齊躍灣礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程

黃昱清，祝啟坤，陽(yáng) 凱，宋 征

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，是人類工程活動(dòng)引發(fā)的各類環(huán)境問(wèn)題中最為主要的問(wèn)題之一[1].特別是自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)中小型礦山迅猛發(fā)展，再加上我國(guó)礦山企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)所實(shí)行的粗放型資源利用管理模式，使得礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題不斷惡化，已愈來(lái)愈強(qiáng)烈地影響和改變著人們賴以生存的地質(zhì)環(huán)境，為此，也引起國(guó)家政府部門的高度重視，自2007年以來(lái)國(guó)土資源部相繼頒布并實(shí)施了《礦山環(huán)境保護(hù)與綜合治理方案編制規(guī)范》、《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)規(guī)定》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)，這些標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的頒布實(shí)施標(biāo)志著我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理工作已納入法制化和規(guī)范化的管理軌道.如何既合理地開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源,又不至于造成礦山地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的惡化以及重大地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要研究課題[2].本文針對(duì)齊躍灣煤礦所存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題現(xiàn)狀，有針對(duì)性提出了相應(yīng)的防治工程措施，以有效保護(hù)該礦山地質(zhì)環(huán)境.

1 礦山基本概況

齊躍灣煤礦位于鄂西南中切割中山區(qū)，海拔高程1 500～1 750 m，顯巖溶地貌景觀，溶蝕峰叢及槽谷構(gòu)成區(qū)內(nèi)基本地貌單元.礦區(qū)地層從三疊系下統(tǒng)大冶組至志留系中統(tǒng)紗帽組各系地層均有出露，地層總體呈單斜構(gòu)造，傾向295°～315°，傾角12°～15°.第四系殘坡積層主要分布于緩坡與山間沖溝兩側(cè)及河谷地帶，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，厚度0～10 m，分布不連續(xù).礦區(qū)含水層主要為第四系孔隙水含水層，三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系灰?guī)r段以及石炭系中統(tǒng)黃龍組巖溶裂隙含水層，隔水層主要為二疊系上統(tǒng)吳家坪組含煤段及泥盆系上統(tǒng)黃家磴組和中統(tǒng)云臺(tái)觀組.區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，無(wú)常年永久性地表水體，東部邊緣響水溝為區(qū)內(nèi)地表水及地下水的主要排泄通道，流量隨降雨強(qiáng)度而劇烈變化，區(qū)內(nèi)年平均降水量1 500 mm，5～9月為雨季.地下水主要為大氣降水補(bǔ)給，沿基巖裂隙、巖溶及構(gòu)造破碎帶滲透深部巖體.礦區(qū)工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件總體屬簡(jiǎn)單～中等復(fù)雜類型.

該礦山為多年生產(chǎn)礦井，礦權(quán)面積1.255 8 km2，礦床類型為煤系沉積型，含煤巖系為二疊系下統(tǒng)棲霞組馬鞍段(P1qm)，煤質(zhì)屬中～富灰分、富硫無(wú)煙煤.礦井采用平硐暗斜井聯(lián)合開(kāi)拓方式和走向長(zhǎng)壁后退式回采，年生產(chǎn)能力為60 kt，屬小型煤礦.

2 主要地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

齊躍灣煤礦地處鄂西南褶皺山區(qū)，具備發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件，且礦區(qū)沿煤層露頭民窯小井開(kāi)采歷史較長(zhǎng)，采掘棄渣隨意堆放，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞較為嚴(yán)重，對(duì)今后不再繼續(xù)使用的工礦廢棄地及廢渣堆未采取任何恢復(fù)性治理工程措施.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及已有工程資料綜合分析，目前該礦山主要存在不穩(wěn)定邊坡、危巖體、礦山棄渣、水質(zhì)污染與地表生態(tài)環(huán)境破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題.

2.1 不穩(wěn)定邊坡問(wèn)題

受工業(yè)場(chǎng)地平整、修路、建房等工程活動(dòng)影響，目前該礦山在礦區(qū)范圍內(nèi)已形成4處高度不等的不穩(wěn)定切坡邊坡體(BP1、BP2、BP3、BP4)，其中BP1位于礦山主平硐上方，對(duì)礦山安全生產(chǎn)危害較大，本文以BP1為例來(lái)說(shuō)明各不穩(wěn)定邊坡體的綜合治理工程措施.BP1長(zhǎng)約35 m，坡高5～8 m，坡角30°～40°，平均約35°，坡體主要由粉質(zhì)粘土和殘坡積碎石土組成，結(jié)構(gòu)松散，透水性較強(qiáng)，其成因主要為在礦山公路修建時(shí)，由于對(duì)該自然斜坡坡腳開(kāi)挖，使其坡腳位置的側(cè)向反壓支撐力減少所致.目前該斜坡體的穩(wěn)定性總體較差，局部已發(fā)生小規(guī)模的滑移破壞，且坡體常有少量地下水滲出.圖1為不穩(wěn)定邊坡體(BP1)現(xiàn)狀.

圖1 不穩(wěn)定邊坡體(BP1)現(xiàn)狀Fig.1 Current state of instability slope(BP1)

為了解BP1在治理前的穩(wěn)定性狀況，同時(shí)也為該邊坡的支擋加固提供設(shè)計(jì)依據(jù)，首先對(duì)該邊坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算.根據(jù)該邊坡地形地貌、物質(zhì)組成、地層結(jié)構(gòu)等綜合分析，BP1可能發(fā)生的破壞模式為圓弧滑動(dòng)破壞，計(jì)算模型選用Bishop法，則邊坡穩(wěn)定系數(shù)K為：

其中：

(1)

式(1)中：Wi為第i條塊重力(kN/m3)；ΔHi為第i+1條塊與第i條塊切向力之差(kN/m3)；bi為第i條塊寬度(m)；θi為第i條塊底面法向反力與鉛垂線夾角(°)；ci、φi為第i條塊滑面巖土體粘聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°).

根據(jù)工程類比[3]，該邊坡體物理力學(xué)參數(shù)取值如下：重度γ=20.0 kN/m3；凝聚力c=15.0 kPa；內(nèi)摩擦角φ=15.0°.據(jù)此，對(duì)BP1進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2.

圖2 BP1穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.2 Stability calculation result for BP1

由計(jì)算結(jié)果可知，該邊坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)K1=0.965，邊坡基本上處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)，因此，當(dāng)該邊坡遭受降雨等不利外部環(huán)境條件時(shí)，隨時(shí)有可能產(chǎn)生更大規(guī)模的滑動(dòng)破壞.同理，可對(duì)其它各邊坡體在支擋加固前進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算.

2.2 礦山棄渣問(wèn)題

礦山廢渣危害不僅表現(xiàn)為對(duì)礦區(qū)土地資源的占用和對(duì)地表植被的嚴(yán)重?fù)p毀，而且當(dāng)遇連續(xù)降雨或暴雨等不利外部環(huán)境條件時(shí)，還有可能產(chǎn)生堆渣體邊坡滑移破壞，甚至?xí)纬尚⌒湍嗍?根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，該礦山目前共存在4處規(guī)模較大的廢渣堆場(chǎng)(KZ1、KZ2、KZ3、KZ4).其中KZ1位于礦山主平硐東側(cè)依響水溝西岸坡的陡斜坡地帶順坡堆放，長(zhǎng)45 m，寬4 m，高15 m，坡角40～50°，方量約3 000 m3，坡體主要由碎石土組成，局部為粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)松散，如圖3所示.KZ1在礦山未來(lái)開(kāi)采中將繼續(xù)作為礦山排渣場(chǎng)使用.其它廢渣堆分別位于礦山風(fēng)井及礦區(qū)公路附近，今后將不再繼續(xù)使用.目前各廢渣堆場(chǎng)無(wú)任何攔擋工程措施.

圖3 廢渣堆(KZ1)現(xiàn)狀Fig.3 Current state of mine residue (KZ1)

在對(duì)各廢渣堆進(jìn)行工程治理前同樣需要了解其穩(wěn)定性狀況，穩(wěn)定性分析采用圓弧滑動(dòng)失穩(wěn)破壞模式.根據(jù)工程類比，廢渣堆物理力學(xué)參數(shù)取值如下：重度γ=19.0 kN/m3；凝聚力c=5.0 kPa；內(nèi)摩擦角φ=32.0°.以KZ1為例，同樣采用Bishop法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4.

圖4 KZ1穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.4 Stability calculation result for KZ1

由計(jì)算結(jié)果可知，KZ1廢渣堆在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為K1=0.971，處于不穩(wěn)定狀態(tài).同理，可對(duì)其它廢渣堆進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算.

2.3 危巖體崩塌問(wèn)題

自然條件下礦區(qū)共發(fā)育危巖體三處(WY1、WY2、WY3)，發(fā)育地層為二疊系灰?guī)r段.危巖體呈石林或陡立狀臨空分布，卸荷與溶蝕裂隙較發(fā)育，其破壞方式為崩塌.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，目前各危巖體均處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，主要危害對(duì)象為坡下礦區(qū)公路，危巖體崩塌范圍內(nèi)無(wú)當(dāng)?shù)鼐用窕顒?dòng).由于治理區(qū)危巖體發(fā)育地層傾向與山體坡面多構(gòu)成逆向或斜交結(jié)構(gòu)，對(duì)山坡巖體的整體穩(wěn)定較為有利，在礦山服務(wù)年限內(nèi)，預(yù)測(cè)未來(lái)自然條件下產(chǎn)生較大規(guī)模的危巖體崩塌災(zāi)害的可能性不大.

2.4 水質(zhì)污染問(wèn)題

礦山地表水質(zhì)污染主要來(lái)源于礦坑廢水、廢渣堆淋濾水.坑口廢水正常排放量一般為10 m3/h，因煤層及圍巖含硫化物，礦坑水一般呈弱酸性，且含泥沙、粉塵等懸浮物，生活污水排放量約25 m3/d.由于該礦山廢渣堆目前未采取任何恢復(fù)治理工程措施，因此，當(dāng)廢渣堆場(chǎng)遇地表雨水沖刷與浸泡后會(huì)排出滲濾污水，對(duì)地表水環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染.

另外，該礦山還存在土地資源與生態(tài)環(huán)境的破壞問(wèn)題，現(xiàn)狀條件下主要表現(xiàn)為工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)、修路建房以及廢渣堆等場(chǎng)所，壓占與破壞土地類型主要為灌木林地.由于該礦山采用地下開(kāi)采方式，礦區(qū)內(nèi)土地資源占用與生態(tài)環(huán)境破壞總體屬較輕程度.

3 恢復(fù)治理工程措施

綜合考慮齊躍灣煤礦所存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及災(zāi)害體特征、穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果及危害性程度等，對(duì)各類礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分別采取如下恢復(fù)治理綜合性工程措施[5～8].

3.1 不穩(wěn)定邊坡治理工程

對(duì)4處不穩(wěn)定邊坡體，主要采取“坡面削方與整形+重力式擋土墻+截排水+植被”等綜合性防治工程措施.即，首先根據(jù)不穩(wěn)定邊坡體所處的地形地貌隨坡就勢(shì)地對(duì)坡面進(jìn)行削方與整形處理，最大削坡坡度一般不大于30°，然后沿各邊坡體坡腳位置設(shè)置一道漿砌石擋土墻用以支擋不穩(wěn)邊坡體并保護(hù)坡腳，同時(shí)在不穩(wěn)定邊坡體的外圍或坡腳位置設(shè)置截(排)水溝用以攔截和排泄地表徑流水，最后對(duì)坡面種植草木以恢復(fù)地表生態(tài)植被.以BP1為例，設(shè)計(jì)仰斜式重力式擋土墻墻高4.2 m，墻頂寬1.2 m，墻胸坡比1∶0.4，墻背1∶0.2，墻底逆坡0.2∶1，墻趾高35 cm，寬30 cm，埋深1.0～1.2 m.墻體采用MU30毛石與M7.5水泥砂漿砌筑，外露面M10水泥砂漿勾縫，墻頂1∶3水泥砂漿抹面厚20 mm.漿砌石墻每10～15 m設(shè)置一條伸縮縫，分縫處采用瀝青止水.為防止雨水下滲浸泡地基，在墻頂和墻底分別設(shè)置厚30 cm的粘性土夯實(shí)層，墻背后設(shè)50 cm砂礫石反慮層.為排泄擋土墻背后積水，墻體設(shè)φ100 mm PVC排水管兩排，間距2 m，梅花狀排列.

對(duì)設(shè)計(jì)擋土墻(D1)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，其抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)、地基承載力等各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求[4].

3.2 棄渣堆治理工程

本次恢復(fù)治理工程主要對(duì)齊躍灣煤礦主平硐位置、風(fēng)井位置以及以往民窯小井開(kāi)采時(shí)所遺留的4處廢渣堆場(chǎng)(KZ1、KZ2、KZ3、KZ4)進(jìn)行綜合整治.由于KZ1廢渣堆場(chǎng)在未來(lái)礦山開(kāi)采時(shí)將繼續(xù)使用，本恢復(fù)治理工程主要是在其坡腳位置沿響水溝邊界處設(shè)置一道漿砌石攔渣墻來(lái)對(duì)KZ1進(jìn)行支擋與圍護(hù)，同時(shí)在該攔渣墻外側(cè)設(shè)置二級(jí)礦渣堆淋濾廢水中和沉淀處理池，以收集和處理KZ1酸性淋濾浸出污水，對(duì)收集后的污水主要采取投加石灰乳液中和處理方案，同時(shí)還建議礦山在今后開(kāi)采時(shí)盡可能對(duì)礦山廢渣進(jìn)行綜合利用或回填采空區(qū)，以減少礦渣的排放量.對(duì)今后不再繼續(xù)使用的礦渣堆(KZ2、KZ3、KZ4)，首先采取削方、壓實(shí)、清理與整形等地面處理，然后采用漿砌石攔渣墻對(duì)各廢渣堆進(jìn)行支擋與圍護(hù)，最后在各廢渣堆表面覆蓋不小于0.5 m的種植土后種植草木以恢復(fù)地表生態(tài)植被，生態(tài)恢復(fù)采用播撒植草+點(diǎn)穴法植樹(shù)方案，苗木選用適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件的樹(shù)種，如楊樹(shù)、刺槐、日本落葉松等，株距2 m×2 m，三角形配置.各攔渣墻設(shè)計(jì)的基本原理同不穩(wěn)定邊坡?lián)跬翂?

3.3 危巖體防治措施

目前整治危巖體崩塌的主要工程措施包括：清除、支撐、錨固、攔截、避讓、監(jiān)測(cè)等.綜合考慮齊躍灣煤礦危巖體的穩(wěn)定性狀況、危害程度以及經(jīng)濟(jì)投入等實(shí)際情況，對(duì)治理區(qū)的三個(gè)危巖體(WY1、WY2、WY3)主要采用如下預(yù)防措施：首先對(duì)危巖體上方的松動(dòng)危石進(jìn)行人工清理以防危石滾落；對(duì)危巖體下部煤層按圍巖移動(dòng)角劃分禁采區(qū)或采取邊回采邊充填的回采方案，以避免因采礦活動(dòng)人為誘發(fā)危巖體變形崩塌破壞；在各危巖體的崩塌影響范圍的邊界位置設(shè)置醒目的警示牌警戒區(qū)，防止人員入內(nèi)以達(dá)到避讓的目的；采取人工巡查觀測(cè)或儀器監(jiān)測(cè)對(duì)各危巖體的變形破壞發(fā)展趨勢(shì)實(shí)施監(jiān)控，必要時(shí)對(duì)危巖體采取加固處理或爆破卸除工程措施；對(duì)危巖體附近的地表裂縫，在人工清縫的基礎(chǔ)上，采用水泥砂漿灌漿法回填封堵處理方案，灌漿材料采用1∶2水泥砂漿，同時(shí)在灌漿體的頂部采用0.5 m粘土夯實(shí)層隔水.

3.4 截(排)水措施

滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害一般均發(fā)生在雨季，這說(shuō)明“水”對(duì)誘發(fā)產(chǎn)生各類地質(zhì)災(zāi)害的重要性，同時(shí)排水阻滲也是地質(zhì)災(zāi)害綜合防治工程中常用的一種經(jīng)濟(jì)而有效的輔助性措施.根據(jù)防治區(qū)水文地質(zhì)與地形條件，本工程主要通過(guò)合理布設(shè)截(排)水溝系統(tǒng)以攔截山坡地表徑流水，同時(shí)對(duì)防治區(qū)的各類坡(地)面采用表層夯實(shí)或粘土夯實(shí)層防水阻滲.截(排)水溝采用梯形或矩形斷面，MU30毛石與M7.5水泥砂漿砌筑，溝壁與溝底厚30 cm，1∶3水泥砂漿抹面厚20 mm.根據(jù)防治區(qū)降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、匯流面積等水力參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)梯形截水溝凈斷面寬×高40 cm×50 cm，溝坡比1∶1，分支排水溝矩形凈斷面寬40 cm，高40～60 cm，總排水溝矩形凈斷面寬×高50 cm×70 cm.各截(排)水溝溝底坡度不小于0.5%，每隔15 m設(shè)伸縮縫一道，縫寬20 mm，瀝青麻筋填充止水，對(duì)溝底局部疏松巖土層或低洼處進(jìn)行分層夯填加固處理.

3.5 工程監(jiān)測(cè)

為了解齊躍灣煤礦在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程施工期和未來(lái)生產(chǎn)期各類礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程與穩(wěn)定性狀況，預(yù)防突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，同時(shí)也為了檢驗(yàn)本恢復(fù)治理工程的效果，必須建立礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng).綜合考慮該礦山所存在的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題與危害后果等實(shí)際情況，按照經(jīng)濟(jì)適用的原則，本恢復(fù)治理工程主要采用人工宏觀巡視監(jiān)測(cè)方案，必要時(shí)輔以儀器監(jiān)測(cè)，即首先安排具有礦山地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)知識(shí)的固定人員定期按固定線路對(duì)防治區(qū)的地面有無(wú)變形開(kāi)裂、臌脹、塌(沉)陷、危巖體有無(wú)變形崩塌跡象以及地表(下)水的滲漏與變化等情況進(jìn)行巡查和記錄，巡查路線應(yīng)以控制和覆蓋各類災(zāi)害體的影響范圍為原則.當(dāng)發(fā)現(xiàn)變形異常時(shí)再采用儀器監(jiān)測(cè)或進(jìn)行工程處理，同時(shí)設(shè)置警示牌.人工巡視頻次一般每15天監(jiān)測(cè)一次，雨季每5天監(jiān)測(cè)一次，暴雨、連陰雨或情況異常時(shí)加大巡視檢查頻次.

主平硐治理區(qū)各項(xiàng)恢復(fù)治理工程平面布置如圖5所示.

圖5 恢復(fù)治理工程平面布置Fig.5 Treatment and recovery project plane layout

4 結(jié) 語(yǔ)

本恢復(fù)治理工程主要是針對(duì)齊躍灣煤礦現(xiàn)狀條件下所存在的不穩(wěn)定邊坡、危巖體、礦山棄渣、水質(zhì)污染與生態(tài)環(huán)境破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題而展開(kāi)的，通過(guò)本防治工程方案的具體實(shí)施，不僅可有效消除或減輕該礦山潛在的地質(zhì)災(zāi)害安全隱患，而且還可有效地保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一.其綜合性恢復(fù)治理工程模式可為同類礦山所鑒用.

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