淺析華亭礦區(qū)矸石場整改治理措施

高利鵬

摘要：簡述了以平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)蚰蜒溝矸石場整改治理為例，對整個華亭礦區(qū)矸石場整改治理起示范作用，主要從華亭礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、水文地址特性、水土流失防治措施體系及總體布局、土壤流水預(yù)測、土石方平衡及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)驗算、植被覆土綠化的治理過程，著重介紹了矸石場治理采取的對應(yīng)措施與實施效果的方案設(shè)計及方案驗算。

關(guān)鍵詞：自然概況；施工工藝；防止措施；總體布局；驗算

平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)成立于2004年7月，2005年7月破土動工，2011年10月建成，是徐州礦務(wù)總公司的全資子公司，注冊資本金2.3億元，礦井井田面積4.51km2?？蓛Σ亓?425萬t設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/年，主系統(tǒng)預(yù)留年生產(chǎn)能力150萬t/年。綜合機械化率100%。已有的矸石場已經(jīng)堆滿封庫。為了保障礦井正常生產(chǎn)，蚰蜒溝矸石場是現(xiàn)申請在蚰蜒溝流域設(shè)立一處矸石堆倒場，作為礦井生產(chǎn)期間堆倒矸石的必須場地。

1 蚰蜒溝流域自然概況及地質(zhì)條件

1.1 自然概況

區(qū)域位于黃土高原西南部——隴東黃土高原南部，項目區(qū)在甘肅省水土保持區(qū)劃上屬于黃河流域防治區(qū)隴東黃土高原亞區(qū)平慶高原溝壑小區(qū)、區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，地形起伏連綿，屬隴山（六盤山）余脈區(qū)、黃土丘陵塬區(qū)，塬面兩側(cè)溝谷切割較深，基巖多出露在溝谷之中，自然坡度起伏大。蚰蜒溝流域區(qū)域內(nèi)水蝕切割嚴重，形成黃土丘陵溝壑、梁、峁、沖溝等地貌齊全，地形起伏較大，高程約1493～1264m ，相對高差219.0m。本項目區(qū)土壤允許土壤流失量為1000t/km2·a。根據(jù)《甘肅省人民政府關(guān)于劃分水土流失重點防治區(qū)的通告》，項目區(qū)為省級水土流失重點保護區(qū)。

1.2 地層巖性

域內(nèi)為地臺沉積的震旦系、寒武系、奧陶系海相地層，分布有中生界內(nèi)陸湖盆沉積及第三系斷陷盆地內(nèi)河湖相沉積。第四系風(fēng)積、沖積的黃土及沖、洪積礫石土廣泛分布于階地、谷坡和部分山區(qū)地表；上第三系主要分布在黃土塬的基底，以紅黏土、砂巖及泥巖為主；白堊系分布，主要為砂巖夾頁巖、泥巖，與下伏地層呈角度不整合接觸；奧陶系分布，為含泥質(zhì)條帶灰?guī)r。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)實地勘察，蚰蜒溝流域內(nèi)為丘陵土石山區(qū)，流域地質(zhì)構(gòu)造比較單一，山谷頂部為第四紀黃土覆蓋，山坡多紅色巖石風(fēng)化沙粒碎石土和坡積洪積沙壤土，局部有24厚的黃土沉積。溝底受洪水多年切割，兩側(cè)陡峭地段有不連續(xù)的侏羅紀紅砂巖出露，風(fēng)化明顯，質(zhì)地較松軟，硬度為6級。在擬規(guī)劃渣場溝道兩側(cè)地下水不發(fā)育，無地下水主要補給和水源含水層，無斷層、斷層破碎帶和溶洞以及天然滑坡或泥石流影響，有利于沿溝工布設(shè)程設(shè)施。

1.4 水文地質(zhì)特征

土石山區(qū)第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土底部埋藏有潛水，埋深約60m，受大氣降水補給，向溝谷排泄，水量小，水質(zhì)好，無侵蝕性，且溝道內(nèi)常年有流水旱季較小，平時流量在0.2m3/s。

2 施工方法與工藝

本項目采用先攔后棄的措施，即先進行攔擋措施、排水設(shè)施的修建，在落實這些措施后進行堆倒矸石，堆倒矸石的高度按照每5米一個臺階，每個臺階設(shè)5米寬馬道，矸石邊坡以堆倒矸石的自然安息坡度30°為主；矸石場的治理實行分階段治理，矸石由溝道底部向頂部堆倒，下一個堆倒面形成后進行覆土、修建排水溝，落實植物措施后，進行上一個堆倒面的工序；堆倒到設(shè)計面以后轉(zhuǎn)入下一個工作面堆倒面。

3 水土流失防治措施體系及總體布局

3.1 水土流失防治措施體系

依據(jù)上述原則和水土流失的特點，結(jié)合項目區(qū)自然條件和社會經(jīng)濟條件，在防治分區(qū)的基礎(chǔ)上，水土保持措施布局應(yīng)有效避免因場地平整、基礎(chǔ)開挖等建設(shè)活動引起的水土流失，合理進行水土保持防治措施的總體布局。本水土保持方案水土流失防治體系見圖1。

3.2 水土流失防治措施總體布局（詳見圖2）。

（1）矸石堆倒區(qū)：以攔擋、防滲、覆土、種植植物措施為主。

（2）運矸線區(qū)：以道路硬化、綠化措施為主，配套排水設(shè)施。

（3）溝道治理區(qū)：以工程措施為主。

4 可能造成的水土流失量及新增水土流失量預(yù)測方法

（1）可能造成新增的土壤流失量預(yù)測包括原地貌土壤侵蝕量、土建施工期土壤流失量和林草恢復(fù)期的土壤流失量預(yù)測三部分。土壤流失量預(yù)測采用數(shù)學(xué)模型法。

（2）土壤流失量預(yù)測方法

根據(jù)不同防治區(qū)域、不同預(yù)測單元、不同的預(yù)測時段，采用相應(yīng)區(qū)域擾動后侵蝕模數(shù)與原地貌侵蝕模數(shù)之差值與其擾動面積和預(yù)測時段的乘積，計算原地貌擾動后在不采取水保防護措施情況下的新增土壤流失量。

不同時段土壤流失量按下式計算：

W=∑2k=1∑ni=1Fi×Mik×Tik

新增土壤流失量按下式計算：

ΔW=∑2k=1∑ni=1Fi×ΔMik×Tik

式中：W——擾動地表土壤流失量，t；

ΔW——擾動地表新增土壤流失量，t；

i——預(yù)測單元（1，2，3……n）；

k——預(yù)測時段，1，2，指施工期（含施工準備期）和自然恢復(fù)期；

Fi——第i個預(yù)測單元的面積，km2；

Mik——擾動后不同預(yù)測單元不同時段的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；

ΔMik——不同單元各時段新增土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；

Tik——預(yù)測時段（擾動時段），a。

5 水土保持防治設(shè)計及工程措施

5.1 工程措施設(shè)計原則

（1）堅持分區(qū)防治的原則，制定切實可行的防治體系，以工程措施和植物措施相結(jié)合，永久措施和臨時措施相結(jié)合的治理原則；

（2）水土保持工程設(shè)計堅持“預(yù)防為主”的原則，防患于未然；

（3）堅持不重不漏，系統(tǒng)全面的原則。將主體工程設(shè)計中采取的工程和植物措施作為本工程水土保持措施的一部分，并將其納入水土流失防治措施體系中；

（4）使防治區(qū)的水土流失得以攔擋，削減風(fēng)力侵蝕，水土流失得到控制；

（5）使防治區(qū)的空閑地表得到整治，逐步恢復(fù)到原地表狀態(tài)；

（6）場地平整主要針對各施工區(qū)施工結(jié)束后適宜植被恢復(fù)的區(qū)域；

（7）硬化面積不超過空閑地面積的1[]3，綠化面積占空閑地面積的2[]3以上；

（8）臨時擋護措施主要是針對臨時轉(zhuǎn)運土場或臨時堆放場地，均采用苫蓋等臨時防護。

5.2 工程措施

a.整治場地、攤鋪矸石：該矸石山目前堆放坡度約為45°，堆倒矸石量月2.5萬m3，有滑坡塌方現(xiàn)象。將現(xiàn)狀的45°坡消減為30°（1∶1.732）坡，穩(wěn)定坡面。b.剝離表土：在煤矸石堆倒前，應(yīng)先采集熟土壤，就近堆置，以備日后復(fù)墾時利用。c.截、排水溝：攔截矸石頂部來水，排走矸石頂部降水。

5.2.1 矸石山頂部平面與坡面的交界處的排水溝排水設(shè)計

①防御標準：按10年一遇24h暴雨為設(shè)計標準，即10年一遇設(shè)計暴雨為12.5mm入滲量為3.5mm；

②來水量設(shè)計：坡面來水面積按照2.5ha考慮。

Q=F（IrIp）/6

式中：Q——設(shè)計流量，M3/S；

F——坡面匯水面積，（按照2.5ha設(shè)計） ha

Ir——設(shè)計頻率10分鐘平均降雨強，mm/min；

Ip——相應(yīng)時段土地平均入?yún)姸龋琺m/min。

通過以上計算坡面來為0.375m3/秒。

5.2.2 平臺上排水溝設(shè)計

計算方法同上，馬道排水渠來水面積取0.25ha，經(jīng)過計算，采用C15混凝土，矩形底寬0.4m，深0.4m，厚度約0.05m的混凝土排水渠能夠滿足排水需要。

5.2.3 馬道平臺之間豎向急流槽設(shè)計

同上，積水面積取2.5ha，雙邊布設(shè)，按照水平方向，每延長300m，布設(shè)一條，10年期間布設(shè)2條，比降按照10%設(shè)計，斷面底寬0.6m，深度0.5m，一面邊坡1∶0.5，另一面直角的坡面比的灰土或C15混凝土排水渠能滿足坡面來水的要求。

5.2.4 擋渣墻

攔擋矸石以防矸石流入下游造成水土流失、污染下游水源。

墻體穩(wěn)定用下列公式計算：

①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用Ks=f*ΣG /ΣE計算。

式中Ks——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——摩擦系數(shù)；

ΣG——豎向荷載總和（kn）；

ΣE——水平向荷載總和（kn）。

計算中，棄土棄渣容重取1.85t/m3，渣體內(nèi)摩擦角取33°，漿砌塊石墻體容重取2.2t/m3，墻體與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)取0.5。

②抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用Kt=抗傾覆力矩傾覆力矩=（G1×La+Pay×Lb）Pax×Lh計算。

式中Kt——抗傾覆安全系數(shù)；

G1——墻體重量（t）；

La——G1對墻趾點的力矩（tm）；

Lb——Pay對墻趾點的力矩（tm）；

Lh——Pax對墻趾點的力矩（tm）。

③擋土墻基礎(chǔ)應(yīng)力采用σmaxmin=RB1±6×EB計算。

式中R——豎向荷載總和（t）；

B——截面寬度（m）；

E——偏心距（m）。

經(jīng)過以上試算和分析當墻體采用M10砂漿砌塊石重力式擋渣墻，斷面為：頂寬0.3m，高1.0m，基礎(chǔ)埋深0.5m、兩邊墻比采用1∶0.3時滿足穩(wěn)定、抗滑、抗傾、地面承載力的要求。

治理后矸石堆場呈梯田階狀分部，從地面開始每隔高差5米做一條馬道，用以治理期間的施工通行以及治理后對矸石山的維護作業(yè)，馬道之間邊坡坡度為30°（1∶1.732）。同時馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置一條排水溝，用以排除矸山上的雨水，馬道排水溝之間由邊坡導(dǎo)流渠串聯(lián)起來，最終將雨水匯集排到下游。其平面布設(shè)圖見CXYYG05。

5.3 防滲處理

按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》（GB18599 2001）為防止煤矸石的滲濾液的流失下滲，在遇砂礫層和原河床灘地區(qū)域，當天然基礎(chǔ)層的滲透系數(shù)大于1.0×107cm/s時，應(yīng)鋪設(shè)1.5m 的碾壓粘土防滲層或人工材料構(gòu)筑防滲層，人工防滲層防滲層的效果應(yīng)相當于粘土層的防滲性能，其滲透系數(shù)應(yīng)小于1.0×107cm/s。

總體布設(shè)要求：逆著流水方向，沿溝底覆蓋粘性黃土，鋪設(shè)寬度因地形而建，從溝道斷面圖中量算第一階段，鋪設(shè)總長550m，寬10～30m，平均寬15m，厚度1.5m，共需黃粘土1.237萬m3。

5.4 植物措施

植物措施布設(shè)原則

（1）依照《開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制技術(shù)規(guī)范》的要求，以服從生產(chǎn)、保持水土、改善環(huán)境為目標，結(jié)合工程特點和項目區(qū)自然條件，合理安排植物防護措施。

（2）針對項目區(qū)自然氣候特點，充分考慮植物生態(tài)用水，堅持“適地適樹，適地適草”原則，選擇鄉(xiāng)土樹種和經(jīng)多年種植已經(jīng)適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境的引進樹種為主。

（3）以分類指導(dǎo)為原則，按水保防護功能要求，因地制宜，綠化與生態(tài)修復(fù)結(jié)合，達到控制水土流失、保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境、綠化美化環(huán)境的目的。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水土保持法，全國人大常委會，201131.

[2]國務(wù)院關(guān)于加強水土保持工作的通知，國務(wù)院.國發(fā)[1993]5號文.