陜西韓城煤礦群采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理對(duì)策分析

李 成

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西西安 710054)

0 引言

陜西省韓城市是陜西煤炭資源渭北煤礦老采區(qū)的重要組成部分，煤炭開采歷史悠久。韓城市下峪口廢棄群采煤礦區(qū)地處桑樹坪礦區(qū)和下峪口礦區(qū)交接及邊緣地帶，由于歷史原因，偷采濫采嚴(yán)重，導(dǎo)致礦山地質(zhì)環(huán)境破壞非常嚴(yán)重，地貌景觀被破壞、采礦棄渣廢石占用破壞土地、礦山地質(zhì)災(zāi)害等問題極為突出，已嚴(yán)重威脅礦區(qū)下游群眾安全，也嚴(yán)重制約著韓城的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該礦山環(huán)境地質(zhì)問題屬歷史遺留問題，治理責(zé)任主體滅失，2010年由韓城市國土資源局申報(bào)，經(jīng)國家財(cái)政部、國土資源部批準(zhǔn)作為2010年度礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理重點(diǎn)工程，筆者有幸對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了治理方案的設(shè)計(jì)，針對(duì)該地的礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，在對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)字地面模型(DTM)及其它工程理論，設(shè)計(jì)制定了科學(xué)合理的恢復(fù)治理方案。

1 研究區(qū)概況

下峪口群采煤礦區(qū)位于陜西省韓城市桑樹坪鎮(zhèn)、龍門鎮(zhèn)，是20世紀(jì)80、90年代個(gè)人或集體小煤窯的集中開采區(qū)，也是非法開礦、亂采濫挖、盜竊煤炭資源的滋生地［1］。瘋狂無序地開采不僅造成資源大量浪費(fèi)，在下峪口溝內(nèi)排放了22處約89.3×104m3棄渣矸石，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患突出。后經(jīng)多次治理整頓，關(guān)閉了大量非法開采小煤窯，導(dǎo)致礦權(quán)更迭、治理責(zé)任主體滅失，形成了大量的歷史遺留問題。(圖1、圖2)。

2 治理方案比選［2］

方案一:廢渣降坡、清運(yùn)、主溝道廢渣填充+排洪渠+覆土綠化

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Study area conditions

圖2 上峪口廢渣堆分布示意圖Fig.2 Shangyukou slag heap distribution diagram

首先對(duì)主溝道及支溝內(nèi)廢渣堆進(jìn)行降坡。根據(jù)渣堆實(shí)際情況確定降坡最終坡度。降坡所產(chǎn)生的廢渣集中堆放到主溝道中下游低洼地帶，按照設(shè)計(jì)的5.5%坡降進(jìn)行推平碾壓，然后在主溝道內(nèi)修筑一條漿砌石排洪明渠，增大主溝道排水力度。最后進(jìn)行覆土綠化，降坡后廢渣堆上種植矮冬麥，主溝道內(nèi)填充整平碾壓后的廢渣堆上種植楊槐，達(dá)到安全和生態(tài)效應(yīng)并舉的效果。

方案二:主溝道中下游攔渣壩、支溝攔渣壩+排洪渠+擋渣墻+護(hù)坡+覆土綠化

在下峪口溝中游及溝口各修筑一道漿砌石透水?dāng)r渣壩，在兩條較大支溝口也各設(shè)兩座攔渣壩。主溝道內(nèi)修建排洪渠，加大溝道排洪力度，對(duì)主溝道排洪渠兩側(cè)渣堆進(jìn)行下部擋墻支護(hù)，渣堆表面進(jìn)行漿砌石護(hù)坡，然后在上部覆土種草綠化。

方案一的優(yōu)點(diǎn)是采取了移動(dòng)、填充、壓實(shí)廢渣的方法，高陡廢渣堆不復(fù)存在，操作簡單易行，工程質(zhì)量容易保障，結(jié)合排洪渠的修筑，能從根本上消除礦山地質(zhì)環(huán)境問題對(duì)下游群眾的威脅，另外該方案采取綜合治理的措施，工程措施和生物措施并舉，生態(tài)效益十分顯著，恢復(fù)了大片林、草地，能徹底改善該治理區(qū)的生態(tài)環(huán)境面貌。另外工程造價(jià)方面，方案一工程總造價(jià)低于方案二工程造價(jià)。

方案二是近年來礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的主要模式之一，以攔截為主，能夠從一定程度上減小廢渣泥石流隱患對(duì)下游群眾安全的威脅。但缺點(diǎn)是綜合治理效益不明顯，支溝及主溝道的廢渣堆依舊裸露在外，生物措施很少，恢復(fù)綠地面積太小，另外如果工程施工質(zhì)量無法保證，易導(dǎo)致攔渣壩損壞從而對(duì)下游群眾造成更加嚴(yán)重的威脅。

綜合比選，方案一優(yōu)于方案二。

3 治理方案設(shè)計(jì)

3.1 廢渣堆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及降坡

對(duì)廢渣堆進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，目前最常用的方法為極限平衡理論，即假定邊坡土體有若干滑裂面，把滑裂面以上土體分成若干垂直土條，然后計(jì)算平衡狀態(tài)下土體的安全系數(shù)［3］。計(jì)算方法有瑞典條分法以及畢肖普法，瑞典條分法是假定滑動(dòng)土體為不變形的剛體，且不考慮土條側(cè)向應(yīng)力，而畢肖普法是考慮了土條的側(cè)向應(yīng)力，并假定各土條底部的抗滑安全系數(shù)相同，顯然對(duì)于松散堆積的廢渣來說，畢肖普法的假定條件更接近實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

考慮水的作用計(jì)算公式如下［4］:

式中:c'——飽和狀態(tài)下的粘聚力(kPa);

c——天然粘聚力(kPa);

φ'——飽和狀態(tài)下的有效內(nèi)摩擦角(°);

φ——天然內(nèi)摩擦角(°);

θi——土條底面中點(diǎn)法線與豎直線交角(°);

wi——第 i條土條重度(kN/m3);

γ——土條容重(kN/m3);

h——土條高度(m);

b——土條寬度(m);

uib——孔隙水壓力。

據(jù)研究區(qū)勘察報(bào)告，下峪口溝廢渣堆基本計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 廢渣堆穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)Table 1 Slag heap stability calculation parameters

使用理正巖土計(jì)算軟件，采用折線形、簡化畢肖普法，不考慮地震作用，按不考慮水的作用和考慮水的作用兩種工況，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面法計(jì)算各廢渣堆的穩(wěn)定性系數(shù)(表2)。結(jié)果表明，各廢渣堆在干燥狀態(tài)下較穩(wěn)定，但接近極限平衡狀態(tài)，在飽水狀態(tài)下大多數(shù)不穩(wěn)定，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均位于廢渣堆斜坡上部，說明在強(qiáng)降雨、連陰雨條件下，各廢渣堆發(fā)生局部或整體下滑的危險(xiǎn)性很大。

據(jù)治理區(qū)勘察報(bào)告，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)天然濕度下廢渣邊坡坡角38°處，實(shí)測(cè)廢渣堆的平均天然休止角為:水上36°，水下 32°。其穩(wěn)定角度一般為 36°～38°，最大 40°，平均 37°。

表2 廢渣堆穩(wěn)定性計(jì)算成果表Table 2 Slag heap stability calculation results table

根據(jù)不同廢渣堆上不同剖面線穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，最危險(xiǎn)面位于廢渣堆斜坡上部，因此對(duì)廢渣堆進(jìn)行削方是最合理的邊坡治理方法。削方降坡結(jié)果見表3。

表3 廢渣堆降坡設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Slag heap downslope design results

3.2 利用數(shù)字地面模型對(duì)主溝道填充廢渣

按照治理方案一，將主溝道及支溝內(nèi)廢渣堆削坡所產(chǎn)生的廢渣運(yùn)送到主溝道中下游，按照一定坡降面，填充到主溝道內(nèi)。填充方量計(jì)算方法采用數(shù)字地面模型(DTM)。

數(shù)字地面模型(DTM)是20世紀(jì)50年代由美國麻省理工學(xué)院C.L.Miller提出來的一個(gè)概念，是對(duì)地形起伏形態(tài)的數(shù)字表達(dá)，代表著地形特征的空間分布，它由對(duì)地形表面取樣所得到的，并按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的一組點(diǎn)的平面位置和高程數(shù)據(jù)以及一套對(duì)地面進(jìn)行連續(xù)表示的算法所組成。數(shù)字地面模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)在測(cè)繪、農(nóng)林、規(guī)劃、土木水利工程、地學(xué)分析等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［5］。

土方量的計(jì)算本質(zhì)上屬于一個(gè)立體幾何的體積計(jì)算問題［6］。計(jì)算之前需用全站儀等測(cè)量工具采集計(jì)算區(qū)域的離散點(diǎn)三維位置信息(X，Y，Z)，然后將最鄰近的三個(gè)點(diǎn)連接成最貼近原始地形表面的三角形，然后以這個(gè)三角形的每條邊搜索最鄰近的另外一個(gè)離散點(diǎn)組成另外的三角形，由此類推逐步形成TIN三角剖分網(wǎng)格，建立起原始地面的數(shù)字地面模型。然后通過事先確定好的沿著主溝道方向布置的勘探剖面，按照一定傾斜率確定填方預(yù)期面的“頂高程”，和數(shù)字地面模型所確定的“底高程”相減［7］，據(jù)此就能計(jì)算出每個(gè)三角網(wǎng)格填方量。計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

h1、h2、h3——分別為三角網(wǎng)格三個(gè)頂點(diǎn)距離填方預(yù)期面的高度(m);

A——三棱柱的底面積(m2);

T——填方量(m3)。

本次設(shè)計(jì)的原始樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)地形高程控制點(diǎn)，詳細(xì)勘察時(shí)，沿主溝道縱向布置了一條勘探剖面(圖3)。首先確定剖面上每個(gè)勘探點(diǎn)的填方高度，任意兩個(gè)勘探點(diǎn)之間的填方高度使用線性內(nèi)插法計(jì)算，結(jié)果見表4。

圖3 主溝道探井位置示意圖Fig.3 Main ditch exploratory well location schematic diagram

表4 主溝道剖面填方高度Table 4 Main ditch profiles filling height

為了計(jì)算簡便，在構(gòu)造完成數(shù)字地面模型之后，常將地面劃分為正方形網(wǎng)格，當(dāng)邊長足夠小時(shí)，可以近似的認(rèn)為每個(gè)正方形網(wǎng)格和數(shù)字地面模型之間是一規(guī)則的長方體，通過計(jì)算長方體的體積就能計(jì)算出整個(gè)填充區(qū)域的開挖或填充方量［8］。

式中:

T——填方量(m3);

A——剖分正方形網(wǎng)格的底面積(m2);

h——(x、y)點(diǎn)的填方高度(m)。

利用CASS7.1軟件數(shù)字地面模型計(jì)算土方量的計(jì)算截圖(圖4)。

圖4 DTM法計(jì)算土方截圖Fig.4 DTM method of filling screenshots

通過單個(gè)方格網(wǎng)填充方量的計(jì)算，最終自動(dòng)統(tǒng)計(jì)整個(gè)溝道需要填充的廢渣方量，廢渣填充后需機(jī)械壓實(shí)，防止暴雨沖刷造成流失。

3.3 排洪渠設(shè)計(jì)

下峪口溝地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峭，溝谷深切，海拔高度410～850m，相對(duì)高差200～400m，屬低山侵蝕構(gòu)造地貌。上游支溝縱坡降40‰～150‰，兩側(cè)山坡坡度20°～40°，局部可達(dá)60°以上，坡面第四系覆蓋層厚度小，植被稀少，巖石大面積裸露地表，坡體持水性差，上游匯水面積約6.48km2，在強(qiáng)降雨條件下，雨水幾乎全部匯流于溝谷中，極易暴發(fā)山洪，據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》［9］5.2.3條和附錄G判斷，下峪口溝屬于特大型泥石流隱患溝，易發(fā)程度高。因此，需要在主溝道設(shè)計(jì)一條排洪渠，增大排水力度，防止雨水聚集沖刷攜帶廢渣成災(zāi)。

根據(jù)水力最優(yōu)梯形斷面的水力半徑R為水深h的一半原理［10］，既R=1/2×h，排洪渠設(shè)計(jì)斷面過流量及流速計(jì)算公式如下:

式中:

Q——過流量(m3/s);

W——過水?dāng)嗝婷娣e(m2);

C——流速系數(shù)(m/s);

R——水力半徑(m);

n——糙率系數(shù)，抹光的水泥抹面取 0.012［11］;

i——水力坡降取 55‰。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)溝底排水渠斷面為梯形，底寬2m，高2m，上口寬4m時(shí)，過流量為111.5m3/s。

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0239-2006)表 2-1 和表 2-2［12］，礦山地質(zhì)環(huán)境治理主體工程安全等級(jí)為二級(jí)，降雨強(qiáng)度按50a一遇考慮。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219-2006)，設(shè)計(jì)頻率地表水匯流量按下式計(jì)算:

式中:

QP——設(shè)計(jì)頻率地表水匯流量(m3/s);

φ——徑流系數(shù)，根據(jù)《渭南地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》查取，φ=0.94;

SP——設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(mm/h);50a一遇取30.0mm/h，100a一遇取 45.0mm/h;

F——匯水面積(km2)。

計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)按50a一遇最大洪水流量為98m3/s＜111.5 m3/s(實(shí)際最大過流量)，滿足最大排洪需求。因此，下峪口溝排洪渠設(shè)計(jì)規(guī)格如下:底寬2m，高2m，上口寬4m，兩側(cè)壁坡度1∶0.5，采用M7.5漿砌石砌筑，砌筑厚度0.5m，兩側(cè)壁用M10水泥砂漿勾分，渠底用M10水泥砂漿抹面，減小流通阻力。

3.4 覆土綠化設(shè)計(jì)［13］

礦山綠化工程設(shè)計(jì)要采取“喬木為主，喬、灌、草、藤相結(jié)合”的方式進(jìn)行［14］，廢渣堆降坡后達(dá)到自然穩(wěn)定狀態(tài)，在其上覆土可撒播草籽，參考韓城市其它地區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，最適宜該地區(qū)的草種為矮冬麥，耐寒、生命力強(qiáng)，固土效果好，由于治理區(qū)土源較少，因此覆土厚度不宜過厚，參考其它治理區(qū)經(jīng)驗(yàn)以10cm最為適宜。

主溝道填充完畢后形成平整的自然斜面，為了固定廢渣及恢復(fù)地貌景觀，設(shè)計(jì)在其上種植洋槐樹，洋槐性耐旱，耐寒，喜陽光，稍耐陰，在低洼積水處生長不良，深根，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，較耐瘠薄，是半干旱地區(qū)較好的綠化樹種，為了節(jié)省土源，設(shè)計(jì)采用坑狀點(diǎn)播的方式進(jìn)行種植，即按照2m×2m的間距開挖直徑為30cm的圓形坑，深度為30cm，點(diǎn)狀填充黃土，在其中種植洋槐苗，樹苗選用健康平直，長短在1～2m之間為適宜。

圖5 坑穴法種植洋槐Fig.5 Pits method of planting acacia

4 結(jié)論

(1)方案采取最優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了方案比選，按照工程施工難度、工程造價(jià)、治理效果等進(jìn)行綜合比較，最終確定廢渣降坡、清運(yùn)、主溝道廢渣填充+排洪渠+覆土綠化的方案為最優(yōu)治理方案。

(2)廢渣性泥石流隱患的治理，應(yīng)該因地制宜的制定合理的設(shè)計(jì)方案，不能一味的采取擋、截措施，如果工程質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或者遇到超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的各種工況，治理工程主體本身可能成為新的災(zāi)害源頭?？茖W(xué)合理的泥石流防治方案和減災(zāi)技術(shù)是建立在正確了解泥石流的基礎(chǔ)上。本文采用廢渣堆降坡就地填充到主溝道內(nèi)的作法無疑是較經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、科學(xué)的一種恢復(fù)治理方法。

(3)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程要充分考慮地形地貌景觀的恢復(fù)［15］，本次設(shè)計(jì)采用林草結(jié)合的方式進(jìn)行了綠化工程設(shè)計(jì)，可以極大的改觀當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛簿坝^，恢復(fù)綠地，最大限度的恢復(fù)原有的生態(tài)景觀。

［1］陜西核工業(yè)工程勘察院.陜西省韓城市桑樹坪—下峪口廢棄群采煤礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)治理工程勘察報(bào)告［R］.2011.Shaanxi Nuclear Industry Engineering Investigation Institute.The survey report of mine geological environment treatment project of the waste group coal mining area in Sangshuping-Xiayukou in Hancheng city of Shaanxi Province［R］.2011.

［2］陜西核工業(yè)工程勘察院.陜西省韓城市桑樹坪—下峪口廢棄群采煤礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)治理工程初步設(shè)計(jì)［R］.2012.Shaanxi Nuclear Industry Engineering Investigation Institute.The preliminary design of mine geological environment treatment project of the waste group coal mining area in Sangshuping-Xiayukou in Hancheng city of Shaanxi Province［R］.2011.

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