靳貝貝，張傳東，姚嬌嬌，羅 璇，崔盼盼

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000； 2.河南省金屬礦產(chǎn)深孔鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000)

礦產(chǎn)資源包括非金屬礦、金屬礦和能源礦產(chǎn)3大類；開采方式主要為地下開采或露天開采，不同礦種的礦產(chǎn)資源、不同的開采方式及充填采礦法，產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問題區(qū)別較大[1-2]。地下開采金屬礦產(chǎn)資源存在的主要環(huán)境問題為地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、深層地下水破壞、地形地貌植被破壞、土地占壓與損毀、尾礦潰壩和水土污染等，為了解決礦產(chǎn)資源開發(fā)與礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，減少地質(zhì)災(zāi)害，防止水土污染，保持生態(tài)平衡，建設(shè)綠色礦山[1，3-4]，本文以祁雨溝公峪金礦為例，探討全膠結(jié)或膠結(jié)+尾砂的充填法在地下金礦開采的應(yīng)用，并進(jìn)行了實地地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查，預(yù)測了潛在地質(zhì)環(huán)境問題，提出了有效的恢復(fù)治理措施，為礦山生產(chǎn)、修復(fù)和保護(hù)及土地復(fù)墾提供理論依據(jù)和應(yīng)用實例。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

祁雨溝公峪金礦位于嵩縣西北部，為地下開采的生產(chǎn)大型礦山，開采深度+700～+280 m，目前開采J4、J5礦體，采用平硐+主副井+風(fēng)井開拓，無底柱分段崩落法與階段空場法，井下充填采用全膠結(jié)或膠結(jié)+尾砂的充填方法[5-6]。礦山固體廢棄物主要是采礦產(chǎn)生的廢石，選礦廠排尾量為2905.8t/d，井下充填1 018 t/d，廢水主要為礦井涌水、選礦廢水及生活污水等。

1.1 自然地理

礦區(qū)地處暖溫帶向亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候過渡帶；屬黃河水系伊河支流流域，發(fā)育公峪溝和祁雨溝與美溝壕；屬侵蝕剝蝕低山地貌，三山夾兩溝，西北高東南低，山勢稍陡，地形坡度一般為10°～30°，沖溝斷面近似“V”形；植被茂密，植被覆蓋率可達(dá)80%；土壤類型以褐土與棕壤土為主，土壤厚度一般為0.2～0.5 m，局部風(fēng)化巖石裸露。

1.2 地質(zhì)環(huán)境背景

礦區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺南緣華熊臺緣坳陷南部邊緣的崤山—魯山拱褶斷束分區(qū)內(nèi)，褶皺構(gòu)造不發(fā)育，主要為向東南傾的單斜構(gòu)造。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為斷裂F24的次級構(gòu)造，呈北東向，走向10°～80°，傾角55°～65°，傾向南東或北西，寬0.30～4.32 m，由角礫巖和碎裂巖構(gòu)成，并遭受不同程度的熱液蝕變。發(fā)育爆破角礫巖構(gòu)造6處，角礫巖型金礦體嚴(yán)格受角礫巖體控制。主要出露太古宇太華巖群黑云斜長角閃片麻巖、中元古界熊耳群許山組安山巖夾安山玢巖和第四系殘坡積物。巖漿巖主要為前加里東期安山玢巖和燕山期花崗斑巖。

1.3 水文地質(zhì)特征

地下水類型為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。前者含水層巖性主要為太華巖群黑云斜長角閃片麻巖、隱爆角礫巖、熊耳群許山組安山巖、前加里東期安山玢巖與燕山期花崗斑巖，含水層主要為風(fēng)化裂隙與構(gòu)造裂隙帶，風(fēng)化裂隙帶深度可達(dá)30 m，向下裂隙率逐漸減弱，水位埋深不一，受季節(jié)影響大，富水性弱；后者含水層巖性由第四系砂土、砂質(zhì)黏土與砂礫石層組成，分布于沖溝底部，水量季節(jié)性變化明顯，地下水水位埋深在6～8 m。

1.4 工程地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)巖體類型主要為巖漿巖建造堅硬的塊狀侵入巖巖性組與變質(zhì)巖建造堅硬的片麻巖巖性組，土體類型主要為單層結(jié)構(gòu)的卵礫石、砂類土與黏性土。圍巖主要為黑云斜長角閃片麻巖與花崗斑巖，堅硬致密，一般情況下較穩(wěn)定，但是在侵入巖體附近裂隙比較發(fā)育處，巖石破碎，不穩(wěn)定。圍巖較穩(wěn)定，局部結(jié)構(gòu)破碎，工程地質(zhì)條件中等。

1.5 礦體地質(zhì)特征

金礦體賦存于太華群隱爆角礫巖體內(nèi)[7-8]，開采J4與J5礦體，礦體在空間上近直立，與角礫巖體產(chǎn)狀基本一致，空間形態(tài)為一不規(guī)則透鏡體。礦石為碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造為主。礦石的化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、Fe2O3、FeO為主，Ag含量一般0.9×10-6～1.7×10-6，銅含量0.106%～0.914%，鉛小于0.1%，砷含量6.25×10-6。

2 地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀

2.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

評估區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，僅發(fā)現(xiàn)1處地面塌陷，位于J4礦體采空區(qū)(圖1)。

圖1 J4塌陷坑特征Fig.1 Characteristics of J4 collapse pit

地面塌陷坑位于采空區(qū)正上方，南側(cè)在J4礦體內(nèi)部塌陷，北側(cè)沿圍巖接觸帶塌陷，坑長約230 m，寬約150 m，面積約3.5 hm2，南側(cè)邊坡高90 m，中部塌陷深度30 m。塌陷坑邊緣坡度較陡，結(jié)構(gòu)松散，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受降雨影響，不斷塌落，邊緣裂縫不斷向外延伸。采區(qū)現(xiàn)狀地面塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度強、危險性大、危害程度中等[9-10]。

2.2 含水層破壞

礦山開采J4、J5礦體標(biāo)高達(dá)+310 m，無重要含水層。礦體開采(挖損破壞、爆破圍巖松動及移動變形)對基巖裂隙基巖含水層結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，形成新的地下水運移通道，但基巖裂隙含水層富水性弱，不具供水意義，只局部破壞了地下水賦存條件及徑流條件，對含水層結(jié)構(gòu)和水位破壞影響較輕。此外，采礦活動產(chǎn)生的污水主要作為選礦用水、職工生活用水和綠化灌溉用水，滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，且生活污水經(jīng)凈化處理達(dá)標(biāo)后排放，采礦活動對地下水環(huán)境影響較輕[9，11]。

2.3 地形地貌景觀破壞

現(xiàn)狀下地形地貌景觀破壞(表1)主要是3個工業(yè)場地(圖2(a))、3處廢石場(圖2(b)、圖2(c))、J4采區(qū)、選礦廠和韓村尾礦庫對地形地貌景觀的破壞嚴(yán)重；礦山道路、風(fēng)井場地和炸藥庫(圖2(d))對地形地貌景觀的破壞較嚴(yán)重；祁雨溝尾礦庫已覆土綠化恢復(fù)，對原始地形地貌景觀影響較小。

表1 地形地貌破壞情況Tab.1 Landform damage

圖2 地形地貌景觀破壞Fig.2 Landform and landscape damage

2.4 水土污染

對礦區(qū)東側(cè)陶村水井、高都川河邊大口井及庫址上游觀測井取樣監(jiān)測，pH值、化學(xué)需氧量、氨氮、氰化物、氟化物、硫化物、懸浮物、銅、鉛、鋅、鉻流量等，滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，礦山生產(chǎn)對水環(huán)境污染情況為輕度污染；對礦區(qū)3號廢石場、選礦廠下游農(nóng)田和炸藥庫下游農(nóng)田土壤進(jìn)行取樣檢測，pH值、陽離子交換量、銀、銅、鋅、鉬、鐵、鉛、汞、砷、鋁、鉻、鎘、氰化物等均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)第二級值，對土壤環(huán)境污染情況為輕度污染[12-13]。

2.5 土地?fù)p毀

祁雨溝公峪金礦對土地的損毀主要為以往開采礦體形成的露天采坑、地面塌陷、工業(yè)場地、廢石場、選礦廠和尾礦庫等對土地造成的損毀，細(xì)分為壓占損毀、塌陷損毀和挖損損毀等(表2)。其中，現(xiàn)狀壓占土地主要包括工業(yè)場地、炸藥庫、廢石場、礦山道路、選礦廠和尾礦庫；塌陷損毀為J4采區(qū)地面塌陷區(qū)，面積3.5 hm2，邊坡高度可達(dá)90 m，最大塌陷深度30 m；挖損損毀為J4礦體在2009年以前形成有1處露天采坑，底面標(biāo)高+650 m以上，后又形成塌陷坑，露天采坑面積3.6 hm2。

表2 已損毀土地利用現(xiàn)狀Tab.2 Damaged land use status hm2

3 地質(zhì)環(huán)境問題預(yù)測

3.1 地質(zhì)災(zāi)害

礦山的地形地貌、工程地質(zhì)條件和構(gòu)造特征和井下開采方式，使得評估區(qū)可能引發(fā)和遭受的地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、泥石流和地面塌陷。

2號廢石場位于美溝壕一側(cè)沖溝底部，主要是采礦產(chǎn)生的廢石，結(jié)構(gòu)松散，遇到暴雨，廢石場下面坡積物遇水變軟可能引發(fā)滑坡和泥石流；采空塌陷后山體邊坡處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，并伴生地裂縫使危巖體主控拉破裂面直立呈上寬下窄，裂面內(nèi)有掉塊現(xiàn)象，危巖上方有細(xì)小裂隙分布，可能引發(fā)崩塌和滑坡；J4礦體北側(cè)與南側(cè)有F12、F17、F18、F20斷裂以及燕山期花崗斑巖入侵，J5礦體西側(cè)有F41斷裂與前加里東期安山玢巖入侵，巖體裂隙發(fā)育，產(chǎn)生塌陷坑，發(fā)生地面塌陷。

3.2 含水層

礦區(qū)開采礦體主要位于+310 m以下，圍巖屬弱透水巖層，無重要含水層分布，無供水意義；礦體與陶村水庫間存在20～170 m的花崗斑巖巖墻，不透水；韓村尾礦壩溢流水和礦井排水，經(jīng)處理用作選礦用水、生活用水和綠化灌溉用水等，采礦對含水層結(jié)構(gòu)、地下水水位和水質(zhì)影響較小[14]。

3.3 地形地貌景觀破壞

礦區(qū)工業(yè)場地、風(fēng)井場地、炸藥庫場地和礦山道路、3號廢石場、選礦廠、韓村尾礦庫和取土場規(guī)模不再擴大，但對地形地貌景觀破壞仍然為較嚴(yán)重；1號廢石場與2號廢石場仍需繼續(xù)排放廢石渣，且規(guī)模仍需擴大，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重；J4采區(qū)仍在進(jìn)行開采，仍存在塌陷坑塌現(xiàn)象，采坑邊坡、采區(qū)寬度和高度會進(jìn)一步加大，對地形地貌景觀破壞嚴(yán)重。

3.4 水土污染預(yù)測

礦山有較完善的回水設(shè)施(沉淀池、清水池、高位水池等)，生活污水經(jīng)SBR處理后達(dá)回用水標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)使用，除汛期外，對高都川河、陸渾水庫水質(zhì)基本沒有影響。礦山土壤環(huán)境污染狀監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，工業(yè)場地、廢渣等淋溶過程不會對周邊土壤環(huán)境造成污染，對地下水水質(zhì)無影響，故礦山生產(chǎn)對水土污染影響較輕。

3.5 土地?fù)p毀

礦山為井下開采，采用淺孔留礦法，全膠結(jié)/膠結(jié)+尾砂充填法回采礦體，利用廢石及時回填采空區(qū)，有效控制了地表塌陷造成的土地?fù)p毀，但仍有地表塌陷造成的土地?fù)p毀的可能。祁雨溝公峪金礦為正在生產(chǎn)礦山，3號廢石場規(guī)模不再擴大，1號廢石場與2號廢石場還要排放廢石渣，規(guī)模還要擴大，預(yù)計1號廢石場面積增大至1.2 hm2，2號廢石場面積增大至1.4 hm2，仍需占用大量的土地資源。

此外，礦山結(jié)束后，對工業(yè)場地和廢石場等進(jìn)行復(fù)墾，對其進(jìn)行覆土，需要就近取土，會造成一定程度的土地毀損。

4 地質(zhì)環(huán)境問題防治

4.1 礦山地質(zhì)環(huán)境治理分區(qū)

堅持“以人為本”，充分考慮區(qū)內(nèi)主要建設(shè)工程的重要性，劃分為重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)和一般防治區(qū)3個區(qū)(圖3)，其中重點防治區(qū)劃分了5個防治分區(qū)(表3)，總面積0.437 8 km2，次重點防治區(qū)劃分了4個防治分區(qū)，總面積約0.006 7 km2，其他區(qū)域為一般保護(hù)區(qū)，面積約3.615 9 km2。

圖3 礦山地質(zhì)環(huán)境治理分區(qū)Fig.3 Zoning map of mine geological environment treatment

表3 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理分區(qū)Tab.3 Zoning of mine geological environment protection and restoration

4.2 地質(zhì)災(zāi)害防治

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要為采礦造成的地面塌陷1處，可能引發(fā)和遭受的地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、泥石流和地面塌陷等。

(1)治理。礦區(qū)主要開采J5和J4礦體，J4采區(qū)存在地面塌陷，擬對塌陷坑邊坡削坡和挖廢渣清除危巖體處理，邊坡削成臺階，陷坑及平臺廢石和廢渣回填，平臺外緣修建擋水壩，陷坑周圍設(shè)置泄洪洞、擋水壩和排水溝(圖4)，利用排水，防止沖刷，保持水分，種植植物。1號廢石場與3號廢石場內(nèi)有可能引發(fā)泥石流災(zāi)害，修建擋墻與截水溝；2號廢石場邊坡較陡，有可能發(fā)生滑坡災(zāi)害，威脅炸藥庫人員與東風(fēng)井安全，設(shè)置3級平臺。

圖4 治理后地質(zhì)環(huán)境特征Fig.4 Geological environment characteristics after treatment

(2)預(yù)防。地下開采過程中，嚴(yán)格執(zhí)行開發(fā)方案，加強頂板控制和廢渣石回填采空區(qū)，避免地面塌陷、地裂縫的發(fā)生和地形地貌及土地資源的破壞；廢石場修建擋土墻，防止遭受崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的破壞。加強地面變形監(jiān)測，發(fā)生異?，F(xiàn)象及時分析和整理；防止地表水滲入地下巷道，威脅礦山安全；加強廢石和廢土的綜合利用，減少排土場土石量，源頭上避免泥石流的發(fā)生。

4.3 含水層防治

采礦對含水層結(jié)構(gòu)、地下水水位和水質(zhì)影響較小，故無需治理，主要以預(yù)防和礦坑水綜合利用為主。

開采過程中，加強探水和含水層封堵工作，安排合理工程措施封堵鉆孔揭穿地下水含水層和斷層突發(fā)水電，減輕對地下水破壞[15-16]。加強地下水水位和水質(zhì)及礦井排水量監(jiān)測，合理利用水資源，注意防水，避免礦坑水滲漏，監(jiān)督水必須經(jīng)過排水處理系統(tǒng)，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放；盡量減少棄渣石和棄渣的排放，防止地下水污染。

4.4 地形地貌景觀破壞

地下開采廢石盡量不出坑，及時充填采空區(qū)；避免生產(chǎn)運輸占用破壞臨時用地；采礦地面活動嚴(yán)格限制在工業(yè)場地內(nèi)；對周邊土地做好養(yǎng)護(hù)和修復(fù)(圖4(c)、圖4(d))；最大限度地減少對原生地形地貌景觀和土地資源的破壞。加強廢石和尾礦的綜合利用，減少排放量，降低對原生地形地貌景觀及土地資源的破壞。

4.5 水土環(huán)境防治

礦山為井下開采，礦山生產(chǎn)對水土污染影響較輕，以水土監(jiān)測為主，主要表現(xiàn)為：提高礦山廢水綜合利用率，減少有毒有害廢水排放，礦區(qū)外排水水質(zhì)必須達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，避免對周圍地表水和地下水環(huán)境造成污染；加強地表水、廢水、地下水及土壤的動態(tài)監(jiān)測，積極推進(jìn)礦區(qū)水土環(huán)境污染防治工作，減小水土環(huán)境污染程度。

4.6 土地?fù)p毀與復(fù)墾

祁雨溝公峪金礦復(fù)墾責(zé)任范圍面積17.37 hm2，其中，復(fù)墾有林地14.33 hm2，其他草地2.92 hm2，農(nóng)村道路0.12 hm2。

(1)治理。工業(yè)場地和炸藥庫區(qū)域總面積為3.89 hm2，復(fù)墾方向為有林地，主要措施包括種植穴換填土和植被重建等措施；1—3號廢石場堆渣平臺，總面積為2.49 hm2，復(fù)墾方向為有林地，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和植被重建等措施；1—3號廢石場堆渣邊坡，總面積為0.71 hm2，復(fù)墾方向為其他草地，主要措施包括覆土和植被重建等措施；J4礦體現(xiàn)存塌陷區(qū)邊坡經(jīng)削坡整理后邊坡坡度50°，由于露天采場邊坡坡度較大，表面無法自然附著土壤，僅在邊坡坡腳位置種植爬山虎來護(hù)坡。塌陷區(qū)邊坡復(fù)墾地類為其他草地，面積約0.97 hm2；J4礦體現(xiàn)存塌陷區(qū)塌陷坑經(jīng)廢渣回填、種植穴換填土后栽植刺槐綠化，復(fù)墾地類為有林地，面積約2.53 hm2，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和植被重建等措施；J4礦體現(xiàn)存露天采坑經(jīng)廢渣回填、種植穴換填土后栽植刺槐綠化，復(fù)墾地類為有林地，面積約2.36 hm2，主要措施包括土地平整、種植穴換填土和栽植刺槐等措施；擬塌陷區(qū)采礦用地邊生產(chǎn)邊充填，故損毀程度為輕度，復(fù)墾方向為有林地，面積0.32 hm2，主要措施包括種植穴換填土和植被重建等措施；露天采坑邊坡經(jīng)削坡整理后邊坡坡度50°，由于露天采場邊坡坡度較大，表面無法自然附著土壤，僅在邊坡坡腳位置種植爬山虎來護(hù)坡；擬塌陷區(qū)林地，仍復(fù)墾為有林地，對因塌陷造成缺苗和死苗的地方進(jìn)行補植，樹種以刺槐為主。

(2)預(yù)防。嚴(yán)格執(zhí)行礦山規(guī)劃生產(chǎn)布局，加強規(guī)劃和施工管理，各種生產(chǎn)活動嚴(yán)格控制在規(guī)劃區(qū)內(nèi)，各種運輸車輛規(guī)定固定路線，盡量縮小對土地的影響范圍；掘進(jìn)廢石盡量回填到采場內(nèi)，減少廢石出坑，防止出現(xiàn)地表塌陷及地表裂縫，此外，生態(tài)修復(fù)和道路規(guī)劃應(yīng)因地制宜，減少土地壓占[17]。

4.7 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

祁雨溝公峪金礦的生產(chǎn)將引發(fā)采空塌陷、崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害，從而對地下含水層、水土環(huán)境等產(chǎn)生影響，應(yīng)加強地質(zhì)災(zāi)害、含水層和水土污染的監(jiān)測和管理。

5 結(jié)論

(1)膠結(jié)尾砂充填法地下開采金礦主要環(huán)境為地面塌陷、地形地貌景觀的破壞和土地?fù)p毀等，潛在地質(zhì)環(huán)境問題為滑坡、泥石流和地面塌陷的發(fā)生、地形地貌景觀破壞和土地?fù)p毀的進(jìn)一步加劇。

(2)堅持“以人為本”，劃分為重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)和一般防治區(qū)3個區(qū)，并從恢復(fù)治理和預(yù)防角度，提出了相應(yīng)的防治和治理措施，既保證了礦山的正常生產(chǎn)，也盡量恢復(fù)和保護(hù)了自然環(huán)境。