湖南某铁矿地质环境评价及恢复治理措施

蒋洪亮 邓继辉 傅 涛

（1.重庆工程职业技术学院地质与测绘工程学院，重庆402260；2.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016）

近年来，伴随着高强度的开发，矿区开采环境恶劣［1］、土地资源浪费［2］、地下水系统被破坏［3］、废渣废水随意堆弃和排放［4］等一系列地质环境问题愈发严重，严重影响了矿区可持续发展。本研究以湖南某铁矿为例，分别从矿山地质灾害影响程度、含水层破坏程度、地形地貌景观影响程度和土地资源影响程度等方面对矿区地质环境进行评价，并根据评价结果，对相应的地质环境恢复治理措施进行探讨。

1 工程概况

1.1 矿区地质特征

（1）气象水文。矿区位于温带季风气候区，年最大降水量为1 698.7 mm，年平均降水量为945.7 mm，雨季主要为每年7～9月。矿区所在区域四季分明，年极端最高和最低温度分别为39℃，-11℃，平均气温为17.6℃。矿区内分布百福水系，多为小型冲洪积阶地。

（2）地形地貌。矿区属中低山丘陵地貌，总体呈NW—SE向展布，地形平缓、完整，地形坡度一般为5°～10°，局部为低矮山丘，地形较陡，地面坡度一般大于25°，林木茂密，局部分布有居民地和旱地。

（3）地层岩性。区内地层岩性较简单，沿线出露的基岩地层为白垩系（K）砾岩夹粉砂岩，地表断续分布第四系（Q）覆盖层。区内地层岩性由新至老依次为：①第四系（Q），按成因类型可分为冲洪积物、坡积物及残坡积物；②冲洪积物（Qpal），主要分布于周边的冲洪积阶地上，表部分布0～1 m厚的耕植土或灰褐色砂壤土，下部为砂、卵砾石、碎石、块石夹粉质黏土，厚度一般为1.5～17 m；③坡积物（Qdl），由块石、碎石及粉质黏土组成，主要分布于小型冲沟沟底位置，厚度为5～10 m；④残坡积物（Qedl），由灰褐色、棕红色粉质黏土、砂质黏土、粉砂土夹碎块石、碎石组成，主要分布于矿区山脊和缓坡地带，厚度一般为1～5 m；⑤白垩系（K）砾岩夹粉砂岩，灰黑色，粒径为0.5～20 cm，以棱角状和次棱角状为主，成分以板岩和砂岩为主，泥质胶结，局部夹粉砂岩，岩层产状为N30°～40°W，SW∠15°～20°，在公路沿线均有分布。

（4）工程地质条件。研究区位于长柏主干斜冲断裂和跃船压性、压扭性断裂之间。区内主要褶皱有思村向斜、福寿山背斜、石柱峰倒转向斜、枫树坑倒转背斜等，其中，福寿山背斜紧靠工程区，轴线走向约N80°W，延伸长度约12 km，该背斜西北、南东分别被连云山花岗岩体和大围山花岗岩体吞没，轴部及两翼均为冷家溪群第二岩组，北东翼岩层倾角多为30°～70°，南西翼岩层倾角以50°～70°为主。工程区断裂构造以压性、压扭性为主，展布方向以NE、NNE向为主，次为NW、NEE向，区内主要区域断裂带有浏阳—衡阳—零陵断裂带（长—柏主干斜冲断裂）、跃船断裂和马尾皂断裂，均系早—中更新世活动断裂或前第四纪活动断裂。其中，马尾皂断裂位于工程区南东、上水库库尾，系前第四纪活动断裂，压扭性，总体走向约N45°E，延伸长度约35 km，于枫树坑西南一带与长柏主干断裂交汇。该断层切割了冷家溪群及燕山早期花岗岩以及福寿山背斜、石柱峰倒转向斜，沿线岩层挤压破碎强烈，产状变陡（倾角70°～80°），多形成角砾岩。区域新构造运动较弱，无晚更新世以来有过活动的断裂或褶皱，不存在发生中强地震的构造，地震活动较微弱，新构造运动主要表现为大面积整体性缓慢的掀斜和间歇性升降运动，伴有以断裂为边界的断块差异运动，新构造运动较弱，属于相对稳定地区。

1.2 矿区地质环境特征

矿区从20世纪80年代开始采用池浸选矿和露天开采方式进行生产，使得矿区基岩裸露，不可避免地引发了泥石流、山体滑坡等地质灾害。根据相关统计，矿区房屋危害、农田淹没、河道池塘淤积、水土流失和尾砂堆积的面积分别为5.1×10-4，1.5，1.3，1.9，5.8 km2。目前该矿区有34个采矿点，总占地面积为 0.752 km2，其中，剥采区面积为0.258 km2，其余为尾砂堆区域。采矿引起的主要环境问题为植被遭受严重破坏、农田被淹没、池塘河道被堵塞、发生泥石流和山洪等地质灾害的概率不断增加。

该矿山采用池浸工艺生产时会产生大量尾砂［5］，大量尾砂被随意堆砌于山坡上，易诱发山洪、泥石流等灾害，给下游村庄居民的生命财产安全造成了巨大威胁。根据相关统计，堆积尾砂的山坡坡度小于35°，滑坡泥石流的体积一般不超过12 m3，不会产生较大的安全威胁，但是随着时间的推移和尾砂数量的不断增大，加之矿区夏季降雨较为集中，发生山洪的可能性非常大。并且由于长时间高强度开采，易引起地表发生不均匀沉降，并产生地面裂缝。

矿山生产形成的大量尾砂被随意堆积于沟底、河边等区域，经过长时间的雨水冲刷后，易堵塞河道。目前，尾砂堆积的深度为1～3 m，面积达到5.8 km2。

矿区植被破坏严重，经过现场调查，目前该区域已无植被覆盖，矿区开采前地表植被主要为灌木，覆盖率约为60%。但随着矿区开采的进行，尾砂堆积量越来越多，尤其是在夏季，尾砂会随着降雨渗流至矿区其他区域，对矿区植被造成了较严重的破坏［6］。

2 矿区地质环境评价

2.1 矿区地质灾害影响程度

（1）工业场地、废石场和露天采矿坑引起的地质灾害。工业场地、废石场和露天采坑引起的地质灾害较小，直接损失和间接损失总和小于20万元且威胁人数少于50人，引发地质灾害的规模和可能性较小，因此，工业场地、废石场和露天采坑相对安全，不会引发大规模的地质灾害。

（2）地表不均匀沉降和地面裂缝。根据矿区地质资料，本研究通过计算矿区的采深采厚比，进行地面不均匀沉陷和地面裂缝预测评价［7-8］。按照采深采厚比是否等于30可将该矿区分为A区域和B区域。其中，A区域的采深采厚比等于30，矿体底板投影宽度为36.98 m，倾角为75°，底板埋深为115.1 m，由此可以判定塌陷区位于矿体附近，地面沉陷区位于距离矿体大于38.21 m的区域；B区域采深采厚比小于30，矿体底板投影宽度为32.54 m，倾角为69°，底板埋深为113.9 m，由此可以判定塌陷区为矿体在地表的投影范围，塌陷面积为0.029 8 km2，地质灾害的具体表现形式为地面裂缝（图1）和地表不均匀沉降（图2），沿矿体成带状分布，分布于矿体附近。经计算，矿区塌陷面积为0.029 8 km2，可造成300万元左右的经济损失，危及约100人的安全，尤其是井下20人的安全，地表不均匀沉降和地面裂缝引起的地质灾害规模中等，危害程度较大。

2.2 含水层破坏程度

矿区地下水位于地面以下30～40 m处，位于铁矿层上部，因而矿体开采对地下含水层的破坏程度较小。风井和竖井建设影响了地下含水层的稳定，增大了含水层的倒水渗透能力。地面塌陷会影响地下含水层的结构，但其影响范围仅为开采区域，总体上影响范围较小。

2.3 地形地貌景观影响程度

开采活动对区内地形地貌造成了较大影响，尤其是对丘陵地形的破坏程度较大，形成了数量较多的塌陷坑。此外，对地形地貌影响较大的还有露天碎石场，随着开采的进行，堆积的废石数量不断增多，对原来较为平坦的区域影响较大，并且大量废石对矿区原有的植被景观造成了较严重的影响（图3）。工业场地主要为施工营地和施工厂房，对原有的地形地貌的影响程度较小，工业场地对植被景观仅造成了小范围的破坏。

2.4 土地资源影响程度

矿体开采后形成了大量采空区，易导致地表发生不均匀沉降，并产生地表裂缝，对土地资源破坏程度较严重。经统计，矿区地表不均匀沉降和地表裂缝区域的面积达到0.247 km2，露天采矿区原有的植被破坏，矿区开采活动对土地资源的影响程度较大。

3 地质环境恢复治理措施

3.1 地表塌陷坑回填

目前工程区最大塌陷坑的回填深度为19.68 m。回填料主要选用卸载或者边坡清理的岩土体。采用分层碾压回填方法，每次回填深度不超过40 cm。当回填至1/4、3/4深度时，应注意设置0.4 m厚的夯实黏土隔水层。本研究利用Geo-Studio软件，分步骤对回填过程进行有限元模拟分析［9］。由于塌陷坑回填采用了2层夯实黏土，导致回填土的透水性较好，故可不考虑降雨的影响［10］。本研究分4个步骤对塌陷坑回填过程进行了模拟，塌陷坑不同回填深度对应的竖向应力场如图4所示。

分析图4可知：随着回填深度的增大，坑底的竖向应力明显增大，回填1/4时最大竖向应力仅为84 kPa，回填完毕时的最大竖向应力高达439 kPa。

本研究采用的塌陷坑填筑方法为边回填边夯实，使得回填土的压实度特别高，但根据图4数值模拟结果，塌陷坑回填产生的竖向应力较大，因此在回填过程中会产生较大的不均匀沉降。塌陷坑回填1/2和回填完毕时的回填体变形情况如图5所示。分析图5可知：塌陷坑回填1/2和回填完毕时的回填体的变形轮廓基本一致，均为中间沉降大、两侧沉降小，随着填筑深度的增加，沉降越来越大，回填完毕时沉降量的最大值为1.19 m，回填1/2时的最大沉降量仅为0.35 m。

如图6所示，为确保塌陷坑回填后形成向内的5%的坡度，应按照“两侧回填量多、中间回填量少”的原则进行回填。

为保证排水系统的完成性，在回填区域中间设置排水沟，将坡内的水汇集至排水沟内。由于回填体沉降发生的过程较为缓慢，且持续时间较长，故修筑排水沟时需选用抗变形能力较强的碎石盲沟，根据回填体中间区域的汇水面积，选用截面为矩形的排水沟，截面尺寸为0.8 m×0.8 m（长×宽）。

3.2 地裂隙灌浆

地面裂缝的产生会引发一系列灾害：①在降雨区间，雨水会通过地表裂缝流入采空区，雨水会沿着地下通道继续进入正在开采的矿井内，会极大增加矿井生产成本和涌水量，尤其是遇到强降雨的情况，极易引发淹井事故；②地表裂缝的产生会逐渐增大地层的透水性，软化和浸泡岩土体，会严重影响山体的稳定性。本研究在进行人工清缝后，利用灌注水泥砂浆的方法进行回填封堵，不仅可以增大岩土体的整体性和黏结力，而且可有效预防地表水渗入采空区或矿井。由于地面裂缝有进一步变大的可能，因此在进行灌浆时，在其上方应设置0.5 m厚的黏土夯实层。

3.3 尾砂及废石清理

根据矿区附近的航拍图、实测地形图等资料，发现位于矿区西北300 m处有一道天然冲沟。本研究利用该冲沟规划了一处渣场，可将尾砂和废石堆砌至指定位置，该渣场平台高程为323 m，弃渣容量为141 068.67 m3。在该渣场设置了长412 m的排水沟，排水沟采用C25预制混凝土梯形沟，边沟壁厚30 cm，内侧坡比为1∶0.5，截面净尺寸为40 cm×40 cm（底长×高度），渣场的堆渣坡比不宜小于1∶1.3。为防止边沟积水的冲刷，在冲沟底部四周（周长27 m）设置了3道钢筋石笼，横剖面上3道石笼采用“品”字形布设方式，每个钢筋石笼长度均为1 m（图7）。钢筋石笼不仅可以起到挡渣的作用，而且可以透水，方便渣场范围内排水，避免发生垮塌或泥石流等灾害。对于无冲沟的渣场底部区域，设置了周长42 m的M7.5浆砌石挡墙，挡墙剖面如图8所示。该型挡墙为墙高4 m的衡重式重力式挡土墙，挡墙底部的地基承载力需大于 250 kPa［11］。

3.4 植树种草

为有效恢复矿区地形地貌，本研究采用植树种草方案，即岩质边坡种植爬藤类植物，土质边坡采用植草方法。对于高边坡每隔8 m设置一级马道，马道宽2 m，在马道边缘处将土埂压实，压实的土埂截面尺寸为0.4×0.3 m（长×宽）（图9）。采用平铺草皮的方式进行植草，草皮规格为30 cm×30 cm（长×宽）。为提高植物的存活率，在种植草皮前首先覆盖一层10 cm厚的有机体，利用人工将地基夯实，而后浇水并采用自上而下的方式铺植草皮。在靠近矿区公路的区域，为了美观，增设一排迎春、倒挂金钟等垂挂性植物，株距1 m。

4 结语

分别从矿区地质灾害影响程度、含水层破坏程度、地形地貌景观影响程度和土地资源影响程度等方面对湖南某铁矿矿区地质环境进行了评价。在此基础上，采取了地表塌陷坑回填、地裂隙灌浆、尾砂及废石清理、植树种草等措施对矿区生态环境进行了恢复。上述措施实施后，经过近18个月的现场观察，地面不均匀沉降和地表裂缝得到了有效遏制，尾砂和废石得到了有效清理，通过进行植树种草，目前地形地貌已基本恢复至开采前的状态，已恢复耕地1 547 331 m2，恢复草地169 333 m2，增加可利用工业用地31 200 m2，边坡修复21 333 m2。通过综合治理，减少了矿山开采对周围环境的破坏，改善了矿区生态环境，有利于矿山可持续发展。