龍勝三門鎮(zhèn)滑石礦田地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害鏈及其綜合治理

姚柏華，唐名富，全洪波

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004)

0 引 言

龍勝三門滑石礦田成礦帶位于廣西龍勝縣西南古坪-都坪一帶，走向呈北北東向，約包括16個滑石礦山，其中除了桂林桂廣滑石有限公司龍勝礦區(qū)、廣西龍廣滑石有限公司龍勝礦區(qū)、華美滑石有限公司龍勝礦區(qū)外，其他大多數(shù)為小型滑石礦和礦點，規(guī)模較小。該區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜，成礦地質(zhì)條件良好，是我國重要的優(yōu)質(zhì)滑石礦產(chǎn)區(qū)。長期以來，由于不計環(huán)境后果的大規(guī)模礦產(chǎn)資源開發(fā)活動，造成了嚴重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，礦山開采引起山體崩塌、滑坡、地裂縫及地面塌陷，破壞土地、植被資源，礦山開采后形成的礦渣、廢石，大部分沿自然邊坡或溝谷堆放，形成了不穩(wěn)定斜坡，存在嚴重的地質(zhì)災(zāi)害隱患。同時又高又陡的渣堆，堵塞河道、污染水源，特別是遇暴雨發(fā)生時，易形成礦渣泥石流地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅著礦區(qū)內(nèi)居民的生命財產(chǎn)安全。

自2003年龍勝三門滑石礦田各礦山進行多期技術(shù)改造以來，引發(fā)了大量的崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害。隨著礦田內(nèi)各礦山各自為政的礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程的實施，在一定程度上減少了潛在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。但由于對整個礦田礦山環(huán)境問題的危害性缺乏統(tǒng)一性的認識，在單個礦山的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理過程中，只是簡單套用規(guī)范或常規(guī)技術(shù)方法，治理工程標準偏低，對整個龍勝三門滑石礦田礦山環(huán)境問題的認識不足，治理方案針對性差或適宜性弱;恢復(fù)治理工程設(shè)計方法與思路較為狹窄，沒有從整個礦山流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的角度來籌劃礦山環(huán)境系統(tǒng)與綜合治理[1]。

本文以綜合治理地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害鏈的思路來恢復(fù)礦山流域生態(tài)系統(tǒng)，全面分析了龍勝三門滑石礦田存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，以桂林滑石公司龍勝礦區(qū)雞爪河流域礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程為例，從治理礦山災(zāi)害鏈效應(yīng)思路出發(fā)，采用修建預(yù)應(yīng)力錨索+抗滑樁、攔擋墻(壩)和排水系統(tǒng)、河道疏通等流域治理方案，有效改善和治理礦山地質(zhì)環(huán)境，恢復(fù)了礦山生態(tài)環(huán)境。

1 地質(zhì)災(zāi)害鏈的基本概念

災(zāi)害鏈是指原生災(zāi)害及其引起的一種或多種次生災(zāi)害所形成的災(zāi)害系列。所謂“原生災(zāi)害”是指由動力活動或環(huán)境異常變化直接形成的自然災(zāi)害，“次生災(zāi)害”是由原生災(zāi)害引起的“連帶性”或“延續(xù)性”災(zāi)害[2]。在2008年中國科協(xié)組織的第16屆新觀點新學說學術(shù)沙龍上，圍繞“重大災(zāi)害鏈演變過程、預(yù)測方法及對策研究”，提出重大災(zāi)害往往相互關(guān)聯(lián)、互相影響，抓住它們之間的相互關(guān)系，用整體思維去研究，運用多學科手段開展重大災(zāi)害鏈機理、預(yù)測方法和城市群防災(zāi)研究，把自然災(zāi)害突發(fā)事件和人類行為學二者相互交融，有些過去不能預(yù)測的災(zāi)害，就有可能預(yù)測成功[3]。

礦業(yè)活動中對地質(zhì)環(huán)境的影響超過了礦山地質(zhì)環(huán)境容量，因產(chǎn)生、引發(fā)或加劇的環(huán)境地質(zhì)問題而出現(xiàn)一系列的地質(zhì)災(zāi)害，主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。礦山地質(zhì)環(huán)境問題往往不是孤立發(fā)生和存在的，而是存在著礦山地質(zhì)環(huán)境問題鏈[1-5]，即前一種礦山地質(zhì)環(huán)境問題的結(jié)果往往是后一種礦山地質(zhì)環(huán)境問題的誘發(fā)因素(圖1)。礦山地質(zhì)環(huán)境問題鏈存在空間效應(yīng)、鏈式效應(yīng)、時空效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)、網(wǎng)狀效應(yīng)、影響廣泛等特性[2]。在礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程中充分運用綜合治理地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害鏈的思路，對于提高礦山地質(zhì)環(huán)境的治理效果和效率起到良好的示范效應(yīng)。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害鏈[1]Fig.1 Mine geological environment disaster chain

2 龍勝三門滑石礦田孕災(zāi)環(huán)境

2.1 地形地貌

三門滑石礦田區(qū)域地貌類型為侵蝕剝蝕地貌。地形總體為東高西低;區(qū)內(nèi)最高標高685 m，最低標高458 m，地形切割強烈，山體坡度一般為25° ～45°，局部坡度達到60°[6-7]。

2.2 區(qū)域構(gòu)造

三門滑石礦田位于南嶺系與廣西“山”字型脊柱的復(fù)合部位，三門復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜的次級構(gòu)造——林家灣背斜的西翼，其礦田構(gòu)造為更次一級的倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造，軸部為合桐組第五段白云石大理巖段及拱洞組千枚巖、板巖段，兩翼側(cè)為合桐組第四段細碧巖段，軸向北東15° ～20°。由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，致使基巖面傾角較陡，節(jié)理裂隙較發(fā)育，力學強度及抗風化能力受到一定影響。本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度Ⅵ度，礦山抗震設(shè)防≥Ⅵ度[6-7]。

2.3 地層與巖性

根據(jù)巖土體成因時代、巖性特征、物理力學性質(zhì)的差異，三門滑石礦田巖土可劃分為4 個工程地質(zhì)層 (圖2)，各地層分布、巖性特征如下[6-7]。

①素填土(Qml4 ):褐色、灰褐色、紅褐色、黃褐色或雜色。由粘土、碎石粘土和礫粗砂等組成，局部夾塊石，硬雜質(zhì)含量30% ～60%不等，稍濕—濕，孔隙大，軟硬不均，平均厚度1.43 m。

②含碎石粘土(Qel+dl4):廣泛分布于山體表面，紅褐色，局部黃褐色、灰褐色，粘土含量約20% ～49%，粘土為可塑—硬塑狀，角礫、碎石成分以細碧巖為主，粒徑一般為1 ～4 cm，礫粗砂含量約15%，稍密—中密狀，厚度0.3 ～12.9 m。

③強風化細碧巖(Pt3h1):紅褐色、淺灰綠色，顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)，變余交積細碧結(jié)構(gòu)，枕狀、氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造。風化強烈，屬于次軟巖，風化裂隙發(fā)育，巖心破碎，局部已全風化成碎石土狀，厚度0.7 ～14.1 m。

④中—微風化細碧巖(Pt3h1):紅褐色、淺灰綠色，顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)，變余交積細碧結(jié)構(gòu)，枕狀、氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造。中等風化—微風化，屬于極硬巖，巖心較完整，厚度大，未揭穿該層。

2.4 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水主要受大氣降水補給，其埋藏深度與地形有關(guān)，山背部位約6 ～10 m，地下水位隨季節(jié)變化較大，變幅11.5 m。地下水類型有基巖裂隙潛水和松散層孔隙水。抽水試驗獲得的滲透系數(shù)為每天數(shù)十厘米到數(shù)米，主要原因是碎塊石所構(gòu)成的格架中存在大量地下水的排泄管道，即存在地下水管道排泄系統(tǒng)[8]。

3 龍勝三門滑石礦田主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題

三門河發(fā)源于臨桂縣上黃沙山麓，南流黃沙、上朝塘，再轉(zhuǎn)北流入縣境，經(jīng)小江口、雙朗、三門及瓢里鄉(xiāng)之界泉、六漫等地，于交洲河口注入尋江，縣境長度60 km，集雨面積574.84 km2，在龍勝三門滑石礦田支流有古坪河、雞爪河、上朗河(圖3)。龍勝三門滑石礦田的一系列的礦山地質(zhì)災(zāi)害，包括進礦公路滑坡、崩塌、泥石流，礦山開采誘發(fā)的崩塌、滑坡、地面塌陷等以及大氣、水質(zhì)、土壤等污染引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問題[9-13]，給當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定帶來了重大影響。

圖3 三門滑石礦田主要礦區(qū)分布Fig.3 Sanmeng talc ore field distribution map of the main mining area

3.1 礦山開采邊坡形成進礦公路崩塌滑坡鏈

礦區(qū)礦體圍巖主要為細碧巖、白云大理巖夾千枚巖，巖層為薄層—中厚層，層理較發(fā)育，巖層傾向260° ～290°，傾角43° ～85°。整個礦區(qū)山體上部巖體呈強—中風化狀，裂隙發(fā)育，主要有兩組:一組265°∠70°，發(fā)育密度3 條/m;另一組280°∠52°，發(fā)育密度3 條/m。裂隙中泥質(zhì)充填，巖石多被分割成塊體，完整性差，局部破碎，是形成崩塌、滑坡的主要因素。當開采過程掘進面放坡不當或開挖爆破震動易產(chǎn)生巖土體崩塌。削坡挖方形成卸荷臨空面，使邊坡的土層和強風化巖體的天然平衡狀態(tài)受到破壞。近兩年來三門滑石礦田各礦山采礦邊坡發(fā)生滑坡十多處，其中桂廣滑石礦6 處，龍廣滑石礦和華美滑石礦各3 處。圖4為龍廣滑石礦采場邊坡滑坡。

圖4 龍廣滑石礦采場邊坡滑坡Fig.4 Slope landslide Longguang talc mining

礦田進礦道路總長約14.8 km，其中桂廣滑石礦進礦道路2.4 km，華美滑石礦進礦道路7.4 km，龍廣滑石礦進礦道路5.0 km，礦田各礦山共用桂廣滑石礦進礦公路。公路穿行地段屬低山陡坡地貌，自然坡度15° ～40°，局部50°，沿線山坡一般海拔在+420 ～+750 m，最大高差330 m，公路臨雞爪河沿山腰而行，大部分地段開挖邊坡，形成人工邊坡高度5 ～25 m 不等，坡度30° ～45°，表層風化帶主要由素填土、耕植土、第四系殘坡積的含碎石粘土、塊石組成，厚度0.5 ～5 m，下伏基巖為元古界丹州群合桐組細碧巖夾千枚巖、白云石大理巖，在大雨或者連續(xù)降雨的影響下，邊坡表層易發(fā)生土石混合的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。特別是桂廣滑石礦沿雞爪河新選廠地段，該地段發(fā)育一系列滑坡構(gòu)成滑坡群，共有5 處:1 號滑坡發(fā)生于2007年6月;2 號滑坡發(fā)生于2008年1月，出現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路路面開裂和上邊坡滑塌跡象;3 號滑坡位于新建選廠附屬場地上，于2009 -07 -03 發(fā)生整體滑移，滑坡沖毀了下部的平臺，一直沖到雞爪河中，并造成較大經(jīng)濟損失;4 號滑坡發(fā)生滑動時間不詳;5 號滑坡發(fā)生于2007年11月，滑體后緣出現(xiàn)開裂[5]。

3.2 礦渣隨及水土流失形成礦渣泥石流災(zāi)害鏈

礦渣泥石流是龍勝三門滑石礦田礦山開采中危害最嚴重的地質(zhì)災(zāi)害之一。各礦山開采排放的大量棄石(土)、礦渣，堆放在山體斜坡上，在暴雨的沖刷侵蝕作用下，造成嚴重的水土流失，誘發(fā)礦渣泥石流災(zāi)害(表1)。

在各尾礦庫，廢石主要靠運輸車輛壓實，結(jié)構(gòu)較為松散，為泥石流的形成提供了物質(zhì)來源，在大雨及連續(xù)降雨影響下易發(fā)生礦渣型泥石流，易形成重度大、形成區(qū)與堆積區(qū)相連、堆積作用迅速、規(guī)模小—中等的泥(廢)石流，造成嚴重災(zāi)害(圖5)。

3.3 礦山開采誘發(fā)地面塌陷和地裂縫

由于長期開采活動，目前各礦區(qū)內(nèi)已存在大量采空區(qū)，采空區(qū)地面塌陷是由于在地下邊探邊采形成無規(guī)律采空區(qū)，長時間無序開采導(dǎo)致采空區(qū)坍塌形成。井巷開拓后，由于開采順序以及采場管理均不規(guī)范，在礦區(qū)特定的地質(zhì)環(huán)境條件下，礦山開采加劇了巖層各組裂縫的發(fā)育和張開，及巖層軟弱結(jié)構(gòu)面的破壞，使礦層和圍巖的穩(wěn)定性降低，以致使地面產(chǎn)生開裂、沉降，甚至采空區(qū)地面塌陷。特別是華美滑石礦，自2003年始，由于受H1 號采空區(qū)塌陷的影響，在3#窿道一帶發(fā)生約3 萬m2范圍內(nèi)地表及民房、礦區(qū)辦公室、礦工宿舍、河邊護堤等出現(xiàn)開裂、下沉、變形，造成嚴重的地質(zhì)災(zāi)害。

表1 各礦山廢石場規(guī)模與特征Table 1 Scale and characteristics of the mine field

圖5 龍廣滑石礦2 號棄石礦渣誘發(fā)泥石流災(zāi)害Fig.5 No.2 abandoned stone slag induced debris flow disaster of Longguang talc mine

4 針對地質(zhì)環(huán)境群的龍勝礦區(qū)雞爪河流域地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害綜合治理

桂林滑石公司龍勝礦區(qū)雞爪河流域因為礦山開采造成礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題突出，采場邊坡及進礦公路崩塌、滑坡頻發(fā)，礦渣隨意堆放，地質(zhì)災(zāi)害鏈效應(yīng)明顯，應(yīng)以綜合治理地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害鏈的思路，進行礦山環(huán)境恢復(fù)治理，恢復(fù)礦山流域生態(tài)系統(tǒng)。

4.1 進礦公路滑坡群治理[14]

據(jù)調(diào)查，危害較明顯的滑坡有5 處，各滑坡主滑方向與山坡坡向基本相同或相近，總方量144 224 m3。滑坡群規(guī)模與滑坡平面形態(tài)特征詳見表2。

以2 號滑坡為例[15]:

(1)地表和地下排水。在滑體上設(shè)置完善的地表排水水系統(tǒng)，使地表水能夠順暢排出，減少降雨對滑體穩(wěn)定性的不利影響。

(2)錨索+抗滑樁工程。在滑坡5 -5′、6 -6′剖面前緣設(shè)計附近抗滑樁1 排，共設(shè)計10 根，樁距5.0 m，樁頂上布置1 排預(yù)應(yīng)力錨索，為防止塌孔及克服土體沉降對預(yù)應(yīng)力錨索產(chǎn)生的豎向剪切作用，在錨索自由段設(shè)置Φ127 無縫鋼管，嵌入滑動面風化巖石1.5 m，滑坡體中部另布置2 ～3 排單點錨索，錨索錨固于滑動面以下穩(wěn)定地層中，通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力，利用錨索和抗滑樁的水平抗滑作用阻擋滑坡向下蠕動滑移，變被動防護為主動防護(圖6)。

表2 滑坡規(guī)模與平面形態(tài)特征[7]Table 2 Landslide scale and shape

圖6 龍勝滑石礦區(qū)2 號滑坡平面布置圖Fig.6 No.2 landslide floor plan of talc mine in Longsheng

(3)擋土墻工程，在滑坡4 -4′、7 -7′剖面滑坡推力較小的前緣各設(shè)計擋土墻1 道，擋土墻高度均為6 m，墻體上布置1 排4Φ15.24 預(yù)應(yīng)力錨索，錨索錨固于滑動面以下穩(wěn)定地層中。通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力，利用錨索和擋墻的水平抗滑作用，阻擋滑坡向下蠕動滑移，變被動防護為主動防護(圖7)。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁加固剖面Fig.7 Profile reinforced with piles and cable

4.2 采場邊坡優(yōu)化設(shè)計方案[16]

采場南部邊坡屬于斜交巖質(zhì)邊坡，巖層屬于軟質(zhì)巖石，抗風化和軟化能力弱，抗剪強度低，巖層節(jié)理發(fā)育，在雨水的入滲沖刷作用下，邊坡的穩(wěn)定性會進一步降低，這種趨勢不斷發(fā)展，最終會形成大規(guī)模崩塌、滑坡，對古坪公路、采場及人員的生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅，其后果不堪設(shè)想。因此，為保障優(yōu)化段邊坡的穩(wěn)定和杜絕安全事故的發(fā)生，必須對采場陡幫方案的邊坡采取加固防護措施(圖8)。

(1)地表排水，為了保證邊坡的安全，必須在邊坡上設(shè)置完善的地表排水系統(tǒng)，使地表水能夠順暢排出，減少降雨對邊坡穩(wěn)定性的不利影響，排水溝布設(shè)在邊坡的周邊，排水系統(tǒng)結(jié)合古坪公路和采場進行。

(2)公路下邊坡預(yù)應(yīng)力錨索工程，按照現(xiàn)場地形條件，在K0 +00 ～K0 +150，在標高+560 ～+608 m 以上按1∶0.25刷坡，并按每10 m 高設(shè)一個2 m 寬的平臺，并在該范圍按排距4 m、行距5.0 m 布置預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，主要是利用錨索預(yù)應(yīng)力作用對邊坡進行加固，防止其發(fā)生松弛變形;其次是通過噴錨防護，避免邊坡受雨水沖刷，防止和延緩軟弱巖土表面的風化、碎裂、剝蝕，從而減緩溫差及濕度變化的影響，達到保護邊坡整體穩(wěn)定性的效果。

(3)公路上邊坡錨固工程，公路上邊坡首先按間距2 m×2 m 梅花狀沿斜坡面布設(shè)錨釘，設(shè)計錨釘孔徑Φ36 ～48 mm，錨釘孔與坡面垂直，錨桿主筋由一根Φ12 mm 鋼筋組成。下錨后灌滿M20砂漿或純水泥漿，外部預(yù)留的彎鉤必須垂直向上坡方向。在坡面掛網(wǎng)和噴錨前應(yīng)對坡面松動巖土體進行清除，以保證施工安全和邊坡加固防護質(zhì)量。坡面按20 ～30 m2布設(shè)一個泄水孔，孔徑5.0 cm，深15 cm，仰角5°，以此達到對邊坡進行加固防護的效果。

圖8 采場邊坡加固防護剖面Fig.8 Profile of slope protection reinforcement

4.3 尾礦庫綜合治理[9，14]

擬建選廠下方截取一段河道作為尾礦庫。但由于河流上游兩岸山坡采礦時棄置有大量廢石土，當降暴雨時，這些廢石土便隨洪水傾泄入河里。因此，為了阻止洪水和廢石土排入庫區(qū)，在河流上建一攔砂壩，并于壩前開一排水排砂的排洪隧洞，改變河流的流水方向。與此同時，在距壩的下游約300 m 處建一尾礦壩，在兩壩之間的河道形成一個300 m 長的河谷型尾礦庫。尾礦庫底部標高在+335 ～+350 m，河流平均寬約10 m 左右，設(shè)計壩高20 m，庫區(qū)平均寬50 m，設(shè)計庫容24 萬m3，可滿足選廠21年生產(chǎn)服務(wù)年限所排尾礦的堆存量。壩體結(jié)構(gòu)采用漿砌片石壩，壩體采取分期建設(shè)，第一期建壩高10 m，以后可根據(jù)生產(chǎn)使用需要，分期逐步加高，一期建壩工程量為7 986 m3。

因山上洪水大部分已被上游壩體截走，庫區(qū)內(nèi)的匯水面積已甚小，庫內(nèi)排水可不考慮建專門的排水構(gòu)筑物，正常生產(chǎn)時，尾礦水返回循環(huán)使用，雨季時多余的尾礦澄清水從砌石壩頂溢流外排即可。

4.4 排洪隧洞[7，14]

設(shè)計排洪隧洞長1 200 m，匯水面積為17 km2，根據(jù)廣西統(tǒng)計的當?shù)厮馁Y料計算，當設(shè)計頻率為50年一遇時，洪峰流量為337.28 m3/s。由于上游有大量的廢石土要通過隧洞外排，為不讓廢石土在隧洞內(nèi)堆積堵塞隧洞，隧洞底坡擬為7%。隧洞過水斷面面積為22 m2，通過流量為363.17 m3/s，大于計算的337.28 m3/s 的洪峰量，滿足排洪要求。隧洞斷面的具體尺寸:寬4.20 m，垂高4.40 m，拱高1.10 m，開挖斷面27.57 m2，隧洞長1 200 m，開挖工程量約33 084 m3。隧洞前后各支護20 m，共支護長度40 m，支護用鋼筋砼量為1 085 m3。

5 結(jié) 論

(1)龍勝三門滑石礦田主要的地質(zhì)環(huán)境問題為一系列的礦山地質(zhì)災(zāi)害，包括進礦公路滑坡、崩塌、泥石流，礦山開采誘發(fā)的崩塌、滑坡、地面塌陷等引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。這些地質(zhì)災(zāi)害在成因上互為因果、相互關(guān)聯(lián)，呈連鎖反應(yīng)。

(2)礦山地質(zhì)環(huán)境問題存在群發(fā)性和衍生性的特點，是一個復(fù)雜的非線性演化過程。利用綜合治理的思想，應(yīng)用流域治理的方案代替逐個礦山治理方案，可以有效地改善和治理礦山地質(zhì)環(huán)境，恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境。

(3)從雞爪河流域綜合治理工程實踐表明，預(yù)應(yīng)力錨索+抗滑樁、擋土墻、排水溝綜合治理方案是治理礦山地質(zhì)災(zāi)害的一種有效方案，在類似礦山的治理工程中具有明顯的優(yōu)勢，值得在工程實踐中繼續(xù)推廣應(yīng)用。

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