木里煤田江倉四號(hào)井露天采坑回填及地表生態(tài)恢復(fù)研究

王 凱

(蘭州煤礦設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

青海木里煤田位于青海省海西州和海北州境內(nèi)，區(qū)內(nèi)海拔多在+3700m以上，生態(tài)環(huán)境脆弱。礦區(qū)開發(fā)初期，大部分礦井采用露天開采。依照國家環(huán)保政策要求，青海省人民政府辦公廳 以“關(guān)于印發(fā)木里煤田綜合整治工作實(shí)施方案的通知” (青政辦[2014]143號(hào)文)及“關(guān)于印發(fā)祁連山自然保護(hù)區(qū)和木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境整治工作責(zé)任分工方案的通知”(青政辦[2014]174號(hào)文)文件要求[1，2]，木里礦區(qū)所有煤礦企業(yè)停止一切露天開采，推動(dòng)礦區(qū)逐步轉(zhuǎn)入井工開采模式，轉(zhuǎn)入井工前，采坑必須綜合整治為礦井井工生產(chǎn)提供必要的安全保障，并保證生態(tài)環(huán)境的逐步恢復(fù)。

1 江倉四號(hào)井露天開采現(xiàn)狀

1.1 采坑現(xiàn)狀

采坑?xùn)|西長(zhǎng)、南北窄，礦坑占地面積為55.58hm2。礦坑底部南北寬約60～80m，東西長(zhǎng)850m，坑口南北寬約520m，東西長(zhǎng)1300m?？拥字恋乇硐鄬?duì)高差120～170m，坑底平面呈中間低兩邊高之勢(shì)。東邊幫最終邊坡角為46°，西邊幫最終邊坡角為18°，南邊幫最終邊坡角為28°～38°，北邊幫最終邊坡角為35°～37°。

1.2 地面排土場(chǎng)現(xiàn)狀

南排土場(chǎng)位于采坑南面，排土場(chǎng)東西長(zhǎng)約1580m，寬約300m，總高度約55m，呈西—東方向延伸。分為三個(gè)臺(tái)階，占地面積約42.08hm2。

北排土場(chǎng)位于礦坑北面，排土場(chǎng)東西長(zhǎng)約1700m，最寬處約560m，總高度約81m，呈近西—東向延伸。分為五個(gè)臺(tái)階，占地面積約80.36hm2。

2 采坑及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算

設(shè)計(jì)認(rèn)為江倉四號(hào)露天礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡，如圖1所示。計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分折計(jì)算。

圖1 張裂縫-圓弧型滑坡滑動(dòng)模式圖

2.1 采坑邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，東、南邊幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.294、1.005。其穩(wěn)定系數(shù)小于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3～1.50[3]。故該東、南邊幫是不安全的。需要進(jìn)行邊坡修整，修整后的最終邊坡角為40°，修整后的邊坡經(jīng)計(jì)算其邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.42。

采坑北幫、西幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.376、3.198，大于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3～1.50。故北、西邊幫的邊坡是安全的，不需要修整。

2.2 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算

南、北排土場(chǎng)邊坡高12～66m，設(shè)計(jì)分別從不同角度進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.2～1.5。經(jīng)分析計(jì)算，邊坡角在18°時(shí)，該邊坡有最小穩(wěn)定系數(shù)，為1.281，排土場(chǎng)最終穩(wěn)定性邊坡角為18°，為圓弧—直線型滑面。根據(jù)業(yè)主提供的排土場(chǎng)的實(shí)測(cè)地形圖，南排土場(chǎng)最終邊坡角為18°～40°，北排土場(chǎng)最終邊坡角為15°～34°，對(duì)南、北排土場(chǎng)最終邊坡角大于18°的邊坡需進(jìn)行消減作業(yè)。

3 采坑回填

3.1 回填方案確定

露天采坑深120～170m，為防止露天采坑將來積水對(duì)井工開采的危害，本次回填治理考慮了二個(gè)方案。

1)方案一為采坑部分回填整治方案，回填高度在考慮留設(shè)30m煤柱的基礎(chǔ)上，按大于下一步井工開采防水安全煤柱的要求設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的回填高度。為進(jìn)一步降低采坑積水對(duì)井工開采的危害將在回填后的采坑內(nèi)安設(shè)常年排水泵。

2)方案二為采坑全部回填整治方案，即設(shè)計(jì)的回填深度與礦坑高度相同，充分利用排土場(chǎng)渣料，回填后的采坑表面與周邊地形一致，并形成自然流水坡度。

經(jīng)方案比較，在滿足井工開采安全的基礎(chǔ)上，方案一能及時(shí)的進(jìn)行回填作業(yè)，進(jìn)而滿足采坑綜合整治工作時(shí)間的要求，且回填投入費(fèi)用少，經(jīng)濟(jì)上較為合理。故推薦方案一。

3.2 回填高度的確定

按照推薦方案的要求，回填高度與留設(shè)煤柱高度之和須大于水體保護(hù)煤巖體高度[5]，即：Ht≥H。式中，Ht為采坑填埋高度與留設(shè)煤柱之和，m；H為井工開采水體保護(hù)煤巖體高度，m。

3.2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的附錄六“水體下采煤的安全煤巖柱留設(shè)方法”的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[6]：

導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式為：

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚，按煤層厚度15.62m計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度最大為60.23m。

3.2.2 保護(hù)層厚度選取

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的“水體下采煤的安全煤巖柱留設(shè)方法”，防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度取14m[6]。

3.2.3 回填高度的確定

根據(jù)上述計(jì)算，留設(shè)75m高度保護(hù)煤(巖)柱為井工開采時(shí)的巷道安全最小保證高度?？紤]井工開采時(shí)留設(shè)30m煤柱，則巖柱最小回填高度應(yīng)為45m。結(jié)合礦坑實(shí)際，考慮礦坑回填須形成一定的平整治坡面，回填深度取55～67m，加留設(shè)煤柱30m，則Ht=85～97m，Ht不小于保護(hù)煤巖柱高度75m，可見，Ht=85～97m時(shí)滿足要求。其中煤柱留設(shè)30m，基底防水復(fù)合凝固材料20m，回填渣料35～47m。

3.2.4 回填方法

采坑回填作業(yè)具體要求及做法為[7，8]：

1)對(duì)采坑坑底進(jìn)行基底平整，并對(duì)采坑坑底進(jìn)行基底防水處理。

2)在基底防水處理后，對(duì)采坑進(jìn)行渣土回填至最終標(biāo)高差2m處，礦坑的回填坡度為由西部向東部按1%的流水坡度進(jìn)行回填，每回填0.5m厚度進(jìn)行一層灑水碾壓，壓實(shí)度不小于0.85。

3)達(dá)到最終標(biāo)高差2m處，鋪一層“無紡?fù)凉げ?防水膜”。

4)在其上鋪2m厚的渣土，每回填0.5m厚度進(jìn)行一層灑水碾壓，壓實(shí)度不小于0.85，采坑回填如圖2所示。

圖2 采坑回填示意圖(m)

3.2.5 回填物成分要求

1)防水復(fù)合凝固層。其成分主要為砂礫土，并加入5%的水泥以提高凝結(jié)程度，壓實(shí)度不小于0.90。砂礫最大粒徑不宜超過40mm，壓碎值不大于35%。水泥采用普通硅酸鹽水泥。砂礫土來源為基底平整及采坑邊坡消減渣石量。

2)其他材料。無紡?fù)凉げ歼x用針刺無紡?fù)凉げ?，?guī)格為400g/m2，寬度5m，厚度0.6mm；防水膜選用LD-58環(huán)保型，厚度0.4mm。

4 地表生態(tài)恢復(fù)

地表生態(tài)恢復(fù)區(qū)域包含露天礦外排土場(chǎng)(南、北兩個(gè)排土場(chǎng))和回填后的礦坑表面。

4.1 植被選擇

植被選擇青海當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的、適宜青藏高原生長(zhǎng)的多年生禾本科牧草，以市場(chǎng)供種相對(duì)充足的披堿草、早熟禾等鄉(xiāng)土草種。要求種子的質(zhì)量達(dá)到國家規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上。根據(jù)立地條件，盡量選擇混草種播種，選擇的配置模式為“早熟禾+星星草+披堿草”，每畝播種量為20kg，其中：早熟禾5kg，星星草5kg，披堿草10kg。

4.2 農(nóng)藝措施

地表生態(tài)恢復(fù)的主要農(nóng)藝措施是：采取人工撒播或機(jī)械條播，人工撒播一定要保證種子的播種深度，機(jī)械條播行距應(yīng)采取15cm的小行距，保證種子出苗后及時(shí)覆蓋地表。其工藝流程為：客土→人工地面平整→大小粒草種及化肥撒播→人工耙平→人工鎮(zhèn)壓→薄膜鋪設(shè)、灑水→圍欄封育。

1)客土：在地表平整工作完成后，要清除地表礫石，然后拉鋪20cm厚的種植土(種植土有機(jī)質(zhì)含量要達(dá)到3%以上，土壤全氮含量0.3%以上)，種植土拉填后要進(jìn)行一次鎮(zhèn)壓，以創(chuàng)造良好的苗床和適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的立地條件。

2)人工地面平整：去除5cm以上的石塊，隨地形耙平地面，耙地深度7～8cm。

3)草種及化肥撒播：根據(jù)選定的草種類型和數(shù)量與磷酸二銨底肥(0.075kg/m2)混合后人工均勻撒播。

4)人工耙平：將草種和化肥耙入土壤0.5～1cm。

5)人工鎮(zhèn)壓：人工使用器械均勻的將地面適度拍實(shí)，使草種與土壤充分結(jié)合。

6)薄膜敷設(shè)、灑水：薄膜鋪設(shè)后，適度灑水、使薄膜與地面充分貼合。

5 礦坑防排水

5.1 地面防排水

為防止地表匯水流入礦坑，礦坑周圍在生產(chǎn)時(shí)已建有排水溝。其規(guī)格為1.0m×1m×1.5m(底寬×深度×幫坡)。經(jīng)計(jì)算，已有排水水溝滿足地面防排水需要。

5.2 采坑內(nèi)防排水

5.2.1 采坑排水設(shè)施的布置

采坑整治后的表面形成1°的自流面，在礦坑?xùn)|側(cè)自流面的最低處設(shè)礦坑集水池，與固定排水泵站為一體。集水池容量為200m3，長(zhǎng)×寬×深為10m×10m×2m，池壁用混凝土澆灌，厚度300mm。

5.2.2 排水量估算

礦坑內(nèi)降雨徑流量計(jì)算結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，采坑正常排水量為69.1m3/h；暴雨排水量為149.65m3/h。

5.2.3 排水設(shè)備選擇

礦坑排水設(shè)備選型按正常排水期和暴雨排水期分別選擇：正常排水期水泵每天按20h工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算；暴雨時(shí)期排水設(shè)備按照“7日暴雨量7日排出”進(jìn)行計(jì)算。排水設(shè)備及管路見表2。

表1 礦坑內(nèi)降雨徑流量計(jì)算成果表

表2 排水設(shè)備及管路表

6 結(jié) 論

1)通過對(duì)江倉四號(hào)井露天開采后的采坑及排土場(chǎng)進(jìn)行綜合整治，達(dá)到恢復(fù)地表生態(tài)環(huán)境目標(biāo)；同時(shí)，進(jìn)一步消除了露天采坑對(duì)井工開采產(chǎn)生的不安全因素，減少了對(duì)井工生產(chǎn)的威脅和危害。

2)在采坑及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算中，由于地區(qū)多年凍土廣布，受凍土層季節(jié)融化層及凍脹性影響，容易產(chǎn)生不良的工程地質(zhì)問題。凍土對(duì)邊坡穩(wěn)定有很大的影響，其滑動(dòng)模式應(yīng)在常規(guī)的滑動(dòng)模式基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，但由于目前缺乏這方面的研究，暫不能確定相應(yīng)參數(shù)，只有通過加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的方法來進(jìn)行防治。