浚县屯子镇善化山废弃矿山生态恢复治理研究

赵 莉，秦旭龙，周 维，余少凯

(1.河南省资源环境调查五院，河南 郑州 450053；2.河南省矿山环境生态修复工程技术研究中心，河南 郑州 450053)

矿山地质环境问题指受采矿活动影响而产生的地质环境破坏的现象，表现为矿山生产环境恶劣、“三废”排放、地质灾害、环境资源破坏等[1-2]。露天开采矿山所引发的地质环境尤为严重，需要重点预防和治理[3-5]，特别是废弃露天矿山所产生的陡崖、平台、采坑和残余孤丘等因缺少后期地质环境恢复治理，致使生态环境破坏严重，同时也存在发生地质灾害的隐患。

善化山东临卫河，西靠太行山，是太行山余脉，原为浚县最高峰，山顶标志性的“三棵树”是善化山古庙会会址。然而，历经多年建筑石料用灰岩大规模不规则开采，形成了大量陡崖、平台、采坑和残余孤丘，地表岩石裸露，石漠化严重，生态环境极度恶化；已成为当地居民信仰的标志性“三棵树”，也由于断崖式开采，水力联系遭破坏，几百年的古树因此而枯死，对当地地形地貌景观和人文景观造成严重破坏。为了解决废弃矿山环境问题，先后开展了善化山废弃矿山恢复治理可行性研究、矿山地质环境勘查，基本查明了废弃矿山地质环境问题，为开展废弃矿山生态恢复治理奠定了基础。

近年来，关于废弃矿山生态保护修复理论和技术方法研究是专家学者的热门研究方向，任岐山等[6]提出对矿山地质灾害进行治理和预防，对地貌景观进行修整，对土地功能进行恢复；白中科等[7]提出了地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观重现的矿山生态修复模式。但目前的矿山生态修复研究工作还不够系统和全面，理论还不够完善，部分技术实用性不强。

本文针对善化山废弃露天矿山存在的主要地质环境问题，借鉴国家第三批试点工程——河南省南太行地区山水林田湖草生态保护修复工程实践经验，分析研究了废弃矿山生态恢复治理思路，并提出了生态恢复治理分项工程措施，为后续废弃露天矿山生态恢复治理提供参考和借鉴[8-11]。

1 矿山概况

善化山废弃矿山位于河南省鹤壁市浚县县城西北方向12 km处，行政区划隶属浚县屯子镇，原开采矿种为建筑石料用灰岩矿，自二十世纪八十年代形成大范围、大规模开采，后因多种因素于二十世纪九十年代末关闭，责任人灭失。区域地层区划属华北地层区华北平原分区豫北小区。矿区内地层简单，出露地层有寒武系中统张夏组、第四系中更新统坡洪积层。区域受地理位置影响，水资源贫乏，且为浅层水一般超采区。矿区地下水主要接受大气降水的补给，在雨季地下水位上升，旱季没有补给来源。地面无地表水体，矿区自然排水条件良好，有利于地表水的排泄。根据岩石沉积建造类型、岩性组合特征，矿区岩体主要为坚硬厚层状中等岩溶化石灰岩岩组；根据土的粒度和力学特征，土体主要为黏性土单层结构土体。

历史上长期无序地矿业开采，改变了区内的原始地貌。善化山原为浚县最高峰，海拔+180 m，经过几十年的不规则开采，地形地貌发生了极大的改变，目前只有两处最高点+150 m，大部分已开采到+100 m以下，分布有15处采坑，深度2～59 m不等，分布面积807.86～432 464.30 m2，体积6 462.87～14 920 018.48 m3。纵观整个矿区，山体满目疮痍，采坑及陡崖星罗棋布，地表基岩裸露，生态植被不复存在，亟待修复治理。

2 矿山地质环境问题

善化山严重的不规则开采现象不但破坏了善化山的原生地形地貌景观，还打破了处于稳定或准稳定状态的浅表岩土体平衡，从而加剧和导致一系列矿山地质环境问题的发生。矿区内露天采坑遍布，山体破损，生态植被破坏严重。主要的地质环境现状为不规则开采形成的15处采坑及其四周高陡边坡上分布的8处危岩体(图1)，造成的主要矿山地质环境问题为矿山地质灾害隐患、地形地貌景观破坏和土地植被资源破坏。

图1 矿山地质环境问题分布图Fig.1 Distribution map of mine geological environment problems

2.1 矿山地质灾害隐患

善化山矿山地质灾害隐患主要为露天采坑高陡边坡开采面上的危岩体引发的崩塌隐患。矿区内危岩体主要分布在露天采石场中部、北部和西南部边坡上，边坡岩性主要为寒武系厚层鲕状白云岩、白云质灰岩、巨厚层鲕状灰岩，夹藻礁灰岩、花斑状灰岩，厚度20～50 m，坡面白云质灰岩呈破碎状，大部分危岩块浮于边坡上，部分已基本脱离山体，随时可能发生岩石掉块、滚落，甚至整体垮塌(图2)。据估算，矿区8处危岩体分布边坡坡长20～170 m不等，坡高10～50 m，危岩体厚度2～3 m不等，合计需要清理的危岩体方量约41 875 m3(表1)。

表1 危岩体方量统计表Table 1 Statistical table of dangerous rock mass square quantity

图2 危岩体Fig.2 Potential unstable rock mass

2.2 地形地貌景观破坏

善化山石灰岩矿历经多年的大规模不规则开采，形成大量陡崖、平台、采坑和残余孤丘，岩石裸露，石漠化严重，生态环境极度恶化。已成为当地村民信仰的标志性“三棵树”，由于断崖式开采，水力联系遭破坏，几百年的古树因此而枯死，对当地地形地貌景观和人文景观造成严重的破坏。矿区内造成地形地貌景观破坏的主要是山体挖损形成的露天采坑(图3)。据测量，矿区内共分布有采坑15处，破坏山体总面积740 671.91 m2(表2)。

2.3 土地植被资源破坏

矿区土地资源破坏主要表现为矿山开采活动对土地的挖损、压占，矿区土地破坏面积35.57 hm2(不计采矿用地)，破坏地类有耕地、林地、草地等。矿区土地破坏致使生长在土层表面的植被无法生长而破坏，累计破坏面积1.89 hm2，其中，破坏林地0.42 hm2，破坏草地1.47 hm2，破坏区地表基岩裸露，植被不复存在，生态问题严重。

3 生态恢复治理思路

针对善化山废弃矿山主要地质环境问题，选取自然恢复和生态重建的生态保护修复模式，在地形重塑的基础上，根据适宜性分析进行废弃土地复垦或植被恢复以恢复土地功能(图4)。

善化山废弃矿山因过度开采导致山体千疮百孔，采坑遍布，尤其在三棵古树底部已形成由四周高陡边坡围起来的深大采坑，不利于排水，且地表基岩裸露，植被破坏殆尽，从生态学及保护生态环境的观点，宜将其恢复为林地，以恢复生态、涵养水源；宜将善化山西侧页岩坑、东南部采坑及周边零散采坑进行回填复垦为梯田，增加耕地指标。具体设计思路如下所述。

图3 露天采坑Fig.3 Open pits

表2 采坑占地面积情况Table 2 Land area of mining pit

图4 废弃矿山生态恢复治理流程图Fig.4 Flow chart of ecological restoration and treatment of abandoned mine

针对三棵古树陡崖开采面及西部山体和斜坡，通过简单的工程辅助进行保护性治理，使其自然恢复，另外在边坡底部相对危险范围界线外增设防护网及警示牌；在三棵古树斜坡即庙宇周边穴栽补种侧柏进行绿化，并沿悬崖边增设防护网及警示牌提醒来往庙会人员安全；对善化山西侧页岩坑、东南部采坑、周边零星分布的采坑及山体周边的坡地区，结合周边地形地貌现状和土地复垦利用方向，进行回填平整，分级修建梯田，实施土地整治工程；三棵古树底部由四周高陡边坡围起来的深大采坑及采坑西南部入口处，地表基岩裸露，植被破坏殆尽，以恢复生态、涵养水源，将其恢复为林地，具体以栽植大叶女贞为主，辅以红枫做色彩点缀，造出一个“善”字，景与善化山山名相应。

4 生态恢复治理设计

针对矿区现状，按照以人为本、防灾减灾，规划引领、协同治理，技术经济可行、三效合一的原则，根据上述设计思路部署分项工程：废弃建筑物拆除工程→表土剥离工程→采坑及场地整理工程(危岩体参与挖填方计算，不再单列危岩清除工程)→挡土墙工程→覆碎石、土工程→道路工程→排水工程→植被恢复工程。

4.1 废弃建筑物拆除工程

在矿区东北部零散分布20处废弃建筑物，均为砖混结构，占地面积4 163.66 m2。地面建筑物拆除方量按照高3.5 m计算、系数0.2折算，地面建筑物拆除量2 914.58 m3；地基拆除按照深度0.30 m计算，地基拆除量12 149.08 m3，合计需清运拆除建筑垃圾4 163.66 m3。

4.2 表土剥离工程

对现状地表有土壤的田块进行表土剥离、存放，以便后期利用。表土剥离厚度根据现有土壤表土层厚度、复垦利用方向及土方需要量等确定。现状条件下具有表土覆盖的田块面积约35.73万m2，可剥离厚度根据调查均厚0.40～1.40 m，可剥离土壤资源约29.72万m3。

4.3 采坑及场地整理工程

采坑及场地整理工程即采用挖高填低的方法，将采坑底部及场地平整区高凸破碎或孤立的岩石块、废弃窑洞回填于采场低洼处，进行场地平整。

对治理区以除灾、消灾为前提，结合周边地势变化情况，设计不同标高地块或平台。 根据各地块或平台设计标高进行方格网法土石挖填方计算(表3)。经计算，治理区一般石方开挖方量2 393 091.45 m3，填方量2 292 693.20 m3，挖填工程结束剩余石方量100 398.25 m3。

对采坑回填后用于后续施工的工作场地进行平整。工作内容包括场地的整平、局部的挖高填低、清理残留的岩土体、垃圾、杂物，最后采用机械和人工相结合的方式统一压实。场地平整内容包括：①石渣清理回填部位的整平；②未实施挖填方工程但地表杂乱的部位，如废弃建筑物分布区，地形相对较平整，建筑物拆除后仅需清理表面的建筑垃圾、杂物，经平整后，即可覆土进行植被恢复或复垦为耕地；③场地边界与自然地形交接部位，使之平缓接触。

表3 挖填方计算公式一览表Table 3 List of calculation formulas for cutting and filling

4.4 挡土墙工程

挡土墙主要修建在治理平台外围，拦阻平台碎石土顺坡滑落或被雨水冲刷。应在稳定基岩上修建挡土墙，若根据工程实际情况，必须在回填地段修建挡墙时，应对回填部分进行处理，保证回填地层承载力满足荷载要求，处理方法可采用换填级配碎石。根据矿区治理实际，设计挡土墙分保水挡土墙和重力墙，均采用浆砌石结构。

1) 保水挡土墙。 保水挡土墙设计断面呈矩形，顶底宽均为0.60 m，顶部高出平台覆土层标高0.20 m，根据平台覆碎石(0.3 m)及覆土(0.5 m)厚度确定保水挡土墙高1.0 m(平台以上)。为了增强挡墙的稳定性，应在基岩平面下挖10 cm砌筑，砌筑石料就地取材，一般用毛石、料石，毛石中部厚度不小于20 cm，料石厚度一般不小于20 cm，选用质地坚硬不宜风化的岩石。在墙身中设置1排直径100 mm的PVC塑胶管为导水管的排水孔(长1 m)，间距2.5 m，排水孔后设反滤层。墙体顶部表面用砂浆抹面，厚度为20 mm。砂浆中所用的水泥选用普通硅酸盐水泥，且不低于32.5级。砂选用洁净天然中砂，砂的最大粒径不应超过5 mm。保水挡土墙分平台进行设计，经统计，治理区设计保水挡土墙总长1 991.41 m。

2) 重力墙。重力墙设计为路肩式(图5)，不同高度浆砌石挡土墙顶底宽、截面积不同，截面尺寸及参数详见表4。 在碎石层中挡土墙墙趾底部基础埋深不宜小于0.80 m、挡土墙顶部距离覆土层标高不小于0.20 m。根据挡土墙高度在墙身中设置1～3排直径100 mm的PVC塑胶管为导水管的排水孔(长1 m)，间距2.5 m，排水孔后设反滤层，沿墙线每隔10 m或地基性状变化时设置一道有机硅改性聚氨酯伸缩缝，缝宽30 mm。重力墙分地块进行设计，经统计，治理区设计重力墙总长2 198.44 m。

图5 路肩式重力墙断面示意图Fig.5 Kerb gravity wall

4.5 覆碎石、土工程

经过挖填方、场地整平和挡墙工程后，为达到复垦和植被恢复要求，需进行覆土。 根据耕地土体厚度不小于0.50 m的要求[12]，设计旱地统一覆土1.00 m。

表4 路肩式重力墙截面尺寸及参数Table 4 Section dimensions and parameters of kerb gravity wall

根据植被恢复覆土厚度对于灌草地不小于30 cm，对于乔木和经济林用地不小于50 cm要求[13]，设计乔木、经济林用地和灌草地覆土前，首先覆盖一层碎石，厚0.30 m，以利根系舒展，然后统一覆土0.50 m。治理区需覆土量和碎石量分耕地和林地分别汇总统计，经统计治理区设计恢复耕地面积397 821.74 m2，恢复林地面积281 562.17 m2，合计需覆碎石总方量84 468.65 m3，覆土总方量538 602.83 m3。

4.6 道路工程

设计道路分田间道和生产路，田间道的路面宽度设计为4 m和5 m两种规格，生产路的路面宽度设计为2 m，具体设计规格如下所述。①4 m宽田间道断面设计如图6所示，5 m宽田间道除路面宽度外其他规格一致，均采用300 mm厚碎石路基，200 mm厚水泥混凝土路面，每间隔5 m设计1条有机硅改性聚氨酯伸缩缝。②生产路的路面宽度设计为2 m，生产路断面设计如图7所示，采用200 mm厚素土夯实路基，100 mm厚泥结碎石路面。经统计，治理区设计4 m宽田间道1 773.24 m，5 m宽田间道4 077.65 m，设计生产路461.04 m。

图6 4 m宽田间道横断面图Fig.6 4 m wide field road

图7 生产路横断面图Fig.7 Production road

4.7 排水工程

矿区为山地丘陵区，属侵蚀剥蚀岗丘区，排水工程应考虑暴雨季节排水系统设计。设计在田间道单侧和平台内侧修建排水沟，考虑满足排泄五十年一遇洪水，且预留一定的安全系数，断面设计规格如图8所示。 由图8可知，横断面底宽0.80 m、深0.60 m、厚0.30 m，基槽开挖截面积1.26 m2，砌体截面积0.78 m2，采用M7.5浆砌块石砌筑，块石的强度等级为Mu40，表面用M7.5砂浆(厚度为20 mm)抹平收光，每间隔5 m设计1条有机硅改性聚氨酯伸缩缝。经统计，治理区设计修筑排水沟4条，总长度7 938.84 m。

图8 排水沟断面结构示意图Fig.8 Drainage ditch

4.8 植被恢复工程

植被恢复主要起到覆盖地表、稳定边坡、控制水土流失、美化环境的作用。本次设计采用乔/灌草绿化模式，地表全部植草，选用树种考虑植物适宜性、生长周期和种植效果，以本土树种为主，包括国槐、栾树、白蜡、核桃、大叶女贞、红枫、侧柏和油松；草种选用格桑花。乔灌木种植株行距2.00 m×2.00 m，树坑开挖尺寸0.80 m×0.80 m×0.80 m；草籽撒播标准按照65 kg/hm2执行。设计在采坑底部平台大片种植大叶女贞，以栽植红枫做色彩点缀，造出一个“善”字，景与善化山山名相应。经统计，治理区植被恢复工程共需种植国槐1 742株、栾树12 631株、白蜡3 027株、核桃11 350株、大叶女贞38 583株、红枫3 058株、侧柏675株，植草面积421 296.63 m2。

另外，在三棵树斜坡边缘距悬崖1 m处，岩悬崖边安装2 m高成品防护网，防护网长度180.93 m，采用隔离栅栏规格，网片尺寸为2 000 mm×3 000 mm，材质为Q235低碳冷拔钢丝，浸塑丝径3 mm，网孔为尺寸75 mm×150 mm的长方孔，边框为20 mm×30 mm×1.5 mm厚方管，立柱为48 mm×1.5 mm厚圆管，钢管均浸塑处理，顶端盖有塑料防雨帽或者焊接盖，并在醒目处设置“悬崖陡峭，请勿靠近”警示牌；在三棵古树陡崖开采面及西部山体斜坡正下方，相对危险范围界线外安装2 m高成品防护网，防护网长度139.60 m，规格同前，并在醒目处设置“危岩落石，请勿靠近”警示牌。

5 预期治理成效

经总体工程设计，矿区治理面积89.82 hm2，其中，自然恢复区面积14.38 hm2，工程治理区面积75.44 hm2，治理后可恢复耕地39.78 hm2(596.70亩(1)1亩=666.67 m2。)、林地28.16 hm2(422.40亩)，通过叠加最新“三调”数据库，治理区可新增耕地37.12 hm2(556.80亩)、林地27.74 hm2(416.10亩)。矿山生态恢复治理设计图如图9所示；生态恢复预期效果见矿区治理前后对比图(图10)。

图9 矿山生态恢复治理设计图Fig.9 Design drawing of mine ecological restoration and management

图10 矿区治理前后对比图Fig.10 Comparison of mining area before and after treatment

工程实施后的经济效益主要体现在：每亩耕地指标价格按照预估5万元计算，可增加当地收入2 784万元；若将恢复的耕地按每年两季农作物，一季冬小麦，一季玉米，复垦后预计小麦产量400 kg，玉米450 kg，农作物价格小麦按现有市场价2.1元/kg，玉米按现有市场价2.3元/kg计算，治理区每年经济收入增加量为111.88万元。浚县屯子镇善化山废弃矿山生态恢复治理工程属公益性、社会性项目，其价值具有间接性、潜在性和长久性特点，主要表现在恢复生态环境方面，治理工程的实施，可使浚县屯子镇善化山一带严重的矿山地质环境问题得到改善，恢复当地良好的生态景致和农耕环境，较好地改善当地居民的人居环境和旅游环境，对打造旅游景区的品牌效应，提升浚县屯子镇整体形象具有深远意义，经济效益、社会效益和环境效益非常显著。

6 结 语

浚县屯子镇善化山废弃露天灰岩矿主要地质环境问题是山体挖损及露天开采造成的矿山地质灾害隐患、地形地貌景观破坏和土地植被资源破坏等。本文以生态复绿型+土地复垦型设计思路，部署废弃建筑物拆除、表土剥离、采坑及场地整理、挡土墙、覆碎石、土、道路、排水及植被恢复等分项工程措施修复矿山生态环境，提高废弃土地复垦利用率，增加植被覆盖率，改善人居环境，促进当地旅游资源的开发，提高当地居民的旅游收入。