礦山排石場地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境修復

張立釗

(沈陽市應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110052)

0 引言

我國科技工作者和工程技術(shù)人員開展了大量的礦山地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)修復的科學研究與工程實踐，李霞(2022)分析了礦山地質(zhì)災(zāi)害的形成原因和類型，提出礦山地質(zhì)災(zāi)害防治和地質(zhì)環(huán)境保護工作策略，確保礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治效果及礦山開采工作的安全性和穩(wěn)定性[1]；馬學洪(2021)對礦山地質(zhì)災(zāi)害形式、導致原因進行分析，并對治理和修復的原則及方法進行探討[2]；吳家旭等(2021)對礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治以及土地復墾工作，進行了探討[3]；嚴梅(2021)對礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護進行了探究[4]；苑泉(2020)、楊飛(2022)、楊陽(2021)對礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護進行了分析研究[5-7]；武躍躍等(2021)對滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行了危險性評估研究[8]。張立釗等(2012)采用層次分析法開展了礦山地質(zhì)環(huán)境承載力評價研究[9]；韓琳琳(2021)對塌陷區(qū)開展了礦山地質(zhì)環(huán)境治理與土地復墾工程設(shè)計研究[10]；劉家橙(2021)對銀家溝礦山環(huán)境治理開展了分析研究工作[11]。本文以某露天開采的菱鎂礦山為例，對采礦活動形成的動態(tài)排石場進行支擋設(shè)計，以減低或消除礦山排石場帶來崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，并結(jié)合實際進行客土覆蓋綠化恢復礦山地質(zhì)環(huán)境，以期為類似工程提供交流。

1 礦山概況

1.1 自然地理

某礦山地處北溫帶，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫8.4℃，降雨多集中在6～8月份，年平均降水量為821.5 mm。礦區(qū)處于構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌單元上，地勢北高南低，最高海拔461 m，最低海拔227 m，相對高差234 m，已經(jīng)開采多年，已經(jīng)形成露天采坑、松散堆積體等人工地貌(圖1)。露天開采形成人工邊坡和人工堆積地貌相間分布，人工地貌較發(fā)育。土壤類型主要為棕壤土類。

圖1 項目區(qū)地形地貌圖(奧維地圖)

1.2 水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件

1.2.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存條件，礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水。①第四系松散巖類孔隙水，單位涌水量3.71 L/s·m，滲透系數(shù)67 m/d；②基巖巖隙水，含水層巖性主要為大石橋組的變粒巖及片巖。流量小于0.8 L/s；③碳酸鹽巖巖溶裂隙水，單位涌水量0.0224 L/s·m，滲透系數(shù)0.0513 m/d。

1.2.2 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)勘查工作中，對巖礦石做了系統(tǒng)的物理試驗，試驗結(jié)果：①巖、礦石的不同粒徑塊度堆放一起，初時測的安息角為45°，日久后測的安息角為35°～38°；②巖、礦石的抗壓、抗剪強度測定，詳見巖石力學性質(zhì)試驗結(jié)果(表1)。按巖石抗壓強度與定性劃分標準，礦石及其頂?shù)装宕罄韼r均屬堅硬的類別。

表1 巖石力學性質(zhì)試驗結(jié)果表

2 排石場地質(zhì)特征

排石場的安全和綠化是綠色礦山建設(shè)中的關(guān)鍵和難點。生產(chǎn)礦山的排石場是動態(tài)的，隨時接受廢石的排放，接受動態(tài)荷載，同時，由于菱鎂礦的價值高，還要進行廢石回收翻選，這樣一個動態(tài)的過程給覆土綠化帶來了困難，并且經(jīng)過翻選廢石壓實度不高，遇到雨水還有發(fā)生滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害的可能。

項目區(qū)礦山排石場置設(shè)于礦區(qū)南側(cè)溝谷上游山坡處。礦區(qū)出露地層為遼河群大石橋組三段和第四系。第四系由腐殖土、亞粘土、砂礫石組成，分布在山坡、溝谷沖積地帶，一般厚度0.5～5 m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，廢石堆積體松散，在今后生產(chǎn)排石過程中，擾動頻繁，穩(wěn)固性較差，經(jīng)過雨水沖刷，有小規(guī)?；F(xiàn)象(圖2)。因此認為，動態(tài)排石場地廢石堆置穩(wěn)定性為不穩(wěn)定。在今后生產(chǎn)排石過程中，擾動頻繁，穩(wěn)固性較差，從而為泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供了物源。位于溝谷上游山坡處，提供了地形條件。

根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，當?shù)啬昃邓?21.5 mm，但多集中在6～8月份，且多暴雨，為泥石流的發(fā)生提供了水源條件?？赡芤l(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡、崩塌及泥石流。若發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅排石場下游的采礦場內(nèi)人員設(shè)備，以及下游的村莊及廠房，受威脅人數(shù)10人至100人，可能直接經(jīng)濟損失大于100萬小于500萬，危害程度中等，其危險性中等。動態(tài)排石場可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡、崩塌及泥石流，可能性中等，危害程度中等，其地質(zhì)災(zāi)害危險性中等。

圖2 排石場松散邊坡

3 排石場地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境修復

3.1 地質(zhì)災(zāi)害防治工程

在排石場下游設(shè)置兩道擋墻，上下布置兩級擋墻，以防治和降低滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害帶來的危害。擋墻設(shè)計高度均為10 m，第2道擋墻墻趾距離第1道擋墻內(nèi)側(cè)墻肩3.5 m(見圖3)。

圖3 擋墻剖面圖

兩道擋墻具體規(guī)格如下：

(1) 第一道擋墻規(guī)格

按圖示尺寸開挖基槽(圖3、圖4)，開挖到基巖，基巖fak不小于400 kPa，進入基巖深度不小于0.4 m，地面坡度0.25:1；基礎(chǔ)采用C20毛石混凝土，厚度0.6 m；墻身采用漿砌石，砂漿強度M10，毛石強度不小于M30，墻頂寬度2.0 m；墻身面坡坡率1：0.35，背坡坡率1:0.25，距離墻底0.5 m設(shè)排水孔，排水孔規(guī)格0.5×0.5 m，排水孔內(nèi)為干砌石，兩側(cè)端部2.0 m內(nèi)包格柵網(wǎng)。砌筑砂漿強度等級為M10，塊石料抗壓強度不得低于MU30。墻面M10水泥砂漿勾縫(凸縫)。墻頂用水泥砂漿抹平，厚度20 mm。擋墻墻趾處設(shè)置排水溝，墻趾排水溝設(shè)在壩坡每個平臺內(nèi)側(cè)，呈矩形斷面，M10漿砌石結(jié)構(gòu)，砌石強度MU30，凈斷面尺寸為(寬深)0.4 m×0.4 m，壁厚0.3 m；墻底和墻底排水溝銜接處用漿砌塊石砌筑至排水溝基礎(chǔ)。

圖4 第一道擋墻立面圖

(2) 第二道擋墻規(guī)格

按圖示尺寸修整基槽(圖3、圖5)，基槽回填碎石fak不小于300 kPa，地面坡度0.10:1；基礎(chǔ)采用C20毛石混凝土，厚度0.4 m；墻身采用漿砌石，砂漿強度M10，毛石強度不小于M30，墻頂寬度1.2 m；墻身面坡坡，1：0.30，背坡坡率1：0.20；距離墻底0.5 m設(shè)排水孔，排水孔規(guī)格0.5 m×0.5 m，排水孔內(nèi)為干砌石，兩側(cè)端部2.0 m內(nèi)包格柵網(wǎng)；砌筑砂漿強度等級為M10，塊石料抗壓強度不得低于MU30。墻面M10水泥砂漿勾縫(凸縫)。墻頂用水泥砂漿抹平，厚度20 mm。擋墻墻趾處設(shè)置排水溝，墻趾排水溝設(shè)在壩坡每個平臺內(nèi)側(cè)，呈矩形斷面，M10漿砌石結(jié)構(gòu)，砌石強度MU30，凈斷面尺寸為(寬深)0.4 m×0.4 m，壁厚0.3 m；墻底和墻底排水溝銜接處用漿砌塊石砌筑至排水溝基礎(chǔ)。

圖5 第二道擋墻立面圖

經(jīng)過驗算，第一道擋墻滑移驗算滿足：Kc=5.078>1.300，傾覆驗算滿足：K0=8.159>1.500，地基應(yīng)力及偏心距驗算，基礎(chǔ)強度驗算滿足規(guī)范要求；第二道擋墻滑移驗算滿足：Kc=4.136>1.300，傾覆驗算滿足：K0=6.431>1.500，地基應(yīng)力及偏心距驗算，基礎(chǔ)強度驗算滿足規(guī)范要求。兩道擋墻抗滑移抗傾覆等參數(shù)均滿足要求。

(3) 截水溝設(shè)置

為了降低和減少雨季降水匯入排石場，在排石場頂面與山體交接處設(shè)截水溝，呈倒梯形斷面(圖6)，M10漿砌石結(jié)構(gòu)，砌石強度MU30，上口凈寬0.8 m，底寬0.5 m，凈高0.6 m，壁厚0.3 m。各截水溝溝底坡比不小于0.01，截水溝每20.0 m設(shè)一條伸縮縫，遇坡度變化或地基巖性變化處需加設(shè)沉降縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)填塞浸瀝青松木板。

圖6 截水溝大樣圖

3.2 地質(zhì)環(huán)境修復工程

為提高礦山植被覆蓋率和景觀，在兩道擋墻之間3.5 m范圍內(nèi)，栽植1排刺槐或油刺槐。地徑3 cm以上的I級苗，株距1.5 m，每穴一株。為綠化擋墻，在擋墻墻趾排水溝外側(cè)栽植三葉地錦，向上攀爬。在擋墻頂部外側(cè)0.3 m處栽植1排五葉地錦向下順爬。三葉地錦、五葉地錦均株距0.2 m，每穴1株。為保持水土并能及時復綠，在兩道擋墻之間平臺上播撒紫花苜蓿籽，播撒密度為50 kg/hm2。

4 結(jié)論

(1) 礦山在采礦活動過程中建設(shè)排石場存放產(chǎn)生的廢石、挖損的土地。不僅占用土地資源，還帶來崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患，破壞地質(zhì)環(huán)境，威脅礦山安全生產(chǎn)。

(2) 本文以某露天開采的菱鎂礦山為例，對采礦活動形成的排石場進行支擋設(shè)計，設(shè)置兩道高大擋墻進行支擋以保證排石場的安全，根據(jù)驗算各項指標參數(shù)滿足規(guī)范要求。

(3) 支擋工程降低或消除礦山排石場帶來崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，并為客土覆蓋綠化恢復礦山地質(zhì)環(huán)境提供平臺，恢復礦山地質(zhì)環(huán)境的同時為礦山安全生產(chǎn)提供保障，促進礦山開采與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。