桐麻湾煤矿排矸场水土保持措施设计研究

孔祥周

(四川省攀枝花市水土保持生态环境监测分站，四川 攀枝花 617000)

1 引言

煤矸石是煤矿生产当中与煤炭共生的一种含碳量低、坚硬的黑色岩石，因为达不到使用要求，所以在煤炭生产当中一般作为废弃物处理，堆积在荒地上，但是长期存储之下会对环境造成极大的破坏和影响，比如说破坏周边生态环境、导致大气和水体污染等，在甚至可能会出现失稳等地质问题，导致严重的煤矸石山垮塌事故，轻则影响生态环境，严重的情况可能会导致巨大的伤亡事故。因此，在煤矸石场建设的过程中，必须重视加强水土保持措施，最大程度的减少煤矸石堆放对周边环境的负面影响。

2 桐麻湾煤矿简介

2.1 桐麻湾煤矿的基本情况

桐麻湾煤矿位于攀枝花市西区，矿区面积0.62 hm2，矿井开采范围内煤炭地质储量为580.8万t，核定生产能力为15万t/年。根据该煤矿目前的生产能力，该煤矿年排矸量达12000 t，这些煤矸石的处理是摆在矿区的难题。以目前的技术条件，煤矸石还没有一个完全无害的处理方法。该矿区煤矸石约有30%用于回填采空区，其它的需要采取有效的措施进行环境保护。根据《中华人民共和国水土保持法》的有关规定，该矿区通过建设排矸场集中堆放。露天堆放会产生很多环境问题，主要包括水土流失、环境破坏等，其中水土流失问题最为突出。

2.2 桐麻湾煤矿地质与环境状况

桐麻湾煤矿靠近金沙江热河谷，年平均降雨量达到780 mm。该矿区的气候以温湿为主，降水量比较多，无霜期可以达到296 d，比较适合各类植物生长。根据地质部门提供的相关资料，矿区的多年平均悬移质年输沙量(G)为300 t，多年平均推移质年输沙量为60 t，多年平均输沙总量360 t。这说明，该地区的水土流失问题一直比较严重。

矿区中部为向南倾斜、高差100～350 m、坡角15°左右的顺层山坡，矿区的煤层煤系岩层顺坡倾斜，植被破坏比较严重。排矸场库区在建设过程中的地质勘测当中发现，主要是以昔格达组泥岩及粉细砂岩为主，受到雨水侵蚀以后，岩土会变得比较酥软，容易发生泥石流等风险，也在客观上增加了水土流失治理的难度。

2.3 排矸场水土流失预测

考虑到排矸场攀煤集团花山煤矿技改工程地形地貌、植被等自然环境非常相似，所以在水土流失治理当中，攀煤集团花山煤矿技改工程的水土流失治理经验是可以借鉴的，在治理当中根据该煤矿的治理经验，确定相应的水土流失预测参数。

在制定水土流失治理方案的过程中，主要根据预测时段、水土流失面积、地形条件及土壤侵蚀模数进行，根据收集到的数据以及桐麻湾煤矿排矸场水土流失的相关资料，经过科学的结算，确定该区域的年平均水土流失总量为484.23 t，背景水土流失量为203.43 t。其中，运行期的水土流失总量为240.62 t。水土流失问题呈现出日益加重的趋势。

3 桐麻湾煤矿排矸场水土保持措施设计

3.1 工程总体布置及初期坝坝型选择

3.1.1 程总体布置

根据排矸场地质、地表特征，在水土保持当中将基础坝设置在煤矿副井口西北方约150 m处的山沟较狭窄的地段，坝基设计高程为为1054.00 m，在设计上采用了分层堆放的方式进行，整体上可以分为三级。沿着坝底向上逐渐的用煤矸石铺填、碾压、削坡，每一级都要的压实。同时，在坝上设计了排洪涵洞，排洪涵洞主要包括进口导流段、洞身段和出口河道整治段三部分，考虑到排洪的需要，以及地势的特征，排洪涵洞采用的是“八”字设计方案。涵洞洞身采用的是半圆拱城门行首设计，使用钢筋砼进行建设施工。并设计了三条排水沟，设计在三级堆放平台该的内侧，这样洪水就可以沿着水沟自上而下排出，并且可以有效的保护沿岸的水土，矸石坝外坝坡表面铺填40 cm厚壤土并植草皮护坡，达到更好的水土保护的效果。

3.1.2 坝型选择

根据桐麻湾煤矿排矸场河段的地形地质条件，以及施工技术可行性和施工材料等时机情况，在方案论证阶段提出了两种不同的坝型建设方案，并对两种方案的优劣进行了比较分析。结果显示，方案一是M7.5浆砌石重力坝，其具有后库容量大、占地面积少等特点，但是建设的成本相对比较高，对坝址地基要求比较高，可以说有点超出了设计预估。方案二是碾压堆石坝，这种设计方案虽然容量少，但是建设成本低，安全性比较好，对地基的要求相对比较低，所以更加适合本项目施工建设的要求，经过多方权衡以后最终选择了方案二。

3.2 水土保持措施设计

3.2.1 基础坝

根据前面的方案设计，基础坝设计相关数据如下：高程1060.00 m，坝项宽3.0 m，坝顶长24 m，最大坝高6 m。考虑到排水的需要，坝坡的坡度就非常关键，上下游坡的坡度分别为1∶1.5和1∶2.0，同时考虑到小规格的矸石防护需要，在上游侧铺设了一层60 cm厚的石渣料反滤层，这样小的煤矸石可以留在反滤层当中，从而达到有效的防止水土流失的目的。

3.2.2 矸石坝

(1)断面尺寸的拟定。

在施工当中采用的自坝底向上逐级用煤矸石铺填、碾压、削坡而成，坝高设计为21.0 m，采用三级分层堆放建设的模式，每级高7 m，外坝坡度1∶1.8，两级坝间平台宽度3.0 m。其中，为了达到排水的目的，在每一层的平台内侧都专门设计排水沟。

(2)结构计算。

为了保证矸石坝的结构稳定性和安全性，在设计当中采用了瑞典条分法计算坝体的稳定安静系数，计算不同时期的孔隙水压力，确定正常运行期和正常运行期+7°地震的情况结构的稳定性。

3.2.3 排洪涵洞

排水涵洞采用的是八字导流设计，之所以采用这种设计主要是因为雨季的排水自上而下逐渐增加，具体的设计规格为水平投影长度8.0 m，涵洞进口底宽2.5 m，导流段前缘宽度3.5 m，导流边墙高4.0 m，厚0.5 m，导流段底坡12.86%。涵洞的宽度决定了水流速度，高速水流会增加冲刷力，无疑会导致水土流失更加严重。所以，八字导流设计可以有效的解决水流速度过高的问题。为了保证坝底的稳定性，底板和1 m以下直墙段等都是采用C30混凝土进行施工。涵洞洞身段为半园拱城门洞型钢筋砼结构，这种设计既可以满足排水的需要，另外能最大程度的保证结构的稳定性。其中，在拱身施工当中使用的硅粉钢筋砼结构，其它均采用C30钢筋砼结构，并预留好相应的沉降缝，避免因沉降影响到排水涵洞结构的安全性和稳定性。缝内设铜墙片止水，缝间填沥青砂浆，在满足沉降的同时，还能有效的避免沉降缝当中的水土流失影响到结构稳定性。

3.2.4 平台排水沟及植被

矸石坝的排水沟采用的是纵向设计，采用平面布置的方式，分别设置在3个平台的内侧，3条排水沟的设计长度为120 m，从右向左坝肩倾斜，纵比降1/100。虽然，排水沟控制集雨的面积相对比较小，但是因为采用倾斜设计的方式，所以并不影响其排水的功能。度颜面尺寸及其它方面根据施工场地的实际情况，尺寸宽×深=0.4 m×0.4 m，并采用衬砌施工的基本形式，采用C20混凝土施工。在坝坡采用了铺设红壤土的方式，种植草本、藤本等植物，利用植被来达到坝坡防止水土流失的目的。

4 结语

煤矿排矸场水土保持是一项非常复杂的工作，在建设的过程中必须根据该地区的地质、气候等情况，制定详细的水土保持方案，在方案当中要将工程与环境保护措施结合起来，这样才能有效地保持煤矿排矸场的水土，避免长期堆放对环境造成破坏，以及与之相关的地质坍塌事故。