露采金属矿坑边坡生态修复实践

李桂林，胡新红，张晓昀

(1.湖北省地质局第一地质大队，湖北 大冶 435100； 2.湖北省鄂东南基础工程有限公司，湖北 黄石 435000)

1 引言

矿产资源是经济社会发展必不可少的物质基础。随着工业化发展，我国对铜、金等有色金属原材料需求急剧增加，大量有色金属矿山被开发利用[1]。早期，采矿工艺主要采用基建工程量少、生产效率高的露天开采方式。据统计，我国近50%有色金属矿山采用露天开采[2]。多年来，随着矿山资源开采活动的推进，矿山面积不断扩大，边坡高度逐渐增加，造成矿区周边学校、农田、地表水体等生态环境敏感点的环境风险不断加大。矿山地质环境问题日益凸显[3]。早期的露天金属矿山的开采常采用爆破、陡帮、高台阶的作业方式。由此形成的边坡具有坡度陡、台阶高度大、岩体易崩塌、稳定性差的特点[4]。长达数十年的开采和自然风化，边坡地质稳定性逐渐减弱。同时，在地表径流、雨水的冲刷浸溶下，矿区土壤重金属污染情况也不容乐观[5]。上述条件都对矿山边坡的生态修复提出了挑战[6]。高陡边坡基岩裸露，与周边自然环境形成鲜明对比，地形地貌景观破坏，矿区空气PM2.5、PM10等监测指标严重超标。金属矿坑由于酸雨、地表水浸溶等因素影响，可能存在重金属水污染、酸性矿山废水外溢等环境风险。地质损毁、生态破坏和环境污染逐渐成为我国露采矿山典型的生态病症[7]。因此，露采坑边坡的生态修复技术研究成为行业重要且紧迫的研究工作[8，9]。

常用的边坡生态环境修复技术有客土喷播、高次团粒喷播、植生混凝土复绿、植生带复绿技术、V型槽复绿等，在国内相关矿山修复工程应用较多[10～12]。但对金属矿山的露采坑边坡的生态环境治理的研究报道却明显不足[2,8]。本文以湖北某露天金属矿山为研究对象，开展生态修复技术分析，并对修复后的效果进行了评价，以期为我国同类矿山边坡修复提供有益参考。

根据湖北省《矿产资源开发利用与生态复绿方案》，按照“边开采，边治理”理念，对铜山口露天矿山边坡区域开展生态修复治理工作。主要任务是消除矿区地质环境恶化威胁，改善矿山生态地质环境，减少矿山扬尘，提高矿区周边空气环境治理，实现水土保持[13]。使矿山生态环境得到明显改善与恢复，创建人与自然和谐发展的“绿色矿山”。

2 边坡地质环境

铜山口铜矿始建于1958年，位于湖北省大冶市陈贵镇铜山口，距大冶市区仅18 km，现矿区总面积2.88 km2。铜矿露天矿床资源目前殆尽，已进入深部开采。露采境界面内遗留有大面积裸露岩质边坡和碎石。本研究区位于铜山口铜矿露采坑东侧，治理区高陡边坡，治理面积达27433 m2。矿区区域宏观地貌属低山丘陵区，总地势东南高、西北低。矿区东南部以裸露型碳酸盐岩为主，地形标高200～600 m，沟谷切割强烈，山坡坡度15°～30°，是大气降雨的主要入渗区，也是区域岩溶地下水的主要补给区；区内植被较少，局部山坡岩石裸露，山坡植被主要为原生的灌木林。露采坑边坡为南高北低的台阶式，台阶高度12 m，总坡高50～154.63 m。

2.1 地形地貌

治理区内属丘陵垄岗状地貌，东侧地势较高，最高标高为+175 m，西侧地势较低，标高为-30.09 m，相对高差约为205 m；山坡坡角为20°～40°，坡体岩石裸露，植被不发育，原治理区内的露采活动已形成一个大的采剥面，形成高陡边坡(图1)。

2.2 地层岩性

区内分布地层有第四系、二叠系、三叠系。由新到老分述如下。

2.2.1 第四系全新统残坡积层(Q4)

多分布治理区北部低洼地带，为残坡积物，厚0～25.40 m。浮土为褐黑色及紫红色砂质土或粘土，夹岩石碎石。厚度0～8 m。在地表矿层的溶沟亦有零星出露。分布不均，厚度不一，一般厚度在2 m以内，局部厚度大于5 m，最厚者达8 m。与下伏地层呈不整合接触。

图1 研究区露采坑边坡现状

2.2.2 二叠系下统栖霞组(P1q )

矿区仅出露栖霞组第二段(P1q2)地层，分布于矿区南东部。岩性主要为深灰色中厚层含燧石结核夹燧石条带灰岩，燧石条带顺层分布。厚度190 m。

2.2.3 三叠系下统大冶组和嘉陵江组

区内中北部广泛分布，与成矿关系较为密切。分为下统大冶组和中下统嘉陵江组。

(1)大冶组(T1d)。分为4个岩性段。第一段(T1d1)：岩性主要为褐黄色薄层钙质页岩夹灰岩透镜体。厚度约21 m。第二段(T1d2)：岩性主要为浅灰色中厚层灰岩。质纯，厚度97 m。第三段(T1d3)：下部为灰色薄层含泥质条带灰岩，层理较发育，泥质条带呈波状，齿状分布，中部为灰—灰黄色薄层蠕虫状灰岩，上部为灰—浅灰色薄层—中厚层状灰岩，具缝合线状泥质条带。厚度177 m。第四段(T1d4)：下部为灰白色中厚层细晶灰岩，含白云质灰岩，上部为灰—灰白色厚层含白云质灰岩、灰质白云岩，顶部为灰白色厚层灰质白云岩，厚度270 m。

(2)嘉陵江组(T1-2j)。分为3个岩性段。第一段(T1-2j1)：岩性主要为米黄色、肉红色薄层白云岩、角砾状白云岩，含石膏假晶。厚度185 m。第二段(T1-2j2)：下部为灰色薄—中厚层含白云质灰岩，泥质条带发育，宽1～3 mm，具似香肠状构造特征，上部为浅灰色中厚层微晶灰岩，具缝合线构造。厚度110 m。第三岩性段(T1-2j3)：下部为褐黄色、浅灰色中厚层白云岩，上部为肉红色厚层状角砾状白云岩，该层未见顶，厚度大于67 m。

2.3 水文地质条件

依据其水文地质特征划分其含水层如下：第四系残坡积孔隙含水层：由残坡积和人工堆积的第四系组成，残坡积零星分布在山顶及边坡地带。人工堆积主要集中在底盘附近，地下水主要赋存在亚粘土夹碎石、砂质土孔隙中，渗透性强，富水微弱。岩溶裂隙含水层：该层为二叠系下统和三叠系下统，此层碳酸盐岩浅部溶蚀较强，为透水层，深部为治理区主要含水层。

治理区内地下水类型主要为岩溶裂隙水，地下水主要补给来源为大气降水。地下水接受补给后沿岩溶裂隙依地势自高向低径流，一部分在地势低洼处以泉或散浸的形式排除地表，另一部分参与区域地下水径流。因此，治理区水文地质条件简单类型。

2.4 工程地质条件

治理区岩体出露地表，岩层厚度大，产状稳定，治理区除西部第四系残坡积覆盖层外，其他均为可利用的矿石岩层，工程地质岩组简单。主要分为2个工程地质岩类，层状坚硬碳酸岩类，松散结构堆积层岩类。

(1)散体结构残坡积岩组。在治理区西部为人工废渣堆,厚度为5～40 m。主要为原大冶铁矿采矿废渣。废渣堆主要堆放在矿区东南侧,块径大小不一, 其结构松散,透水性强,稳定性较差。

(2)坚硬的中厚层～厚层中等岩溶化碳酸盐岩类岩组。本岩组为二叠系下统和三叠系下统灰岩，该岩组岩石坚硬、结构完整，局部地段裂隙发育，,裂隙宽3～5 cm,均被泥质充填,裂隙面见有溶蚀孔洞;从现场调查,岩体总体力学强度高,抗风化能力较强,工程地质性状良好。

综上所述，区岩性单一，主要由层状较坚硬碳酸盐岩类构成，岩体质量中等～良好，岩体稳定程度较高，工程地质条件良好，工程地质条件属简单型。

2.5 边坡生态资源破坏情况

2.5.1 土地资源破坏情况

治理区为一开采矿山，挖损和压占了土地资源，也改变了土地利用现状。开采形成的高陡边坡，坡面上基岩裸露，坡体水分和土体难以保存，植被难以成活，对治理区产生了土地资源压占破坏。

2.5.2 地形地貌景观破坏情况

治理区露天开采已形成一个大的高陡坡面，坡体岩石裸露，植被不发，破坏了坡体原有的部分绿色植被。形成的边坡和采场底盘，使得山体植被损坏殆尽，高陡边坡和采场底盘裸露，与周边自然植被对比鲜明，十分不协调，严重影响了道路景观，矿山开采对地形地貌景观破坏严重。

2.5.3 含水层破坏情况

治理区最低标高均赋存于当地最低侵蚀基准面以上，采场不抽排侵蚀基准面以下的地下水，因此对治理区内地下水均衡影响较小。但一部分大气降水顺坡面向低洼处汇流，地表采坑的形成破坏了岩溶裂隙含水层，降低了矿山露采坑周边地下水的埋藏深度，引起地下水流失，对侵蚀基准面以上含水层的补充具有截留作用。

3 边坡生态修复方案

3.1 边坡生态修复技术方法分析

根据研究区现场调查，由于岩体在坡面部分完整性差，且坡度较陡，结合以往实践经验和经济适用，若直接喷播绿化方面效果不佳，且多个边坡修复项目实践表明，高次团粒喷播技术相比普通挂网喷播技术在土壤基质抗冲刷、植被恢复速度与植被种群结构等方面均有其优越性[16]。因此本项目治理工程设计主要为坡面清危+封边墙覆土绿化工程(含压顶墙)+高次团粒喷播+蓄水池及绿化养护+监测预警工程。在清理坡面危险活石后，利用原有台阶进行修建封边墙，墙内覆土绿化。为保证绿化效果，选择固土条件更好的高次团粒喷播技术(表1)。

表1 边坡生态修复技术方法分析评定

3.2 工程设计

对于露天金属矿山的开采，常采用爆破工艺，边坡岩面高陡，内部裂隙多，随着雨水、烈日等自然条件会加速风化，造成坡面岩石脱落。在开展边坡生态修复前，首先应清楚危岩活石后，再开展坡面复绿施工作业。

3.2.1 坡面清方

从坡顶开始设计对坡面危险活石进行清理，消除坡面安全隐患。经估算，坡面危险活石清理方量5486.6 m3。

3.2.2 台阶封边墙及覆土绿化(含压顶墙)

利用原有坡面马道台阶布设封边墙工程，沿台阶通长布设。封边墙是C25混凝土结构，纵筋HRB400Φ16@300钢筋，2排；横筋Φ8@200钢筋，3排；主筋插入完整基岩深度≥0.4 m。墙高、宽分别为1 m、0.30 m，墙外边线距台阶边缘≥0.3 m；浇筑封边墙混凝土时必需将基岩面打毛冲洗干净。根据规范及同类工程经验[17]，封边墙每15 m布设一道伸缩缝，缝宽20 mm，缝内采用沥青麻筋或沥青木板充填。插筋孔孔径≥4 cm，用M30水泥砂浆灌注。沿封边墙底部布设一排泄水孔，距地面为20 cm处，泄水孔倾向墙外，采用φ75mmPVC排水管，孔距5 m，封边墙内雨水向两侧分流。封边墙可作为坡面高次团粒喷播挂网压顶砼。封边墙内覆土，种植刺槐、红叶石楠和草籽对马道进行绿化，覆土厚度0.8 m。栽植刺槐，胸径4～5 cm，红叶石楠，米径4～5 cm，高101～110 cm，蓬径81～100 cm(图2)。

图2 封边墙截面(mm)

3.2.3 高次团粒喷播工程

设计对清危后的坡面采用高次团粒喷播的方案进行治理，治理面积约27433 m2。高次团粒喷播技术是通过喷播、机械或人工作业方式将由黏土、种子、团粒剂等混合制成的“人工基质土壤”喷射到坡面的绿化措施。这种“人工基质土壤”具有特殊的团粒结构，既有保水性，又有透水性、透气性，适于植物生长，又能有效抵抗雨蚀和风蚀，防止水土流失。一般由团粒剂、植物纤维、黏土等材料混合制成(图3、4)。

在喷射基质或铺平铁丝网前，应清除表面松散块石及杂物，确保坡面平整。具体工序要求如下。铺网：选用网孔5 cm×5 cm、铁丝直径2 mm(14#)过

图3 高陡岩质边坡高次团粒喷播绿化大样

图4 边坡高次团粒喷播绿化工程剖面

塑镀锌菱形铁丝网铺设于坡面，长度根据需要裁剪，坡顶延伸不少于50 cm，并用桩钉固定后采用C25混凝土压顶。坡顶固定后自上而下铺设。上下及左右采用平行对接，两片之间搭接宽度不小于10 cm，并用18#铁丝绑扎牢固。网片距坡面保持5～8 cm的距离，用垫块支撑。对过于平滑的坡面，在镀锌网间加设木条，以营造植物的生存空间，防止基材流失。钉网：锚钉使用Φ14防锈处理的钢筋，水泥砂浆锚固，锚钉入坡深度根据边坡地质情况确定，锚钉使用过程中需加设抗滑体。主锚钉长1.0 m，副锚钉长0.5 m，外露段长度0.18 m。孔偏差不大于5 cm，外露段锚钉向上弯折，将镀锌铁丝网固定于坡面上。坡体顶部为加强稳定，按间距0.8 m×0.8 m，长70 cm进行两排加密处理。

喷播原材料各组分粘土、有机质添加料、复合纤维料、土壤稳定剂、团粒剂、植物纤维等占比分别为0.4∶0.25∶0.15∶0.12∶0.03∶0.05。混拌均匀过筛后，用喷播机加压喷射到坡面上。喷射分步实施。首先喷射不含种子的混合料，待第一次喷射的基质土达到一定强度后，紧接着第二次喷射含种子的混合材料，最终喷射混合材料平均厚度不小于15 cm。每次喷护单宽4～6 m，高度3～5 m，喷播由大于12 m3的空压机送风，采用干式喷浆法施工，施工时须严格核准材料混合比例及用水量。喷射施工时，自上而下对坡面进行喷射，并尽可能保证喷管出口与坡面垂直。绿化用的植物品种应优选适宜本地气候的乡土作物，有利于提高植物的抗逆性，增加发芽率和生长质量。

3.2.4 养护管理

养护管理应首要保持基质水分，同时防止雨水冲刷和水分蒸发。采用雾状水洒向坡面，按规定厚度浸润透基材。除要洒水养护外，针对实际条件和设计要求的不同，视种子发芽情况施加肥料。出苗15 d后，可施N肥(5 g/m2)一次，再过10 d施复合肥(15 g/m2)一次。同时，注意土壤基质水分情况，按时喷灌浇水，以达到护坡及绿化边坡的效果，养护管理期为竣工后一个水文年。设计在坡面坡顶处修建一个混凝土蓄水池，蓄水池汇集水源作为治理区绿化养护水源，蓄水池设置在排风井外侧。养护用水源用高压水泵输送到坡顶蓄水池，供水管道采用PVC管，主、分、支管管径分别为φ63 mm、φ50 mm、φ32 mm。喷灌喷头采用旋转式全圆喷头。设计喷头与喷头之间的纵横间距均为25 m(图5)。

图5 养护系统布置

4 分析及建议

露天金属矿山边坡生态修复工程按照问题导向、因地制宜的原则，结合矿坑原有立地条件在选择最小工程扰动的条件下，营造植被生长环境，选择草、灌木、乔木、爬藤植物等不同类型植被为矿坑自然生态的恢复重建创造了条件。治理工程的实施，减缓了治理区地质环境不断恶化的趋势，增加了治理区水土保持力度，对降低高陡边坡次生地质灾害风险也有一定积极贡献。总之，提升了治理区区域的生态环境质量，增加周边空气环境质量，产生了较好的经济社会效益。本项目的成功实践，可为同类金属矿山边坡的生态治理工作提供参考(图6)。

5 结论

治理区位于湖北省大冶市陈贵镇，由于长期露天

图6 边坡治理前后对比照片

开采，形成高陡岩质矿坑，总面积达2.88 km2，坡高可达150 m，造成严重的地形地貌景观破坏等矿山地质环境问题和地质灾害隐患。裸露的岩石矿坑，与周边山体地形地貌极不相称，为改善治理区地质环境，美化周边生态环境是项目生态治理的主要目的。

经现场勘查，生态治理方案设计经多部门专家审批，最终确定采用坡面清危+封边墙覆土绿化工程(含压顶墙)+高次团粒喷播+蓄水池及绿化养护+监测预警工程等措施进行修复。最终实施效果较好，生态修复措施可构建稳定的植物群落结构，形成相对稳定的植被生态系统，恢复山体植被景观。达到了工程实施目的，顺利通过专家组验收。

采用小规模的工程措施，对露采矿坑进行生态修复治理，并选用多层次的乡土作物营造适宜的植物生境，使治理区在人工治理的基础上快速恢复自然状态，与周边环境融为一体，和谐统一。本项目的案例可作为高陡岩质边坡生态修复的典型案例，在南方同类型露采矿坑边坡的修复工程中借鉴应用。