桐麻灣煤礦排矸場水土保持措施設計研究

孔祥周

(四川省攀枝花市水土保持生態環境監測分站，四川 攀枝花 617000)

1 引言

煤矸石是煤礦生產當中與煤炭共生的一種含碳量低、堅硬的黑色巖石，因為達不到使用要求，所以在煤炭生產當中一般作為廢棄物處理，堆積在荒地上，但是長期存儲之下會對環境造成極大的破壞和影響，比如說破壞周邊生態環境、導致大氣和水體污染等，在甚至可能會出現失穩等地質問題，導致嚴重的煤矸石山垮塌事故，輕則影響生態環境，嚴重的情況可能會導致巨大的傷亡事故。因此，在煤矸石場建設的過程中，必須重視加強水土保持措施，最大程度的減少煤矸石堆放對周邊環境的負面影響。

2 桐麻灣煤礦簡介

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，礦區面積0.62 hm2，礦井開采范圍內煤炭地質儲量為580.8萬t，核定生產能力為15萬t/年。根據該煤礦目前的生產能力，該煤礦年排矸量達12000 t，這些煤矸石的處理是擺在礦區的難題。以目前的技術條件，煤矸石還沒有一個完全無害的處理方法。該礦區煤矸石約有30%用于回填采空區，其它的需要采取有效的措施進行環境保護。根據《中華人民共和國水土保持法》的有關規定，該礦區通過建設排矸場集中堆放。露天堆放會產生很多環境問題，主要包括水土流失、環境破壞等，其中水土流失問題最為突出。

2.2 桐麻灣煤礦地質與環境狀況

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

礦區中部為向南傾斜、高差100～350 m、坡角15°左右的順層山坡，礦區的煤層煤系巖層順坡傾斜，植被破壞比較嚴重。排矸場庫區在建設過程中的地質勘測當中發現，主要是以昔格達組泥巖及粉細砂巖為主，受到雨水侵蝕以后，巖土會變得比較酥軟，容易發生泥石流等風險，也在客觀上增加了水土流失治理的難度。

2.3 排矸場水土流失預測

考慮到排矸場攀煤集團花山煤礦技改工程地形地貌、植被等自然環境非常相似，所以在水土流失治理當中，攀煤集團花山煤礦技改工程的水土流失治理經驗是可以借鑒的，在治理當中根據該煤礦的治理經驗，確定相應的水土流失預測參數。

在制定水土流失治理方案的過程中，主要根據預測時段、水土流失面積、地形條件及土壤侵蝕模數進行，根據收集到的數據以及桐麻灣煤礦排矸場水土流失的相關資料，經過科學的結算，確定該區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，運行期的水土流失總量為240.62 t。水土流失問題呈現出日益加重的趨勢。

3 桐麻灣煤礦排矸場水土保持措施設計

3.1 工程總體布置及初期壩壩型選擇

3.1.1 程總體布置

根據排矸場地質、地表特征，在水土保持當中將基礎壩設置在煤礦副井口西北方約150 m處的山溝較狹窄的地段，壩基設計高程為為1054.00 m，在設計上采用了分層堆放的方式進行，整體上可以分為三級。沿著壩底向上逐漸的用煤矸石鋪填、碾壓、削坡，每一級都要的壓實。同時，在壩上設計了排洪涵洞，排洪涵洞主要包括進口導流段、洞身段和出口河道整治段三部分，考慮到排洪的需要，以及地勢的特征，排洪涵洞采用的是“八”字設計方案。涵洞洞身采用的是半圓拱城門行首設計，使用鋼筋砼進行建設施工。并設計了三條排水溝，設計在三級堆放平臺該的內側，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厚壤土并植草皮護坡，達到更好的水土保護的效果。

3.1.2 壩型選擇

根據桐麻灣煤礦排矸場河段的地形地質條件，以及施工技術可行性和施工材料等時機情況，在方案論證階段提出了兩種不同的壩型建設方案，并對兩種方案的優劣進行了比較分析。結果顯示，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，但是建設的成本相對比較高，對壩址地基要求比較高，可以說有點超出了設計預估。方案二是碾壓堆石壩，這種設計方案雖然容量少，但是建設成本低，安全性比較好，對地基的要求相對比較低，所以更加適合本項目施工建設的要求，經過多方權衡以后最終選擇了方案二。

3.2 水土保持措施設計

3.2.1 基礎壩

根據前面的方案設計，基礎壩設計相關數據如下：高程1060.00 m，壩項寬3.0 m，壩頂長24 m，最大壩高6 m?？紤]到排水的需要，壩坡的坡度就非常關鍵，上下游坡的坡度分別為1∶1.5和1∶2.0，同時考慮到小規格的矸石防護需要，在上游側鋪設了一層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中，從而達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。

在施工當中采用的自壩底向上逐級用煤矸石鋪填、碾壓、削坡而成，壩高設計為21.0 m，采用三級分層堆放建設的模式，每級高7 m，外壩坡度1∶1.8，兩級壩間平臺寬度3.0 m。其中，為了達到排水的目的，在每一層的平臺內側都專門設計排水溝。

(2)結構計算。

為了保證矸石壩的結構穩定性和安全性，在設計當中采用了瑞典條分法計算壩體的穩定安靜系數，計算不同時期的孔隙水壓力，確定正常運行期和正常運行期+7°地震的情況結構的穩定性。

3.2.3 排洪涵洞

排水涵洞采用的是八字導流設計，之所以采用這種設計主要是因為雨季的排水自上而下逐漸增加，具體的設計規格為水平投影長度8.0 m，涵洞進口底寬2.5 m，導流段前緣寬度3.5 m，導流邊墻高4.0 m，厚0.5 m，導流段底坡12.86%。涵洞的寬度決定了水流速度，高速水流會增加沖刷力，無疑會導致水土流失更加嚴重。所以，八字導流設計可以有效的解決水流速度過高的問題。為了保證壩底的穩定性，底板和1 m以下直墻段等都是采用C30混凝土進行施工。涵洞洞身段為半園拱城門洞型鋼筋砼結構，這種設計既可以滿足排水的需要，另外能最大程度的保證結構的穩定性。其中，在拱身施工當中使用的硅粉鋼筋砼結構，其它均采用C30鋼筋砼結構，并預留好相應的沉降縫，避免因沉降影響到排水涵洞結構的安全性和穩定性。縫內設銅墻片止水，縫間填瀝青砂漿，在滿足沉降的同時，還能有效的避免沉降縫當中的水土流失影響到結構穩定性。

3.2.4 平臺排水溝及植被

矸石壩的排水溝采用的是縱向設計，采用平面布置的方式，分別設置在3個平臺的內側，3條排水溝的設計長度為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比較小，但是因為采用傾斜設計的方式，所以并不影響其排水的功能。度顏面尺寸及其它方面根據施工場地的實際情況，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。在壩坡采用了鋪設紅壤土的方式，種植草本、藤本等植物，利用植被來達到壩坡防止水土流失的目的。

4 結語

煤礦排矸場水土保持是一項非常復雜的工作，在建設的過程中必須根據該地區的地質、氣候等情況，制定詳細的水土保持方案，在方案當中要將工程與環境保護措施結合起來，這樣才能有效地保持煤礦排矸場的水土，避免長期堆放對環境造成破壞，以及與之相關的地質坍塌事故。