龐朋朋，郭振斌，張立勛

(中冶一局城市安全與地下空間研究院有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 前 言

祁連山自然保護區(qū)是我國西北最重要的生態(tài)屏障，是整個河西走廊地區(qū)賴以生存、維系健康發(fā)展的重要源泉[1]。礦區(qū)位于祁連山自然保護區(qū)外圍，祁連山區(qū)域的東段，區(qū)內(nèi)海拔高，自然氣候條件區(qū)域差異大，地質環(huán)境脆弱[2]。礦區(qū)自20世紀50年代以來，長期無序地開發(fā)，忽視了對礦山地質環(huán)境的保護，使礦山地質環(huán)境遭受嚴重破壞，引發(fā)了一系列嚴重的礦山地質環(huán)境問題，成為制約天?？h經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[3-5]。近年來隨著國家對生態(tài)文明建設的重視，該礦山屬政策性關閉礦山并提出恢復治理措施。

大量學者對于礦山地質環(huán)境恢復與治理的方法進行了研究，如戴興等[1]礦山地質環(huán)境治理工程技術研究；田安家等[3]對某礦山實施邊坡治理、廢棄礦坑填埋、地形地貌景觀植被修復、土礦廢棄地整治等措施；原振雷等[6]礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及其防治，上述研究均以礦山復綠為首要目標。通過礦山生態(tài)地質環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，并對礦業(yè)活動引發(fā)的具體地質環(huán)境問題進行評價，采取擋墻護坡、削坡減載、土地平整、植被恢復等工程技術手段，對開采后遺留的采坑、高陡邊坡、棄渣堆積、植被破壞等礦區(qū)地質環(huán)境問題進行治理和修復，消除地質災害隱患[7]，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和總體治理目標[8]。

1 地質環(huán)境特征

1.1 地形地貌

冰嶺溝石膏礦區(qū)位于石門河右岸一級支溝冰嶺溝左側斜坡地帶，地貌為構造-侵蝕低中山丘陵地貌。地勢總體西高東低，地形起伏變化較大，山坡坡度一般10°～30°，局部地段坡大于35°。山體整體呈南北向展布，地形切割較強烈，形成多條南北向溝谷，溝道橫斷面多呈“V”字形。坡面植被由東向西逐漸變差，加之人類工程活動影響，致使區(qū)內(nèi)部分區(qū)域裸露。

1.2 地層巖性

礦區(qū)及周邊出露地層主要有石炭系，廣泛分布勘查區(qū)礦山山體，礦區(qū)山體中上部均有出露，巖性以深灰色厚層灰?guī)r等為主。巖相變化較大，與下伏地層呈不整合接觸，表層較強風化，厚度一般1～5 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，實測產(chǎn)狀58°∠55°，出露厚度一般20～50 m。第四系主要為全新統(tǒng)沖洪積物。

1.3 地質構造與地震

1.3.1 地質構造

礦區(qū)在大地構造上位于祁呂弧形褶皺帶(一級構造單元)，二級構造單元分屬于北祁連多字型構造系、隴西帚狀構造系和河西構造系3個構造體系。項目區(qū)主要由一系列北北西向的新生帶隆起帶和坳陷帶組成，其中武威-天祝-窯街的坳陷帶經(jīng)過區(qū)內(nèi)。

1.3.2 新構造運動與地震

礦區(qū)新構造運動是老構造運動的繼續(xù)，區(qū)內(nèi)主要斷裂大都在加里東期形成。根據(jù)現(xiàn)有地震資料，已證明這些斷裂至今大都有明顯的活動性。依據(jù)全國第二代地震區(qū)劃圖甘肅省地震區(qū)帶的劃分，調(diào)查區(qū)位于青藏高原北部地震區(qū)，祁連山地震亞區(qū)。地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應普特征周期為0.45 s。

2 地質條件

2.1 水文地質條件

根據(jù)地下水的分布、賦存條件和含水介質性質及水動力特征，并結合野外調(diào)查和區(qū)內(nèi)已有相關資料，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2種類型。調(diào)查期間礦區(qū)內(nèi)未見地下水出露，采礦活動未破壞地下含水層。

2.2 工程地質條件

對礦區(qū)巖體建造類型、巖體結構、巖相類型及其力學性質進行劃分，巖體屬堅硬-較堅硬層狀碳酸鹽巖組，巖性以灰白色灰?guī)r、砂巖等為主，巖相變化較大，整體致密堅硬，為較好的工程地質巖組。礦區(qū)土體為人工堆積物，一般土體主要有碎石土，粉土和砂礫卵石雙層結構土體。

3 礦區(qū)環(huán)境地質現(xiàn)狀及評估

天?？h冰嶺溝石膏礦屬露天采礦，在礦山長期礦業(yè)活動過程中，由于缺乏對生態(tài)環(huán)境的保護措施，致使礦區(qū)植被遭到嚴重破壞，特別是大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞[9-10]。區(qū)內(nèi)礦山地質環(huán)境問題主要表現(xiàn)在以下4個方面：①礦業(yè)活動引發(fā)地質災害；②礦業(yè)活動對含水層的影響；③礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響；④礦業(yè)活動對土地資源破壞。

經(jīng)調(diào)查礦區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)育1處不穩(wěn)定斜坡，因采礦活動開挖而成，屬巖質邊坡，其破壞方式為潛崩，坡高為35～75 m，寬為119 m，坡度一般30°～75°；區(qū)內(nèi)礦山礦區(qū)范圍共分布4處渣堆，其中2處渣堆位于采坑內(nèi)，因采礦活動對土地資源造成了挖損和壓占破壞，破壞的土地類型均屬草地，破壞總面積約4.29 hm2，其中，挖損總面積約2.23 hm2(山體挖損破壞面積0.71 hm2，采坑挖損面積約1.39 hm2，道路挖損面積0.13 hm2)，壓占總面積約2.06 hm2。礦區(qū)采坑位于地下水位以上，未造成地下含水層的破壞。綜合判定，礦業(yè)活動對礦山地質環(huán)境影響程度為嚴重。

3.1 礦業(yè)活動引發(fā)地質災害

礦區(qū)因采礦開挖形成不穩(wěn)定斜坡1處X1，屬巖質斜坡，由灰?guī)r組成，坡高35～75 m，寬約245 m，坡度為30°～75°。斜坡局部坡段存在孤立的危巖體，其危巖體臨空，坡頂局部發(fā)育2條裂縫，分別位于不穩(wěn)定斜坡南北兩端，距離坡肩約0.5～2.0 m，裂縫寬5～8 cm，長度5～10 m，裂縫深度0.5～1.0 m，局部發(fā)生崩塌的可能性較大。該斜坡破壞方式以潛崩為主，平均厚度0.25～0.4 m，體積約0.34×104m3，規(guī)模等級屬小型。組成坡體的基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，其節(jié)理裂隙充填碎塊或無充填，節(jié)理面較破碎；部分巖體被節(jié)理面切割呈條塊狀、塊狀、碎塊狀，底部懸空，實測節(jié)理產(chǎn)狀58°∠55°。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該斜坡體坡面存在危巖體，凌亂分布于采坑西側坡面，時有掉塊、落石現(xiàn)象發(fā)生(見圖1)。

圖1 不穩(wěn)定斜坡全貌及裂縫、危巖體分布

綜合分析不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，在降水、地震、人類工程活動等不利條件下，整體發(fā)生崩塌的可能性小，局部發(fā)生崩塌災害的可能性較大。威脅坡腳一帶臨時過往行人以及后期礦山治理期間施工人員、設備等的安全，潛在威脅可造成財產(chǎn)損失5萬元～10萬元，威脅人數(shù)1～3人，險情等級為小型，綜合判定地質災害對環(huán)境的影響程度較輕。

3.2 礦業(yè)活動對含水層的影響

采礦過程中無地下水溢出，采坑在地下水位以上，未造成地下含水層的破壞；礦區(qū)及周圍地表水體未漏失，礦區(qū)內(nèi)出露礦石及礦渣含有的CaSO4微溶于水，在常溫情況下不會分解產(chǎn)生SO2，未影響到礦區(qū)周圍生產(chǎn)生活供水。故礦業(yè)活動對含水層造成的影響程度較輕。

3.3 礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響

礦山地形地貌景觀破壞主要表現(xiàn)在挖損坡體、修建道路以及渣堆壓占等方面(見圖2)，挖損破壞總面積約2.23 hm2。其中，挖損山體形成坡高一般35～75 m，寬約119 m的不穩(wěn)定斜坡，該斜坡整體高陡局部臨空，坡度一般30°～75°，山體挖損破壞面積0.71 hm2，采坑挖損面積約1.39 hm2，挖損對山體的完整性、原始性造成了破壞；礦山開采前期，修建一寬度約5 m，長度約260 m的礦山道路，對道路沿線整體完整性造成了破壞，挖損面積0.13 hm2，礦區(qū)內(nèi)分布的4處渣堆順坡或掌子面坡腳一帶無序堆放，堆積長度一般20～167 m，寬度一般12～128 m，堆積高度一般1～12 m，渣堆壓占總面積約2.06 hm2，渣堆對礦區(qū)內(nèi)整體觀賞性造成了破壞。礦業(yè)活動對礦區(qū)原生景觀影響和破壞程度大，綜合判定礦業(yè)活動對礦區(qū)內(nèi)的地形地貌景觀的影響程度嚴重[10]。

圖2 礦區(qū)地形地貌景觀破壞情況

3.4 礦業(yè)活動對土地資源破壞

冰嶺溝石膏礦采礦方式為露天開采，造成基巖大面積裸露，臨空面大大增加，采礦棄渣大量堆放于礦區(qū)周邊，壓占草地資源，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞。經(jīng)調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)對土地資源造成的挖損和壓占破壞面積約4.29 hm2，均為草地。

3.4.1 挖損破壞

礦區(qū)范圍內(nèi)挖損破壞的地方共有3處，其中1處為礦區(qū)山體坡面挖損，1處為采坑挖損，1處為礦區(qū)道路挖損，破壞總面積約2.23 hm2(見表1)。山體挖損坡面寬度約227 m，長度22～40 m，坡度35°～75°，挖損面積約0.71 hm2；采坑寬度約207 m，長度55～80 m，深度16～20 m，采坑挖損面積約1.39 hm2；礦山修建一寬度約5 m，長度約260.0 m的礦山道路，道路右側坡腳形成高1～2 m的陡坎，挖損面積約0.13 hm2。

表1 冰嶺溝石膏礦礦區(qū)挖損破壞統(tǒng)計表

3.4.2 壓占破壞

礦區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動對土地資源的壓占破壞主要表現(xiàn)在渣堆順坡或沿坡腳一帶無序堆放，對原生草地造成了嚴重破壞，壓占的廢渣成分主要以碎石土為主，碎石粒徑一般2～20 cm，最大達120 cm。礦區(qū)范圍內(nèi)共分布4處渣堆。其中2處位于采坑底部，未壓占土地資源；2處壓占土地資源渣堆長度一般85～175 m，寬度一般35～110 m，堆積高度一般2～13 m，渣堆壓占總面積2.06 hm2，渣堆壓占總體積約148 130 m3。

4 礦區(qū)地質環(huán)境防治

根據(jù)礦山存在的地質環(huán)境問題以及危害范圍、破壞方式等，按照因地制宜、景觀相似性原則開展恢復治理工作，包括清理危巖+平整渣堆、回填采坑+覆土綠化+圍欄防護等措施[7-8]。

4.1 清理危巖

冰嶺溝石膏礦礦區(qū)發(fā)育不穩(wěn)定斜坡特征與危害特征，為防止坡體危巖崩落，結合礦區(qū)周邊地形條件以及植被分布情況，按照因地制宜、景觀相似性原則，首先對礦區(qū)西側不穩(wěn)定斜坡體坡面危巖、浮石進行清理(見圖3)，特別是對斜坡上部2條裂縫進行清理，由于裂縫距離坡肩約0.5～2.0 m，裂縫寬5～8 cm，長度5～10 m，且裂縫為采礦期間開挖山體形成的山體表面的淺層裂縫，未貫穿整個坡面，故本次消除裂縫即可。根據(jù)坡面危巖體發(fā)育與分布特征(見表2)，危巖清理寬度270 m，平均厚度約0.2～0.4 m，清理面積約11 810 m2，清理危巖體積約3 445 m3，清理方式為人工清理。

表2 清理危巖工程量表

4.2 平整渣堆、回填采坑工程

4.2.1 平整渣堆工程

根據(jù)冰嶺溝石膏礦礦區(qū)渣堆分布、堆積厚度、采坑回填以及破壞范圍等，結合礦區(qū)地形條件，開展治理工程。由于渣堆順坡無序堆放且堆積厚度大、破壞面積大，結合采坑回填的要求，采取分級平整措施進行治理，平整工程分三級進行治理[9]。自下至上布置2條馬道，馬道寬度一般為2.0 m，一、二級馬道控制高程分別為2 795.80 m、2 803.80 m，坡腳高程依據(jù)現(xiàn)狀確定；自坡腳起，第一級坡現(xiàn)狀坡率較緩，依據(jù)地形平整渣堆，設計坡高4.0～17.0 m，設計坡率為1∶2.5～1∶3.6；第二級坡設計坡高8.0 m，坡率為1∶2.5～1∶3.5；第三級坡平整至采坑回填東側邊緣，坡肩高程為2 811.0 m，南北兩側高程依據(jù)實際情況確定，設計第三級坡高7.2 m，坡率為1∶3～1∶8.5；設計采坑回填平整后，采坑西側斜坡坡腳高程為2 817.0 m。局部地段利用原有渣堆平臺對其進行平整，以恢復原始地貌為主(見圖3)。礦區(qū)渣堆平整土方約132 763 m3。

圖3 礦區(qū)治理工程剖面圖

4.2.2 采坑回填治理工程

根據(jù)冰嶺溝石膏礦實際采坑深度及范圍，在平整過程中利用清理危巖后落至采坑的塊石、渣堆及礦區(qū)零星分布的礦渣進行回填，總計回填采坑136 208 m3。將礦渣回填后進行機械壓實，壓實系數(shù)不小于0.9，采坑西側斜坡坡腳回填標高至2 817.0～2 120.0 m，東側坡肩高程為2 811.0 m，采坑回填后會形成南北兩側傾向中部，西側傾向東側的地形，有利于降雨匯流，不會造成采坑積水。

4.3 礦區(qū)覆土和植被綠化

4.3.1 礦區(qū)覆土工程

待渣堆平整、回填采坑結束后，首先在平整后渣堆上部進行覆土，覆土面積為植樹后剩余面積，單個樹穴面積為0.5 m×0.5 m，植樹5 360株，樹穴總面積0.134 hm2，樹穴深度0.8 m，樹穴培土1 072 m3；礦區(qū)綠化面積為3.35 hm2，植樹后剩余面積為3.216 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為9 648 m3，樹穴培土和植草覆土總量為10 720 m3。

考慮到綠化效果及礦區(qū)道路的挖損破壞，設計對礦區(qū)西側的道路在主礦區(qū)恢復治理結束后進行覆土綠化，寬度約5 m，長度約260.0 m的礦山道路，覆土面積0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為390 m3。

綜上，本次綠化所需客土由樹穴培土、礦區(qū)覆土及道路覆土三部分組成，共需客土11 110 m3，客土來源于冰嶺溝取土場，拉運距離約3.0 km。

4.3.2 植樹綠化

礦區(qū)周邊分布樹種以松樹為主，鄰區(qū)石膏礦區(qū)植被恢復樹種也為松樹，且成活率較好，本次樹種選擇松樹(見圖4)。植樹范圍為平整覆土復綠地段，考慮到種植場地土質問題，樹穴規(guī)格選擇Φ0.5 m×0.5 m×0.8 m，樹穴按照既定規(guī)格開挖完成后，將化肥與細土拌勻，平鋪坑底，厚度約20～40 cm，將樹木(帶土球)擺放樹坑時注意不能破損，擺放于樹坑中心位置，并注意與前后左右已種植完的樹木保持整齊，然后進行樹穴全部培土，回填搗實，土壤回填至原地面后利用剝離土壤做高度20 cm的圍堰澆水，并適時補土，單樹穴培土0.2 m3，樹穴培土總量為1 072 m3。

圖4 礦區(qū)周邊植被

為確保種植后的樹木穩(wěn)定生長，架立支柱，保證樹木生長直立，同時避免樹木受外力影響而晃動、倒伏，使根系受損松動。最后修整圍堰，平整及清理場地。

栽后應立即灌水，無雨天不超過一晝夜就應澆上頭遍水。水一定要澆透，使土壤吸足水分，有助于根系與土壤密接，才能確保成活。后期養(yǎng)護與植草養(yǎng)護同時進行。

4.4 取土場耕地恢復

冰嶺溝取土場位于天?？h華藏寺鎮(zhèn)冰嶺溝村北側1 km處，距離冰嶺溝石膏礦約3 km。取土場面積約3 066 m2，土地類型為耕地，表層種植為牧草。地層主要以沖洪積粉土為主，厚度大于3 m。冰嶺溝石膏礦渣堆平整后，覆土及種樹共需土方量約11 110 m3，取土場面積約為3 067 m2，取土深度3.0～4.5 m，自東向西取土深度逐漸加深，西側坡比1∶1，取土場控制高程為2 608.00 m。取土結束后將其復墾為耕地，因表層已種農(nóng)作物，需要對其表層50 cm土層進行剝離，就近堆放，取土結束后用于復墾，剝離和覆土方量分別為1 533.0 m3，覆土后利用農(nóng)用機耕犁平整，并交付村民耕種。

4.5 礦區(qū)道路恢復

路面由于施工需要應在渣堆和采坑施工結束后2～3年內(nèi)進行治理，因采坑和渣堆施工需要人員和機械通行，避免破壞恢復成果。將路面覆土堆放在廠區(qū)空曠處留作備用。礦山道路覆土面積0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量為390 m3，植草面積0.13 hm2。

5 地質環(huán)境修復效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

通過及時治理，能夠減少區(qū)內(nèi)的水土流失，治理生態(tài)環(huán)境問題，可保障區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活安全，避免巨大損失。同時，可促進群眾的生產(chǎn)，并且損毀草地得以有效利用，提高了群眾的經(jīng)濟收益[2-8]。

5.2 環(huán)境效益

通過礦山生態(tài)環(huán)境恢復治理，可使祁連山區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到改善，受采礦影響的地形地貌景觀得到恢復，棄土棄渣壓占草地得以恢復生機，將極大減輕水土流失，結合植被恢復工程的實施，將為整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復、改善奠定基礎。礦山環(huán)境恢復治理種植松樹、播撒草籽恢復植被，植樹5 360株，恢復植被面積為3.48 hm2。不僅可美化景觀，還可控制水土流失、調(diào)節(jié)小區(qū)域氣候，增加水源涵養(yǎng)等[2-5]。

5.3 社會效益

礦山開采壓占破壞土地資源、影響地形地貌景觀，進而破壞地質環(huán)境，影響生態(tài)環(huán)境。通過生態(tài)環(huán)境恢復治理工程的實施可以對礦渣堆、草地損毀等問題進行治理，提高區(qū)域生態(tài)條件，改善人民生活環(huán)境，提高人民生活質量，而且可以留青山綠水于后代，做到社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的可持續(xù)發(fā)展，構建文明富裕、和諧進步的社會，增加當?shù)厣鐣?jīng)濟效益[6-7]。

6 結 論

華藏寺冰嶺溝石膏礦位于祁連山自然保護區(qū)外圍，祁連山自然保護區(qū)作為西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，生態(tài)戰(zhàn)略意義重大。該礦區(qū)在20世紀70～80年代大辦鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，忽視了對礦山地質環(huán)境的保護，無序開采，受開采條件、開采方式、生產(chǎn)工藝、技術設備等綜合影響，使礦山地質環(huán)境遭受嚴重破壞。本次工作主要針對礦山開采造成大面積采坑，以及造成的壓占草地進行恢復治理，對周邊因水土流失造成的草場進行土壤重構與改良；恢復區(qū)內(nèi)的排洪溝渠，消除采挖形成的高陡邊坡可能帶來的地質災害隱患，恢復植被面積約3.48 hm2。通過本次恢復治理工作，該區(qū)原始地貌得以恢復，提高了植被覆蓋率，使得生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)良性循環(huán)，提高水源涵養(yǎng)功能，最大限度地消除地質災害隱患。