贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌系统技术措施_孟兴国.pdf

第1期贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌系统技术措施孟兴国，邢涛（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿，宁夏 灵武751400）摘要：针对贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌的难题，研究了露天煤矿排土场植被浇灌系统。在排土场的坡面上形成多个台阶式平盘，用于充分收集雨水，防止雨水失水过多，保证植被的灌溉。在各平盘处设置水池，用于存储多余的水量，对水量的应用进行调控，并保证各平盘所对应坡面的供给便利性，减少调水的难度，提高了干旱矿区高端排土场植被浇灌系统浇灌效率。关键词：高端排土场；浇灌系统；地质环境；工程实践中图分类号：X171.4文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-019-04基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划重大项目（2018BFG02002）作者简介：孟兴国（1987），男，硕士，工程师，现任国家能源集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿基建副总兼工程部部长，主要研究方向为煤矿开采技术。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：孟兴国，邢涛.贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌系统技术措施 J.能源科技，2023，21（1）：19-22.0引言在露天煤矿开采过程中，为节省土地，通常采取增加排弃高度，实现最大限度的排弃剥离量。而高端排土场相对矿区水库的相对高程在300 m以上，这就给后期排土场治理绿化植物的浇灌带来困难。因高端排土场地势高不能有效蓄水，常发生植物在生长期因缺水枯死的问题。因此，迫切需要研制出干旱矿区高端排土场适宜植被浇灌的技术系统，实现对露天煤矿生态植被更好的浇灌效果。贺兰山地处我国西北干旱地区，年均降雨量250 mm，蒸发量却高达1 500 mm，并常有干旱大风和冰冻等自然危害，自然生态系统极其脆弱。贺兰山蕴藏丰富的优质无烟煤和焦煤，受煤矿开采影响，近年来随着国家加大对贺兰山自然保护区生态修复力度，对露天煤矿区排土场实施了生态环境治理。设计排土场的绿化植被为贺兰山本土植物种，为有效保证绿化植物的成活率，急需设置人工浇灌技术系统。目前国内浇灌技术方法分为漫灌、滴灌和喷灌，根据不同的地形和水源选取相应的方法。国外采用人工降雨、土壤中拌保湿剂等技术方法。1贺兰山干旱矿区排土场地质环境1.1自然地理条件贺兰山干旱矿区属高山大陆性气候，空气稀薄，含氧量少。按体积对地面空气测定，仅为18.9。终年干旱，雨量稀少，年最大降雨量为378.2 mm，年最小降雨量仅为64.2 mm（1972年），雨季多集中在69月份。年最大蒸发量为2 720.7 mm，最高气温为37.1，最低气温为-22.7，历年平均气温为-0.7 1.3。每年9月下旬至翌年4月为霜冻期，最大冻土厚度为1.04 m。风向多西北风，风速较大，最大风力达十级。高山顶和峡谷深处冬季有积雪，年最深积雪平均厚度为400 mm1。矿区地处贺兰山腹地，地势陡峭，气候干旱少雨，年蒸发量是降水量的6 倍，大气降水均形成地表径流顺自然沟谷流出区外。山体基岩裸露，土壤类型主要是淡灰钙土和粗骨土，灰钙土是在干旱气候和荒漠草原植被下形成的地带性土壤，腐殖质积累很低，有机质含量仅0.5%0.8%，土壤中碳酸钙以灰白色石灰斑块状沉积形钙积层；粗骨土构成的山丘地区地形起伏，地面坡度大，切割深，上体浅薄，加之风蚀、水蚀较重，细粒物质易被淋失，土体中残留粗骨碎屑物居多，第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期因而具有显著的粗骨性特征。矿区内山体基岩裸露，局部可见少量稀疏草本植被生长，主要为耐寒、耐旱的草本植物，如蓬蒿、冰草等。植被体系类型以山地温旱生落叶灌丛为主。由于区内矿山开采活动频繁，对该区域的植被系统造成大面积破坏，总体而言，该地区地表植被稀少，植被覆盖率约20%。1.2水文地质条件矿区内地下水类型主要为孔隙裂隙水，广泛分布于矿区及基岩山区，地下水储存于石炭系、二叠系、三叠系地层中。含水层岩性主要由砂岩、砂质页岩、灰岩、石英岩等组成。岩层构造裂隙发育多以下降泉出露，流量87.09321.4 m3/d，矿化度0.250.5 g/L，水质良好，为HCO3Ca-Na型水。根据矿区水文地质资料，正常涌水量8.3 m3/h，最大涌水量11.7 m3/h。随着煤矿开采深度的增加，煤矿涌水量有逐年增加趋势，雨季煤矿涌水量也有明显的上升。矿区及周边地下水的补给来源主要为大气降水补给。地表径流方向由西北向东南。主要以大气蒸发和少量泉水溢出的方式排泄。1.3工程地质条件高端排土场海拔为+1 800 m+2 100 m，是典型的高山地形，排土场由砂岩和页岩堆砌形成，风化、水土流失严重。坡面长度467.2 m，边坡安息角40，边坡滑坡风险为中等。如图1所示。图1高端排土场地形地貌矿区生态环境条件恶劣且脆弱，排土场边坡稳定性差。因此，要采取工程措施增强增大边坡稳定性，并覆盖细表土，再播撒本地乡土植物种，在矿区最低端设置拦水坝蓄水，设置人工浇灌系统使植被覆盖率达到60%，才能确保排土场水土保持平衡，实现矿区生态修复目标。2工程实践技术机理贺兰山腹地排土场相对高差300 m，若单纯依靠水库往排土场打水则扬程高、效率低。为充分利用雨水浇灌排土场植被，沿等高线将排土场分台阶放坡削坡2，形成15 个台阶，每个台阶坡面角控制在30，留有8 m宽马道，设置水池。高端排土场植被浇灌技术系统包括平盘、水池和连通坡道。平盘为 15 个，呈梯田台阶状。在各平盘上设置水池，用于存储水和调节水量的分配。相邻的平盘之间设置连通坡道，用于连通2 个相邻的平盘。由上而下平盘依次首尾连通。各平盘上游端高于下游端呈倾斜式布设。最上端的平盘为排土场的顶表面，称为第一平盘，在垂直方向上，其余平盘依次标记为第二平盘、第三平盘等。第一平盘连通第二平盘，第二平盘连通第三平盘，依次连接。如果第一平盘的左端地势最低，则第二平盘的左端（在第二平盘中地势最高端）连通第一平盘的左端，第二平盘的右端地势最低，使得在地势作用下，水从第二平盘的左端流到右端。第三平盘的右端与第二平盘连通，第三平盘右高左低，水从第三平盘的右端流到左端，如图 2 所示，图中箭头方向表征了上述的水流方向。通过这样的技术设计，在自然降雨过程，雨水不仅能竖向落入到平盘和水池内，还能如长蛇状从高到低流动。连坡通道平盘水池图2高端排土场植被浇灌系统构造高端排土场植被浇灌系统能在排土场的坡面上形成多个台阶式平盘，充分用于收集雨水，防止雨水无序流失，科学保证植被的灌溉。在各平盘处设置水池，用于存储多余的水量，并对水量进行合理调控，以保证各平盘所对应坡面的供给便利，有效减少调水难度。相邻平盘之间具有连通坡道，各平盘倾斜式设置，有利于在整个排土场上形成畅通的自流通道，使得雨水从高向低流动。此措施既保证了雨水的收集，又确保了排土场有效排水，避免了排土场被水土流失冲毁和发生坍塌，显示出了高端排土场植被浇灌技术系统效率高和排土场水量的合理调配。孟兴国等：贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌系统技术措施20第1期在各平盘的水池外侧设置土埂，在平盘上形成田格状区域。通过设置田埂有利于将平面式的平盘分为多个更小区域。这种设置方式有助于湾水和保证水存留，从而保证排土场长期的潮湿环境，有利于植物的成活和生长。土埂构筑规格和田格状区域的具体结构，可根据地质条件的不同因地设置。如图3所示，土埂为梯形结构，高0.3 m，底边长0.9 m，顶边长0.3 m。第一平盘内的田格状区域通过横竖大体互相垂直的土埂形成，一个田格状区域的尺寸为4 m4 m。土埂构成田格状区域的形状和尺寸可以根据实际情况因地制宜设计4。0.3 m0.3 m0.3 m0.3 m45450.9 m0.9 m图3土埂结构同时，还需要在平盘的坡顶线处设置土档，用于阻挡田格状区域内的水冲毁坡面。假设土挡高宽为1 m1.5 m。田格状区域处包括厚度1015 cm碎石粒堆砌层和铺设在碎石粒堆砌层上端的土壤层。这种设置既能有效避免被雨水冲毁，又能确保安全，避免渗漏，保证有效蓄水。为优化喷管的布设设计，排土场最上端的水池位于该处平盘的最低位置。如在第一平盘上，左端为地势最低处，则该水池应设置在第一平盘的左端位置。这种设计方式保证了水池具有很好的收集蓄存雨水的作用和功能，在自然降雨过程中，雨水填满第一平盘的田格状区域后，就会流向该平盘的水池处汇集。除了排土场最上端的平盘，水池位于相应其他平盘的大体中间位置。在水池上设计朝向下游端的豁口，如图4所示，可以保证水流更容易向下游方向溢流。对于左端高右端低的第二平盘上，第二平盘上水池的豁口朝向右端。第二平盘的水池50 m8 m2 m（长宽深），则在水池上部以下0.5 m位置设计豁口，水池内的水深超过1.5 m后，水流会从水池向外流动。8 m2 m50 m0.5 m图4水池设置出水豁口对全部水池壁上铺设防渗层，该防渗层设计铺设塑料薄膜层，其目的是保证水池内有效蓄水，防止渗漏。各平盘坡度为2%5%，3%即可保证水自然流动以及坡面的稳定。为发挥出高效的灌溉能力，应在水池设置水泵。水泵的设置应与相应坡面的喷管连通，以便在干旱时更便捷地向坡面绿地进行灌溉。如图 5 所示，在各坡面上矩阵式布设多个喷管，横向相邻喷管的距离设计为 12 m，纵向相邻喷管的距离设计为2.53.5 m3。1.5 m2.5 m图5在各坡面上矩阵式布设多个喷管在位于排土场最高端其他平盘上，水泵与上一阶层平盘的水池连通。如处于第五平盘的水泵连通于第四平盘的水池，通过该水泵将第五平盘的水输送到第四平盘水池中。高端排土场植被浇灌技术系统还包括扬程泵。扬程泵用于将外界水源输送到与其连通的水池，即在各平盘的水池内存水用完后，可以辅助使用矿区水库内的水。先用扬程泵抽水至中间平盘水池内，待水自流到第八平盘至第十五平盘的水池并灌满后，使用第八平盘水池内的水泵往第七平盘水池内送水，再使用第七平盘水池内的水泵往第六平盘水池内送水。这样逐级式依次泵送至第一平盘。这种循次设置方式可以避免扬程泵超定额功率工作，有效保证了输送水的运行安全，即高效率保证补给水资源。在实际使用过程中，可以根据具体情况将矿区水库内的水输送至指定平盘的水池内。21第1期3结语（1）通过该项技术措施在贺兰山矿区的实践，充分证明对干旱矿区高端排土场地质环境进行系统分析的基础上，有针对性地设计高端排土场植被浇灌技术系统，并在排土场坡面上沿等高线建成多个台阶式平盘，可有效用于收集雨水，既防止了雨水流失，又科学保证了对露天煤矿生态修复植被的适宜技术灌溉。（2）在平盘水池内存储收集的雨水，可对其水量的应用进行合理调控，以保证各平盘所对应坡面的浇灌供给具有便利性，减少了调水难度大的绿地养护实际困难。（3）相邻平盘间具有连通坡道，各平盘倾斜式设置，便于在整个排土场上形成畅通的自流通道，使雨水有序由高处流向低处，有效保证了雨水收集，促进了排土场的有效排水，避免了排土场被水土流失冲毁。（4）该项技术措施对贺兰山干旱矿区露天煤矿排土场生态修复植被浇灌抚育养护效率高，适用于高端排土场生态修复生产实践的应用。参考文献：1高前兆，史胜生，温培安，等.中国西北干旱地区的水资源 J.中国沙漠，1992，12（4）：1-12.2 孟兴国，排土场地质环境生态修复技术 J.能源科技，2021，19（1）：32-35.3孟兴国，刘志飞.汝箕沟露天煤矿排土场边坡生态防护造林技术J.神华科技，2018，16（6）：33-36.4师增胜，王军亮，任亚丽，等.西北干旱地区山楂新品系甜红子引种及栽培技术 J.农业科技与信息，2021（5）：86-88.Technical Measures for Vegetation Irrigation System of High-level WasteDump in Helan Mountain Arid Mining AreaMENG Xingguo,XING Tao(Meihuajing Coal Mine,CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Lingwu,Ningxia 751400)Abstract：Aiming at the vegetation irrigation difficulty in the high-level waste dump of Helan Mountain aridmining area,this paper studies the vegetation irrigation system of the open-pit waste dump.Several steppedberms are made on the slope of the waste dump to fully collect rainwater,prevent excessive rainwater lossand ensure the irrigation of vegetation.A water pool is set at each berm to store excess water and regulatewater consumption,ensuring easy water supply to the slope corresponding to each berm,and reducing the difficulty of water transfer.Thus,it improves the irrigation efficiency of the vegetation irrigation system of thehigh-level waste dump in the arid mining area.Key Words：high-level waste dump;irrigation system;geological environment;engineering practice（收稿日期：2022-03-28责任编辑：王静）孟兴国等：贺兰山干旱矿区高端排土场植被浇灌系统技术措施22