牦牛坪稀土礦礦山地質環境問題及治理

沈 波,馬東濤

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所, 四川 成都 610041；2.中國科學院研究生院，北京 100049)

1 概述

牦牛坪稀土礦區位于四川省涼山州冕寧縣城西南22km處，稀土礦儲量居全國稀土資源儲量的第二位，牦牛坪礦床規模居各礦床之首，約占四川探明稀土礦物總量的90%。長期以來的無序開采，采富棄貧，采易棄難，造成了資源利用率低，增加了進一步開采的難度，也使礦山周圍本來十分突出的地質災害發生的可能性增加，礦山本身也存在十分重大的安全隱患。

如何保障礦山開采過程中人員設備的安全，防治減少地質災害及礦山開采過程中造成的人為災害的發生對于礦山的可持續生產及地質環境的保護有著非常重要的意義。本文在客觀分析礦區地質災害現狀和發展趨勢基礎上，結合地質災害對礦區和下游沿河兩岸造成危害等因素，根據安全性和經濟性兼顧的原則，確定了治理工程的內容、主要設計思路，擬定了整治方案，提出了治理措施，估算了治理工程數量。這些措施的采取將有效保障礦山的安全生產和經營，對當地的生態環境的改善也會產生積極的效應。本文對今后礦山地質環境方面的治理有著一定的借鑒意義。

2 礦山地質環境問題及其危害

2.1 泥石流災害及危害

礦區現有泥石流災害10處，主要集中在礦區公路所在的瓦維埃河右岸一側，大部分泥石流溝口與礦區公路交叉，隨時對道路上生產車輛的運行構成嚴重的威脅，而礦區所在的主溝瓦維埃溝由于河道棄渣過多，各泥石流的排泄物又都集中在此溝，河道淤堵嚴重，對礦區所在的生產設備、人員以及礦產成品等等都是極大的安全隱患。

礦區泥石流的流域面積均在10km2以下，面積較小，均發育在岸旁的溝谷中，為溝谷型泥石流，各條泥石流溝坡度較陡，溝道長度不等，泥石流溝口物質含粗大物質較多，粘粒含量較低[1]，經分析初步認定礦區泥石流大部分屬稀性泥石流，少部分接近于水石流(表1)。造成礦區泥石流的主要物源類型多樣數量巨大，既有坡面侵蝕和沖溝侵蝕造成的兩岸的碎屑流和滑坡崩塌等重力侵蝕形成的固體物質，也有因礦山開采堆積在溝道中的棄渣。泥石流最后匯入的主溝均為瓦維埃溝，該溝溝形狹窄，溝道內淤埋堵塞嚴重，泥石流經過幾乎礦區內的所有生產場地和修建的廠區工房。該溝一旦暴發后將在上游形成急劇沖刷沖擊危害，而在下游將主要表現為漫流、堵塞和淤埋危害，一次性沖出物將達到幾十上百萬立方米，危害嚴重。

2.2 滑坡、崩塌災害及危害

目前，已查明礦區分布有滑坡和崩塌12處(表2)，規模均為中小型，主要分布在礦區右側和采坑陡壁及棄渣邊坡處，總體積約為25萬m3。此外,在礦區下游包子山南側有一處較大規模的老滑坡分布，一定時期內未出現滑動的跡象，狀態較為穩定?？偟膩碇v，瓦維埃河流域內大規模的滑坡、崩塌發育較少,造成原因大都為礦渣的不合理堆放及礦坑卸荷拉裂所致?；麓蟛糠志哂幸韵氯齻€特征，第一與人類工程活動關系密切；第二以松散堆積層滑坡分布為主，規模普遍較??；第三滑坡分布與地層分布有較大的關系，溝谷左岸為砂巖分布，雖邊坡平均坡度較大，但滑坡不發育，右岸花崗巖分布區覆蓋層較厚，有較多的滑坡發生。

表1 牦牛坪泥石流災害特征統計表

表2 牦牛坪礦區滑坡、崩塌災害一覽表

2.3 礦渣、礦坑高邊坡

牦牛坪礦區在23年的礦產資源開發過程中，由于采用露采的采礦方式，在礦區形成了眾多深達數十甚至超過百米的開采基坑。開采過程中，各種棄渣、尾礦堆積如山，個別棄渣堆高近百米，全部堆棄在瓦維埃河河谷及河道中，在礦區中上部，已無正常溝道，河谷已全部被侵占。據實地調查，礦區內較大的棄渣堆可歸并為26處，合計規模為1.77×107m3。此外，礦區下游三道河溝口原榮福選礦廠在瓦維埃河右岸堆積有棄渣及尾砂堆一處，體積為2.08×105m3，二道河溝口在瓦維埃河右岸堆積有棄渣及尾砂堆一處，體積為5.0×105m3，總計棄渣規模達1.84×107m3。礦渣堆均為自然堆棄，絕大多數未設置任何邊坡支護工程，礦渣高邊坡坡度均在30°以上，接近或與其自然休止角相同。礦坑邊坡高度一般為20～50m，個別邊坡高度近100m，四周均為設置排水措施，局部出現卸荷拉裂現象[2]。

2.4 礦山生態環境問題及危害

礦區所在地屬于中高山區，礦區山頂及山坡生長著大量的常綠闊葉林和草皮。礦區周邊山體植被覆蓋率在80%左右。礦山長期開采對當地景觀地形造成了原有景觀的破壞和新的自然景觀格局的形成。采礦活動對地表的干擾，改變了地區的地形、地貌，形成許多人工景觀，降低了礦區原有的自然景觀美學價值。露天采場挖損地表：采場開挖對植被破壞嚴重，采場斜坡陡峻、巖石裸露，原有植被消失殆盡。綜合而言，礦山建設對局部自然生態環境也有相當的破壞，但對整個區域自然體系的穩定性不會造成明顯影響。

由于礦山采選及堆渣，對局部區域植被鏟除，造成水土流失，土壤侵蝕度增加，而礦區所在區域主要為荒山地，坡度在15°～35°之間，水土侵蝕形式將以水力侵蝕為主。

由于原采坑、棄渣、尾礦未采取合理防護措施，下游河道南河將被污染，河中懸浮物增加，河道沉積大量尾礦渣，呈混濁狀，對周圍地表水環境產生較嚴重影響。

3 礦山地質環境治理

3.1 治理目標、思路及關鍵

通過對礦山地質環境實施綜合治理，消除原有礦山棄渣、采坑及尾礦對新建礦山采區、棄土場的危害，使礦區內邊坡保持穩定狀態，防止崩塌滑坡、泥石流的發生，使礦區生態環境得到一定恢復。主要采取工程措施和生物措施相結合的方式進行治理，工程措施主要采取治理與防護相結合的方式。地質環境保護以治理棄渣為主，兼顧采坑，通過棄渣搬運和采坑回填的方式從源頭上消除礦區現存的滑坡、崩塌、礦渣、礦坑高邊坡的危害；地質災害治理以泥石流災害為主，通過修建攔擋壩、導流堤的方式防治泥石流的發生。

治理的關鍵主要集中在四個方面：第一，在新建的牦牛坪稀土礦采區范圍內，對原有礦區棄渣廢石進行處理；第二，礦區西部、北部高陡邊坡穩定性治理工程，主要在滑坡區及人工邊坡區實施；第三，礦區西部泥石流溝治理，修筑泥石流溝攔擋水壩、導流堤工程[3]；第四，新建排土場攔擋水壩工程，清理溝道中棄渣，有效保障排土場安全。

3.2 治理方案措施

結合原有礦區地質環境問題和地質災害現狀，綜合選定棄渣搬運+采坑區回填+泥石流攔擋壩+導流堤工程+修建棄渣場措施的綜合治理方案。

3.2.1 棄渣搬運

前期開采遺留在礦區內的1840萬m3礦渣、廢石中的約1200萬m3是泥石流潛在的固體物質來源，也是造成礦區大部分滑坡、崩塌及礦渣高邊坡及礦坑高邊坡形成的主要因素，對瓦維埃河下游構成嚴重威脅，計劃將其搬運至在礦區外江銅擬新建的排土場和采坑中妥善堆集。堆置過程中按規范覆土植樹，在礦區為大礦建設形成露天開采境界創造條件。棄渣場周界設置擋土墻，擋墻長度：750m估算，擋土墻采用M 7.5漿砌片石砌筑，高度7m，其中基礎埋設2.0m，面坡、背坡坡比均為1∶0.3，墻厚2.0m，墻面設置50mm泄水孔，縱橫向間距均為3.0m，每隔20m設置一道伸縮縫，并用瀝青木板填筑。墻后平臺后分4級放坡，每級邊坡按照1∶1.5放坡，高度10m，并設2.0m寬卸荷平臺，坡面采用拱型骨架植被護坡處理。

3.2.2 采坑區回填

原有的13處廢棄的采坑均位于江銅新的采區以內，其面積約100000m2，待開采完成后，實施回填和綠化。

3.2.3 泥石流攔擋壩工程

在瓦維埃河主河道內布置2座攔擋壩，即1#壩、2#壩。攔砂壩的主要功能是攔截部分泥石流體，削減泥石流峰值流量，減少輸送至下游的泥砂數量。壩型采用槳砌塊石重力壩。在壩頂中部設置梯形溢流口，壩體中部設計二排排水孔[4]。1#、2#壩攔擋壩主要尺寸見表3、表4。

表3 1#攔砂壩的主要尺寸

表4 2#攔砂壩的主要尺寸

N2～N6等5條泥石流位于瓦維埃和右岸的流域中上游，尤其是N2、N3(四道河)、N4(三道河)、N5內堆積了大量礦渣，泥石流對礦區規劃的棄渣場、瓦維埃河造成嚴重危害，擬在以上5條溝口附近各設一座攔擋壩，壩高5～8m,頂寬2m，上游壩坡1∶0.5,下游1∶0.1, 基礎埋深3.00m。在壩頂中部設置梯形溢流口，壩體中部設計二排排水孔。壩軸線長在20～40m。

3.2.4 泥石流排導工程

在瓦維埃河和四道河出山口右側分別設置一道防護堤，防治泥石流出山口后沖出，威脅岸旁的居民點，材料采用漿砌塊石修建，單側長度依次為1100.00m和400.00m，高度分別設置為5.00和4.00m，基礎埋深均為2.00m，迎水面邊坡均為1∶0.35，背水面邊坡均為1∶0.10，堤身布置兩排排水孔。

3.2.5 新建棄渣場

棄渣的堆置擬在露天采場南側的牦牛溝主山谷中修建新的排土場，占地面積約273.4hm2。排土場系統包括：排土場、攔石壩、清污分流截水溝、酸性水庫、運廢石道路等。廢石堆置總高度暫定285m，總容積約31198.0萬m3，滿足礦山開采堆棄廢石的堆存要求。排土場排土采用汽車加推土機排土工藝排土，先低后高，分臺推排；尾礦庫筑壩按照尾礦庫壩體修筑工藝要求實施。

4 礦山治理效益

4.1 社會效益

礦山環境治理工程直接保護了牦牛坪稀土礦區職工生命及國家財產安全；減輕了水土流失對下游安寧河支流南河的泥沙危害，保護了流域下游牦牛村、馬廠村、森榮鄉1000域名彝族同胞的安全，對促進礦山生產，使區內居民安居樂業。社會效益顯著。

4.2 經濟效益

治理工程方案的設計和實施完成后，既解決了歷史遺留的礦山環境問題，也減少了礦山生產的不安全隱患，為確保將牦牛坪建設成為集“采、選、冶、加、研”為一體、年生產規模145萬t、年產值達40億元的稀土產業集群提供了可靠的保障，經濟效益巨大。同時，每年可減少用于采場、棄土場、尾礦以及礦區公路、河道等清理費數百萬元，減災效益也十分可觀。

4.3 生態和環境效益

通過礦山環境治理工程的實施，穩定了采坑、棄渣邊坡和尾礦，減少了滑坡、泥石流等的危害，減少了礦區水土流失，以及對下游河道的危害。通過植樹、種草等生物工程，有效地減少地表徑流，減少了礦區水土流失發生、發展。

[1] 陳寧生,崔鵬,劉中港，等. 基于黏土顆粒含量的泥石流容重計算 [ J ]. 中國科學：E緝, 2003, 33 (增刊) : 164-174.

[2] 李峰，趙濤，朱瑞賡. 綠色生態材料在礦山高邊坡防護中的應用[J]. 巖石力學與工程學報,2005(2):5297-5300.

[3] 吳積善，田連權，康志成，等.泥石流及其綜合治理[M].北京：科學出版社，1993.

[4] 李冠奇，魏鴻，谷明成，等.泥石流攔擋壩優化設計[J]. 地質災害與環境保護,2009(20):29-32.