汾河源頭礦山地質(zhì)環(huán)境治理關(guān)鍵技術(shù)

葛熙豪, 馬 亮, 侯湖平, 施德剛, 張紹良

(1.教育部礦山生態(tài)修復(fù)工程研究中心, 江蘇徐州 221116；2.山西省地質(zhì)勘查局二一三地質(zhì)隊(duì), 山西臨汾 041000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇徐州 221116；4.山西地勘生態(tài)地質(zhì)有限責(zé)任公司, 山西太原 030000)

山西汾河源頭礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程是國(guó)家第三批山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)工程之一, 位于寧武縣涔山鄉(xiāng)、余莊鄉(xiāng)和鳳凰鎮(zhèn)境內(nèi), 跨越12個(gè)行政村, 總面積6.9km2。該工程主要針對(duì)蘆芽山風(fēng)景區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期采煤造成的大量塌陷坑、地裂縫、不穩(wěn)定邊坡、渣石堆放場(chǎng)和煤自燃區(qū)等, 提出了人工修復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合的技術(shù)思路, 開(kāi)發(fā)了煤火治理、地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀再造等關(guān)鍵技術(shù)。

1 礦山破壞現(xiàn)狀

山西寧武煤田, 煤炭開(kāi)采歷史悠久。長(zhǎng)期采礦活動(dòng)致使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重, 水土流失加劇, 生態(tài)景觀破碎, 地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題突出。主要表現(xiàn)為礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患、地形地貌景觀破壞和土地資源損毀及占?jí)旱热齻€(gè)方面。

1.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患多

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)開(kāi)采狀況復(fù)雜, 老窯多, 開(kāi)采深度小, 地面塌陷及地裂縫十分發(fā)育, 地質(zhì)災(zāi)害以不穩(wěn)定邊坡為主。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查, 治理區(qū)內(nèi)共存在60處采面邊坡和道路邊坡、3處大面積塌陷坑和3個(gè)地裂縫群。該區(qū)煤含硫量大, 煤自燃現(xiàn)象自古有之。探明的煤火區(qū)共11處, 沿煤層走向呈不連續(xù)的長(zhǎng)條狀、團(tuán)塊狀展布。遠(yuǎn)處可見(jiàn)到濃煙, 火區(qū)內(nèi)伴有濃烈刺激性異味, 地表見(jiàn)有燒變巖及煤渣, 火區(qū)中心點(diǎn)溫度高達(dá)235℃, CO濃度高達(dá)465ppm以上, 如圖1所示。這些破壞直接影響到該地區(qū)水土流失、水源涵養(yǎng)和汾河源頭水質(zhì)等。

圖1 煤火區(qū)現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 地貌景觀破壞重

過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間, 這里的私采濫挖現(xiàn)象十分嚴(yán)重, 山體破損、基巖裸露、廢渣矸石隨處堆放, 大量植被消失, 致使地質(zhì)遺跡、人文景觀、土地植被景觀等被影響或破壞, 礦山自然景觀的觀賞性、連續(xù)性、完整性、原始性等屬性遭受破壞。由于治理工程位于蘆芽山AAAAA級(jí)風(fēng)景區(qū)內(nèi), 植被破壞和地形地貌變化的影響更為顯著, 嚴(yán)重破壞了風(fēng)景區(qū)生態(tài)景觀。據(jù)調(diào)查, 項(xiàng)目區(qū)內(nèi)不同規(guī)模渣堆壓占共有74處, 山體總破壞面積可達(dá)1.23km2, 如圖2所示。

圖2 山體破壞及渣堆壓占照片

1.3 土地資源損毀多

治理區(qū)內(nèi)的旱地、林地、草地等土地類型因采煤活動(dòng)受到了不同程度的破壞。土地資源的破壞形式主要為采礦挖損和土地資源壓占, 其中山體挖損主要表現(xiàn)在露天采煤挖損山體形成的采坑、采面, 土地資源壓占主要表現(xiàn)在廢渣堆沿山坡或溝谷內(nèi)無(wú)序堆積, 壓占土地資源。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明, 損毀土地類型主要有旱地、草地和林地, 總損毀面積為123.19hm2, 其中耕地2.14hm2, 林地19.38hm2, 草地18.73hm2。

2 治理工程設(shè)計(jì)方案及措施

寧武縣汾河源頭礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程主要包括滅火工程、塌陷坑和地裂縫治理工程、危巖浮巖清理工程、地形整治工程、耕地復(fù)墾工程、擋土墻工程、植被恢復(fù)及養(yǎng)護(hù)工程等。結(jié)合礦區(qū)的自然條件及項(xiàng)目實(shí)施的可行性等方面因素, 治理工程主要堅(jiān)持以下原則：①防災(zāi)減災(zāi)原則；②治理工程綜合統(tǒng)籌原則；③景觀相似性原則；④注重生態(tài)保護(hù), 避免二次破壞的原則；⑤因地制宜, 綜合治理的原則；⑥堅(jiān)持工程措施與生物措施相結(jié)合的原則。

2.1 滅火工程

據(jù)勘察報(bào)告給定的火區(qū)范圍和火源深度合理布置滅火鉆孔位置、間距和深度, 采用注水、注漿法進(jìn)行綜合治理,并視采空區(qū)、火區(qū)及地表的位置關(guān)系采用不同的滅火方法。當(dāng)火區(qū)位于采空區(qū)內(nèi)部且與地表無(wú)聯(lián)通的情況下, 采用地表覆蓋和封堵的方法, 使火區(qū)自然熄滅, 以盡可能做到不破壞巖體。當(dāng)采空區(qū)火區(qū)與地表火區(qū)形成串聯(lián)燃燒時(shí), 則采用鉆孔注水降溫, 注漿隔絕氧氣滅火的方式。施工步驟主要為剝離平整→鉆孔施工→降溫填充→溫度檢測(cè)→黃土覆蓋→生態(tài)修復(fù)。

相關(guān)技術(shù)要求有：①剝離施工前, 須注水降溫使火區(qū)內(nèi)溫度降低在60℃以下, 并對(duì)淺部空區(qū)進(jìn)行探測(cè)和處理, 以避免機(jī)械設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。②沿煤層傾向布置滅火孔線, 用于注水以及灌漿操作, 滅火孔線間距10～30m, 孔間距10～25m, 鉆孔布置呈“三花孔”布置, 鉆孔開(kāi)孔直徑100mm, 套管直徑89mm, 套管采用花管, 見(jiàn)圖3。③在火源中心位置布設(shè)監(jiān)測(cè)鉆孔, 用于后期的監(jiān)測(cè)工作, 獲得火源溫度以及氣體濃度等相關(guān)數(shù)據(jù), 孔間距為50～80m。

圖3 滅火工程鉆孔及注漿示意圖（單位：mm）

2.2 塌陷坑和地裂縫治理

治理區(qū)內(nèi)以地裂縫的整治填埋工作為主。在地裂縫進(jìn)行填埋之前, 先將地表土進(jìn)行剝離, 裂縫兩側(cè)或塌陷坑周邊剝離0.3m, 剝離厚度0.3m, 就近妥善堆放。填埋時(shí), 先用渣石土填充裂縫, 當(dāng)充填高度距地表約1.0m處時(shí), 對(duì)填充的渣石土進(jìn)行壓實(shí), 每隔30cm進(jìn)行夯實(shí)一次。回填后進(jìn)行表土回覆, 將原先的剝離土平鋪壓實(shí), 直至其與原地表基本齊平為止。設(shè)計(jì)要求壓實(shí)度不低于93%。

2.3 危巖、浮巖清理工程

為后期相關(guān)工作排除施工風(fēng)險(xiǎn), 須對(duì)治理區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行危巖體清理以防崩塌。主要工程措施為采用人工和機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合的方法將山頂或坡面危巖、浮巖體破碎后清理至山腳（見(jiàn)圖4）, 對(duì)中央孤立危巖體先進(jìn)行破碎, 破碎物以自由墜落方式填入下方采坑底部, 對(duì)危巖體下方的風(fēng)化巖體基座平臺(tái)可采用小型挖掘機(jī)機(jī)械進(jìn)行采挖至設(shè)計(jì)高程。應(yīng)注意事先選定好機(jī)械設(shè)備通行的安全路線, 并盡量少破壞周邊原生植被和現(xiàn)有農(nóng)林地。

圖4 危巖、浮巖清理工程示意圖

2.4 地形整治工程

為恢復(fù)治理區(qū)地形地貌景觀, 對(duì)治理區(qū)內(nèi)采坑、廢渣堆、工業(yè)場(chǎng)地等進(jìn)行地形整治工程。施工步驟為測(cè)量放線→石方場(chǎng)內(nèi)平衡→渣石開(kāi)挖裝車→場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸→分層回填→平整碾壓。施工要求為：

（1）對(duì)治理區(qū)內(nèi)現(xiàn)有廢渣堆采用機(jī)械削坡方法進(jìn)行整治。進(jìn)行高挖低填、局部整平的操作, 將廢渣堆清運(yùn)、廢渣邊坡削坡, 就近回填至采坑或低洼處布設(shè)平臺(tái)。

（2）渣坑回填時(shí), 下層回填顆粒大者, 上層回填材料選擇粒徑小、級(jí)配較好的廢渣, 并進(jìn)行分層碾壓, 壓實(shí)機(jī)具選擇平碾, 分層厚度不大于0.5m, 每層壓實(shí)遍數(shù)6～8次, 壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.80為宜。碎石土應(yīng)碾壓, 無(wú)法碾壓時(shí)必須夯實(shí), 距表層0～80cm填料壓實(shí)度不小于93, 距表層80cm以下填料壓實(shí)度大于90。

2.5 耕地復(fù)墾工程

在治理區(qū)進(jìn)行地形整治的過(guò)程中, 可將其中集中連片、土壤條件較好的區(qū)域恢復(fù)成耕地, 為了防止水土流失, 耕地平臺(tái)設(shè)4%的內(nèi)傾, 在坡耕地周邊修筑田埂。經(jīng)地形整治后將復(fù)墾成耕地區(qū)域內(nèi)的平臺(tái)或邊坡進(jìn)行覆土, 覆土厚度0.80m, 采用1m3挖掘機(jī)挖裝, 在耕地地塊周邊設(shè)置田埂, 田埂高0.3m頂寬0.3m, 兩側(cè)坡度為45°, 每延米需土方量為0.18m3。

對(duì)于部分渣堆覆蓋的區(qū)域, 實(shí)施覆土造地的工程。施工時(shí)應(yīng)注意所覆客土應(yīng)選自就近取土場(chǎng), 不應(yīng)含有有害化學(xué)物質(zhì)、大塊石塊淤泥等雜質(zhì), 覆土厚度設(shè)計(jì)為80cm, 播撒有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥, 松耕后播撒紫花苜蓿。

2.6 擋土墻工程

修筑擋土墻的主要作用為提高整治后邊坡的穩(wěn)定性, 避免水土流失以及巖土體失穩(wěn)崩塌。在裸露邊坡底部及平臺(tái)邊緣設(shè)置漿砌石擋墻, 墻后底部用于廢渣回填, 上部用于客土回填, 進(jìn)行綠化。工藝流程為基槽開(kāi)挖→驗(yàn)槽→砌料石（安裝泄水孔）→水泥砂漿勾縫→驗(yàn)評(píng)。

相關(guān)技術(shù)要求為：①擋土墻石料采用強(qiáng)度MU30毛石, 最小厚度大于30cm, 無(wú)裂縫, 不風(fēng)化。砌筑采用M10強(qiáng)度水泥砂漿。②墻后填土應(yīng)選用內(nèi)摩擦角θ不小于35°的砂性土, 分層夯實(shí), 每層壓實(shí)厚度不大于30cm, 砌體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%方可回填。③擋土墻施工前必須清理破刷面的松動(dòng)土層, 并進(jìn)行夯實(shí)。擋土墻每隔15m或在基底的地層變化處應(yīng)設(shè)伸縮縫, 縫寬3cm, 內(nèi)填瀝青麻絮或?yàn)r青木板。④擋土墻泄水孔為直徑?75mm圓孔, 橫縱間距2m, PVC管按5%的坡度埋設(shè), 呈梅花型布置, 如圖5所示。

圖5 擋土墻大樣圖

2.7 疏排水工程

沿地形整治后形成的邊坡坡腳、平臺(tái)內(nèi)側(cè)修建截水溝, 在不同高差平臺(tái)之間布設(shè)急流槽, 將山頂坡面的雨水導(dǎo)流至治理區(qū)內(nèi)現(xiàn)有排水系統(tǒng), 以此減少雨季內(nèi)的大量降水對(duì)臨近道路擋墻、坡體及植被的破壞, 施工順序：測(cè)量軸線放樣→基槽開(kāi)挖→基礎(chǔ)夯實(shí)→底層坐漿→片石砌筑→基礎(chǔ)回填→片石勾縫→養(yǎng)護(hù)。

相關(guān)施工要求有：①砌體外開(kāi)挖時(shí)預(yù)留200mm寬溝槽, 砌體強(qiáng)度達(dá)到70%后分層回填夯實(shí), 密實(shí)系數(shù)達(dá)到0.93以上, 防止水流在砌體外沖垮砌體。②砌石時(shí), 基礎(chǔ)應(yīng)敷設(shè)50～80mm砂漿墊層, 第一層宜選用較大片石；分層砌筑, 由外向里, 先砌面石, 再灌漿塞實(shí)。③應(yīng)勾縫的砌石面, 在M10砂漿初凝后, 應(yīng)將灰縫摳深50mm, 清凈濕潤(rùn), 然后填漿勾陰縫。④排水溝采用C20混凝土, 溝壁及溝底厚度均為0.2m, 伸縮縫和沉降縫設(shè)在一起, 間距15m, 縫寬3cm, 縫內(nèi)填瀝青麻絲。

2.8 植被恢復(fù)工程

對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的采坑、廢渣堆、不穩(wěn)定邊坡整治后, 對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)、邊坡進(jìn)行植被恢復(fù), 以達(dá)到減少地表徑流、防止坡面沖刷、涵養(yǎng)水分、保持水土和自然生態(tài)平衡的目的。采用喬木—灌木—草本種植相結(jié)合的方式進(jìn)行綠化, 并進(jìn)行施肥、灌溉、松土、病蟲(chóng)害防治等后期養(yǎng)護(hù)。相關(guān)工程的具體措施為：

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)林種規(guī)劃以生態(tài)防護(hù)林為主, 喬灌草配套結(jié)合的方式種植。被種類選擇在巖性山體地區(qū)耐干旱、耐貧瘠的樹(shù)種草種為主。喬木采用云杉、白樺、小落葉松等, 株行距1～2m不等。灌木采用沙棘、檸條等, 草種一般選用早熟禾、草木樨、披堿草等。

項(xiàng)目區(qū)恢復(fù)成林地上部覆土厚0.4m, 采用穴栽栽種方式進(jìn)行種植。種植的樹(shù)苗不得高于1m, 樹(shù)坑的規(guī)格：（長(zhǎng)、寬、深）大坑80cm×80cm×40cm, 中坑60cm×50cm×40cm, 坑內(nèi)填埋種植土。草地上部覆土厚0.3m后播撒草籽, 草種早熟禾、草木樨、披堿草等, 種草規(guī)格為80kg/hm2。

施工完成后, 必須定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù), 養(yǎng)護(hù)內(nèi)容主要包括澆水、施肥、補(bǔ)種、病蟲(chóng)害防治、鄉(xiāng)土植物移栽等。前期養(yǎng)護(hù)應(yīng)以保持坡面濕潤(rùn)為原則, 保證草、灌木出苗整齊。后期養(yǎng)護(hù)管理階段的主要工作：重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)復(fù)綠植物生長(zhǎng)狀況的觀察、觀測(cè), 并根據(jù)植物長(zhǎng)勢(shì)情況實(shí)施必要的誘導(dǎo)管理措施。

3 結(jié)論

寧武縣汾河源頭礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程總面積約為123.19hm2, 分為六個(gè)治理區(qū), 通過(guò)地形整治、坡面治理、煤火治理、植被恢復(fù)、排水工程等治理工程單元, 以完成消除地質(zhì)災(zāi)害隱患、整治地形地貌改善景觀、恢復(fù)土地資源及礦山地質(zhì)環(huán)境等目標(biāo)。治理區(qū)主要治理工程量為坡面清理開(kāi)挖98223.98m3, 渣土挖運(yùn)999466.66m3, 火區(qū)治理11處, 覆土方量約546925.48m3, 投資預(yù)算總額為10979.73萬(wàn)元。工程治理措施的實(shí)施顯著改善了周邊地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和自然環(huán)境, 開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)也為同類礦山恢復(fù)治理工程提供了示范。