博愛縣月山一帶采石場礦山地質環境特征及恢復治理研究

崔立東

(河南省焦作地質勘察設計有限公司,河南 焦作 454000)

為了保障河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程建設,主管部門將該區域劃分為6大流域(安陽河流域、湯河流域、淇河流域、大沙河(衛河)流域、沁蟒河流域和小浪底—西霞院水庫匯水區),對區內的生態保護修復工程開展多要素本底調查,并編制生態修復方案[1-5]。博愛月山一帶采石場礦山地質環境重點治理項目屬于大沙河(衛河)流域礦山環境生態治理類項目,是河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程的重要組成部分[6-9]。

該礦山于20世紀90年代末開始開采,現已關閉。早期的掠奪式開采,和濫采亂挖,“只破壞、不治理”,遺留下了嚴重的礦山地質環境問題。開采巖層主要是奧陶系中統上馬家溝組中段石灰巖。開采方式為:露天+硐采。露天開采造成高陡邊坡、地形地貌景觀破壞嚴重、壓占損毀土地資源。渣堆沿自然坡體堆放,形成不穩定斜坡,易造成滑坡威脅引丹水渠、月山水庫和周邊村民生命財產安全。礦山地質環境治理已迫在眉睫,本文以礦山地質環境調查為基礎,開展生態地質環境恢復治理研究工作,以保障南太行地區山水林田湖草生態保護修復[10-16]。

1 地質環境概況

1.1 自然地理條件

博愛縣地處太行山脈與豫北平原的過渡地帶。地貌由平原與山區兩大基本結構單元構成,由北向南依次為:構造溶蝕低山—構造剝蝕丘陵—山前沖洪積傾斜平原—沖積平原。研究區地貌為構造剝蝕丘陵,地貌類型單一,其溝谷發育,區內地面高程為+280～+320 m,相對高差40 m。地形起伏不大,沖溝較發育,多呈樹枝狀,切割深度一般達30 m。地表多為林地,植被覆蓋率較高?？辈閰^位于山脊及山頂處,坡度10°～25°。受采礦活動影響,形成了高陡采礦邊坡、廢石廢渣堆積和無序采坑,地形地貌和地表植被遭到了嚴重的破壞。

1.2 地質環境條件

勘查區出露地層較為簡單,以沉積巖為主,主要為奧陶系中統上馬家溝組中段及石炭系、第四系。巖層成單斜構造,產狀為160°～170°∠5°～15°。構造以斷層為主,北側為鳳凰嶺斷層,南側為盤古寺斷層。

1.3 地質環境條件

勘查區巖土類型分為堅硬厚層狀中等巖溶化石灰巖巖組,堅硬中厚層狀砂巖、泥巖巖組,砂性、黏性多層土體3個工程地質巖組。

(1)較堅硬的中厚層狀砂巖、泥巖、泥灰巖、頁巖巖組:主要由砂巖、泥巖、泥灰巖、頁巖組成。巖質較軟弱,抗剪強度低,易風化,頁巖力學強度具各向異性。地下工程及水工建筑物易沿軟弱夾層產生滑動。巖石干抗壓強度65～180 MPa,軟化系數為0.75～0.94。工程地質問題為頁巖易造成邊坡失穩。

(2)堅硬厚層狀灰巖、白云巖巖組:主要由巖溶化石灰巖、鮞狀灰巖、白云巖組成。巖石一般致密堅硬,抗壓強度高,溶洞發育,具軟弱夾層。巖石干抗壓強度120～230 MPa,軟化系數0.77～0.81。

(3)黏性土單層土體及亞黏土、亞砂土、細砂多層土體:主要由全新統、上更新統、中更新統組成。巖性為砂、粉砂、礫石層和黃土狀亞黏土、棕紅色亞黏土。粒間聯結極弱,孔隙比較大,連通性好,力學強度低,透水性好。

2 礦山地質環境現狀

2.1 研究區分布概況

勘查區主要為博愛縣下嶺后村建筑石料用石灰巖采石場,研究區總面積1.7 km2,調查面積2 km2。包含2個勘查子區(圖1),分別為半架山西勘查Ⅰ區,月山水庫東勘查Ⅱ區。Ⅰ區位于東礬廠村東0.7 km,月山寺北1 km,東怕溝南側1 km,面積約0.32 km2,涉及旱地1.83 hm2、工礦廢棄地3.33 hm2、裸地0.27 hm2、其他草地26.58 hm2;Ⅱ區西側緊鄰月山水庫,東側緊鄰省道S237,南側緊鄰焦枝鐵路,面積約1.38 km2,涉及旱地9.23 hm2、工礦廢棄地5.5 hm2、裸地0.86 hm2、村莊1.87 hm2、建制鎮0.34 hm2、其他草地121.15 hm2。

圖1 研究區周邊及礦山分布情況Fig.1 Distribution of surrounding areas and mines in the research area

2.2 礦山地質環境現狀

研究區的主要生態、礦山地質環境問題包括植被破壞、土壤破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源占用、地質災害及不良地質現象等[16-17]。

(1)生態環境現狀。礦山開采對生態環境造成了嚴重破壞,大面積基巖裸露的采坑和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀,破壞原有林地,部分原生植被遭到嚴重破壞,使礦區大面積林地變成裸地,可利用的土地資源減少。造成林草地質量下降,自然災害加劇,生態平衡難以為繼[13]。

(2)土地利用現狀。兩個勘查區均位于近山頂位置,地形起伏小,匯水面積有限,匯水小范圍內基本沿山頂四處流散,大范圍內整體流向向南。由于勘查區干旱少雨,巖層以黏土巖為主,風化嚴重,巖體破碎,同時渣堆雜亂堆放,在水流沖蝕下滲的作用下,形成沖溝,廢石廢渣沿自然邊坡下滑,自然坡面形覆蓋廢渣,植物在廢渣坡面上幾乎無法生存,裸露的山體在雨水和風力的作用下水土流失嚴重,甚至在雨季,廢渣大規?；?覆蓋溝谷植被。

(3)植被現狀?？辈閰^位于太行山南部,隸屬大沙河(衛河)流域,流域植被可分為山區植被和平原植被兩大類、6個植被類型,分別是針葉林、闊葉林、草甸、竹林、灌叢及草灌叢和沼澤及水生植被?？辈閰^自然植被類型是以落葉闊葉林的次生林為主,灌木及草地。根據現場調查情況,勘查區自然植被情況匯總見表1。

表1 自然植被現狀統計Tab.1 Statistics on current situation of natural vegetation

3 礦山地質環境現狀

根據礦山地質環境問題分布不同,將勘查Ⅰ區分為6個子勘查區,勘查Ⅱ區分為17個勘查子區,共計23個勘查子區,此次勘查工作對23個勘查子區進行了現場踏勘與調查,得出如下結論:

研究區子區面積459 753 m2,存在渣堆21處,渣堆水平投影面積130 632 m2,渣堆體積315 694.9 m3,渣堆邊坡長度2 571 m;高陡邊坡19條,長度共計3 436 m,邊坡投影面積25 981 m2,巖性多為灰巖、黏土巖邊坡,上部存在少量覆蓋層,覆蓋層厚度一般0.1～0.2 m,植被較稀疏;采坑3處,采坑容積2 544 m3,各類平臺5個,平臺面積11 022 m2,采硐18個,開采礦層均為黏土巖,上覆巖層均為灰巖,現狀條件下,只要受采動影響,上覆灰巖均受到不同程度破壞;地裂縫12條,總長度1 348 m;滑坡體1處,整體滑動方向向西,受威脅對象為邊坡下方不定行人及月山水庫,滑動體長494 m,寬度20～80 m,高度20～45 m,投影面積34 600 m2,體積103.8×104m3,屬大型滑坡;崩塌地質災害隱患1處,危巖體方量約25 104 m3,屬中型崩塌,發育4組豎向裂隙,危巖體呈塊狀,塊度長2 m、寬3 m、高2 m,坡面傾向190°,巖層產狀100°∠5°。

3.1 研究區分布概況

勘查Ⅰ區分為6個子勘查區,以Ⅰ-5區礦山地質環境問題為例,根據現場調查,Ⅰ-5區破壞地形地貌景觀及土地資源10.68 hm2(圖2),本區山頂之上全部為廢渣堆堆積,高陡邊坡2條,裂縫6條。

圖2 Ⅰ-5區內成區連片的渣堆及采坑破壞地形地貌Fig.2 Landform and topography of contiguous slag piles and mining pits in area Ⅰ-5

(1)廢渣堆及采坑破壞地形地貌景觀。本區位勘查Ⅰ區最大分區,面積106 828 m2,破壞區位于山頂,區內廢石廢渣隨意棄置,原私挖亂采從東南側開始向西北側進行,開采礦種為黏土礦,工作面向西北推進過程中產生的廢渣隨即排放在后方,順山坡及溝谷傾倒,現狀本區局部區域已被荒草覆蓋,個別地區椿樹生長極好,但整體廢渣裸露嚴重,植被無法自然覆綠。

山頂上廢渣無序堆放形成的邊坡及廢渣合圍而成的渣坑、平臺、斜坡隨處可見,難以進行詳細區分,另外南側及西側原始邊坡上方均堆有2～4 m厚廢渣,山頂整體地勢中間高,南北均低。

廢石廢渣沿溝谷傾倒后壓占林草地,導致邊坡上方植被無法自然生長,水土流失嚴重,主要成分為半風化黏土巖廢渣,含有灰褐色及青灰色碎石。碎石粒徑為1.0～5.0 cm,含量約為60%;偶含塊石,最大塊徑50.0 cm。渣堆南側緊鄰渣坑,連接渣堆邊坡,渣堆平均厚2～4 m,部分大渣堆厚度4～10 m。渣堆面積54 340 m2,體積141 242 m3。

(2)高陡邊坡破壞地形地貌。區內不穩定高陡邊坡長359 m,高7～22 m,坡度60°～80°,邊坡坡向60°～120°,邊坡BPⅠ-5-1為灰巖、黏土巖邊坡,坡面十分破碎,豎向節理裂隙發育,存在崩塌地質災害隱患,對來后期治理施工可能存在威脅。邊坡BPⅠ-5-2為黏土巖、第四系黃土邊坡,坡面現狀較為完整整潔,但此處山體發育多條裂縫,整個山體呈松散狀,坡面穩定性差。邊坡特征見表2。

表2 Ⅰ區邊坡特征Tab.2 Characteristics of slope in zone Ⅰ

(3)地裂縫破壞地形地貌。區內發育裂縫6處,其中有2處為渣堆渣堆順山坡堆放后形成的后緣拉張裂縫,另4處位于該區山頂上部,山體向南北兩側傾斜,而在頂部形成的拉張裂縫。

裂縫LXⅠ-5-1與裂隙LXⅠ-5-2為渣堆順坡傾倒,渣堆自然下沉后在原始邊坡頂部邊沿位置形成的后緣拉張裂縫,該裂縫走向與原始邊坡走向基本一致,裂縫寬度1～5 cm,可見深度10～20 cm,裂縫位置較高,除自然降水下滲外,無其他匯水水流倒灌,若遇強降雨,存在繼續下滑的可能性。

裂縫LXⅠ-5-3長度80 m,寬度0.3～0.6 m,可見深度1～2 m;裂縫LXⅠ-5-4長度139 m,寬度0.3～0.8 m,可見深度1～3 m;裂縫LXⅠ-5-5長度69 m,寬度0.3～0.5 m,可見深度1～2 m;裂縫LXⅠ-5-6長度109 m,寬度0.4～0.6 m,可見深度1～2 m。4處裂縫均位于山頂上,為4條相互平行的裂縫,4處裂縫將巖體切割成塊狀,導致整個山體穩定性差,其中裂縫LXⅠ-5-4向西北向延伸,已破壞一處穿山渠。裂縫特征見表3。

表3 裂縫特征Tab.3 Crack characteristics

3.2 勘查Ⅱ區礦山地質環境問題

勘查Ⅱ區分為17個子勘查區,以Ⅱ-11區礦山地質環境問題為例,根據現場調查,Ⅱ-11區破壞地形地貌景觀及土地資源2.7 hm2,存在廢渣堆3處,高陡邊坡2處,采硐5處,渣堆邊坡總長541 m,投影面積11 651 m2,方量27 539 m3。廢石廢渣沿山坡傾倒,壓占其他草地,導致邊坡上方植被無法自然生長,水土流失嚴重,主要成分為半風化黏土巖廢渣,含有灰褐色及青灰色碎石。碎石粒徑為1.0～5.0 cm,含量約為50%;偶含塊石,最大塊徑45.0 cm。渣堆特征見表4。

表4 渣堆特征Tab.4 Characteristics of slag heap

高陡邊坡破壞地形地貌1 346 m2,邊坡總長194 m,均為灰巖、黏土巖邊坡,坡面較為破碎,穩定性較差。邊坡特征見表5。

表5 Ⅱ區邊坡特征Tab.5 Characteristics of slope in zone Ⅱ

高陡邊坡下方有采硐5處,均為黏土巖采坑,硐口有木樁支護,部分硐口已被廢石廢渣半掩埋,硐深不可見,硐口高1.5～2.5 m,寬1.5～2.5 m。采硐基本情況見表6。

表6 采硐基本情況Tab.6 Basic information of excavation chamber

3.3 土地資源占用破壞

勘查區內采礦活動在嚴重破壞原生林地地形地貌景觀的同時,對土地資源也造成了嚴重破壞,致使勘查區植被稀少,生態環境惡化。主要表現為礦產開采將上覆巖層和表土剝離后形成的廢棄采礦邊坡與廢棄采坑造成土地資源毀損,開挖產生的廢棄廢渣隨意堆放壓占土地資源。

(1)按地類劃分?？辈棰駞^涉及旱地1.83 hm2、工礦廢棄地3.33 hm2、裸地0.27 hm2、其他草地26.58 hm2?？辈棰騾^涉及旱地9.23 hm2、工礦廢棄地5.5 hm2、裸地0.86 hm2、村莊1.87 hm2、建制鎮0.34 hm2、其他草地121.15 hm2。

(2)按土地權屬劃分?？辈棰駞^涉及寨豁鄉土地15.67 m2、占用月山鎮土地14.8 m2、占用柏山鎮土地1.54 hm2,勘查Ⅱ區占用寨豁鄉土地2.02 hm2,占用柏山鎮土地136.94 hm2。

4 治理方案優選

根據勘查區的分布位置,參考近年來博愛縣對類似礦山地質環境問題的治理措施,建議對勘查區采取以下治理工程設計方案[11-19]。

4.1 方案比選

(1)方案Ⅰ。①邊坡清理、坡腳回填和坡頂裂縫回填:采用坡面清理將坡體表面危巖體清除。之后將清坡后的碎石在坡腳堆積,并回填一部分廢渣,回填角度小于25°,從而降低邊坡的高度。同時,將坡頂裂縫進行回填。②場地整理:在整齊、美觀的基礎上,根據勘查區渣堆、采坑及采礦平臺分布情況,將勘查區根據地形分為若干個小平臺,每個小平臺通過不同高度、不同坡度與周圍地形相結合。③綠化:在勘查區中較平整的地段種植生態林側柏。

(2)方案Ⅱ。①危巖清理:采用坡面清理將坡體表面危巖體清除。之后將清坡后的碎石在坡腳堆積。②渣堆挖填:根據勘查區現狀地形,在整齊、美觀的基礎上,根據勘查區平臺和渣堆的分布情況,隨坡就勢進行平整。③擋墻及排水工程:沿廢渣邊坡下緣修建擋墻,防止廢渣滑塌,在匯水區修建排水渠,防止水流的沖蝕下滲。④綠化:采用適宜當地環境的藤、樹、灌、草相結合立體綠化系統。由于勘查區地處山頂且土壤貧瘠,養護水源有限,故選擇喜光、耐干旱瘠薄的植被;其中喬木選擇為側柏,側柏終年常綠,是博愛地區人工復綠的主要樹種,且枝葉較小,兼顧森林防護;灌木選擇自然生長較好的杠柳;藤類植物選擇地錦和扶芳藤;草本植物選擇多種草籽混合椿樹、榆樹籽播撒。

4.2 治理方案

上述2種方案都能起到消除或減輕地質災害隱患,恢復地形地貌景觀的效果,但考慮到本勘查區屬于焦作市礦山地質環境恢復與綜合治理規劃中的近期亟須治理區之一,同時月山水庫東存在滑坡地質災害隱患,半架山西存在崩塌地質災害隱患,故應采取更加有效的工程措施,本文選取方案Ⅱ為治理方案[8-16]。

5 效益分析

5.1 社會效益

通過廢棄礦山恢復治理,將有效地保護和恢復勘查區內的地質環境,改善生態環境,提高當地生態環境質量,同時以新興旅游產業帶動博愛縣經濟的迅速發展,促進第三產業的持續、快速增長,對于實現柏山鎮、月山鎮、寨豁鄉全面建設小康社會及經濟的可持續發展具有重要意義[18]。

5.2 環境效益

通過礦山生態修復,治理礦山2處,治理地災隱患點2處,治理面積133.8 hm2,新增林地36.5 hm2,植樹91 176棵,其中經濟林45 588棵,廢渣回填的體積量為50 000 m3,客土回覆46 682 m3,場地平整24.31 hm2。植樹造林可以有效地涵養水源,控制水土流失,增加植被,改善氣候條件,促進生態環境的良性循環?？辈閰^除高陡邊坡及部分無法種植灌草的區域外,基本恢復為林地、草地,植被覆蓋率達到75%以上,可有效改善勘查區水土流失、石漠化現狀,恢復生態環境,凈化空氣,調節小氣候及生物多樣性起到不可估量的作用,使焦作市北部山區生態景觀得到恢復;較好地改善月山水庫東與半架山西村及周邊居民的人居環境,提升博愛縣旅游城市整體形象有深遠意義,環境效益非常顯著[20]。

6 效益分析

(1)礦山因不規范開采,對生態環境造成了嚴重的破壞,大面積基巖裸露的采坑和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀,破壞原有林地,部分原生植被遭到嚴重破壞,使礦區大面積林地變成裸地,可利用的土地資源減少。造成林草地質量下降,自然災害加劇,生態平衡難以為繼。

(2)本次廢棄礦山生態恢復治理研究,包含2個勘查子區,分別為半架山西勘查Ⅰ區,月山水庫東勘查Ⅱ區,總面積1.7 km2。針對不同的地質環境問題,采用危巖清理、渣堆挖填、植被復綠等治理措施,改善礦山生態環境和消除地質災害隱患。

(3)通過廢棄礦山經地質環境綜合治理,將消除地質災害隱患,遏制水土流失的發生,消除對周邊環境的污染,解決了歷史遺留的礦山地質環境問題。從而促進了柏山鎮、月山鎮、寨豁鄉旅游資源的開發,可增加當地群眾的收入,發展農村經濟,實現鄉村振興。