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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)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(jià)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(diǎn)與重點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)其生態(tài)修復(fù)質(zhì)量的好壞關(guān)系到整個(gè)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(duì)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(duì)巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的起步雖相對(duì)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(hù)技術(shù)[9]、噴混植生技術(shù)[10]、飄臺(tái)法[11]、藤本護(hù)坡技術(shù)[12]、爆破燕窩技術(shù)[13]、植物纖維毯防護(hù)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(duì)象，在對(duì)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(chǎng)結(jié)構(gòu)面調(diào)查與室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)北幫邊坡巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分級(jí)，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(píng)價(jià)與分級(jí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合臺(tái)階坡面角大小、臺(tái)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(duì)各區(qū)域的特點(diǎn)，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?yàn)樘粕绞泄乓眳^(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(diǎn)距離較近，在干旱少雨季節(jié)，礦區(qū)易揚(yáng)塵，對(duì)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(jìn)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(chǎng)、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)地形較為平坦，容易進(jìn)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(jì)主要針對(duì)修復(fù)難度較大的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行，根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀及未來規(guī)劃方案可知，整個(gè)礦區(qū)主要分為東采場(chǎng)和西采場(chǎng)，本次主要針對(duì)東采區(qū)進(jìn)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(chǎng)的周長(zhǎng)約為4510m，采場(chǎng)邊坡部分地段保留有臺(tái)階，現(xiàn)已形成5個(gè)主臺(tái)階，臺(tái)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(yùn)輸較方便，運(yùn)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(píng)價(jià)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(gè)不同的區(qū)域，對(duì)每個(gè)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(xì)信息，應(yīng)用ShapeMetriX 3D結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)采集邊坡巖體的空間幾何信息后，進(jìn)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(cè)試

將各觀測(cè)區(qū)域所取的巖石按相關(guān)規(guī)范加工成Φ50mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)巖樣，每個(gè)區(qū)域選取3枚巖樣進(jìn)行飽水巖石單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為TAW-3000電液伺服巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載速率為0.12mm/min，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(píng)價(jià)與分區(qū)

通過室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行分級(jí)。由巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)可計(jì)算巖體完整性系數(shù)，計(jì)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(biāo)計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BBQ：

式中，Rc為飽水巖石的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可得3個(gè)觀測(cè)區(qū)域的BQ分級(jí)值分別為476，419，344，而與之對(duì)應(yīng)的巖體基本質(zhì)量級(jí)別分別為II級(jí)、III級(jí)、Ⅳ級(jí)。

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

3.1 區(qū)域1生態(tài)重建方案設(shè)計(jì)

區(qū)域1處臺(tái)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(jí)別為II，從現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(huì)發(fā)生巖體整體或大范圍脫落的現(xiàn)象。根據(jù)邊坡的實(shí)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(jì)要求在坡面上進(jìn)行鉆孔裝藥進(jìn)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(jī)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(dá)到快速復(fù)綠和未來生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)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(shí)在每個(gè)燕窩內(nèi)栽植速生藤本植物如三葉爬山虎等，以期較快實(shí)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(hù)。植物種植或栽植后，加強(qiáng)后期管護(hù)，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(zhǎng)。

3.2 區(qū)域2生態(tài)重建方案設(shè)計(jì)

該區(qū)域階段高度12m，臺(tái)階坡面角約60°，巖體結(jié)構(gòu)面體密度7.62條/m3、質(zhì)量級(jí)別為III級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡面較粗糙，裂隙較發(fā)育，且細(xì)小裂隙相對(duì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)50 cm～80 cm的錨桿進(jìn)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(shí)為保障植物的正常生長(zhǎng)，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(qiáng)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)后期的養(yǎng)護(hù)與管理。

3.3 區(qū)域3生態(tài)重建方案設(shè)計(jì)

該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面體密度為13.54條/m3、質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)，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(gè)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(shí)際情況，經(jīng)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)決定的。

（1）坡面清理與噴播基材準(zhǔn)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(chǎng)剝離的表土約5份、有機(jī)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(jìn)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(jìn)行混播。

（3）種植基材噴播與后期管護(hù)。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?yàn)橄然鶎雍竺鎸樱鎸訃姴ネ旰笠谄浔砻娓采w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(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，保證種子正常發(fā)芽和幼苗的正常生長(zhǎng)，于此同時(shí)，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(cè)區(qū)域1～3干燥巖石單軸抗壓強(qiáng)度分別為73.7 MPa、62.8 MPa和52.3 MPa，與之對(duì)應(yīng)的飽水巖石強(qiáng)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(duì)巖石的強(qiáng)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(qiáng)度，可得觀測(cè)區(qū)域1～3巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)值分別為476，419和345，與之對(duì)應(yīng)的巖體質(zhì)量等級(jí)分別為II級(jí)、III級(jí)和Ⅳ級(jí)。

（3）根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)、強(qiáng)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(cè)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(hù)技術(shù)和厚層基材噴播生態(tài)修復(fù)技術(shù)。