晉寧磷礦排土場及露天采空區地質災害的治理

譚光虹

(云南磷化集團有限公司晉寧磷礦,云南 晉寧 650607)

0 引 言

晉寧磷礦隸屬于云南磷化集團有限公司,建礦于1981年,為現代化露天礦山,設計礦生產能力由100萬t/年.晉寧磷礦從1983年開始投入生產,至2009年末,累計生產原礦1 713萬t,產生剝離排棄物3 145萬m3.分東、西采區,西采區為首采坑,最高開采標高2 440 m,最終開采標高2 300 m,形成東西寬420 m,南北長1 100 m的采空區.采空區邊坡東側高140 m,西側高120 m,端幫80 m的凹陷露天采空區.排土場表面積28.7萬m2,采空區表面積13.2萬m2的治理區域.礦山從1981年建礦至2009年末,累計生產原礦1 713萬t,產生剝離排棄物3 145萬m3①注:①數據來自《晉寧磷礦歷年生產經營計劃報表》,2010.1..

露天采空區存在高邊坡,裸露的巖層含有害元素,潛在的安全問題,水土流失造成的環境污染,加強對采空區地質災害治理研究、恢復采空區自然景觀和生態環境非常重要.

1 礦山地質環境現狀

晉寧磷礦頂板巖層是以碳酸鹽沉積為主的泥巖、粘土巖、砂巖、灰白色細晶白云巖和磷、錳質白云巖夾燧石條帶組成,屬薄層狀結構的半堅硬至堅硬巖組,風化后節理層理均較發育,浸入水后易泥化.礦層為海相沉積的層狀磷塊巖,賦存于寒武系下統梅樹村組第二段和第三段中,礦石風化后強度降低.

由于露天開采剝離物運至排土場堆放,需占用大片土地,對地表植被和自然景觀造成破壞,存在發生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害.露天采空區礦層頂底板多為軟弱工程巖組,采場巖層傾向與地形傾向一致,邊坡經開挖形成后,應力自然釋放.采空區表面經風蝕、雨水沖刷,容易誘發滑坡、崩塌、泥石流等地質災害.使礦區及周圍生態環境質量下降,水土流失嚴重.

2 排土場、露天采空區邊坡破壞機理

排土場、露天采空區邊坡,是剝離物按照設計邊坡角,段高堆放而形成,剝離物經碾壓、自然沉降,重建立新的平衡.

邊坡巖體變形與破壞的發展過程,是巖體內部應力變相互作用的結果.作用于礦山邊坡巖體上的力以重力為主,其次為構造力、滲透力和爆破振動力等.邊坡開挖前,巖體內部應力場處于相對平衡狀態,隨著開挖與延伸(剝離、采礦、道路修建等),巖體出現臨空面、失去側向支撐力,引起巖體內部應力狀態不斷調整變化.在坡腳和坡頂附近可能出現應力集中區和張力區,巖體應力的變化促使其產生新的變形,當巖體應力超過強度時,導致巖體發生破壞,使邊坡巖體向開挖臨空面發生變形和破壞.

存在軟弱面的邊坡中,巖性特征對邊坡的變形與破壞過程起重要作用,如果巖體層面的傾向與開挖側空方一致,巖層傾角接近內摩擦角,在外界振動,地下水、雨水等因素作用下,容易造成邊坡的破壞.

邊坡在破壞過程中的變形有:卸載回彈、蠕滑、拉裂、彎曲,而邊坡破壞是四種形式的組合.邊坡破壞的主要形式有:塌方、滑坡.

邊坡治理方式分治理、處理,在邊坡破壞前,提前進行治理,對地下水、地表水進行疏導,控制邊坡角,削坡減載,擋土墻、抗滑樁、錨桿等措施.邊坡破壞后主要對邊坡體的清理,減少主動體對被動體的作用,可采用清除上部滑體,做安全平臺,降低邊坡角,噴射砼,錨桿、錨索、網格護坡等,重新建立邊坡應力平衡.

邊坡塌方、滑坡造成實際性的破壞,是由于內應力平衡被打破,在滑動體與滑動面之間,存在內摩擦力,而內摩擦力(抗滑力)的大小與滑動面水平夾角成反相關,與下滑力成正相關[1].

3 地質災害分布

3.1 排土場

由于剝離物剛從母體分離,內應力完全釋放,處于松散狀態.如果設計的不合理性,生產中不科學的排土,排水設施不周,人為因素(爆破、周邊取土、采石),對排土場邊坡穩定造成影響.由于排土量,排土高差大.雨季期間,容易引發排土場生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害.剝離物中的氟、磷等元素部分淋溶后,隨地表徑流進入下游.

排土場邊坡破壞形式及影響因素:排土場邊坡,是剝離物按照設計邊坡角,段高堆放而形成,剝離物經碾壓、自然沉降,重建立新的平衡.排土場邊坡的破壞主要有:排土場滑坡,排土場泥石流,排土場環境污染三種表現形式.

排土場滑坡.形成排土場滑坡因素:a. 排土場選址不科學:排土場位于傾斜的山坡地段,工程地質不明,存在較大的構造帶(斷層、溶洞、地下暗河等),排土前未對其底部較弱層不清理或清理不徹底等,給排土場滑坡埋下隱患.b. 生產排土不科學:排土場設計參數不合理,未嚴格按照設計組織排土作業,或在生產的某一時期,進行巖土混排,從而人為地在排土場內部形成較弱面.該面物理力學強度底,隨著排土場內部堆積高度的加大,當某一弱面剪切應力超過其抗剪強度時,便會沿此弱面發生滑坡.c. 排水設施不健全:大氣降雨及地表水對排土場的浸潤作用,排土場初始穩定狀態發生改變,穩定性條件發生迅速惡化.如果暴雨時,排土場排水不及時,大量的地表水匯入排土場,滲入排土場內部,排土場的原有平衡便會發生變化,排土場充水飽和,增加了排土場的重量,降低了排土場內部潛在滑動面的摩擦力,形成排土場的滑坡.d. 人為因素:在排土場周邊濫挖濫采,爆破振動,破壞排土場底部抗剪力.e. 其它不可抗拒因素:如:地震、海嘯或特大暴雨等.

排土場泥石流.形成排土場泥石流有水力、重力成因.而形成泥石流的基本條件:泥石流區內含有豐富的松散巖土;山坡地形陡峻,有較大的溝床縱坡;泥石流區的上中游有較大的匯水面積和充足水源.a. 泥石流水力成因:大量松散的固體物料堆積在匯水面積大的山谷地帶,在水力沖刷作用下,沿陡坡地形急速流動.b. 泥石流重力成因:大量松散固體物料吸水軟化,當含水量達到一定時,便形成黏稠狀流體.處于在陡峻的山坡地形,黏稠狀流體由勢能轉變為動能,釀成泥石流.

排土場環境污染.排土場排棄物存在大量的細小顆粒,在裝卸、推排、風力等作用下,會形成大量的灰塵,對空氣造成污染.如果排棄物有微量有害元素,裸露在空氣中,經風化、氧化,溶解于水,對水體造成污染.

3.2 露天采空區

晉寧磷礦經過二十多年的開采,形成了大面積的露天采空區,采空區為裸露的原生巖層,不利于植被生長.巖層與地形傾向一致,易導致邊坡失穩、地表滑坡、地表植被破壞和景觀破壞等.

4 地質環境治理范圍及治理方法

4.1 治理范圍

晉寧磷礦露天采區開采形成的排土場、采空區坡面等區域.

4.2 治理方法

a. 排土場治理.排土場已堆積大量的剝離物,占用大量的土地.排土場裸露面積大,植被稀少,易造成水土流失.地表植被和自然景觀破壞明顯,雨季易引發泥石流.排土場剝離物主要由第四紀表土(紅土)、水云母粘土巖、黑色頁巖、黃色泥質頁巖、砂巖、碳酸巖和殘留磷礦石等組成.多數呈風化、半風化狀態,巖土自然安息角38°.在干燥情況下,比較穩定,濕潤時則吸水膨脹軟化,崩解成稠泥狀,極易被雨水沖刷流失.

根據上述基本特征,對排土場采用控制邊坡角、修筑截水溝、進行覆土植被等工程、生物措施相結合治理方案.在排土場上部修建截水溝,攔截地表水,減少對排土場邊坡危害.

b. 采空區治理.采空區裸露表面積,在邊坡較緩區域,進行覆土植被.在邊坡較陡,巖層風化程度低,硬度大,不適宜覆土區域,采用在邊坡上,按等高線布置,人工在坡面上開挖寬20 cm,深10 cm的溝槽,行距20～30 cm進行覆土植被(西三采二級品上的邊坡).對剝離中多余的表土,找地點進行集堆、待用.其施工工藝流程為:打安全樁→開挖溝槽→施肥→填種植土→播種→管養護.

c. 覆土及樹種選擇.在生產剝離過程中,對第四紀0～2 m的原生表土,在有選擇地集中剝離、運輸至排土場,按規定區域,定點堆放于排土場表面.使用機械進行大致攤平,表土攤平厚度不小于60 cm.利用人工對表土大塊搗碎小于5 cm,高低區域找平補齊.根據復墾區域的地理位置、氣候條件,本著經濟、實際、成活率高、生長快的原則,選擇適宜的樹種和草籽,進行植樹、植草,并進行施肥、病蟲害防治、灌溉等管理.

d. 覆土及種植方式.根據土壤、氣候、用途等條件,按要求進行挖坑、撒草種.采空區較陡原生邊坡,不適宜覆土時,采用人工刻槽,填土、種植耐旱植物.

e. 截洪溝、排水溝開挖.根據地形、地貌開挖截、排水溝.將雨季可能形成的洪水引到自然溝壑,減少洪水對排土場、采空區區域的沖刷,侵蝕,避免排土場、采空區塌方、泥石流及對覆土植被等破壞.

f. 道路工程及灌溉工程.每個臺階修建一條寬3 m的便道,便于管理和后期的防火.修建取水泵站,架設專門管線,將水抽至高位水池.經過自流到排土場、采空區,實現對樹木、植被的澆灌.

g. 攔砂壩.為預防排土場塌方、泥石流對周邊農田、村莊、水體造成破壞、污染.在排土場下游選擇適宜位置,設置2～3道攔砂壩,將可能形成的地質災害控制在一定范圍內.

5 治理經費來源

礦山地質災害治理工作,存在時間長、工程量大,資金持續投入的特點.資金來源于企業自籌,納入年度生產經營計劃總體安排.同時可爭取國家財政資金的支持.

2008年晉寧磷礦獲得國家礦山地質環境治理項目經費400萬元,同時企業為項目配套經費755.11萬元,實行專款專用.有效地促進排土場、采空區地質環境治理,達到預期的效果和目的.

6 結 語

經過多年堅持不懈地對排土場,采空區進行工程,生物等技術措施,取得了明顯的社會、環境、生態效果.a. 完成排土場、采空區地質災害治理面積36.8萬m2,累計投入治理資金1 155.11萬元(2008年獲得國家礦山地質環境治理項目經費400萬元).種植各種樹木3.4萬株,植被種草36.6萬m2.b. 實現對排土場、采空區植被覆被,改善生態環境,減少了氟、磷等元素及水土的流失②注:②晉寧磷礦環境治理工作總結,2010.3..

參考文獻:

[1]《金屬非金屬礦山》安全生產培訓[M].徐州:中國礦業大學出版社,2008.