卓尼县某小型采石场地质环境治理及生态修复实践

刘瑞成 张赫然 张 耀 孙运峰 刘玉叶 肖 超3

（1.美丽华夏生态环境科技有限公司；2.中国黄金集团资源有限公司）

矿山地质环境是指曾经开采、正在开采或准备开采的矿山及其临近地区的岩石圈与大气圈、水圈、生物圈组分之间不断进行物质交换和能量流动的一个相对独立的环境系统［1-3］。露天开采与地下开采相比，具有投入快、生产效率高、成本低等优点［4-7］，但其直接开挖的方式对地表环境破坏极大，易产生地质灾害隐患、地形地貌景观破坏、土地资源损毁等地质环境问题［8-10］。根据《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》（2021年10月8日中共中央、国务院印发）指出要实施矿区地质环境治理、地形地貌重塑、植被重建等生态修复和土壤、水体污染治理，统筹对历史遗留矿山进行综合治理。

卓尼县位于黄河一级支流洮河北岸重要水源涵养区，根据卓尼自然资源局提供的资料，县域内有采矿权的砂石矿占78.57%，历史遗留的矿山中砂石矿占62.50%，砂石矿在卓尼的矿产资源中占有非常大的比重。砂石矿的开采形成众多的高陡边坡和废弃渣堆，从而产生地质灾害隐患、地形地貌景观破坏等地质环境问题。业日村采石场是典型的砂石矿，该矿的治理工程实施后将起到示范作用，为其他砂石矿提供治理思路，对推动卓尼县山水林田湖草项目实施起积极作用。

1 矿山概况及地质环境条件

1.1 矿山概况

卓尼县业日村历史遗留采石场位于柳林镇，县城北3.5 km，距离合作市100 km，紧邻国道G316，交通较为便利。矿区东侧有羊永河流经。矿区处于中山区，海拔高程2 529～2 722 m，相对高差193 m。该矿主要露天开采建筑砂石，矿区面积约39 300 m2，闭矿时间2007年以前，无固定生产规模，形成多处高陡岩质边坡和废弃渣堆。

1.2 自然条件和地质环境条件

（1）地形地貌。治理区位于新城盆地南缘，为构造侵蚀中山地貌，属中山区，地形起伏大。山体坡度一般为30°～45°，最大坡度约65°。海拔高程在2 529～2 722 m，相对高差40～98 m。最大切割深度300～400 m。

（2）气象。矿区属高原大陆性气候，气候湿润，年平均气温5.1℃。多年平均降水量541.1 mm，最大年降水量624.7 mm，一般降水集中在每年的7—9月，占全年的83%～88%，多年平均蒸发量1 310.4 mm，最大冻土深度1.4 m。

（3）水文。治理区内地表水发育有羊永河，水面宽4～5 m，水深10～15 cm，流速1.0 m/s，对岸边渣堆坡脚持续冲刷掏蚀。开采掌子面标高高于矿区最低侵蚀基准面标高，未形成封闭采场，场内排水靠自流排泄，水文地质条件简单，对边坡稳定性影响较小。

（4）地层岩性。地层岩性主要为三叠系上中统大河坝组（Td）地层，地层产状为193°∠51°。大河坝组以薄层砂岩为主。第四系冲洪积层（Q4pal）零星分布于洮河支流的河沟谷及基岩山区，厚度一般不超过10 m。全新统人工素填土（Q4ml）主要为采矿形成的废渣堆，以碎石、砂砾、粉土等为主，结构松散、分选差、磨圆差，物理力学性质不稳定。

2 矿山地质环境问题分析

2.1 地质灾害隐患

采矿活动形成的高陡边坡主要为渣堆边坡和掌子面边坡，选取两类边坡典型单元进行分析。

2.1.1 渣堆边坡

（1）渣堆ZD01。渣堆ZD01北侧边坡属于人工堆积废渣形成的高陡边坡，坡向45°，坡高2～17 m，呈月牙形展布。渣堆东侧坡脚有羊永河流经，对坡脚持续冲刷掏蚀，存在滑坡隐患。该不稳定边坡滑坡发育程度为中等发育，欠稳定。渣堆现场情况见图1。

2.1.2 掌子面边坡

（1）掌子面ZZ02。掌子面ZZ02属于人工开采基岩形成的高陡岩质边坡，呈扇形分布。自上而下分为三级平台，一级坡高33 m，坡度38°；二级坡高23 m，坡度36°，平台宽5 m，长15～20 m；三级坡高19.4 m，坡度35°。掌子面下方渣堆碎石无胶结，结构松散，坡体发生地质灾害危险性小。掌子面ZZ02现状见图2。

（2）掌子面ZZ04。掌子面ZZ04属于裸露基岩和渣堆形成的混合型高陡边坡。坡度平均约45°，坡高84 m。北侧坡被废渣覆盖，坡度约40°，覆盖高度43 m，废渣厚2～3 m，坡面较松散，发育多条冲沟，北侧坡面及坡脚均无植被发育。南侧坡主要岩性为灰黑色泥质砂岩，呈薄层状，中—强风化，岩石局部破碎，偶有碎石掉落，下部为渣堆覆盖层，覆盖长度32.6 m，厚度4～5 m，坡度40°。不稳定斜坡整体欠稳定，危害性小。掌子面ZZ04照片见图3。

（3）掌子面ZZ05。掌子面ZZ05为土质边坡，位于破坏区南侧，呈圈椅状，坡高3.0～22.6 m，坡度42°。坡体主要成分为内夹碎石的粉砂质黏土，碎石含量10%～20%。边坡南侧因河流冲刷掏蚀坡脚和降雨共同作用发生滑坡，滑坡高12 m，滑坡规模较小，约600 m3。坡体后缘仅见一条张拉裂隙，裂缝宽2 cm，长13 m。不稳定斜坡整体易发生滑坡，滑坡规模较小，危害性小。掌子面ZZ05现状见图4。

2.2 地形地貌景观破坏

矿区范围内对山体造成了挖损和压占，原生植被遭到破坏，造成基岩裸露，破坏山体的整体性、连续性、观赏性、原始性，严重降低了水源涵养功能。矿区濒临河流及国道，造成严重的视觉污染，制约旅游业的发展。

3 矿山地质环境治理技术

3.1 治理工程分区原则及分区

根据矿山地质环境问题的主要类型及影响程度，将矿区分为渣堆治理区、岩质边坡治理区及土质边坡治理区进行综合治理。

3.2 渣堆治理区

渣堆坡脚临空且有河流不断掏蚀坡脚。设计对渣堆坡面进行分级削坡减载，在坡脚修建浆砌石护岸，一则可以减小坡面临空面积，减小坡面的坡度，降低坡脚软弱结构面对坡体的影响；二则可以防止河流继续掏蚀坡脚，增加渣堆坡体的稳定性。

对渣堆坡体进行分级削坡减载，设计坡度为30°，单级台阶高度不大于8 m，回填压实系数不小于0.8，以保证坡面稳定。渣堆平台和坡面进行客土，覆土厚度不小于0.3 m。坡脚护岸高3.0 m，顶宽0.8 m，基础埋深1.7 m，夯实系数为0.9，墙体以浆砌石砌筑，块石强度不小于30 Mpa，最小块径30 cm，砌筑砂浆强度等级为M10。渣堆边坡治理工程剖面示意见图5。

3.3 岩质边坡治理区

治理区掌子面（ZZ02、ZZ04）上部基岩出露，局部较破碎，坡度45°～70°。首先进行危岩清理，保证坡体的稳定性，危岩清理厚度10～15 cm；掌子面下部被渣堆覆盖，渣堆坡度较缓，需对坡脚渣堆覆盖区进行分级平整，既可起到加固掌子面坡脚的作用，同时也为植被恢复创造有利条件。

3.4 土质边坡治理区

治理区掌子面ZZ05为土质边坡，已发生滑坡现象，主要治理措施：①对坡面进行平整，降低边坡坡度小于30°，保证坡面无降水渗入坡体；②为稳定坡脚，在坡脚修建浆砌石护岸，护岸高3.0 m，顶宽0.8 m，基础埋深1.7 m，夯实系数0.9；③在边坡顶部设置截排水沟，防止山坡的降雨进入坡体后缘裂缝，影响边坡的稳定性。截排水沟断面呈梯形，上开口0.8 m，下底宽0.6 m，内深0.5 m，壁厚0.3 m，内坡比1∶0.2，主体采用C20混凝土浇筑而成，基础夯实系数不小于0.90，每隔10～15 m布设一条变形缝。

截排水沟依据《水土保持综合治理技术规范-小型蓄排引水工程》（GB/T 164534—2008）设计。设计要求水沟最大径流量QL不小于暴雨洪峰流量Qy［11～13］。

（1）暴雨洪峰流量Qy。当Fw＜3 km2时，得出Qy为式中，Qy为暴雨洪峰流量，m3/s；Fw为汇水面积，m2；Qj为设计降雨强度，m3/（s·m2）；w为径流系数。

（2）截排水沟最大径流量QL。

式中，QL为截排水沟最大径流量，m3/s；A为过水断面积，m2；R为水力半径，m；i为水力坡降；C为谢才系数（流速系数），由曼宁公式得出。

经计算，设计截排水沟流量为1.27 m3/s，矿区暴雨洪峰流量为1.08 m3/s，故截排水沟满足排水要求。

4 植被恢复技术

4.1 渣堆复绿技术

渣堆治理区进行坡脚护岸防护和分级削坡减载后进行植被恢复工程。渣堆平台采用“乔灌草”结合进行植被恢复；坡面采用“灌草”结合的方式进行植被恢复。“乔灌草”结合的复绿措施可有效快速地构建稳定的植物群落结构，提升植被覆盖度，增加区域水土保持和水源涵养能力，降低水土流失程度。

（1）渣堆平台。乔木树种为云杉，种植穴尺寸为60 cm×60 cm×40 cm。灌草复合种子播撒量为5 g/m2。经试验优化，种子配比为苜蓿：草木樨：披碱草：银露梅=1∶1∶1∶2。平台苗木栽植示意见图6。

（2）渣堆坡面。灌木为珍珠梅，采用营养杯苗的种植方式，种植穴尺寸为50 cm×40 cm×30 cm。草本复合种子播撒量为5 g/m2。经试验优化，草种配比为苜蓿：草木樨：披碱草=2∶2∶1。坡面灌木栽植平面及剖面图见图7。

4.2 岩质边坡复绿技术

掌子面（ZZ02、ZZ04）在完成危岩清理及坡脚渣堆平整后，采用3种复绿措施开展植被恢复作业。复绿措施：①下部渣堆覆盖区参照渣堆复绿方法进行；②上部区域针对坡度小于55°的基岩出露区，采用直接挂金属网客土喷播复绿技术进行，喷播厚度应不小于15 cm，种子层喷射厚度2～3 cm；③针对坡度大于55°的基岩出露区，采用“生态棒+客土喷播”综合复绿技术进行。生态棒沿等高线布设在金属网内部，垂直间隔为1.0 m，最后进行客土喷播，进而提升喷播基质留存率，从而提升植被根系附着空间，增大苗木的成活率和覆盖度。

客土喷播基质主要为壤土、草炭土、腐熟有机质、有机肥、缓释肥、黏合剂、生物改良剂等；客土喷播种子配比为金露梅：银露梅：沙棘：绣线菊：紫花苜蓿：黄香草木樨：黄芪：马先蒿：披碱草：冰草=3∶3∶4∶3∶2∶2∶1∶1∶0.5∶0.5。客土喷播复绿大样见图8。

4.3 土质边坡复绿技术

治理区掌子面ZZ05为土质边坡，土壤含量较高，因此渣堆平整后，无需进行客土回填，直接采用“穴植灌木+播撒草种”的方式进行植被恢复。栽植灌木为珍珠梅，播撒草种为苜蓿、草木樨、披碱草。

5 治理效果

通过矿山治理工程，消除了地质灾害隐患。植被恢复工程一方面使矿区植被景观得到恢复提升，形成冬天有绿、春夏有花的美景；一方面可起到稳定边坡的作用，同时可增加水源涵养能力，有效降低水土流失。矿区治理效果见图9。

6 结论

（1）通过对某废弃矿山现场勘查及评价分析，治理区存在不稳定斜坡、崩塌、滑坡地质灾害隐患，地形地貌景观破坏严重。

（2）针对渣堆坡面不稳定斜坡，采用坡脚设置压脚护岸、渣堆分级削坡减载的治理措施；针对岩质边坡存在的崩塌落石采用危岩清理的方法；针对土质边坡滑坡采用降低边坡坡度、修建压脚护岸、设置截排水沟的措施消除滑坡地质灾害。

（3）通过现场调查并进行试验分析，渣堆平台采用“栽植乔木+播撒灌草种子”，坡面采用“栽植灌木+播撒草种”的复绿措施；岩质边坡采用“生态棒+客土喷播”的复绿措施；土质边坡采用“栽植灌木+草种播撒”的复绿措施，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。

（4）通过应用矿山地质环境治理及植被恢复技术，达到了消除地质灾害隐患、修复矿区生态环境的目的，对卓尼县域同类型小型采石场生态修复具有重要的参考价值。