寶雨山煤礦矸石山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理技術(shù)研究

劉 靜，常 頔

(河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471000)

寶雨山煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t/a，自2001年正式投產(chǎn)以來以來，礦山為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了大量的煤炭能源，同時也給礦區(qū)帶來了土地資源破壞、地面沉陷及地裂縫、居民房屋破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問題。目前，因開采形成的地下采空區(qū)塌陷區(qū)主要位于旱地、林地內(nèi)，下沉幅度較小，塌陷特征不明顯，采空塌陷發(fā)育程度弱，塌陷區(qū)內(nèi)無居民點(diǎn)、房屋及道路等設(shè)施分布，未影響到人員安全及經(jīng)濟(jì)損失，且礦山開采周期較長，大部分塌陷區(qū)已經(jīng)穩(wěn)定，土地屬性得到恢復(fù)。但是矸石山的長期堆積，不僅占用耕地，破壞地表生態(tài)環(huán)境，影響景觀，存在不穩(wěn)定斜坡，而且經(jīng)日曬雨淋、風(fēng)化、侵蝕，造成粉塵飛揚(yáng)，成為周邊大氣污染物主要源頭[1-5]。本文全面落實(shí)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案試用期內(nèi)的工作部署，結(jié)合礦山實(shí)際對矸石山進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程。矸石山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程按照“地貌重構(gòu)、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀再現(xiàn)”的步驟[6-10]，通過采取表面修整、修筑毛石擋墻、完善矸石山及周邊排水系統(tǒng)，覆土、植樹綠化等措施改善矸石山景觀，安裝灑水防塵裝置治理矸石山揚(yáng)塵，防治矸石污染。

1 主要地質(zhì)環(huán)境問題

矸石山正射影像如圖1所示。

圖1 矸石山治理工程示意Fig.1 Schematic diagram of gangue hill treatment project

主要地質(zhì)環(huán)境問題：①土地資源破壞。主要占壓耕地和林地，面積約5.69 hm2。②地形地貌景觀破壞。寶雨山煤礦經(jīng)過幾十年來的煤矸石排放，形成了一座錐形坡體，坡度北緩南陡，自然堆放坡度較大，局部大于40°，不僅占用耕地，破壞地表生態(tài)，影響景觀，而且經(jīng)日曬雨淋、風(fēng)化、侵蝕，造成粉塵飛揚(yáng)，煤矸石堆場及周邊排水系統(tǒng)不完善，降水直接排在坡面上，沖溝縱橫，邊坡失穩(wěn)，矸石山山體隨時都有發(fā)生滑坡的隱患，嚴(yán)重威脅北部緊鄰的風(fēng)井、主井和副井等工業(yè)場地安全，急需修筑擋土墻并完善場地及周邊排水系統(tǒng)(圖2)，徹底改變了周邊生態(tài)環(huán)境，原有地形地貌景觀遭到徹底破壞。③地質(zhì)災(zāi)害。矸石自然堆放坡度大于40°，局部坡度在60°～80°，煤矸石堆場及周邊排水系統(tǒng)不完善，降水直接排在坡面上，沖溝縱橫，矸石山山體多處存在不穩(wěn)定斜坡，隨時都有發(fā)生崩塌、滑坡的隱患，嚴(yán)重威脅周邊場地安全。④其他問題。經(jīng)日曬雨淋、風(fēng)化、侵蝕，造成粉塵飛揚(yáng)，產(chǎn)生粉塵污染和視覺污染、倒矸噪音污染以及影響市容等。

圖2 矸石山地形地貌景觀破壞Fig.2 Destruction of topography and landforms of gangue hill

煤矸石作為資源可以綜合利用，目前矸石山堆放體積約75.60萬m3，年排放矸石7.20萬t，消耗量有限，綜合利用量很少，因此，該矸石山在相當(dāng)長的時期內(nèi)還不能被全部利用。矸石山進(jìn)行覆土綠化不但可達(dá)到安全及環(huán)境治理的效果，煤矸石作為一種資源，還可被暫時“封存”起來，待逐年開發(fā)利用。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理設(shè)計

2.1 設(shè)計條件和有關(guān)參數(shù)選取

矸石山位于寶雨山煤礦工業(yè)場地南側(cè)，自然堆積，相對高差50 m左右，平面呈梨形，長軸為北西—北東向，長約310 m，寬度約294 m，斜坡的表面積為126 753.11 m2，占地面積56 886.74 m2，矸石山的總體積為75.60萬m3，每年新增約7.20萬t的排矸量堆積在該矸石山上，矸石自然堆放坡度大于40°，局部在60°～80°，存在多處不穩(wěn)定斜坡，煤矸石容重19 kN/m3。矸石山下覆地層為第四系，下部設(shè)置保護(hù)煤柱，無采空區(qū)，勘查過程中未發(fā)現(xiàn)地面沉降、地裂縫等次生地質(zhì)災(zāi)害，不屬于采空塌陷影響區(qū)，滿足一般工程建筑地基的要求。堆積場地類型為平地—斜坡型，巖性主要為褐黃色黃土和紅黏土。疏松—致密、黏土含量較大，壓縮系數(shù)0.022 MPa-1，內(nèi)摩擦角30°，基礎(chǔ)底面承載力特征值大于300 kPa，滿足一般工程建筑地基的要求。

2.2 工程技術(shù)路線

矸石山治理總體方案是：斜坡表面整形→平臺斜坡整平修路→修建毛石擋墻及截、排水槽→安裝灑水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)→斜坡、平臺覆土綠化→灑水養(yǎng)護(hù)。主要工程包括前期測量、地質(zhì)勘查、斜坡表面整形、平臺斜坡整平、毛石擋墻及截、排水槽施工、安裝灑水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、覆土綠化、和灑水養(yǎng)護(hù)等幾道工序。

工程設(shè)計內(nèi)容包括：①前期測量1.0 km2及地質(zhì)勘查工作；②安裝灑水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)1套，兼顧綠化噴灌；③矸石山整形面積為115 986.24 m2，土方開挖量為128 377.60 m3；④+504 m平臺整平，+475、+490 m馬道；⑤修建毛石擋墻487.06 m，截、排水渠工程2 051.03 m；⑥斜坡平臺覆土、綠化面積115 986.24 m2，種大葉女貞239株，灑草籽11.60 hm2。

2.3 矸石山治理工程分項設(shè)計

2.3.1 矸石山修整整平工程

(1)工程設(shè)計。施工條件較差，應(yīng)特別注意施工安全，應(yīng)自上而下進(jìn)行，整形后高度低于+504.00 m。為便于施工和綠化，斜坡修整后坡度小于30°，以穩(wěn)定坡面。挖掘機(jī)、推土機(jī)在斜坡上注意施工過程中的安全，對凹處回填部分應(yīng)注意壓(夯)實(shí)、整平。修整平臺、馬道標(biāo)高與面積：①沿矸石山在標(biāo)高+504.00 m修平臺，面積14 080.03 m2；②沿矸石山標(biāo)高+490 m和+475 m根據(jù)地形修寬5 m的馬道；③沿矸石山北側(cè)整平寬5 m的養(yǎng)護(hù)道路，便于后期矸石山養(yǎng)護(hù)、施工等，長度67.84 m。

斜坡修整主要工程量見表1。

表1 矸石山斜坡修整主要工作量Tab.1 Main workload of gangue hill slope trimming

(2)主要施工質(zhì)量要求。由于挖掘機(jī)、推土機(jī)在斜坡上施工，挖掘矸石嚴(yán)禁順坡傾倒，應(yīng)由運(yùn)輸車輛沿平臺和臨時上山道路運(yùn)至寬闊處傾倒、推平。注意施工過程中的安全，對凹處回填部分應(yīng)注意壓(夯)實(shí)、整平。

2.3.2 毛石擋墻工程

根據(jù)地形與實(shí)際情況，毛石擋墻參照04J008國家標(biāo)準(zhǔn)圖集，選2種規(guī)格，毛石擋墻ZQD2、ZQD3，截面設(shè)計如圖3所示。

圖3 毛石擋墻設(shè)計Fig.3 Rubble retaining wall design

砌筑材料采用毛石和C25混凝土，設(shè)計長度共計487.06 m，高度根據(jù)地形適當(dāng)調(diào)整。①高2 m的毛石擋墻每延米毛石擋墻砌體體積1.49 m3，漿砌塊石工程量389.46 m3，下部嵌入平臺面以下1 m，設(shè)計每延米挖方0.53 m3，挖方工程量137.28 m3，填方工程量137.28 m3。②高3 m的毛石擋墻每延米毛石擋墻砌體體積2.70 m3，漿砌塊石工程量609.34 m3，下部嵌入平臺面以下1 m，設(shè)計挖每延米挖方0.76 m3，挖方工程量171.47 m3，填方工程量171.47 m3。毛石擋墻砌筑工程量共計漿砌塊石998.79 m3，挖方量總計308.75 m3，填方工程量共計308.75 m3。

毛石擋墻頂部采用強(qiáng)度C25細(xì)石混凝土抹面，高2 m的毛石擋墻每延米面積為0.60 m2，厚度為0.02 m，砂漿抹面面積156.83 m2。高3 m的毛石擋墻每延米面積為0.57 m2，厚度為0.02 m，砂漿抹面面積128.64 m2。共計砂漿抹面面積285.47 m2。下部靠近地面位置設(shè)2排泄水孔，用PVC管道，孔徑110 mm，間距3.00 m，排水孔向外傾斜7%，PVC管道長277 m。沉降伸縮縫每隔15 m設(shè)置1道，縫寬20～30 mm。設(shè)計工作量見表2。

表2 矸石山毛石擋墻主要設(shè)計工程量Tab.2 Main design engineering quantity of gangue hill rubble retaining wall

2.3.3 截、排水槽工程

(1)工程設(shè)計。在平臺及矸石山外圍砌筑截、排水槽，截、排水槽設(shè)置位置：①+504 m平臺與坡面交界處，以避免平臺上的雨水和養(yǎng)護(hù)用水沖刷矸石斜坡；②馬道靠近坡頂側(cè)設(shè)置截、排水槽，可將斜坡上的雨水起到分流作用；③矸石山底部四周毛石擋墻內(nèi)設(shè)置接、排水槽，防止雨季雨水排泄不暢；④平臺馬道之間設(shè)置豎向排水槽連通，保證坡面匯聚水流可順利引至山底。據(jù)《河南寶雨山煤業(yè)有限公司寶雨山煤礦環(huán)境影響報告書》中介紹，該礦矸石浸出液無論排入地表水體或下滲進(jìn)入地下水體均不會對地下水構(gòu)成污染。“一般情況下，矸石臨時堆放場地不會有雨水滲出，即使在暴雨時，洪水沖刷排矸場有可能攜帶大量泥沙和矸石進(jìn)入排水溝時，也僅會使地表水SS短時濃度升高，由于溝底的過濾作用，矸石浸出液對地下水水質(zhì)的影響很小。 ”從表3可知，該礦矸石屬一般一類固廢，可做一般處置，不需防滲處理。

表3 煤矸石浸出試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Coal gangue leaching test results

截、排水槽為采用購買的整體梯形槽，長度為2 035.65 m，尺寸如圖4所示。 挖方工程量1 017.83 m3，固廢清運(yùn)1 017.83 m3，可就近排入五3排矸場。混凝土砂漿抹面前溝槽要夯實(shí)，每延米夯實(shí)1.6 m3，夯實(shí)工作量2 442.78 m3。槽底設(shè)厚0.1 m的混凝土墊層，長度2 035.65 m，混凝土總用量81.43 m3。

圖4 截、排水槽斷面砂漿抹面示意Fig.4 Schematic diagram of mortar plastering of section and drainage groove

雨水經(jīng)截水槽流入矸石山東側(cè)泄洪溝內(nèi)。設(shè)計工作量見表4。

表4 截、排水槽主要設(shè)計工程量Tab.4 Main design engineering quantity of cutting and drainage groove

(2)施工質(zhì)量要求。截、排水槽墊層用水泥砂漿強(qiáng)度不低于C25，厚度不小于1 cm，底部與側(cè)邊夯實(shí)，并保證表面平滑，流水暢通。

2.3.4 矸石山養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工程

①敷設(shè)噴水管網(wǎng)。根據(jù)矸石山形狀，圍繞設(shè)置的79個旋轉(zhuǎn)式噴頭(間距小于20 m)敷設(shè)耐壓無縫鋼管(φ80 mm、壁厚4.5 mm)噴水管道，管道長度為3 595.86 m，為保證管道穩(wěn)定，沿設(shè)計管線位置間隔10～20 m修筑錨桿以固定管道，錨桿頂部搭設(shè)跨路橋架，錨桿長度1.00 m，埋入矸石0.50 m，在矸石山頂、低及坡腰周邊安裝高壓噴水支架和噴頭，與矸石表面垂直。②水泵與泵房為礦上原有，本系統(tǒng)不再重新設(shè)計。③澆注設(shè)備基礎(chǔ)，砌筑管道固定墩，搭設(shè)跨路橋架。④安裝工作在對矸石山修整完成后進(jìn)行。敷設(shè)上山管道和矸石山頂部噴水管網(wǎng)，保證矸石山斜坡修整過程中除塵需求。⑤水、電從寶雨山煤礦工業(yè)場地敷設(shè)引出，灑水范圍整個治理區(qū)范圍，蓄水池為礦區(qū)矸石山北側(cè)現(xiàn)有，不再重新設(shè)計。主要設(shè)計工程量見表5。

表5 寶雨山煤礦矸石山養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要設(shè)計工程量Tab.5 Main design engineering quantity of gangue hill maintenance system in Baoyushan Coal Mine

2.3.5 綠化工程

(1)工程設(shè)計。由于煤矸石在風(fēng)的作用下風(fēng)化顆粒粗，大孔隙多，表層保水性差，故，土壤覆蓋是改造矸石山并使其綠化的基礎(chǔ)。在矸石山馬道上覆種植土厚度60.00 cm，在平臺和斜坡上覆種植土厚度30 cm。在+504.00 m平臺外側(cè)邊緣修建土坎，防止水土流失，平臺外側(cè)邊緣噴射底寬50 cm，頂寬30.00 cm，高度30.00 cm的土坎，長度496.84 m。每延米土坎體積0.12 m3，用土量59.62 m3。

(2)綠化設(shè)計。在馬道上按2 m×2 m間距種植帶土球大葉女貞249株，樹坑規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m。在平臺和斜坡上，播撒由刺槐、榆樹、榕樹、側(cè)柏和油松種子混合而成的草籽40 kg/hm2。播撒面積11.60 hm2。養(yǎng)護(hù)用水用電等均由礦方負(fù)責(zé)。

矸石山綠化主要設(shè)計工程量見表6。

表6 矸石山綠化主要設(shè)計工程量ⅠTab.6 Main design engineering quantity of gangue hill greening

(2)施工質(zhì)量要求。①植大葉女貞間距2 m×2 m，要求地徑2 cm以上，苗高150 cm以上，苗木選擇生長健壯、無病蟲害、無機(jī)械損傷、樹形端正和根系發(fā)達(dá)的樹苗。植樹后其養(yǎng)護(hù)期36個月，根據(jù)土壤墑情定期及時澆水養(yǎng)護(hù)，及時補(bǔ)苗，保證苗木成活率100%。②后期養(yǎng)護(hù)。指派專人負(fù)責(zé)，根據(jù)季節(jié)、天氣和基層含水量定期進(jìn)行噴灌，注意病蟲害的防治。③耕土選用工地附近的地表優(yōu)質(zhì)種植土，達(dá)到《河南省礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程勘查、設(shè)計、施工技術(shù)要求》中覆土土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級及以上；覆土要壓實(shí)，覆土厚度誤差不超過2 cm。

3 環(huán)境效益

通過本項治理工程的實(shí)施，使矸石山周邊的環(huán)境得到了改善、恢復(fù)，消除了矸石可能引發(fā)的崩塌災(zāi)害隱患，減少了其對大氣的污染，礦區(qū)景觀得到了美化，居住在矸石山附近的居民和礦山企業(yè)(寶雨山煤礦)辦公及生產(chǎn)、生活環(huán)境大為改觀，凈化了空氣質(zhì)量，有助于提高居民的身體素質(zhì)和健康水平，居民得以安居樂業(yè)，職工安心工作，有力地促進(jìn)了礦山企業(yè)文化的建設(shè)。

4 結(jié)語

矸石山治理的最大效益體現(xiàn)在緩解了礦、地矛盾，改善了當(dāng)?shù)鼐用窬幼…h(huán)境和生活質(zhì)量，消除了社會不安定因素。