卫辉市米山洞灰岩矿历史遗留采场矿山地质环境问题分析及防治

王银西，马传福

（1.河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450000； 2.河南省资源环境调查三院，河南 郑州 450000）

灰岩是工民用建筑和铁路、公路、水利建设的重要原料，历来受到国家相关部门的重视。特别是近几年安居工程的实施、高速公路的建设和国家西部大开发战略的实施，建筑用石料及水泥的需求量日渐加大，建筑石料的需求增长带动了采石业的发展。随着矿业开发活动的快速增长，也产生了一系列的地质环境问题，特别是露天开采建筑石料的矿山，其具有数量多、分布广、集中连片的特点[1]。露天矿山长时间、高强度的粗放型开采引发了矿山地质灾害、土地资源占用破坏、地形地貌景观破坏、含水层破坏等一系列矿山地质环境问题，与社会经济绿色发展的矛盾日益突出[2]。卫辉市米山洞灰岩矿为资源整合矿山，经过长时间的不规范开采，矿区已形成了大面积的历史遗留露天采场，导致较多地质环境问题[3]，如植被破坏、土地损害、地形地貌景观破坏、水土污染等。随着国家生态文明建设力度加大，众多历史遗留下来的采坑急需生态治理。开展矿山地质环境问题恢复治理不仅是生态文明建设的要求，也是促使我国采矿行业永续发展的关键[4-5]。本文以卫辉市米山洞灰岩矿历史遗留露天采场为研究对象，开展矿山地质环境调查，探讨矿山地质环境恢复治理的相关工程对策[6-9]，以期为米山洞灰岩矿历史遗留露天采场的恢复治理工作提供参考。

1 矿山概况

1.1 基本概况

米山洞灰岩矿为拟整合矿山，位于河南省卫辉市西北部唐庄镇米山洞—石字岭一带，由9个采矿权整合而成，整合后矿区面积2.13 km2，开采矿种为石灰岩，露天开采，设计生产规模为950万t/a，开采标高+170.0～+364.9 m。整合后矿区周边历史遗留露天采坑面积为1.253 3 km2。

1.2 自然地理

矿区属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明；年降水量多集中在7—9月，约占全年降水量的60%；年平均降水量576.5 mm，最大日降水量151.8 mm。 本区属海河流域卫河水系，冲沟较发育，径流条件好，无常年性地表水体，沟壑常年干涸无水，仅雨时有短暂流水，雨后即干。该区地貌属于山前构造剥蚀低山区，山势大体呈近东南—西北走向；地形起伏较大，总体地势为中西部高、南北两侧较低，山体顶部呈浑圆状，其边缘冲沟呈放射状，构成岩性为中奥陶统灰岩。区内土壤类型主要为褐土，因大面积露天开采使基岩裸露，仅在东、西部局部区域发育第四系，厚度0～1.0 m，表土层厚度一般为0.2～0.3 m。矿区内土地利用类型为灌木林地、其他草地、农村道路、裸地、采矿用地。

2 地质环境

2.1 矿区地质特征

（1）地层。该区位于华北板块南部，属于太行构造亚区之太行断隆，周边主要出露地层由老至新依次为奥陶系中统下马家沟组下段（O2x1）白云质灰岩，奥陶系中统下马家沟组中段（O2x2）灰岩、白云质灰岩及白云岩互层，上马家沟组下段（O2s1）灰岩、白云质灰岩，上马家沟组中段（O2s2）灰岩、白云质灰岩，第四系黏土、亚黏土。

（2）构造。矿区总体构造为一轴向NE—SW较宽缓背斜（米山洞背斜），轴向沿NE—SW（7°～207°），背斜轴长度大于1 200 m，呈宽缓的近似对称的背斜形态产出。东南翼较缓，倾向190°～260°、倾角4°～20°；西北翼地层地层较陡，倾向270°～340°，倾角10°～25°，局部发育次级小褶曲。

矿区中部发育1条NE向正断层（F1），延伸长度1 100 m，走向91°～99°，倾向179°～188°，倾角70°～80°，破碎带宽度2～8 m，落差0～20 m；为北盘上升、南盘下降的高角度正断层。矿区地质构造复杂程度为简单类型。

（3）岩浆岩。在矿区北部沿上马家沟组石灰岩层面呈岩床侵入，岩性为燕山期第一阶段石英闪长玢岩，分布面积约1.12 km2。

2.2 矿体特征

矿体赋存于奥陶系中统下马家沟组上段（O2x2）、下马家沟组下段（O2x1）地层中，含矿地层厚度123.45 m，矿层厚度101.64 m，含矿系数82.33%。下马家沟组（O2x）地层分5个矿层，岩性主要为白云质灰岩、灰质白云岩、含灰白云岩、石灰岩，其中3层为建筑石料用灰岩矿层，2层为水泥用灰岩矿层，呈互层状。上马家沟组（O2s）地层，岩性为白云质灰岩及少量零星分布的石灰岩，为建筑石料用灰岩矿体。

2.3 水文及工程地质特征

矿区含水岩组主要为第四系松散岩类孔隙含水岩组、奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组。前者主要分布于矿区南北两侧边缘沟谷中，雨季含少量孔隙水；后者广泛分布于全区，主要为马家沟组白云质灰岩、石灰岩和泥质灰岩等，矿区含水层厚度120 m，受断层影响，岩层裂隙、节理发育，裂隙率可达20%，裂隙宽度一般0.5～10 cm；岩溶发育不甚强烈，地表偶见10～20 cm溶洞，钻孔中仅见沿裂隙的溶蚀现象，多呈半充填状态。矿体位于当地最低侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，地下水补给条件差，水文地质条件简单。

矿体主要赋存于奥陶系上马家沟组中，由中厚—厚层状白云质灰岩、石灰岩组成，总厚度101.64 m。岩矿石自然含水状态下单轴抗压强度32～79 MPa，平均为56 MPa，整体属坚硬岩类岩石。工程地质条件属简单类型。

3 矿山地质环境问题

主要为矿山地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏、土地资源破坏等，其中矿山地质灾害、地形地貌景观破坏、土地资源破坏问题较为突出。

3.1 地质灾害现状

矿山地质灾害是指由自然地质作用和人类采矿活动引起的、造成人员生命财产损害或矿山地质生态环境破坏的灾害事件。历史遗留露天采场边坡高度多为20～30 m，最高处约90 m，边坡坡度60°～90°，现状条件下露天采坑内未发现泥石流、滑坡等现象，仅有多处小规模的崩塌现象，崩塌体在10～30 m3，多发生在采坑周围的坑壁上，采场坑壁陡峭，岩石出露较破碎，上方裂隙分布明显，在降雨、风化剥蚀及人类活动等外部因素作用下形成小规模崩塌[10]。由于边坡上方危岩体多处于欠稳定—不稳定状态，且发育多条张性裂隙，裂隙内有掉块现象，底部岩体有压碎状，崩塌地质灾害发育程度强；现状下崩塌地质灾害未造成人员伤亡及直接经济损失，地质灾害危害程度小。现状下区内地质灾害发育程度强，地质灾害危害程度小，诱发因素主要为人为因素，地质灾害危险性中等。

3.2 含水层破坏

该区地下水补给来源单一，绝大部分来源于大气降水。根据地貌形态特征，大气降水大部沿山坡直接以地表径流形式排泄，小部分由地表风化裂隙向深部渗透补给基岩裂隙水。据野外调查，历史遗留露天采坑破坏面积较大，采场最低标高为+128 m，高于地下水位标高+100 m，采矿活动对含水层的影响和破坏程度较轻。

3.3 地形地貌景观破坏现状

该区不属于各类自然保护区，亦无名胜古迹、无军事设施、高压线和其他重要的设施，不在主要干道的可视范围内，现状下采矿活动对地形地貌景观的影响主要表现在遗留露天采坑破坏了原生的地形地貌，改变了山体原有形态[11]。 现状下露天采场面积125.33 hm2，露天采场边坡高度多为20～30 m，最高处约90 m，边坡坡度60°～90°，直接破坏了原生地形地貌景观，改变了地面标高（图1、图2），造成与原有自然景观极不协调，对原生地形地貌景观破坏程度较大，影响程度严重。

图1 露天采坑Fig.1 Open-pit

图2 废渣Fig.2 Waste residue

3.4 损毁土地现状

现状下主要为历史遗留露天采场对土地造成了损毁，共损毁土地面积125.33 hm2，损毁方式为挖损损毁；按损毁土地类型划分，损毁旱地2.93 hm2、灌木林地7.91 hm2、其他草地17.13 hm2、农村道路0.04 hm2、裸地39.70 hm2、采矿用地57.62 hm2。损毁程度均为重度。

3.5 矿山地质环境影响及恢复治理分区

该矿为资源整合矿山，现状下历史遗留露天采场内矿山地质灾害影响程度中等，采矿活动对含水层的影响和破坏程度较轻，对地形地貌景观影响和破坏程度严重，对土地资源损毁严重。综合分区将历史遗留露天采场区划分为矿山地质环境影响严重区（图3）；并充分考虑矿山地质环境问题类型、分布特征及其危害性、矿山地质环境影响评估结果，进行矿山地质环境保护与治理恢复分区，将历史遗留露天采场区划分为矿山地质环境恢复治理重点防治区（表1）。

图3 历史遗留采场矿山地质环境影响综合分区Fig.3 Comprehensive zoning map of geological environment impact of historical stopes and mines

表1 矿山地质环境影响综合评估及恢复治理分区Tab.1 Comprehensive assessment of mine geological environment impact and zoning of restoration and treatment

针对矿山地质环境重点防治区，主要治理措施为对遗留露天采场进行削坡、清除危岩体和场地整形，并进行土地复垦等工程。

4 矿山地质环境恢复治理工程

为保证治理工程质量和效果，针对遗留露天采坑重点防治区内已存在的地质灾害、地形地貌景观破坏、土地资源损毁等问题，以创建和谐社会和可持续发展为目的，全面落实科学发展观，做到“事前预防，事中治理，事后恢复”，按照绿色矿山建设的要求，对矿区及周边历史遗留的地质环境问题进行综合治理和复垦，使矿山地质环境与周边生态环境相协调，达到与区域条件相适应的环境功能。根据治理原则和思路，此次采用的工程技术措施包括危岩体清除、防护及警示工程、场地平整、废渣回填及覆土工程、土壤改良工程、植被恢复工程、（截）排水沟等[12-13]，最终达到消除矿山地质灾害、恢复土地植被资源、美化矿山地质环境的目的。

4.1 危岩体清除

历史遗留露天采场内存在多处高陡边坡，且边坡上沿岩体破碎，局部已出现小规模崩塌。对现存高陡边坡的危岩体（松散或裂隙发育破碎段）进行清除，对松散老土堆积层修整后坡度不大于45°，岩质边坡采用炮锤法清理至不易破碎为宜。采用长臂挖掘机（炮锤法）施工，将清除的矿渣就近清运至坑底回填，不外运。共需清除危岩体约35处，累计清除危岩方量约1 200 m3。

4.2 防护及警示工程

（1）布设防护网。由于遗留露天采场局部与周边原始地形落差较大，在采场外部边缘设置防护网，避免出现意外坠落。防护网采用刺丝拉网，网高1.5 m，每3 m设1根立柱。刺拉丝规格为三股镀锌钢丝，纵向拉网间距为20 cm，第1排离地高度20 cm，共7根，每根长3 m，斜角对拉1根穿插在横丝中，共2根，每根长3.5 m；立柱选用直径48 mm、高1.8 m刺拉丝专用镀锌钢管喷塑绿色漆，立柱预埋30 cm，素混凝土浇筑固定[14]。工程量：共布设防护网900 m，圆管立柱304根、素混凝土8.2 m3、刺拉丝长度8 400 m。

（2）设置警示牌。在通往采场的道路上处分别设警示牌1块。警示牌由角铁、铁皮焊接而成，角铁长度2.6 m（埋入地下0.6 m），警示牌离地高度1.0 m，大小1.6 m×1.0 m。共设置警示牌10块。

（3）场地平整。现状下遗留露天采坑底局部遗留有少量废渣，且多处地形起伏较大，为了便于复垦，对露天采场坑底进行平整，复垦为旱地的地块平整后场地坡度控制在6°以内，复垦为有林地的地块平整后场地坡度控制在15°以内。预计平整场地面积113.06 hm2。

（4）废渣回填及覆土工程。在平整后的采坑坑底铺设小颗粒废渣30 cm后进行覆土，有林地场地覆土厚度50 cm、旱地场地覆土厚度80 cm。渣源来自矿山开采过程中产生的剥离物，土源采用剥离的第四系表土，不足部分外购。预计铺废渣量33.47万m3，覆土69.31万m3。

（5）土壤改良工程。新复垦的旱地覆土后表土肥力欠佳，采用增施有机肥、土地翻耕进行土壤改良[15]。

（6）植被恢复工程。本次复垦有林地66.45 hm2，施工时穴栽乔木侧柏，撒播麦芽草、狗牙根草混合草籽，并在各边坡坡底扦插葛藤，使藤条沿边坡向上攀爬，浇水、施肥管护。预计穴栽侧柏166 125株、扦插葛藤22 000株，撒播狗牙根、麦芽草混合草籽约3 200 kg。

（7）截（排）水沟。在遗留露天采场外围1.5 m处敷设预制梯形截（排）水沟，以疏排上游降水。采用外购预制混凝土排水沟，排水沟截面呈梯形，单块长度1 000 mm、内底宽300 mm、内口宽800 mm、内深500 mm、厚80 mm、边坡比1∶0.5（图4）。施工时挖梯形沟槽，截面600 mm×1 000 mm，底部用粒径3 cm的细石C20混凝土找平，置入预制块，两侧用黏性土填实。块与块间用沥青麻丝勾缝连接。（截）排水沟长约4 800 m，人工挖土方1 296 m3、人工修整边坡4 320 m2、浇注C20细石混凝土硬化43 m3。

图4 排水沟断面Fig.4 Cross section of drainage ditch

5 结论

（1）米山洞灰岩矿历史遗留采坑地质灾害主要以崩塌为主；露天采坑对地形地貌景观及土地资源的影响和破坏程度严重。

（2）对露天采坑采用危岩体清除、布设防护网及警示牌、场地平整、废渣回填及覆土、土壤改良、植被恢复及修筑截（排）水沟等工程措施能恢复治理矿山地质环境问题，从而消除地质灾害隐患、恢复破坏的土地植被资源、改善生态环境，有力保障群众生命财产安全，社会效益、环境效益和经济效益显著。