府谷某露天煤矿渣场堆置与水保措施探析_韩志忠.pdf

2023.No.4收稿日期：20220425作者简介：韩志忠（1967），男，工程师，主要从事水利水保工作。摘要：露天煤矿渣场堆置对保持水土影响巨大。基于府谷县某露天煤矿情况，通过对煤矿排土场堆置方案及边坡稳定性探讨，提出透水石堤、排水沟、削坡、覆土、截排水沟等工程措施和兴建防风林等植物措施，以最大限度地减少排土场造成的水土流失，为同类型项目的渣场水保建设提供了借鉴。关键词：水土保持；渣场；边坡稳定；煤矿；府谷中图分类号：S157.2文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0035-03DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.009府谷某露天煤矿渣场堆置与水保措施探析韩志忠，赵春红（府谷县水利工作队，陕西榆林719000）1概况府谷县某露天煤矿面积 76.8 km2，设计规模11.0 Mt/a，初设剥采比12.0 m3/t，达产后年剥离量约4 125万 m3，设计服务年限80 a。首采区为一采区，位于采掘场中南部，可采储量17 804万t，服务年限18.4 a。工程占地面积共计480.64 hm2，其中永久占地 424.63 hm2、临时占地 56.01 hm2。本工程土石方开挖总量4 271.37万m3，其中表土 60.61万 m3、土石方 4 210.76万 m3；填方总量 171.37万 m3，其中表土60.61万 m3、土石方110.76万 m3；93.72万 m3的剥离量区间内自平衡；剩余4 100万 m3的剥离量均弃于排土场；采掘场剥离的40.10万 m3表土临时堆存，将来用于植被恢复、附近区域绿化或复耕。2渣土场堆置方案分析本工程渣土场按照先挡后弃原则设立，弃土前应在坡脚外围位置先修建挡渣墙，然后弃土，弃土分层堆放并压实。由于沿线表土资源缺乏，弃渣场应尽可能剥离表土，采取临时拦挡措施，并在其周围设置适宜的截排水沟，防止径流对弃土场的冲刷1。排土场在施工过程中依据剥离物的强度调整排弃顺序，坚硬物料排在边坡下部有利于边坡的稳定，避免排土场局部区域强度较低造成滑坡；完善排土场周边防排水体系，在排弃时，基底尽量排弃块大的、坚硬的、见水不易泥化的物料，尽量不要破坏原有的径流条件，保持基底排泄畅通。经过勘察，该露天矿排土场设在矿坑的东北部，毗邻矿坑，占地面积为 120.44 hm2，截至目前已累计排土 36.86万 m3，最终排弃总量 4 300万m3，排弃标高 180 m，最终排土高度 102 m，排土总容量为48.38万 m3。排土场堆置采用分层排弃法，每 15 m布设1处平台，排土台阶 7个（地表标高78180 m），当排土每达到一个设计标高后及时进行平台及边坡覆土，在平台植被种植前要使用推土机对平台进行分块平整。排土场技术指标，详见表1。位置（中心点坐标）E1323508.3N461652.6弃渣场类型平地型占地面积/hm2120.44占地类型耕地草地设计高程/m180排土场容量/万m348.38最终堆渣量/万m34 300基建期堆渣量/万m336.86最终堆高/m102基建期堆高/m42台阶高度/m15各级平台宽度/m2.7表1排土场技术指标根据主体设计和项目建设实施情况，该矿剥离物排弃方式均采用汽车-推土机排土工艺，即采用汽车将剥离物运至排土场倾倒，由推土机辅助推平。3排土场稳定性评价3.1安全稳定要求本工程排土场最终堆渣量4300万m32000万m3，对照 水土保持工程设计规范（GB51015-2014）2，堆渣高度 102 m100 m。按堆渣量、堆渣最大高度、弃渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度，确定本弃渣场级别为 1级，工程抗滑稳定安全系数正常应用不应低于 1.25，非常应用不应低于 1.103。防洪标准采用5a一遇设计，即以10 min短历时暴雨量进行设防。3.2边坡稳定性分析经过勘察，该排土场基底为第四系，第四系由松散粗砂、中砂、细砂、粉砂、黏土组成。排土场选择在首采区开采界内拉沟位置的东北侧，紧邻首采区拉沟位置，首采区开采界内拉沟位置与排土场的安全距离为 70 m。此处距采掘场较近，运距短，地势平坦，能满足外排总量的要求。排土场周边无村镇及其他设施，不会对附近村镇、设施造成环境污染。海河水利352023年4月排土场岩性由基底原岩及排弃物料组成，物料排弃的不同顺序会导致排土场稳定性的不一致，坚硬物料排在边坡的下部有利于边坡的稳定。在排土场中部，对边坡稳定要求不高的地区可适当排弃一些强度低的物料，而周边对边坡稳定要求较高的地区则必须排弃一些强度较高的物料。在排弃时，基底尽量排弃大块的、坚硬的、见水不易泥化的物料，尽量不要破坏原有的泄水通道，保持基底畅通。为了掌握排土场外边坡的稳定情况，采用自动化程度较高的边坡雷达对边坡面进行监测，辅以GPS 进行点、面补充监测4。通过对露天矿边坡开展地质调查勘察和数值模拟等，得出以下结论。（1）采掘场边坡。其潜在的破坏模式如下：一是第四系台阶的片帮及垮落；二是沿煤层顶底板的顺层剪切破坏。其滑坡模式主要为“坐落滑移式”滑动，具体表现为沿地面或第四系台阶圆弧形切入、沿煤底板顺层滑移、沿坡脚薄弱区域圆弧形剪出。（2）排土场边坡。其潜在的破坏模式为沿排土场内部圆弧形滑动，现状条件下沿排土场基底及基底以下滑动的可能性较小。（3）排土场-东端帮复合边坡。其潜在的破坏模式为排土场及东端帮小范围独立破坏，现状条件下复合边坡整体出现滑动的可能性较小。（4）采用极限平衡法，按照 露天煤矿工程设计规范（GB50197-2015）有关规定5，现状条件下排土场稳定系数可以满足安全储备要求，排土场稳定条件较好。排土场周边无村镇、河流、铁道及其他建筑设施，不会对周边造成安全隐患。露天矿采用边坡雷达及 GPS 监测预警系统对边坡稳定性进行实时监控预警，排土场安全具有一定保障。3.3稳定性评价排土场边坡稳定性受各种各样因素影响，根据地质报告和相关矿山经验，确定排弃物凝聚力 C=0.03MPa，=25，v=1.8t/m3；基底天然强度C=0.03MPa，=24，v=1.8 t/m3；基底饱和强度 C=0.005 MPa，=15，v=1.8 t/m3。排土场滑坡模式为圆弧滑坡。排土场边坡在排高 102 m、边坡角度 18的情况下，在有水的影响下稳定系数为 1.145、没有水的影响下稳定系数为 1.78。弃渣场抗滑稳定安全系数对照详见表2，满足规范要求。排土场排弃前，清除底部腐质土，以保证基底的强度及排土场的稳定。4排土场水保措施分析4.1工程措施4.1.1透水石堤排土场松散的剥离土在暴雨径流冲刷下存在潜在的滑坡，易引发水土流失，给周边地区带来危害。按照水土保持工程防治原则，先拦后弃，即在排土场外围先修筑透水石堤，然后再弃土。根据水土流失治理经验，当地由于冬季寒冷冻深大，刚性砌体易发生冻胀破坏，透水石堤具有断面小、施工简便、难度小、投资少等优点。透水石堤布设在排土场周边，断面形式采用梯形，断面尺寸采用 550 cm（下宽）100 cm（上宽）150 cm（高），内外坡比均为 1 1.5，全长 3 573 m，工程量17 422 m3。为预防排土场外边坡土体因水力侵蚀而产生泥沙淤积，透水堤与边坡之间需预留 4 m的水平段。施工方式采用推土机推土，拖拉机压实。4.1.2排水沟排土场东南高西北低，东南侧的地表径流将向排土场汇流。排土场周边无排水设施，其东侧及南侧的地表径流将向排土场方向汇流。为此，在排土场透水堤的外侧设置周边排水沟，以疏导地表径流。排水沟采用梯形断面，断面尺寸采用55 cm（下宽）125 cm（上宽）45 cm（高），边坡比 1 1，全长 3 097 m。排水沟纵坡根据地形确定为 1.0%，排泄最大流量0.05 m3/s，布设防御标准为 5 a一遇，即10 min短历时暴雨量，以保障排土场的安全稳定。4.1.3边坡防护措施根据排土场排土方式及排土参数，分台阶堆放使边坡更加趋于稳定。排土台阶高 15 m，削坡边坡角 33。为了减少工程量，降低工程造价，采取半挖半填方式削坡，即以边坡的一半为界，以上部边坡为挖方、下部边坡为填方，回填边坡应层层回填并逐层夯实。整个削坡方量 313 800 m3。施工中，严格按照水保措施布设要求，实行削坡施工与主体工程整修边坡施工相结合，并严格控制排土场外边坡削坡的施工质量，以减少二次施工的工程量和降低投资，并保证植物措施及时到位，控制施工过程中的水土流失。4.1.4覆土排土场的组成物料主要有砂岩、泥岩、第四系砂土及黏土。土料胶结疏松、固结程度低，结构不良，保水保墒能力差，肥力低，不利于植物 生长。为了尽快恢复排土场外的植被，平台及边坡需首先采取覆土措施，覆土厚度 0.3 m，覆土量 16.56万 m3。覆土的土料来自表土场。表2弃渣场抗滑稳定安全系数对照工 况正常应用非常应用弃渣场抗滑稳定安全系数水保工程设计规范1.251.10排土场1.781.145符合性满足满足韩志忠，赵春红：府谷某露天煤矿渣场堆置与水保措施探析362023.No.44.1.5平台及边坡排水系统主体工程设计中排土场沿顶部平台中部纵向布设排水沟，在边坡坡面上设置边坡陡槽，平台周边径流向中部集中汇流后均汇入边坡陡槽向下排泄。在陡槽末端均布设消力池，水流经消力池消能后层层下泄，最终排入周边排水沟。（1）平台排水沟。排土场外的剥离土料经重型机械层层碾压后，密实度加大，不利于雨水的入渗；加之平台及边坡坡面集水面积较大，当出现短历时高强度的暴雨时，由于入渗少产流多，有可能产生集中径流冲刷平台。为及时排出平台产生的径流，确保排土场平台及边坡稳定安全，在排土场各平台布设排水沟，采用明沟排水的方式。平台排水沟采用矩形断面，断面尺寸采用55 cm（底宽）35 cm（高），长 5 800 m。排水沟采用预制混凝土，厚度 0.20 m。为了防止冬季冻胀破坏，预制混凝土结构下铺设厚 10 cm 砂砾石垫层。（2）陡槽。在边坡坡面设置陡槽，陡槽末端设消力池，以疏导引排平台及边坡径流。3处陡槽分别布设在排土场的南侧。顶部平台连接的陡槽进水部分采用八字形收缩断面，将顶部平台排水沟的梯形断面与陡槽矩形断面平顺连接。排水沟的下泄水流进入陡槽后，由于陡槽纵坡加陡，水流流速加快，过水断面相应可缩小。陡槽槽身均采用矩形断面，断面尺寸采用 30 cm（底 宽）50 cm（高），长 1 219 m。陡槽纵坡与排土场边坡坡降一致，取 1 3.7，可通过的排水流量为0.612m3/s，完全满足3处排土场平台及边坡的排水要求。（3）消力池。陡槽的下泄水流流速较大，为此在陡槽末端设置消力池。消力池采用矩形断面，断面尺寸采用 100 cm（底宽）80 cm（高）700 cm（长），流量 0.589 m3/s，跃前水深 0.029 m，共布设消力池37 个。陡槽、消力池均采用预制混凝土砌筑。陡槽底板厚20 cm，侧墙厚20 cm。为了防止冬季冻胀破坏，陡槽与消力池底均铺设厚 10 cm砂砾垫层。4.1.6围墙外顺接截排水沟根据排土场地形，在其北侧、东南侧布设顺接截排水沟，引导排水至周边孤山川河。排水沟采用梯形断面，断面尺寸采用 100 cm（下宽）200 cm（上宽）100 cm（高），北侧排水沟长约218 m，东南侧排水沟长约 343 m，总长561 m。4.2植物措施4.2.1周边防护林为防止周边降雨径流汇入排土场，保护排土场边坡稳定，减少风力对排土场的影响，工程主体设计中在排土场外周边种植乔灌木，采用混交的紧密结构，呈三角形配置。树种选择耐寒、耐旱、根系发达的植被，林带宽4 m，其中银中杨3 133株，沙棘、紫穗槐 6 266株，撒播草籽面积7.78 hm2。4.2.2排土场外平台、边坡植物措施在排土场达到设计高度时，对排土场外的平台、边坡进行削坡开级、覆土、平整。之后，在平台面营造灌草相结合的恢复林带，在边坡上布设灌木林，并在灌木底部植草，植物措施面积55.41 hm2。排土场外平台、边坡植物措施具有水土保持功能。4.2.3表土堆场植被恢复措施在排土场外完成覆土后，进行表土堆场的恢复工作。该区域采用乔、灌、草相结合的防治措施。乔木选用胸径 2 cm的小黑杨，株行距2.0 m2.0 m；灌木选用冠丛高 30 cm的紫穗槐，株行距 1.0 m1.0 m；草种选用早熟禾。表土堆场的植被恢复具有水土保持功能。但是，表土堆场位于采掘场滚动开采区域内，若采用工程主体设计中的乔、灌、草相结合方式，则各项植物措施难以保留，并且浪费人力、物力、财力。因此，本方案采用撒播草籽的方式，对表土堆场裸露区域进行保护，起到保水固土效果。表土堆场堆土完毕后撒播草籽以固土，草种选择为早熟禾、芨芨草等，播种量250 kg/hm2，撒播面积 7.15 hm2。4.3临时防护措施按照水土保持工程防治原则，先拦后弃，即在表土堆场外围先修筑挡土围埂，然后在围埂内堆放腐殖土，挡土围埂采用草袋装土堆置；待排土场外完成覆土工作后，将草袋土围埂拆除。临时防护措施具有水土保持功能。5结语府谷县某露天煤矿开挖建设造成的水土流失主要集中在排土场。通过对排土场的设置及边坡稳定性探讨，有针对性采取工程措施、植物措施和临时措施，可以减少水力、风力侵蚀，有效减少水土流失，保障排土场安全，为项目建设提供了科学依据。参考文献1 张朔.山区高速公路弃渣场稳定性评估和综合安全控制技术研究D.合肥：安徽理工大学，2021.2 吴晗.淮河生态水系治理工程清淤项目水保方案J.河南水利与南水北调，2021，50（4）：9-10，13.3 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