籍進(jìn)柱，李懷彬，任良良

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.沙旱區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程防御自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300； 4.中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051)

礦山地質(zhì)環(huán)境問題是指受采礦活動(dòng)影響而產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境破壞的現(xiàn)象，表現(xiàn)為礦山生產(chǎn)環(huán)境惡劣、“三廢”排放、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境資源破壞等[1-2]。露天開采礦山所引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境尤為嚴(yán)重，需要重點(diǎn)預(yù)防和治理[3-5]，特別是廢棄的露天礦山所產(chǎn)生的廢渣堆、掌子面、開采臺(tái)面等因缺少后期地質(zhì)環(huán)境治理，致使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，同時(shí)也存在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的隱患。

河北省阜平縣地處太行山深處，是抗戰(zhàn)時(shí)期晉察冀邊區(qū)政治、軍事、文化中心，目前該地區(qū)擁有晉察冀邊區(qū)司令部舊址和晉察冀邊區(qū)革命紀(jì)念館兩處紅色旅游勝地。葛拉溝廢棄露天鐵礦區(qū)位于兩個(gè)紅色旅游勝地東南約3.0 km處，其破損的山體與周邊地質(zhì)環(huán)境極不協(xié)調(diào)，嚴(yán)重影響了紅色旅游勝地視覺景觀，致使阜平縣對(duì)外形象受損。本文針對(duì)葛拉溝廢棄露天鐵礦存在的地質(zhì)環(huán)境問題，進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)估，并對(duì)葛拉溝礦山地質(zhì)環(huán)境治理提出建議。本文治理方案可為同類礦山環(huán)境治理提供參考和借鑒。

1 廢棄礦山概況

葛拉溝廢棄露天鐵礦位于阜平縣城南約17 km處，行政區(qū)劃隸屬阜平縣城南莊鎮(zhèn)谷家莊村管轄，中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)114°11′39″，北緯38°42′03″；區(qū)內(nèi)有縣級(jí)公路(X320)與省道S203相接，但通往礦區(qū)的約700 m道路已經(jīng)毀壞，交通不便(圖1)。

圖1 葛拉溝廢棄露天鐵礦遙感影像位置圖Fig.1 Remote sensing image location map of Gelagou Abandoned Open-pit Iron Mine

葛拉溝廢棄露天鐵礦屬于低山丘陵地區(qū)，地勢(shì)東南高西北低，地形較為復(fù)雜，海拔350.45～631.54 m，山體坡度較陡，坡角30°～50°。礦區(qū)及周邊出露地層主要有阜平群南營(yíng)組黑云斜長(zhǎng)片麻巖(Arn)、阜平群團(tuán)泊口組黑云斜長(zhǎng)片麻巖(Art)和第四系覆蓋層(Q)。在氣候上，屬大陸性氣候，年平均氣溫在12 ℃左右，年平均降水量為635 mm左右，降雨多集中在6—8月。礦區(qū)內(nèi)無常年流水性河流，僅有季節(jié)性流水汛期。礦區(qū)范圍內(nèi)除開采破壞區(qū)外，原生山體植物覆蓋率較高，覆蓋率約為35%。自然植被以灌木叢為主，主要有荊條、酸棗等木本植物，以及藎草、狗尾草、虎尾草、阿爾泰紫菀、蒼耳、節(jié)節(jié)草、鵝觀草等草本植物，另在溝谷土層較厚的地段，生長(zhǎng)有楊樹、棗樹等喬木。

葛拉溝鐵礦為露天群采超貧磁鐵礦礦山，由于長(zhǎng)時(shí)間無序開采，導(dǎo)致采場(chǎng)及廢渣堆的規(guī)模較大且雜亂，嚴(yán)重破壞了地形地貌，致使該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境趨于惡劣。另外，葛拉溝鐵礦已廢棄多年，其責(zé)任主體滅失，渣堆、掌子面和邊坡失去人工維護(hù)，在風(fēng)化作用下，渣堆和掌子面邊坡可能引發(fā)崩塌和邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害，將會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境會(huì)進(jìn)一步惡化。

2 廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)估

2.1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

葛拉溝鐵礦為露天開采的老礦山，總面積約0.50 km2。經(jīng)過多年私挖濫采，礦區(qū)內(nèi)已存在5處渣堆、12個(gè)礦山掌子面，5處開采臺(tái)面和1處礦山泥石流溝(圖2)，礦山破壞總面積約0.21 km2。

2.1.1 礦山渣堆

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，葛拉溝鐵礦礦區(qū)內(nèi)主要廢渣堆有5處，渣堆按照從南到北、從西向東的順序編號(hào)，依次為ZD1、ZD2、ZD3、ZD4、ZD5。 5處渣堆的現(xiàn)狀情況見表1。 由表1可知，渣堆累計(jì)占地面積約75 150 m2，實(shí)際面積87 392 m2，累計(jì)堆積方量280 700 m3，各處渣堆目前基本穩(wěn)定，未見有失穩(wěn)跡象，其中，渣堆ZD1、渣堆ZD2和渣堆ZD3規(guī)模較大，高差較大(圖3)，渣堆ZD4和渣堆ZD5規(guī)模相對(duì)較小。

圖2 葛拉溝廢棄露天鐵礦地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀Fig.2 Geological environment status of Gelagou Abandoned Open-pit Iron Mine

表1 主要渣堆特征參數(shù)表Table 1 Characteristic parameters of main slag heaps

2.1.2 礦山掌子面

葛拉溝鐵礦開采時(shí)形成的掌子面主要有12處，從上到下編號(hào)依次為ZM01、ZM02、ZM03、……、ZM12，12處掌子面的現(xiàn)狀情況見表2。 由表2可知，掌子面總長(zhǎng)度2 990 m，總破壞面積為39 190 m2，分布于山體露天開采區(qū)域，其坡度陡緩不一，陡峭角度多在75°以上，部分接近豎直，甚至大于90°。掌子面上零星分布有危巖，掌子面下部堆積有渣石，邊坡坡度在40°左右。 另外，掌子面ZM02、掌子面ZM07、掌子面ZM08、掌子面ZM09自城南莊鎮(zhèn)部分可見，影響視覺景觀(圖4)。

2.1.3 開采臺(tái)面

葛拉溝鐵礦掌子面的底部為開采臺(tái)面，由于開采缺乏合理的規(guī)劃，致使開采臺(tái)面極不規(guī)則，臺(tái)面內(nèi)孤包、小陡坎、亂石堆林立。 根據(jù)勘查，開采臺(tái)面大致可分為5處，從上到下編號(hào)依次為PT01、PT02、PT03、PT04和PT05，5處開采臺(tái)面的現(xiàn)狀情況見表3。 由表3可知，總面積約65 910 m2，采坑底部多數(shù)有基巖出露，主要為片麻巖，零星堆積有渣土堆、土堆碎石，粒徑大多不足0.5 m，堆積方量約為2 950 m3。另外，開采臺(tái)面PT02、開采臺(tái)面PT04和開采臺(tái)面PT05，自城南莊鎮(zhèn)部分可見，影響視覺景觀(圖5)。

圖3 自城南莊鎮(zhèn)可見主要渣堆情況Fig.3 The main visible waste-dumps seen from Chengnanzhuang Town

表2 主要掌子面特征參數(shù)表Table 2 Characteristic parameters of main abandoned working faces

2.1.4 礦渣沖蝕溝

葛拉溝鐵礦廢渣主要堆積在坡面，周邊地勢(shì)較平緩，渣堆ZD1、渣堆ZD2和渣堆ZD3坡腳的細(xì)粒物質(zhì)受雨水沖蝕沿溝低洼地帶向下游沖蝕、堆積，形成了一處小寨溝廢渣沖蝕溝(圖6)，其源頭與渣堆連成一體，溝內(nèi)主要為渣堆的細(xì)粒物質(zhì)，其組成物質(zhì)仍為細(xì)粒狀黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖的風(fēng)化物，粒徑一般小于2 mm，分選較好，呈松散狀。 礦渣沖蝕溝呈條帶狀，沿溝谷延伸，長(zhǎng)度約610 m，寬度9.3～37.7 m。標(biāo)高在349～461 m之間，發(fā)育一處支溝，名為小寨溝。整個(gè)小寨溝礦渣沖區(qū)地面積約為15 800 m2，溝內(nèi)礦渣細(xì)粒物質(zhì)堆積厚度為1.0～4.0 m，平均厚度約1.5 m，堆積量23 700 m3。

2.2 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)估

葛拉溝鐵礦已廢棄多年，且其責(zé)任主體滅失，礦區(qū)內(nèi)原始山坡地貌已經(jīng)遭到完全破壞，礦渣堆壓占損毀大量植被及山地資源，渣堆和掌子面高陡，礦渣、廢石隨意堆放，致使該礦山地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遭到了極大的破壞，由此引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題比較突出，主要地質(zhì)環(huán)境問題及其危害如下所述。

圖4 自城南莊鎮(zhèn)可見主要掌子面情況Fig.4 The main visible working faces seen from Chengnanzhuang Town(注：掌子面ZM09為圖4(d)中圈出部分)

表3 開采臺(tái)面特征參數(shù)表Table 3 Characteristic parameters of mining platforms

圖5 自城南莊鎮(zhèn)可見開采臺(tái)面情況Fig.5 The partly visible mining mesas seen from Chengnanzhuang Town

圖6 礦渣沖蝕溝情況Fig.6 The situation of waste dump erosion ditch

1) 地形地貌景觀影響評(píng)價(jià)。葛拉溝鐵礦經(jīng)多年開采，留下的開采面又高又陡，山體挖損嚴(yán)重，礦渣胡亂堆放，原有地形地貌及原有植被破壞率達(dá)95%以上，嚴(yán)重破壞了地形、地貌等自然景觀。特別是葛拉溝鐵礦距離紅色旅游勝地較近，破損嚴(yán)重的山體均在游人可見范圍之內(nèi)，嚴(yán)重影響了阜平縣生態(tài)文明建設(shè)，阻礙了阜平縣經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2) 土地、植被資源占用與破壞評(píng)價(jià)。葛拉溝鐵礦露天開采造成大面積基巖裸露，區(qū)內(nèi)松散覆蓋層幾乎全部被剝離，被剝離的松散堆積物與礦渣混合在一起形成渣土。礦山開采共破壞土地資源面積達(dá)約0.21 km2，造成土地廢棄閑置，嚴(yán)重浪費(fèi)土地資源。與此同時(shí)，大量植被在開采過程中遭到破壞，礦區(qū)植被資源受損較大，在強(qiáng)降雨的條件下，極易發(fā)生水土流失。由于植被遭到嚴(yán)重破壞，礦渣堆中的細(xì)顆粒物質(zhì)失去植被的保護(hù)，直接裸露于地表，在風(fēng)力吹揚(yáng)作用下，這些區(qū)域極易成為沙塵源，污染空氣，降低大氣環(huán)境質(zhì)量。如果這些問題得不到及時(shí)有效治理，隨著水土流失和揚(yáng)塵落砂現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展，將使區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境及生態(tài)環(huán)境都將遭到越來越嚴(yán)重的破壞。

3) 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生過崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，但仍存在很大的隱患，具體如下所述。①礦區(qū)內(nèi)渣堆較高，邊坡角度大，穩(wěn)定性差，其中部分渣堆邊坡已產(chǎn)生失穩(wěn)滑溜，在降水等作用下，各渣堆邊坡可能進(jìn)一步滑溜、侵蝕下游的山地資源，甚至引發(fā)大規(guī)模的礦山泥石流災(zāi)害；②掌子面上的危巖在自然條件下，經(jīng)過風(fēng)吹、雨淋和日曬，風(fēng)化程度將進(jìn)一步加深，掌子面外緣頂部的張裂縫亦有擴(kuò)大的趨勢(shì)，掌子面上很有可能發(fā)生崩塌災(zāi)害，進(jìn)而引發(fā)局部滑坡；③礦山開采臺(tái)面極不規(guī)則，臺(tái)面內(nèi)孤包、小陡坎、亂石堆林立，且植被覆蓋極少，在強(qiáng)降雨的條件下，極易發(fā)生稀性泥石流；④各廢渣堆隨意堆放于溝谷內(nèi)，其源頭與渣堆連成一體，結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小，易受雨水沖蝕而發(fā)生滑移。

3 廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境治理方案

3.1 治理方案設(shè)計(jì)思路

葛拉溝鐵礦已經(jīng)閉坑多年，后期并沒有進(jìn)行礦山修復(fù)和治理，致使礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題嚴(yán)重，特別是視覺景觀影響突出，且存在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的隱患。針對(duì)該廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境問題，其治理方案的設(shè)計(jì)主要考慮消除環(huán)境影響，改善視覺景觀，消除地質(zhì)災(zāi)害威脅[6]，保障下游村民生命財(cái)產(chǎn)安全和道路等安全。在治理方案設(shè)計(jì)中，遵循自然規(guī)律、近自然的生態(tài)修復(fù)的思路[7]，保證安全的情況下，應(yīng)按照“宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林、宜建則建”的原則，與當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展相適應(yīng)，強(qiáng)調(diào)綜合治理的整體社會(huì)效益、環(huán)境效益，盡可能將礦山地質(zhì)環(huán)境治理和原有環(huán)境有機(jī)結(jié)合起來；依托治理區(qū)原有地形地貌，充分發(fā)揮微地貌的作用，盡量少布設(shè)土石方工程，見縫插針地利用原有地形，以生物措施為主，促進(jìn)治理措施與周圍自然環(huán)境的融合；對(duì)可能出現(xiàn)的危害，要采用相應(yīng)的防范措施，最大限度地減少對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的破壞。

3.2 治理方案

針對(duì)礦山的實(shí)際情況，對(duì)裸露的渣堆、掌子面、開采臺(tái)面和小寨溝內(nèi)礦渣沖蝕區(qū)等提出合理有效的治理措施，整體效果如圖7所示，治理方案總體設(shè)計(jì)如下所述。

1) 渣堆治理工程設(shè)計(jì)。渣堆坡面：因地制宜，劃分削坡平臺(tái)[8-9]，確定控制標(biāo)高，根據(jù)削高填低平衡渣量的原則，對(duì)渣堆坡面適度削坡，控制各臺(tái)階間渣堆坡面不大于35°，各平臺(tái)臺(tái)階寬度保持約2 m，將削坡清理出多余廢渣順勢(shì)下推，臺(tái)階及坡面均挖穴狀坑，1∶1間隔種植側(cè)柏和紫穗槐[8](圖7和圖8(a))。為防止雨水對(duì)坡面的沖刷，同時(shí)在各臺(tái)階內(nèi)側(cè)修建排水渠[11]，在渣堆外側(cè)邊緣修建豎向截水渠，將渣堆臺(tái)階內(nèi)排水渠匯水引入截水渠(圖7和圖9)。需要注意的是，渣堆坡面的臺(tái)階設(shè)置時(shí)，縱向需保證1°～2°的坡度，確保在臺(tái)階上修建的排水渠順利排水。

圖8 綠化方式設(shè)計(jì)Fig.8 Design of greening method

圖9 渣堆坡面排水渠設(shè)計(jì)Fig.9 Design of drainage ditch for waste-dumps

渣堆平臺(tái)：進(jìn)行適當(dāng)修整，使修整后的平臺(tái)形成外側(cè)略高、內(nèi)側(cè)略低的反坡腳，便于將水匯聚于內(nèi)側(cè)排水渠處，通過排水渠將平臺(tái)匯水引出區(qū)外，減少對(duì)坡面的沖刷[10]。在修整后的渣堆頂部平臺(tái)外緣穴狀坑種植刺槐綠化(圖7和圖8(b))。另外，在修整后的渣堆平臺(tái)靠近外緣1～2 m處修建擋水土埂，土埂高0.5 m，底寬1.5 m，頂寬0.6 m，修建長(zhǎng)度205 m，材料采用廢棄的細(xì)粒礦渣土，壓實(shí)系數(shù)0.95。

2) 掌子面治理工程設(shè)計(jì)。掌子面自城南莊鎮(zhèn)革命紀(jì)念館大部分不可見，少部分可見，對(duì)在城南莊鎮(zhèn)可見的掌子面ZM07和掌子面ZM08的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)工程治理。首先應(yīng)從安全性的角度考慮，確保采礦掌子面邊坡的穩(wěn)定性，其次綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、因地制宜等因素[11]。經(jīng)過勘查，建議在掌子面的頂部進(jìn)行客土噴播，客土噴播前需對(duì)掌子面進(jìn)行清理，然后分營(yíng)養(yǎng)基層(厚度6 cm)、種子層(厚度2 cm)和防沖刷層(厚度1～2 cm)三層進(jìn)行噴播(圖7)，對(duì)掌子面下部進(jìn)行魚鱗坑綠化遮擋方式進(jìn)行治理，對(duì)其他掌子面根據(jù)需要適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)植和生物遮擋，結(jié)合自然恢復(fù)植被。除了上述的治理方法外，可見部分在其前方的開采臺(tái)面上客土種植高大喬木，可以很好地被遮擋。

3) 開采臺(tái)面治理工程設(shè)計(jì)。根據(jù)城南莊鎮(zhèn)的可見情況，開采臺(tái)面PT02、開采臺(tái)面PT04和開采臺(tái)面PT05視覺景觀影響較大，需進(jìn)行重點(diǎn)治理。采用整平、客土、植樹綠化的方法進(jìn)行治理，整平后客土覆土，挖坑種植刺槐和側(cè)柏，各坑在坡面上基本沿等高線布設(shè)，上下兩行坑口呈“品”字形錯(cuò)開排列，坑距1.5 m、行距1.5 m(圖7和圖8)。在整平過程中，遇有原生植被覆蓋時(shí)，盡量避免破壞原有自然恢復(fù)的植被，可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)植。整平工作可隨地勢(shì)大致整平，遇有大塊或較多的碎石時(shí)，需要清除，大塊碎石和塊石可作坑外圍堰。

4) 小寨溝礦渣沖蝕區(qū)治理工程設(shè)計(jì)。葛拉溝鐵礦廢渣主要堆積在坡面，周邊地勢(shì)較平緩，匯流范圍不大，溝谷較小，礦渣沖蝕區(qū)主溝長(zhǎng)約610 m，相對(duì)高差約112 m，坡降183.6‰，泥砂沿程補(bǔ)給量較為充足，區(qū)域構(gòu)造方面為抬升區(qū)，溝谷下切和側(cè)蝕作用一般，流域內(nèi)植被平均植被覆蓋率約35%。另外，溝道內(nèi)已有三處攔渣擋墻，固源攔蓄效果基本有效。但是，1#攔擋壩、2#攔擋壩和3#攔擋壩分別修建于2010年、1960年左右和1980年左右，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的雨水及流水沖蝕，有局部存在不穩(wěn)定，建議在渣堆下游小寨溝內(nèi)已有的1#攔擋壩、2#攔擋壩壩體間拐彎狹窄處新建干砌石攔擋壩S-S′(圖7和圖10)，干砌石攔擋壩長(zhǎng)20 m，擋墻高3.0 m，頂寬0.8 m，底寬2.0 m，基巖地下埋深0.3 m，并在干砌石攔擋壩上游礦渣區(qū)域挖穴狀坑種植刺槐(圖7)。

圖10 干砌石攔擋壩剖面圖Fig.10 Dry stone retaining dam(注：此部分對(duì)應(yīng)圖7中S-S′位置)

5) 治理過程中及治理后維護(hù)工作的建議。在治理過程中，要做好對(duì)礦山開展的工程措施進(jìn)行維護(hù)，主要是經(jīng)治理的平臺(tái)、礫砂堆、廢石堆、塊石堆坡面，當(dāng)其遭受暴雨等損毀時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。此外，要做好植被撫育，對(duì)綠化區(qū)域植被進(jìn)行維護(hù)，發(fā)現(xiàn)枯萎、破壞時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)種補(bǔ)栽等措施，確保治理工程能夠高質(zhì)量的完成。

在治理后，要做好綠化植被的維護(hù)。雖然所栽植的植被都為適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的耐旱植物，但在植被生長(zhǎng)的初期，其根系不夠發(fā)達(dá)，在干旱季節(jié)，降雨不能滿足植被需水要求時(shí)，需要進(jìn)行后期管理維護(hù)，及時(shí)澆灌，對(duì)植被出現(xiàn)枯萎死亡等現(xiàn)象的要進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)種,保證植被成活率，達(dá)到綠化效果。

4 結(jié) 論

1) 葛拉溝廢棄露天鐵礦已經(jīng)閉坑多年，后期并沒有進(jìn)行礦山修復(fù)和治理，致使礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題嚴(yán)重，特別是視覺景觀影響突出，尤其與晉察冀邊區(qū)司令部舊址和晉察冀邊區(qū)革命紀(jì)念館兩處紅色旅游勝地視覺景觀極不協(xié)調(diào)。與此同時(shí)，裸露的渣堆、掌子面、開采臺(tái)面和小寨溝內(nèi)礦渣沖蝕區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的隱患，威脅周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2) 針對(duì)治理區(qū)礦山的實(shí)際影響和破壞情況提出治理措施。①渣堆：渣堆平臺(tái)整治，劃分削坡平臺(tái)，并在平臺(tái)內(nèi)側(cè)修建排水渠，另外在坡面穴狀坑種植紫穗槐、側(cè)柏，坡頂種植刺槐；②掌子面：客土噴播，另外在掌子面下部進(jìn)行魚鱗坑綠化遮擋，且開采平臺(tái)上種植的高大喬木也可遮擋；③開采臺(tái)面：采用整平、客土、植樹綠化的方法，其他不可見的開采臺(tái)面待其自然恢復(fù)植被；④小寨溝礦渣沖蝕區(qū)：在中下游拐彎狹窄處新建干砌石攔擋壩，并在上游挖穴狀坑種植刺槐。

3) 礦山地質(zhì)環(huán)境的治理過程中，定期進(jìn)行巡查，做好工程維護(hù)和植被撫育；在治理后，做好綠化植被的維護(hù)，保證植被成活率，確保工程綠化效果。