矿山地质环境特征与治理方法

引言当下中国经济的发展，依然需要以矿产资源的开采和应用作为重要的支撑。[1]在矿山资源的开采和使用中，矿山地质环境会受到一定的破坏，则会出现矿山安全问题，影响矿山资源被合理开发和利用。与此同时，这也会给矿山地质环境保护和恢复治理带来一定的干扰[2]。我国矿山地质环境治理现状整体不容乐观，地质灾害治理效果相对比较有限、矿区地下水资源治理难达预期、矿山长时间占用破坏土地资源等问题较为明显[3]，目前实施的露天开采为主的矿产开采资源方式，不但占用了大量的土地资源，同时也对水资源的数量、质量产生了显著破坏，并带来各种的次生地质灾害。、杨开运先生对矿山地质环境保护和治理进行了深入研究，在杨开运先生的研究基础上，本文首先以梅州丰顺留隍镇牛湖寮瓷土场矿山地区的地质环境特征分析作为切入点，分析了该矿山的各种地质特征，阐述可能发生的各类地质问题，有针对性地提出恢复治理措施，可以有效解决矿山开采出现的地质环境问题及对周边环境影响[4]，研究探讨了矿山地区环境治理以及修复的策略，以便为今后[1]类似的矿业企业恢复治理矿山地质环境提供可借鉴依据。2矿山概况2.1自然地理特征矿区位于丰顺县城80°方位，平距约31km处，隶属丰顺县留隍镇管辖。区内有简易公路约4km连接省道S233，并经留隍镇与国道G206相联而通往全国各地，交通较为方便。矿区中心的地理坐标：东经116°28′38″；北纬23°48′58″。矿区的面积为0.1751km2图1矿山交通位置图该矿区内地貌属低山丘陵地形结构，整体自然地势为北高南低的情况，地形坡度约为20°。区内最高处位于西北角，以海平面为基点，高程为+440.0m，最低点位于西南部最低水面，以海平面为基点高程为+158.0m，最大相对高差为282m。该矿区内溪流由北向南最终汇入下南坑水库。西南部最低水面标高+158.0m，以此高程确定为该矿区内参考侵蚀基准面。区内沟系比较发育，地形切割程度较深，设计开采水平+440m～+230m，设计采场为露天正地形开采，矿坑有自然排水条件，且地形利于排水。矿山属于南亚热带季风气候区。根据丰顺县气象资料站资料显示，丰顺县历年最高气温39.1℃,最低－1.9℃,年平均气温22.2℃,年日照时数2035.9小时，全年无霜期322天，冬季有霜降。丰顺县年平均降雨量为1776.1毫米，据记录，日最大将于量为378.1毫米。雨季大多集中在每年的4～9月，这五个月的降雨量大概是全年降雨量的80%，10月到第二年的3月降雨量相对较少。年蒸发量大约为1248毫米。年平均风速2.0m/s，最大风速为22.6m/s.据丰顺县气象站统计，有关气象特征值见表1表1气象特征统计表（1967～2019年）2.2区域地质2.2.1地层概况该矿区内出露地层为一套海陆交互相碎屑沉积岩组成与陆相喷发的流纹质—英安质建造的酸性及中酸性火山碎屑岩、熔岩等构成，两者呈不整合接触[5]。其岩性自下而上，大至有：上三叠统～下侏罗统蓝塘群（T3~J1L）：岩性主要为灰白色~灰色或深灰色砂岩、粉砂岩和泥岩、砂质页岩。[3]早侏罗世长埔组（J1ch）：厚层状细粒长石石英砂岩夹石英砂岩、粉砂岩底部夹砾岩和泥岩。下~中侏罗统桥源组（J1-2qy）：岩性主要为灰黑色中细粒长石石英砂岩、粉砂岩和泥岩互层，夹少量粗砂岩。中侏罗统漳坪群（J2zh）：岩性主要为紫红、灰白、灰绿色砂岩、粉砂岩和泥岩，夹少量含砾砂岩和砂砾岩。上侏罗统热水洞组（J3r）：岩性主要为流纹（英安）质火山碎屑岩，夹少量火山碎屑沉积岩。上侏罗统～下白垩统南山村组（J3~K1n）：岩性主要为英安~流纹质火山碎屑岩，夹少量火山碎屑沉积岩。第四系（Q）：广泛发育，主要为冲积物和坡残积物，前者分布于山沟冲积平地，沟谷处主要为砾石、砂及砂质粘土组成，后者分布于山麓。2.2.2构造该矿区地处华南褶皱系的东南部，位于二级构造单元粤东隆起区的留隍火山岩盆地内。该区位于莲花山NE向深断裂带与佛岗～丰良EW向断裂带交汇的部位，构造～岩浆运动很强烈[6]。该矿山构造较为简单，尚未发现明显的断裂构造。花岗斑岩体内，通常可以看见原生或次生的裂隙、节理发育一般，对矿山开采稳定性的影响较小。2.2.3水文丰顺县境内河流分属韩江和榕江两大水系，以中西部韩山－中南部光头岽－东南部释迦岽为界，以南为榕江流域，面积约540km2，有汶水河、龙东溪、八乡河等汇入榕江支流北河；以北为韩江流域，面积2170.2km2，有产溪河、白溪、龙溪、九河溪、三州溪、蔗溪、大胜溪等汇入韩江。境内河流多急湾，河床比降大，多急流、跌水、瀑布，流量受季节和大气降雨影响，汛期雨量充沛，河水常溢两岸，形成洪灾；旱季雨量锐减，局部可见河床暴露。根据储量核实报告编制单位在野外工作期间（1～2月）调查6个溪流点（见下表）数据反映，实测流量0.394L/s～3.216L/s，溪流由北向南最终汇入下南坑水库。该矿区西南部最低水面标高+158.0m，以此标高确定为该矿区内参考侵蚀基准面。下南水库位于该矿区范围以外，与矿山直线距离约800m。下南水库建成时间为1970年，建设初期无规范设计、施工，施工质量无保证，加上建成后多年欠修和管理无法根本到位，2001年11月水库被县水利局鉴定为“三类坝”，其主要建筑物均存在不同程度的问题。水库列入了2002年度省人大议案水库除险加固的项目。议案加固工程于2002年2月动工，2003年6月完成全部加固项目，达到安全标准。水库集水面积1.78km2，总库容约27万m3，正常库容约20万m3，设计洪峰流量29.9m3/s，灌溉面积450亩，保护人口3850人。该矿区气象水文对矿山建设和开采的影响主要表现在以下几方面：（1）该矿山所在地区雨季长，雨量充沛，大量的降雨有利于地下水的入渗补给，地下水的补给充沛，从而使矿山开采中排水量增加。（2）由于雨季降水经常产生暴雨,在沟谷内容易产生山洪,并可对露天采区塌方和位于沟坡的排土场等造成影响,从而导致土地损失严重或潜在产生的崩塌、滑动、泥岩流等地貌自然灾害。（3）旱季该矿区降雨量少，气候干爽，含水层内地下水含量减少，利于矿山生产。（4）由于露天采剥的面积会不断加大，大范围的剥离表土层容易造成水土流失，若遇到暴雨天气产生的泥水含砂量较大，容易对下游水质造成影响，所以开采时必须保障采场水能统一流经沉淀池经沉淀后排放。（5）矿区地下水动态变化主要受大气降雨影响，开采瓷土矿位于山坡上，周围地势低，利于采场自然排水。2.2.4植被和土壤该矿区所在地区自然红壤广泛分布于丘陵，土壤偏酸性，土地贫瘠。由于地势低平，气候温和多雨，适种性较广，历来是人类生产活动最频繁的土壤资源，但由于矿区离居民地较远，开垦利用面积较少。部分地段土地裸露，发生不同程度的侵蚀，农耕土普遍存在干旱、紧实、瘦瘠等现象，自然肥力一般。山上大部分都为灌木、杂草和人工种植的桉树、松木等。该矿区内地表的覆盖层为残坡积土，主要土壤类型以红壤和山地黄壤为主，覆盖厚度0.5～3.0m，红壤和山地黄壤由砂砾、砂质粘土组成。3矿山地质环境特征3.1矿体地质特征3.1.1矿床特征矿床赋存于花岗斑岩风化带中，呈现层状。3.1.2矿体特征矿区陶瓷土矿体为花岗斑岩风化而成，分布于全区，共圈定1个矿体（V1），为砂质高岭土，沿走向长约600m，最大宽度400m，出露标高+230～+400m之间。其厚度一般根据于岩石的风化程度而定，大部分矿体的厚度为4.00～8.00m，但采场残留部分厚度通常为3.00～5.00m。局部由于花岗斑岩硅化较强、岩石风化程度较低，矿体厚度往往不足1m。矿体产状：走向W～E，且产状较为稳定。矿体内裂隙弱发育，稀疏分布，主要为：300°~315°,倾角60°~70°。这些裂隙规模都比较短小，一般填充泥岩及少量铁锰质。3.1.3矿石特征（1）矿石名称、颜色、结构及构造矿石颜色呈现灰白—白色，土状、砂质土状，岩石整体蚀变较为严重，具斑状结构和块状构造。（2）矿石矿物组成及质量斑晶含量约15%，主要由石英（含量约8%）、长石（含量约7%）组成；基质含量约83%，组成与斑晶基本一致，为长英质矿物，斑晶和基质粒径相差悬殊；次生（副）矿物主要有绢云母、粘土矿物、锆石及不透明矿物（含量约2%）等。3.1.4元素特征经储量核实报告取样统计分析，陶瓷土矿石中主要化学组分变化范围及平均含量分别为Al2O3：14.33%~16.56%、平均15.31%；SiO2：72.02%~78.26%、平均76.51%；Fe2O3：0.33%~1.50%、平均0.49%；TiO2：0.023%~0.14%、平均0.09%；K2O：1.91%~3.31%、平均2.74%；Na2O：0.054%~0.36%、平均0.08%；白度：38.40%~80.51%、平均73.02%。3.2工程地质特征3.2.1岩土体工程地质类型与特征按照矿区内所研究的岩土体类型和物理力学性质，并根据场地收集的地质资料，将其进行分类，分为第四系残坡积土和基岩风化层二大类、共三个岩组：（1）第四系残坡积松散岩组第四系残坡积土多以盖层形式覆盖在矿体之上，局部缺失。主要由花岗斑岩经过风化而成，为砂质粘性土，呈现黄棕色色和淡黄色，厚度0.5～4m。呈可塑-硬塑状，主要的物理力学指标经验值：孔隙比e为0.835～1.054，液性指数（IL）为0.26～0.49，其主要物理力学性质参照当地建筑经验取值为：凝聚力c=12.0kPa、内摩擦角φ=25.0°。（2）强风化极破碎－破碎岩组褐黄、褐灰、灰白色，分布于残坡积土层之下，厚薄不等，多数地段厚度小于5m。岩石风化强烈，结构大部分被破坏，裂隙发育，岩体极破碎～破碎，承载力较低。开挖后，边坡较不稳定，工程性质较差。（3）弱风化较破碎岩组灰色－浅肉红色，钻孔揭露厚度4.4～11.9m，分布于强风化岩层之下。岩层结构仅少部分被破坏，节理及风化裂隙较发育，结构面间距0.4～1.0m，岩层呈倾角较缓的中厚层状结构，或块状结构。岩体完整性中等，岩石抗压强度经验值一般大于50MPa。由弱风化岩石构成的边坡稳定性稍好。其主要物理力学性质参照当地建筑经验取值为：凝聚力c=31.15kPa、内摩擦角φ=24.35°。3.2.2矿山工程地质特征（1）露天采场工程地质特征采场矿体及其顶板围岩第四系残坡积土层均为花岗斑岩风化形成，抗剪强度低，稳定性差，在暴雨长期作用下易引起崩塌等地质灾害，土质边坡稳定性较差。矿体底板的主要围岩为弱风化花岗斑岩，深部的风化岩，岩石较坚硬～坚硬，完整性相对较好，结构面不太发育且结合较好，围岩稳定性稍好。（2）工业场地工程地质特征工业场地选址位于矿区外西南侧矿山道路旁，需进行开挖，主要为花岗斑岩。上部为2.0～5.0m的残坡积层，残积层砂质粘性土较松散，在雨水的冲刷下易形成不稳定边坡，造成崩塌或滑坡。基础持力层为残积层砂质粘性土，承载力较高。3.2.3不良地质现象及特殊性土目前该矿山未发生地质灾害，不良地质现象不发育，主要为残积层，矿山开采可对其清除，影响小。该矿区周边表层为残积层，较松散，矿山山体坡度局部较陡，第四系残坡积层厚度较大，边坡稳定性较差，在雨水的冲刷及浸润下易发生崩塌、滑坡现象。3.3水文地质特征3.3.1概况矿区在区域上位于富水程度弱的碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组分布区，所在水文地质单元的含水层主要为基岩裂隙含水层。矿区以低山丘陵为主，降雨丰富，地势坡度20°~30°,地面植被发育，利于大气雨水径流排泄，但不利于地下水的供应。矿区的含水层,虽然分布范围广、厚度大，但其通透性差和富水性微弱，与地表水体的联系性差。地下水一般以大气降水补给为主，受季节影响较大。地下水径流方向主要依地势沿岩石裂隙由高向低径流，以泉或地下径流形式排泄于低洼沟谷、溪流中，具有良好的天然排水条件。矿区与大型地面水体相距甚远，矿区内地下水位年变化幅度普遍较大，与大气降水存在明显的滞后关系，最大值发生在十二月上旬。3.3.2地表水特征矿区内没有大的河流经过，也无水库、鱼塘等地表水体。矿区开采矿石为陶瓷土矿，附近无污染源，地表水水质良好。矿区内表层多为第四系残坡积土，厚度为0.5~3.0m，隔水性能较好，天然条件下，发生地表水漏失现象可能性较低。该矿区设计的开采方式为露天采矿法，矿区设计的最小开采标高为+230m,比侵蚀基准面高出72m，地势条件较好，便于自然排水。在今后的矿产资源开发中，矿区内的充水主要以大气降水为主，在此对矿坑涌水量估算如下：根据公式Q=η×F×A，预测矿坑涌水量。Q—矿坑涌水量(m3/d)；η—地表径流系数；F—矿区内汇水面积(m2)，A—日平均（或日最大）降雨量(m/d)，地表径流系数结合矿山实际情况和经验资料综合考虑，按《冶金矿山采矿设计规范》取地表径流系数为0.6。矿山开采范围的汇水面积以矿区外环挖的截水沟至矿区东面的溪流为界分划确定，求得汇水面积F=215760m2；根据丰顺县气象资料，历年日平均降雨量为1778÷365=4.87mm，日最大降雨量为378mm。计算结果如下：①矿山日平均涌水量约为630.45m3/d。②矿坑最大涌水量约为48934.37m3/d。根据计算，矿坑最大涌水量是平均涌水量的77.6倍。上述计算未考虑截排水设施的影响，作为矿坑涌水量预测的结果明显偏大。由于该矿场为露天正地形开采，开采底面处于当地侵蚀基准面以上，所以在下雨的时候，矿坑内的充水是可以正常排出的。采场周边修建了排水沟，可以使进入矿坑的水量大幅降低。3.3.3地下水特征块状岩类裂隙水,主要赋存在花岗斑石的风化裂缝与构造缝隙水之间，分布于矿区大部分，为瓷土矿体的下盘围岩，上覆第四系或直接露头。岩层的富水性随裂隙的发育情况而变化，一般地表露头段及浅部风化层的节理裂隙较发育，随深度增加而减少和闭合。故浅部风化裂隙带的含水性强于深部构造裂隙带，但总体上浅部风化裂隙带的厚度不大，含水层的厚度也随季节而变化，总体上整个含水层的富水性不强。该矿区属低山丘陵，地势总体北高南低，沟渠自北向南流。地形坡度20°~30°,区内沟谷较发育，地形条件有利于自然排水。地下水主要为块状岩类裂隙水，富水性差，对矿山开采影响小。4矿山地质环境治理可行性分析丰顺县泰和瓷业有限公司留隍下南牛湖寮瓷土场矿山的主要地质环境问题是矿山开采将有可能引起的地质灾害影响、矿山开采对地下水的破坏和影响、以及对地形地貌的破坏和影响及对周边水土和自然环境的侵蚀和危害，需要对该矿山进行科学治理，以地质环境保护和恢复治理的基本目标为依托，因地制宜的恢复或再造符合环境友好和社会和谐的地质环境[7]。根据上述目标对矿山地质环境治理进行技术、经济可行性分析。4.1技术可行性分析4.1.1矿山地质灾害恢复治理可行性分析（1）恢复治理的必要性矿山区域内还未出现过崩塌、滑动等地貌自然灾害，且地貌自然灾害状况弱发育,所以现状地貌风险较小，对矿山地质的影响也较轻微。根据矿区开发状况以及随着矿区的持续开发预测，采矿活动或许会产生、加重或引发的地质学灾难一般有塌陷、滑动和泥岩流，塌陷、滑动、泥岩流对潜在环境的影响程度较强烈，但危险性一般小，对矿井地质的影响也较强烈，因此矿山有必要对可能产生地质灾害的区域进行恢复治理，防治地质灾害的发生造成不必要的经济损失和人员伤亡，防止给矿区附近居民带来恐惧心理和不安全感，防止给当地人民政府及相关单位造成极大的社会压力和社会影响。综上所述，为保护矿区人员安全和周围居民的生命财产安全,减少地质灾害的产生和带来的损失，对矿区和可能出现地质灾害的区域开展工程整治是非常迫切和十分必要的。（2）恢复治理的可行性由于恢复管理措施都属常规措施,且施工简便，操作性较强，又没有对矿山开采环境形成危害，因此在技术施工上比较具备可行性；投资规模相对较小，见效快，因此在经济上更具备了合理性。4.1.2含水层破坏恢复治理的可行性分析（1）恢复治理的必要性采矿发展对含水层构成的毁坏和影响，主要是指地下水资源匮乏、地表水漏失、区域地下水平衡毁坏和含水层构造变化等。含水层构成的毁坏和影响，对附近居民环境影响一般较小。地下水资源匮乏、地表水漏失会严重影响附近村民农耕作业；水体环境污染会严重危害附近市民健康，抑制附近畜牧业的发展；区域地下水平衡损坏、区域地下水均衡破坏、含水层结构破坏会导致周边水生态环境失衡，引发地质灾害等。因此，对含水层破坏进行防治是很有必要的。（2）恢复治理的可行性矿区目前最低开采标高为+241.8m，最低侵蚀基准面为+158.0m，最低开采标高位于侵蚀基准面之上，由于采掘深度不大，矿坑排水导致的地下水位变化幅度很小，对区域地下水的补径排条件基本无影响，基本不会导致地下水位下降及补径排条件，区域对地下水均衡不会造成较大的影响。所以主要针对矿坑排放水的水质进行监测。水质监督检查等都属矿山开发的常规措施，施工简便，操作性强，不仅对采矿开发环境不会形成危害，在科技施工上也具备一定可能性；投资规模相对较小，但见效快，在经济上也具备一定可能性。4.1.3地形地貌景观破坏恢复治理的可行性分析（1）恢复治理的必要性矿山的地形地貌景观损害与土地资源损害，是中国矿井地质环境保护问题中较为突出的问题之一，露天采场、排土场、矿井道路等均对地形地貌景观产生了一定程度的损害。矿山的长期开发过程中，会导致矿区土地不同程度的破坏，土地破坏性质主要有：挖损、压占。通过做好防治和控制的措施，有效降低土壤损害面积，使在开发建设和生产经营过程中受到破坏的土壤和植物资源得以合理的修复，保护成效更加显著，从而避免土壤品质的逐步衰退，对于修复和促进矿山地质生态环境、发展循环经济社会、推进社会主义工程建设、构建资源节约型社区等，对区域社会的可持续发展、繁荣与安定都将产生巨大的作用。所以，对矿山的地形地貌景观损坏及其周围水质自然环境的损坏加以预防和治理是非常有必要的。（2）恢复治理的可行性土壤再利用与恢复整治措施工作量小，施工简便，操作性强，在技术上与经济效益上都有效。4.2经济可行性分析矿山地质灾害恢复治理、含水层破坏恢复治理、地形地貌景观破坏恢复治理工程中一部分工程量费用已经计入矿山开采建设费用中，该矿山地质环境治理工程静态总投资为180000.00元，矿山地质环境治理工程动态总投资为24000.00元，真正用于恢复治理的费用总体占比较小，经济上是可行的。表3定额单价表件5矿山地质环境治理方法5.1矿山地质灾害恢复治理方法由于矿区表层覆盖第四系残坡积土，土质较为松散，雨水容易发生崩解，所以矿井内可能出现坍塌、滑坡和泥石流的风险，对矿区地质环境影响程度比较大，恢复管理对策主要是针对矿区内可能发生崩塌、滑坡的边坡以及泥石流的区域采取工程措施。5.1.1崩塌、滑坡治理工程设计对可能发生的崩塌地段主要为露天采场、排土场、及矿山道路边坡。应按设计采取合理的坡率、周边采用清理崩塌体、设计简单的截排水沟、坡面进行植草护坡。（1）露天采场工程设计在采场周边以及采场底场布置截排水沟，测算排水沟总长度为750m，水沟设计规格：底宽0.4m，上口宽0.6m，深0.4，其挖掘横截面积为0.65m2，其砌浆面积为0.564m2。（工程量统计见表4、大样图见图2）。图2浆砌石截排水沟示意图表4露天采场截、排水沟工程措施工程量统计表（二）排土场工程设计在排土场外围设计排洪沟，设计圈定边界完成外部截水，防止山坡径流冲蚀排土场，测算排土场外围排洪沟长300m。表5排土场截、排水沟工程措施工程量统计表（三）矿山道路工程设计矿山道路路基内侧布设浆砌排水沟，测算排水沟总长130m，工程量为挖土325m3，浆砌石112.8m3，工程量统计详见表6。表6矿山道路排水工程措施工程量统计表6结论（1）梅州丰顺县牛湖寮瓷土场采用露天台阶式开采方式，属山坡型露天开采，采用水平台阶采矿法，主要开采瓷土矿，矿区内查明陶瓷土矿产资源储量为93.6×104t，矿山设计生产能力为3万吨/年；（2）该矿区内出露地层为一套海陆交互相碎屑沉积岩组成与陆相喷发的流纹质—英安质建造的酸性及中酸性火山碎屑岩、熔岩等构成，两者呈不整合接触。矿区断裂和节理裂隙不发育，矿区地质构造简单。矿区主要不良地质为表层砂质粘性土较松散，遇水易崩解。矿床主要含水层为块状岩石裂隙含水层，富水性弱。矿坑充水的主要来源为大气降水，矿坑有良好的自然排水条件；（3）矿区所采用的恢复治理措施较为简