桐麻灣煤礦排矸場(chǎng)水土保持措施設(shè)計(jì)研究

孔祥周

(四川省攀枝花市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)分站，四川 攀枝花 617000)

1 引言

煤矸石是煤礦生產(chǎn)當(dāng)中與煤炭共生的一種含碳量低、堅(jiān)硬的黑色巖石，因?yàn)檫_(dá)不到使用要求，所以在煤炭生產(chǎn)當(dāng)中一般作為廢棄物處理，堆積在荒地上，但是長(zhǎng)期存儲(chǔ)之下會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的破壞和影響，比如說破壞周邊生態(tài)環(huán)境、導(dǎo)致大氣和水體污染等，在甚至可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)等地質(zhì)問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的煤矸石山垮塌事故，輕則影響生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重的情況可能會(huì)導(dǎo)致巨大的傷亡事故。因此，在煤矸石場(chǎng)建設(shè)的過程中，必須重視加強(qiáng)水土保持措施，最大程度的減少煤矸石堆放對(duì)周邊環(huán)境的負(fù)面影響。

2 桐麻灣煤礦簡(jiǎn)介

2.1 桐麻灣煤礦的基本情況

桐麻灣煤礦位于攀枝花市西區(qū)，礦區(qū)面積0.62 hm2，礦井開采范圍內(nèi)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量為580.8萬t，核定生產(chǎn)能力為15萬t/年。根據(jù)該煤礦目前的生產(chǎn)能力，該煤礦年排矸量達(dá)12000 t，這些煤矸石的處理是擺在礦區(qū)的難題。以目前的技術(shù)條件，煤矸石還沒有一個(gè)完全無害的處理方法。該礦區(qū)煤矸石約有30%用于回填采空區(qū)，其它的需要采取有效的措施進(jìn)行環(huán)境保護(hù)。根據(jù)《中華人民共和國(guó)水土保持法》的有關(guān)規(guī)定，該礦區(qū)通過建設(shè)排矸場(chǎng)集中堆放。露天堆放會(huì)產(chǎn)生很多環(huán)境問題，主要包括水土流失、環(huán)境破壞等，其中水土流失問題最為突出。

2.2 桐麻灣煤礦地質(zhì)與環(huán)境狀況

桐麻灣煤礦靠近金沙江熱河谷，年平均降雨量達(dá)到780 mm。該礦區(qū)的氣候以溫濕為主，降水量比較多，無霜期可以達(dá)到296 d，比較適合各類植物生長(zhǎng)。根據(jù)地質(zhì)部門提供的相關(guān)資料，礦區(qū)的多年平均懸移質(zhì)年輸沙量(G)為300 t，多年平均推移質(zhì)年輸沙量為60 t，多年平均輸沙總量360 t。這說明，該地區(qū)的水土流失問題一直比較嚴(yán)重。

礦區(qū)中部為向南傾斜、高差100～350 m、坡角15°左右的順層山坡，礦區(qū)的煤層煤系巖層順坡傾斜，植被破壞比較嚴(yán)重。排矸場(chǎng)庫區(qū)在建設(shè)過程中的地質(zhì)勘測(cè)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，主要是以昔格達(dá)組泥巖及粉細(xì)砂巖為主，受到雨水侵蝕以后，巖土?xí)兊帽容^酥軟，容易發(fā)生泥石流等風(fēng)險(xiǎn)，也在客觀上增加了水土流失治理的難度。

2.3 排矸場(chǎng)水土流失預(yù)測(cè)

考慮到排矸場(chǎng)攀煤集團(tuán)花山煤礦技改工程地形地貌、植被等自然環(huán)境非常相似，所以在水土流失治理當(dāng)中，攀煤集團(tuán)花山煤礦技改工程的水土流失治理經(jīng)驗(yàn)是可以借鑒的，在治理當(dāng)中根據(jù)該煤礦的治理經(jīng)驗(yàn)，確定相應(yīng)的水土流失預(yù)測(cè)參數(shù)。

在制定水土流失治理方案的過程中，主要根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)段、水土流失面積、地形條件及土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)以及桐麻灣煤礦排矸場(chǎng)水土流失的相關(guān)資料，經(jīng)過科學(xué)的結(jié)算，確定該區(qū)域的年平均水土流失總量為484.23 t，背景水土流失量為203.43 t。其中，運(yùn)行期的水土流失總量為240.62 t。水土流失問題呈現(xiàn)出日益加重的趨勢(shì)。

3 桐麻灣煤礦排矸場(chǎng)水土保持措施設(shè)計(jì)

3.1 工程總體布置及初期壩壩型選擇

3.1.1 程總體布置

根據(jù)排矸場(chǎng)地質(zhì)、地表特征，在水土保持當(dāng)中將基礎(chǔ)壩設(shè)置在煤礦副井口西北方約150 m處的山溝較狹窄的地段，壩基設(shè)計(jì)高程為為1054.00 m，在設(shè)計(jì)上采用了分層堆放的方式進(jìn)行，整體上可以分為三級(jí)。沿著壩底向上逐漸的用煤矸石鋪填、碾壓、削坡，每一級(jí)都要的壓實(shí)。同時(shí)，在壩上設(shè)計(jì)了排洪涵洞，排洪涵洞主要包括進(jìn)口導(dǎo)流段、洞身段和出口河道整治段三部分，考慮到排洪的需要，以及地勢(shì)的特征，排洪涵洞采用的是“八”字設(shè)計(jì)方案。涵洞洞身采用的是半圓拱城門行首設(shè)計(jì)，使用鋼筋砼進(jìn)行建設(shè)施工。并設(shè)計(jì)了三條排水溝，設(shè)計(jì)在三級(jí)堆放平臺(tái)該的內(nèi)側(cè)，這樣洪水就可以沿著水溝自上而下排出，并且可以有效的保護(hù)沿岸的水土，矸石壩外壩坡表面鋪填40 cm厚壤土并植草皮護(hù)坡，達(dá)到更好的水土保護(hù)的效果。

3.1.2 壩型選擇

根據(jù)桐麻灣煤礦排矸場(chǎng)河段的地形地質(zhì)條件，以及施工技術(shù)可行性和施工材料等時(shí)機(jī)情況，在方案論證階段提出了兩種不同的壩型建設(shè)方案，并對(duì)兩種方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較分析。結(jié)果顯示，方案一是M7.5漿砌石重力壩，其具有后庫容量大、占地面積少等特點(diǎn)，但是建設(shè)的成本相對(duì)比較高，對(duì)壩址地基要求比較高，可以說有點(diǎn)超出了設(shè)計(jì)預(yù)估。方案二是碾壓堆石壩，這種設(shè)計(jì)方案雖然容量少，但是建設(shè)成本低，安全性比較好，對(duì)地基的要求相對(duì)比較低，所以更加適合本項(xiàng)目施工建設(shè)的要求，經(jīng)過多方權(quán)衡以后最終選擇了方案二。

3.2 水土保持措施設(shè)計(jì)

3.2.1 基礎(chǔ)壩

根據(jù)前面的方案設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)壩設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)如下：高程1060.00 m，壩項(xiàng)寬3.0 m，壩頂長(zhǎng)24 m，最大壩高6 m?？紤]到排水的需要，壩坡的坡度就非常關(guān)鍵，上下游坡的坡度分別為1∶1.5和1∶2.0，同時(shí)考慮到小規(guī)格的矸石防護(hù)需要，在上游側(cè)鋪設(shè)了一層60 cm厚的石渣料反濾層，這樣小的煤矸石可以留在反濾層當(dāng)中，從而達(dá)到有效的防止水土流失的目的。

3.2.2 矸石壩

(1)斷面尺寸的擬定。

在施工當(dāng)中采用的自壩底向上逐級(jí)用煤矸石鋪填、碾壓、削坡而成，壩高設(shè)計(jì)為21.0 m，采用三級(jí)分層堆放建設(shè)的模式，每級(jí)高7 m，外壩坡度1∶1.8，兩級(jí)壩間平臺(tái)寬度3.0 m。其中，為了達(dá)到排水的目的，在每一層的平臺(tái)內(nèi)側(cè)都專門設(shè)計(jì)排水溝。

(2)結(jié)構(gòu)計(jì)算。

為了保證矸石壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了瑞典條分法計(jì)算壩體的穩(wěn)定安靜系數(shù)，計(jì)算不同時(shí)期的孔隙水壓力，確定正常運(yùn)行期和正常運(yùn)行期+7°地震的情況結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.3 排洪涵洞

排水涵洞采用的是八字導(dǎo)流設(shè)計(jì)，之所以采用這種設(shè)計(jì)主要是因?yàn)橛昙镜呐潘陨隙轮饾u增加，具體的設(shè)計(jì)規(guī)格為水平投影長(zhǎng)度8.0 m，涵洞進(jìn)口底寬2.5 m，導(dǎo)流段前緣寬度3.5 m，導(dǎo)流邊墻高4.0 m，厚0.5 m，導(dǎo)流段底坡12.86%。涵洞的寬度決定了水流速度，高速水流會(huì)增加沖刷力，無疑會(huì)導(dǎo)致水土流失更加嚴(yán)重。所以，八字導(dǎo)流設(shè)計(jì)可以有效的解決水流速度過高的問題。為了保證壩底的穩(wěn)定性，底板和1 m以下直墻段等都是采用C30混凝土進(jìn)行施工。涵洞洞身段為半園拱城門洞型鋼筋砼結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)既可以滿足排水的需要，另外能最大程度的保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中，在拱身施工當(dāng)中使用的硅粉鋼筋砼結(jié)構(gòu)，其它均采用C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，并預(yù)留好相應(yīng)的沉降縫，避免因沉降影響到排水涵洞結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。縫內(nèi)設(shè)銅墻片止水，縫間填瀝青砂漿，在滿足沉降的同時(shí)，還能有效的避免沉降縫當(dāng)中的水土流失影響到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2.4 平臺(tái)排水溝及植被

矸石壩的排水溝采用的是縱向設(shè)計(jì)，采用平面布置的方式，分別設(shè)置在3個(gè)平臺(tái)的內(nèi)側(cè)，3條排水溝的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為120 m，從右向左壩肩傾斜，縱比降1/100。雖然，排水溝控制集雨的面積相對(duì)比較小，但是因?yàn)椴捎脙A斜設(shè)計(jì)的方式，所以并不影響其排水的功能。度顏面尺寸及其它方面根據(jù)施工場(chǎng)地的實(shí)際情況，尺寸寬×深=0.4 m×0.4 m，并采用襯砌施工的基本形式，采用C20混凝土施工。在壩坡采用了鋪設(shè)紅壤土的方式，種植草本、藤本等植物，利用植被來達(dá)到壩坡防止水土流失的目的。

4 結(jié)語

煤礦排矸場(chǎng)水土保持是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，在建設(shè)的過程中必須根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)、氣候等情況，制定詳細(xì)的水土保持方案，在方案當(dāng)中要將工程與環(huán)境保護(hù)措施結(jié)合起來，這樣才能有效地保持煤礦排矸場(chǎng)的水土，避免長(zhǎng)期堆放對(duì)環(huán)境造成破壞，以及與之相關(guān)的地質(zhì)坍塌事故。