浅析华亭矿区矸石场整改治理措施

高利鹏

摘要：简述了以平凉新安煤业蚰蜒沟矸石场整改治理为例，对整个华亭矿区矸石场整改治理起示范作用，主要从华亭矿区地质构造、水文地址特性、水土流失防治措施体系及总体布局、土壤流水预测、土石方平衡及抗滑稳定安全系数验算、植被覆土绿化的治理过程，着重介绍了矸石场治理采取的对应措施与实施效果的方案设计及方案验算。

关键词：自然概况；施工工艺；防止措施；总体布局；验算

平凉新安煤业成立于2004年7月，2005年7月破土动工，2011年10月建成，是徐州矿务总公司的全资子公司，注册资本金2.3亿元，矿井井田面积4.51km2。可储藏量7425万t设计生产能力90万t/年，主系统预留年生产能力150万t/年。综合机械化率100%。已有的矸石场已经堆满封库。为了保障矿井正常生产，蚰蜒沟矸石场是现申请在蚰蜒沟流域设立一处矸石堆倒场，作为矿井生产期间堆倒矸石的必须场地。

1 蚰蜒沟流域自然概况及地质条件

1.1 自然概况

区域位于黄土高原西南部——陇东黄土高原南部，项目区在甘肃省水土保持区划上属于黄河流域防治区陇东黄土高原亚区平庆高原沟壑小区、区域内沟壑纵横，地形起伏连绵，属陇山（六盘山）余脉区、黄土丘陵塬区，塬面两侧沟谷切割较深，基岩多出露在沟谷之中，自然坡度起伏大。蚰蜒沟流域区域内水蚀切割严重，形成黄土丘陵沟壑、梁、峁、冲沟等地貌齐全，地形起伏较大，高程约1493～1264m ，相对高差219.0m。本项目区土壤允许土壤流失量为1000t/km2·a。根据《甘肃省人民政府关于划分水土流失重点防治区的通告》，项目区为省级水土流失重点保护区。

1.2 地层岩性

域内为地台沉积的震旦系、寒武系、奥陶系海相地层，分布有中生界内陆湖盆沉积及第三系断陷盆地内河湖相沉积。第四系风积、冲积的黄土及冲、洪积砾石土广泛分布于阶地、谷坡和部分山区地表；上第三系主要分布在黄土塬的基底，以红黏土、砂岩及泥岩为主；白垩系分布，主要为砂岩夹页岩、泥岩，与下伏地层呈角度不整合接触；奥陶系分布，为含泥质条带灰岩。

1.3 地质构造

根据实地勘察，蚰蜒沟流域内为丘陵土石山区，流域地质构造比较单一，山谷顶部为第四纪黄土覆盖，山坡多红色岩石风化沙粒碎石土和坡积洪积沙壤土，局部有24厚的黄土沉积。沟底受洪水多年切割，两侧陡峭地段有不连续的侏罗纪红砂岩出露，风化明显，质地较松软，硬度为6级。在拟规划渣场沟道两侧地下水不发育，无地下水主要补给和水源含水层，无断层、断层破碎带和溶洞以及天然滑坡或泥石流影响，有利于沿沟工布设程设施。

1.4 水文地质特征

土石山区第四系中更新统风积黄土底部埋藏有潜水，埋深约60m，受大气降水补给，向沟谷排泄，水量小，水质好，无侵蚀性，且沟道内常年有流水旱季较小，平时流量在0.2m3/s。

2 施工方法与工艺

本项目采用先拦后弃的措施，即先进行拦挡措施、排水设施的修建，在落实这些措施后进行堆倒矸石，堆倒矸石的高度按照每5米一个台阶，每个台阶设5米宽马道，矸石边坡以堆倒矸石的自然安息坡度30°为主；矸石场的治理实行分阶段治理，矸石由沟道底部向顶部堆倒，下一个堆倒面形成后进行覆土、修建排水沟，落实植物措施后，进行上一个堆倒面的工序；堆倒到设计面以后转入下一个工作面堆倒面。

3 水土流失防治措施体系及总体布局

3.1 水土流失防治措施体系

依据上述原则和水土流失的特点，结合项目区自然条件和社会经济条件，在防治分区的基础上，水土保持措施布局应有效避免因场地平整、基础开挖等建设活动引起的水土流失，合理进行水土保持防治措施的总体布局。本水土保持方案水土流失防治体系见图1。

3.2 水土流失防治措施总体布局（详见图2）。

（1）矸石堆倒区：以拦挡、防渗、覆土、种植植物措施为主。

（2）運矸线区：以道路硬化、绿化措施为主，配套排水设施。

（3）沟道治理区：以工程措施为主。

4 可能造成的水土流失量及新增水土流失量预测方法

（1）可能造成新增的土壤流失量预测包括原地貌土壤侵蚀量、土建施工期土壤流失量和林草恢复期的土壤流失量预测三部分。土壤流失量预测采用数学模型法。

（2）土壤流失量预测方法

根据不同防治区域、不同预测单元、不同的预测时段，采用相应区域扰动后侵蚀模数与原地貌侵蚀模数之差值与其扰动面积和预测时段的乘积，计算原地貌扰动后在不采取水保防护措施情况下的新增土壤流失量。

不同时段土壤流失量按下式计算：

W=∑2k=1∑ni=1Fi×Mik×Tik

新增土壤流失量按下式计算：

ΔW=∑2k=1∑ni=1Fi×ΔMik×Tik

式中：W——扰动地表土壤流失量，t；

ΔW——扰动地表新增土壤流失量，t；

i——预测单元（1，2，3……n）；

k——预测时段，1，2，指施工期（含施工准备期）和自然恢复期；

Fi——第i个预测单元的面积，km2；

Mik——扰动后不同预测单元不同时段的土壤侵蚀模数，t/km2·a；

ΔMik——不同单元各时段新增土壤侵蚀模数，t/km2·a；

Tik——预测时段（扰动时段），a。

5 水土保持防治设计及工程措施

5.1 工程措施设计原则

（1）坚持分区防治的原则，制定切实可行的防治体系，以工程措施和植物措施相结合，永久措施和临时措施相结合的治理原则；

（2）水土保持工程设计坚持“预防为主”的原则，防患于未然；

（3）坚持不重不漏，系统全面的原则。将主体工程设计中采取的工程和植物措施作为本工程水土保持措施的一部分，并将其纳入水土流失防治措施体系中；

（4）使防治区的水土流失得以拦挡，削减风力侵蚀，水土流失得到控制；

（5）使防治区的空闲地表得到整治，逐步恢复到原地表状态；

（6）场地平整主要针对各施工区施工结束后适宜植被恢复的区域；

（7）硬化面积不超过空闲地面积的1[]3，绿化面积占空闲地面积的2[]3以上；

（8）临时挡护措施主要是针对临时转运土场或临时堆放场地，均采用苫盖等临时防护。

5.2 工程措施

a.整治场地、摊铺矸石：该矸石山目前堆放坡度约为45°，堆倒矸石量月2.5万m3，有滑坡塌方现象。将现状的45°坡消减为30°（1∶1.732）坡，稳定坡面。b.剥离表土：在煤矸石堆倒前，应先采集熟土壤，就近堆置，以备日后复垦时利用。c.截、排水沟：拦截矸石顶部来水，排走矸石顶部降水。

5.2.1 矸石山顶部平面与坡面的交界处的排水沟排水设计

①防御标准：按10年一遇24h暴雨为设计标准，即10年一遇设计暴雨为12.5mm入渗量为3.5mm；

②来水量设计：坡面来水面积按照2.5ha考虑。

Q=F（IrIp）/6

式中：Q——设计流量，M3/S；

F——坡面汇水面积，（按照2.5ha设计） ha

Ir——设计频率10分钟平均降雨强，mm/min；

Ip——相应时段土地平均入参强度，mm/min。

通过以上计算坡面来为0.375m3/秒。

5.2.2 平台上排水沟设计

计算方法同上，马道排水渠来水面积取0.25ha，经过计算，采用C15混凝土，矩形底宽0.4m，深0.4m，厚度约0.05m的混凝土排水渠能够满足排水需要。

5.2.3 马道平台之间竖向急流槽设计

同上，积水面积取2.5ha，双边布设，按照水平方向，每延长300m，布设一条，10年期间布设2条，比降按照10%设计，断面底宽0.6m，深度0.5m，一面边坡1∶0.5，另一面直角的坡面比的灰土或C15混凝土排水渠能满足坡面来水的要求。

5.2.4 挡渣墙

拦挡矸石以防矸石流入下游造成水土流失、污染下游水源。

墙体稳定用下列公式计算：

①抗滑稳定安全系数采用Ks=f*ΣG /ΣE计算。

式中Ks——抗滑稳定安全系数；

f——摩擦系数；

ΣG——竖向荷载总和（kn）；

ΣE——水平向荷载总和（kn）。

计算中，弃土弃渣容重取1.85t/m3，渣体内摩擦角取33°，浆砌块石墙体容重取2.2t/m3，墻体与基础的摩擦系数取0.5。

②抗滑稳定安全系数采用Kt=抗倾覆力矩倾覆力矩=（G1×La+Pay×Lb）Pax×Lh计算。

式中Kt——抗倾覆安全系数；

G1——墙体重量（t）；

La——G1对墙趾点的力矩（tm）；

Lb——Pay对墙趾点的力矩（tm）；

Lh——Pax对墙趾点的力矩（tm）。

③挡土墙基础应力采用σmaxmin=RB1±6×EB计算。

式中R——竖向荷载总和（t）；

B——截面宽度（m）；

E——偏心距（m）。

经过以上试算和分析当墙体采用M10砂浆砌块石重力式挡渣墙，断面为：顶宽0.3m，高1.0m，基础埋深0.5m、两边墙比采用1∶0.3时满足稳定、抗滑、抗倾、地面承载力的要求。

治理后矸石堆场呈梯田阶状分部，从地面开始每隔高差5米做一条马道，用以治理期间的施工通行以及治理后对矸石山的维护作业，马道之间边坡坡度为30°（1∶1.732）。同时马道内侧设置一条排水沟，用以排除矸山上的雨水，马道排水沟之间由边坡导流渠串联起来，最终将雨水汇集排到下游。其平面布设图见CXYYG05。

5.3 防渗处理

按照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB18599 2001）为防止煤矸石的渗滤液的流失下渗，在遇砂砾层和原河床滩地区域，当天然基础层的渗透系数大于1.0×107cm/s时，应铺设1.5m 的碾压粘土防渗层或人工材料构筑防渗层，人工防渗层防渗层的效果应相当于粘土层的防渗性能，其渗透系数应小于1.0×107cm/s。

总体布设要求：逆着流水方向，沿沟底覆盖粘性黄土，铺设宽度因地形而建，从沟道断面图中量算第一阶段，铺设总长550m，宽10～30m，平均宽15m，厚度1.5m，共需黄粘土1.237万m3。

5.4 植物措施

植物措施布设原则

（1）依照《开发建设项目水土保持方案编制技术规范》的要求，以服从生产、保持水土、改善环境为目标，结合工程特点和项目区自然条件，合理安排植物防护措施。

（2）针对项目区自然气候特点，充分考虑植物生态用水，坚持“适地适树，适地适草”原则，选择乡土树种和经多年种植已经适应当地环境的引进树种为主。

（3）以分类指导为原则，按水保防护功能要求，因地制宜，绿化与生态修复结合，达到控制水土流失、保护区域生态环境、绿化美化环境的目的。

参考文献：

[1]中华人民共和国水土保持法，全国人大常委会，201131.

[2]国务院关于加强水土保持工作的通知，国务院.国发[1993]5号文.