露天煤礦外排土場選址及水土保持措施設計

［關鍵詞］ 外排土場；選址；水土保持；露天煤礦

［摘 要］ 外排土場是露天煤礦項目水土流失重點防治區域，既要考慮自身安全，又要考慮水土流失防治，其合理選址及水土保持措施設計全面、合理可行尤為重要。以吐魯東露天煤礦為例，結合外排土場自身特點，對選址合理性進行分析評價，從全方位水土流失防治方面進行水土保持防治措施典型設計。選址合理性主要從外排土場對周邊重要基礎設施的影響、用地預審與選址意見書前期相關手續辦理和邊坡穩定等方面進行分析；水土保持措施設計結合吐魯東露天煤礦外排土場所處北方風沙區的特點，從“擋”“排”“護”“整”“臨”5個方面進行設計，減少生產建設過程中的人為水土流失。

［中圖分類號］ S157 [文獻標識碼]A DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.06.017

［引用格式］ 陸可生，辛偉.露天煤礦外排土場選址及水土保持措施設計：以吐魯東露天煤礦為例[J].中國水土保持，2024（6）：53-55，67.

1 研究區概況

吐魯東露天煤礦位于玉門市西北150 km處的酒泉北山區，行政區劃隸屬于酒泉市肅北蒙古族自治縣馬鬃山鎮，為新建項目，主要由采掘場、工業場地（含選煤廠）、場外道路、外排土場、供電和供水工程等組成。井田面積24.59 km2，露天開采場地表境界面積9.18 km2，生產規模230萬t/a，屬中型露天煤礦，平均剝采比19.21 m3/t，服務年限為21.7 a。據勘探資料顯示，露天開采境界內的地質資源量為6 610.60萬t，可采原煤量5 990.93萬t，設計可采儲量5 562.17萬t，最大開采深度為290 m。

礦區地處戈壁荒灘，區內地勢東、南高，西、北較低，最高海拔1 970 m，最低海拔1 906 m。氣候類型屬中溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量72.1 mm，多年平均氣溫為4.5 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-37.1 °C，年平均蒸發量3 040 mm，最大凍土深度130 cm，多年平均風速4.6 m/s。土壤類型為灰棕漠土。植被類型屬荒漠草原植被，植被覆蓋率3.0%。礦區在全國水土保持區劃中的一級分區為北方風沙區，容許土壤流失量為2 000 t/（km2·a），土壤侵蝕類型為風力侵蝕，原地貌土壤侵蝕模數3 500 t/（km2·a），侵蝕強度為中度。

2 項目概況

2.1 項目區概況

外排土場位于采掘場的東邊，牛圈子沖溝的南側，工業場地（含選煤廠）的北側?？傄巹澝娣e198.00 hm2，匯水面積為0.30 km2，容量14 000.00萬m3，累計排棄10 591.03萬m3，起始排土高度1 920 m，最終排棄標高2 010 m，堆高90 m，臺階高度20 m，分5個臺階。至設計水平年（達產第1年）結束，外排土場擾動面積為101.26 hm2，設計排土3 479.60萬m3，土石方調配利用后最終排土3 470.56萬m3。設計水平年外排土場起始排土高度1 920 m，最終排棄標高1 961 m，臺階高20 m，分3階，坡面角30°。主體設計考慮了與牛圈子沖溝及工業場地（含選煤廠）的安全距離，相較于采掘場及周邊地形，該處位置較高，不存在洪水威脅。外排土場地處戈壁荒灘，地形較平緩，降雨入滲快，基本不產生徑流。

2.2 堆置方案

外排土場堆填作業按照“從下至上、逐層碾壓”原則進行，堆渣方式采用分層平起后退法，作業面開拓采用填筑單元升層法。外排土場邊坡按照臺階坡面角30°堆放，碾壓密實度為0.93，按照分區分塊原則進行水平方向開拓，各區塊間相互交錯銜接，堆渣臺階高度20 m[1]。

2.3 排土工藝

根據卡車排土工藝，采用邊緣排棄方式，自卸卡車在排土工作線上卸載后，大部分排棄物自溜至坡下，少量遺留在坡頂的排棄物用推土機推至坡下。本著由近及遠的排棄原則進行建設，外排土場建設初期，初始排土臺階以分層排棄的方式逐漸增高，直至達到一個標準排土臺階高度，并由該水平面擴展，直到排棄至外排土場最終規劃用地紅線范圍處為止。主要技術參數見表1。

2.4 排土計劃

外排土場排棄時間為建設期至達產第6年，堆高90 m，達產第7年實現內排，二采區往首采區排棄剝離物，三采區往二采區排棄剝離物，以此類推，直至排棄完畢。生產期嚴格按照礦山地質環境保護與土地復墾方案，完成相關治理與恢復[2]。

2.5 外排土場級別

依據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014）（以下簡稱《規范》），棄渣場水土保持防護工程主要依據堆渣規模、渣場所處位置及失事后對工程和環境的危害程度等進行設計，將渣場劃分等級。本工程外排土場建設期最終堆渣量3 470.56萬m3，堆渣高度41 m。按堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環境造成的危害程度確定的棄渣場級別不一致時，按高級別執行，最終確定外排土場級別為1級[1]。

3 外排土場分析

3.1 水土流失成因

露天煤礦開發建設引起和加劇原地貌水土流失的因素主要包括自然和人為因素。自然因素是潛在的，人為因素是造成土壤侵蝕加速發展的主導因素，主要表現在以下3個方面：一是擾動和破壞天然耐旱植被，使地表形成裸露面；二是使表層土壤松散性加大，固結性降低，導致土壤的抗侵蝕能力降低；三是人為改變了原地貌形態，形成人工再塑地貌，加大了地面坡度，使得土壤侵蝕加劇[1-2]。

3.2 合理性分析

3.2.1 選址合理性分析

外排土場范圍區域地質構造簡單，不存在斷裂構造、滑坡、崩塌、泥石流、塌陷等不良地質問題，場地地基土層及地形條件較好，區域穩定性好。下墊面為戈壁荒灘，地形較平緩，降雨入滲快，基本不產生徑流，且地勢較高，無洪水威脅。周邊無風景名勝區、自然保護區，不在林業保護區。設計水平年用地范圍距離采掘場、工業場地（含選煤廠）的距離均大于安全防護距離，滿足要求。同時，據《肅北蒙古族自治縣德豐礦業有限責任公司吐魯東露天煤礦地質災害危險性評估報告》關于外排土場的分析結論，排土場東部存在小范圍匯水，通過在排土場東部設置截水溝等排水措施，將匯水疏排至牛圈子溝，再向東排出區外。外排土場距露天采坑地表境界線最近距離200 m，距南部工業場地230 m，雖在極端氣候或凍融條件下，外排土場底部可能發生底鼓，給外排土場周邊小范圍區域的穩定造成影響，但經綜合分析不存在外排土場潰壩和對采坑及工業生產區造成危害的可能。從水土保持角度分析，該外排土場選址可行[1]。

3.2.2 前期相關手續辦理情況

本工程已取得用地預審與選址意見書，外排土場為該文件確定的位置，手續合規。根據水保監〔2020〕63號文要求，取得了外排土場所在地自然資源、生態環境等部門同意的選址意見單。從水土保持角度分析，該外排土場前期相關手續齊全。

3.3 穩定性分析

主體設計對外排土場的邊坡進行了穩定性分析，結果如下：天然工況下外排土場邊坡高度90 m、最終邊坡角為20°，邊坡穩定性系數為1.233＞1.2。暴雨工況下由于排棄渣石屬大孔隙散體結構，因此長時間極端暴雨時會在坡體內形成滲流。經計算，當外排土場邊坡高度90 m、最終邊坡角為20°時，暴雨工況下外排土場邊坡穩定性系數為1.082＞1.05，邊坡處于基本穩定狀態，符合《規范》要求。地震工況下當外排土場邊坡高度90 m、最終邊坡角為20°時，外排土場邊坡穩定性系數為1.103＞1.05，邊坡處于基本穩定狀態，符合《規范》要求[2]。

4 外排土場水土保持措施布局與設計

4.1 外排土場水土保持措施布局

施工前期主體設計明確了外排土場坡腳擋渣墻、土質排水溝措施，方案新增外排土場東側、每級臺階處修筑土質攔水埂措施，并在主體設計土質排水溝末端順接土質沉沙池。施工過程中方案新增防塵網苫蓋措施。施工結束后方案新增外排土場邊坡及頂部平整措施，配合降塵灑水促進土壤結皮，并在外排土場邊坡整治區域進行碎石壓蓋，碎石來源于采掘場剝離[2-4]。

4.2 外排土場水土保持措施設計

4.2.1 工程措施

4.2.1.1 設計原則與標準

工程措施設計原則為：①主體設計中具有水土保持功能的措施設計標準高于水土保持設計要求的，采用主體設計標準；②遵循經濟和操作性強的原則，既做到控制投資、便于施工，又要控制水土流失。

工程措施設計標準：①排水工程設計標準。根據《規范》規定，“棄渣場永久性截排水措施的排水設計標準采用3～5 a一遇5～10 min短歷時設計暴雨”。主體工程中土質排水溝設計標準采用50 a一遇10 min暴雨標準。依據工程措施設計原則“主體設計中具有水土保持功能的措施設計標準高于水土保持設計要求的，采用主體設計標準”，經確定，土質排水溝設計標準采用50 a一遇10 min暴雨。②擋渣墻設計標準。建設期外排土場堆渣量3 470.56萬m3，最大堆渣高度41 m，失事對主體工程或環境造成的危害較輕。根據《規范》設計標準，外排土場級別為1級，主體設計的擋渣墻對應等級為2級。

4.2.1.2 具體措施

1）擋渣墻。①施工前期在外排土場邊坡坡腳設置擋渣墻1 660.00 m。擋渣墻采用M10漿砌石砌筑并勾縫，基礎用換填30 cm厚三七灰土夯實，坡面坡比為1∶0.3，基礎埋深1.5 m，地面高度1.5 m，地面以上0.5 m處以3.0 m間距設置排水孔。②穩定性復核。經查主體設計報告，外排土場基底土層容重取16.5 kN/m3，內摩擦角取25°，黏聚力取10 kPa。排棄渣石容重取18.5 kN/m3，黏聚力取15 kPa，內摩擦角取28°。采用理正軟件對庫倫土壓力、抗滑系數、抗傾覆系數以及地基應力進行計算，穩定性符合《規范》擋渣墻設計要求。

2）土質攔水埂。施工前期在外排土場東側修筑土質攔水埂1 310.00 m，以攔截坡面產生的匯水。同時在外排土場每一級臺階處修筑土質攔水埂，避免雨水沖刷坡面形成侵蝕沖溝，臺階處修筑土質攔水埂8 294.00 m。攔水埂頂寬0.5 m、底寬2.0 m、高0.5 m、坡比1∶1，共計修筑土質攔水埂9 604.00 m。

3）土質排水溝。施工前期在外排土場南側、西側重點地段坡腳處修筑頂寬2.0 m、底寬1.0 m、深0.5 m、坡比1∶1的土質排水溝，排水溝采用就地開挖的土質渠，并壓實，壓實系數不小于0.90，排水溝長1 660.00 m。①安全性、滿足性復核。洪水標準主體設計按50 a一遇10 min最大暴雨。②降雨強度。主體設計采用50 a一遇降水量43.63 mm/h。③清水洪峰流量計算。根據《規范》，對匯水面積的洪峰流量及洪水量加以計算。外排土場最大匯水面積為0.30 km2，經計算，外排土場50 a一遇10 min洪峰流量Q洪為1.46 m3/s。④斷面復核。采用明渠均勻流公式進行校核，土質排水溝最大過水量為1.99 m3/s。⑤洪水校核。采用擴大20%的洪峰流量進行驗算，經計算，土質排水溝設計過水流量大于擴大20 %的洪峰流量（1.75 m3/s），滿足排放要求。

4）土質沉沙池。在土質排水溝末端修建1座土質沉沙池，內襯土工膜，沉沙池尺寸為寬6.0 m、長12.0 m、深2.0 m、坡比1∶1。按照水流在沉沙池沉淀1 min計算，沉沙池容量滿足沉淀容量要求。每座沉沙池土方開挖量為48.00 m3，襯土工膜479.29 m2。

5）土地整治。土地整治是對因生產、開發和建設損毀的土地進行整治、改造、修復，使之達到可開發利用狀態的水土保持措施。工業場地區土地整治分粗整和細整兩步進行。粗整時先按照路基周邊的地形、地勢特點及填高要求，確定需要回填的重點部位，然后利用推土機等施工機械將土方推運至坑洼地填方區域；進行坑洼回填時，對坑洼地一般采用條帶式分條填埋，或任意工作線（面）回填，然后碾壓平整；回填結束后力爭坑平渣盡。粗整結束后，對機械整治后遺留的小型坑洼地，采用人工方式，利用鐵锨等工具進行鏟平、填埋處理，最終達到整治設計要求。施工后期在外排土場邊坡及頂部進行平整，設計土地整治93.16 hm2，采用74 kW推土機機械整治。

6）碎石壓蓋。施工后期方案新增外排土場邊坡土地平整區域進行碎石壓蓋，碎石來源于采掘場剝離，鋪設在外排土場邊坡以抵抗風蝕，補充碎石壓蓋30.20 hm2，厚度10 cm，共用碎石3.02萬m3。

4.2.2 臨時措施

4.2.2.1 設計原則與執行標準

1）設計原則。①開挖前應對擾動破壞區域，采取循序漸進方式開挖，避免增大侵蝕破壞；②與主體工程緊密配合，以防治施工期的水土流失為重點；③不能及時回填的開挖土石方做到防塵網苫蓋等臨時防護；④施工場地、機械擾動區域及時做好降塵灑水措施，遇大風可增加灑水頻次。

2）執行標準。苫蓋、灑水等措施執行《生產建設項目水土保持技術標準》（GB 50433—2018）中關于“臨時防護工程”的規定。

4.2.2.2 具體措施

1）降塵灑水。施工后期在外排土場土地整治區域降塵灑水，一方面抑制塵土，一方面加速土壤結皮的形成，促進自然修復。單位面積灑水量50.0 m3/hm2。外排土場土地整治結束后灑水面積93.16 hm2，灑水1次，設計灑水量4 658.00 m3。

2）防塵網苫蓋。施工過程中為避免排棄土方過程中產生揚塵，設計防塵網苫蓋3 000 m2，坡腳采用裝土編織袋壓邊，防塵網可循環使用。

項目區多年平均年干燥度為42.16，屬極干旱地區?！渡a建設項目水土流失防治標準》（GB/T 50434—2018）規定“位于極干旱地區，對林草植被恢復率、林草覆蓋率不做定量要求”，結合外排土場立地條件，不再布設植物措施。

5 結束語

外排土場的水土保持有別于一般概念的水土保持，也不同于其他生產建設項目的水土保持。外排土場的水土保持既要考慮排土場自身的安全，又要預防其產生新的水土流失，減輕原有的水土流失，并達到改善生態環境的目的[5]。

吐魯東露天煤礦外排土場地處河西走廊戈壁區域，占地面積大，堆存方量多，排土周期長，對原地貌擾動破壞強烈，局部環境變化顯著，相應的水土保持難度也大。在選址合理、滿足排土場安全穩定的前提下，結合立地條件，全方位地在施工前中后期因地制宜分別布設工程措施、臨時措施，可從根本上預防外排土場的人為水土流失。

[參考文獻]

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[5]譚國棟，李曉紅.淺談排土場的水土保持設計[J].遼寧城鄉環境科技，1999（3）：87-90.

收稿日期： 2023-10-26

第一作者： 陸可生（1993—），男，甘肅定西人，工程師，學士，主要從事水土保持咨詢設計工作。

通信作者： 辛偉（1980—），男，甘肅白銀人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持咨詢設計工作。

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（責任編輯 楊傲秋）