历史遗留露天矿山地质环境问题现状及对策

摘要:通过对巩义市10个乡镇241个历史遗留矿山(采点)野外调查、综合调研，全面掌握历史遗留露天矿山地质灾害、地形地貌景观土地资源及含水层4个方面存在的问题，并进行归纳分析。根据位置、矿种、残留资源及周边情况等现状特征，因地制宜、分区综合治理，全域共划分为43个治理区，其中重点治理(开发式治理)区8个，一般治理区35个。针对不同治理区的特点，采取科学有效的工程、生态及生物技术措施，消除地质灾害，修复地形地貌、土地及植被资源，切实解决了矿山地质环境问题，改善了生态环境，为同类型矿山地质环境恢复治理提供示范和指导。

矿山地质环境是资源与环境的同一体，矿产资源是人类生存与发展的物质基础，而环境则是人类生存与发展的必要条件，矿产开采引发的矿产地质环境问题已经成为影响矿山生产和人居生态环境的重要因素。为实现矿产开发与环境保护并重的绿色矿业目标，需要在合理开发利用矿产资源的同时，最大限度地减少、减轻矿业开发对矿山地质环境的负面影响[1]。资源与环境有时互相影响、互相转化，矿产资源的不合理开发必然破坏矿山地质环境，而地质环境的恶化反过来又破坏矿山资源(如矿区土地资源、风景景观资源、水资源等)，唯有资源合理开发与环境保护协调的发展才是科学的发展[2-6]。

按照《巩义市矿山地质环境恢复和综合治理规划(2017—2025年)》，截至2017年9月，全市共有矿山(采点)283个，其中有证矿山42个，历史遗留矿山(采点)241个，露天矿山(采点)174个，占61.5%。目前，全市持证矿山38个，按矿产资源类型划分:能源矿山11个，金属矿山13个，建材及其他非金属矿山14个。为落实河南省委、省政府关于污染防治攻坚战部署要求，统筹露天矿山环保安全开发，有效保障矿产资源刚性需求，促进巩义市矿业经济全面转型升级和高质量发展，对全市范围内的责任主体灭失矿山进行地质环境恢复治理，开采矿种主要为铝土矿、建材灰岩及其他非金属矿。

1地质环境背景

1.1自然地理

该区属暖温带大陆性季风气候，光热充足，降水偏少，四季分明，平均气温15.33℃，平均降水量72.67mm，夏季降水占全年57.2%。地处我国第二、第三级地貌台阶胶结过渡带，地势东南高、西北低，分为构造侵蚀中低山、构造剥蚀丘陵、黄土丘陵、冲洪积倾斜平原4种地貌类型。

1.2地质条件

(1)地层。地层出露连续完整，主要有下元古界(Pt1)、中元古界(Pt2)、下古生界的寒武系(∈)、奥陶系(O)、上古生界的石炭系(C)、二叠系(P)、中生界的三叠系(T)、新生界的第四系(Q)等。自下而上:下元古界嵩山群(Pt1sh)罗汉洞组、五指岭组、庙坡组与花峪组;中元古界马鞍山群(Pt2mn)紫红色中厚—巨厚层状中—粗石英砂岩;下古生界寒武系下统(∈)辛集组和馒头组;寒武系中统(∈)馒斜、嵩山背斜、上庄向斜、盘龙尖背斜、宋岭背斜等;断裂构造以正断层为主，逆断层次之，主要分为北东、近东西、北西3个方向。区内新构造运动主要表现为新生代以来的间歇性抬升，第四系沉积物厚度不大，沟谷发育，剥蚀及流水侵蚀作用明显。

(2)构造。区域上位于华北地台嵩箕台隆北部边缘荥密背斜北翼，总体为一走向NWW—SEE、倾向15°左右、倾角一般小于10°的单斜构造，区内发育少量高角度正断层及滑动构造，地质构造较复杂。以断裂构造为主，褶皱构造不甚发育，褶皱构造多出露在南部的嵩山、五指岭一带，主要有五指岭复向抗压、抗剪能力强，直立性好。

(3)水文地质。该区地形南高北低，地层自南向北由老而新呈规律性变化。地层走向近东西，倾向北，出露齐全，南部分水岭地带为变质岩系，向北分别为碳酸盐岩沉积，河谷阶地、山前倾斜平原和丘陵区为松散岩类堆积。根据地下水埋藏条件、水理性质和水力特征，将调查区地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。矿山(采点)基本处于当地侵蚀基准面以上，有利于自然排水，地表基本无水体分布，露天开采对含水层及地下水影响较小。

(4)工程地质。岩石类型分为3类。Ⓒ坚硬厚层状中等岩溶化石灰岩(∈3+O):抗压强度一般为45～137MPa，坚固性系数为10，致密坚硬，力学强度高，抗风化能力强，岩溶发育则力学强度明显下降;Ⓒ较坚硬薄层状砂岩、页岩夹薄层灰岩(P2+C2):不同岩性岩石力学强度差异较大，软硬岩相间，抗压强度与抗风化强度差异明显，表层风化强烈，多破碎;Ⓒ坚硬—较坚硬石英岩、薄层状石英片岩、页岩(Pt+∈1+2):裂隙发育，导致力学强度各向异性，沿片理方向力学强度低，易风化开裂。土体类型分为3类。Ⓒ黏性土多层土体(Qal-pl):土质松散，粒间联结极弱，孔隙比大，透水性好，触变液化，力学强度低;Ⓒ黄土单层土体(Qeol):天然状态下土体力学强度较高，但遇水后强度急剧降低，具崩解性和湿陷性;Ⓒ黄土类单层土体(Qdl-pl):土质致密、坚硬，头组、张夏组，寒武系上统(∈3)崮山组、长山组及凤山组;奥陶系中统(O2)马家沟组;上古生界石炭系(C)本溪组、太原组;二叠系(P)山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组;中生界三叠系(T)刘家沟组;第四系—新生界(Q)分布广泛，主要有中更新统坡积—洪积层、上更新统冲积层、全新统冲积层。

1.3水文地质条件

巩义市地形南高北低，地层自南向北由老而新呈规律性变化。地层走向近东西、倾向北，出露齐全，南部分水岭地带为变质岩系，向北分别为碳酸盐岩沉积，河谷阶地、山前倾斜平原和丘陵区为松散岩类堆积。根据地下水埋藏条件、水理性质和水力特征，将调查区地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。

2矿山地质环境问题

改革开放以来，由于国家经济发展对矿产资源的需求量增大，造成对国有矿山企业的冲击，使得部分矿山片面追求经济效益而淡化安全意识和环境保护意识，加之开采技术及设备的相对落后，导致矿山环境不断恶化，矿山地质灾害问题日趋严重，由矿业引发的环境污染和生态破坏问题与日俱增[7-8]。地质环境调查是在充分收集和利用已有环境地质、水文地质、工程地质及地质灾害资料的基础上进行的，调查对象包括地质地貌、地下水与地表水、矿山基本概况、边坡变形的特征和分布规律、地裂缝和崩塌地质灾害分布情况，渣堆、采坑、高陡边坡等矿山地质环境问题。采用路线穿越法调查，调查过程中采集岩石样、水样、土壤样，进行力学性质及污染监测等相关试验。经调查，区内存在的主要矿山地质环境问题有以下4个方面。

2.1地质灾害

地质灾害是矿山地质环境问题的三大类型之一，巩义市铝土矿、建筑石料矿资源丰富，大规模开发形成的高陡边坡及废弃矿渣堆积，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的隐患大，且发生滑坡转化为泥石流的地质灾害链的可能性大。地质灾害链间转化问题是学科的边缘问题，也是前沿问题[9-10]。

(1)崩塌。铝土矿及灰岩矿开采过程中，未按露天矿台阶式的开采设计要求进行，遗留众多采坑采场，边坡坡度多70°以上或直立;或矿体掏挖形成负角度，后缘产生卸荷张裂缝。陡崖危岩体边坡在降雨、风化剥蚀及人类活动等外部因素作用下，容易发生崩塌。

(2)滑坡。铝土矿开采产生大量废弃矿渣，矿渣就原地、山坡或沟谷堆放，其结构松散，形成高陡不稳定斜坡，自重加自然风化、人工开挖破坏坡脚，遇有强降雨诱发，极易产生滑坡，威胁下方居民、建筑物和道路等安全。高陡边坡如图1所示。

(3)泥石流。调查区南部为中低山铝土矿采区，沟谷陡峭，纵坡度大，汇水面积较广，废渣多顺坡或沿沟堆积，堆存方量较大，若遇暴雨，堆存的松散渣土(石)在自身重力作用下，易形成泥石流，破坏性极大。

2.2地形地貌景观破坏

地形地貌景观破坏是矿山地质环境问题中地面变形的重要形式之一[11]，也是本区重点治理的地质环境问题，主要表现为以下2个方面。

(1)石料灰岩露天采场破坏地形地貌景观。石料灰岩、铝土矿露采场多形成数十米深凹陷采坑，裸露边坡造成山体破损，原始植被景观、地形地貌景观破坏严重，过去的山清水秀因滥采变成了满目疮痍的荒山。

(2)矿渣堆积破坏地形地貌景观。各类废弃矿渣或渣土，尤其是铝土矿开采产生的大量废弃渣石，沿沟谷或顺坡随意堆放压占，改变了原始地形地貌，破坏了植被景观。

2.3土地及植被资源破坏

土地及植被资源破坏是矿山地质环境问题中资源损毁的主要形式[5]，主要表现为矿产开采将上覆岩层和表土剥离后形成的废弃采矿边坡与采坑造成土地植被资源挖损及矿渣堆放产生的压占。这些土地长期不能发挥效益，植被自然恢复难度大(表1)。

2.4含水层破坏

调查区含水层主要为铝土矿底板直接充水的奥陶系灰岩含水层，厚度1.05～12.5m，以及顶板直接充水含水层的太原组灰岩含水层，露天矿山基本处于当地最低侵蚀基准面以上，采坑未见含水层溢流。因此，对含水层的破坏较小，不影响深部含水层富水性。

3矿山现状及治理分区

3.1矿山现状

巩义市矿产资源丰富，采矿业在对全市经济社会发展起到重要支撑作用的同时，也对矿山地质环境造成了破坏。随着地表矿产的锐减，矿产资源开采深度的逐步加大，特别是早期受“有水快流”思想的影响，矿业开发一哄而上，各种类型、各种规模的矿山企业一齐上，开采一度进入无序状态。建筑灰岩矿及浅部铝土矿无节制的开挖，遗留的矿坑和堆渣，使得局部地貌形态完全改变，影响了当地生态环境和自然景观，所诱发的矿山环境地质问题逐渐增多，其危害程度逐渐加大。1990年以后，为规范开采，当地政府进行了资源整合，由于采矿企业仍没有相应的环境保护措施，致使该矿区地质环境进一步恶化。2006年以来，巩义市国土资源局按照上级有关精神逐步对相关采矿企业采取了关停措施，部分矿山成为无责任人的废弃矿山。

3.2治理分区

矿种、残留资源及周边情况等现状特征，以乡镇为单位，因地制宜、归集分区综合治理，全域共分43个治理区，其中重点治理区8个，一般治理区35个。矿山环境治理模式是针对治理对象特性、具有特定功能的若干方法的组合，模式的选择应当目标明确、针对性强、技术先进、经济合理。重点治理区采取强工程治理模式，传统工程治理为主，生态及生物措施为辅，适用于土地资源破坏及次生地质灾害严重的矿区，重点解决矿山环境问题稳定性突出的治理对象。一般治理区采取强生态治理模式，改善受损的生态系统功能，提高系统的总体生产力和稳定性，生态恢复技术为主，工程及生物措施为辅，适用于景观和环境破坏严重的矿区，水土流失、地貌景观破坏等矿山环境问题突出的治理对象，目的是恢复受损的生态系统功能。

3.2.1重点治理区

根据《河南省露天矿山综合整治三年行动计划(2018—2020年)实施方案》(豫政[2018]30号)精神，要创新露天矿山治理模式，对建筑石料矿开采中形成高陡边坡且视觉污染严重的残留山体，经严格规划设计、项目论证、社会公示并经省辖市或省直管县市级人民政府批准，通过整体降坡或整体采平等方式实施开发式治理，治理出的土地指标可作为工矿废弃地复垦利用或占补平衡指标使用或交易，指标收益可按规定用于矿山环境恢复治理。治理动用矿石总量在50万t以下的，可通过地质环境保护治理、生态环境修复治理和全域土地综合整治等项目进行治理;动用矿石总量在50万t以上的，可不受储量规模和生产规模准入条件限制设置采矿权进行治理。重点治理区主要针对灰岩矿开采遗留的高陡边坡且视觉污染严重的残留山体，采取的治理方式主要为台阶式降坡或整体采平，后对场地进行垫渣平整，覆土后复垦或复绿。治理中产出一定规模的建筑石料灰岩矿，创造的经济收益用以弥补一般治理区的治理费用。

3.2.2一般治理区

一般治理区可归纳为以下4种类型[11-14]。

(1)自然恢复及半自然恢复区。根据《巩义市矿山地质环境恢复和综合治理规划》(2017—2025年)中“对历史遗留能够自然恢复的矿山，应明确开采方式、破坏面积与地类，自然恢复的区域是否需要采取辅助恢复治理措施等”的要求，对已基本自然恢复区采用自然恢复的方式进行恢复，半自然恢复区采取加以辅助治理措施的方式予以加快恢复.