壽立永，崔擁軍，李向陽(yáng)，李 龍

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西 西安 710003)

石灰?guī)r礦廣泛應(yīng)用于水泥、骨料、石灰、化工等產(chǎn)業(yè)，是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的最大宗礦產(chǎn)資源之一。其礦山分布具有與重要經(jīng)濟(jì)帶、人口重要集中區(qū)高度重合的特點(diǎn)。石灰?guī)r礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)是把“雙刃劍”，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，也誘發(fā)高陡邊坡失穩(wěn)的安全生產(chǎn)事故，導(dǎo)致環(huán)境污染、生態(tài)破壞與區(qū)域發(fā)展衰退等問(wèn)題[1]。石灰?guī)r礦產(chǎn)資源粗放式開(kāi)發(fā)破壞了環(huán)境，而環(huán)境的惡化又反過(guò)來(lái)制約礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)，唯有礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

石灰?guī)r礦山高陡邊坡穩(wěn)定性控制是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題，生態(tài)修復(fù)一直是難點(diǎn)和痛點(diǎn)。針對(duì)石灰?guī)r礦山高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復(fù)面臨的問(wèn)題，本文提出了矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡5個(gè)方面的解決思路，并對(duì)主要內(nèi)容進(jìn)行了具體闡述，對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)具有一定參考意義。

1 面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)問(wèn)題

1.1 面臨的挑戰(zhàn)

近20年來(lái)，伴隨著石灰?guī)r礦山高強(qiáng)度開(kāi)采，形成了很多高度超過(guò)100m的高陡邊坡，威脅著安全生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)帶來(lái)了山體破損、陡坡裸露、環(huán)境景觀破壞、人居環(huán)境惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4]，這些問(wèn)題已經(jīng)成為制約石灰?guī)r礦產(chǎn)資源高效利用、礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要瓶頸。高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)主要面臨以下挑戰(zhàn)。

(1)石灰?guī)r破損山體數(shù)量多、分布廣、面積大。

石灰?guī)r礦山分布與重要經(jīng)濟(jì)帶、人口重要集中區(qū)高度重合，例如長(zhǎng)江沿岸、珠江西江沿岸、京津冀地區(qū)、川渝地區(qū)、汾渭地區(qū)等。目前在主要城市圈、主要交通線周邊形成大量裸崖峭壁、采石坑遍布的現(xiàn)狀，這些破損立面嚴(yán)重影響了景觀風(fēng)貌和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

(2)水脅迫是石灰?guī)r邊坡生態(tài)修復(fù)的瓶頸。

火成巖、碎屑巖區(qū)具有完整土壤結(jié)構(gòu)，底部巖石具有典型的、完整的風(fēng)化結(jié)構(gòu)，可貯存植被生長(zhǎng)依賴的包氣帶水、上層滯水。區(qū)別于火成巖和碎屑巖風(fēng)化成壤過(guò)程，石灰?guī)r地區(qū)以溶蝕為主，成壤慢于剝蝕造成了土粒虧損，石灰?guī)r區(qū)本身具有石漠化的演替趨勢(shì)[5]，而以礦山開(kāi)采為代表的人類活動(dòng)更加劇了這一過(guò)程，導(dǎo)致土層變薄或者徹底消失。石灰?guī)r具有透水的特點(diǎn)，石灰?guī)r礦山土壤、新鮮石灰?guī)r二元結(jié)構(gòu)又缺乏保水能力，水脅迫是石灰?guī)r邊坡生態(tài)修復(fù)的瓶頸。

(3)理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新滯后。

對(duì)于公路鐵路、露天礦山、城市破損山體等形成的高陡邊坡，部分專家學(xué)者從邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)、地貌整理、生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法、生物治理措施、水與生態(tài)約束條件、因地制宜的分區(qū)治理等多方面開(kāi)展了大量研究工作，但缺乏針對(duì)石灰?guī)r高陡邊坡的專門(mén)研究，缺乏系統(tǒng)理論總結(jié)，缺乏工程案例的驗(yàn)證和長(zhǎng)期跟蹤，缺乏修復(fù)效果的評(píng)估。

1.2 面臨的技術(shù)問(wèn)題

(1)部分礦山資源勘查階段對(duì)開(kāi)采生態(tài)環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)估不夠，簡(jiǎn)單按照資源儲(chǔ)量估算范圍劃定開(kāi)采境界；部分礦山按行政邊界(大多以山脊)劃定礦權(quán)范圍。開(kāi)采境界劃定不合理，人為導(dǎo)致形成高陡邊坡問(wèn)題[6]。另外，落后開(kāi)采工藝的廢棄小型礦山也形成了大量高陡邊坡。

(2)隨著邊坡加高，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，威脅著安全生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)安全；放緩邊坡又降低資源回收率，安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益矛盾突出[7]。各礦山高陡邊坡巖性、結(jié)構(gòu)面、水文等地質(zhì)條件存在較大差異，但坡面設(shè)計(jì)參數(shù)往往依賴經(jīng)驗(yàn)，缺乏基于巖體變形破壞過(guò)程和機(jī)理的穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)、控制措施和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

(3)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)景觀格局營(yíng)造往往聚焦于點(diǎn)，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用考慮不足[8]，缺少區(qū)域國(guó)土空間格局提升和生態(tài)保護(hù)屏障的宏觀把控，缺少礦山修復(fù)后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)服務(wù)、城市建設(shè)服務(wù)等功能輸出的綜合考慮。

(4)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)缺乏基于自然生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理的整體性把握，缺乏對(duì)地貌景觀、水、土壤結(jié)構(gòu)、生物群落等自然要素之間的系統(tǒng)性協(xié)調(diào)。重建的以草本植物為主的植被系統(tǒng)穩(wěn)定性低、易退化，依賴灌溉長(zhǎng)期維護(hù)，修復(fù)效果不持久，維護(hù)不經(jīng)濟(jì)。

(5)基于信息化、智能化的高陡邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、土壤水分等生態(tài)因子動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用程度較低，高新技術(shù)應(yīng)用達(dá)不到礦山工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的要求。

2 解決思路和主要措施

針對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)面臨的5方面主要技術(shù)問(wèn)題，從多學(xué)科聯(lián)合、融合入手，提出了矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡解決思路(圖1)。這5個(gè)部分相互融合、相互支撐、相互補(bǔ)充，共同解決石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)問(wèn)題。

圖1 高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)解決思路

2.1 源頭減損，矮化邊坡

以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，充分考慮環(huán)境承載力，根據(jù)地形完整性、山形特點(diǎn)合理劃定或調(diào)整開(kāi)采境界，避免邊界沿山脊、半坡將山體分割，減少人為因素形成高陡邊坡[6]。對(duì)于廢棄采坑，通過(guò)地形重塑、廢棄物回收利用，盡量消除高陡邊坡或?qū)⑦吰路啪彛瑴p輕對(duì)環(huán)境景觀的視覺(jué)沖擊。

矮化邊坡是基于源頭把控的思路，從科學(xué)規(guī)劃入手，優(yōu)化開(kāi)采境界，通過(guò)預(yù)測(cè)、預(yù)判，避免形成高陡邊坡，實(shí)現(xiàn)源頭減損，為末端治理、中間治理過(guò)程的生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)管控，安全邊坡

邊坡穩(wěn)定性決定因素包括巖土工程地質(zhì)性質(zhì)、地應(yīng)力等內(nèi)在因素，也包括表生作用、風(fēng)化卸荷、植物根劈、凍融凍脹、礦山爆破震動(dòng)、地震破壞等外在因素。在這些因素共同作用下，高陡邊坡可能失穩(wěn)，發(fā)生落石、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。綜合氣候氣象、水文條件、巖石巖性、結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等因素，對(duì)高陡邊坡進(jìn)行分區(qū)，在此基礎(chǔ)上采用工程地質(zhì)分析法、極限平衡分析法、極限分析法、數(shù)值分析法，基于概率論的邊坡可靠性分析等方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。通過(guò)多種方法計(jì)算、對(duì)比驗(yàn)證，分段提出安全邊坡角、邊坡錨固措施、礦山爆破控制等邊坡穩(wěn)定性控制措施。

邊坡穩(wěn)定性控制是露天礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確掌握高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制，對(duì)于推動(dòng)邊坡治理技術(shù)發(fā)展、保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)際意義[7]。通過(guò)具體工程實(shí)踐，總結(jié)形成石灰?guī)r礦高陡邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，建立風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)防控體系，實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定整體可控的目標(biāo)。

2.3 協(xié)調(diào)布局，美麗邊坡

針對(duì)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)的景觀格局營(yíng)造整體性、協(xié)調(diào)性不足的問(wèn)題，以礦產(chǎn)資源高效開(kāi)發(fā)與環(huán)境景觀協(xié)調(diào)為切入點(diǎn)，以從自然地域單元的整體性出發(fā)，協(xié)調(diào)布局，以人地和諧為目標(biāo)，將生態(tài)修復(fù)融入經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化建設(shè)中，助力國(guó)土空間格局優(yōu)化和民生福祉提升[10]。

根據(jù)地形條件、坡面物質(zhì)、表面狀態(tài)、邊坡坡度、邊坡高度、生態(tài)敏感度、景觀影響等限制因子確定治理思路[11]；基于環(huán)境影響因素、人類工程活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、景觀遺跡指標(biāo)等確定露天礦山治理目標(biāo)[12]。從規(guī)劃設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論，充分考慮土地后續(xù)利用方式，綜合考慮地貌景觀、植物配置、色彩搭配、植被高低錯(cuò)落搭配等因素，將破損山體修復(fù)與景觀營(yíng)造相結(jié)合，構(gòu)建和諧美麗的新景觀。

2.4 師法自然，生態(tài)邊坡

生態(tài)修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及礦床學(xué)、采礦學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、災(zāi)害學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、水文及水資源學(xué)等多個(gè)學(xué)科[13]。遵循自然生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，按提升生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力的修復(fù)理念[14]，基于多學(xué)科系統(tǒng)性、整體性支撐，從生態(tài)基底重建、土壤系統(tǒng)重建、含水層重建、水土保持綜合治理、生物多樣性恢復(fù)5個(gè)方向出發(fā)，系統(tǒng)進(jìn)行高陡邊坡生態(tài)修復(fù)(表1)。

表1 石灰?guī)r高邊坡生態(tài)修復(fù)主要內(nèi)容及措施

石灰?guī)r高邊坡生態(tài)修復(fù)目標(biāo)是通過(guò)人工干預(yù)，促進(jìn)自然修復(fù)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)服務(wù)功能的恢復(fù)和提升，促進(jìn)自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體改善和生態(tài)效應(yīng)、景觀效應(yīng)的整體提升。

2.5 協(xié)同監(jiān)測(cè)，智慧邊坡

高陡邊坡巖體的復(fù)雜性、隨機(jī)性、不確定性決定了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和穩(wěn)定性控制的局限性，開(kāi)展穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警是必要補(bǔ)充。水分和環(huán)境溫度是重要的生態(tài)因子和環(huán)境要素，決定高陡邊坡植被重建的成敗。通過(guò)生態(tài)因子監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步總結(jié)建立水分、溫度與植被生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)植被生長(zhǎng)水分最優(yōu)化控制。

以人工智能、5G為代表的第四次工業(yè)革命給石灰?guī)r礦山帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，采用智能化高新技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是社會(huì)發(fā)展必然趨勢(shì)[15]。目前石灰?guī)r礦山信息化、智能化改造尚處在探索階段，尚未形成“投入—產(chǎn)出”評(píng)價(jià)體系，為避免出現(xiàn)“為了信息化而信息化”的問(wèn)題，可從威脅礦山安全生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題入手，初步實(shí)現(xiàn)石灰?guī)r礦山信息化、智能化。通過(guò)地表變形監(jiān)測(cè)、深部變形監(jiān)測(cè)、松弛范圍監(jiān)測(cè)、地應(yīng)力監(jiān)測(cè)、地下水及滲流場(chǎng)監(jiān)測(cè)、錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)、爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段對(duì)巖體結(jié)構(gòu)場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化的邊坡穩(wěn)定性實(shí)時(shí)預(yù)警。通過(guò)土壤水分、環(huán)境溫度濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而控制智能噴灌系統(tǒng)運(yùn)行。

3 愿景目標(biāo)

結(jié)合具體工程實(shí)踐，通過(guò)持續(xù)、系統(tǒng)深入的科學(xué)研究，構(gòu)建“矮化、安全、美麗、生態(tài)、智慧”邊坡建設(shè)體系。

(1)以系統(tǒng)觀念為引領(lǐng)，通過(guò)采礦學(xué)、礦床學(xué)、土壤學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等交叉學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，整合已有的研究、實(shí)踐成果，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)方法適用條件、突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，構(gòu)建高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)創(chuàng)新平臺(tái)。

(2)總結(jié)適用于石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性分析方法、邊坡監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方法，建立邊坡巖體損傷演化模型，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高陡邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析預(yù)測(cè)。預(yù)防高陡邊坡失穩(wěn)，保障礦山安全生產(chǎn)。

(3)通過(guò)揭示石灰?guī)r礦高陡邊坡生態(tài)環(huán)境的時(shí)空演替規(guī)律，對(duì)不同地區(qū)、不同礦區(qū)，進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)環(huán)境脅迫過(guò)程區(qū)劃[16]，根據(jù)水資源約束條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件等因素，分區(qū)明確生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，提出生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法組合，進(jìn)一步構(gòu)建具體生態(tài)修復(fù)模型。從而推動(dòng)生態(tài)修復(fù)精準(zhǔn)化、科學(xué)化、模塊化，避免生態(tài)修復(fù)盲目性。

(4)形成較為完備的高陡邊坡穩(wěn)定性控制與生態(tài)修復(fù)理論體系，進(jìn)一步完善石灰?guī)r綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

4 結(jié)論及建議

(1)石灰?guī)r礦山生態(tài)修復(fù)面臨著礦山數(shù)量多、分布廣、破損面積大，生態(tài)修復(fù)水脅迫的瓶頸，理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新滯后，技術(shù)方法亟待突破等挑戰(zhàn)。

(2)石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復(fù)是石灰?guī)r礦山實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和綠色發(fā)展的瓶頸。存在開(kāi)采境界劃定不合理導(dǎo)致高陡邊坡形成，邊坡缺乏參數(shù)的科學(xué)論證、缺乏穩(wěn)定性控制措施、缺乏監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，生態(tài)修復(fù)景觀格局營(yíng)造不協(xié)調(diào)，生態(tài)修復(fù)缺乏生態(tài)演替規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理全局性把握，信息化程度低等技術(shù)問(wèn)題。

(3)針對(duì)石灰?guī)r高陡邊坡安全和生態(tài)修復(fù)高面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)問(wèn)題，提出矮化邊坡、安全邊坡、美麗邊坡、生態(tài)邊坡、智慧邊坡5方面解決思路，應(yīng)對(duì)石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性控制和生態(tài)修復(fù)難題。

(4)建議進(jìn)一步聚合礦山企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)力量，通過(guò)多機(jī)構(gòu)有效協(xié)同、多學(xué)科的充分融合，共同構(gòu)建石灰?guī)r高陡邊坡建設(shè)技術(shù)體系，推進(jìn)石灰?guī)r礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。