福建永安灰岩矿山露采区地质环境破坏及治理

2018-04-09黄光明

厦门理工学院学报 2018年1期

黄光明

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉 430074；2.福建省煤田地质勘查院，福建福州 350005)

近年来，对矿山的环境问题及治理保护越来越重视，已有较多针对矿山环境问题的宏观研究见诸文献[1-3]，提出了分区治理方法并论述了生态恢复的可行性。福建省也加大了绿色生态环境的建设力度，黄毓明[4]在福建省矿山环境及区划研究中明确指出永安灰岩矿山地质环境为严重区，亟需投入较大的人力物力进行治理，以改善当地矿山生态环境；程庆展[5 ]、张业智等[6]、饶如龙等[7]、姜宏汝等[8]分别从机制、法制、政策、资金保障、技术等方面对矿山环境生态治理进行研究与探讨，如实行相关制度,对环境破坏严重的矿山采取闭坑,建立专门的基金实施矿山土地复垦等。

灰岩矿山环境问题现严重影响我国的生态环境，也引起国家的高度重视，虽然前人已从不同视角取得了一定的研究成果，但灰岩矿山地质环境是一个开放的系统[9]，受区域地质条件、气候背景、人类采矿活动强度及开采方式、开发程度等多因素影响，表现出不同的生态环境问题及特点，其治理方式和综合利用规划需经具体分析方可拟定。福建省永安市灰岩采区多位于永安曹远一大湖盆地内，灰岩作为重要的工业用料，为永安地方经济建设做出了较大的贡献。与此同时，由于前期粗放式开采遗留下较多的废弃矿坑，引起一系列环境破坏问题。主要的破坏表现为灰岩露采场形成的高陡边坡呈“鬼剃头”状，植被破坏，严重影响地貌景观，并引起水土流失，也隐藏着崩塌、滑坡的隐患；废渣弃土不合理占地既浪费了土地资源，也成为了泥石流隐患。本文在充分收集研究区灰岩露采区地质资料的基础上，结合三明城市地质调查项目野外调查及室内试验情况，针对所暴露的地质环境问题、生态治理的影响因素、综合利用措施进行研究和讨论。

1　矿区自然地理与地质环境背景

1.1　自然地理条件

永安市位于福建省中部，地处武夷山脉和戴云山脉之间，属中亚热带季风气候。受大陆性和海洋性季风的影响，区内气候温暖潮湿、降水充沛、四季分明，多年平均降水量1 587.6～1 855.2 mm，雨量具有年、季节的变化，3—9月份降水量占全年的73.51%；其中5—6月份降水量占全年35.11%，7—9月多为台风降雨，短时降雨量大且集中，暴雨极易引发山洪。

1.2　地质环境背景

区内岩溶现象发育，岩溶作用以侵蚀-剥蚀作用为主，为中-强岩溶发育，地貌上为以岩溶洼地、溶蚀残丘为主的岩溶盆地，岩溶洼地标高多在215.0 m左右，溶蚀残丘山顶标高多在320～425 m，地下溶洞呈成层发育，其中在标高200～220 m溶洞发育较为密集。区内地下水类型为碳酸岩岩溶水，据调查，水位标高多在210.0 m左右，区域侵蚀基准面在210.0 m左右。矿区内出露的地层主要为二叠纪地层和第四纪地层(见图1)，分述如下：

1)早二叠纪船山组(P1c)：灰、灰白色厚层质纯微晶灰岩、生物屑灰岩，产状SE115～120°，<18～25°，厚度220 m。

2)中二叠纪栖霞组(P2q)：深灰-灰黑色中薄层含燧石微晶灰岩、生物屑灰岩，产状SE125～136°，<20～30°，厚度486 m。

3)中二叠纪文笔山组(P2w)：灰、灰黑色薄-中厚层泥页岩、粉砂岩夹少量细砂岩。

4)第四系红粘土(Qel)：为灰岩风化、溶余物，分布广泛。含有未风化完全的灰岩角砾；具大孔隙，厚度0～35 m。

1.3　矿区主要地质环境问题及危害

矿区内主要开采对象为溶蚀丘陵体，基本为山坡露天阶梯式开采，展布标高为215.00～401.44 m，其中多数处于215～225 m和245～250 m两个标高平台处。由于矿山开采时存在着采富弃贫、乱采滥挖的现象，废弃后遗留下不同高度、坡度的人工切坡、采坑，同时产生了大量的废渣，占用了土地，易引发地质灾害，加剧了区内的矿山地质环境问题(图2)。

武强[10]在研究我国矿山环境问题的性质和影响时将矿山环境问题分为:三废问题、地面变形问题、矿山排(突)水和供水与生态环保的矛盾问题、水土流失和荒漠化(石漠化)等五大类。矿山的开采开发对于周边环境的影响首先体现为对岩、土和植被的原始状态进行了改变，其次对土地资源造成了破坏(占用)并可能引发次生地质灾害。根据本次野外调查情况，现将研究区内灰岩矿山环境问题及其诱发的综合环境效应划分为3大类(表1)，即:占用与破坏土地资源、矿山次生地质灾害以及自然景观与生态破坏。

表1　矿山地质环境问题及综合环境效应分析Table 1　Problems of environmental geology in mines and environmental effects

如表1所示，由于露天无序开采、开挖、爆破造成了自然景观破坏、生态系统失衡、土地资源占用及破坏、次生地质灾害隐患等诸多环境问题。据《2014年福建省永安市地质灾害详细调查成果报告》[11]及本次研究的野外测绘调查成果，区内对土地资源的占用破坏达97.78 hm2，产生崩塌12处、滑坡2处、泥石流1处、水土流失等，开发区域水土流失面积约占总水土流失面积的2%，对周边的生态环境造成了一定的破坏，在土地资源破坏、水土流失、次生地质灾害等方面的问题较为严重[4，6]。

2　灰岩矿区地质环境问题特性分析

灰岩露采矿山与其它类型露天矿山引发的地质环境问题存在共性，其生态修复治理效果的影响因素都包含矿山边坡稳定、弃土(渣)场稳定、采坑治理、环境污染治理和植被恢复等多个方面。但另一方面，灰岩矿山又因其岩性特征而有所区别，即灰岩矿山在不同的区域地质条件和气候背景下易产生差异性岩溶溶蚀，这将很大程度上影响到灰岩露采矿山生态修复治理的有效性和长效性。

灰岩的溶蚀速率主要受岩性成分、裂隙发育情况、水文地质条件、气候条件等因素控制。本次研究矿区内灰岩地球化学主要成分(质量分数)分析结果如表2所示。

表2　研究区内灰岩主要成分Table 2　Main compositions of limestone in the surface mining area

表2中，样号与图1中“采样点”对应，CaO/MgO为影响岩溶发育的主要岩性成分指标，研究区内灰岩CaO/MgO比值范围99.36～204.48，平均值为154.15，据赵吉发[12]研究，当CaO/MgO值大于10时其相对溶解度趋于1，将有利于岩溶发育，这与该区域内已剥露的灰岩岩溶现象(溶沟、石芽)异常发育基本吻合(图2)。在裂隙发育方面，灰岩矿山的开采过程中对原始岩体产生了破坏，遗留下破碎的岩面，裂隙发育，在一定的气候条件下，有利于岩溶发育。在水文、气候方面，区内受亚热带季风气候作用，3—9月份降水量占全年的70%，雨量分布不均，在引发季节性物理干旱、严重限制成土速率和植被生长[13]的同时，也造成雨季大强度集中降水对岩面的剧烈冲刷侵蚀，进而引起岩体崩落。另外出于生态复绿需要在岩面上覆盖种植的各类植物，其凋零物经过腐化和微生物分解产生有机酸和CO2，酸性物质同雨水结合后渗入岩石裂隙中，进行缓慢溶蚀，受损岩面在应力-水流-化学的耦合作用下更加容易产生溶蚀和力学性质变化[14]。因而在治理时尤其需要考虑灰岩可溶性这一特性，岩溶的发育将严重影响边坡的稳定性及治理的长效性。

由于区内灰岩主要成分为CaO，能够引起环境污染的重金属及其他有害物含量极低(表2)，故灰岩矿山弃土(石)场不存在重金属污染等问题，但对土地资源的大量占用、浪费仍然需要予以重视，在综合治理及应用中需要重视的是生态修复有效性及综合利用的风险控制。场内弃土与灰岩碎石混合，平整度差，自然状态下成土率低，植被覆盖有限，在强度变化较大的雨水冲刷下，极易产生严重水土流失，从而引发荒漠化问题。因而在进行场地修复时，除进行必要的平整处理、工程稳定处理外，还应重视客土回填厚度把握和植被引种的选取，以保证植物的成活率和固土有效性。

3　灰岩矿区生态治理措施探讨

依据前文的讨论，研究区灰岩矿山环境治理应综合考虑灰岩在一定的气候下有溶蚀的作用特殊性，采用分区治理模式[2]，将治理的有效性、长效性相结合，将矿石开采对地质环境所造成的影响降到最低。在进行矿山生态环境治理时，各方应结合矿山工程地质条件，并在《环境保护法》《矿产资源法》《福建省矿山环境保护管理条例》《水土保护法》《地质灾害防治管理办法》等法律、法规框架下开展设计施工，进行边坡稳定支护、土地复垦、地貌景观改善、废弃矿山综合利用等[15]。

3.1　开采面边坡治理措施

区内灰岩矿山宕口边坡含基岩、土质、土岩混合边坡(图2)3类，各类边坡性质差异较大，边坡治理应按不同类型区别对待。

针对岩质边坡，治理措施为：(1)处理边坡上的危岩。要详细调查岩层倾向、倾角、裂隙发育情况、边坡形态等影响稳定性的要素，并进行稳定性分析，及时清除露采坡面的危石，防止发生岩块崩落、滚落等崩塌地质灾害；(2)在边坡的上方修建截排水沟，防止水流强烈冲刷边坡。(3)施工SNS被动防护网。由于当地气候影响区内有利岩溶作用，受降雨及植物腐植酸影响，溶蚀作用强烈，采场岩面不可避免地产生落石，建议采用SNS被动防护网进行治理。SNS柔性防护网通过局部锚固，形成栅栏式的拦石网，此种防护网允许落石在相对限制空间内顺坡滚落至坡脚或坡上平台[16]，能够有效拦截因长期岩溶作用而形成的滚石，保证边坡稳定的长效性。图3是SNS被动防护网及植被混凝土复绿边坡示意图。(4)喷植被混凝土进行坡体绿化，以复绿采场边坡。植被混凝土施工技术要点：将植被混凝土原料喷射到岩石坡面，厚度控制在8～10 cm。喷射完毕后，覆盖纺布防晒保墒，经过养护可在坡面形成植被覆盖[17-19]。

土质边坡、土岩混合边坡的支挡工程措施包括挡墙、抗滑桩、锚索框架(地梁)等。区内该类边坡宜采用下部挡墙、上部锚索框架格构，在保证边坡稳定的同时也对恢复植被及美化环境有利。具体恢复治理措施为：(1)对边坡进行修整；(2)下部施工挡土墙，高度6～8 m，上部施工锚索框架格构；(3)在边坡的上方修建截排水沟，防止冲刷边坡；(4)对边坡进行坡体绿化，混种草、灌木，灌木为胡枝子、多花木蓝等植物，以防止表土溜滑、地表水入渗及冲刷边坡，平台施种马尾松以复绿采场。

3.2　弃土(石)场治理措施

区内土地资源框架为“八山一水一分田”，土地资源捉襟见肘。目前当地正在实施三明生态工贸区永安贡川园建设，用地更为紧张。对于已废弃的采场及弃渣堆场建议按不同标高段215～225 m、245～250 m分别进行利用。

针对标高215～225 m的采场，依照政策对区内采场及弃渣堆场的无证、有证矿山进行了关停闭坑，并不再续期。关闭后的采场及堆场可考虑作为建设用地，以避免与耕地竞争。为更好地解决矿山生态环境恢复治理资金来源，更好地实现土地资源利用，可尝试建立“谁治理、谁受益”的治理制度，达到经济效益与环境效益的互利互赢。

针对245～250 m的采场及弃渣堆场，宜采用土地复垦进行恢复治理，治理目标为林地，可选择植草、灌木、乔木的立体植被模式[20]，树种为马尾松，灌木为胡枝子[21]。具体有如下4条恢复措施。(1)平整场地。对场地进行适当平整，坡度≤5°。(2)修建截排水沟。在堆场的四周和采场内侧(采场边坡的下侧)分别修建排水沟，防止冲刷造成水土流失。(3)覆土。覆土整平，达到恢复土地植种的功能，按照乔木(马尾松) 覆土标准0.60 m进行覆土，并施基肥。(4)生物措施。按草、灌木、乔木的立体植被模式进行种植(图4)。

3.3　治理模式的推广应用

灰岩露采矿山在不同的区域地质条件和气候背景下产生不同强度的岩溶溶蚀作用，尤其在亚热带降雨充沛区域内，气候极有利于灰岩矿山的岩溶作用，易使灰岩开采边坡在岩溶溶蚀下失稳产生崩塌掉块隐患，并在很大程度上影响灰岩露采矿山地质环境治理的有效性和长效性。由于矿山环境是一开放的系统，灰岩矿山地质环境治理因地制夷是关键，并把当地社会经济发展和土地综合开发利用需求作为矿山生态治理的重点目标。福建处于亚热带降雨充沛区，省内其它地区的露采灰岩矿山可参照此模式进行治理，使矿山开采活动破坏和影响的地质环境得到治理，破坏和压占的土地资源得到恢复，更长效性地消除地质灾害隐患和恢复美丽生态环境。

此外，由于区内降雨充沛，地表径流相对稳定，构造断裂发育，溶蚀作用强烈，建议选择适当区域建立灰岩矿山生态恢复治理实验室，将裸露的未治理区和已治理区进行综合对比，采集相关数据，对治理措施进行实效性评价，并指导其它区域类似矿山的治理。

4　结论

本文结合基础地质资料和野外调查、采样试验分析成果，探讨了永安灰岩露采区矿山环境破坏问题、治理措施的有效性和长效性，得到以下结论：

1)区内存在的灰岩矿山环境问题及其环境效应主要有3大类：占用与破坏土地资源、矿山次生地质灾害以及自然景观与生态破坏，其中在土地资源破坏、水土流失、次生地质灾害等方面的问题较为严重。

2)区内灰岩矿山露采区受岩性成分、裂隙发育情况、水文地质条件、气候条件等因素控制，岩溶作用强烈，持续造成边坡不稳、水土流失以及荒漠化等问题，严重影响治理长效性，因而在综合治理时应着重将有效性和长效性紧密结合。

3)针对不同的边坡类型采取相应的治理措施：岩质边坡采用SNS被动防护网和植被混凝土进行坡体绿化，土质边坡、土岩混合边坡采用下部挡墙、上部锚索框架格构，在美化环境的同时保证边坡稳定。

4)对已废弃的采场和弃渣堆场应依据政策导向、标高条件及土地资源需求进行综合利用。高程较低(215～225 m)的采场可开发为建设用地，高程较高(245～250 m)的采场可经过平整、截排水沟修建、覆土和生物绿化后恢复为林地。选取适当区域建立实验室，加强对生态修复综合治理及地下水岩溶作用的研究，为矿山生态修复治理、综合利用规划及城市建设提供依据。

5)在亚热带降雨充沛区域的露采灰岩矿山，应充分考虑灰岩可溶性对灰岩边坡稳定性影响，采用分区治理模式，并根据矿山的实际情况因地制夷进行地质生态综合治理，实现灰岩露采矿山生态综合治理与当地社会经济发展和土地综合开发利用相适应。

致谢：感谢三明城市地质调查项目组成员参加野外调查及资料整理，同时感谢永安市国土资源局的工作人员在此工作中给予的协助。

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