霍州力拓煤矿排矸场水土保持防护设计

陈 刚

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 矿井概况及矸石排放情况

霍州力拓煤矿井田位于霍州市西北9 km处白龙镇韩南庄村，行政区划隶属霍州市白龙镇管辖。井田面积为6.5471 km2，批准开采井田内1～11号煤层，生产能力为90万t/a，矿井服务年限为8.2年。

矿井正常生产时的矸石率为3%，井下掘进矸石率为1%，生产系统人工拣矸率为2%，全矿矸石量约2.7万t/a，锅炉炉渣和生活垃圾分别为1820.48t/a和131.84t/a。矿井所排放之煤矸石及锅炉灰渣集中堆放于排矸场。在矸石及灰渣堆放过程中不可避免地会产生水土流失，极可能存在如坍塌、滑坡等安全事故及隐患，因此，对矸石堆放场地的防护就显得尤为重要。

2 排矸场现状及设计方案

矿井设计之矸石排放场地位于工业场地东北约860 m处，利用现有沟道布置排矸场地。该场地与工业场地间新修运矸道路，便于运输。沟道为自然沟道，大体呈“V”字形，现为一荒沟，沟道下游及四周没有居民居住区等敏感目标，流域面积约0.17 km2。

排矸场采取水土保持工程、植物及临时防护设计相结合的方式进行防护。工程措施包括拦挡工程、排水工程、边坡防护工程、土地平整。

植物措施为：在边坡上植草防护，草种为紫花苜蓿；顶面灌草混交。灌木选用紫穗槐，草种为无芒雀麦。

临时防护措施：在排矸场挡矸墙、排水工程等工程施工过程中，为避免开挖土方产生水土流失，采取临时苫盖措施。排矸场设计平面布置见图1。

图1 排矸场设计平面布置图

3 排矸场水土保持设计

3.1 工程措施设计

3.1.1 堆矸工艺

首先在沟口设置拦挡措施，堆矸时从沟口开始，沿等高线由沟口向沟头、由下向上堆放，堆放边坡为1:3；先于挡矸墙高处设5 m宽平台，后按照1:3坡度向上堆放，每堆高5 m设置一个平台，平台宽度为5 m。运行期堆放矸石时，每层堆放厚度3 m，用推土机推平、碾压后覆0.5 m厚土；形成永久坡面后，坡面覆0.5 m厚土。当矸石堆至最终设计高度封场后，矸石顶面覆土，厚度80 cm。

3.1.2 库容计算、库容曲线

首先在实测1：1000地形图上量出不同高程对应的占地面积，然后计算出各层间库容及累积库容，并绘制高程-顶面积-库容关系图，见图2。

图2 排矸场高程—顶面积—库容曲线图

矿井建设期弃渣0.23万m3，运行期2.9年矸石排放量为5.02万m3，层间覆土量为0.52万m3，所需土方取自排矸场内，与库容相互置换，故层间覆土不计库容；坡面覆土量为0.25万m3，顶面覆土量为0.56万m3。坡面和顶面覆土取自排矸场尾部取土场。以上总计6.06万m3。

排矸场库容要求为6.06万m3。通过库容计算及库容曲线分析，排矸场底相对高程为0 m，顶面高程为22.0 m时能够达到要求，堆放高度为22 m。当堆放至该高度（22.0 m）时对排矸场进行封场，同时进行治理。

3.1.3 工程等别和标准

根据库容和堆放高度确定排矸场为Ⅴ等工程，防洪标准按20年一遇洪水标准设计，50年一遇洪水标准校核。

3.1.4 措施布设

工程措施包括拦挡工程、排水工程、边坡防护工程、土地平整等。

拦挡工程：在排矸场沟口布设挡矸墙，长度22 m。

边坡防护工程：当堆矸至挡矸墙墙顶高程后，先设5 m宽平台后进行削坡开级，各平台之间坡比为1：3，坡面采用植物护坡。

截排水工程：实地踏勘，由于排矸场汇水面积较小，排水工程在矸石堆放的过程中建设。随矸石堆放形成永久平台和边坡后，在平台上修建横向排水沟，在坡面上修建纵向排水沟，在弃渣和排矸场山体相交处修建截洪沟。横纵向排水沟和截洪沟相互连接。截洪沟下游经过消力池消能后自然排放至自然冲沟。截洪沟长度为285 m，横纵向排水沟长度为222 m。

土地平整：挡矸墙永久边坡形成后先覆土50 cm厚再进行护坡。排矸场顶部覆土80 cm进行土地平整。

3.1.5 水文计算

根据水文经验公式进行洪峰流量的计算。

挡矸墙上游汇流面积为0.17 km2。

设计暴雨量计算公式：

式中：I1p—频率为p的1 h暴雨量，mm；

kp—频率为p的皮Ⅲ型曲线模比系数；

设计洪峰流量的计算公式：

式中：Qp—频率为P的最大洪峰流量，m3/s；

k—径流系数，取0.65；

I1p—设计频率的平均1 h降雨强度，mm/h；

F—挡矸墙以上的控制面积，km2。

水文计算成果见表1。

表1 水文计算成果表

3.1.6 建筑物设计

1）挡矸墙墙体设计。在排矸场下游的冲沟出口处采用浆砌石重力式挡矸墙进行拦挡，墙高3.50 m（地上部分2.0 m，地面埋深部分1.5 m），墙顶相对高程为2.0 m，墙顶宽为1.2 m，面坡坡比1：0.4，墙背坡比1:0.2，墙趾0.5 m，墙踵高均0.8 m，用M7.5水泥砂浆砌石砌筑，M10水泥砂浆勾缝。每隔10 m设置沉降缝与伸缩缝一道，沉降缝与伸缩缝合并设置，缝宽3 cm，缝内用沥青木板填充，填深0.2 m。墙体结构设计见图3。

图3 挡矸墙墙体结构设计图

为了排出排矸场内的部分渗水，在挡矸墙上设置三道10 cm×10 cm的排水孔，排水孔呈梅花状布置，并在上游坝面上设置反滤体粗砂与碎石，均为20 cm。

2）矸石的堆置。根据排矸场的地形条件，采用从下至上分层压实、逐层堆置的办法，削坡升级，坡度采用1：3，每隔5 m高留一5 m宽的平台（马道），逐层覆土压实，至最终堆矸顶面相对高程22.0 m为止。在坡面矸石面上铺一层0.5 m厚的壤土，采用植物护坡。

3）截洪沟。截洪沟为梯形断面。截洪沟以均匀流的形式排水，按照明渠均匀流公式进行试算。截洪沟断面尺寸试算见表2。

根据上述公式试算，当底宽0.7 m，高度为0.6 m时，截洪沟可以通过50年一遇的洪峰流量2.16 m3/s。出于安全排洪考虑，顶面和岸坡截洪沟采取相同设计断面，另外再考虑超高0.1 m。

由此确定截洪沟为梯形断面，底宽0.7 m，渠深0.6 m，坡比1:0.75，壁厚为0.3 m，碎石垫层厚0.10 m，长度为285 m。

4）横纵向排水沟。在形成的平台（马道）和永久坡面上设置横纵向排水沟，采用矩形断面，深、底宽均为0.4 m，侧墙和底板厚均为0.3 m，修建长度222 m。

5）挡水土埂。在渣顶边缘2m处设置一个挡水土埂，长度为102 m，高 0.5 m，顶宽 0.5 m，两侧边坡 1：1。

6）覆土、土地平整。运行期堆放矸石时，每层堆放厚度3 m，用推土机推平、碾压后覆0.5 m厚土；形成永久坡面后，坡面覆0.5 m厚土。当矸石堆至最终设计高度，覆土厚度80 cm。

在排矸场达到最后设计标高后，对排矸场顶部进行整治。

3.2 植物措施设计

1）措施布设。排矸场植物措施包括在坡面种植紫花苜蓿，护坡面积0.79 hm2；当矸石堆置到最终高程时采用紫穗槐与无芒雀麦混交的方式对顶部进行植被恢复，恢复面积0.71 hm2。

表2 截洪（排水）沟断面尺寸试算表

2）绿化措施技术指标。排矸场绿化技术指标见表3。

表3 排矸场绿化技术指标

3.3 临时防护措施设计

在排矸场挡矸墙、排水工程等工程施工过程中，为避免开挖土方产生水土流失，采取临时苫盖措施。对临时堆土（堆料）采用防护网苫盖，面积3000 m2。

4 结论

力拓煤矿排矸场通过拦挡工程、排水工程、边坡防护工程、土地平整、植物护坡、封场顶面植被恢复及临时堆土（渣）苫盖、植物防护措施等工程的实施，可有效防治矿井生产运行过程中矸石及灰渣堆放而产生的水土流失；防止矸石堆放后的滑坡、坍塌；确保排矸场下游安全。同时，植物措施的实施，可有效地改善局部生态环境，工程建设有良好的生态效益、经济效益和社会效益。