襄汾縣恒鑫鐵礦礦山地質環境問題及防治對策

李 超

(河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001)

0 前 言

襄汾縣恒鑫鐵礦位于襄汾縣城直距為13 km 的姜家莊村，采用全段面房柱式采礦方法進行開采，斜井開拓，生產能力3萬t/a，主要開采Ⅰ、Ⅵ號礦體，累計查明資源儲量89.63萬t，其中保有333資源量38.37萬t，消耗資源儲量 51.26萬t。近10余年的開采，帶來了不穩定斜坡、地面塌陷、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和土地損毀等一系列地質環境問題，環境治理迫在眉睫。

1 概 況

礦區位于塔兒山西側，屬低中山區，地勢東高西低，地形切割較強烈，溝谷發育；屬暖溫帶半干旱大陸季風氣候區，年平均降水量為500 mm，年降水量集中在7月、8月、9月 3個月，占全年的60%；屬黃河流域汾河水系，主要溝谷為姜家溝，溝內無常年性地表水體，暴雨時有短暫洪水匯入溝中排出區外，向北西注入汾河，再匯入黃河；姜家溝溝谷長度 3 970 m，山坡坡度20°～50°，上游大部為基巖裸露區，主要有奧陶系中統大理巖化灰巖和斑狀閃長巖， 溝谷狹窄，呈“V”形，下游為黃土出露區，溝谷較寬闊；屬北溫帶落葉闊葉林地帶的山地丘陵區，自然植被類型主要有油松林、荊條、酸棗、三裂繡線菊、白羊草等組成的灌草叢和草叢，植被覆蓋率40%；土壤屬褐土，土質疏松，團粒結構，通透性好，適宜林木生長；礦區面積為0.388 8 km2，土地類型主要有耕地、草地、交通運輸用地、其他土地、城鎮村及工礦用地等。

2 地質環境特征

2.1 地質特征

礦區位于臨汾斷陷盆地的東部邊緣，塔兒山-二峰山隆起帶西部，構造主要有褶皺和接觸帶。褶皺發育，對地層分布影響較大，產狀變化較大；接觸帶極其發育，主要為石炭、奧陶系的碳酸鹽與閃長巖接觸交代，有帶狀的矽卡巖或鐵礦生成，是矽卡巖型礦床的重要控礦構造；后期巖漿的破壞作用強烈，規模較小，分布凌亂，地表接觸帶規模一般數米到幾十米。地震基本烈度為Ⅷ度區，地震加速度為0.20g，反應譜特征周期為0.35 s。

南部出露中奧陶統海相峰峰組和上馬家溝組，北部第四系廣泛分布。馬家溝組分為三段，下段厚70 m，為灰綠、黃褐色礫狀泥巖、含泥質大理巖夾大理巖；中段厚76 m，為灰、深灰色厚層豹皮狀大理巖、灰白色厚層大理巖；上段厚90 m，為灰白、淺黃色厚層大理巖、泥質大理巖。峰峰組分為兩段，下段厚66 m，為灰綠、黃褐色含泥質大理巖、角礫狀泥質大理巖夾大理巖；上段處于侵蝕面附近，各處厚度不等，3～8 m，為灰、深灰色厚層大理巖。第四系上更新統厚0～40 m，為灰黃色砂土、黏土。區內主要出露斑狀閃長巖，少部分斑狀正長巖和二長巖。

2.2 礦床特征

恒鑫鐵礦礦體主要分布于斑狀閃長巖與中奧陶統馬家溝組白云質灰巖或鈣質白云巖接觸帶上，屬矽卡巖型鐵礦床；共發現有3個隱伏小型礦體，呈透鏡狀、似層狀產出，形態較復雜，受侵入接觸構造控制；礦石類型為磁鐵礦石，礦石礦物主要為磁鐵礦、假象赤鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等；礦石TFe 品位為25.96%～61.75%，平均為 44.80%；mFe品位為23.92%～50.08%，平均為 45.12%；主要有害成分為硫、磷。

1)Ⅰ號礦體：位于礦區中部，以透鏡狀或似層狀產出；礦傾向為北西，傾角為 20°～27°；礦體走向延長 100 m，傾向延深 200 m；礦體真厚度 1.37～1.82 m，平均為 1.62 m；頂板為矽卡巖、大理巖，底板為矽卡巖、斑狀閃長巖；TFe品位為39.24%～41.52%，平均為 40.65%；mFe 品位為33.76%～35.94%，平均為34.57%。

2)Ⅵ號礦體：位于礦區北部，以透鏡狀或似層狀產出；礦體走向北東，傾向北西，傾角10°～30°，平均傾角18°；長約190 m，延深180 m；礦體真厚度1.71～12.61 m，平均為4.60 m；頂板為矽卡巖、大理巖，底板為矽卡巖、大理巖；TFe品位為31.09%～61.75%，平均為46.06%； mFe品位為23.92%～50.08%，平均為39.60%；S含量0.018%～0.956%，平均為0.229%； P含量0.007%～0.017%，平均為0.011%；礦體沿走向有向北東側伏的趨勢。

3)Ⅶ號礦體：位于礦區南部，呈透鏡狀或似層狀產出；礦體產狀291°∠25°，延長 335 m，延深100 m；礦體真厚度1.00～13.11 m，平均為5.06 m；頂板為矽卡巖、大理巖，底板為斑狀閃長巖；TFe品位為25.96%～51.61%，平均為43.72%；S含量0.010%～1.025%，平均為0.094%；P含量0.005%～0.024%，平均為0.010%。

2.3 水文地質條件

區內水系發育一般，溝谷內的水流量隨雨量大小而異，地表排泄條件好，部分溝谷發育間歇性小溪。礦區東北部發育有南北向溝谷一條，面積0.15 km2，河流縱坡12‰，形態呈“V”形；西部有北西向溝谷一條，流域面積0.24 km2，河流縱坡16‰，溝谷形態呈“V”形。

地下水劃分為第四系松散層孔隙含水層、中奧陶統碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層和巖漿巖裂隙含水層3種類型。前者巖性為粉土、粉質黏土，垂直節理發育，透水性較好，富水性弱，最大厚度50 m，流量在10～100 t/d；中者巖性為灰巖、白云質灰巖、泥灰巖、灰質白云巖等，巷道所見巖溶不發育，只在層間裂隙及風化裂隙含水，隨埋深加大而減弱；后者閃長巖本身不含水，是良好的深部隔水層，但侵入過程中由于頂推穿刺或旋轉過程中使圍巖產生網狀裂隙系統，加大了周圍巖層的富水性，面積不大，泉水出露少，且流量小，泉流量僅0.1～0.2 L/s。

礦區地下水一部分接收大氣入滲補給，一部分接收上覆第四系松散層孔隙含水層的垂向補給，地下水由北東向南西方向徑流，并向新絳縣古堆泉排泄；礦體開采標高均高于奧陶系灰巖水位標高，不存在帶壓開采，未發現導水斷層的存在，水文地質條件中等。

2.4 工程地質條件

1)土體工程地質特征：第四系松散層廣泛分布，主要由黃色粉土、粉質黏土和砂礫石層夾棕紅色古土壤層組成，稍濕，稍密-中密，具中-低壓縮性，中等-弱濕陷性，垂直節理發育，工程地質條件中等。

2)巖體工程地質特征：礦區開采對象為馬家溝組與斑狀閃長巖接觸帶上磁鐵礦體，礦體的頂底板為灰巖、斑狀閃長巖、大理巖、矽卡巖等，巖石性質屬中等堅硬較穩固性巖石。其中，石英巖巖體質量為Ⅰ類，矽卡巖巖體質量為Ⅱ類，硅化大理巖、大理巖、二長巖和閃長巖巖體質量為Ⅲ類，鐵礦體巖體質量達Ⅳ級。

3 地質環境現狀和預測

3.1 地質災害

1)采空區特征

礦山自2011年底參與整合以來，僅2019年進行了生產活動，主要開采礦體為Ⅵ礦體，開采區域位于礦體西北部，采出礦石量為0.45 萬t；南部Ⅶ號礦體礦界范圍內資源量在資源整合以前已采空，其余礦體未進行任何開采活動。Ⅵ號礦體采空區有3處，采高4.68 m，采空區面積約18 925 m2；Ⅶ礦體采空區1處，采高5.51 m，采空區面積約73 071 m2；采空區總面積為91 996 m2。

2)地質災害現狀

區內發育不穩定斜坡1處，泥石流1處，已修復地面塌陷4處，無地面裂縫及下沉跡象。

不穩定斜坡XP1：位于礦區北部姜家溝內，工業廣場東部為溝谷邊坡(見圖1a)，邊坡高約6 m，坡長約50 m，坡度約65°；裂隙發育，上部為上更新統黃土，底部有鈣質結核；下部為中更新統淡紅色黏土，現狀條件下邊坡穩定性較好，存在崩塌、滑坡隱患，造成可能經濟損失小于100萬元，受威脅人數小于10人。

圖1 不穩定斜坡和廢石場

姜家溝泥石流：位于塔兒山西北坡的姜家溝，溝谷橫截面呈“V”形。基巖裸露，主要為奧陶系大理巖化灰巖，其次為斑狀閃長巖，少量松散堆積物；下游主要為黃土覆蓋區，溝谷內松散堆積物大面積分布，厚度較大；溝內有廢石場 1處，位于主井工業廣場西部溝內，現狀調查形成的廢石堆積斜坡坡高約4.5 m，坡長31 m，坡度約75°，修建有水泥砂漿塊石砌筑結構擋土墻(見圖1b)，廢石存量11 516 m3；溝谷內無常年性地表水體，在暴雨時有短時洪流，溝谷溝口無泥石流堆積的痕跡，歷史上未發生過泥石流地質災害，由于溝內有大量廢石堆積，不排除暴雨時發生泥石流地質災害可能[1-2]。

此外，礦區范圍內共存在4個采空區，企業已對采空區進行充填治理并通過驗收，目前已有采空區上部地表沒有明顯地面裂縫和下沉跡象，采空區底部沒有積水。

3)地質災害預測

主副井工業場地、廢石場、回風斜井工業場地遭受崩塌、滑坡和泥石流地質災害危險性較大，影響程度較嚴重，面積1.6 hm2；Ⅵ號礦體開采范圍內引發地面塌陷地質災害危險性較大，影響程度較嚴重，減去重疊主副井工業廣場面積1.12 hm2，較嚴重面積10.203 hm2；Ⅰ號礦體開采影響范圍引發地面塌陷地質災害危險性較小，影響程度較輕，面積4.256 hm2；其他范圍地質災害影響較輕，面積30.737 hm2。

總之，現狀條件下，地面塌陷、地裂縫地質災害不發育，未發生過崩塌、滑坡和泥石流地質災害，存在崩塌、滑坡和泥石流地質災害隱患[2-3]，地質災害危險性較輕(見圖2a)。預測后期工業場地遭受崩塌、滑坡和泥石流地質災害危險性較大，影響程度較嚴重；Ⅵ號礦體開采范圍引發地面塌陷地質災害危險性較大，影響程度較嚴重；其他范圍地質災害影響較輕(見圖2b)。

圖2 地質災害現狀和預測評估

3.2 含水層現狀

區內Ⅵ號礦體存在采空區3處，主要分布于礦區中部，采高4.68 m，采空區面積約18 925 m2；Ⅶ礦體采空區1處，分布于礦區西南部，采高5.51 m，采空區面積約73 071 m2。礦山開采對采空區以上的含水層均造成了一定的破壞。

1)含水層現狀

Ⅵ號礦體開采對采空區以上的新生界第四系松散巖類孔隙含水層造成了一定的破壞，改變上部含水層儲水結構，局部疏干上部含水層，對第四系松散巖類孔隙含水層地下水影響較嚴重；中奧陶統碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層地下水位標高約為480 m，礦區最低開采標高530 m，位于奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層地下水位以上，礦床開采對奧陶系中統碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層地下水影響程度較輕；礦床開采使巖漿巖裂隙含水層部分地段結構被破壞，水位下降，由于巖漿巖裂隙含水層富水性弱，沒有統一的地下水位，礦床開采對巖漿巖裂隙含水層影響程度較輕[5-6]。

礦井涌水量較小，評估區無村莊分布，該礦現處于停產狀態，采礦活動對礦區及當地居民生產生活用水影響較小；礦區生產和生活用水取自礦區以外，礦床開采對生產生活用水影響較輕。

總之，現狀條件下采礦對區內各類含水層影響程度分為“較嚴重區”和“較輕區”(見圖3a)。其中“較嚴重區”主要位于采空區，影響第四系松散巖類孔隙含水層地下水結構和地下水水位，面積為8.552 1 hm2；其他區域含水層未受到采礦活動影響，影響與破壞程度“較輕”，面積為32.388 hm2。

2)含水層預測

隨著采礦范圍的擴大，對含水層的破壞與現狀類似，但面積有所擴大(見圖3b)，其中，含水層破壞程度“較嚴重區”，面積為15.572 hm2；含水層破壞程度“較輕區”，面積為25.368 hm2。

圖3 含水層現狀和預測評估

3.3 地形地貌景觀

1)地形地貌景觀現狀

現狀條件下，區內形成的采空區主要有4處，但未在地表形成地面塌陷區。對地形地貌景觀產生影響主要為工業場地的修建。2處工業場地、2處運礦道路和1處廢石場對地形地貌景觀影響和破壞程度為“較嚴重”(見表1)，面積為1.6 hm2；其余范圍對地形地貌景觀影響和破壞程度“較輕”，面積39.78 hm2(見圖4a)。

表1 地形地貌景觀現狀一覽

2)地形地貌景觀預測

礦山開采后將形成整體塌陷或下沉變形，地面將出現沉陷及地裂縫現象，進一步引起加速侵蝕、植被退化、土地退化等荒漠化危害，結合相似礦山經驗、礦體厚度、頂板巖性、回采工藝等[7-9]，預測地形地貌損毀程度為“較嚴重”，面積15.947 hm2；其他范圍地形地貌損毀程度為“較輕”，面積24.993 hm2(見圖4b)。

圖4 地形地貌影響現狀和預測評估

3.4 損毀土地

1)損毀土地現狀

區內土地利用現狀主要有旱地和其他草地，屬崇實村集體所有，其次為采礦用地。礦山為地下開采，對地表原有植被破壞較小，但是廢石堆放、工業場地等工程活動不同程度地破壞土地。

現狀損毀土地主要為壓占損毀，主要有已有主副井工業場地、回風斜井、廢石場、臨時用地、運礦道路及廢棄采礦用地(見表2)，占地類型為其他草地、采礦用地、農村道路和村莊等，損毀程度為重度。

表2 已損毀土地情況一覽

2)損毀土地預測

在礦山服務年滿后，對各個損毀單元進行復墾，部分損毀單元需要進行覆土，覆土土源來自設計取土場，本次取土場面積為0.06 hm2，表現為挖損損毀占地類型為其他草地。

3.5 環境污染

空氣污染主要有原礦堆場粉塵和運輸道路揚塵；廢水污染主要為礦井水和生活污水；固體廢物污染為廢石和生活垃圾；噪聲污染為提升機、通風機、空壓機、水泵和運輸車輛等。

3.6 生態破壞

1)生態破壞現狀

工業廣場主要占地類型為采礦用地，占地面積1.12 hm2；廢石場平均堆積厚度4 m，堆放量11 516 m3，占地類型為采礦用地；廢棄工業場地為原襄汾縣陶寺鄉鑫昌達鐵礦工業場地不再利用，占地類型為采礦用地，面積為10.65 hm2；植被類型均屬于無植被區。

2)生態破壞現狀預測

擬建取土場有1處，選在礦區西部，占地0.06 hm2，占地類型為其他草地，會進行一定量的挖方工作，破壞草叢，使占地范圍內土地利用的結構和類型發生變化，原有的植被類型的結構和分布將發生一定變化，從而增加了水土流失。

4 環境保護與土地復墾

4.1 地質災害防治

未來采礦活動可能引發的不穩定邊坡的崩塌，擬對邊坡較陡或土質邊坡采取削坡減載、減緩坡度、修建截排水系統的措施，并加強邊坡穩定性監測。地面塌陷和地裂縫主要以局部整平、恢復土地功能為主。即地表塌陷就近取土，進行塌陷坑的填埋、整平；地裂縫以填埋為主，對不同的地類實施差異的土地復墾手段，以恢復土地的原有功能。

4.2 含水層破壞防治

鐵礦采礦活動對含水層的破壞主要為鐵礦開采對含水層結構的破壞，主要采取回填采空區、修補含水層等工程。含水層破壞以自然恢復水位為主，加強周邊水井地下水水位、水質、水量監測。

4.3 地形地貌景觀防治

鐵礦采礦活動影響地形地貌景觀的單元為廢石場、工業場地等。工業場地內建筑物在礦山服務期滿后留續使用；地形地貌景觀防治主要集中在廢石場、取土場。取土場先采用回填、覆土等簡單工程措施[10]；之后根據不同的地類實施差異的土地復墾手段[11]，基本恢復原有地形地貌和土地的原有功能。

4.4 水土環境污染防治

采礦活動可能引起的水土污染，以監測預防為主，定期取樣對地下水水質及地表土壤污染情況進行監測，同時，加強對生活污水的管理，污水必須通過處理達標后才可排放。工業場地及廢石場采用修筑截排水溝，廢石場底部修建排水涵洞，礦坑水收集再利用，工業場地生活污水處理后再利用。

5 結 論

襄汾縣恒鑫鐵礦現狀地質環境問題不穩定斜坡、含水層破壞和地下水位下降、地形地貌景觀破壞和壓占損毀土地；預測地質環境問題為地面塌陷、崩塌、滑坡和泥石流、含水層和地形地貌損毀面積進一步增大和取土場的挖損損毀土地等；削坡邊坡、修建截排水，填埋和整平地表塌陷，回填和覆土取土場，再選擇合適的土地復墾和植被綠化措施，恢復原有的地形地貌景觀和土地的原有功能，以期為井下金屬礦提供生產、修復和保護的理論依據。