豫北地区某水泥用灰岩矿绿色矿山建设研究

崔小兰，吴维洋，吴德运

(中国建筑材料工业地质勘查中心河南总队,河南 信阳 464000)

党的二十大指出,大自然是人类赖以生存的基本条件。尊重自然、顺应自然、保护自然,是全面建设社会主义现代化国家的内在要求[1-2]。本文以豫北水泥用灰岩矿为例,主要分析矿山开采过程中矿区环境存在的问题,深入分析矿区环境、资源综合利用、节能减排等方面存在的问题,提出绿色矿山的环境保护举措,为豫北地区绿色矿山持续性发展提供参考[3]。

1 矿山概况及地质环境背景

1.1 矿区概况

矿山位于河南省洛阳市新安县铁门镇境内。地貌属于黄土丘陵地貌,矿区地势总体上北高南低,山顶浑圆,最高海拔标高+495.26 m,最低+350 m。矿区面积0.425 6 km2,开采标高+465 m～+335 m。新安县属北暖温带大陆性季风气候,四季分明,冬季寒冷,夏季炎热,春秋两季较适宜。降水具有年内分配不均,年际相差悬殊的特点。最大年降水量1 097.3 mm,最小降水量373.34 mm,属半干旱区,风向多为西风或西北风,最大风速19 m/s。霜期平均142 d,冰冻期在12月至次年2月,最大冻土深度18 cm,地下水补给主要为大气降水。矿区农作物群落分布面积很大,呈不规则斑块状散布于矿区内,地面植被覆盖较高。矿区内土壤以棕壤土为主,其次为褐土,土体厚度不均;矿区范围内无村庄居民点,区内及周边无其他重要工程设施,矿区周边亦远离各级自然保护区或重要旅游景点及水源地。

露天采场位于矿区中、北部,自上而下、台阶式开采,沿走向纵向采扩,工作面由东向西推进。利用矿山现有的穿孔、采装、运输设备。坑内形成8个台阶,地表剥离已全部完成,矿区北部已开采至矿体底板。

1.2 地层

新安县地处华北地台华熊台缘坳陷渑池-确山陷褶断束,地层区划属华北地层区、豫西地层分区、渑池-确山小区。矿区出露地层主要是古生界沉积岩,寒武系中统张夏组。其中二段(∈2z2)总厚90 m～100 m,岩性主要为鲕状豆状灰岩,竹叶状灰岩和致密块状灰岩,虎皮灰岩(花斑灰岩),呈厚层状、巨厚层状,是矿体赋存层位和开采对象。

1.3 构造

矿区位于新安倾伏向斜的北翼东端,为一单斜构造。地层走向270°～295°,倾向南西,倾角18°～32°。本区断层规模一般不大,延伸100 m～600 m,性质以平移断层、正断层为主,少数为逆断层(F3),从断层走向可分为两组:北东向断层有F1,F3,F4,F5,北西向断层组有F2,构造较为复杂,但对矿区影响不大。

1.4 矿层地质特征

矿床赋存于寒武系中统张夏组中上部层位中,矿区内发现2层水泥灰岩矿层,矿石组成为石灰岩。依据岩矿鉴定资料,矿石的矿物成分较简单,以方解石为主,含量在98%以上。本区水泥用灰岩矿石以Ⅰ级品为主。Ⅱ号矿体是矿区最大矿体,全为Ⅰ级品,为主要开采区。

1.5 水文地质概况

在矿区北部方山出露的元古代砂岩是下部距矿体最近的含水层,该层位在矿体下部200 m以上,中间夹多层厚而不透水的页岩,该含水层对矿区无影响;矿区周围附近没有常年性泉水,与区域地下水关系不大。矿区地下水含水岩组类型有松散岩类孔隙水碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、断裂带裂隙含水层,对矿区影响甚微,影响矿床开采的唯一充水因素为大气降水。

1.6 工程地质特征

本矿床各工程地质岩组均为坚硬岩石,岩性组合简单,内无软弱夹层,开采边坡稳定,未发现其他不良工程地质现象,故本矿床工程地质条件应属简单类型。但在特殊地段仍需采取相应防护措施。

1.7 环境地质条件

经现场调查,现状条件下矿山地质环境问题主要是开采矿体、工业广场建构筑物及废石堆放破坏原生地形地貌景观、占压土地资源,矿山地质环境问题的类型较多,危害较大。确定矿区环境地质类型属中等类型。

2 矿山地质环境现状及存在的问题

本次从地质灾害现状、矿区标识标牌达标率、矿区绿化覆盖率、矿山土地复垦率、地形地貌影响以及“三废”等方面矿区地质环境现状进行分析[4]。

2.1 地质灾害现状

该矿采用露天开采矿山,自上而下、台阶式开采,沿走向纵向采扩,工作面由东向西推进。露天采矿区无村庄,采用公路开拓-汽车运输方案,在开采境界内形成了面积约0.212 9 km2,深约40 m的露天矿坑,现形成四个开采台阶,台阶标高分别为:407 m～394 m,394 m～381 m,381 m～369 m,369 m～357 m,台阶高为12 m～13 m,开采边坡40°～50°(见图1,图2)。

由于长期的边坡开采,造成边坡坡脚偏陡,坡面不平整,机械的振动造成岩体裂隙发育,突出的岩体较破碎,现状情况下边坡稳定,但容易造成崩塌、滑坡等地质灾害。

2.2 矿区标识标牌达标率现状

采石场运输路线限速标志、转弯过桥等路段的危险标志,出入大门口的限高标识牌,主要道路上“爆破区域、闲人免进”等标志,采石场剥离层等处设置安全警示牌或者警戒护栏,工作场所出入口设置“禁止饮酒上岗”“禁止吸烟”“注意安全”“注意防尘”“当心坠落”“必须持证上岗”“必须戴安全帽”“必须戴手套”“必须戴防尘口罩”“高处作业系安全带”等安全警示标志比较缺少,附近居民有闯入矿区的危险,施工作业安全隐患比较大。

2.3 矿区土地绿化率及矿山土地复垦率现状

矿区土地目前绿化分布比较稀少,排土场、废石场、沉陷区、矿区工业场地、矿区专用道路两侧等可绿化土地比例为50%,距离标准指标100%还有很大的绿化空间。露天采矿基岩裸露,终了边坡未进行复垦,矿山已恢复的土地面积仅占矿山被破坏土地面积的30%,矿区绿化工程及土地复垦工作量比较大。终了平台虽然进行了覆土,但是未砌筑浆砌石挡墙和排水沟,容易造成水土流失[5]。

2.4 地形地貌景观破坏现状

矿区现状条件下矿山地质环境问题主要是开采矿体、工业广场建构筑物及废石堆放破坏原生地形地貌景观、占压土地资源,山体破坏、岩石裸露,坡面植被破坏等改变了原来矿区的面貌,矿山地质环境破坏比较大。目前取土场土地利用类型为其他草地,总面积2.5 hm2。可取土厚度3 m～8 m,平均取土厚度3.5 m,取土场对土地的损毁类型为挖损。故露天采矿对矿区地形地貌景观破坏严重,矿山道路对原始地形地貌破坏较严重。

2.5 矿山粉尘、噪声、废水及废石等主要环境影响现状

矿山开采过程中对环境产生影响的主要因素为:粉尘、噪声、废水及废石。矿山开采过程中,凿岩、爆破、装载及废石堆存时都会产生粉尘,对操作个人的健康产生影响;机械使用过程中以及矿石运输过程中均会产生噪声,对操作工人的听力损害比较大;采场生产用水量很小,少部分废水含有微量石油类,工业场地生活废水可能会污染环境。虽然矿区采取了一定措施,但是各种防治措施还不够完善,缺乏环境影响指标的动态监测系统。

3 绿色矿山提升方案

3.1 矿山地质灾害预防措施[6-9]

1)露天采场边坡坡度较陡的边坡进行削坡减载,及时清理消除危岩体,消除滑坡、泥石流隐患。2)在采石场上游设置截水沟,将地表水拦截至矿区低洼山沟处;不稳定的岩体下部修建挡墙或者支撑墙,材料宜用混凝土、钢筋混凝土或者砌石。支撑建筑物的基础要设置在滑动面以下。3)开采期间严格按照开采设计顺序自上而下有序进行,严禁超挖或者跳挖,保持台阶工作面平整及安全坡度,以保证最终的边坡稳定性。4)要保证矿山安全有序的进行,在采石场外围设置警示牌及围栏以警告路人注意安全。5)严格落实应急排水等措施,采石期间设置监测点,建立长期边坡变形监测点,做好相应地护坡、排水、绿化措施,避免新的开采活动引发新的地质灾害。

3.2 加密矿区标识标牌

在矿山开采过程中,在露天采场周围或进出口加密设置警示牌,主要运输道路上增加限高限宽的警示标志,工作岗位出入口设置安全警戒线后者加设围栏,加大安全警示标志和安全设施等投入,健全安全生产管理制度,提高作业人员的安全意识。

3.3 提高矿区土地绿化率及矿山土地复垦

按步骤、分阶段的做好矿区绿化和土地复垦工作,做到“开发中保护,保护中开发”,保证矿区绿化率,维护良好的周边生态环境。治理矿区内土石裸露区域、地形地貌破坏区域;绿化不可开采区、道路两旁、临时表土堆场;对矿区东南侧最终边坡进行土地复垦,完成已破坏区域的土地复垦和生态环境恢复,坚持生态文明建设[10]。

3.4 地形地貌景观破坏预防措施

科学制定开采方案,在矿山开采过程中最大限度的减少破坏耕地及林草地等原始地形地貌;及时清理采场产生的废石、废渣及碎石,避免长时间的暴露在空气中,破坏原始地形地貌;露采区采取边开采边治理的生产模式,在开采的同时进行植物绿化,及时进行地形地貌的恢复;提高现有生活生产配套设施利用率,改善职工的作业环境和生活环境,避免对地形地貌造成二次破坏。

3.5 粉尘、噪声、废水及废石影响环境的预防措施

1)粉尘。使用专项资金对各系统的收尘设施进行升级改造,在皮带廊增加收尘器,对皮带输送桁架进行密封,增加喷雾抑尘等环保设施。主要穿孔设备自带捕尘装置,消除钻孔中的扬尘,操作工人佩戴防尘口罩,采矿工作面、运输道路和临时表土堆场采取定期洒水,减少扬尘。2)噪声。矿山凿岩、空压机、挖掘机等设备工作中会产生噪声,设备选型时可选择噪声低的设备或加装消声器,生产中操作工人采取个人防护措施。3)废水。工业场地生活废水经化粪池处理后排出。4)废石。矿山开采过程中剥离的夹石全部与矿石搭配使用。

4 矿山地质环境恢复治理措施

4.1 露天采场恢复治理措施

采用平台种植灌木或乔木遮挡和边坡栽种藤草的方式进行复绿[11]。

1)首先对采石场的平台及边坡进行修整,对裸露的危岩进行人工开凿或者机械爆破(边坡治理工程量见表1),平整后露天采场已经到位的平台先填20 cm的碎石,后覆土50 cm进行复垦为有林地,选用蜀桧、侧柏等常青乔木,株行距2 m×2 m,坑径大小1 m×1 m×0.5 m,并撒播草籽,草种选用羊胡子草、狗牙根、篙类草。

表1 终了平台和边坡治理工程量表

2)终了边坡采用30 cm覆土,然后撒播草籽,草种选用羊胡子草、狗牙根、篙类草。同时在平台靠近边坡位置种植五叶地锦或葛藤,以条播形式种植,条播20 cm间距。同时预留施工便道,以便后期进行植被保护(生态环境恢复治理工程量见表2)。

表2 生态环境恢复治理工程量表

3)挡土设施:在各覆土点外围设置高70 cm、宽30 cm的浆砌石挡土墙用于保护表土(见图3),防止水土流失,保护幼林草的生长。采用人工灌溉和自然灌溉相结合的复合方式提高幼苗的成活率[12]。

4.2 矿山道路两侧绿化工程

在老破碎站至矿山的公路两侧约200 m路段进行绿化(见图4),采用挖坑种植乔木和撒播草籽相结合的方式进行。乔木选用侧柏或杨树,间距2 m×2 m,坑径大小1 m×1 m×0.5 m,路基整治工程4 000 m2植树800棵,并撒播草籽,草种选用羊胡子草、狗牙根、篙类草[13]。

4.3 矿山地质环境监测工程

1)环境空气质量监测。矿山生产过程中,在凿岩、爆破、二次破碎、运输、初破破碎等环节中产生了大量的粉尘、废气、噪声等,为减少上述污染,保护大气环境,矿山应每年进行环保检测。

为监测矿山开采对大气环境的影响,在矿区东侧、西侧居民区及矿山破碎站处设置3个环境空气质量现状监测点。

2)噪声环境质量现状监测。为了解矿山生产活动对周围环境噪声现状的影响情况,设计在矿区边界东、南、西、北4个方向及矿区东侧、西侧居民区布设共计6个监测点。

监测频率每季度一次,每次监测1 d,分别在昼间和夜间各进行一次。

3)地表水环境质量监测。在矿坑积水处设置一个地表水监测点DB1,了解矿山开采对本区地表水环境质量的影响。监测项目:pH,COD,BOD5,氨氮,高锰酸盐指数,总磷,SS,总氮,硫化物,硫酸盐,硝酸盐,氯化物,氟化物,氰化物,铬,砷,铜,全盐量等。监测频率为每季度1次,每次监测1 d时间,上午、下午各取样一次。

4)地下水环境质量监测。及时掌握地下水水位、水量及水质情况。当发现水量、水位、水质发生较大变化时,及时分析变化原因,若与矿山采矿活动有关,及时采取措施处理。设计在矿区设置3个监测点,对地下水的水质进行监测分析,样送至有资质的检测单位检测。

地下水样的采集、包装和运输:取样前将取样瓶冲洗干净,且取样时要用新鲜水冲洗水样桶至少3次。水样采取后立即封好瓶口,填写水样标签,及时送样。

5)设置边坡位移监测设施。在边坡台阶平台设置观测标(点),作为观测的水准点,定期监测边坡和采矿场边沿地带的变化幅度并与地面观测点一起构成网状分布,形成水准网,定期进行观测,随时掌握岩移情况。

对重点部分设置临时观测点,按周期进行观测,监视局部变形,及时作出变形或滑坡预报。

测点埋设:每一个台阶均需设置监测点,且一个台阶上至少设两个测点,一个靠边坡顶,另外一个靠近边坡脚,测点位置应考虑到观测方便与观测人员安全;观测点须与边坡岩体紧密结合,埋设时可在岩体上打眼,深度不小于0.5 m,然后插入直径20 mm,长0.8 m～1.0 m的金属杆并灌满混凝土。金属杆顶需加工成半圆球形,离地面不超过0.3 m[14]。

6)复垦植被监测。复垦为林地的植被监测内容,为植物生长势、高度、种植密度、成活率、郁闭度、生长量等;复垦为牧草地的植被监测内容,为植物生长势、高度、覆盖度、产草量等;监测方法为样方随机调查法。在复垦规划的服务年限内,露采坑布设监测点1个,废渣场布置1个,表土堆场布置1个,工业场地布置监测点1个,合计布置监测点4个,每季度至少监测一次。

7)复垦配套设施监测。土地复垦的辅助设施,主要是田间道路和排水。配套设施监测,以土地复垦方案设计标准为准,监测主要内容是各项新建配套设施是否齐全、能否保证有效利用,以及已损毁的辅助设施是否修复,能否满足当地居民的生产生活需求等。

及时发现矿山可能形成的地质环境问题并采取相应的措施有效治理[15],确保矿山安全生产和人车安全;对恢复治理及复垦效果进行监测管护,提高植被存活率及配套设施的使用年限。

5 结论及建议

1)通过对边坡危岩体的清理,设置截水沟,修建挡土墙以及植树等措施,有效的减少了滑坡、泥石流等自然灾害,保护了水土、维持了生态平衡。2)通过采取前期一系列的预防措施,结合后期的乔木灌木遮挡以及藤草复绿、道路植绿的恢复治理方式,减轻了矿山对生态环境产生的污染和破坏,并且在采矿活动结束后能够快速的恢复。3)通过对矿山地质环境的监测,形成一个动态的数据系统,随时可以根据检测的数据情况调整生产方式、及时进行生态修复,有效提高矿山治理恢复的效率和质量。4)绿色矿山建设完成后续开采要严格遵守“边开采、边恢复”的原则,建议按照开发利用方案积极组织矿山开采,严格按照设计要求开采,不得形成新的重大隐患。矿山恢复方案和绿色矿山同时进行,努力实现矿山发展的资源效益、环境效益和社会效益的协调统一,资源开发与环境保护并举,矿山发展与社会繁荣共赢[16]。