天祝县华藏寺冰岭沟石膏矿地质环境问题及治理对策探讨

庞朋朋，郭振斌，张立勋

(中冶一局城市安全与地下空间研究院有限公司，河北 秦皇岛 066000)

0 前 言

祁连山自然保护区是我国西北最重要的生态屏障，是整个河西走廊地区赖以生存、维系健康发展的重要源泉[1]。矿区位于祁连山自然保护区外围，祁连山区域的东段，区内海拔高，自然气候条件区域差异大，地质环境脆弱[2]。矿区自20世纪50年代以来，长期无序地开发，忽视了对矿山地质环境的保护，使矿山地质环境遭受严重破坏，引发了一系列严重的矿山地质环境问题，成为制约天祝县经济发展的重要因素[3-5]。近年来随着国家对生态文明建设的重视，该矿山属政策性关闭矿山并提出恢复治理措施。

大量学者对于矿山地质环境恢复与治理的方法进行了研究，如戴兴等[1]矿山地质环境治理工程技术研究；田安家等[3]对某矿山实施边坡治理、废弃矿坑填埋、地形地貌景观植被修复、土矿废弃地整治等措施；原振雷等[6]矿产资源开发区生态环境问题及其防治，上述研究均以矿山复绿为首要目标。通过矿山生态地质环境现状调查，并对矿业活动引发的具体地质环境问题进行评价，采取挡墙护坡、削坡减载、土地平整、植被恢复等工程技术手段，对开采后遗留的采坑、高陡边坡、弃渣堆积、植被破坏等矿区地质环境问题进行治理和修复，消除地质灾害隐患[7]，改善区域生态环境，实现生态系统的良性循环和总体治理目标[8]。

1 地质环境特征

1.1 地形地貌

冰岭沟石膏矿区位于石门河右岸一级支沟冰岭沟左侧斜坡地带，地貌为构造-侵蚀低中山丘陵地貌。地势总体西高东低，地形起伏变化较大，山坡坡度一般10°～30°，局部地段坡大于35°。山体整体呈南北向展布，地形切割较强烈，形成多条南北向沟谷，沟道横断面多呈“V”字形。坡面植被由东向西逐渐变差，加之人类工程活动影响，致使区内部分区域裸露。

1.2 地层岩性

矿区及周边出露地层主要有石炭系，广泛分布勘查区矿山山体，矿区山体中上部均有出露，岩性以深灰色厚层灰岩等为主。岩相变化较大，与下伏地层呈不整合接触，表层较强风化，厚度一般1～5 m，节理裂隙较发育，实测产状58°∠55°，出露厚度一般20～50 m。第四系主要为全新统冲洪积物。

1.3 地质构造与地震

1.3.1 地质构造

矿区在大地构造上位于祁吕弧形褶皱带(一级构造单元)，二级构造单元分属于北祁连多字型构造系、陇西帚状构造系和河西构造系3个构造体系。项目区主要由一系列北北西向的新生带隆起带和坳陷带组成，其中武威-天祝-窑街的坳陷带经过区内。

1.3.2 新构造运动与地震

矿区新构造运动是老构造运动的继续，区内主要断裂大都在加里东期形成。根据现有地震资料，已证明这些断裂至今大都有明显的活动性。依据全国第二代地震区划图甘肃省地震区带的划分，调查区位于青藏高原北部地震区，祁连山地震亚区。地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应普特征周期为0.45 s。

2 地质条件

2.1 水文地质条件

根据地下水的分布、赋存条件和含水介质性质及水动力特征，并结合野外调查和区内已有相关资料，将区内地下水划分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水2种类型。调查期间矿区内未见地下水出露，采矿活动未破坏地下含水层。

2.2 工程地质条件

对矿区岩体建造类型、岩体结构、岩相类型及其力学性质进行划分，岩体属坚硬-较坚硬层状碳酸盐岩组，岩性以灰白色灰岩、砂岩等为主，岩相变化较大，整体致密坚硬，为较好的工程地质岩组。矿区土体为人工堆积物，一般土体主要有碎石土，粉土和砂砾卵石双层结构土体。

3 矿区环境地质现状及评估

天祝县冰岭沟石膏矿属露天采矿，在矿山长期矿业活动过程中，由于缺乏对生态环境的保护措施，致使矿区植被遭到严重破坏，特别是大量的渣堆无序堆放严重破坏了矿区的生态环境，导致水土流失严重，地表及植被遭受严重破坏[9-10]。区内矿山地质环境问题主要表现在以下4个方面：①矿业活动引发地质灾害；②矿业活动对含水层的影响；③矿业活动对地形地貌景观的影响；④矿业活动对土地资源破坏。

经调查矿区范围内共发育1处不稳定斜坡，因采矿活动开挖而成，属岩质边坡，其破坏方式为潜崩，坡高为35～75 m，宽为119 m，坡度一般30°～75°；区内矿山矿区范围共分布4处渣堆，其中2处渣堆位于采坑内，因采矿活动对土地资源造成了挖损和压占破坏，破坏的土地类型均属草地，破坏总面积约4.29 hm2，其中，挖损总面积约2.23 hm2(山体挖损破坏面积0.71 hm2，采坑挖损面积约1.39 hm2，道路挖损面积0.13 hm2)，压占总面积约2.06 hm2。矿区采坑位于地下水位以上，未造成地下含水层的破坏。综合判定，矿业活动对矿山地质环境影响程度为严重。

3.1 矿业活动引发地质灾害

矿区因采矿开挖形成不稳定斜坡1处X1，属岩质斜坡，由灰岩组成，坡高35～75 m，宽约245 m，坡度为30°～75°。斜坡局部坡段存在孤立的危岩体，其危岩体临空，坡顶局部发育2条裂缝，分别位于不稳定斜坡南北两端，距离坡肩约0.5～2.0 m，裂缝宽5～8 cm，长度5～10 m，裂缝深度0.5～1.0 m，局部发生崩塌的可能性较大。该斜坡破坏方式以潜崩为主，平均厚度0.25～0.4 m，体积约0.34×104m3，规模等级属小型。组成坡体的基岩节理裂隙发育，其节理裂隙充填碎块或无充填，节理面较破碎；部分岩体被节理面切割呈条块状、块状、碎块状，底部悬空，实测节理产状58°∠55°。经调查发现，该斜坡体坡面存在危岩体，凌乱分布于采坑西侧坡面，时有掉块、落石现象发生(见图1)。

图1 不稳定斜坡全貌及裂缝、危岩体分布

综合分析不稳定斜坡现状稳定性较差，在降水、地震、人类工程活动等不利条件下，整体发生崩塌的可能性小，局部发生崩塌灾害的可能性较大。威胁坡脚一带临时过往行人以及后期矿山治理期间施工人员、设备等的安全，潜在威胁可造成财产损失5万元～10万元，威胁人数1～3人，险情等级为小型，综合判定地质灾害对环境的影响程度较轻。

3.2 矿业活动对含水层的影响

采矿过程中无地下水溢出，采坑在地下水位以上，未造成地下含水层的破坏；矿区及周围地表水体未漏失，矿区内出露矿石及矿渣含有的CaSO4微溶于水，在常温情况下不会分解产生SO2，未影响到矿区周围生产生活供水。故矿业活动对含水层造成的影响程度较轻。

3.3 矿业活动对地形地貌景观的影响

矿山地形地貌景观破坏主要表现在挖损坡体、修建道路以及渣堆压占等方面(见图2)，挖损破坏总面积约2.23 hm2。其中，挖损山体形成坡高一般35～75 m，宽约119 m的不稳定斜坡，该斜坡整体高陡局部临空，坡度一般30°～75°，山体挖损破坏面积0.71 hm2，采坑挖损面积约1.39 hm2，挖损对山体的完整性、原始性造成了破坏；矿山开采前期，修建一宽度约5 m，长度约260 m的矿山道路，对道路沿线整体完整性造成了破坏，挖损面积0.13 hm2，矿区内分布的4处渣堆顺坡或掌子面坡脚一带无序堆放，堆积长度一般20～167 m，宽度一般12～128 m，堆积高度一般1～12 m，渣堆压占总面积约2.06 hm2，渣堆对矿区内整体观赏性造成了破坏。矿业活动对矿区原生景观影响和破坏程度大，综合判定矿业活动对矿区内的地形地貌景观的影响程度严重[10]。

图2 矿区地形地貌景观破坏情况

3.4 矿业活动对土地资源破坏

冰岭沟石膏矿采矿方式为露天开采，造成基岩大面积裸露，临空面大大增加，采矿弃渣大量堆放于矿区周边，压占草地资源，对矿区生态环境造成了严重的破坏。经调查，矿区内对土地资源造成的挖损和压占破坏面积约4.29 hm2，均为草地。

3.4.1 挖损破坏

矿区范围内挖损破坏的地方共有3处，其中1处为矿区山体坡面挖损，1处为采坑挖损，1处为矿区道路挖损，破坏总面积约2.23 hm2(见表1)。山体挖损坡面宽度约227 m，长度22～40 m，坡度35°～75°，挖损面积约0.71 hm2；采坑宽度约207 m，长度55～80 m，深度16～20 m，采坑挖损面积约1.39 hm2；矿山修建一宽度约5 m，长度约260.0 m的矿山道路，道路右侧坡脚形成高1～2 m的陡坎，挖损面积约0.13 hm2。

表1 冰岭沟石膏矿矿区挖损破坏统计表

3.4.2 压占破坏

矿区内矿业活动对土地资源的压占破坏主要表现在渣堆顺坡或沿坡脚一带无序堆放，对原生草地造成了严重破坏，压占的废渣成分主要以碎石土为主，碎石粒径一般2～20 cm，最大达120 cm。矿区范围内共分布4处渣堆。其中2处位于采坑底部，未压占土地资源；2处压占土地资源渣堆长度一般85～175 m，宽度一般35～110 m，堆积高度一般2～13 m，渣堆压占总面积2.06 hm2，渣堆压占总体积约148 130 m3。

4 矿区地质环境防治

根据矿山存在的地质环境问题以及危害范围、破坏方式等，按照因地制宜、景观相似性原则开展恢复治理工作，包括清理危岩+平整渣堆、回填采坑+覆土绿化+围栏防护等措施[7-8]。

4.1 清理危岩

冰岭沟石膏矿矿区发育不稳定斜坡特征与危害特征，为防止坡体危岩崩落，结合矿区周边地形条件以及植被分布情况，按照因地制宜、景观相似性原则，首先对矿区西侧不稳定斜坡体坡面危岩、浮石进行清理(见图3)，特别是对斜坡上部2条裂缝进行清理，由于裂缝距离坡肩约0.5～2.0 m，裂缝宽5～8 cm，长度5～10 m，且裂缝为采矿期间开挖山体形成的山体表面的浅层裂缝，未贯穿整个坡面，故本次消除裂缝即可。根据坡面危岩体发育与分布特征(见表2)，危岩清理宽度270 m，平均厚度约0.2～0.4 m，清理面积约11 810 m2，清理危岩体积约3 445 m3，清理方式为人工清理。

表2 清理危岩工程量表

4.2 平整渣堆、回填采坑工程

4.2.1 平整渣堆工程

根据冰岭沟石膏矿矿区渣堆分布、堆积厚度、采坑回填以及破坏范围等，结合矿区地形条件，开展治理工程。由于渣堆顺坡无序堆放且堆积厚度大、破坏面积大，结合采坑回填的要求，采取分级平整措施进行治理，平整工程分三级进行治理[9]。自下至上布置2条马道，马道宽度一般为2.0 m，一、二级马道控制高程分别为2 795.80 m、2 803.80 m，坡脚高程依据现状确定；自坡脚起，第一级坡现状坡率较缓，依据地形平整渣堆，设计坡高4.0～17.0 m，设计坡率为1∶2.5～1∶3.6；第二级坡设计坡高8.0 m，坡率为1∶2.5～1∶3.5；第三级坡平整至采坑回填东侧边缘，坡肩高程为2 811.0 m，南北两侧高程依据实际情况确定，设计第三级坡高7.2 m，坡率为1∶3～1∶8.5；设计采坑回填平整后，采坑西侧斜坡坡脚高程为2 817.0 m。局部地段利用原有渣堆平台对其进行平整，以恢复原始地貌为主(见图3)。矿区渣堆平整土方约132 763 m3。

图3 矿区治理工程剖面图

4.2.2 采坑回填治理工程

根据冰岭沟石膏矿实际采坑深度及范围，在平整过程中利用清理危岩后落至采坑的块石、渣堆及矿区零星分布的矿渣进行回填，总计回填采坑136 208 m3。将矿渣回填后进行机械压实，压实系数不小于0.9，采坑西侧斜坡坡脚回填标高至2 817.0～2 120.0 m，东侧坡肩高程为2 811.0 m，采坑回填后会形成南北两侧倾向中部，西侧倾向东侧的地形，有利于降雨汇流，不会造成采坑积水。

4.3 矿区覆土和植被绿化

4.3.1 矿区覆土工程

待渣堆平整、回填采坑结束后，首先在平整后渣堆上部进行覆土，覆土面积为植树后剩余面积，单个树穴面积为0.5 m×0.5 m，植树5 360株，树穴总面积0.134 hm2，树穴深度0.8 m，树穴培土1 072 m3；矿区绿化面积为3.35 hm2，植树后剩余面积为3.216 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量为9 648 m3，树穴培土和植草覆土总量为10 720 m3。

考虑到绿化效果及矿区道路的挖损破坏，设计对矿区西侧的道路在主矿区恢复治理结束后进行覆土绿化，宽度约5 m，长度约260.0 m的矿山道路，覆土面积0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量为390 m3。

综上，本次绿化所需客土由树穴培土、矿区覆土及道路覆土三部分组成，共需客土11 110 m3，客土来源于冰岭沟取土场，拉运距离约3.0 km。

4.3.2 植树绿化

矿区周边分布树种以松树为主，邻区石膏矿区植被恢复树种也为松树，且成活率较好，本次树种选择松树(见图4)。植树范围为平整覆土复绿地段，考虑到种植场地土质问题，树穴规格选择Φ0.5 m×0.5 m×0.8 m，树穴按照既定规格开挖完成后，将化肥与细土拌匀，平铺坑底，厚度约20～40 cm，将树木(带土球)摆放树坑时注意不能破损，摆放于树坑中心位置，并注意与前后左右已种植完的树木保持整齐，然后进行树穴全部培土，回填捣实，土壤回填至原地面后利用剥离土壤做高度20 cm的围堰浇水，并适时补土，单树穴培土0.2 m3，树穴培土总量为1 072 m3。

图4 矿区周边植被

为确保种植后的树木稳定生长，架立支柱，保证树木生长直立，同时避免树木受外力影响而晃动、倒伏，使根系受损松动。最后修整围堰，平整及清理场地。

栽后应立即灌水，无雨天不超过一昼夜就应浇上头遍水。水一定要浇透，使土壤吸足水分，有助于根系与土壤密接，才能确保成活。后期养护与植草养护同时进行。

4.4 取土场耕地恢复

冰岭沟取土场位于天祝县华藏寺镇冰岭沟村北侧1 km处，距离冰岭沟石膏矿约3 km。取土场面积约3 066 m2，土地类型为耕地，表层种植为牧草。地层主要以冲洪积粉土为主，厚度大于3 m。冰岭沟石膏矿渣堆平整后，覆土及种树共需土方量约11 110 m3，取土场面积约为3 067 m2，取土深度3.0～4.5 m，自东向西取土深度逐渐加深，西侧坡比1∶1，取土场控制高程为2 608.00 m。取土结束后将其复垦为耕地，因表层已种农作物，需要对其表层50 cm土层进行剥离，就近堆放，取土结束后用于复垦，剥离和覆土方量分别为1 533.0 m3，覆土后利用农用机耕犁平整，并交付村民耕种。

4.5 矿区道路恢复

路面由于施工需要应在渣堆和采坑施工结束后2～3年内进行治理，因采坑和渣堆施工需要人员和机械通行，避免破坏恢复成果。将路面覆土堆放在厂区空旷处留作备用。矿山道路覆土面积0.13 hm2，覆土厚度0.3 m，覆土方量为390 m3，植草面积0.13 hm2。

5 地质环境修复效益分析

5.1 经济效益

通过及时治理，能够减少区内的水土流失，治理生态环境问题，可保障区内生产生活安全，避免巨大损失。同时，可促进群众的生产，并且损毁草地得以有效利用，提高了群众的经济收益[2-8]。

5.2 环境效益

通过矿山生态环境恢复治理，可使祁连山区域生态环境得到改善，受采矿影响的地形地貌景观得到恢复，弃土弃渣压占草地得以恢复生机，将极大减轻水土流失，结合植被恢复工程的实施，将为整个区域生态环境的恢复、改善奠定基础。矿山环境恢复治理种植松树、播撒草籽恢复植被，植树5 360株，恢复植被面积为3.48 hm2。不仅可美化景观，还可控制水土流失、调节小区域气候，增加水源涵养等[2-5]。

5.3 社会效益

矿山开采压占破坏土地资源、影响地形地貌景观，进而破坏地质环境，影响生态环境。通过生态环境恢复治理工程的实施可以对矿渣堆、草地损毁等问题进行治理，提高区域生态条件，改善人民生活环境，提高人民生活质量，而且可以留青山绿水于后代，做到社会效益、经济效益和环境效益的可持续发展，构建文明富裕、和谐进步的社会，增加当地社会经济效益[6-7]。

6 结 论

华藏寺冰岭沟石膏矿位于祁连山自然保护区外围，祁连山自然保护区作为西北地区重要的生态屏障，生态战略意义重大。该矿区在20世纪70～80年代大办乡镇企业，忽视了对矿山地质环境的保护，无序开采，受开采条件、开采方式、生产工艺、技术设备等综合影响，使矿山地质环境遭受严重破坏。本次工作主要针对矿山开采造成大面积采坑，以及造成的压占草地进行恢复治理，对周边因水土流失造成的草场进行土壤重构与改良；恢复区内的排洪沟渠，消除采挖形成的高陡边坡可能带来的地质灾害隐患，恢复植被面积约3.48 hm2。通过本次恢复治理工作，该区原始地貌得以恢复，提高了植被覆盖率，使得生态环境呈现良性循环，提高水源涵养功能，最大限度地消除地质灾害隐患。