河南省某铝土矿山地质灾害评估和生态修复

韩文斌

（中铝矿业有限公司，河南 郑州 450041）

河南省某铝土矿位于外方山系余脉的五指岭东北支脉和东南支脉的夹角地带，西、北、南三面群山耸立，中部丘陵起伏、丘谷交错，东部为河谷平原，地势由西北向东南倾斜，形如簸箕，山脉属外方山系向东延伸的支脉，是嵩山的组成部分，由西向东北及南方向延伸，构成了低山丘陵地貌，东部平坦，沿河有小块平原。本区地质构造属华北地台的组成部分，处于中朝淮地台南西部位的嵩箕山区，主要有东西向、北东向和北西向三条构造体系。

1 矿山地质环境

1.1 地层岩性

矿区内出露地层简单。绝大部分面积为第四系覆盖，只有零星的奥陶系、石炭系和二叠系露头。

（1）奥陶系(O)仅有两块露头分布于矿区东北部山来礓沟北，属于奥陶系中统马家沟组，且顶部出露不全。根据区域和钻孔资料，其岩性底部为灰黄色、黄绿色页岩夹透镜状泥质白云岩，由下而上透镜体夹层增多。沿走向及倾向厚度变化很小，层位稳定，可做为奥陶系与下伏寒武系区分的标志层；下部为硅化白云岩，砾砂屑白云质灰岩、角砾状灰岩；上部为白云质粉晶灰岩、粉晶灰岩及白云岩化泥晶灰岩（豹皮灰岩）,厚度约87.88m。

（2）石炭系（C）地表零星露头，出露在东北角山来礓沟，中部保安寨以及胡家门等地，划分为两个组：本溪组（C2b）、太原组（C2t）。

其中本溪组（C2b）自下而目可分为4个岩性段。

一段（C2b1），岩性由灰白、暗灰、暗紫及黄褐等色的含铁粘土岩和铁质粘土岩组成。下部以斑杂状铁质粘土岩为主，并含赤铁矿、褐铁矿的结核或团块，局部夹有形态不规则厚度不稳定的“山西式”铁矿。深部可见到菱铁矿和黄铁矿。少数部位底部有含铁较低的粘土岩。上部以含铁粘土岩为主，并夹有铁质粘土岩、粘土岩及薄层状、透镜状或漏斗状的碎屑状铝土矿（即下层铝土矿）。厚度0.49m～42.43m，平均8.04m。

二段（C2b2），岩性由浅灰色、灰白色、暗灰色粘土岩及粘土矿组成，夹有薄层状或透镜状的铁质粘土岩、含铁粘土岩及不规则团块状黄铁矿、鲕状菱铁矿等。厚度0.60m～11.00m，平均2.71m。

三段（C2b3），岩性由灰白色、灰绿色、暗灰色铝土矿、铝土岩及粘土矿组成，是矿区主要的工业矿层（上层铝土矿），一般为单层矿，局部2～3层。含植物化石。厚度0.41m～40.80m，平均8.72米。

四段（C2b4），岩性为：下部为灰白色、暗灰色粘土矿（岩）、铝土岩，厚度0.42m～3.70m，平均1.56m；中部为暗灰色、灰黑色、棕黄色含炭粘土岩和含铁粘土岩。厚度0.20m～5.18m，平均1.39m；上部为含碳较多的炭质粘土岩或煤线（层），局部夹有铁质粘土岩及粉砂质泥岩小薄层。厚度0.56m～4.03m，平均1.94m。

太原组（C2t），厚度为38米，自下而上分为三个岩性段。

下段（C2t1），下部为灰色，灰白色含生物碎屑粉晶灰岩；中部为灰白色含燧石团块（条带）生物碎屑灰岩与黑色燧石岩互层，夹黑色粘土岩、炭质粘土岩及薄煤层（线），局部煤层可采；上部为深灰色、灰黑色含生物碎屑灰岩；顶部常有一层燧石团块灰岩，局部燧石连续形成燧石层（或条带）。

中段（C2t2），中下部为灰白色、浅褐红色粘土岩、粉砂岩、含炭质粘土岩夹薄煤层；上部为灰白色、灰色细——中粒长石石英砂岩，砂质泥岩夹生物碎屑灰岩、燧石团块生物碎屑灰岩及燧石层。

上段（C2t3），为灰色、深灰色泥晶生物碎屑灰岩夹粘土岩或含炭粘土岩。下部质纯，上部常含燧石团块。

（3）二叠系（P）是矿区内的主要含煤地层。仅在矿区南部界河附近的沟谷中有零星露头，层位出露不全。自下而上分为两个组：

下统山西组（P1s），岩性下部为深灰色、灰黑色粘土岩、炭质粘土岩、炭质粉砂岩，含区内主要可采煤二1煤层，层位稳定，平均厚度4.31m，中部为灰白色、灰黄色中——粗粒长石石英砂岩（俗称大占砂岩），为二1煤层的直接或间接顶板。上部为灰黄色、浅灰色、灰色细——中粒长石石英砂岩及石英杂砂岩，顶部为灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩。厚度61.36m。

下统下石盒子组（P1x），岩性为灰色、灰绿色、灰黄色厚层状细——中粒长石石英砂岩，中部夹有灰色粘土岩，厚度30.75m。

（4）第四系（Q）区内第四系广泛分布于山前平坦地带，及山间沟谷之中，总覆盖面积约占全矿区面积的90%以上。

岩性下部为棕红色粉砂质亚粘土、粉砂质轻亚粘土，含钙质结核。底部含砾石层；中部以灰黄色粉砂质亚粘土、亚砂土、轻亚粘土为主，夹棕红色粘土，含砂砾石层；上部为青灰色砂、砾石、亚砂土和少量亚粘土等残坡积物，构成冲积层、河漫滩及河谷阶地。含钙质结核。厚度0.00m～33.75m。

图1 综合柱状图

图2 地质剖面图

1.2 地质构造

（1）矿区地质构造

本区是位于杨台向斜北翼，只包括该向斜的奥陶系中统马家沟组、石炭系中—上统，本溪组和太原组、二叠系山西组和下石盒子组，岩层走向近东西向南倾斜的单斜，倾角5～25度。矿区内断层和次一级褶皱不发育。

（2）地震与区域地壳稳定性

根据国家质量技术监督局发布的中华人民共和国国家标准GB18306—2015《中国地震动参数区划图》（河南省部分），本区地震动峰值加速度为0.1g，相应的基本烈度为Ⅶ度，其地震设防应为Ⅶ，表1为地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表。

表1 地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表

根据中国区域地壳稳定性研究成果，参照原地质矿产部《工程地质调查规范（1：10万～1：20万）》（ZBD14002-89）第8.5.2条规定，评估区区域地壳属较稳定区（表2）。

表2 区域地壳稳定性评价表

综上所述，结合区域构造，本矿构造复杂程度应为中等偏复杂。

1.3 工程地质条件

本区中奥陶统白云质灰岩属坚硬岩石岩组，平均厚87.88m，上石炭统太原组一段含燧石团块生物灰岩，平均厚12.41m。为本区主要工业铝土矿体的间接顶底板，其次为铝土矿。

本区含铝岩系中除铝土矿以外的岩石，是矿层的直接顶底板，软弱岩石岩组。其中顶板厚0.00m～1.76m，平均0.82m，底板厚度2.73m～24.19m，平均9.03m。

松散沉积岩组第四系粉砂质轻亚粘土、粉砂质重亚粘土，在区内大面积出露，厚度0.00m～33.75m，平均11.51m。

本区矿体结构简单，矿层（体）顶底板和矿床围岩稳固性中等，矿山工业场地地基稳定性好，工程地质类型为简单类型。

2 矿山现状

根据《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T0286-2015），本区地质灾害危险性评估的灾种主要包括：崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂缝和岩溶塌陷等地质灾害类型。

本区范围内由于矿产资源的露天开采，造成的矿山地质环境问题主要为山体整体破损，地形地貌景观严重破坏、压占和挖损土地资源，对当地生态环境造成巨大影响。采矿活动结束后形成高陡边坡存在着严重的地质灾害隐患。

现场未发现崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，质灾害发育程度弱，危害程度小，地质灾害危险性小。但治理区内露天所形成的露天采坑，基岩裸露，坡度均大多在50°左右，最大高差约60m；采坑内堆放多处废渣堆，废渣堆沿着治理区采坑壁堆放，堆放坡度约50°，堆放高度约30m。长期太阳暴晒、雨水冲刷等不利因素的影响下存在一定的崩塌、滑坡等安全隐患。

3 地质灾害预测评估

根据本区地形地貌特征、围岩岩土工程地质条件及矿山开发利用方案等，矿山开采可能引发的地质灾害为崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等地质灾害，矿山采矿活动集中在可采铝土矿体区域，矿渣回填在露天民采区及排土场，地质灾害预测评估主要针对上述区域。

3.1 露天开采评估

矿层的直接顶板大多数为本溪组四段的粘土矿、铝土岩、粘土岩及含铁粘土岩等，其次为太原组下段生物碎屑粉晶灰岩，少数为本溪组顶部标志层煤层、含炭质粘土岩，在靠近地表的局部地段，由于矿体被盖层剥蚀严重，矿层为第四系粉砂质亚粘土层所覆盖。矿层顶板（C2b4）在矿区内层位较稳定，铝土矿体的直接底板为C2b1、C2b2地层，岩性以粘土矿、粘土岩及铝土岩为主，含铁粘土岩及铁质粘土岩次之，露天开采在开采过程中部分地段形成较陡的临空面，危害程度中等，危险性等级中等。

3.2 地下开采评估

矿层直接顶、底板中的粘土岩、铝土岩、含铁粘土岩，抗压强度为17.9～151.3MPa，应属于软弱～半坚硬岩层，稳固性差。矿体间接顶板岩性为砂岩及泥岩等。灰岩裂隙岩溶发育，岩石破碎，局部完整，抗压强度为17.9～151.3MPa，岩层整体稳固性好。据其岩性组合特征，其工程地质分类划归为Ⅱ-Ⅲ类型。底板由中奥陶统灰岩、角砾状灰岩、白云质灰岩组成，其顶部风化严重，岩石坚硬，抗压强度为62.7～121.8MPa，岩层稳固性好。总的来说，区内矿体直接顶板不稳固，间接顶板稳固。矿区岩（矿）移动角为：表土层45°，基岩为70°。矿石松散系数为1.36～1.676，安息角为42°。根据矿体的分布特征及围岩的地层产状、工程地质条件，确定地表移动参数见表3。

表3 地表移动变形基本参数表

经计算预测矿区内地采区最大下沉值为4412mm，沉陷面积37.51hm2，最大倾斜值178.41mm/m，最大曲率值12.96mm/m，最大水平移动1323.58mm，最大水平变形81.35mm/m。

由于地下开采引起的地面塌陷是一个缓慢的动态过程，随着采矿规模的扩大，地下采空区也将不断扩大，在重力作用下造成地下岩体应力场改变，岩体产生变形和破坏，将出现大面积的地面塌陷并伴生地裂缝，对矿区内的耕地及道路产生严重破坏，塌陷区塌陷发育程度强，采矿引发采空塌陷的危害程度大。

4 生态修复工程

根据本区及其周围地质环境现状，结合矿山地质环境保护与恢复治理方案和土地复垦方案，本着“宜景则景、宜林则林、宜建则建”的原则，有效的改善治理区及周边矿山环境，主要措施为采坑回填压实、田坎、覆土、绿化等工程措施。

4.1 矿山地质环境治理工程

根据《河南省矿山地质环境恢复治理工程勘查、设计、施工技术要求》，结合当地有关部门意见，本区治理区域内矿山地质环境治理工程分为4个平台开挖回填，边坡按照1：1.75进行放坡。平台设计标高分别为：+295m平台、+290m平台、280m平台、+270m平台，回填的所需废渣来源于现有堆放的废渣量。

挖填方计算采用四点挖方（正方形）方格法网法进行计算。计算公式如下所示：

式中：a——方格网的边长（m）；

h1、h2、h3、h4——方格网四角点的施工高程（m），用绝对值带入；

Σh——填方或挖方施工高程的总和（m），用绝对值带入；

V——挖方或填方体积（m3）。

表4 矿山地质环境治理工程量一览表

4.2 土地复垦工程

废石回填至设计高度之后对其进行平整压实。平整压实之后对其进行表土覆盖，表土来源于本区露天采场前期剥离的表土，根据本区所在区域旱地的种植标准和实际经验设计，考虑到底部为铝土矿露采废石，为保证复垦效果，覆土时可先覆底土，再覆表土，覆盖厚度为0.8m，可满足农作物的生长需要。

经过计算，平台所需覆土量为11694.54m3。

表5 平台覆土工作量一览表

覆土后在治理区平台外侧修筑保水挡墙，防止水土流失，保水挡墙采用梯形截面，顶宽0.6m，底宽1.0m，高0.8m。修筑前首先对基面进行清理，分层夯实，每层夯实厚度不大于25cm，压实度不小于95%，高度偏差不大于2%。挡土坎断面见图3。修筑挡土坎长度约1331m，共需方量403.24m3。

图3 保水挡墙大样图

6 结束语

通过对本区地质开展生态修复工程，提高了林木覆盖率，同时，植树造林构成了稳定性强、生物生产能力高的生态系统，形成了经济合理的物质能量流，抵御夏季干热风对农作物的侵害。

生态修复工程完成后，可以减少水土流失，有效保护附近种植耕地和林草生长，扩大耕地面积，能够改善矿区周边环境，可以提升所在区域的对外形象，充分体现了“预防为主，防治结合”“在保护中开发，在开发中保护”“依靠科技进步，发展循环经济，建设绿色矿业”等矿山地质环境保护的基本原则。