铝土矿矿山地质环境恢复治理工程设计

王小利，张志辉

(1.河南省资源环境调查一院，河南 郑州 450000； 2.河南省有色金属地质矿产局 第五地质大队，河南 郑州 450016)

矿山采矿过程中对山体的破损、地形地貌的破坏，一般会诱发边坡失稳、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害隐患，对地质灾害现状、水土流失有所加剧，对矿区及附近居民的生命财产构成潜在威胁；矿区的脏乱差影响了当地的形象和社会经济长远发展，不利于当地的招商引资。通过对铝土矿矿山地质环境恢复治理工程的设计，可以有效预防和控制滑坡、崩塌等地质灾害的发生，保护附近居民的生命财产安全，达到防灾减灾的目的，最大限度地减少采矿对土地资源的破坏，恢复土地功能。通过设计的实施，可及时恢复项目区内土地功能，发展经济，为构建和谐农村、和谐社会创造条件。矿山地质环境保护与恢复治理工程因地制宜、因害设防，采取削、拦、排、护、整、填、植等方面的综合治理措施对矿山地质环境进行治理。设计实施后，可恢复矿山环境，使当地居民的生存环境得到明显改善，必将有力地促进当地社会经济的发展以及和谐社会的构建[1-3]。

1 工程概况

铝土矿矿山为开采矿山，矿山开采已形成3个采坑CK1、CK2和CK3，2处堆渣D1和D2，1处废石场。治理区、整理区范围分布如图1所示。CK2采坑已经闭坑，D2堆渣场和废石场后续不会再继续损坏，CK1和CK3后续还会继续开采，D1堆渣场等CK1采坑闭坑后会回填到CK1采坑内，故本次治理的重点为CK2采坑、D2堆渣场和废石场。CK1、CK3和D1只做防护工程，面积共计52 733.10 m2，为整理区。拟治理区CK2采坑、D2堆渣场及废石场，治理区面积共计36 122.19 m2。此次设计主要分为2个治理区6个治理单元，治理方向和治理面积见表1。D2堆渣场回填到CK2采坑，此次治理D2堆渣场和CK2采坑采取综合治理，划为一个治理区。治理工程主要有：采坑土方平整、增设平台、挖方回填及绿化，恢复地貌景观；堆渣场填坑，恢复原始地类性质；废石场平坡面建设排水沟、截水沟，下游修筑挡土墙、平台土方平整复耕，坡面播撒草籽绿化，恢复地貌景观。

图1 治理区、整理区范围分布Fig.1 Scope distribution of treatment area and reorganization area

表1 治理区分区分单元部署情况Tab.1 Governance differentiation unit deployment situation

2 主要矿山地质环境问题

2.1 矿山地质灾害

根据DZ/T 0286—2015《地质灾害危险性评估规范》，结合铝土矿基础资料分析、现状调查结论，研究区地质灾害评估可能发生崩塌、滑坡2种地质灾害。通过实地调查，治理区为CK2采坑、D2堆渣场和废石场，平面投影面积共36 122.19 m2。CK2采坑为60 m×60 m的露天采坑，平均高差在12 m，局部相对高差超过24 m，坡度50°；D2堆渣场紧紧依附于CK2采坑山体，相对高差24 m，边坡坡角在50°左右；废石场局部边坡坡角近46°，相对高差24 m。D2堆渣场和废石场边坡下游周围无居民居住和活动，如果边坡发生滑坡不会对人身安全造成危害。现状条件下，采坑、堆渣场和废石场未见崩塌、滑坡等地质灾害现象，其地质灾害危险性小。通过收集以往资料，2015年《矿山地质环境保护与环境恢复治理方案》中记载，CK2曾发生过小型崩塌1处，为民采遗留采坑内发生，落差约10 m，塌方量约20 m3，分布在CK2采坑内，现已清理塌方碎石，且已种植绿色埴被。据当地附近居民介绍，该采坑近年来已经废弃，形成的崩塌体落入采坑内部，未造成经济损失，现状评估其危险性小。综上，现状条件下矿山地质灾害危险性小。

2.2 含水层破坏

现状条件下矿区还未正式投产，现有采坑全部为民采露天开采所致，过去露天开采未见含水层，对含水层未产生损毁。地表水：该区地处淮河流域颍河水系，纳污水体为磴槽东西沟，水体目标为Ⅲ类。依据《土地复垦方案》中记载，郑州市环境保护监测中心站监测资料，磴槽东西沟水质现状见表2。由表2可以看出，项目纳污水体磴槽东西沟水质现状满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值要求。

表2 磴槽东西沟水质现状监测Tab.2 Water quality monitoring of Dengcao Dongxigou

根据登封市环境保护监测站地下水监测资料，项目所在区域地下水的各项主要监测因子均符合GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类标准的要求，说明项目所在区域的地下水环境质量尚好。采矿产生的粉尘和废石中不含有毒物质，矿石堆积物淋滤也不会对地下水造成污染。因此，采矿活动在矿区内对含水层影响程度较轻。一采区最低开采标高在+425 m左右，现已开采到+437 m左右，寒武系上统岩溶裂隙承压含水层水位标高在+430 m左右。因此，现状条件下，采矿活动对含水层破坏影响程度较轻。

2.3 地形地貌景观破坏

(1)CK2采坑、D2堆渣场现状对地形地貌景观影响破坏程度。现状条件下发现CK2露采采坑、D2堆渣场地形地貌景观破坏如图2所示，共占地面积12 366.85 m2。其中CK2采坑占地面积8 481.25 m2，CK2采坑目前已经种植了部分绿色植被；D2堆渣场占地面积3 885.60 m2。据野外地质环境问题综合调查发现，采矿活动已经形成露采矿坑、渣堆等，不仅占用土地，而且造成植被破坏严重、山体破损面积较大，对原生的地形地貌景观造成破坏。综上所述，现状条件对地形地貌景观破坏程度为严重。

图2 地形地貌景观破坏示意Fig.2 Destruction of topography and landscape

(2)废石场现状对地形地貌景观影响破坏程度。废石场及表土堆场如图3所示。废石场当前堆方面积23 755.34 m2。废石场对原有的地形地貌景观造成破坏，改变了原来的地貌景观。对地形地貌景观的影响破坏程度为严重。

图3 废石场及表土堆场Fig.3 Waste rock yard and topsoil dump

(3)其他区域对地形地貌景观影响破坏程度现状评估。经野外调查，该区无采矿活动，仅有运矿道路，其对地形地貌景观的影响破坏程度较轻。现状条件下，其他区域地形地貌景观破坏对矿山地质环境影响为较轻。

2.4 土地资源破坏

治理区内土地利用类型主要可分为采矿用地、沟渠、草地、旱地以及林地。

(1)CK2采坑、D2堆渣场对土地资源影响和破坏程度现状评估。现状条件下，CK2采坑、D2堆渣场共占地12 366.85 m2，破坏草地6 734.91 m2、采矿用地5 631.94 m2。现状条件下对土地资源的影响和破坏程度为较轻。

(2)废石场对土地资源影响和破坏程度现状评估。现状条件下，废石场占地面积23 755.34 m2，其中破坏旱地有17 828.85 m2、有林地995.41 m2、沟渠4 931.08 m2，旱地为基本农田。现状条件下对土地资源的影响和破坏程度为严重。

(3)其他区域对土地资源影响和破坏程度现状评估。该区无采矿活动，现状条件下该区土地资源受影响和破坏程度较轻。

3 治理工程设计

3.1 拟治理区CK2采坑、D2堆渣场

D2堆渣场挖方填坑，堆渣全部填到CK2采坑内，D2堆渣场面积3 885.60 m2。平均长116 m、宽7 m，相对高差24 m，挖方9 744 m3。CK2采坑共设计4个平台，设计标高分别为+487、+495、+500、+512 m，平面投影面积共计4 530.82 m2，为拟治理单元1-1，设计复垦为林地；其中设计标高+487 m平台，平面投影面积346.78 m2；设计标高为+495 m平台，平面投影面积358.23 m2；设计标高为+500m平台，平面投影面积2458.72m2；设计标高为+512 m平台，平面投影面积1 367.09 m2。治理单元1-2为边坡(+501～+487 m)，面积585.26 m2，治理恢复为林地。治理单元1-3为边坡(+520～+512、+512～+500、+500～+495、+495～+487 m)，面积3 365.17 m2，治理恢复为草地。

3.1.1 场地平整

场地平整采取顺坡就势对挖方、填方区平整、压实，使其形成缓坡平台。平整过程中，应将体积较大石块垫在底部，回填粒径从下至上逐渐减小，并分层压实，对回填区域采用打夯机或机械进行碾压[4-6]。考虑排水、植树造林、地貌恢复等标准和要求，平台控制在5°以内，采用内高外低、排水沟周围略偏低的方式进行建设，缓坡控制在40°以内。场地平整后，能保证进行正常的规划、布置以及施工工作。标高+512m平台平面投影面积1367.09m2，标高+500 m平台平面投影面积1 466.96 m2，坡面+520～+512m平面投影面积538.98m2，坡面+512～+500 m平台平面投影面积1 853.37 m2，共计平面投影面积共计5 811.66m2。经计算，推土机平土5 811.66 m2。

3.1.2 挖高填低、增加平台

(1)堆渣回填及平整压实。根据现场地形，兼顾渣堆回填，防止废渣平整后出现凸凹不平地形。兼顾绿化工程，应将体积较大石块垫在底部，回填土粒径从下至上逐渐减小，并分层压实，每回填1 m就对回填区域采用打夯机或机械进行碾压，压实系数要保证在0.93%以上。使其形成缓坡平台，考虑排水、植树造林、地貌恢复等标准和要求。平台控制在10°以内，缓坡控制在40°以内。场地经过挖方回填，平整压实达到能进行正常的规划、布置以及施工工作。

(2)新增平台及挖填方量。新增+500、+495、+487 m平台。标高+500 m南侧为新增平台，面积为991.76 m2，需填方3 865.40 m3，挖石方83.3 m3；标高+495 m平台平面投影面积358.23 m2，需填方2 055.00 m3；标高+487 m平台平面投影面积346.78 m3，需填方832.91 m3；坡面+500～+495 m平台平面投影面积589.00 m2，需填方1 472.50 m3；坡面+495～+487 m平台平面投影面积383.82 m2，需填方1 727.19 m3。D2堆渣场平面投影面积3 885.60 m2，挖方9 744 m3。经计算，挖填方平面投影面积共计6 555.19 m2，挖土机挖石方83.30 m3，挖渣土9869.70m3，填方9953.00m3，机械压实9 953.00 m3。

3.1.3 植物工程

平台选择种植龙柏，坡面选用种播撒黑麦草，栽种于治理区整平区形成绿色生态林[7-10]。平台和坡面均覆土0.3 m，采用购买客土。CK2采坑平台投影面积4 530.82 m2，坡面面积4 755.37 m2，需要调运客土2 785.86 m3。

(1)树种选择。通过对比龙柏适应环境、生长特点等，宜选择龙柏株高2 m、胸径3 cm、蓬径30 cm、种植密度2 m×2 m的树苗进行栽种。

(2)种植方式。根据本区的实际情况，为了保证龙柏的生长，达到绿化生态恢复的目的，采用客土穴栽种植方式，坑底覆土0.6 m。乔木栽种密度为2.0 m×2.0 m，树坑规模为0.6 m×0.8 m×0.8 m，采用符合要求的土壤进行栽种。经过计算，需种龙柏2 265株，需要调运客土869.76 m3，平台、坡面、树坑共需要调运客土3 655.62 m3。乔木穴栽挖方869.76 m3，树坑回填869.76 m3。

3.1.4 砌体工程

平台周围修筑浆砌石坎以阻止雨水冲击造成水土流失及坡面冲沟，石坎对水土流失起到一定的防护作用。设计修筑梯形石坎，石坎宽0.3 m，高0.4 m，埋深0.20 m，修筑石坎长度471.42 m，采用混凝土预制块56.57 m3，人工开挖石坎沟槽67.04 m3。

3.2 拟治理区废石场

废石场位于区外西北角，占地面积23 755.34 m2。标高+448 m平台复耕，面积10 648.81 m2，为治理单元2-1，治理恢复为旱地；废石场西部边坡相对高差在24 m左右，为防止边坡出现滑坡，需要放坡减载，通过挖方增设的标高+436 m平台，为治理单元2-2，水平投影面积1 714.95 m2，治理恢复为林地；边坡(+448～+436、+436～+424 m)，水平投影面积11 391.58 m2，为治理单元2-3，治理恢复为草地。

3.2.1 场地平整

对废石场标高+448 m平台进行场地平整，采取挖方、填方平整、压实，使其形成缓坡平台，考虑排水、植树造林、地貌恢复等标准和要求，平台控制在5°以内，采用东高西低、排水沟周围略偏低的方式进行建设，缓坡控制在40°以内。场地平整后能保证进行正常的规划、布置以及施工工作。经计算，推土机平土10 648.81 m2。

3.2.2 增设平台

废石场西部边坡高差超过12 m，按照治理设计规范应增加平台，废石场通过挖方增加标高+436 m左右平台，平台宽5 m，长271 m，需挖方渣石22 106 m3。挖方后要采用打夯机或机械对平台进行碾压，压实系数要保证在0.93以上。

3.2.3 清运碎石

平台上存有部分碎石，平面投影面积2 202.93 m2，高度1 m，共计2 202.93 m3。清理后，要达到平台无碎石。

3.2.4 砌体工程

为了预防地质灾害发生，在堆渣场下游设挡土墙，预留泄水孔，坡面修筑排水沟。平台周围修筑浆砌石坎以阻止雨水冲击造成水土流失，石坎对水土流失起到一定的防护作用。

(1)挡墙工程。挡土墙设计如图4所示。

图4 挡土墙设计Fig.4 Retaining wall design

根据地形、地质、矿渣堆高度、边坡稳定性等情况，挡土墙布置于废石场西部边坡下游，在废石场治理设计剖面线Ⅲ线南北两侧各20 m处坡底为基岩，高约10 m，坡度45°。由于距离比较近，且边坡上层二能平台和边坡为渣土，故此次挡土墙在此处不断开。挡土墙墙高4 m，墙长294 m，顶宽0.80 m，底宽1.95 m。挡土墙基底为岩石地基，基础埋深为1.0 m，基底摩擦系数取经验值0.4；墙后填土为矿渣及碎石土，内摩擦角取经验值40°；填料边坡坡度为1.0∶1.5，不考虑抗震设计。选用直立式路堑挡土墙，挡土墙平面上每隔20 m设变形线，缝宽20 mm，自地面上0.5 m设立泄水孔，泄水孔水平间距2 m，泄水孔直径100 mm，向外倾斜7%。

砌体石料采用未风化石料，强度不小于50 MPa，石块最小厚度不小于150 mm，平面尺寸任何一边不小于300 mm，砌筑砂浆强度等级为M10，砌体应上下错缝，内外搭接，砂浆饱满，墙顶0.03 mm砂浆抹面，墙面采用水泥砂浆勾缝。

(2)排水工程。为防止降雨对地面冲刷，造成滑坡、冲沟、切沟，需要在平台边缘设置排水沟、坡面截水沟进行防洪排水，截水沟设置在废石场西侧，排水沟将水送入废石场边坡上的截水沟，通过截水沟排入西侧下游自然沟渠。排水沟采用矩形断面，设计为上口宽0.3 m、下口宽0.3 m、深0.3 m，边坡比1∶1，排水沟采用 C20 混凝土，混凝土厚度 0.20 m，排水沟长538 m，共需基槽开挖量约134.5 m3，混凝土量72.10 m3。截水沟断面设计为上口宽1.0 m、下口宽0.5 m、深0.5 m，边坡比1∶0.5，截水沟长181 m。设计尺寸如图5所示。排水沟采用M10浆砌石结构，共需基槽开挖量约252.98 m3，浆砌石量105.71 m3。

图5 排水工程设计Fig.5 Drainage engineering design

(3)修筑梯形石坎。平台周围修筑浆砌石坎以阻止雨水冲击造成水土流失，石坎对水土流失起到一定的防护作用。设计修筑矩形石坎，石坎宽0.3 m，高0.4 m，埋深0.2 m。修筑石坎长度947.33 m，采用混凝土预制块113.68 m3，人工开挖石坎沟槽128.32 m3。根据挡土墙尺寸估算工作量为：开挖基槽量789.6 m3，浆砌石约为603.52 m3，砂浆抹面为3 499.76 m3，沉降伸缩缝1.55 m3。根据排水沟尺寸估算工作量为：基槽开挖量约252.98 m3，浆砌石量105.71 m3。根据石坎尺寸估算工作量为：需浆砌石量113.68 m3，石坎沟槽开128.32 m3。

3.2.5 土壤培肥及翻耕

复垦为旱地，面积10 648.81 m2，覆土0.6 m，现状条件下平台已经覆土，但覆土厚度达不要求，需再覆土0.3 m，共需客土3 194.64 m3。旱地由于缺乏灌溉条件，完全依赖于自然气候，产量不稳定，依据当地条件种植玉米等，可采用机械种植的方式。复垦成耕地后，耕地肥力欠佳，所以复垦后前期必须进行土壤改良，改良应从增施有机肥入手，通过增施农家肥，合理进行粮草轮作，间套种植苜蓿、紫云英等绿肥和秸秆还田、压青、客土堆垫等种养结合办法来培肥地力，提高土壤有机质含量，改善土壤结构和理化性状，从而达到改土培肥、提高地力，使土地资源能够可持续利用。根据当地经验，有机肥施用量约为3 000 kg/hm2，在施用有机肥的基础上，配合施用化肥，结合当地化肥施用的经验，可按用氮磷钾复合肥750kg/hm2的标准施肥。土壤培肥面积为10 648.81 m2。培肥后对土地进行翻耕，翻耕面积为10 648.81 m2。

3.2.6 植物工程

平台选择种植龙柏，坡面选用种播撒黑麦草，栽种于治理区整平区形成绿色生态林。平台和坡面均覆土0.3 m，标高+436 m平台长271 m，宽6 m，共需调运客土487.80 m3。

(1)树种选择。通过比较龙柏适应环境、生长特点等，宜选择龙柏株高2 m、胸径3 cm、蓬径30 cm、种植密度2 m×2 m的树苗进行栽种。

(2)种植方式。根据研究区的实际情况，为了保证龙柏的生长，达到绿化生态恢复的目的，采用客土穴栽种植方式，坑底覆土0.6 m。乔木栽种密度为2.0 m×2.0 m，树坑规模0.6 m×0.8 m×0.8 m，采用符合要求的土壤进行栽种。经过计算，需种龙柏272株，需要调运客土103.36 m3，平台、坡面、树坑共需要调运客土591.16 m3。乔木穴栽挖方103.36 m3，树坑回填103.36 m3。坡面播撒黑麦草草籽，坡面面积14 387 m2。

3.3 边坡防护

台阶之间形成的填方边坡，坡率设计：8～10 m为1∶1.5；10～12 m为1∶1.75。坡面覆土30 cm，原土夯实，坡面播散草籽防止水土流失，同样也起到环保绿化的作用。

3.4 其他工程

(1)施工前制定预防措施，防止空气污染、尘埃对附近居民区的影响。

(2)施工中对容易起尘的细集料和松散材料予以覆盖或适当洒水喷湿，这些材料在运输期间用帆布或类似的覆盖物覆盖。

(3)易产生粉尘、扬尘的作业面以及装卸运输过程，派专人洒水降尘，出场运输车辆必要时要加盖篷布。

(4)每天专人负责给施工现场交通通道淋水，以减少工地的尘土，保护邻近居民、行人的正常生产和生活。

(5)现场禁止焚烧垃圾、固体废弃物和产生有毒有害烟尘气体的物质，熔融沥青等有毒物质使用封闭和带烟处理装置的设备。

(6)机动机械多使用电动工具，减少内燃机的使用。

(7)施工用内燃机要按照国家要求进行年审，废气合格后才可以投入使用，不允许使用超标车辆投入，最大限度减少废气排放。扬尘污染费已是工程施工中不可缺少的一种安全文明费用，扬尘污染费已包含到施工费─直接费用的措施费中。

4 环境效益

通过对矿山地质环境的治理，使治理区生态环境大大改善，地质灾害得以消除或减轻，破损的山体植被得以恢复，污水得以过滤，绿树成荫，环境优美，空气清新。地表植被以及野生动植物生存环境的改善，使自然资源条件得到有效恢复。通过地质环境保护和恢复治理，矿区草木茂盛，植物的叶片可以吸尘、滞尘、吸收有毒物质，释放有益健康的杀菌物质，从而起到净化空气的作用。发达的根系可以固定砂土，减少水土流失，增加土壤的贮水能力，使土地资源得到优化配置和合理利用。矿区生态系统将逐渐恢复涵养水源、保持水土、调节气候和净化大气的功能，为矿区及周边居民的身心健康带来巨大效益。随着矿区整治复绿工作的完成，自然生态环境与景观得到恢复与改善，矿山地质环境保护和恢复治理工程必将产生明显的环境效益。

5 结论

矿山地质环境治理工程是一项防灾和减灾工程，是以保证人民生命安全及物质财富不受损害、矿山地质环境得到保护和治理为主要目的工程。防灾工程的经济效益主要由减灾效益和增值效益2部分组成，并以减灾效益为主、增值效益为辅，或只有减灾效益而没有增值效益。按照“有无对比”的原则，减灾效益等于无防灾工程时灾害可能造成的直接经济损失与防灾工程投资之差。由于地质灾害造成的损失有时难以估量，地质环境破坏后治理投资巨大、周期很长(如地形地貌景观，含水层破坏影响水资源、水环境)，有时甚至是无法用金钱来衡量的，所以矿山企业实际上在这方面的投资有所回报。通过恢复治理改善了矿山地质环境，降低了开采风险，提高了矿山开采效率。