原玲芳
(陵川縣水務(wù)局,山西 陵川 048300)
關(guān)嶺山煤業(yè)矸石山水土保持研究
原玲芳
(陵川縣水務(wù)局,山西 陵川 048300)
晉城市以煤炭為主產(chǎn)業(yè),矸石作為煤炭生產(chǎn)的附屬產(chǎn)物大量堆積于煤礦周邊。矸石的堆放不僅大面積擠占農(nóng)田、溝道,破壞水土保持設(shè)施,而且由于多采用傳統(tǒng)的排矸工藝,形成可達(dá)53°的陡坡,很容易形成面蝕、溝蝕,甚至發(fā)生瀉溜、崩塌、滑坡等更為嚴(yán)重的重力侵蝕,直接威脅下游農(nóng)田、村莊、礦區(qū)及河道的安全。因此,科學(xué)有序地對(duì)矸石山進(jìn)行治理,已成為礦區(qū)水土保持的一項(xiàng)迫切任務(wù)。
矸石山;水土流失;水土保持;關(guān)嶺山煤業(yè)
山西陵川崇安能源關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司,位于陵川縣楊村鎮(zhèn)嶺北底村西,由原陵川縣關(guān)嶺山煤礦等4座煤礦及部分空白資源兼并重組整合而成。整合后礦區(qū)面積7.2457km2,批準(zhǔn)開采3號(hào)、15號(hào)煤層,生產(chǎn)能力60萬t/a,礦井服務(wù)年限22年。由于該礦井田范圍地處山丘地區(qū),地勢(shì)起伏較大,地表又多為松散物質(zhì)所覆蓋,加上人為活動(dòng)的影響,森林、植被稀少,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重,屬山西省水土流失重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)。
關(guān)嶺山煤業(yè)矸石場(chǎng)位于工業(yè)廣場(chǎng)東部的一條小溝內(nèi),距離工業(yè)廣場(chǎng)0.5km,該溝流域面積0.1km2。溝內(nèi)無住戶及耕地,植被稀少,屬荒溝,沒有輸電線路、大樹木等障礙物,溝谷切割較深,山坡穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況。矸石場(chǎng)已利用多年,矸石堆積最大高度16m,斷面寬度46~84m,溝長(zhǎng)160m,庫容16.3萬m3,已堆放4萬m3,在方案服務(wù)年限內(nèi)總棄矸量為7.36萬m3。排矸場(chǎng)土地現(xiàn)狀以裸露風(fēng)化砂頁巖為主,水土保持基礎(chǔ)較為薄弱。關(guān)嶺山煤業(yè)將此處作為排矸場(chǎng),占地成本較低。但作為侵蝕發(fā)育溝道,矸石堆積將造成更為嚴(yán)重的人為水土流失,必須采取相應(yīng)的水土保持措施。
目前該矸石山的煤矸石主要是井下3號(hào)煤掘進(jìn)過程中的矸石和原煤洗選過程中產(chǎn)生的洗選矸石,因3號(hào)煤層含硫較低,屬于低硫無煙煤(俗稱香煤),并混同含有15號(hào)煤層高硫—富硫無煙煤(俗稱臭煤),矸石成分較為復(fù)雜。排矸形式為排矸井提升裝卸到1.5t礦車再運(yùn)輸?shù)巾肥?,采用傳統(tǒng)的排矸工藝(自山頂由上而下堆倒)。由于矸石的自由落體動(dòng)能,以及斜坡的離析作用,大塊矸石滾落坡度底部,中等粒度矸石停留于坡度中部區(qū)域,較細(xì)粒度矸石顆粒和比重較輕殘煤留于矸石頂部區(qū)域。矸石山邊坡下部與山坡間形成一道山溝,山溝如通風(fēng)道,促使矸石風(fēng)化與流失加快。
流失類型包括面蝕、溝蝕,暴雨期甚至?xí)袨a溜、崩塌、滑坡等更為嚴(yán)重的重力侵蝕發(fā)生。矸石場(chǎng)所在溝道的下游溝口是楊村,楊村與原平河主河道之間的二階地上分布著大片高產(chǎn)農(nóng)田。若不能有效治理矸石場(chǎng)水土流失,汛期將對(duì)下游農(nóng)田、村莊和礦區(qū)構(gòu)成威脅,順流而下的矸石碎屑將直接進(jìn)入河道,加大淤積和污染,影響河道正常行洪。
根據(jù)侵蝕預(yù)測(cè)分析,礦井在兼并重組整合期間經(jīng)挖填平衡調(diào)配,無棄渣,矸石排放不予考慮。兼并重組完成后,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到60萬t/a,矸石排放量將達(dá)到3.47萬t/a,綜合利用后排往矸石山為1.93萬t/a,水保方案確定礦井在8年生產(chǎn)服務(wù)期內(nèi)共排放矸石15.5萬t(7.36萬m3)。
針對(duì)該矸石山生產(chǎn)建設(shè)實(shí)際和地形地貌特點(diǎn),根據(jù)“經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠”的工程設(shè)計(jì)原則,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)分析和論證,采用“上導(dǎo)、中截、下?lián)?、后排”的方式進(jìn)行綜合治理較為適宜?!吧蠈?dǎo)”即在矸石場(chǎng)兩坡腳設(shè)置排水溝,將上游及矸山兩側(cè)坡面洪水導(dǎo)入排水溝,與矸石場(chǎng)下游排洪渠相連;“中截”即對(duì)矸石坡面進(jìn)行分階,每個(gè)階梯平臺(tái)處設(shè)截水溝,攔截上游坡面徑流泥沙;“下?lián)酢奔炊言脚_(tái)下游坡腳處修筑擋渣墻,穩(wěn)定整個(gè)矸石山,攔蓄第一級(jí)堆渣平臺(tái)外緣邊坡徑流泥沙;“后排”即改變現(xiàn)有排渣方式,在下游坡面穩(wěn)定的前提下,在矸石山頂面上游預(yù)留庫容,將排矸軌道向后延伸,將矸石排入空庫內(nèi)。
3.1“上導(dǎo)”設(shè)置矸石場(chǎng)坡腳排水溝
為減少矸石場(chǎng)上游及兩側(cè)坡面洪水對(duì)矸山的影響,減少坡面徑流泥沙,在矸石場(chǎng)兩側(cè)坡腳設(shè)置排水溝,并與矸石場(chǎng)下游排洪渠相連,把上游坡面洪水安全排泄到下游排洪渠和河道。經(jīng)計(jì)算,排水溝斷面為梯形,漿砌石結(jié)構(gòu),深0.5~1.0m,底寬0.5~1.0m,邊坡1∶0.2~1∶0.5。
3.2“中截”設(shè)置渣場(chǎng)坡面截水溝
根據(jù)對(duì)矸場(chǎng)的測(cè)算,矸場(chǎng)堆砌高度達(dá)到16m,護(hù)坡高度9m,坡度33.69°。擋墻后坡腳設(shè)截水溝,設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝?.4m×0.4m,采用M7.5漿砌石砌筑,沿坡面縱向布設(shè),排水坡度1%,通向坡面截水溝。截水溝上設(shè)1m高、30cm厚M7.5漿砌石護(hù)坡,坡面矸石采用人工夯實(shí)。砌石護(hù)坡每隔1.5m設(shè)0.6m×0.6m土穴,穴內(nèi)覆土厚度0.6m,種植油松。
為了減少因矸石沉降引起的漿砌石裂縫問題,漿砌石護(hù)坡往上設(shè)置草袋壤土護(hù)坡,草袋護(hù)坡可以隨矸石沉降而下陷,不會(huì)形成裂縫。護(hù)坡里層矸石及覆土采用人工夯實(shí),坡面為一層草袋壤土護(hù)坡,草袋規(guī)格0.4m×0.7m,內(nèi)置壤土和草籽,每袋內(nèi)壤土0.06m3,草籽1g,草種選用苜蓿與沙打旺,從而起到穩(wěn)定護(hù)坡的作用。
3.3“下?lián)酢痹O(shè)置漿砌石擋矸墻
根據(jù)擋矸墻穩(wěn)定矸石山和攔蓄第一級(jí)堆渣平臺(tái)外緣邊坡徑流泥沙的防護(hù)要求,結(jié)合具體地形條件,設(shè)計(jì)擋矸墻最大高度7m,擋墻底寬4.2m,頂寬0.8m,上游坡面1∶0.3,下游坡面1∶0.1,放腳均為0.5m。擋矸墻底部長(zhǎng)22.4m,墻頂長(zhǎng)46.1m。
經(jīng)計(jì)算,擋矸墻滿足抗滑、抗傾覆安全系數(shù)值。為了防止地基不均勻沉降,要求沿?fù)蹴穳Ψ较蛎扛?0m設(shè)置一道沉降縫,縫寬5cm,縫內(nèi)用瀝青砂漿填塞。砌筑時(shí)為防止坡面徑流進(jìn)入墻內(nèi)側(cè)后增加主動(dòng)土壓力,沿墻每隔2m布設(shè)排水孔,梅花形布置,孔排水坡度2%,孔徑10cm,墻內(nèi)側(cè)孔口周圍填筑砂礫石以防堵塞,砂礫直徑2.5~7cm。
3.4“后排”改前排渣為后排渣
根據(jù)對(duì)矸石場(chǎng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前排渣方式不太合理,形成的矸石山坡度太陡,表層侵蝕現(xiàn)象較為普遍,侵蝕溝縱橫交錯(cuò),已有多處滑坡裂縫,局部發(fā)生崩塌。為此,改變現(xiàn)有排渣方式,在保持下游坡面穩(wěn)定的前提下,在矸石山頂面上游預(yù)留庫容,將排矸軌道向后延伸,將矸石排入空庫內(nèi),排矸的同時(shí)進(jìn)行碾壓、覆土綠化,最終在坡頂形成2°~3°的坡面。矸石山頂部覆土厚度0.6m,布置油松與元寶楓混交林,株行距1.5m×2.0m,采用穴狀整地,整地規(guī)格0.6m×0.6m× 0.6m(長(zhǎng)×寬×高)。
第一,煤礦矸石場(chǎng)采用“上導(dǎo)、中截、下?lián)?、后排”模式,可有效解決生產(chǎn)運(yùn)行過程中矸石山的“過程水土流失”和綜合治理問題。
第二,該模式可解決正在生產(chǎn)運(yùn)行過程中,因地形條件等原因,不適宜布設(shè)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的攔渣壩、攔渣堤等措施的矸石場(chǎng)的水土流失防治問題。因矸石場(chǎng)外坡不是最終邊坡,仍要繼續(xù)排矸,是一個(gè)動(dòng)態(tài)排矸過程;不臨河邊,不適宜造擋渣堤。該模式為動(dòng)態(tài)矸石場(chǎng)(即正在運(yùn)行使用的排土場(chǎng))水土保持方案編制探索了一條較為實(shí)用的防護(hù)途徑,可為同類工程提供借鑒。
第三,草袋護(hù)坡減少了因矸石沉降引起的漿砌石裂縫問題,草袋護(hù)坡可以隨矸石沉降而下陷,及時(shí)填補(bǔ),不會(huì)形成裂縫。
第四,該模式中的擋渣墻在滿足使用要求的前提下,降低了攔擋高度,減少了工程占地和工程量,且可就地取材,大大節(jié)省了工程投資,減輕了企業(yè)負(fù)擔(dān)。
第五,該方案實(shí)施后,經(jīng)過近三年的實(shí)踐運(yùn)行,特別是經(jīng)歷了2013年8月1日大暴雨的檢驗(yàn),表明矸石場(chǎng)“上導(dǎo)、中截、下?lián)?、后排”模式,可較好地發(fā)揮其防護(hù)作用,同時(shí)可為同類水土保持工程走出了一條可行之路。
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]C [
]1004-7042(2016)04-0027-02
原玲芳(1978-),女,2010年畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè),助理工程師。
2016-02-20;
2016-03-22