义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：河南省地质灾害勘查项目（豫招 ）作者简介：方俊（），男，安徽六安人，工程师，年毕业于安徽理工大学，现从事环境治理、生态修复、测绘地理信息工作。引用格式：方俊，袁月 义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究 能源与环保，（）：，（）：义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究方俊，袁月（河南省地质矿产勘查开发局 第三地质勘查院，河南 郑州 ）摘要：针对义络煤业矸石山堆放高度大、坡度陡、形成不稳定斜坡、隐患较大等问题，分析了矸石山面临的地质环境问题，主要为矿山地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏。基于此，提出了综合治理技术，采用削方放坡技术 截排水技术 挡墙技术 灌溉技术 绿化技术 标志碑技术 监测预警技术。通过综合治理技术的实施消除了治理区矿山地质环境问题（不稳定斜坡）造成的危害，恢复了治理区地形地貌景观，改善了矿区生态环境，一定程度上保护了当地人民群众生命财产安全。关键词：义络煤业；矸石山；地质环境问题；削方放坡；截排水；挡墙；灌溉技术；绿化技术中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），：；义络煤业主要开采二煤，由于矿山长期开采，矿山工业场地东部形成 处矸石山，矸石山堆放高度大、坡度陡，形成不稳定斜坡，隐患较大。为了保护矿区内的矿山地质环境，保障当地居民的生活环境及生命财产安全，本文研究了义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理，该地质环境治理技术的实施是一项利国利民、造福后代的民心技术，综合效益显著。研究区地形地貌矸石山位于矿区外，与北部边界直线距离 ，形状为一不规则多边形，总体地势呈南北向展布，南高北低。矸石山最低点位于北部挡土墙处，高程 ；最高处位于矸石山顶部平台处，高程 ，相对高差 。坡面长度 ，坡角 ，平均坡度 。矸石山地形 年第 期能源与环保第 卷如图 所示。图 矸石山地形 矸石山位于义煤集团宜阳义络煤业工业场地南部、锦屏山北部，东部为部分梯田及以往开采形成的露天采坑，矸石山总体沿锦屏山由西北向东南方向堆放，目前排放主要沿东南部边坡进行排放，东部、西部及北部边坡（图 ）已基本稳定。图 矸石山实物图 未来矿山开采产生的矸石继续向东南部堆放。矸石山面积约 ，平面呈栎叶状，矸石山平面展布如图 所示。图 矸石山地形地貌及展布图 主要矿山地质环境问题 矿山地质灾害根据矿区治理技术勘查报告，矿山于 年 月正式投产开始堆放矸石，堆放年限较长，矸石山自堆放至目前未发生过地质灾害。矸石山位于矿区外，下部无采空区，治理区地质环境问题主要为矸石山矸石的堆放形成不稳地斜坡，植被损毁，地貌景观与土地资源破坏。不稳定斜坡位于矸石山北部，斜坡坡向约为 。矸石山总体坡高约为 ，目前矸石山分 个台阶进行堆放，共形成 个台阶：、，对应坡高分别为 年第 期方俊，等：义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究第 卷 、，。最大坡高为平台 至矸石山底部坡脚，坡高约 。矸石山坡度较陡，平均坡度约 ，但局部坡度较陡，坡度可达 。坡体由弃矸石堆积组成，碎石主要为矸石，碎石孔隙度大，结构松散，级配较差。根据对矸石的颗粒进行分析，碎石含量约占总量的 ，粒径为 ，其中以 的碎石含量居多。边坡植被覆盖率低，基本无植被覆盖，坡体水土流失严重，局部处于欠稳定状态，不断有矸石溜滑现象，坡脚滑下的碎石最大可见直径 的石块。边坡下方为工业场地，无房屋及居民居住。含水层破坏该区为矸石山堆放，未造成含水层结构破坏，矸石山堆放主要破坏了区内的地形地貌景观，不利于区内对水源的涵养及水土保持，会对区内地表含水层的补给和断裂构造裂隙水的水均衡产生轻微影响，对地表植被生长产生影响，对水质污染产生影响。其中，水质污染中，物理污染主要是雨水将矸石堆上的细粒冲刷下来，形成黑色淤泥溪流进入河道，使水体污染；化学污染主要为矸石含有 及铁锰等常量元素外，还含有铅、镉、汞等有害微量元素，煤矸石在露天堆放，经雨水淋溶进入地表水或土壤，进而通过土壤渗入浅层地下水，有可能对水体产生污染。根据矿山环境影响后评价报告，对矸石浸出液成分进行试验，得到区内矸石浸出分析试验结果。在矸石浸出液中，有毒有害元素的含量均很低，种污染因子的浸出浓度均不超过 地表水环境质量标准（）类水域水质标准和 煤炭工业污染排放标准（）中生产线标准中规定的限值要求，可作一般固体废弃物处置。因此，矸石浸出液对地表水影响不大，更不会构成污染。综上所述，矸石山堆放对含水层破坏和影响程度较轻。地形地貌景观破坏矸石山位于锦屏山北部，矸石山最低点高程为 ，最高点高程为 ，相对高差 。煤矸石堆放严重破坏了原始地形地貌，视觉上与锦屏山很难协调，严重影响着锦屏山的形象与发展。另外，矸石堆放破坏原地表土体，破坏原生植被，煤矸石裸露地表，由于本身堆放坡度大，水源涵盖较差，矸石山基本无植被生长。因此，矿山矸石山堆放对地形地貌景观的影响和破坏严重。土地资源破坏义煤集团宜阳义络煤业矸石山主要损毁土地类型为采矿用地、其他草地以及建制镇。矸石山对土地资源的损毁类型为压占，未占用耕地。整个矸石山占用土地面积为 ，未来矿山开采产生的矸石继续向东南部堆放。因此，经与矿方协商，本期治理技术仅对北部矸石山进行治理。其他矿山地质环境问题目前矿山正在生产，采用地下开采，现状条件下已形成多处采空区，采空区位于锦屏山下部，部分塌陷区处于沉稳期，地表未发现明显的裂缝及塌陷坑，此外矿区内无其他矿山地质环境问题。综合治理技术 设计条件和有关参数选取 矸石场设计现状条件义煤集团宜阳义络煤业矸石山位于工业场地东南部，相对高差 ，该矸石山堆放前原地形坡度约 ，利用一条近南北向发育的沟谷而建，下覆地层主要为第四系，沟谷长约 ，谷底宽约 ，深度约 。目前，矸石山堆放坡度平均 ，局部较陡（约 ），矸石山堆放总体积约为 万。矸石场北部坡面为空旷广场，无居民居住，空旷广场沿矸石山挡墙长约 ，宽约 ，距离矸石山挡墙约 地面设施主要为部分电线杆等电力设施。矸石场坡角下方目前已设拦挡设施，采用浆砌石砌筑，挡墙上宽 ，下宽 ，高 ，出地面高度约 ，挡墙长约 。矸石山挡土墙如图 所示。图 矸石山挡土墙 矸石场周围未设置截排水设施，仅在 年第 期能源与环保第 卷平台设置有截排水沟技术，排水沟内宽 ，厚度 ，深 ，长度约 。为保证矸石山边坡稳定，矸石山平台及坡面汇水，应新建截排水设施。矸石山 平台处截排水沟如图 所示。图 矸石山 平台处截排水沟 矸石山有关参数选取根据勘查及土工试验结果，天然状态下，取煤矸石内摩擦角 ，煤矸石容重 ，黏聚力 ；饱和状态下，煤矸石内摩擦角 ，煤矸石容重 ，黏聚力 ；填料对挡墙墙背摩擦角 。总体布置根据前述治理原则和设计标准，在 义煤集团宜阳义络煤业有限责任公司矿山地质环境保护与土地复垦方案 和当地土地利用现状的基础上，本次设计的治理方案为：削方放坡技术 截排水技术 挡墙技术 灌溉技术 绿化技术 标志碑技术 监测预警技术 。矸石山边坡整体稳定性较好，地形地貌景观破坏严重，主要针对景观进行修复。对区内矸石山进行分台阶削坡整形，考虑到经济适用，矸石山在分台阶削坡时，平台设计为反倾式坡度，每个台阶形成外高内低的自然坡度，既可保持水土，又不让边坡的水从台阶漫流，避免雨水对边坡覆土的冲涮和侵蚀。矸石山整形的同时建立完善的喷灌系统，既起到扬尘治理作用，也为后期植树、种草绿化起到管护作用。考虑到矸石山本身自燃特性，设计采用黄土覆盖压实，隔绝外界空气；另结合注浆法综合治理矸石山自燃现象，矸石山绿化应考虑与锦屏山、矸石山西部已绿化场地的协调性。同时建立完善排水、集水系统，并对治理技术（灌溉系统、生物）进行维护 。治理技术分项设计 场地整理技术设计义煤集团宜阳义络煤业矸石山治理技术部署主要考虑消除不稳定斜坡隐患，对矸石山扬尘污染进行防治，矸石山绿化等。矸石山结构疏松，局部为高陡边坡，遇降雨易滑坡、流失，施工条件较差，应特别注意施工安全。应自上而下有序进行，利用挖掘机、推土机依山势对凹凸处进行修整，凹填凸削，坡面平整，以利于后续覆土绿化。将坡度消减为约 ，稳定坡面。为便于施工和绿化，坡面按高宽比 （自然安息角 ）进行整平。设计对矸石山北部边坡分台阶进行修整，矸石山顶部（标高 ）为矸石运输传送装置及简易板房等设备，考虑到矸石山设备的后续使用及利用现有的平台，从矸石山坡顶向下依次削坡形成 、共 个台阶，台阶宽度设计为 。为减少平台上雨水的流失，以利于灌溉植被，平台设计为反倾式，内低外高，坡度为 。整形后对台阶及坡面进行覆土，辅以生物技术复绿，并完善台阶排水系统。矸石山坡脚设置挡墙技术等。矸石山坡面整治如图 所示。图 矸石山坡面整治示意 顶部矸石为近几年矿山生产堆积而成，根据现场调查，矸石内部结构松散，削坡后无法形成稳定坡面。由于矸石山底部外围为村民土地，无法放坡至底部，现考虑从矸石山顶部进行削方，现顶部平台标高为 ，削方至 ，削方量为 ，全部堆放于南部矸石堆放场所。矸石山 平台设置有电力设施，南部边坡上方为矸山传送装置，考虑到对电力设施保留及传送矸石装置的后续使用，对 平台南部边坡进行人工修坡，修坡厚度按 计算。边坡面积 ，固废清运量 。坡度修整为原始坡度 ，平台下部边坡进行修坡，坡度为 。平台上简易房进行拆除，拆除面积 。固废清运量 。矸石山东部开挖边界与原地形连接处，对开挖区与进行修坡，修坡坡度为 ，填方区不作处理。年第 期方俊，等：义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究第 卷根据剖面图开挖区主要为 以上平台边坡，其中，边坡开挖与东部边界相差约 ，边坡长约 ；边坡开挖与东部边界相差约，边坡长约 ；边坡开挖与东部边界相差约 ，边坡长约 ；只对 、边坡进行修整。矸石山整形主要为挖高填低，技术量为矸石山边坡开挖、修整等。矸石场开挖总方量 ，回填总方量 ，总体可满足挖填平衡，不足方量可由顶部平台削坡量提供。挡土墙技术（）矸石山坡脚挡墙技术。在矸石山北侧坡脚下设置有重力式挡土墙，主要目的是为了防止滑落的碎石滚落。根据现场测量，挡墙采用浆砌石砌筑，挡墙上宽 ，出地面下宽 ，挡墙出地面高度约 ，挡墙全长 ，墙身采用 浆砌条石砌筑，石材强度不低于 ，挡墙的墙面应用 砂浆勾缝处理；砌筑墙体时制作有泄水孔，泄水孔间距为 ，用 的 管预埋，泄水孔后铺填厚 的砂卵石反滤层，下填厚度为 的隔水黏土层；挡墙每 设一道伸缩缝，缝宽 ；基础嵌入土层 。挡土墙断面如图 所示。图 挡土墙断面 （）重力挡土墙抗滑和抗倾覆稳定性验算。治理区地下水埋深较大，根据勘查钻孔数据，地下水埋深大于 ，本地区降雨量少，没有常年性地表水。因此，防治技术安全性验算可不考虑地下水的影响。在挡土墙抗滑和抗倾覆稳定性验算时，荷载组合考虑自重和自重 暴雨 种工况条件。重力挡土墙主动土压力计算。作用在墙背上的主动土压力，可按库仑理论公式计算，计算公式为：()()()()()()槡（）式中，为土对墙背的摩擦角；为墙背与铅垂向角；为土的内摩擦角；为墙顶土坡坡度；为土体容重；为主动土压力；为主动土压力系数。重力挡土墙被动土压力计算公式：年第 期能源与环保第 卷 ()()()()()()槡（）重力挡土墙抗滑和抗倾覆稳定性验算。抗滑稳定系数计算公式：（）（）（）抗倾覆稳定系数计算公式：（）；（）；()()；()；（）式中，为挡土墙每延米自重；为挡土墙重心至墙趾的水平距离；为挡土墙的基底倾角；为挡土墙的墙背倾角；为土对挡土墙墙背的摩擦角；为基底的水平投影宽度；为土压力作用点离墙趾的高度；为土对挡土墙基底的摩擦因数；为作用在挡土墙上的总主动土压力。在天然状态下，取煤矸石内摩擦角 ，煤矸石容重 ，黏聚力 ；饱和状态下，煤矸石内摩擦角 ，煤矸石容重 ，黏聚力 ；填料对挡墙墙背摩擦角 。分别计算自重工况和自重 暴雨工况下挡土墙的抗滑系数和抗倾覆系数。设定挡土墙高 、下底宽 、上底宽 ，自重工况下，抗滑系数 ，抗倾覆系数 ；自重 暴雨工况下，抗滑系数 ，抗倾覆系数 。对照滑坡防治技术设计安全系数表之级防治技术安全系数值，设计挡墙符合要求。排水渠技术（）截排水渠平面布置。本区的排水系统由截水渠和排水渠 部分组成。截水渠主要是截流矸石山边坡及其上游的洪流，从而减少洪流对边坡及覆土的侵蚀；排水渠主要为汇集各截水渠排出水体和截流其所经区域及上游的洪流，并将汇集后的水体引排至区外，从而防止洪流对边坡及覆土的侵蚀。该区截、排水渠的结构为矩形断面的浆砌石截水渠，设计各种规格的截、排水渠共计 条，其中排水渠条、截水渠 条，分布在矸石山整形平台内侧。具体布置如下：坡面截水渠，近东西向展布，分布在矸石山整形平台的内侧，截流高处台阶上部坡面上的水流；排水渠，近南北向展布，起于顶部平台截水渠，终于矸石山坡脚挡土墙，排导上游水流。（）截排水渠断面设计。矸石山削坡整形后，治理区内最大汇水面积为中部削方平台 ，总汇水面积为 ，根据宜阳县当地降水资料，本地日最大降水量为 。截水渠最大截面面积为 ，排水渠最大截面面积为 。截排水渠断面设计如 所示。图 截排水渠断面设计 （）截排水渠结构设计。排水渠、截水渠均采用混凝土结构，型号为 ，截水渠壁厚 ，排水渠壁厚 ，每隔 设一条宽为 的沥青木板沉伸缝。覆土及土壤修复技术矸石山由于本身的颗粒大，具有易吸热及自燃等特性，不易直接覆土绿化。为更加经济节约地进行矸石山绿化，本方案设计对矸石山实施技术碾压覆盖法，平台及斜坡采用黄土覆盖碾压，结合局部注浆可有效治理矸石自然现象。覆土前，在平台上，按行间距 挖 的土坑，回填客土后用于种植。整地时有明显烟雾和明火的区域，采用含土壤的碱性浆液注浆法，进行灭火和降温，使其温度降到当地煤矸石的自燃临界温度。（）土地修复类型。本次设计土地改造类型主要为林地、灌木林地，并配套灌溉设施。年第 期方俊，等：义络煤业矸石山主要地质环境问题及其综合治理研究第 卷（）土源。区内基本无可供恢复植被的土源，覆土及换填的所有土均需从区外购土。（）覆土设计。覆土技术在场地及斜坡平整的基础上进行，平台及边坡覆土厚度均为自然沉实土壤 ，分层覆土。为方便土壤改良，第 层压实厚度 ，第 层压实厚度 。为防止边坡坡脚覆土被侵蚀，在矸石山坡脚设置截排水，平台设计为反坡向平台。（）土壤修复。本区的用土养分设计：土养分等级执行酸碱度中度、全氮一级、缓效钾一级、速效钾三级、有机质四级、有效磷四级标准，养分低限值分别为全氮 、缓效钾 、速效钾 、有机质 、有效磷 。拟用土的有机质、速效磷尚不满足设计低限，需改良。设计用复合肥改良土壤养分分析，复合肥的氮、磷、钾含量均不低于 ，总含量不低于 ，设计用量为 。灌溉及扬尘治理技术本区属大陆性半干旱气候，年降水量 ，多年平均降雨量 ，且多集中在 月；同时，治理区为低山区，区内沟谷较为发育，且由于矸石山大面积裸露，对天然降水的保持能力极差。本次治理设计对矸石山实施了覆土和不适宜植物生长地区土壤修复等方式改善植被生长条件，但由于覆土的厚度及土壤修复的区域有限，很难保证植物生长的水分要求。为了确保本次种植的植物能达到预计的成活率，设计在区内布置简易的灌溉技术。（）水源。根据水源地调查，设计利用矿山原有污水处理池进行取水，并以泵送的方式输送至治理区的蓄水池，保证灌溉技术的水源供应。（）扬尘及灌溉方式设计。矸石山水源供采用台扬程为 的离心泵运输到标高 、的蓄水池。离心泵型号为 （流量为 ，扬程为 ，功率为 ）。根据该区矸石山各台阶的地理位置及地形条件，从蓄水池向各个平台铺设 给水管。由山下水泵房向山上蓄水池输水，再由山上水泵（设计 台扬程 的 型水泵，流量 ，扬程 ，电机功率 ）加压后通过独立管网将水输送到各定点喷枪，喷枪在巨大的压力下可将水喷洒到方圆 的范围。（）蓄水池及沉淀池。在矸石山顶上简易房附近及平台 处各设置一个封闭式蓄水池（全埋式），蓄水池内壁尺寸 ，采用浆砌石砌筑，壁厚 ，底部回填厚 的煤矸石夯实整平。另在矸石山西北部设计一处沉淀池，沉淀池为三级沉淀池，采用钢筋混凝土砌筑，混凝土强度等级 ，按水流方向梯级布置，基底夯实后底部混凝土垫层厚 ，沉淀池设 个 水池和 个 水池，隔墙设置泄水孔，尺寸为 ，隔墙壁厚均为 ，沉淀池四周壁厚均为 。上部设置厚 的混凝土盖板。生物工程（）植被类型。矸石山平台种植乔木，树种选择耐干旱、耐贫瘠、抗污力强的侧柏，矸石山边坡种植灌木，并撒播草籽，灌木选择荆条，草种选择能够耐干旱、固土护坡的高羊矛、黑麦草、白三叶和小冠花，实施立体植被复绿。（）植被布局。乔、灌、草立体复绿，侧柏乔本复绿高度 ，荆条选择 年生树苗，高羊矛、黑麦草、白三叶和小冠花一般不超过 ，作为早期植被修复的地被植物。标志牌技术矸石山北部工业场地附近道路旁设立标志牌 个。标志牌由碑体与基座组成，碑体用加筋混凝土制作（或用整块石材），碑体规格 ，基座采用二级 浆砌石，基座长 、宽 、高 ，其中 埋入地下，基座上部中央预留 的碑槽与标志牌对接。标志牌内容包括地质环境保护标志、技术名称、技术简介、承担单位、勘查设计单位、施工单位、监理单位、建碑日期等。安装时采用 细石混凝土填缝，外露基座适当加以装饰（瓷砖装饰）；碑体顶部增加适当装饰，碑面刷黑色漆。道路建设通往矸石山道路尽量利用原有道路，道路总长 ，坡度约 ，作为生产道路服务于治理区林地、灌木林地管护工作。道路设计成矸石路面，路基宽约 ，路面宽约 ，开挖 ，开挖量 ，下覆厚 的矸石垫层，其中新建道路段在 与 平台间，堆放有部分矸石堆，道路建设对其进行清运，矸石堆面积约 ，平均高度约 ，清运矸石量 。结合当地情况，本方案设计在道路两侧栽植行道树，每侧一行，树种选择 高侧柏，间距 ，共种植 株，穴状整地，规格为 。开挖量 ，坑内覆土 。道路路面结构设计如图 所示。年第 期能源与环保第 卷图 道路路面结构设计 技术效益分析 社会效益长期以来，由于矿山开采严重破坏当地的自然生态环境，对周边居民的正常生产生活造成较大影响。该治理项目的实施，可恢复和扩大矿区土地资源，有效提高土地利用价值，有利于该地区的社会稳定和工农关系的改善，有利于新农村建设，有利于和谐社会发展，能充分体现党和政府“以人为本”的治国理念。环境效益本次治理技术总面积共计 ，恢复为草地和林地，可有效消除地面塌陷的安全隐患，有效防止水土流失，提高土壤质量，改善矿区生态环境，促进和保持当地生态系统的良性循环，为人民生产、生活提供良好的空间。项目实施后，能基本修复矿区及周边的生态环境，生态环境效益显著。方案中的技术措施、植物措施将通过改变微地形、增加地表植被，使植被生长的环境条件不断得到改善，可减轻项目区的矿山地质环境问题，使受损植被得到恢复，区内的地形地貌景观破坏得到抑制，改善农业生产环境和矿区地质环境、生态环境，并提高当地居民的生存环境质量。经济效益治理项目实施后，可修复被破坏的地形地貌景观。同时，矿山环境的治理项目的实施，增加治理区农民就业岗位，推动了地方经济的发展，得到市政府的高度重视和群众的广泛支持，经济效益显著。结语（）义络煤业矸石山主要地质环境问题有矿山地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏。（）设计的治理方案为削方放坡技术 截排水技术 挡墙技术 灌溉技术 绿化技术 标志碑技术 监测预警技术。参考文献（）：肖进 川东地区煤矿主要地质环境问题及其防治措施研究 煤炭技术，（）：，（）：杜恒 煤矸石处置与综合利用研究 能源与环保，（）：，（）：狄效斌 山西煤矿区环境地质问题及治理对策探讨 煤炭工程，（）：，（）：，吴云，黄震，张培兴，等 龙固煤矿闭坑矿山地质环境及其治理方案研究 能源与环保，（）：，（）：李成习，龚甲桂，高文凯，等 露天转地下矿山地质环境问题分析及治理方法研究 以仓上金矿为例 中国矿业，（）：，：，（）：翟小伟，马灵军，朱国忠，等 煤矿矸石山自燃治理技术研究与实践 煤炭科学技术，（）：，（）：祝介旺 蓟县矿山高切坡地质灾害致灾模式及环境综合治理研究 以蓟县大兴峪北矿区高切坡为例 工程地质学报，（）：，（）：缪海宾，赵贺，王海洋 矿城型露天矿环境地质灾害综合治理与利用思路 煤矿安全，（）：，（）：，姚柏华，唐名富，全洪波 龙胜三门镇滑石矿田地质环境灾害链及其综合治理 桂林理工大学学报，（）：，（）：