齊躍灣礦山地質環境恢復治理工程

黃昱清，祝啟坤，陽 凱，宋 征

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦山地質環境問題，是人類工程活動引發的各類環境問題中最為主要的問題之一[1].特別是自改革開放以來，我國中小型礦山迅猛發展，再加上我國礦山企業長期以來所實行的粗放型資源利用管理模式，使得礦山地質環境問題不斷惡化，已愈來愈強烈地影響和改變著人們賴以生存的地質環境，為此，也引起國家政府部門的高度重視，自2007年以來國土資源部相繼頒布并實施了《礦山環境保護與綜合治理方案編制規范》、《礦山地質環境保護規定》等相關標準與法規，這些標準與法規的頒布實施標志著我國礦山地質環境的恢復治理工作已納入法制化和規范化的管理軌道.如何既合理地開發利用礦產資源,又不至于造成礦山地質和生態環境的惡化以及重大地質災害事故發生，是實現經濟社會可持續發展戰略的重要研究課題[2].本文針對齊躍灣煤礦所存在的礦山地質環境問題現狀，有針對性提出了相應的防治工程措施，以有效保護該礦山地質環境.

1 礦山基本概況

齊躍灣煤礦位于鄂西南中切割中山區，海拔高程1 500～1 750 m，顯巖溶地貌景觀，溶蝕峰叢及槽谷構成區內基本地貌單元.礦區地層從三疊系下統大冶組至志留系中統紗帽組各系地層均有出露，地層總體呈單斜構造，傾向295°～315°，傾角12°～15°.第四系殘坡積層主要分布于緩坡與山間沖溝兩側及河谷地帶，結構松散，透水性強，厚度0～10 m，分布不連續.礦區含水層主要為第四系孔隙水含水層，三疊系下統大冶組、二疊系灰巖段以及石炭系中統黃龍組巖溶裂隙含水層，隔水層主要為二疊系上統吳家坪組含煤段及泥盆系上統黃家磴組和中統云臺觀組.區內地表水系不發育，無常年永久性地表水體，東部邊緣響水溝為區內地表水及地下水的主要排泄通道，流量隨降雨強度而劇烈變化，區內年平均降水量1 500 mm，5～9月為雨季.地下水主要為大氣降水補給，沿基巖裂隙、巖溶及構造破碎帶滲透深部巖體.礦區工程地質水文地質條件總體屬簡單～中等復雜類型.

該礦山為多年生產礦井，礦權面積1.255 8 km2，礦床類型為煤系沉積型，含煤巖系為二疊系下統棲霞組馬鞍段(P1qm)，煤質屬中～富灰分、富硫無煙煤.礦井采用平硐暗斜井聯合開拓方式和走向長壁后退式回采，年生產能力為60 kt，屬小型煤礦.

2 主要地質環境問題

齊躍灣煤礦地處鄂西南褶皺山區，具備發生突發性地質災害的地質條件，且礦區沿煤層露頭民窯小井開采歷史較長，采掘棄渣隨意堆放，礦區地質環境破壞較為嚴重，對今后不再繼續使用的工礦廢棄地及廢渣堆未采取任何恢復性治理工程措施.根據現場踏勘及已有工程資料綜合分析，目前該礦山主要存在不穩定邊坡、危巖體、礦山棄渣、水質污染與地表生態環境破壞等礦山地質環境問題.

2.1 不穩定邊坡問題

受工業場地平整、修路、建房等工程活動影響，目前該礦山在礦區范圍內已形成4處高度不等的不穩定切坡邊坡體(BP1、BP2、BP3、BP4)，其中BP1位于礦山主平硐上方，對礦山安全生產危害較大，本文以BP1為例來說明各不穩定邊坡體的綜合治理工程措施.BP1長約35 m，坡高5～8 m，坡角30°～40°，平均約35°，坡體主要由粉質粘土和殘坡積碎石土組成，結構松散，透水性較強，其成因主要為在礦山公路修建時，由于對該自然斜坡坡腳開挖，使其坡腳位置的側向反壓支撐力減少所致.目前該斜坡體的穩定性總體較差，局部已發生小規模的滑移破壞，且坡體常有少量地下水滲出.圖1為不穩定邊坡體(BP1)現狀.

圖1 不穩定邊坡體(BP1)現狀Fig.1 Current state of instability slope(BP1)

為了解BP1在治理前的穩定性狀況，同時也為該邊坡的支擋加固提供設計依據，首先對該邊坡體進行穩定性分析計算.根據該邊坡地形地貌、物質組成、地層結構等綜合分析，BP1可能發生的破壞模式為圓弧滑動破壞，計算模型選用Bishop法，則邊坡穩定系數K為：

其中：

(1)

式(1)中：Wi為第i條塊重力(kN/m3)；ΔHi為第i+1條塊與第i條塊切向力之差(kN/m3)；bi為第i條塊寬度(m)；θi為第i條塊底面法向反力與鉛垂線夾角(°)；ci、φi為第i條塊滑面巖土體粘聚力(kPa)和內摩擦角(°).

根據工程類比[3]，該邊坡體物理力學參數取值如下：重度γ=20.0 kN/m3；凝聚力c=15.0 kPa；內摩擦角φ=15.0°.據此，對BP1進行穩定性分析計算，計算結果如圖2.

圖2 BP1穩定性計算結果Fig.2 Stability calculation result for BP1

由計算結果可知，該邊坡在天然狀態下的穩定系數K1=0.965，邊坡基本上處于臨界滑動狀態，因此，當該邊坡遭受降雨等不利外部環境條件時，隨時有可能產生更大規模的滑動破壞.同理，可對其它各邊坡體在支擋加固前進行穩定性分析計算.

2.2 礦山棄渣問題

礦山廢渣危害不僅表現為對礦區土地資源的占用和對地表植被的嚴重損毀，而且當遇連續降雨或暴雨等不利外部環境條件時，還有可能產生堆渣體邊坡滑移破壞，甚至會形成小型泥石流.根據現場地質調查，該礦山目前共存在4處規模較大的廢渣堆場(KZ1、KZ2、KZ3、KZ4).其中KZ1位于礦山主平硐東側依響水溝西岸坡的陡斜坡地帶順坡堆放，長45 m，寬4 m，高15 m，坡角40～50°，方量約3 000 m3，坡體主要由碎石土組成，局部為粉質粘土，結構松散，如圖3所示.KZ1在礦山未來開采中將繼續作為礦山排渣場使用.其它廢渣堆分別位于礦山風井及礦區公路附近，今后將不再繼續使用.目前各廢渣堆場無任何攔擋工程措施.

圖3 廢渣堆(KZ1)現狀Fig.3 Current state of mine residue (KZ1)

在對各廢渣堆進行工程治理前同樣需要了解其穩定性狀況，穩定性分析采用圓弧滑動失穩破壞模式.根據工程類比，廢渣堆物理力學參數取值如下：重度γ=19.0 kN/m3；凝聚力c=5.0 kPa；內摩擦角φ=32.0°.以KZ1為例，同樣采用Bishop法對其進行穩定性計算，計算結果如圖4.

圖4 KZ1穩定性計算結果Fig.4 Stability calculation result for KZ1

由計算結果可知，KZ1廢渣堆在天然狀態下的穩定系數為K1=0.971，處于不穩定狀態.同理，可對其它廢渣堆進行穩定性分析計算.

2.3 危巖體崩塌問題

自然條件下礦區共發育危巖體三處(WY1、WY2、WY3)，發育地層為二疊系灰巖段.危巖體呈石林或陡立狀臨空分布，卸荷與溶蝕裂隙較發育，其破壞方式為崩塌.根據現場調查，目前各危巖體均處于欠穩定～基本穩定狀態，主要危害對象為坡下礦區公路，危巖體崩塌范圍內無當地居民活動.由于治理區危巖體發育地層傾向與山體坡面多構成逆向或斜交結構，對山坡巖體的整體穩定較為有利，在礦山服務年限內，預測未來自然條件下產生較大規模的危巖體崩塌災害的可能性不大.

2.4 水質污染問題

礦山地表水質污染主要來源于礦坑廢水、廢渣堆淋濾水.坑口廢水正常排放量一般為10 m3/h，因煤層及圍巖含硫化物，礦坑水一般呈弱酸性，且含泥沙、粉塵等懸浮物，生活污水排放量約25 m3/d.由于該礦山廢渣堆目前未采取任何恢復治理工程措施，因此，當廢渣堆場遇地表雨水沖刷與浸泡后會排出滲濾污水，對地表水環境會產生較嚴重的污染.

另外，該礦山還存在土地資源與生態環境的破壞問題，現狀條件下主要表現為工業場地建設、修路建房以及廢渣堆等場所，壓占與破壞土地類型主要為灌木林地.由于該礦山采用地下開采方式，礦區內土地資源占用與生態環境破壞總體屬較輕程度.

3 恢復治理工程措施

綜合考慮齊躍灣煤礦所存在的礦山地質環境問題及災害體特征、穩定性分析計算結果及危害性程度等，對各類礦山地質環境問題分別采取如下恢復治理綜合性工程措施[5～8].

3.1 不穩定邊坡治理工程

對4處不穩定邊坡體，主要采取“坡面削方與整形+重力式擋土墻+截排水+植被”等綜合性防治工程措施.即，首先根據不穩定邊坡體所處的地形地貌隨坡就勢地對坡面進行削方與整形處理，最大削坡坡度一般不大于30°，然后沿各邊坡體坡腳位置設置一道漿砌石擋土墻用以支擋不穩邊坡體并保護坡腳，同時在不穩定邊坡體的外圍或坡腳位置設置截(排)水溝用以攔截和排泄地表徑流水，最后對坡面種植草木以恢復地表生態植被.以BP1為例，設計仰斜式重力式擋土墻墻高4.2 m，墻頂寬1.2 m，墻胸坡比1∶0.4，墻背1∶0.2，墻底逆坡0.2∶1，墻趾高35 cm，寬30 cm，埋深1.0～1.2 m.墻體采用MU30毛石與M7.5水泥砂漿砌筑，外露面M10水泥砂漿勾縫，墻頂1∶3水泥砂漿抹面厚20 mm.漿砌石墻每10～15 m設置一條伸縮縫，分縫處采用瀝青止水.為防止雨水下滲浸泡地基，在墻頂和墻底分別設置厚30 cm的粘性土夯實層，墻背后設50 cm砂礫石反慮層.為排泄擋土墻背后積水，墻體設φ100 mm PVC排水管兩排，間距2 m，梅花狀排列.

對設計擋土墻(D1)進行穩定性驗算，其抗滑移穩定性系數、抗傾覆穩定性系數、地基承載力等各項驗算指標均滿足相關規范要求[4].

3.2 棄渣堆治理工程

本次恢復治理工程主要對齊躍灣煤礦主平硐位置、風井位置以及以往民窯小井開采時所遺留的4處廢渣堆場(KZ1、KZ2、KZ3、KZ4)進行綜合整治.由于KZ1廢渣堆場在未來礦山開采時將繼續使用，本恢復治理工程主要是在其坡腳位置沿響水溝邊界處設置一道漿砌石攔渣墻來對KZ1進行支擋與圍護，同時在該攔渣墻外側設置二級礦渣堆淋濾廢水中和沉淀處理池，以收集和處理KZ1酸性淋濾浸出污水，對收集后的污水主要采取投加石灰乳液中和處理方案，同時還建議礦山在今后開采時盡可能對礦山廢渣進行綜合利用或回填采空區，以減少礦渣的排放量.對今后不再繼續使用的礦渣堆(KZ2、KZ3、KZ4)，首先采取削方、壓實、清理與整形等地面處理，然后采用漿砌石攔渣墻對各廢渣堆進行支擋與圍護，最后在各廢渣堆表面覆蓋不小于0.5 m的種植土后種植草木以恢復地表生態植被，生態恢復采用播撒植草+點穴法植樹方案，苗木選用適宜當地氣候條件的樹種，如楊樹、刺槐、日本落葉松等，株距2 m×2 m，三角形配置.各攔渣墻設計的基本原理同不穩定邊坡擋土墻.

3.3 危巖體防治措施

目前整治危巖體崩塌的主要工程措施包括：清除、支撐、錨固、攔截、避讓、監測等.綜合考慮齊躍灣煤礦危巖體的穩定性狀況、危害程度以及經濟投入等實際情況，對治理區的三個危巖體(WY1、WY2、WY3)主要采用如下預防措施：首先對危巖體上方的松動危石進行人工清理以防危石滾落；對危巖體下部煤層按圍巖移動角劃分禁采區或采取邊回采邊充填的回采方案，以避免因采礦活動人為誘發危巖體變形崩塌破壞；在各危巖體的崩塌影響范圍的邊界位置設置醒目的警示牌警戒區，防止人員入內以達到避讓的目的；采取人工巡查觀測或儀器監測對各危巖體的變形破壞發展趨勢實施監控，必要時對危巖體采取加固處理或爆破卸除工程措施；對危巖體附近的地表裂縫，在人工清縫的基礎上，采用水泥砂漿灌漿法回填封堵處理方案，灌漿材料采用1∶2水泥砂漿，同時在灌漿體的頂部采用0.5 m粘土夯實層隔水.

3.4 截(排)水措施

滑坡、崩塌、泥石流等地質災害一般均發生在雨季，這說明“水”對誘發產生各類地質災害的重要性，同時排水阻滲也是地質災害綜合防治工程中常用的一種經濟而有效的輔助性措施.根據防治區水文地質與地形條件，本工程主要通過合理布設截(排)水溝系統以攔截山坡地表徑流水，同時對防治區的各類坡(地)面采用表層夯實或粘土夯實層防水阻滲.截(排)水溝采用梯形或矩形斷面，MU30毛石與M7.5水泥砂漿砌筑，溝壁與溝底厚30 cm，1∶3水泥砂漿抹面厚20 mm.根據防治區降雨強度、降雨歷時、匯流面積等水力參數計算，設計梯形截水溝凈斷面寬×高40 cm×50 cm，溝坡比1∶1，分支排水溝矩形凈斷面寬40 cm，高40～60 cm，總排水溝矩形凈斷面寬×高50 cm×70 cm.各截(排)水溝溝底坡度不小于0.5%，每隔15 m設伸縮縫一道，縫寬20 mm，瀝青麻筋填充止水，對溝底局部疏松巖土層或低洼處進行分層夯填加固處理.

3.5 工程監測

為了解齊躍灣煤礦在礦山地質環境恢復治理工程施工期和未來生產期各類礦山地質環境問題的發生、發展過程與穩定性狀況，預防突發性地質災害發生，同時也為了檢驗本恢復治理工程的效果，必須建立礦山地質環境恢復治理工程監測系統.綜合考慮該礦山所存在的地質環境問題與危害后果等實際情況，按照經濟適用的原則，本恢復治理工程主要采用人工宏觀巡視監測方案，必要時輔以儀器監測，即首先安排具有礦山地質災害專業知識的固定人員定期按固定線路對防治區的地面有無變形開裂、臌脹、塌(沉)陷、危巖體有無變形崩塌跡象以及地表(下)水的滲漏與變化等情況進行巡查和記錄，巡查路線應以控制和覆蓋各類災害體的影響范圍為原則.當發現變形異常時再采用儀器監測或進行工程處理，同時設置警示牌.人工巡視頻次一般每15天監測一次，雨季每5天監測一次，暴雨、連陰雨或情況異常時加大巡視檢查頻次.

主平硐治理區各項恢復治理工程平面布置如圖5所示.

圖5 恢復治理工程平面布置Fig.5 Treatment and recovery project plane layout

4 結 語

本恢復治理工程主要是針對齊躍灣煤礦現狀條件下所存在的不穩定邊坡、危巖體、礦山棄渣、水質污染與生態環境破壞等礦山地質環境問題而展開的，通過本防治工程方案的具體實施，不僅可有效消除或減輕該礦山潛在的地質災害安全隱患，而且還可有效地保護礦山生態環境，進而實現社會效益、經濟效益與環境效益的統一.其綜合性恢復治理工程模式可為同類礦山所鑒用.

參考文獻：

[1] 王永生.礦山地質環境治理存在問題及對策[J].南方國土資源,2009,(12):36-37.

[2] 祝啟坤,黃玉清,宋征.某礦山地質環境問題與綜合治理對策研究[J].地質災害與環境保護,2010,21(1):21-25.

[3] 尉希成,周美玲.支擋結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[4] 中華人民共和國國家標準編寫組.GB50330-2002建筑邊坡工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[5] 曾敏,彭紅霞,劉鳳梅.安遠新龍稀土礦山地質環境綜合治理研究[J].金屬礦山,2011,(3):136-139.

[6] 鄭穎人,陳祖煜,王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.

[7] 梁漢奇.廣東石菉銅礦礦山地質環境治理[J]. 巖土工程界,2008,11(7):84-85.

[8] 王福祥,向文遠,徐有光,等.大峽煤田礦山地質環境恢復治理研究[J].四川地質學報,2011,31(5):54-57.