废弃露天矿山生态保护修复治理技术研究

周佑康，张海军，田 骞

(河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471000)

2019年6月，自然资源部在湖南岳阳召开会议，安排部署了京津冀及汾渭平原废弃露天矿山生态修复工作。中央财政计划分2年投入约20亿元作为奖补资金，开展京津冀周边及汾渭平原地区历史遗留露天矿山治理[1-5]。自然资源部下发的遥感解译数据，新安县共涉及图斑数14个，图斑总面积85.96 hm2，根据前期勘查设计成果，本次生态修复治理工程实际需治理面积为112.03 hm2。结合实际情况,研究主要目的是[6-10]：通过工程措施及生物措施对治理区内废弃露天矿山遗留的矿渣堆、高陡边坡等进行综合整治，采坑回填；消除治理区内地质灾害隐患；对已破坏的地质地貌景观进行重塑，使其与周边原生地质环境相协调。

1 主要地质环境问题

1.1 南李村镇治理分区

南李村镇治理分区共有5个治理图斑(1—5号图斑)，根据调查结果南李村镇治理分区主要地质环境问题为：①采矿活动形成的较深的矿坑和高度边坡，危岩浮石残留边坡，原有植被损毁，破坏了原有的地形地貌，使土地的种植功能几乎完全丧失，人工改造恢复植被非常困难；②废弃矿渣随意堆积，压占原有土地；③废弃矿渣堆积的斜坡稳定性差，存在安全隐患；④由于露天开采，植被和表层土层完全剥离，破坏了原有土地；⑤采矿活动形成的部分矿坑，积水严重，存在加大的安全隐患。南李村镇治理分区部分(1号图斑)地质环境问题如图1所示。

1.2 铁门镇治理分区

铁门镇治理分区共有6个治理图斑(6号、7号、8号、9号、10号、14号、)，根据调查结果铁门镇治理分区主要地质环境问题为：①采矿活动形成的高度边坡，岩面落差大，山体遭到破坏，危岩、浮石残留边坡，植被损毁，破坏了原有的地形地貌；②由于露天开采，植被和表层土层完全剥离，原始地貌已不复存在，裸露的岩石、形成的深坑及堆积的废渣使土地的种植功能几乎完全丧失，人工改造恢复植被非常困难。铁门镇治理分区部分(6号图斑)地质环境问题如图2所示。

图2 铁门镇治理分区部分地质环境问题Fig.2 Some geological environmental problems in the governance sub-district of Tiemen Town

1.3 青要山镇治理分区

青要山治理分区共有2个治理图斑(11号、12号)，均位于青要山镇黄北岭村。该治理分区存在的主要地质环境问题有：①采矿活动形成的边坡，坡面较陡，山体遭到破坏，危岩、浮石残留边坡，植被损毁，破坏了原有的地形地貌；②由于露天开采，植被和表层土层完全剥离，原始地貌已不复存在，裸露的岩石及堆积的废渣使土地的种植功能几乎完全丧失，人工改造恢复植被非常困难；③坡面堆积有采矿遗留的矿渣，稳定性差，有崩塌的可能性，易造成地质灾害。青要山镇治理分区部分(12号图斑)地质环境问题如图3所示。

图3 青要山镇治理分区部分地质环境问题Fig.3 Some geological and environmental problems in Qingyaoshan Town′s governance area

1.4 北冶镇治理分区

北冶镇治理分区共有1个治理图斑(13号)，位于北冶镇石山村。根据调查结果,其存在的主要地质环境问题为：①采矿活动形成的边坡，坡面较陡，山体遭到破坏，危岩、浮石残留边坡，植被损毁，破坏了原有的地形地貌；②由于露天开采，植被和表层土层完全剥离，破坏了原有土地；③坡面堆积有采矿遗留的矿渣，稳定性差，有崩塌的可能性，易造成地质灾害。北冶镇治理分区部分(13号图斑)地质环境问题如图4所示。

图4 北冶镇治理分区部分地质环境问题Fig.4 Some geological and environmental problems in the governance sub-region of Beiye Town

2 生态保护修复治理技术

2.1 挖填方工程

本次挖填方工程设计主要包括4个方面：①对于处于基本稳定或稳定状态的边坡，只需对坡顶或坡面上的悬挂岩块、松动岩石进行清除，对于处于欠稳定状态的边坡，除了对坡顶或坡面上的悬挂岩块、松动岩石进行清除外，还需要对局部突出部分及其他危险部分进行削坡；②边坡整理，使边坡整体平顺；③清理危岩体；④采坑回填，对风化强烈、坡面破碎、存在较大安全隐患的边坡及危岩体实施削方工程，清除表层风化破碎岩体、悬空岩体、坡面堆积岩块等，消除崩塌灾害隐患，使坡面尽可能平整、稳定。治理区的岩质边坡，坡度大部分在70°左右，岩壁上较平直，没有台阶无法造穴绿化或小地块绿化。危岩清理的原则：危岩体进行清除，清除后兼顾治理周围的坡面，使坡面平整顺直。

2.2 覆土及平整工程

该分项设计是在挖填方工程完成后，对各层边坡、平台和马道进行覆土并平整，覆土之后将其复垦为耕地或林地。恢复为耕地的平台覆土厚度为0.8 m，恢复为林地的平台和马道覆土厚度为0.5 m，恢复为草地的平台和斜坡覆土0.3 m。

2.3 田埂工程

为不让各斜坡上的覆土因大气降水流失，保护水土，决定在平台外侧同斜坡交汇处修筑田埂。根据平整区域底层特征，确定田埂为土田埂，田埂修筑位置在各层平台外侧，充分利用天然降水，田埂横断面结构为等腰梯形(图5)，顶宽0.30 m，底宽0.7 m，高0.50 m，每延米工作量0.25 m3。

2.4 土壤改良工程

根据“宜耕则耕，宜林则林，宜草则草”的原则，治理区内场地平整后，选取符合恢复成耕地条件的地块进行覆土、翻耕，培肥后恢复为旱地。培肥为3 000 kg/hm2有机肥。

2.5 绿化工程

本次绿化工程主要有种植树木(果树)、撒播草籽和种植爬藤植物。对治理区恢复为林地的种植树木及播撒草籽，恢复为园地的种植果树，恢复为草地的直接播撒草籽，在斜坡底部种植爬藤植物。恢复为林地的地块，树种选用侧柏或者刺槐，爬藤植物选用爬山虎。恢复为园地的地块树种选用樱桃、苹果、猕猴桃等。在治理区内道路两旁种植行道树，树种选用油松。对植物群落欠发育地块进行补植，补植按3.0 m×3.0 m计算。树木栽植后前3天，每天浇水1次，透墒，以保证树木成活。设计林地种植间距1.5 m×1.5 m，行道树种植间距2 m×2 m，坑穴标准为0.8 m×0.8 m×0.8 m。树种带土丘，直径300 mm，高度1.2～1.5 m。设计园地种植间距1.5 m×1.5 m，坑穴标准为0.8 m×0.8 m×0.8 m。树种带土丘，土丘直径300 mm，树高1.2～1.5 m。植草撒播按等面积重复混播，草种选用黑麦草、艾草、白莲蒿、狗尾草等，其为多年生植物，耐阴性普遍较差，但在缺少光照条件下亦可生长，在乔木、灌木成林前可作为良好的地被植物，混种子30 kg/hm2。斜坡底部种植爬山虎，改善周边生态环境，达到景观修复的目的，爬山虎株距0.5 m，植株长不小于1.2 m，直径4 cm。

图5 田埂大样Fig.5 Ridge sample

2.6 养护工程

养护期为3年，养护用水为附近村庄的吃水井，水量有保证。浇水次数，种植后第1个月，前3天，每天1次；第4—9天，每3天1次；第10—30天，每10天1次，共7次，先保证成活。第2到第4个月，每20天1次，以后每月1次。共20次。

2.7 监测工程

监测对象：治理后的挖填平衡区域，坡面、植被。监测内容：地形地貌、坡面、植被健康状况、种植密度、高度、成活率、生长量等。监测点的布置：设置监测点，在治理区内按采坑分布监测点。监测方法为定时检查法，采用观察，工具测量，统计等方法。监测频率：每2个月1次，暴雨或者雨季时增加监测频率，6、7、8、9月15天1次。监测期限：治理工作开始后的2年内。

3 施工环境条件

3.1 自然条件

影响本次治理工程施工的自然条件主要有地形条件和气象条件。

(1)地形条件。新安地处豫西浅山丘陵区，境内地形复杂，山地、丘陵、河谷川地等各类地形齐全。本次修复治理工程14个治理图斑位置分散于南李村镇。铁门镇、青要山镇和北冶镇，除南李村镇5个治理图斑所处位置地形相对平坦外，其他治理图斑所处位置均为山地丘陵地带，地形复杂，增加了工程施工难度。如12号图斑，整体为一葫芦形，图斑中部有1条自然形成的东南向深沟将治理区分为2块，且2部分之间不能直接通行，增加了施工难度。

(2)气象条件。治理区属暖温带大陆性季风气候带，总的气候特点是春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽时令短，冬季干冷少雨雪。本次治理工程工期跨越秋冬两季，避开了夏季这一主要降水时段，但秋季降雨和冬季低温对本工程的施工造成一定程度的影响。

3.2 施工条件

(1)水电条件。①用水条件。4号图斑和5号图斑场地内有水塘，能满足工程施工用水条件，其他图斑施工用水均采用洒水车从附近村庄运送。施工过程中生活区布置在村民居住地附近，用水用电比较方便。②用电条件。本次施工过程中用电需求主要为设备维修，由于图斑分散在山区，供电条件差，本次施工用电采用50 kW的柴油发电机发电，能满足工程施工的需要。生活区布置在附近村庄，用电较为便利。

(2)场地条件。施工前，各治理图斑范围内施工条件差，大型设备进场有一定的困难，通过修理临时施工便道，机械才得以进入施工现场。人员、机械进场后，先进行场地平整和施工便道修复与加宽，便于后期施工。

(3)施工材料。本次修复治理工程所需主要材料为苗木和草籽。新安县境内有正规苗圃公司数家，经前期考察，所出售绿化材料质量和数量均能满足工程需要。

3.3 交通条件

本次治理工程14个治理图斑均为历史遗留矿山，图斑范围内有原运矿道路通往附近村庄及乡镇，该道路经适当修缮后可以满足本次施工设备进出场，自卸汽车运输的需要。

4 施工工艺与质量控制

4.1 准备工作

(1)施工组织设计编制与审查。根据以往施工经验，结合本工程的具体情况，认真编制了本项目施工组织设计，并由公司总工程师审核后，递交新安县自然资源局(业主单位)和河南省地质环境监测院(监理单位)进行审查后实施。

(2)技术交底。工程开工前，技术组都进行了交底工作，主要包括施工技术交底和安全技术交底，使每个工作人员都要明确在施工中按照交底内容进行施工，禁止违反规定施工。

4.2 挖填方工程

4.2.1 土石方开挖

本次石方开挖主要是针对治理区内的高陡边坡、危岩体以及废弃渣石堆。总体遵循随坡就势、高挖低填的原则，通过土石方开挖的手段对高陡边坡进行削坡整理，对危岩体进行清除，对于废弃渣石堆，挖运回填到低洼处压实。

(1)准备工作。①开挖前先按设计书和施工图纸提供的坐标点放好开挖灰线，设计地界桩和坡脚的具体位置并标明其轮廓，标明每个开挖点的开挖深度和范围。②对施工现场内的地上地下障碍物进行清除和处理，场地表面清理平整，做好排水坡向，一般不小于2‰的坡度。在施工范围内挖好临时性排水沟。

(2)施工方法。开挖程序：测量放线→开挖→修坡→推平→压实。①待施工放线工作验收合格后开始开挖。土方开挖地段采用挖掘机直接挖土，每台挖掘机配备2～4辆自卸汽车运土；石方开挖地段每个开挖点根据场地情况，配备至少2台挖掘机和2～4辆自卸汽车，一台挖掘机装配炮锤代替炸药爆破破开岩石，另一台挖掘机负责将破开后的石渣清理装车。机械开挖采用交错法，挖土机分别从待挖区域的南边作业线及西边作业线开挖，自西向东，自南向北。以自上而下的总原则，采取大环形开行线路的方法进行开挖，自卸汽车配置在挖土机的两侧装运土石方。

(3)质量控制。①开挖过程中，测量组负责监控开挖深度和范围，随时为挖掘机司机指示底余量。挖至设计标高后，及时通知有关部门进行查验。②经现场监理旁站、抽验检查，本项目土石方开挖位置、标高、尺寸，均符合设计要求和施工规范的有关规定，为合格工程。

4.2.2 土石方回填工程

为提高施工效率，保障治理工程能安全完成，在保证安全的前提下，土石方回填工程与土石方开挖工作同时开展。

(1)准备工作。土石方回填之前先对填方基底进行处理，清除回填范围内的杂物、积水，回填场地清理完成后报监理审查，合格后方能开始填方工作。测量组按图纸测量标明填方范围和填方厚度。

(2)施工方法。对挖方工程中挖清理出来的土方或石渣进行筛选，符合设计要求的土方或石渣在经监理检查合格后运输到填方部位回填，每个填方点根据实际填方范围配备1～2台推土机和1～2台挖掘机。土石方回填从最低处开始，由下向上分层施工。

(3)质量控制。①回填土料的筛选严格按照设计书要求，经监理检查同意使用后方才运输到填方部位回填。②每个填方点配备测量人员监控填方厚度，每次回填厚度达到50 cm后，先进行压实，反复压实6遍并检查沉降，沉降量超过50 mm则继续压实。沉降检查过程中，现场监理人员全程旁站监理，合格后经监理许可继续回填。③经现场监理旁站、抽验检查，本项目土石方回填工作土料选取，回填工艺均符合设计要求和施工规范的有关规定，工程质量合格。

4.2.3 机械压实

(1)施工方法。本次机械压实作业所采用机械为内燃式压路机，每个回填压实点配备压路机1台，推土机1台。机械压实与土石方回填穿插施工，分层压实。土石方回填厚度达到50 cm时，即暂停回填，按设计书要求碾压6遍后检查沉降量，连续2次碾压沉降量不大于50 mm后，报监理检查合格后继续回填，继续回填前先用推土机将表面拉毛然后才开始回填。按上述程序分层压实，直到填方工程完工。

(2)质量控制。压实填方时，压路机行驶速度按设计书要求控制在2 km/h，每层压实6遍后检查沉降，当沉降量不大于50 mm，经监理检查合格后继续土石方回填。沉降量检查过程，监理全程旁站监理；经监理旁站、抽验检查，本项目机械压实施工方法正确，质量控制措施得当有力，质量符合设计和规范要求，工程质量合格。

4.3 覆土及平整工程

覆土及平整工程主要是对经挖填方工程整理后的平台、马道以及斜坡进行覆土并平整。土源由当地乡镇政府协调，选择符合设计要求的取土点，经监理验收认可后开始取土。

(1)施工工艺流程。施工测量→定控制测网→设置控制桩→覆土→平整→验收。

(2)施工方法。①施工前进行技术交底。②取土土方开挖前，对表层的杂草和树木进行了清除，取干净无杂草的土源。③覆土采用自卸汽车运输，挖掘机和铲车进行了摊平，覆土厚度按照设计要求，恢复为耕地的平台覆土厚度0.8 m，恢复为林地的平台和马道覆土0.5 m，恢复为草地的斜坡、平台覆土0.3 m。覆土全部完成后，进行了表面拉线找平，凡超过设计高程的地方，及时依线铲平；凡低于标准高程的地方，补土夯实。对恢复为耕地的平台，覆土时在平台外侧与斜坡交汇处事先预留出部分土量用以修筑田埂。

(3)质量控制。覆土及平整工程主要从2个方面进行质量控制：①覆土厚度符合设计要求，按照设计要求，恢复为耕地的平台覆土厚度0.8 m，恢复为林地的平台和马道覆土0.5 m，恢复为草地的斜坡、平台覆土0.3 m；②回填土料质量和表面平整度符合规范，土壤干密度在1.6 t/m3以上，场地标高偏差±50 mm，表面平整度偏差±30 mm，分层厚度依相关规范并与规范允许偏差±50 mm。在施工过程中，用水准仪控制厚度及平整度，土中含有的树根、杂草、碎石等杂物人工进行了清除，监理工程师全程进行了旁站监理，施工工艺满足相关施工规范要求，完工后在监理的组织下按照验收规范对工程质量进行检查，经检查该分项工程质量达到合格标准。

4.4 田埂工程

覆土平整工程经监理验收合格后，为不让覆土因大气降水流失，保护水土，在恢复为耕地的平台外侧同斜坡交汇处修筑田埂。

(1)施工工艺流程。施工放线测量→定控制测网→设置控制桩→覆土→平整→验收。

(2)施工方法。田埂主体采用事先预留的土壤修筑，并在田埂内、外侧用黏性较强的土壤，逐层压实后修坡，拍打结实，防止漏水。田埂规格按设计书要求做成等腰梯形，顶部宽30 cm，底部宽70 cm，高50 cm。田埂修筑采用人工和推土机相结合的方式进行。

(3)质量控制。田埂工程主要从田埂修筑规格和长度、田埂表面平整度、生土夯实度等方面进行质量控制。在田埂修筑过程中，每完成10 m田埂则对其上述工程进行检查，监理进行旁站监理，检查合格并经监理认可后继续修筑，对于不合格的地方，及时进行整改。

4.5 土壤改良工程

此次土壤改良工程包括土地翻耕和土壤培肥2个方面的内容。

(1)施工工艺流程。施工测量→撒播有机肥→土地翻耕→验收。

(2)施工方法。覆土工程经监理验收合格后，按设计书要求对恢复成旱地的平台进行土地翻耕和培肥。土地翻耕和土壤培肥同时开展，先将有机肥按3 000 kg/hm2的设计培肥量均匀撒播好，然后开展翻耕工作。土地翻耕采用人工和机械相结合，每次翻耕深度控制在25 cm左右，每个平台反复翻耕3次，保证土地翻耕充分，肥料和表层用于耕种的土壤充分混合，提高土壤肥力。

(3)质量控制。土地翻耕从翻耕深度和翻耕次数等项目进行质量控制，土壤培肥从单位面积培肥数量及有机肥腐熟程度等方面进行质量控制。土壤改良工程施工完成后由施工员及质量员检查土地翻耕深度，核对翻耕次数，对不达标部分进行整改；培肥前检查所用有机肥是否充分腐熟，不充分腐熟的肥料不能使用，翻耕后逐一检查检查有机肥料和土壤混合程度，对混合不均匀的部分进行整改，监理旁站监理。

4.6 绿化工程

绿化工程治理包含3个方面的内容：苗木种植、撒播草籽、养护。对区内恢复为林地的平台、斜坡以及农耕道路两侧，在覆土工程验收合格后，在平台种植绿化苗木、混种草籽恢复成林地，斜坡撒播草籽恢复成草地，农耕道路两侧种植行道树。

(1)施工工艺流程。测量放线→树坑开挖→栽植苗木、撒播草籽→养护→验收。

(2)施工方法。①测量放线。按平台面积和设计书及施工图纸，将树坑位置布设在地面上，用白灰做好标记。林地树坑间隔为1.5 m×1.5 m，行道树树坑间隔2 m。②树坑开挖。树坑开挖以机械为主、人工为辅，根据实际需要本次树坑开挖投入挖掘机2台。施工时按照地面标识，挖掘树坑，树坑规格为0.8 m×0.8 m×0.8 m，树坑开挖与检查同时进行，发现不合规格的树坑立即整改。树坑开挖工程完工自检合格后报监理验收，经现场监理查验复核，树坑开挖工程全部合格，同意开展后续工程。③苗木、草籽种植。苗木栽植时，事先在树坑底部施底肥，再覆1层耕植土，然后栽植苗木，树体要保持上下垂直，不得歪斜。栽后及时浇上第1遍透水，灌水量要充足，透熵为好。浇水完成后将树坑下陷部位回填种植土并捣实。林地平台及斜坡均撒播草籽，撒播量为30 kg/hm2。撒播完成后及时进行浇水。

(3)质量控制。绿化工程治理从选材、树坑开挖质量、苗木、草籽种植3个方面进行质量控制。

4.7 养护工程

养护工程是对恢复的林地草地进行养护，保证苗木和草籽的成活率，达到生态修复效果。本项目养护期为3年，养护用水为附近村庄的生活用水水井，水量有保证。

(1)施工方法。苗木及草籽种植完成后及时浇水，保证成活率。按设计要求，制定了养护计划：种植后第1个月，前3天每天浇水1次，从第4天开始每3天浇水1次；从第10天开始每10天1次；第2月开始每20天1次。保证成活率，从第5个月开始每月1次，直到养护期结束。在苗木种植和后期养护的过程中严格的执行了养护计划，对没有成活的苗木及时进行补植。

(2)质量控制。绿化工程完成后，安排专职人员每天对种植的苗木和草籽进行巡查，检查苗木长势、养护浇水记录等。发现有死亡的苗木，及时组织补植。监理定期现场抽查，对养护不到位部分及时补救整改。

5 治理效果

项目实施后，消除了地质灾害隐患，改善了矿区地貌景观及周边生产生活环境，减轻了对土地及地下水资源破坏，解决了无主废弃矿山综合整治和历史遗留矿山地质环境问题治理。部分图斑治理后效果如图6所示。

图6 部分图斑治理后效果对比Fig.6 Comparison of the effect of some patches after treatment

6 工程效益评述

6.1 社会效益

项目的实施，改善了城镇人居环境；使得区域土壤理化性质得到改善，生态产品供给、保持水土的功能显著提升；修复了矿区地形地貌景观，减少了水土流失；提高了废弃矿区林草覆盖率；有效消除了地质灾害隐患，极大地降低了矿山地质灾害风险，保障了区内人民生命财产安全，消除恐慌心态和不稳定因素，缓解了社会矛盾，使人民群众安居乐业，有利于构建和谐社会、保持社会稳定。

6.2 生态环境效益

新安县2019—2020年中央重点生态保护修复治理项目施工项目14个治理区的实施，恢复了地貌景观和生态植被71.36 hm2。根据《森林河南生态建设规划(2018—2027年)》的统计数据，每亩林地涵养水源142.8 t，固土2.81 t，减少土壤肥力损失119 kg，固定二氧化碳281 kg，释放氧气160 kg，增加土壤氮、磷、钾营养物质4.8 kg，吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物及滞尘912kg，森林生态服务价值为2 750元。本项目实施后，可涵养水源35 150.22 t，固土691.68 t，减少土壤肥力损失29 291.85 kg，固定二氧化碳69 168.15 kg，释放氧气39 384 kg，增加土壤氮、磷、钾营养物质1 181.52 kg，吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物及滞尘224 488.8 kg。

项目的实施，通过植被绿化、地貌景观恢复，对无主废弃矿山修复整治，建设水源涵养林和水土保持林16.41 hm2；改善地表植被结构，降低地表径流冲刷，减少水土流失；改善土壤肥力；有效提高防治水土流失的能力；抑制扬尘，降低雾霾程度；恢复的林草地增加了当地植物多样种类，为动物提供了栖息地和繁衍空间，为当地生物多样性繁衍提供条件，极大地提高了当地生态效益。

7 结论

此次治理工程完成修复图斑14个，修复面积110.54 hm2；恢复新增耕地34.73 hm2，有林地16.41 hm2，其他草地54.93 hm2，坑塘水面0.78 hm2，农耕道路3.69 hm2；恢复了土地使用功能，达到生态保护修复的目的，生态环境效果明显。