永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理.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：河南省财政厅地质环境项目财政专项（豫财环 号）作者简介：王振辉（），男，河南太康人，工程师，硕士，年毕业于中国矿业大学（北京），现任河南省资源环境调查三院煤田勘查院党委书记，主要从事生态环境治理、国土空间规划及生态修复专项规划等方面的工作。引用格式：王振辉，翟高明，郭彪，等 永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理 能源与环保，（）：，（）：，永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理王振辉，翟高明，郭彪，朱会平（河南省资源环境调查三院，河南 郑州 ；华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 ）摘要：为了改善研究区生态地质环境，对研究区内存在的矿山地质环境问题进行治理恢复，分析了主要矿山地质环境问题，主要为地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏以及土地资源等。基于此，提出了矿山地质环境恢复治理技术，主要采用人工河道工程、土地平整、道路工程及生物工程等手段，实现湿地景观旅游与多用途用地等，既还当地居民一片青山绿水，又实现资源枯竭区的产业转型，以旅游带动多种产业的配套、协调发展。关键词：地面塌陷；含水层破坏；地形地貌景观破坏；人工河道；土地平整中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；永城市西城区北部规划区位于永城市境内老城区（西城区）北部沱河、韩沟之间，早期几十年的煤炭开采，矿山企业为了追求经济效益忽视了矿区生态环境的保护和治理，造成了严重的地面塌陷矿山地质环境问题。由于长期得不到治理，致使大量宝贵的土地荒芜，当地居民的生产生活遭受巨大损失，矿山地质环境问题已成为严重制约城市经济社会发展的瓶颈，治理工作迫在眉睫 。永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理工程的治理思路是，通过构建“湿地公园”与沱河相连通来实现治理矿山地质环境问题，同时实现湿地景观旅游与多用途用地等目的，既还当地居民一片青山绿水，又实现资源枯竭区的产业转型，以旅游带动多种产业的配套、协调发展 。此项目地处永城西城区北部、沱河及韩沟上游，可成为其净化水源、涵养湿地的区域环境节点；同时，项目毗邻日月湖生态景区，作为 年第 期能源与环保第 卷外围生态环境的扩充，建立循环生态之间的有机联系，带动本区域社会经济的整体提升。主要矿山地质环境问题为矿区地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏，主要采用人工河道工程、土地平整、道路工程及生物工程等手段，实现资源枯竭区的产业转型，以旅游带动多种产业的配套、协调发展。研究区域研究区治理面积为 ，治理范围如图 所示（主要含湿地观光区、游客服务中心以及滨河游览区 个区）。图 治理范围示意 主要矿山地质环境问题根据勘查报告得出，目前项目调查区面临的主要矿山地质环境问题为矿区地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏。地质灾害勘查区地面塌陷为城郊煤矿北 采区曹庄地面塌陷的一部分，曹庄地面塌陷于 年发生，塌陷区长度 、宽度 ，最大塌陷深度 ，长轴方向 ，塌陷面积 ，积水面积 ，塌陷规模为中型，地质灾害影响程度严重，但目前地面塌陷区场地已基本稳定。含水层的破坏矿井疏水仅对煤层顶底板之间含水量有影响，对浅部含水层水位、水量影响较小。据实地调查，目前勘查区周边浅层地下水位标高 。现状条件下，对含水层的影响或破坏情况较轻。对地形地貌景观的破坏研究区范围内为较大面积地面塌陷区，地表变形明显，塌陷区形成常年积水面积 ，对地形地貌景观影响和破坏较严重。对土地资源的破坏地面塌陷破坏土地面积共 ，其中耕地 。现状条件下，对土地资源破坏较严重。治理设计 治理方案研究区共分为湿地观光区、滨河游览区和游客服务中心 个功能区。治理设计布置如图 所示。有关参数选取根据治理方案，参数选取主要考虑人工湖开挖边坡稳定性以及湖水渗漏情况。根据工程地质钻探 年第 期王振辉，等：永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理第 卷图 治理总体工程布置示意 结果，人工湖边坡岩性主要粉质黏土层，内摩擦角 取平均值为 、黏聚力 取平均值为 ；人工湖底板粉质黏土渗透系数为 。根据原位测试，道路沿线第层杂填土以主要以粉土、粉质黏土为主，路基设计时，应考虑对层杂填土进行清除或采取处理措施，层粉质黏土地基承载力特征值为 。据调查期间数据显示，研究区周边地下水水位标高为 ；沱河水位约 ，设计人工河道常水位为 ，考虑水位变动，故确定湖岸护坡标高在 以上。工程总体布置依据永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理工程建设需要，对研究区湿地观光区、滨河游览区和游客服务中心 个功能区，按照挖深垫浅、护坡加固和生态造景的总体治理思路进行综合治理 。主要治理工程 为：人工观光河道、护坡、土地平整、道路、生物工程及标志碑。本年度主要治理工程总体布置可概括为“一湖多道路联，平整绿化多景点。”对研究区中部（即湿地观光区）合理地布置挖填区域，保证挖方量与填方量大致持平。对研究区塌陷较深的区域实施开挖工程，建成人工观光河道，在人工河道与现有湿地相结合，设计不同形状的河道，营造自然湿地景观体系，并对湖岸进行叠石、人工河道进行杉木桩护坡。在河、沟之间布设道路工程，连接 个功能区、联系研究区各个景点，方便游客旅游观光。对研究区垃圾进行外运，并进行土地平整，提升土地质量；布置生物及湿地景观工程，种植景观树、湿地植物等，美化景点、提升旅游景点品质。总体来说，通过工程治理，建设一个具有地域性、文化性、时代性的特色景观，与其东南部的日月湖景观相映成辉，形成“城在林中，道在绿中，人在景中”的湿地景观系统。治理工程分项设计 人工观光河道工程设计 人工观光河道布置及特征水位项目治理设计人工观光河道总长 。塌陷区、沱河及韩沟现有实测水面高水位为 ，低水位为 ，确定河道常水位为 。由水文地质勘查资料可知，勘查区实测地下水位埋深为 ，地下水位标高为 ，确定人工河道最低水位为 。雨季人工湖水位达到最高水位时，可通过沱河支流韩沟闸口向韩沟中排涝。根据河道区最低和最高水位变化以及洪水期淹没范围，设计河道底标高 ，河岸设计标高 。人工河道开挖的土方用于研究区土地平整区，多余土方运至东部游客中心东北部预留山体处。年第 期能源与环保第 卷 河岸开挖边坡稳定分析计算研究区人工河岸边坡岩性为可塑硬塑粉质黏土。人工河岸处开挖平均深度约 ，设计坡比为 和 。根据 堤防工程设计规范（）的要求，堤防抗滑稳定计算应考虑正常运行情况和非常运行情况。本次验算先按最不利情况考虑，地面超载取 ，假设坡度最陡的地段（坡比 ）进行验算。（）计算方法。根据 堤防工程设计规范（）的要求，边坡稳定计算方法采用瑞典圆弧法。圆弧条分法计算如图 所示。图 圆弧条分法计算简图 圆弧滑动法计算滑动土体稳定安全系数的公式如下：，（）（）（）（），（）（）式中，为边坡稳定性系数；为滑动面岩土体的黏结强度标准值；为第 条块滑动面岩土体的内摩擦角标准值；、为第 条块底面倾角和地水位面倾角；为第 条块单位宽度岩土体自重；为第 条块滑体地表建筑物（外加负荷）单位宽度自重；为第 条块单位宽度总渗透力；为第 条块滑体在滑动面法线方向的反力；为第 条块滑体在滑动面切线上的反力；为第 条块滑动面上的抗力；为水的重度；为第 条块单位宽度岩土体的水下体积。（）荷载组合。稳定计算作用荷载主要有自重、水压力和人群荷载。所有河岸线所在地段河底及以上岩性均为第及第层可塑状粉质黏土，局部表层存在第层杂填土。为简化计算，验算时采用各土层物理力学指标综合建议值（表 ）。验算结果表明如图 、表 ，最不利情况下稳定系数 ，大于规范规定标准。其他河段河岸坡度更缓，更有利于河岸稳定，因此不再验算。另外人工河道边坡与河岸类似，且坡比皆小于 ，故人工河道边坡也是稳定的。表 土层物理力学指标 岩土名称天然含水量 重力密度 （）干重度（）土粒比重（）天然孔隙比 饱和度 直剪内摩擦角 （）黏聚力 粉质黏土 粉质黏土 综合建议值 图 瑞典条分法稳定性验算图 表 稳定性验算 整体稳定安全系数半径 圆心坐标 圆心坐标 （）河水补给、排泄量计算。根据永城国家基本气象站气象统计资料，研究区多年平均降水量 ，平均水面蒸发量达 ；丰水年降雨量 ，蒸发量 ；枯水年降雨量 ，蒸 发 量 。年 降 水 量 的 集中在 月，其中 月的蒸发量占全年的 ，最大蒸发量多出现在 月份。根据以上气象站气象资料统计，通过以下公式计算得出人工河道区域内的河道蒸发、渗漏总量，以及降雨、渗流补给总量，具体计算公式及成果如下。蒸发总量及降雨补给总量计算公式为：，（）年第 期王振辉，等：永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理第 卷式中，为总面积区域内蒸发总量；为总面积区域内降雨补给总量；为面积区域内蒸发量；为面积区域内降雨量；为计算总面积。渗流量计算公式为：（）式中，为单位时间渗流量；为过水断面面积；为总水头损失；为渗流路径长度；为渗透系数（粉质黏土 ）。丰水年河水充沛，河水以补给地下水为主；枯水年和平水年河水不足，以地下水补给河水为主。具体计算结果见表 。表 人工河道补给、排泄总量 项目丰水年枯水年平水年降雨补给量 渗流补给量 地面径流补给量 补给总量 蒸发排泄量 渗漏排泄量 排泄总量 均衡差 水位变化 根据资料统计计算得出，在丰水年河道区补给量大于排泄量，可通过河道与沱河支流韩沟间修建的闸口排洪；在枯水年排泄量大出补给量约 ，此时河水位下降 ，在常水位的基础上，水位可以保证在 左右；平水年排泄量大出补给量 ，水位下降 ，河水位可以保证在 左右。故在平水年和枯水年可以在汛期时，通过沱河支流韩沟与河间修建的泵站从韩沟向河区补水储存，以保证河区水位在 的常水位。（）人工河道工程量计算。整个河道区总的土方开挖工程量计算包括河岸线处的土方开挖工程量与河底区域面积的土方工程量开挖。利用 中的“方网格法土方计算”人工湖区域的土方量，将整个研究区域分成若干个 的网格，分别统计填方网格和挖方网格数量，计算出区域内需要填方或挖方的方量。经计算得，人工河道开挖土方量 。护坡工程设计本次拟对现有湖湖岸进行叠石护坡和人工河道杉木桩护坡，一方面维护边坡的稳定性，另一方面起到美化湖岸带的作用。（）现有湖湖岸叠石护坡。本次根据调查，设计湖水位常水位标高 ，考虑到枯水期间湖水还可能继续下降，故变动带下线取 ，丰水期湖水位可能上涨，上线则取常水位线 。故依据湖水线变动的位置，在湖岸 处进行叠石，铺设一层，铺设长度为 ，其中坡比 坡度暂不铺设。叠石规格大小不一，长度一般 ，宽度 ，厚度为 。为简化计算，叠石规格大小取均值为 。叠石材料可选用景观黄河石。石料的长边（长 ）沿湖横向铺设，短边（长 ）沿湖纵向铺设，铺设时，对湖岸边坡进行基础开挖如图所示。图 湖岸叠石断面示意 叠石基础开挖（回填）方量采用剖面（或断面）的方法进行体积计算，公式为：（）式中，为土方体积；为剖面长度；为剖面面积。叠石方量可采用断面法计算，总石方量等于每延米的方量乘以长度。叠石护坡的方量计算如下：人工湖 湖岸护坡长度 ，基础开挖方量 ，回填方量 ，叠石量为 。（）人工河道杉木桩护坡。依据湿地公园规划，在人工河道底部两侧采用杉木桩护坡，一方面减弱湖水对岸坡的冲刷，另一方面增加湿地公园的自然美感。木桩采用长 、直径约 的圆柱体杉木，围绕人工河道底边界两侧进行依次紧密布置，约需 根，。土地平整工程设计研究区韩沟南岸（区）、沱河北岸（区）、东部游客服务中心（区）个地段进行土地平整，坐标拐点见设计图册，平面位置形态如图 所示。个区总面积 ，地面标高 ，设计土地平整工程回填高度分别为：韩沟南岸 、沱河北岸 、游客服务中心 。年第 期能源与环保第 卷图 土地平整区形态及位置 利用 中的“方网格法土方计算”功能计算平整区域的挖填土方量，将平整区分成 的填方网格。经统计，三个区内需要的填方量 ，挖方量 ，平整压实土方量 。道路、台阶工程设计 道路工程设计本次在整个研究区范围内顺坡就势修建道路，连接河、沟以及游客中心等研究区各部分，形态多样。在湿地观光区、滨河游览区以及游客服务中心共设计道路 。（）建设标准。园区道路、城市支路，路面采用沥青混凝土路面和 砖路面，满足后期的景区的运输通行。（）路面设计。路面宽度。根据场地和通行需要，共设计 种宽度道路，分别为 、，其长度分别为 、。路面标高。施工后，游客中心场地平均标高约 ，其他地段标高 ，道路修成后仍为此标高，故道路基就势开挖，其深度与路面结构厚度一致。路面平整度。施工道路为高级路面，路面平整度要求较高，一般不大于 。道路剖面结构形式。沥青混凝土路面剖面结构：宽 道路设计剖面结构分为 层，最下层素土夯实，密实度大于 ；上部为碎石垫层，其上为素混凝土垫层，其上为乳化沥青结合层，路面采用粒径 中粗粒及粒径 细粒沥青面层；剖面总厚度为 。路面剖面结构：设计宽 道路剖面结构分为层，最下层素土夯实，密实度大于 ；上部为碎石垫层，其上为素混凝土垫层，其上为水泥砂浆，路面采用 砖；砖尺寸为 。断面总厚度为 ，道路横断面结构如图 所示。结合本项目降雨量不大、土质透水性稍好、地下水位埋深较浅的自然条件，路基经过冲击碾压后处于中湿状态以上，地下水、地表临时积水对路基、路面影响较小，结合路面厚度等因素，设计以开挖平整夯实后地面作为路基底层。台阶工程设计在湿地观光区和游客服务中心之间、省道 与沱河北岸（南部滨河游览区）之间，因地形相差较大，故分别设计 处、处步道台阶，以便游客上下行进。台阶设计剖面结构分为 层：最下层素土夯实，密实度大于 ，上部为碎石垫层，其上为素砼垫层，其上为水泥砂浆，踏面及踢面均采用烧面花岗岩，断面如图 所示。垃圾清运工程对于研究区多处建筑垃圾、生活垃圾、煤矸石、年第 期王振辉，等：永城市西城区北部城市规划区矿山地质环境恢复治理第 卷图 道路横断面结构 图 台阶横断面示意 粉煤灰进行外运，提升土地质量及整个景区的视觉效果，本次清运垃圾量为 。分布于研究区的 个地方，垃圾堆放到东部游客服务中心，表层覆土 ，植物绿化，需回填土方量 。生物及湿地景观工程设计根据湿地公园景观规划，本次在人工湖周边、人工河道、沱河北岸及游客游览中心进行绿化形成生物湿地景观，主要栽种乔木、灌木及水生植物等景观植被；景观树选择香樟、银杏树及榉树等树种，共种植 株，间距为 ；灌木选取红叶石楠、金森女贞等；在人工湖及沱河北岸种植水生植物形成湿地景观，主要选取芦苇、荷花、唐菖蒲等水生植物，草坪面积 。标志碑工程标志碑由碑体与基座组成，碑体采用泰山石，碑体规格 ，基部采用二级 浆砌标准砖（图 ）。图 标志碑结构示意 矿山地质环境治理工程属公益性、社会性项目，其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点，主要表现在社会效益（减灾、防灾效益及安全效益等）、环境效益和经济效益。年第 期能源与环保第 卷 结语（）研究区主要矿山地质环境问题为矿区地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏。（）主要采用人工河道工程、土地平整、道路工程及生物工程等手段，实现资源枯竭区的产业转型，以旅游带动多种产业的配套、协调发展。（）通过恢复治理，研究区内设施标准和环境水平将大大改善，提高当地乃至河南省环境硬件整体水平，同时还可以进一步推动第三产业的发展。从而大力发展服务业，提高矿区人民生活水平。参考文献（）：林燕华 基于熵权物元法的矿山地质环境恢复治理项目社会影响典型评价：以景德镇市为例 中国矿业，（）：，（）：覃茂刚，黄仕锐，王子雯 废弃露天矿山地质环境治理方法研究：以海南某废弃露天矿山为例 中国矿业，（）：，：，（）：，田君慧，甄娜，张庆晓 永城市西城区北部矿山地质环境恢复治理分析 中国金属通报，（）：，（）：安志宏，程玉书，汪宝存，等 辽源市矿山地质环境恢复治理遥感监测与整治模式一体化研究 地质力学学报，（）：，（）：李再兴，彭妮，徐伟，等 平原区采煤塌陷区矿山地质环境修复治理方法研究 以永城市东西城区间采煤塌陷区治理示范工程为例 地下水，（）：，（）：曹晓毅，田延哲 关中地区石灰岩废弃矿山地质环境恢复治理探讨 煤炭技术，（）：，（）：田安家，杜琴瑶，刘格升，等 矿山地质环境治理与土地复垦可行性分析 能源与环保，（）：，（）：，海俊杰，苏犁，张林，等 湖南省宁乡县矿山地质环境的保护与治理 中国矿业，（）：，（）：田君慧，陈广东，杜丹 永城市西城区北部矿山地质环境恢复治理工程分析 中国高新科技，（）：，（）：朱双燕，范旭光，王莹 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