煤礦地質生態環境治理技術研究

王進聰,馬 杰,趙凱軍,蔣拉弟,李博文

(甘肅省地礦局 第二礦產勘查院,甘肅 蘭州 730020)

研究區某煤礦井工開采二1煤、七4煤,開采標高+720 m～+1 350 m,開采規模60萬t/a。自礦山取得采礦證以來,由于市場環境和政策性因素,礦山一直處于建設期,至2022年初才開始試生產。經野外調查實測,在主副井工業場地建設和井巷掘進過程中,企業將排棄的土方、廢矸石(13.86萬m3)無序地堆存在沖溝內,現狀已形成2個矸石場和1個因矸石堆存造成的村莊拆遷區,面積共計4.35 hm2,對地形地貌景觀的影響和破壞程度嚴重;另位于工業場地西北側的礦井涌水排水明溝,長約750 m,現狀溝渠淤積、破損嚴重,影響礦井涌水外排。

基于此,本文研究了煤礦地質生態環境治理技術,消除了地質災害隱患,又有利于煤礦安全生產,提高煤礦生產效率,降低生產成本[1-5]。對地質環境問題區進行植被恢復,治理復墾土地面積4.63 hm2,其中復墾旱地2.33 hm2、灌木林地0.26 hm2、農村道路0.15 hm2,采礦用地1.89 hm2(按灌木林地標準臨時復綠)。提高了土地利用效率,有效保護了農民財產安全,增加了農民收入。

1 治理區概況

1.1 治理區面積

根據野外勘測和室內資料整理,本次治理范圍為:矸石場A、矸石場B、村莊拆遷區,面積共4.35 hm2,設1個擬填方區,面積0.42 hm2,共劃分為2個治理區;另設1個取土場,面積0.28 hm2;對排水明溝(與排水暗涵和河流相連段)清淤和局部修復;在首采區布設村莊塌陷監測點。

1.2 治理區場地構成

根據野外勘測和室內資料整理,本次治理區場地由矸石場A、矸石場B、村莊拆遷區、取土場、塌陷變形監測區、排水明溝組成。其中,矸石場A、矸石場B、村莊拆遷區、擬填方區、取土場面積共4.63 hm2,塌陷變形監測區約1.55 hm2,修復排水明溝約750 m。治理區相對位置如圖1所示。

圖1 各治理區相對位置Fig.1 Relative position of each governance area

治理區各場地面積見表1。

表1 治理區各場地組成統計 Tab.1 Statistics on the composition of each site in the governance area

2 礦山地質環境問題

2.1 地質災害

根據現場測量,并結合鉆探資料,治理區及周邊100 m范圍內,未發現崩塌、滑坡、采空塌陷、地裂縫等地質災害,地質災害發育弱,危險性小。

2.2 對地形地貌景觀和土地資源破壞

經野外調查實測,在主副井工業場地建設和井巷掘進過程中,將排棄的土方、廢矸石(13.86萬m3)無序地堆存在2個沖溝內,現狀已形成2個矸石場和1個因矸石堆存造成的村莊拆遷區,面積共0.80 hm2。其場地分布如圖2所示。2個煤渣堆存區對位于村莊密集區的地形地貌景觀破壞和影響的程度嚴重,給百姓生產生活造成嚴重影響。

圖2 治理區現狀Fig.2 Current status of governance area

(1)矸石場A。①現狀堆存情況:矸石場A占地面積1.64 hm2,為矸石、基坑圖堆積地貌,最北部可見基坑土堆積,高度10～12 m,中間高外圍低,標高+761.36～+776.93 m,相對高差15.57 m,矸石堆存高度2～15 m,堆存方量約7.2萬m3;渣源不穩定,可見多個開挖口(圖3)。②場地四周:南端緊鄰工業場地圍墻,東側為入場道路,西側為村莊拆遷區,北端緊鄰村村通道路。③環境治理情況:經現場調查,矸石場A進行過臨時治理,主要工程措施為排水暗涵、暗井的施工,渣源原地整形,平鋪覆土,受渣坡影響覆土厚度0.3～1.0 m,撒播草籽,主要草種有狗牙根、胡枝子、蒿草。

圖3 矸石場AFig.3 Gangue yard A

(2)矸石場B。①現狀堆存情況:矸石場B占地面積1.91 hm2,位于沖溝內的渣堆堆積地貌,南端高北端低,標高+753.10～+765.80 m,相對高差12.70 m。矸石堆存高度3～10 m,堆存方量約4.7萬m3;渣源不穩定,可見多個開挖口。②場地四周:南端緊鄰村村通道路、東西兩側為荒坡地貌,北部為沖溝地貌。③環境治理情況:經現場調查,矸石場B幾乎未進行過治理,局部可見防塵網覆蓋,另可見野生灌草直播,如狗牙根、胡枝子、蒿草。

2.3 水土污染問題

(1)廢水排放對土壤環境的影響。該礦山目前正在試開采,礦井正常涌水量23 840 m3/d,礦山已建設3座斜管沉淀設備(處理能力Q=400 m3/d)對礦井排水進行處理,處理后的礦井水(40 m3/d)供工業場地地面除塵綠化用水,另經處理后的水部分(710 m3/d)經深度處理后供工業場地生產生活用水,多余部分(23 090 m3/d)外排至“砼暗涵”,最終經排水渠排向附近河洪道。礦山企業已建立實時監測系統,經沉淀處理后的外排礦井水水質CD為45 mg/L、SS為16 mg/L,能夠滿足《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)二級標準的要求。

(2)固體廢棄物對土壤環境的影響。2020年7月9日,采礦權人委托檢測機構對礦山矸石取樣,進行淋融水檢測,檢測因子為:pH值、汞、鉛、鎘、六價鉻、銅、鋅、砷、氟化物、氰化物共10項。檢測結果表明,矸石浸出液中任何一項污染物濃度均未超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)和《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅳ類標準的限定值[6-8],同時滿足《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中農用地土壤污染風險篩選值的要求。因此,現狀條件下,矸石淋融水對項目區地下水、地表水及土壤環境影響較輕。

綜上所述,現狀條件下,項目區生產活動對地下水、地表水及土壤環境質量的影響較輕。

3 土地復墾適宜性評價與渣土水平衡分析

3.1 土地復墾適宜性評價

對待復墾土地進行復墾方向的適宜性評價,目的是通過評價來確定復墾后的土地用途(復墾方向),以便合理安排復墾工程措施和生物措施[9-13]。

3.1.1 劃分評價單元

劃分評價單元是開展土地適宜性評價的基礎,同一評價單元內土地特征及復墾利用方向和改良途徑應基本一致。本項目的評價單元采用綜合劃分的方法,即以治理區土地利用現狀圖為底圖,將“治理區范圍線”“地類圖斑”及“地形圖”進行疊加后,形成不同性質的斑塊,將部分面積較小且性質相近的圖斑進行合并,最終劃分15個評價單元(D1—D15),見表2。

表2 評價單元劃分Tab.2 Evaluation unit division

3.1.2 復墾適宜性等級評定

經過將評價單元土地質量狀況與評價因子的農、林、草評價等級標準進行逐項比配,得出項目區土地適宜性評價結果,結合原地類,確定最終復墾方向,見表3。

表3 評價單元農林草適宜性評價結果Tab.3 Evaluation results of agro-forestry-grass suitability evaluation unit

3.1.3 劃分復墾單元

根據評價單元的最終復墾方向,從工程施工角度將采取的復墾標準和措施一致的評價單元合并作為一類復墾單元,治理區共劃分15個土地復墾單元。

3.2 渣、土、水平衡分析

3.2.1 渣源挖填平衡分析

該礦山廢渣(主要為矸石、廢墟)共計13.86萬 m3,包括2個矸石場堆存的煤矸石和1個拆遷區村莊拆除的廢墟。總體目標是實現場內挖填平衡,平衡方案:治理一區廢渣共計9.16萬m3,其中煤矸石9.04萬m3,拆除建筑廢墟0.12萬m3。設計將矸石全部清運完畢,拆除的建筑廢墟和一部分煤矸石回填村莊拆遷區場地低洼處,一部分回填矸石場B,剩余運往附近煤矸石磚廠綜合利用。

3.2.2 土資源平衡分析

(1)治理區自身供土量。2個治理區本身可供表土來源為治理一區矸石場A臨時復墾時的覆土,經槽探厚度0.4～1.2 m,平均厚為0.5 m,收集率70%,則可供土5 740 m3;矸石場A北端為基坑土堆積,堆積高度5～15 m,堆積面積500 m2,堆積量約3 600 m3。則治理區本身合計供土方量9 340 m3。

(2)取土場。治理區本身供土不足以滿足需土要求,設計1個取土場,剖面為棕黃色粉土、粉質黏土,保水性較好,較穩定。2020年7月9日,采礦權人委托檢測公司對項目區土壤環境背景值進行檢測,認為項目區土壤環境因子背景值均低于標準值,土壤生態環境風險低。取土場:面積0.28 hm2,平均取土深度為6.0 m,形成1級平臺和1級邊坡(坡度80°),可取土量16 800 m3。

綜上,治理區本身供土量、取土場可取土量之和為26 140 m3。

(3)表土供需平衡分析。通過對復墾區內的可供表土量和覆土量進行分析比較,土資源可供給量為26 140 m3,土資源需求量約為24 350 m3。故復墾區內可供表土量能滿足復墾所需土量要求。

3.2.3 水資源平衡分析

(1)供水量分析。根據現場調查,治理區可供水源僅為礦坑涌水,經斜管沉淀設備處理后,并進行水質分析檢測,可供林木灌溉,不能供農作物灌溉。礦井正常涌水量為23 840 m3/d(年排放量達870萬m3),經斜管沉淀設備處理后的礦井水(40 m3/d)供工業場地除塵綠化用水,另經處理后的水(710 m3/d)經深度處理后供工業場地生產生活用水,多余部分(23 090 m3/d)外排至“砼暗涵”,最終經排水渠排向附近河洪道。

(2)需水量分析。項目治理復墾時礦坑未閉坑,可以利用礦坑涌水進行灌溉,礦坑年涌水量最小為870萬m3,年復墾最大需水量為3 625 m3,完全可以滿足土地復墾的要求。

4 地質環境治理設計

4.1 治理一區地質環境治理設計

將矸石場A、村莊拆遷區劃為治理一區,面積共2.44 hm2。主要治理工程為民房拆除、矸石清運、場地整形、排水溝。

(1)拆遷區民房拆除。矸石場A西側為村莊,標高+761～+763 m,低于矸石堆5～20 m;村莊內有3處民房,共16間,建筑為1～2層磚混結構。受矸石堆存影響,礦山企業已對其進行搬遷補償,設計對建筑物進行拆除,廢墟就地攤平。

(2)矸石場A廢渣清運。對矸石場A廢渣進行全部清運,根據渣源平衡分析,清運量共計9.16萬m3,設計將矸石全部清運完畢,拆除的建筑廢墟和一部分煤矸石(1.55萬m3)回填村莊拆遷區場地低洼處,一部分(2.16萬m3)回填矸石場B,剩余(5.45萬m3)運往附近煤矸石磚廠綜合利用。

(3)場地整形。設計對清運后的矸石場A和回填后的村莊拆遷區進行場地整形,根據場地原始地貌,整形為小于2°的緩坡平臺,總體地勢北高南低、西高東低,整形后場地標高+765.5～+759.80 m,最大相對高差5.7 m。

(4)排水溝。現場調查,現狀已施工排水暗涵1條(自工業場地東南部起,經矸石場A,至矸石場B西北部止)、暗井2個(位于矸石場A西部),排泄多余的礦井涌水和自然降水。場地整形后,設計沿場地西側邊緣鋪設一條排水溝,用來排泄場地西側山坡降水,最終匯入場地內的已有暗井。選擇用預制砼排水溝,截面為梯形,單塊長度600 mm、內底寬200 mm、內口寬600 mm、內深400 mm、厚度60 mm、邊坡比1∶0.5(圖4)。設計從市場購買預制成品。

圖4 預制梯型排水溝剖面Fig.4 Prefabricated ladder drainage ditch profile

4.2 治理二區地質環境治理設計

將矸石場B劃為治理二區,面積為1.91 hm2。主要治理工程為廢渣回填、挖高墊底、場地整形、設計擋渣墻、布設排水溝。

(1)挖高墊低。現狀矸石場B存在1個綜合利用開挖分選口,且可見多處篩分后的遺留廢渣堆。

為了場地整形,設計對矸石堆進行挖高墊低,形成穩定的平臺、邊坡。為達到設計標高,需另外收納矸石場A廢渣2.16萬m3(工程量計入治理一區廢渣清運)。

(2)場地整形。根據矸石場現狀并結合周邊地貌,設計將場地整形為5個地塊單元,即2DK-1、2DK-2、2DK-3、2DK-4、2DK-5。其中,地塊2DK-1平臺標高+765.5 m,地塊2DK-2平臺標高+762.5 m、邊坡坡度30°,地塊2DK-3平臺標高為+765.5～+762.5 m,地塊2DK-4平臺標高+762.5～+753.5 m,地塊2DK-5平臺標高+753.5～+753.0 m、邊坡坡度25°。為了保證邊坡穩定性,設計對地塊2DK-2、2DK-5邊坡進行夯實,夯實深度0.8～2.0 m,平均1.5 m。

(3)重力式擋渣墻。治理二區整形后地塊2DK-5平臺與地塊2DK-2平臺高差達到9.5 m,為保證平臺及邊坡穩定性,設計在地塊2DK-5邊坡坡底砌筑重力式擋渣墻進行圍擋。根據設計邊坡高度,填料按中密型碎石黏土估計,內摩擦角選30°,排渣對擋土墻的摩擦系數選0.40,選擇高度為2.0 m的直立式路堤墻,查閱圖集,擋墻寬度尺寸在此基礎上乘以1.4系數。具體參數如圖5所示。

圖5 直立式路堤墻斷面Fig.5 Cross-section of vertical embankment wall

(4)鋪設排水溝。為防止雨水對治理場地的沖刷,排水重點是排泄渣場本身降水,設計沿治理區西側與山坡邊緣鋪設排水溝1條,最終匯入沖溝內的排水明溝;沿地塊2DK-5邊坡坡腳鋪設排水溝1條,與治理區西側排水溝相連;沿田間道一側鋪設排水溝1條,與地塊2DK-5坡腳排水溝相連。

(5)排水明溝修復。據實地勘查,治理二區西北側現有排水明溝1條(自砼暗涵出口至河洪道段),長750 m,寬2.0～2.4 m,深0.8～1.5 m,結構為水泥砂漿+紅磚砌筑,面層抹灰處理,現狀局部破損且淤積嚴重。

設計采用水泥砂漿對排水明溝破損、裂縫處抹面處理,抹灰厚度20～30 mm,另對溝內淤泥進行清運。排水明溝抹灰層脫落面積按20%計算,則需水泥砂漿抹灰600 m2;淤泥厚度0.2～0.6 m,平均厚度按0.4 m計算,則需清淤600 m3。

5 土地復墾設計

5.1 治理一區土地復墾設計

治理一區為矸石場A和村莊拆遷區,面積共2.44 hm2,地質環境治理工程已將場地整形為小于2°的緩坡平臺。設計將地塊1DK-1(原地類為采礦用地,面積1.85 hm2)復墾為工業用地,并按灌木林地標準進行臨時復綠;將地塊1DK-2(原地類為旱地,面積0.28 hm2)復墾為旱地;將地塊1DK-3(分北區和南區,原地類均為村莊,面積0.31 hm2)復墾為旱地。

(1)表土剝離。矸石場A曾經過臨時復墾,經槽探覆土厚度0.4～1.2 m,平均厚0.5 m,設計對表土進行收集,作為該治理區覆土來源。表土收集率按70%計算,則可收集表土5 740 m3。

(2)夯實土埂。為了保證場地所覆表土不被雨水沖刷,設計沿場地北部和東部外邊緣設置土埂,土埂采用素土夯實。土埂寬60 cm、高50 cm,截面積0.30 m2。

(3)覆土設計。設計在整平后的場地上平鋪覆土,復墾方向為旱地的地塊單元覆土厚80 cm,復墾方向為工業用地的地塊單元覆土厚30 cm(按灌木林地標準臨時復綠)。土源為剝離矸石場A臨時復墾時的覆土,可收集5 180 m3,不足來自取土場。

(4)土壤改良設計。對新復墾旱地進行土壤改良,主要措施為增施有機肥、土地翻耕、作物種植改良,分述如下。①增施肥料。治理一區復墾旱地0.59 hm2,經過對復墾區的調查,設計對旱地區所覆土壤按1 200 kg/hm2標準增施有機肥,每年1次,施肥時須選擇陰雨天施工或施肥后澆水。施肥采用人工配合自卸汽車作業。②土地翻耕。隨著時間推移,所施肥料營養會蒸發流失,為使施肥后肥料營養盡快被土壤吸收,須采取土地深翻耕措施。深翻耕時耙磨碾壓可以松土勻土,使肥料、生土、熟土充分摻攪,不僅有利于蓄水保墑,還可以粉碎土塊,彌補工程性平整缺陷,提高平整質量。翻耕采用拖拉機配合三鏵犁。③種植作物改良。新復墾的旱地覆土后表土肥力欠佳,設計種植苜蓿草改良土壤。作物改良步驟:在翻耕后的地塊撒播苜蓿草籽→施復合肥、澆水管護→收割機破碎(破碎長度10 cm內)→澆水→深翻耕填埋。

(5)植被恢復。對復墾為工業用地的地塊按灌木林地標準進行臨時復綠。臨時復綠措施為撒播混合草籽,將麥芽草籽、狗牙根草籽與商品有機肥,按1∶1∶8比例進行混合,然后按240 kg/hm2進行撒播;撒播后,立即進行霧噴灑水濕潤。

5.2 治理二區土地復墾設計

治理二區為矸石場B,面積為1.91 hm2。地質環境治理工程已將場地整形為5個地塊單元,其中地塊2DK-1原旱地、2DK-2平臺、2DK-3、2DK-4、2DK-5平臺面積共計1.65 hm2,地塊2DK-1原采礦用地面積0.04 hm2,地塊2DK-2邊坡、2DK-5邊坡面積工計0.19 hm2;設計將地塊2DK-1原旱地、2DK-2平臺、2DK-3、2DK-4、2DK-5平臺復墾為旱地,將地塊2DK-1原采礦用地復墾為工業用地(按灌木林地標準臨時復綠),將地塊2DK-2邊坡、2DK-5邊坡復墾為灌木林地。

(1)夯實土埂。為了保證平臺和邊坡所覆表土不被雨水沖刷,保證覆土的穩定性,設計沿平臺和邊坡臺階外邊緣設置土埂,土埂采用素土夯實。土埂寬60 cm、高50 cm,截面積0.30 m2。

(2)覆土。設計在整形后的場地上平鋪覆土,其中復墾為旱地的地塊覆土厚80 cm,復墾為工業用地的地塊覆土厚30 cm,復墾為灌木林地的地塊覆土厚40 cm。土源為擬取土場。

(3)土壤改良工程。對新復墾的旱地進行土壤改良,主要措施為增施有機肥、土地翻耕、種植改良,同治理一區。

(4)植被恢復。設計在地塊2DK-1原采礦用地(臨時復綠)撒播麥芽草、狗牙根草混合草籽;在地塊2DK-2邊坡、2DK-5邊坡穴栽側柏,并撒播麥芽草、狗牙根草混合草籽。

5.3 取土場復墾設計

根據土資源平衡分析,治理一區本身可供土量為9 340 m3,土資源需求量約24 350 m3,有15 010 m3,需要另選取土場。根據治理區及周邊地貌情況,在征得礦山企業負責人同意情況下,選擇1個取土場。取土場位于治理一區西側邊緣,為土丘地貌,陡坎發育,高差6～10 m,可見窯洞分布;取土面積0.28 hm2,平均取土深度為6.0 m,形成1級邊坡(坡度70°)和1級平臺,共取土16 800 m3(工作量計入覆土工程)。設計對取土后平臺復墾為旱地。取土場土地復墾設計如圖6所示。

圖6 取土場土地復墾設計Fig.6 Land reclamation design of borrow field

(1)翻挖老土。取土場取土后,底部平臺為老土層,為了耕作,設計對底部平臺進行淺挖活土,翻挖深度1.0 m,則翻挖土方2 400 m3。

(2)土壤改良工程。對新復墾旱地的底部平臺進行土壤改良,主要措施為增施有機肥、土地翻耕、作物種植改良,同治理一區。

(3)邊坡植被恢復。取土場邊坡為80°粉(黏)土邊坡,高度6～10 m,剖面為棕黃色粉土、粉質黏土,保水性較好,較穩定。不需作特殊處理和復墾。

5.4 配套工程

針對治理區設計的配套工程有銷煤道路和田間道工程。

5.4.1 銷煤道路工程

為了建設綠色礦山,并應礦山企業要求,在治理一區對矸石場A進行矸石清運后設計新修1條銷煤道路(自儲煤廠出口至治理區北側與現入礦道路連接),道路中心線長184 m,寬度8.0 m,混凝土路面,設計時速25 km/h。設計如圖7所示。

圖7 銷煤道路斷面Fig.7 Cross-section of coal sales road

(1)路基。廢渣清運后,新建銷煤道路路床多為原始老土,巖性為粉土,不能作為持力層,要開挖換填廢石。路床寬度10.0 m,開挖換填深度1.2～2.0 m,平均1.5 m。換填要求分層碾壓,分層厚度小于50 cm。

(2)路面、路肩工程。路面壓實度/強度經取樣檢測合格后,在上部澆C25混凝土路面,厚度20～25 cm,道路縱向中線設置1條通縫,左右單幅路面,每隔4 m設置1條橫向伸縮縫,初凝后用瀝青麻絲澆灌,并澆水養護21 d。在路面兩側用換填土培路肩,路肩寬度不小于1.5 m。

(3)護路林工程。設計在道路兩側植單排護路林,樹種選擇裸根胸徑3～4 cm側柏,護路林間距2.0 m,采用穴栽,穴坑規格直徑大于0.5 m,深度大于0.5 m。

5.4.2 田間道工程

為治理二區復墾的旱地提供耕作道路,設計田間道1條,治理二區需田間道長108 m,設計如圖8所示。

圖8 田間道斷面Fig.8 Cross-section of field road

(1)路基工程。治理二區田間道路均在原有運礦道路基礎上進行,路基穩固,經簡單平整清理后可利用。

(2)路面、路肩工程。在壓實的路基上,平鋪碎石土路面,厚15～20 cm,路面寬度3.0 m,外側用素黏土作為路肩,路肩寬度不小于0.5 m。

(3)護路林。在道路兩側植單排護路林,樹種選擇裸根胸徑3～4 cm側柏,護路林間距2.0 m,采用穴栽,穴坑規格直徑大于0.5 m,深度大于0.5 m。

治理一區和治理二區治理后效果如圖9所示。

圖9 治理后效果Fig.9 Effect after governance

6 結語

通過實施某礦山地質環境治理與土地復墾工程,消除了地質災害隱患,美化和恢復了研究區生態環境,在一定程度上保護了礦區附近居民的生命財產安全,美化了當地居民的居住環境。對已損毀的基本農田進行復墾,使得研究區企業和地方政府、地方群眾和諧共生、共同發展,有利于促進地方經濟的可持續發展,有利于實現安定團結、人民群眾安居樂業的政治局面,有利于構建和諧社會。