都兰县五龙沟金矿矿山环境地质问题及治理措施研究

陈菊林，张云飞，苏生云，赵 瑛

(1 .青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁 810000；2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海 西宁 810000；3.青海省核工业地质局，青海 西宁 810000)

矿业开发的过程中，不可避免地产生地形地貌景观破坏、土地资源破坏、含水层破坏等诸多矿山地质环境问题，这些问题直接或间接地影响到当地社会经济的可持续发展[1-7]。近年来，地质生态环境问题越来越受到国家的重视[8-10]，为了落实《中共中央 国务院 关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》等文件精神，开展矿山地质环境综合治理工作，恢复矿山生态环境，以实现生态环境保护和矿业开发的可持续发展，促进当地社会经济的发展。

矿区位于青海省都兰县境内，隶属都兰县宗加镇管辖，东距都兰县276 km，西距格尔木市117 km，自109国道2640里程碑通过简易道路南行30 km可达矿区，年内雨雪季道路时常中断，交通条件较差。矿山现已开采多年，根据矿山地质环境现状调查，矿区现已形成Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6较危险或易发生崩塌等危害的高陡斜坡6段，弃渣场及道路压占荒地面积1.662万 m2，挖损荒地面积0.584万 m2。本文对该处的矿山环境地质问题、现状、进行了预测评估，通过开展高陡斜坡的治理工程、预测地面塌陷区设立安全警示工程、弃渣平整、回填工程、压占荒地的清理复平工程等，防治、恢复矿山地质环境，保障矿山安全、有序、环保地开展采矿活动[11-15]。矿山目前处于开采阶段，主要工程布置有采矿工业场地(值班室、空压机房、动力房、机修间、配电室等)、弃渣场、炸药库、矿山道路等(图1)。

图1 矿区地表现状地貌影像Fig.1 Image map of the current surface topography of the mining area

1 地质环境特征

1.1 地形地貌

矿区位于昆仑中段北坡，海拔+3 100～+4 500 m，相对高差一般在800 m以上，地形复杂，区内受断裂控制，沟谷切割多，山势陡峭，坡度多在35°以上[16]。

1.2 地层岩性

下元古界金水口群(Pt)呈北西向展布，与区内构造线方向相一致，岩性主要为黑云斜长片麻岩、黑云石英片岩和黑云角闪斜长片麻岩及斜长角闪岩、镁质大理岩等组成的中深变质地层，地层倾向30°～40°，倾角30°～70°，岩石均遭受不同程度的混合岩化。

1.3 地质构造与地震

根据国家地震局发布的1∶400万《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周期区划图》，工程场址的地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，相应的地震烈度Ⅶ度[11]，属地质构造现代活动的基本稳定区。

2 水文地质、工程地质条件

2.1 水文地质条件

(1)基岩裂隙水。基岩裂隙水分布广泛，主要赋存于元古界的变质岩中，可划分为层状和块状岩类裂隙水。层状岩类裂隙水赋存于层状变质岩构造裂隙中，呈分布不均匀的网状构造裂隙水，局部为断裂带脉状水，接收降雨和冰雪融水的补给；块状基岩裂隙水赋存于块状岩性构造裂隙中，由于矿区处于柴达木盆地边缘，受盆地干旱气候的影响明显，降水较少，故地下水的补给条件较差。

(2)大气降水。矿区气候干燥，降水量少，年降水量40 mm左右。大气降水入渗量小，对矿区的充水影响小。

(3)地表水。没有地表水流经矿区，矿区侵蚀基准面在3 151 m左右，位于最近地表水体水位之上，且相隔较远。矿区地下水与地表水无水力联系，对矿区充水没有影响。

(4)地下水。矿区内只有黑云斜长片麻岩、混合岩化黑云斜长片麻岩中含有少量裂隙水，但富水性较差，坑道涌水量为0.043 L/s，地下水对矿坑充水影响不大。

(5)坑道涌水量。矿区断裂构造虽然较多，但其规模一般较小，一般不含水或富水性很差，北西向断裂构造含少量的构造裂隙水，矿坑最大涌水量为350 m3/d，对矿坑充水影响不大，且在开采过程中，矿区针对坑道涌水已安装2套相同排水设施，采取各中段直接排水方式，采矿同时对坑道涌水进行排泄。因此，矿区水文地质条件简单。

2.2 工程地质条件

根据岩(土)体成因、结构构造及物理力学性质划分矿区内岩(土)体工程地质类型。

(1)坚硬岩体。块状花岗闪长岩岩组，由华力西花岗岩组成，岩石单轴饱和抗压强度多大于60 Ma，弱风化，岩石较为完整，含弱风化裂隙水；层状片麻岩、片岩岩组，矿区分布广泛，岩性主要为黑云斜长片麻岩、斜长角闪片岩，岩石单轴饱和抗压强度36～75 MPa，软化系数为0.7～1.0。岩体构造裂隙发育，风化剥蚀强烈，表层风化裂隙极为发育，但强风化带厚度较薄，一般1～5 m，强风化岩体呈碎裂结构。

(2)黏性土砂砾层土体。主要分布于矿区内各山间沟谷地带，由砂、碎块石构成，杂乱松散堆积，无分选，一般厚度1～3 m。

3 主要矿山生态环境地质问题

3.1 矿山地质环境现状

该矿目前正在开采，已施工平硐4条，为PD2-0、PD2-1、PD2-2、PD2-4，硐口开挖宽度为12～20 m，长为8～100 m，平硐经修整后作为开拓平硐，硐口处各形成一段不稳定斜坡Q1、Q2、Q3、Q4(图2)，矿区因修筑道路开挖形成了多处高陡斜坡。经现场调查，较危险或易发生崩塌等危害的高陡斜坡有2段斜坡Q5、Q6，不稳定斜坡特征见表1。

图2 Q3/Q5不稳定斜坡 Fig.2 Q3 and Q5 unstable slope

表1 不稳定斜坡特征Tab.1 Characteristics of unstable slopes

3.1.1 不稳定斜坡预测：以斜坡Q5为例

位于矿区道路北侧，岩质斜坡，为人工开挖所至，斜坡宽约25 m，长约150 m，坡向170°，坡度约70°，坡面裸露，岩体破碎，坡脚堆积大量松散堆积物，可见最大堆积块石的直径为0.8 m，岩性为斜长片麻岩等，产状320°∠55°，岩层节理裂隙发育，节理有3组：①110°∠65°，延伸长度4～7 m，裂隙宽度0.2～0.4 cm；②280°∠60°，延伸长度4～11 m，裂隙宽度0.10～0.15 cm；③190°∠70°延伸长度3～10 m，裂隙宽度0.1～0.2 cm。坡顶有小型松动危岩体分布，坡脚为陡崖，为斜向斜坡，岩体在以上节理切割影响下，破坏了原有结构和强度，致使坡面危岩、危石较发育，时常有小规模崩塌、坠石等现象发生。将上述节理在赤平投影图(图3)投影后发现，有1个结构面的交点位于坡面投影线的一侧，而且交于坡面内部。

图3 Q5不稳定斜坡赤平面投影Fig.3 Raw plane projection of Q5 unstable slope

综上所述，该段不稳定斜坡现状稳定性差，工业场地位于该斜坡坡脚南侧约15 m处，且矿区道路在坡脚处通过，对工施工人员、工业场地工程及车辆和其他器械构成一定威胁，现状评估危险性中等[12-13]。其他不稳定斜坡预测方法与Q5相似。

3.1.2 弃渣场堆放引发地质灾害的危险性预测

矿区已建1号、2号弃渣场，此次新建1处3号弃渣场，均采用先挡后弃原则进行，在弃渣场前缘设置高1.5 m、底宽1.5 m块石挡墙，并按40°边坡角堆放，堆高2.1～8.51 m，碎石土自然边坡安息角为35°，引发弃渣场边坡失稳的可能性小，危险性小。拟建弃渣场位于地形相对平缓的山坡面及沟谷内，区内降雨稀少，引发次生坡面泥石流灾害的可能性较小，危险性小。

3.1.3 地面塌陷地质灾害的危险性预测

开采矿体主要为M2-1、M3-1。M2-1矿体，脉状、似层状产出，矿体长215 m，平均厚度2.21 m，倾向50°，倾角50°；M3-1矿体，脉状、似层状产出，矿体长580 m，平均厚度2.15 m，倾向30°～50°，倾角55°。最大开采深度510 m。

根据以上参数求得采深与采厚比分别为231、237，采深、采厚之比大于30，地表将出现连续的地表移动，地表移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，分布有一定规律，地表一般不会出现较大的裂缝或塌陷坑[14-16]。

地表最大下沉值预测：Wmax=ηQcosα

式中，η为地表下沉系数(取坚硬岩石的经验系数η=0.65)；Q为矿层厚度；α为矿层倾角。

地表最大水平位移值预测：Umax=b·Wmax

式中，b为水平移动系数为0.38(据经验值)。

计算得出M2-1、M3-1矿体最大下沉量分别为0.92 m和0.81 m；水平位移分别为0.4 m和0.3 m。

采区地表移动特征及地面塌陷范围预测所需参数，崩落角上盘取65°，下盘取70°，端部取80°，第四系表土均为45°。

通过图解法对塌陷盆地边界进行预测(图4、图5)，M2-1开采区A-A′剖面预测塌陷范围为225 m。M3-1开采区B-B′剖面预测塌陷范围为250 m。地面塌陷XC1面积为57 600 m2，XC2面积150 400 m2，地面塌陷区处于荒漠无人区，仅对采矿工程活动产生影响，预测评估矿业活动引发地面塌陷地质灾害的可能性大，危险性中等。

图4 A-A′剖面地面塌陷范围预测示意Fig.4 Surface collapse range prediction of A-A′section

图5 B-B′剖面地面塌陷范围预测示意Fig.5 Surface collapse range prediction of B-B′ section

3.2 矿区水土环境破坏现状与分析

3.2.1 矿区水土环境破坏现状

矿区水土环境破坏的方式主要表现为压占和挖损，工业场地压占0.7万 m2，弃渣场压占0.51万 m2，进场道路0.44万 m2，炸药库压0.012万 m2，平硐、斜井挖损面积约0.424万 m2，进场道路挖损面积约0.16万 m2。

3.2.2 矿区水土环境破坏现状分析

矿区为地下开采，目前施工了矿区道路及4条平硐和1个斜井，开挖较严重，M2-2、M3-1开采区可能引发地面塌陷总面积20.8万 m2。依据矿山地质环境现状调查结果，将矿区矿山地质环境现状影响程度定为较严重区。

4 矿区地质环境防治

4.1 总体思路

区内地质灾害主要为不稳定斜坡，可通过危石、危岩清理，平硐口采取支护等工程防护措施进行治理，难度较小，技术可行。

(1)地形地貌景观恢复。通过设立挡石墙、封闭硐口、斜井回填、弃渣平复等手段，技术可行。

(2)土地资源破坏及植被恢复。该矿山矿业活动对土地资源及植被破坏是此次矿山地质环境主要治理项目，其中，土地资源恢复主要是拆除、平整、清理废弃物等工程，治理难度较小，但因该区海拔较高，气候恶劣，植被稀少，生态环境脆弱，对矿区植被进行恢复难度相对较大，目前主要是通过土地平整→自然恢复→抚育管理。

4.2 地质灾害治理工程

(1)不稳定斜坡治理工程。对矿山现状条件下发育在PD2-0、PD2-1、PD2-2、 PD2-4平硐口4段斜坡及修建矿区道路形成的2段斜坡(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)坡面进行危石、危岩清理，平硐口采取支护工程措施。矿区道路除具代表性斜坡Q5、Q6外，道路两侧或一侧多处局部存在失稳的可能，坡面进行危石、危岩清理。

(2)地面塌陷灾害治理工程。地面塌陷防治工程主要是闭坑后的综合治理，应尽量使塌陷区自然塌陷，尽量使塌陷区与当地地质景观相谐调。对以后存在塌陷隐患的区段应设置围栏，并在塌陷区段设置危险警示牌，为2.5 m×1.0 m×0.2 m钢筋混凝土板。M2-1开采区引发地面塌陷面积5.76万 m2，设高1.5 m网围栏工程1 000 m，警示牌5块。M3-1开采区引发地面塌陷面积15.04万 m2，设高1.5 m网围栏工程1 800 m，警示牌9块。

(3)恢复地貌景观治理工程。在3处弃渣场(1号、2号、3号)前缘设置各设长100 m、高2.0 m、底宽1.5 m块石挡墙。

考虑矿区地处荒山，人烟稀少，植被覆盖率为5%左右，地表土层仅零星分布，确定对矿区挖损、压占土地资源进行平整处理，不进行覆土工程，植被恢复采用自然恢复法。①矿区采矿过程6处平硐(2.2 m×2.3 m)，闭坑后硐口均采取浆砌石封闭，封闭深度自硐口至硐身为20 m，累计损耗量为608 m3。②斜井回填工程：斜井规格为3.0 m×3.0 m，深度195 m，预计回填量为1 755 m3(运距按200 m计算)。③矿渣复平工程：该矿山采矿过程所产生弃渣量除用于修复矿区道路外，在各弃渣场将堆放弃渣22 552 m3，考虑采矿阶段已对各弃渣场内弃渣做了相应复平工作。因此，最终对弃渣的复平方案采取削高补低的方法，复平量按总弃渣量40%估算，总复平量为9 021 m3。

(4)矿区土地资源破坏恢复工程。该矿山采矿过程共压占荒地面积1.662万 m2，挖损荒地面积0.584万 m2，开采区可能引发地面塌陷面积20.8万m2。采取工程措施为：拆除已有工程设施，平整、清理废弃物，按平整厚度0.2 m计算，产生废弃物总方量为48 056 m3，并就近有序堆放于各自弃渣场内(运距按500 m计算)。

4.3 效益分析

(1)社会效益。矿山地质环境保护与恢复治理工程利于人民群众安居乐业和社会稳定，并对保障矿山自身安全运行及持续发展具有现实意义。该矿山治理区自然生态环境十分脆弱，保护和建设好生态环境，对当地的经济社会可持续发展意义重大。

(2)环境效益。该方案的实施，有效保护了都兰县五龙沟金矿矿产资源的有序开发，减轻了地质灾害对矿山企业的危害，改善了区内不良地质环境和生态环境。

5 结论

本文在分析都兰县五龙沟金矿矿山地质环境特征和水文地质工程地质特征的基础上，得到以下结论：

(1)矿区现存不稳定斜坡有6处，裂隙发育、稳定性较差，较危险或易发生崩塌等地质灾害的高陡斜坡有2处，其成因均为修筑道路开挖形成的；弃渣场堆放过程中引发地质灾害可能行较小，危害性小；矿业活动引发地面塌陷地质灾害的可能性大，危险性中等。

(2)矿区为地下开采，矿区水土环境破坏的方式主要表现为压占和挖损，矿山地质环境现状影响程度为较严重区。

(3)对Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6高斜坡处危岩清理、设立支护及挡石墙、斜井回填、设置围栏等防治工程技术手段，以减轻地质灾害威胁；通过对弃渣场的平复治理，尽可能恢复原有地貌特征。从而为矿山开采引起的斜坡崩塌及采空区塌陷等地质灾害问题提供了较为有效的治理措施。

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