基于巖體質(zhì)量分區(qū)的唐山某石礦邊坡生態(tài)重建技術(shù)研究*

馮玉新，楊浩興，夏冬, ，劉鑫，孫宇

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山市 063210；3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山市 063210；4.河北金元礦業(yè)有限公司，河北 邯鄲市 056003)

0 引言

石材是一種常見的非金屬礦產(chǎn)資源，同時也是一種用途廣泛的寶貴資源，作為重要的建筑材料，有著悠久的開采歷史，但石材礦山在開采過程中和閉坑后，對礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境與區(qū)域地下水分布等造成了不同程度的破壞[1?2]，引發(fā)一系列的環(huán)境問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)大多數(shù)石灰?guī)r礦閉坑后沒有得到有效的生態(tài)恢復(fù)與重建，尤其是立地條件極為惡劣的巖質(zhì)邊坡坡面[3]，因此，開展石礦跡地生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究具有重要的工程應(yīng)用價值和良好的生態(tài)效益。

巖質(zhì)邊坡坡面因立地條件極為惡劣而成為石礦跡地生態(tài)修復(fù)的難點與重點區(qū)域，同時其生態(tài)修復(fù)質(zhì)量的好壞關(guān)系到整個礦山生態(tài)修復(fù)的成敗。瑞士、法國、美國、日本、澳大利亞等國家在巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)方面開展的研究工作相對較早，形成了適宜于本國的生態(tài)修復(fù)方法與理念，取得了良好的生態(tài)修復(fù)效果[4]。我國對巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的起步雖相對較晚，但發(fā)展較為迅速。當(dāng)前，露天礦生態(tài)修復(fù)多借鑒客土噴播技術(shù)[5]、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)[6]、厚層基材噴播技術(shù)[7]、植生袋法[8]、植被混凝土防護技術(shù)[9]、噴混植生技術(shù)[10]、飄臺法[11]、藤本護坡技術(shù)[12]、爆破燕窩技術(shù)[13]、植物纖維毯防護技術(shù)[14]等。上述技術(shù)可為閉坑后的石礦跡地邊坡坡面生態(tài)修復(fù)提供參考。

本文以唐山北部某大型石灰?guī)r礦北幫巖質(zhì)邊坡為研究對象，在對礦區(qū)自然地理、開采現(xiàn)狀及開采影響范圍內(nèi)生態(tài)破壞情況調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查與室內(nèi)巖石力學(xué)實驗相結(jié)合的方法，對北幫邊坡巖體質(zhì)量進行評價與分級，并以此為依據(jù)將北幫邊坡劃分為不同的區(qū)域。在巖體質(zhì)量評價與分級的基礎(chǔ)上，結(jié)合臺階坡面角大小、臺階高度、坡面巖石風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、結(jié)構(gòu)面張開度及結(jié)構(gòu)面填充物等基本信息，針對各區(qū)域的特點，選取與之相適應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

1 工程概況

研究區(qū)域為唐山市古冶區(qū)趙各莊煤礦與卑家店之間的唐山某石灰石礦，礦區(qū)面積較大，且礦區(qū)距離居民點距離較近，在干旱少雨季節(jié)，礦區(qū)易揚塵，對周邊居民的生活造成諸多不利影響，到目前為止，礦區(qū)絕大部分區(qū)域還基本沒有進行生態(tài)修復(fù)，這與當(dāng)前“綠色礦山”建設(shè)的基本要求不符。

該礦山工業(yè)廣場、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)地形較為平坦，容易進行覆土后綠化，生態(tài)修復(fù)較為容易。因此，本次生態(tài)修復(fù)設(shè)計主要針對修復(fù)難度較大的巖質(zhì)邊坡進行，根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀及未來規(guī)劃方案可知，整個礦區(qū)主要分為東采場和西采場，本次主要針對東采區(qū)進行生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。調(diào)查分析表明，東采區(qū)影響范圍的面積約為68.26×104m2，目前該露天采場的周長約為4510m，采場邊坡部分地段保留有臺階，現(xiàn)已形成5個主臺階，臺階基本規(guī)范，礦區(qū)南部的第4系平均厚度0～2m，堆積較松散，且運輸較方便，運距較短，第4系堆積物可為邊坡生態(tài)修復(fù)提供土源。

2 邊坡巖體質(zhì)量評價與分區(qū)

2.1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析

根據(jù)礦山北幫邊坡的踏勘結(jié)果、邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖體風(fēng)化情況等基本信息，將北幫邊坡分為3個不同的區(qū)域，對每個區(qū)域選用不同的生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案，這有利于提高生態(tài)修復(fù)效果，降低修復(fù)成本[15]。為分析邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的詳細信息，應(yīng)用ShapeMetriX 3D結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別系統(tǒng)采集邊坡巖體的空間幾何信息后，進行結(jié)構(gòu)面信息的處理與分析。各區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面三維合成圖、結(jié)構(gòu)面分布圖和赤平極射投影圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 區(qū)域1三維合成圖、結(jié)構(gòu)面分布圖和赤平極射投影圖

圖2 區(qū)域2三維合成圖、結(jié)構(gòu)面分布圖和赤平極射投影圖

圖3 區(qū)域3三維合成圖、結(jié)構(gòu)面分布圖和赤平極射投影圖

巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果見表1。

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)測試

將各觀測區(qū)域所取的巖石按相關(guān)規(guī)范加工成Φ50mm×100mm標準巖樣，每個區(qū)域選取3枚巖樣進行飽水巖石單軸壓縮力學(xué)試驗。試驗設(shè)備為TAW-3000電液伺服巖石常規(guī)三軸試驗機，試驗加載速率為0.12mm/min，試驗結(jié)束后，對試驗結(jié)果進行處理。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面信息調(diào)查

區(qū)域1飽水巖樣的單軸抗壓曲線如圖4所示。根據(jù)圖4可知，區(qū)域1飽水巖樣的單軸抗壓強度為68.3 MPa。

圖4 區(qū)域1飽水巖樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

區(qū)域2飽水巖樣的單軸抗壓曲線分別如圖5所示。由圖5可知，區(qū)域2飽水巖樣的單軸抗壓強度為58.5 MPa。

圖5 區(qū)域2飽水巖樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

區(qū)域3飽水巖樣的單軸抗壓曲線如圖6所示。由圖6可知，區(qū)域3飽水巖樣的單軸抗壓強度為47.8 MPa。

圖6 區(qū)域3飽水巖樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 邊坡巖體質(zhì)量評價與分區(qū)

通過室內(nèi)巖石單軸抗壓強度試驗和結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，根據(jù)國家標準對巖體的基本質(zhì)量指標BQ進行分級。由巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)可計算巖體完整性系數(shù)，計算式如下：

式中，Kv為巖體完整性系數(shù)；Jv為結(jié)構(gòu)面體密度，條/m3。

根據(jù)國標計算巖體基本質(zhì)量指標BBQ：

式中，Rc為飽水巖石的單軸抗壓強度，MPa。

根據(jù)公式（2），結(jié)合巖體完整性系數(shù)及前期獲得的飽水巖石單軸抗壓強度試驗結(jié)果，可得3個觀測區(qū)域的BQ分級值分別為476，419，344，而與之對應(yīng)的巖體基本質(zhì)量級別分別為II級、III級、Ⅳ級。

3 基于巖體質(zhì)量分區(qū)的生態(tài)重建方案設(shè)計

3.1 區(qū)域1生態(tài)重建方案設(shè)計

區(qū)域1處臺階高度為12m，坡面角約70°，巖體結(jié)構(gòu)面體密度為3.85條/m3，巖體質(zhì)量級別為II，從現(xiàn)場觀察還可以看出，坡面較光滑，僅在裂隙處有輕微的風(fēng)化現(xiàn)象。該區(qū)域典型巖體節(jié)理及結(jié)構(gòu)面分布情況如圖7所示。

圖7 區(qū)域1巖體節(jié)理及結(jié)構(gòu)面分布情況

該區(qū)域巖體質(zhì)量相對較好，坡面較為光滑，節(jié)理張開度一般為4mm～6mm，部分區(qū)域大于10mm，巖塊相互鑲嵌在一起，不會發(fā)生巖體整體或大范圍脫落的現(xiàn)象。根據(jù)邊坡的實際情況，通過多方案比選后，最終選擇爆破燕窩生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)方案。

（1）清理坡面與爆破燕窩施工。清除影響安全與施工的坡面危石與浮石后，根據(jù)設(shè)計要求在坡面上進行鉆孔裝藥進行爆破燕窩的施工，燕窩深約0.4m，孔口直徑略大于孔底，且孔口略向上，以利于填充種植土和存留部分雨水或灌溉水，燕窩水平和豎向的距離均為2.5m，呈梅花狀布置，首排距底部的距離為2m，最上一排距坡頂為2m。

（2）爆破燕窩內(nèi)填充植生基材。根據(jù)節(jié)約成本與就地取材的原則，植生基材由礦區(qū)原表土、草炭土、有機肥、城市污泥、秸稈纖維組成，其占比分別為3，3，2，1，1，另加入適量的保水劑、緩釋肥料等。在填充前，需將上述配制好的植生基質(zhì)粉碎后混合均勻后，填充到爆破燕窩中。

（3）種植、栽植植物。為達到快速復(fù)綠和未來生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的目的，采用灌木與藤本植物相結(jié)合的植物配置模式，其中，灌木植物選擇耐旱、耐貧瘠植物，如紫穗槐等，同時在每個燕窩內(nèi)栽植速生藤本植物如三葉爬山虎等，以期較快實現(xiàn)邊坡復(fù)綠，并使邊坡生態(tài)系統(tǒng)向正方向演替。

（4）后期的灌溉與養(yǎng)護。植物種植或栽植后，加強后期管護，增加滴灌系統(tǒng)，以保證植物在極端干旱的情況下也能正常生長。

3.2 區(qū)域2生態(tài)重建方案設(shè)計

該區(qū)域階段高度12m，臺階坡面角約60°，巖體結(jié)構(gòu)面體密度7.62條/m3、質(zhì)量級別為III級，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡面較粗糙，裂隙較發(fā)育，且細小裂隙相對較為密集，節(jié)理張開度為2mm～3mm，裂隙多充填有巖屑或巖石風(fēng)化物，這為草本及小灌木根系深入裂隙創(chuàng)造了條件。該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面分布情況如圖8所示。

圖8 區(qū)域2巖體結(jié)構(gòu)面分布情況

根據(jù)該區(qū)域的實際情況，通過多方案比選后，最終選擇植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)方案。

（1）鋪設(shè)、固定復(fù)合網(wǎng)。在坡面清理完成后，結(jié)合邊坡的實際情況，在坡面鋪設(shè)直徑4mm、網(wǎng)孔200mm的鐵絲網(wǎng)，鋪好后用長50 cm～80 cm的錨桿進行固定。

（2）植被混凝土制備與施工。依據(jù)固廢綜合利用的原則，在此可采用以鐵尾礦為基質(zhì)材料的植被混凝土，為降低植被混凝土的pH值，可選用低堿度的硫鋁酸鹽水泥，同時為保障植物的正常生長，在植被混凝土中加入適量的緩釋肥料、化肥和保水劑；為增強植被混凝土的整體穩(wěn)定性和抗裂性，可加入適量的植物纖維。各成分的比例通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗確定。將配制好的植被混凝土噴射到清洗干凈的坡面上，植被混凝土施工需分層進行，首先在坡面上噴10 cm～12 cm厚的基層，待基層初凝后，再噴射含有植物種子的面層。植被混凝土施工完畢后要加強后期的養(yǎng)護與管理。

3.3 區(qū)域3生態(tài)重建方案設(shè)計

該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面體密度為13.54條/m3、質(zhì)量級別為Ⅳ級，坡面巖體被縱、橫結(jié)構(gòu)面切割得較為破碎，且縱、橫向結(jié)構(gòu)面數(shù)量較為接近，這就使得所切割的結(jié)構(gòu)體較為均勻，坡面巖體中等風(fēng)化。節(jié)理張開度為4mm～5mm，個別區(qū)域超過8mm。該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面分布情況如圖9所示。

圖9 區(qū)域3巖體結(jié)構(gòu)面分布情況

根據(jù)該區(qū)域邊坡的實際情況，經(jīng)技術(shù)可行、經(jīng)濟合理論證后，選擇厚層基材噴播技術(shù)作為該區(qū)域生態(tài)重建技術(shù)方案，這也是由該技術(shù)的優(yōu)點決定的。

（1）坡面清理與噴播基材準備。將坡面浮石、危石清理完成后，用高壓水槍清洗坡面。采用現(xiàn)場剝離的表土約5份、有機肥料4份、植物纖維1份、另加適量的緩釋肥料、速效肥料和保水劑等材料配制噴播基材。

（2）植物種子的選擇、處理與基材的噴播。綜合考慮礦山所處區(qū)域的自然地理、土壤、氣候環(huán)境等因素，可選擇灌木與草本植物混播的方式進行生態(tài)修復(fù)，灌木可選擇胡枝子、檸條等，草本植物可選擇黑麥草、羊胡子草和紫花苜蓿等，將上述種子混合均勻后進行混播。

（3）種植基材噴播與后期管護。噴播分基層和面層，其中基層厚度為12 cm～15 cm，面層厚度約2 cm，噴播的順序為先基層后面層，面層噴播完后要在其表面覆蓋無紡布，以減少基材中水分蒸發(fā)，使植物種子正常發(fā)芽。噴播完成后，需及時進行灑水養(yǎng)護，保證種子正常發(fā)芽和幼苗的正常生長，于此同時，應(yīng)做好滴灌與噴灌系統(tǒng)，以防旱季植被因缺水而干枯。

4 結(jié)論

（1）觀測區(qū)域1～3干燥巖石單軸抗壓強度分別為73.7 MPa、62.8 MPa和52.3 MPa，與之對應(yīng)的飽水巖石強度分別為68.3 MPa、58.5 MPa和47.8 MPa，軟化系數(shù)分別為0.93，0.93和0.91，說明飽水對巖石的強度產(chǎn)生一定的弱化作用。

（2）根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面基本信息，結(jié)合飽水巖石單軸抗壓強度，可得觀測區(qū)域1～3巖體的基本質(zhì)量指標值分別為476，419和345，與之對應(yīng)的巖體質(zhì)量等級分別為II級、III級和Ⅳ級。

（3）根據(jù)巖體質(zhì)量指標、強度特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、風(fēng)化程度、裂隙張開度情況、坡面角大小等影響因素，觀測區(qū)域1～3采用的生態(tài)修復(fù)方案分別為爆破燕窩生態(tài)修復(fù)技術(shù)、植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)和厚層基材噴播生態(tài)修復(fù)技術(shù)。