武汉花山矿区地质环境治理方案设计研究

陈刚 刘钢一

摘 要：矿产资源的大量开采，极大地推动着我国经济的发展，但是开采过程往往呈现粗暴式发展，导致矿区生态环境和地质环境不断恶化。如何协调发展与保护，寻求矿山地质环境治理针对性解决措施是许多矿区所面临的重点问题。以武汉花山矿区地质环境治理工程为研究对象，针对矿区地质环境问题以及边坡结构特点，对花山矿区①段治理区地质环境治理方案设计进行深入研究，采用了削方减载、回填压脚、扶壁式挡土墙、截排水沟以及植生袋脚墙等治理工程措施消除地质灾害隐患，为同类工程提供一定的参考价值。

关键词：矿山地质环境；治理工程；方案设计；应用研究

Research on design of geological environment management plan for Huashan Mining Area in Wuhan

CHEN Gang， LIU Gangyi

（Hubei Provincial Geological Environment General Station， Wuhan 430030， Hubei， China）

Abstract： Large-scale mining of mineral resources has greatly promoted the development of China's economy， but the mining process often presents a rough development pattern， leading to continuous deterioration of the ecological and geological environment of the mining areas. How to coordinate development and protection， and seek targeted solutions for mining geological environment governance are key issues faced by many mining areas. Taking the geological environment governance project of Wuhan Huashan Mining Area as the research object， a brief introduction is given to the basic situation of the mining area. Based on the geological environment problems and slope structural characteristics of the mining area， a deep study is conducted on the design of the geological environment governance plan for Section ① of the Huashan Mining Area. Combined with local planning， measures are adopted such as cutting and reducing loads， backfilling and pressing feet， and counterfort retaining walls. These engineering control measures eliminate geological hazards and provide reference value for similar projects.

Keywords： geological environment of the mine; governance works; scheme design; application research

隨着社会经济的快速发展，矿产资源的开采量和开采效率不断提高。由于环保意识的缺乏，导致我国许多矿区随着资源的开采出现了大量的地质环境问题。我国众多学者对地质环境的治理问题展开了大量研究（庞喆，2021；吴向平，2022；郭玉娟等，2022；侯朋，2023；任磊，2020），如：陈纳川（2022）对我国矿山存在的土地资源破坏、水资源污染等主要地质环境问题的治理措施进行了较为深入的研究，为同类工程提供一定的参考价值；孙继野（2022）以白山市某矿山地灾治理工程为背景，基于矿区地质环境特点，对地质环境问题治理措施和绿化方案进行了深入研究；刘忠元等（2022）基于边坡特点和边坡稳定性计算结果对永兴石英矿的地质环境治理原则和方案进行了较为深入的探讨；韩坤帅（2022）对宿州市的矿山资源现状以及存在的主要地质环境问题进行简要介绍，并基于宿州矿山特点提出了露天采场积水塘和高陡边坡这2种治理模式，具有一定的工程应用价值。上述研究成果表明，基于矿山地质环境特点，采取针对性的治理措施能够有效地解决地质环境问题。武汉花山矿区由于矿产资源的开采，导致自然地貌景观的破坏、水土流失严重以及山体地形出现较大破坏，从而形成了许多高陡边坡。本文针对矿区地质环境问题，结合边坡结构特点，设计治理方案并实施，提出的治理措施不仅能够极大地改善矿区的生态环境，还能够促进矿区的可持续发展，具有较高的经济效益。

1  矿区概况

1.1  地理位置

花山矿区位于武汉市江夏城区东南部2 km处，武纸公路平行于治理区，地理坐标：东经114°21′0.1″～114°21′05″、北纬30°21′0.6″～30°21′04.5″，交通便利，治理区呈东西向展布，长约2 100 m，东西宽约540 m，研究区面积1.14 km2，花山矿区地理位置如图1所示。

1.2  气象水文

江夏区属亚热带大陆季风气候区，雨量充沛，冬夏季风交替明显，光照充足，四季交替明显，无霜期长。年平均气温16.7℃，最高气温40℃，最低气温-9℃；年均降水量1 200～1 400 mm，降水量多集中在4—7月，研究区未见地表水系。

1.3  地质环境

1）地形地貌

花山礦区位于武汉市江夏区庙山开发区内，总体地势北高南低，山脉走向大体南西－北东向，与岩层走向展布方向基本一致，坡角一般为25～35°。局部由于采石形成高陡裸露岩质边坡，坡度48～68°。具丘陵地形地貌特征，区内最高点高程约190 m，低点高程大约36 m。

2）地层岩性

花山矿区地层较单一，出露有志留系、泥盆系及第四系的层，由老至新分述如下：

①志留系（S）

地层呈近东西向展布，区内仅可见志留系中统坟头组（S2 f ），分布于矿区南侧。岩性为薄—中厚层状灰黄—黄绿色粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩，地层厚度大于150 m。呈粉砂质、泥质结构或显微鳞片结构，为块状构造。

②泥盆系（D）

区内出露泥盆系中上统云台观组（D2-3 y），分布广泛，为主要的开采层位。呈近东西向展布，覆于坟头组地层之上。底部为厚层石英质砾岩或含砾石英砂岩，下部为厚层石英砂岩，上部为薄—中厚层状石英砂岩夹杂色黏土岩，地层厚度大于90 m，岩石为砂状结构、泥质、块状构造。岩层产状为154°∠48°。

③第四系（Q）

本区第四系为残坡积（Qel-dl）黏土、粉质黏土、碎石等，主要分布在矿区周围缓坡地带，其他地段呈零星分布，一般厚度0.2～1 m，局部地段厚度最大可达3 m。

3）地质构造

花山矿区断裂较发育，属构造复杂类型。分属淮阳山字型、新华夏、北西向和东西向4个构造体系，不同体系、期次的断裂构造复合、改造、交切，其中以新华夏系和东西向构造体系为主导，北东向和北西向阶梯状正断层系统组成的堑垒式构造相互嵌套组合，连同大致等距的南北向张性断裂密集带构成了矿区的构造格架。

4）水文地质条件

花山矿区主要地下水类型有松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。松散岩类孔隙水：分布于矿区周边沟谷缓坡地带，含水介质由残坡积堆积的粉质黏土夹碎石组成，主要补给来源为大气降雨入渗补给，水量贫乏。碎屑岩类裂隙水：分布于泥盆系上统石英砂岩中，岩体中构造裂隙较为发育，裂隙率为0.6％～0.8％，且多张开，成为地下水良好的活动场所，其下伏的志留系砂页岩与泥岩构成相对隔水岩组。

2  矿区地质环境现状

2.1  地形地貌景观破坏

由于剥离表土、采矿剥岩、挖损土地，造成矿区植被破坏、山体破损、基岩裸露，形成大小不等的高陡边坡、采坑及废弃地，矿区原有的优美的自然景观已不复存在。采矿活动改变了原始地形，破坏了自然的地貌景观，水土流失严重。矿区采石场形成12处高陡边坡，边坡编号为HSBP01-HSBP012，6处废弃地，基岩裸露总面积达30 hm2，植被破坏面积约38.47 hm2，形成巨大的颜色反差，花山矿区卫片如图1所示。结合花山矿区现状，将花山矿区治理工程近东西向从西至东按6段进行划分：①段，HSBP01-HSBP03号边坡范围；②段，HSBP04-HSBP05号边坡范围；③段，HSBP06-HSBP08号边坡范围；④段，HSBP09-HSBP10边坡A-B段范围；⑤段，HSBP10边坡B-D段范围；⑥段，HSBP10边坡D-F段-HSBP12边坡范围。

2.2  土地资源破坏与占用

花山矿区主要的开采方式为人工爆破露天开采，由于矿产资源的开采导致山体地形出现较大破坏，从而形成了许多高陡边坡。在矿产过程中，由于环保措施不足，导致弃渣、厂矿生活和建筑垃圾大量堆积，占用大量土地。采矿导致当地林地的减少，大量土地荒芜，土地资源闲置浪费，矿区土壤质量下降，生态环境恶化，影响当地的发展，进而对社会经济的可持续发展造成严重影响。花山采矿形成了6处废弃地，面积为64.49 hm2。

2.3  边坡结构

本文仅对本矿区①段治理区地质环境治理方案设计进行重点研究，故对HSBP01-HSBP03号边坡的边坡结构及稳定性进行简要介绍，矿区HSBP01-HSBP03号边坡的边坡特征如表1所示。

花山矿区HSBP01号边坡：该段边坡由2部分组成，分别为A-B、B-C段，现场照片分别如图2所示。采石场边坡总体平面形态呈“U”形，剖面形态呈折线形，其地势呈中部较平缓、两侧陡，边坡总长220 m；边坡北西侧为主采面，坡向134°，顶部高程为85.39～107.24 m，底部高程为82.10～83.94 m，相对高差为3～24 m，坡度40～50°；主采面下方地势较平缓，分布高程为82.12～83.94 m，其总体相对高差为0.3～0.5 m，局部地段相对高差为1～2 m；采场南东侧其边坡南东约60 m处可见一开挖形成的陡坎，坎高约8 m，坡度近似直立，该陡坎呈“U”形展布，长度为53 m。

花山矿区HSBP02号边坡：该采石场边坡总体平面形态呈“勺子”形，剖面形态总体呈阶梯形，局部呈折线形，其地势呈南东低、北西高，地形上呈下部较平缓（5～15°）、中上部较陡（40～55°），局部地段已临空；较平缓地带位于主采面下方，分布高程为75.10～76.12 m，总体相对高差为0.3～1.0 m；主采面南西临近坡脚处可见一平面形态呈椭圆形的低洼地带，长轴为10 m，短轴为6 m，深度为0.5～1.5 m，平均深度为1 m，与该低洼地带相距15 m左右可见一个平面形态呈近似圆形的坑，该坑直径约12 m，深度为0.3～0.6 m；该采场边坡长140 m，坡向154°，顶部高程为77.34～95.55 m，底部高程为75.28～76.12 m，相对高差为2～15 m，且近中部可见约1～2 m宽的平台。HSBP02号现场照片如图3所示。

花山矿区HSBP03号边坡：该采石场边坡总体平面形态呈不规则“V”形，剖面形态总体呈阶梯形，局部呈折线形，长300 m，其地势呈南东低、北西高。该边坡地形可分为5级，从北西至南东分别为：①缓坡地带：该地带位于主采面的北西，坡度为15～20°；②陡坡地带：该地段主要为主采面，该段总体呈陡坡状，坡度为35～60°，但在近坡脚及中部可见宽度约1～3 m的缓坡平台，主采面坡向141°，顶部高程为94.34～153.31 m，底部高程为92.23～97.23 m，相对高差为2～61.86 m；③缓坡地带：位于主采面下方，地形总体起伏较小，坡度为5～10°，相对高差为0.3～0.7 m，分布高程为90.03～93.10 m；④陡坡地带：位于缓坡地带的南东，坡度50～65°，局部地段坡度近直立，高度为1～8 m，且高度由南西逐渐向北东增大，顶部高程为90.03～94.22 m，底部高程为86.42～88.11 m；⑤缓坡地带：位于陡坡南东，坡度5～15°。HSBP03号边坡现场照片如图4所示。

2.4  边坡稳定性

采用赤平极射投影图对边坡稳定性进行分析，这里仅对HSBP01A-B和HSBP01B-C分析结果进行介绍。如图5和图6所示，边坡HSBP01A-B，裂隙面J1（17°∠55°）、J2（114°∠63°）组合交棱线倾向与坡面斜交，与坡面倾向基本垂直，且倾角小于坡角，为基本稳定结构，岩层产状和J1裂隙组合交棱线倾向与坡面倾向一致，其倾角小于坡角，为不稳定结构，对岩体稳定性有较大的影响，可能造成被切割的岩体由于受自重的影响顺岩层面滑移及局部少量掉块现象；岩层产状（154°∠48°）和J2裂隙组合交棱线倾向与坡面斜交，为基本稳定结构，局部地段易产生块石坠落现象，处于整体基本稳定状态。边坡HSBP01B-C，裂隙面J1（355°∠54°）、J2（270°∠85°）、J3（125°∠50°）相互之间的组合交棱线倾向均与坡面倾向一致，且倾角小于坡角，为不稳定结构，易造成局部地段岩体坠落的现象；岩层产状（154°∠48°）和J1裂隙组合交棱线倾向与坡面倾向一致，其倾角小于坡角，为不稳定结构；岩层产状和J2裂隙、J3裂隙组合交棱线倾向均与坡面倾向相反。

3  治理工程设计

3.1  治理工程设计原则与总体思路

花山矿区矿山地质环境治理工程设计的治理原则：①坚持以环境效益优先，建设生态的绿色矿山；②坚持以预防为主，全面规划、综合治理、因地制宜、分工合作、加强管理、注重效益的工作方针；③治理措施应当是成熟的、先进的，是切实可行的，具有可操作性，施工质量易于掌握，施工条件上简单易行；④治理方案不仅选用切实可行的工程措施，而且尽可能选用对目前已有原生态植被破坏小，对环境影响程度低的工程措施；⑤矿山地质环境治理与工矿废弃地综合整治相结合，提高地方土地综合利用，推动地方经济发展；⑥设计方案在技术上可行的前提下，尽量采用造价经济、节约资金的工程措施。

对矿区采场高陡边坡进行综合治理，消除地质灾害，确保周边居民出行安全和生命财产安全。对坡面进行绿化，增加林地，恢复生态功能，美化环境；对废弃矿坑进行回填，恢复土地资源；对工矿废弃地进行整形，有效增加建设用地，提高土地利用价值，达到新增建设用地和林地面积之和不小于1.03 km2，且新增建设用地不小于0.64 km2的要求。

3.2  矿区①段治理区地质环境治理方案设计

1）削方减载、坡面整形

对HSBP01、HSBP02、HSBP03号边坡进行削方减载、坡面整形，除HSBP02号边坡分马道开挖外，其他均不设马道，控制高程为85 m，马道宽3 m。3个边坡削方总量35 151.6 m3，其中挖土方1 757.6 m3，开挖石方33 394 m3。削方之后的土石方用于回填压脚。

2）回填压脚

采用碎石土（黏性土夹碎石）等材料堆填滑坡体抗滑段，增加其有效的抗滑力，提高边坡稳定系数，是一种施工成本低、见效快的边坡工程措施（王孝亮等，2017；黄立明等，2016）。该工程布设于HSBP03边坡。该边坡前缘较平缓，有堆填加载的空间，且边坡削方减载之后存在大量土石弃渣，填方物质充足，为了减少土石方外运，选用该工程措施。土方回填方量为33 272.60 m3。

3）扶壁式挡墙

为了防止回填坡脚形成的边坡局部地段垮塌及坍滑，提高边坡的稳定性，减少回填压脚的碎石土回填量，拟在HSBPS03回填压脚前布设1条扶壁式挡土墙，墙长度为177 m，为钢筋混凝土结构。扶壁式挡墙由墙面板、墙趾板、墙踵板及扶肋组成，扶肋把墙面板同墙踵板连接起来，起加筋作用，以改善墙面板和墙踵板的受力条件，提高结构的刚度和整体性，减小墙面板的变形（郑向前等，2018；涂木兰，2018）。墙高6 m，墙体宽为0.5 m，基础埋深1.5 m，墙趾端部高度为0.5 m，墙趾悬挑长为1.5 m，墙底倾斜坡率为0.05∶1。

4）截排水沟

因花山矿区边坡坡度较陡，为了配合绿化工程，且减少大气降雨对坡体植被的冲刷，拟在HSBP03边坡沿边坡周界及坡脚，随坡就势修筑1条截排水沟，边坡局部较陡地段需设置跌水坎，截排水溝总长1 156.3 m，沟截面尺寸为0.8 m × 0.6 m，扶壁式挡墙前排水沟内侧沟壁厚度为0.4 m，外侧沟壁及沟底均为0.3 m；在回填压脚形成的平台内侧，布设3条简易截水沟，截面尺寸为0.3 m × 0.3 m，沟壁及沟底均为0.2 m。

5）植生袋脚墙

在削方整形后HSBP01、HSBP02采场边坡坡脚3～5 m处分别布置1条植生袋脚墙，共2条，主要起到护脚作用。脚墙总长259.7 m，植生袋脚墙由格宾网及生态袋组成。网高1.50 m，墙顶宽0.6 m，底宽0.6 m，网底1∶1，基础埋深0.5 m；格宾网内底部0.5 m装填块石，上部1 m装填2层鑫三角GTX生态袋。

6）梯步

梯步位于HSBP02、HSBP03的北东侧，长度为93 m，梯步踏面宽度为0.4 m，踢面高度为0.21 m，梯步宽度为2 m，梯步用MU40块石和M10砂浆砌筑。梯步表面用M10砂浆抹面。

7）绿化

①覆土绿化、植穴法

覆土绿化、植穴法是矿山治理的高效措施（张志强等，2021；赵星平等，2022；黄聪等，2021）。本矿区，覆土绿化、植穴法工程布置于HSBP01、HSBP02、HSBP03采场边坡在削方分级削方后的斜坡地带，HSBP01、HSBP02边坡下方植生袋脚墙与坡脚之间的槽内以及HSBP03回填压脚地带。其中：在3个边坡削方减载工程达到设计要求后，斜坡地带按照1.5 m × 1.5 m间距交错开挖穴坑，直径不小于1 m，深度不小于0.6 m；然后进行客土，填土时，先用表土埋苗根，当填土到2/3左右时，把苗木向上略提，再踩实，再填涂到穴满，再踩；最后在植穴表面覆盖1层厚约5 cm的松土，以防止土表开裂和水分散失。HSBP01、HSBP02、HSBP03削方之后斜坡地带种植灌木，灌木树种以紫穗槐为主，小叶女贞、多花木兰、二色胡枝子为辅。在HSBP01、HSBP02边坡下方植生袋脚墙与边坡坡脚之间预留3～5 m宽的槽，槽内回填80 cm厚种植土。覆土后按间距1.5 m × 1.5 m交错种植乔木（马尾松、刺槐），树苗应采用二年生苗，要求树径4 cm，且顶芽饱满。HSBP03回填压脚形成的坡面及马道覆土后按间距1.5 m × 1.5 m开挖穴坑交错种植马尾松、刺槐，树苗应采用二年生苗，要求树径4 cm，且顶芽饱满。

②上垂下爬法

上垂下爬法布置于花山矿区HSBP01-HSBP03采场边坡削方整形后的坡顶、坡脚、HSBP03回填压脚平台内、外侧、扶壁式挡墙顶，种植葛藤、常春藤或爬山虎之类的藤类植物，间距0.5 m。

③绿化养护（喷灌）设计

为保障绿化植物的种植效果，须对绿植进行灌溉养护。主要的灌溉措施如下：养护用水源通过管道引至坡脚（坡面平台）蓄水池，采取高压水泵（扬程160 m，功率18.5 kW）输送到坡顶，供水主管采用?63 mm镀锌管，分管采用φ50 mmPVC管，支管采用?32 mm PVC管，喷灌喷头采用旋转式摇臂喷头；设计喷头与喷头之间的纵横间距均为20 m，喷射半径为15 m，流量2.62 m3·h-1。

4  矿区治理预期效益分析

1）社会效益

通过相关调查和分析，礦山地质环境治理的预期社会效益主要体现在3个方面：①有效解决矿区存在的5处高陡边坡地质环境问题，消除地质灾害隐患，恢复和改善矿区生态地质环境；②有利于城市规划，使城区的土地能最大限度得到开发利用；③可增加建设用地64.49 hm2，可引进近10家中型企业进驻，解决近5 000人就业问题，有利于江夏区的招商引资工作的开展，促进经济的发展。

2）环境效益

通过相关调查和分析，矿山地质环境治理的预期环境效益主要体现在5个方面：①可减少地质环境问题带来的二次破坏和二次污染；②可减少干旱天气的扬沙、扬尘，以及减少大气水冲刷表土产生的水土流失，保护生态环境，减少二次污染；③通过治理和生态恢复，使原先裸露的山体视觉效果得到很好的改善，有益于市容市貌的建设；④通过治理和生态恢复，有利于青龙山风景区的建设，使矿山环境建设与旅游风景区环境建设同步进行，与旅游风景区可视范围的环境相协调；⑤通过治理可恢复林地38.47 hm2，植被具有滞尘、吸污、净化空气等生态功能，同时能起到较好的护坡固土作用、涵养水分和调节气候的作用，因而大大提高治理区生态环境的整体质量，与武汉市园林城市建设相适宜。

3）经济效益

通过相关调查和分析，矿山地质环境治理的预期经济效益主要体现在3个方面：①可以消除矿山地质环境问题对矿区职工和周围居民正常生活的影响，可消除对矿区周围居民和企事业单位职工的生命财产威胁；②可以消除矿山环境地质问题对纸坊大道及绕城高速的危害，确保庙山开发区工业园的安全运营，促进地方经济的快速发展；③可以使矿区部分土地转变城市建设用地，或通过治理使之前由于矿山地质环境问题影响而废弃的土地恢复其建设用地的功能，以及使之前利用率低的土地提高土地利用面积及价值。矿山地质环境问题治理后的土地规划增加建设用地64.49 hm2，按照当地工业用地、商业用地均价450万元·hm-2计算，其将直接产生经济效益约2.9020亿元人民币。

5  结论

本文对花山矿区的地质环境现状进行简要介绍，并基于花山矿区①段治理区的边坡结构特点，提出了针对性的地质环境治理方案设计，得出以下结论。

1）通过边坡结构和赤平极射投影图分析，可以对边坡稳定性进行有效分析。

2）基于矿区地质环境特点、治理工程设计原则和总体思路，针对性提出削方减载、坡面整形、回填压脚、扶壁式挡墙以及截排水沟等一系列治理措施，能够极大地改善花山矿区①段治理区的边坡结构稳定性，对生态环境的改善具有重要的工程应用价值。

3）武汉花山矿区地质环境治理方案的实施，具有十分显著的社会效益、环境效益和经济效益。

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收稿日期：2023-07-24；修回日期：2023-10-11

第一作者简介：陈刚（1982- ），男，本科，高级工程师，主要从事矿山生态修复、地质灾害风险评价研究。E-mail：

引用格式：陈刚，刘钢一，2024.武汉花山矿区地质环境治理方案设计研究［J］.城市地质，19（1）：63-69