晉寧磷礦排土場及露天采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的治理

譚光虹

(云南磷化集團(tuán)有限公司晉寧磷礦,云南 晉寧 650607)

0 引 言

晉寧磷礦隸屬于云南磷化集團(tuán)有限公司,建礦于1981年,為現(xiàn)代化露天礦山,設(shè)計(jì)礦生產(chǎn)能力由100萬t/年.晉寧磷礦從1983年開始投入生產(chǎn),至2009年末,累計(jì)生產(chǎn)原礦1 713萬t,產(chǎn)生剝離排棄物3 145萬m3.分東、西采區(qū),西采區(qū)為首采坑,最高開采標(biāo)高2 440 m,最終開采標(biāo)高2 300 m,形成東西寬420 m,南北長1 100 m的采空區(qū).采空區(qū)邊坡東側(cè)高140 m,西側(cè)高120 m,端幫80 m的凹陷露天采空區(qū).排土場表面積28.7萬m2,采空區(qū)表面積13.2萬m2的治理區(qū)域.礦山從1981年建礦至2009年末,累計(jì)生產(chǎn)原礦1 713萬t,產(chǎn)生剝離排棄物3 145萬m3①注:①數(shù)據(jù)來自《晉寧磷礦歷年生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃報(bào)表》,2010.1..

露天采空區(qū)存在高邊坡,裸露的巖層含有害元素,潛在的安全問題,水土流失造成的環(huán)境污染,加強(qiáng)對采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理研究、恢復(fù)采空區(qū)自然景觀和生態(tài)環(huán)境非常重要.

1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

晉寧磷礦頂板巖層是以碳酸鹽沉積為主的泥巖、粘土巖、砂巖、灰白色細(xì)晶白云巖和磷、錳質(zhì)白云巖夾燧石條帶組成,屬薄層狀結(jié)構(gòu)的半堅(jiān)硬至堅(jiān)硬巖組,風(fēng)化后節(jié)理層理均較發(fā)育,浸入水后易泥化.礦層為海相沉積的層狀磷塊巖,賦存于寒武系下統(tǒng)梅樹村組第二段和第三段中,礦石風(fēng)化后強(qiáng)度降低.

由于露天開采剝離物運(yùn)至排土場堆放,需占用大片土地,對地表植被和自然景觀造成破壞,存在發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.露天采空區(qū)礦層頂?shù)装宥酁檐浫豕こ處r組,采場巖層傾向與地形傾向一致,邊坡經(jīng)開挖形成后,應(yīng)力自然釋放.采空區(qū)表面經(jīng)風(fēng)蝕、雨水沖刷,容易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.使礦區(qū)及周圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降,水土流失嚴(yán)重.

2 排土場、露天采空區(qū)邊坡破壞機(jī)理

排土場、露天采空區(qū)邊坡,是剝離物按照設(shè)計(jì)邊坡角,段高堆放而形成,剝離物經(jīng)碾壓、自然沉降,重建立新的平衡.

邊坡巖體變形與破壞的發(fā)展過程,是巖體內(nèi)部應(yīng)力變相互作用的結(jié)果.作用于礦山邊坡巖體上的力以重力為主,其次為構(gòu)造力、滲透力和爆破振動力等.邊坡開挖前,巖體內(nèi)部應(yīng)力場處于相對平衡狀態(tài),隨著開挖與延伸(剝離、采礦、道路修建等),巖體出現(xiàn)臨空面、失去側(cè)向支撐力,引起巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整變化.在坡腳和坡頂附近可能出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和張力區(qū),巖體應(yīng)力的變化促使其產(chǎn)生新的變形,當(dāng)巖體應(yīng)力超過強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞,使邊坡巖體向開挖臨空面發(fā)生變形和破壞.

存在軟弱面的邊坡中,巖性特征對邊坡的變形與破壞過程起重要作用,如果巖體層面的傾向與開挖側(cè)空方一致,巖層傾角接近內(nèi)摩擦角,在外界振動,地下水、雨水等因素作用下,容易造成邊坡的破壞.

邊坡在破壞過程中的變形有:卸載回彈、蠕滑、拉裂、彎曲,而邊坡破壞是四種形式的組合.邊坡破壞的主要形式有:塌方、滑坡.

邊坡治理方式分治理、處理,在邊坡破壞前,提前進(jìn)行治理,對地下水、地表水進(jìn)行疏導(dǎo),控制邊坡角,削坡減載,擋土墻、抗滑樁、錨桿等措施.邊坡破壞后主要對邊坡體的清理,減少主動體對被動體的作用,可采用清除上部滑體,做安全平臺,降低邊坡角,噴射砼,錨桿、錨索、網(wǎng)格護(hù)坡等,重新建立邊坡應(yīng)力平衡.

邊坡塌方、滑坡造成實(shí)際性的破壞,是由于內(nèi)應(yīng)力平衡被打破,在滑動體與滑動面之間,存在內(nèi)摩擦力,而內(nèi)摩擦力(抗滑力)的大小與滑動面水平夾角成反相關(guān),與下滑力成正相關(guān)[1].

3 地質(zhì)災(zāi)害分布

3.1 排土場

由于剝離物剛從母體分離,內(nèi)應(yīng)力完全釋放,處于松散狀態(tài).如果設(shè)計(jì)的不合理性,生產(chǎn)中不科學(xué)的排土,排水設(shè)施不周,人為因素(爆破、周邊取土、采石),對排土場邊坡穩(wěn)定造成影響.由于排土量,排土高差大.雨季期間,容易引發(fā)排土場生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.剝離物中的氟、磷等元素部分淋溶后,隨地表徑流進(jìn)入下游.

排土場邊坡破壞形式及影響因素:排土場邊坡,是剝離物按照設(shè)計(jì)邊坡角,段高堆放而形成,剝離物經(jīng)碾壓、自然沉降,重建立新的平衡.排土場邊坡的破壞主要有:排土場滑坡,排土場泥石流,排土場環(huán)境污染三種表現(xiàn)形式.

排土場滑坡.形成排土場滑坡因素:a. 排土場選址不科學(xué):排土場位于傾斜的山坡地段,工程地質(zhì)不明,存在較大的構(gòu)造帶(斷層、溶洞、地下暗河等),排土前未對其底部較弱層不清理或清理不徹底等,給排土場滑坡埋下隱患.b. 生產(chǎn)排土不科學(xué):排土場設(shè)計(jì)參數(shù)不合理,未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)組織排土作業(yè),或在生產(chǎn)的某一時(shí)期,進(jìn)行巖土混排,從而人為地在排土場內(nèi)部形成較弱面.該面物理力學(xué)強(qiáng)度底,隨著排土場內(nèi)部堆積高度的加大,當(dāng)某一弱面剪切應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí),便會沿此弱面發(fā)生滑坡.c. 排水設(shè)施不健全:大氣降雨及地表水對排土場的浸潤作用,排土場初始穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變,穩(wěn)定性條件發(fā)生迅速惡化.如果暴雨時(shí),排土場排水不及時(shí),大量的地表水匯入排土場,滲入排土場內(nèi)部,排土場的原有平衡便會發(fā)生變化,排土場充水飽和,增加了排土場的重量,降低了排土場內(nèi)部潛在滑動面的摩擦力,形成排土場的滑坡.d. 人為因素:在排土場周邊濫挖濫采,爆破振動,破壞排土場底部抗剪力.e. 其它不可抗拒因素:如:地震、海嘯或特大暴雨等.

排土場泥石流.形成排土場泥石流有水力、重力成因.而形成泥石流的基本條件:泥石流區(qū)內(nèi)含有豐富的松散巖土;山坡地形陡峻,有較大的溝床縱坡;泥石流區(qū)的上中游有較大的匯水面積和充足水源.a. 泥石流水力成因:大量松散的固體物料堆積在匯水面積大的山谷地帶,在水力沖刷作用下,沿陡坡地形急速流動.b. 泥石流重力成因:大量松散固體物料吸水軟化,當(dāng)含水量達(dá)到一定時(shí),便形成黏稠狀流體.處于在陡峻的山坡地形,黏稠狀流體由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?釀成泥石流.

排土場環(huán)境污染.排土場排棄物存在大量的細(xì)小顆粒,在裝卸、推排、風(fēng)力等作用下,會形成大量的灰塵,對空氣造成污染.如果排棄物有微量有害元素,裸露在空氣中,經(jīng)風(fēng)化、氧化,溶解于水,對水體造成污染.

3.2 露天采空區(qū)

晉寧磷礦經(jīng)過二十多年的開采,形成了大面積的露天采空區(qū),采空區(qū)為裸露的原生巖層,不利于植被生長.巖層與地形傾向一致,易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、地表滑坡、地表植被破壞和景觀破壞等.

4 地質(zhì)環(huán)境治理范圍及治理方法

4.1 治理范圍

晉寧磷礦露天采區(qū)開采形成的排土場、采空區(qū)坡面等區(qū)域.

4.2 治理方法

a. 排土場治理.排土場已堆積大量的剝離物,占用大量的土地.排土場裸露面積大,植被稀少,易造成水土流失.地表植被和自然景觀破壞明顯,雨季易引發(fā)泥石流.排土場剝離物主要由第四紀(jì)表土(紅土)、水云母粘土巖、黑色頁巖、黃色泥質(zhì)頁巖、砂巖、碳酸巖和殘留磷礦石等組成.多數(shù)呈風(fēng)化、半風(fēng)化狀態(tài),巖土自然安息角38°.在干燥情況下,比較穩(wěn)定,濕潤時(shí)則吸水膨脹軟化,崩解成稠泥狀,極易被雨水沖刷流失.

根據(jù)上述基本特征,對排土場采用控制邊坡角、修筑截水溝、進(jìn)行覆土植被等工程、生物措施相結(jié)合治理方案.在排土場上部修建截水溝,攔截地表水,減少對排土場邊坡危害.

b. 采空區(qū)治理.采空區(qū)裸露表面積,在邊坡較緩區(qū)域,進(jìn)行覆土植被.在邊坡較陡,巖層風(fēng)化程度低,硬度大,不適宜覆土區(qū)域,采用在邊坡上,按等高線布置,人工在坡面上開挖寬20 cm,深10 cm的溝槽,行距20～30 cm進(jìn)行覆土植被(西三采二級品上的邊坡).對剝離中多余的表土,找地點(diǎn)進(jìn)行集堆、待用.其施工工藝流程為:打安全樁→開挖溝槽→施肥→填種植土→播種→管養(yǎng)護(hù).

c. 覆土及樹種選擇.在生產(chǎn)剝離過程中,對第四紀(jì)0～2 m的原生表土,在有選擇地集中剝離、運(yùn)輸至排土場,按規(guī)定區(qū)域,定點(diǎn)堆放于排土場表面.使用機(jī)械進(jìn)行大致攤平,表土攤平厚度不小于60 cm.利用人工對表土大塊搗碎小于5 cm,高低區(qū)域找平補(bǔ)齊.根據(jù)復(fù)墾區(qū)域的地理位置、氣候條件,本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)際、成活率高、生長快的原則,選擇適宜的樹種和草籽,進(jìn)行植樹、植草,并進(jìn)行施肥、病蟲害防治、灌溉等管理.

d. 覆土及種植方式.根據(jù)土壤、氣候、用途等條件,按要求進(jìn)行挖坑、撒草種.采空區(qū)較陡原生邊坡,不適宜覆土?xí)r,采用人工刻槽,填土、種植耐旱植物.

e. 截洪溝、排水溝開挖.根據(jù)地形、地貌開挖截、排水溝.將雨季可能形成的洪水引到自然溝壑,減少洪水對排土場、采空區(qū)區(qū)域的沖刷,侵蝕,避免排土場、采空區(qū)塌方、泥石流及對覆土植被等破壞.

f. 道路工程及灌溉工程.每個(gè)臺階修建一條寬3 m的便道,便于管理和后期的防火.修建取水泵站,架設(shè)專門管線,將水抽至高位水池.經(jīng)過自流到排土場、采空區(qū),實(shí)現(xiàn)對樹木、植被的澆灌.

g. 攔砂壩.為預(yù)防排土場塌方、泥石流對周邊農(nóng)田、村莊、水體造成破壞、污染.在排土場下游選擇適宜位置,設(shè)置2～3道攔砂壩,將可能形成的地質(zhì)災(zāi)害控制在一定范圍內(nèi).

5 治理經(jīng)費(fèi)來源

礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工作,存在時(shí)間長、工程量大,資金持續(xù)投入的特點(diǎn).資金來源于企業(yè)自籌,納入年度生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃總體安排.同時(shí)可爭取國家財(cái)政資金的支持.

2008年晉寧磷礦獲得國家礦山地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)400萬元,同時(shí)企業(yè)為項(xiàng)目配套經(jīng)費(fèi)755.11萬元,實(shí)行?？顚Ｓ?有效地促進(jìn)排土場、采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理,達(dá)到預(yù)期的效果和目的.

6 結(jié) 語

經(jīng)過多年堅(jiān)持不懈地對排土場,采空區(qū)進(jìn)行工程,生物等技術(shù)措施,取得了明顯的社會、環(huán)境、生態(tài)效果.a. 完成排土場、采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理面積36.8萬m2,累計(jì)投入治理資金1 155.11萬元(2008年獲得國家礦山地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)400萬元).種植各種樹木3.4萬株,植被種草36.6萬m2.b. 實(shí)現(xiàn)對排土場、采空區(qū)植被覆被,改善生態(tài)環(huán)境,減少了氟、磷等元素及水土的流失②注:②晉寧磷礦環(huán)境治理工作總結(jié),2010.3..

參考文獻(xiàn):

[1]《金屬非金屬礦山》安全生產(chǎn)培訓(xùn)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.