、冠形完整、色泽正常、根系发达、无病虫害、无机械损伤、无冻害等基本质量要求；
在台阶的内外侧种植常青藤，常青藤属多年生大型落叶木质藤本植物，扦插繁殖，株距1 m×1 m，共计3 661株。在全部治理区内及周边10 m区域内撒播草籽和刺槐树籽、臭椿树籽，混合比例为3∶1∶1。撒播草籽面积79 420 m2，绿化面积共79 420 m2。

3.2.6 废弃设施拆除

在工作区遗留废弃砖砌采矿加工设备和项目部等生产性用房共计5间，矿山治理过程中逐步将其拆除，拆除工作量340 m2。设计对拆除废弃砖砌设备和项目部所产生的建筑垃圾，就近进行采矿平台坑塘回填。

4.1 社会效益

对矿山进行环境保护与综合治理，越来越被认为是人类在可持续发展下资源开发模式的一种理性选择。桐柏县城郊镇方家寨建筑用大理岩矿矿山地质环境保护与恢复治理有助于缓解矿业开发与环境保护之间的矛盾，适应经济社会可持续发展的战略要求。同时，增强人民群众对党和政府的信任，提高人民群众进行生产劳动创造财富的积极性，对全面建设小康社会具有重要的意义。

4.2 环境效益

矿山地质环境治理是通过生物措施、措施将因矿山开发破坏的地貌景观得到修复，增加植被覆盖率，可有效的净化大气污染，调节当地气候环境，通过对矿山的矿山生态修复，增加林地66 754 m2，将有效提高治理区森林覆盖率，减少因矿渣堆放等引起的扬尘，有效地改善治理区环境现状，重现矿区绿树青山。

桐柏县城郊镇方家寨建筑用大理岩矿矿山地质环境保护与恢复治理的实施需要大量的人力、物力，能够一定程度上带动相关产业的发展，并在一定时期为当地剩余劳动力提供了就业机会，对于缓解当地劳动力过剩、就业困难具有重要意义。并且项目的实施可恢复林地66 754 m2，将会改善矿区的生存条件、生活空间和生活环境，同时，治理过程中产生的土石方量具有一定的经济价值，能够有效改善本区域的经济发展、经济投资的外部环境，有力于促进当地社会经济的发展和谐社会的构建。总之，地质环境治理是一项利国利民、造福后代的民心工程，综合效益显著。

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