木里煤田江仓四号井露天采坑回填及地表生态恢复研究

王 凯

(兰州煤矿设计研究院，甘肃 兰州 730000)

青海木里煤田位于青海省海西州和海北州境内，区内海拔多在+3700m以上，生态环境脆弱。矿区开发初期，大部分矿井采用露天开采。依照国家环保政策要求，青海省人民政府办公厅 以“关于印发木里煤田综合整治工作实施方案的通知” (青政办[2014]143号文)及“关于印发祁连山自然保护区和木里矿区生态环境整治工作责任分工方案的通知”(青政办[2014]174号文)文件要求[1，2]，木里矿区所有煤矿企业停止一切露天开采，推动矿区逐步转入井工开采模式，转入井工前，采坑必须综合整治为矿井井工生产提供必要的安全保障，并保证生态环境的逐步恢复。

1 江仓四号井露天开采现状

1.1 采坑现状

采坑东西长、南北窄，矿坑占地面积为55.58hm2。矿坑底部南北宽约60～80m，东西长850m，坑口南北宽约520m，东西长1300m。坑底至地表相对高差120～170m，坑底平面呈中间低两边高之势。东边帮最终边坡角为46°，西边帮最终边坡角为18°，南边帮最终边坡角为28°～38°，北边帮最终边坡角为35°～37°。

1.2 地面排土场现状

南排土场位于采坑南面，排土场东西长约1580m，宽约300m，总高度约55m，呈西—东方向延伸。分为三个台阶，占地面积约42.08hm2。

北排土场位于矿坑北面，排土场东西长约1700m，最宽处约560m，总高度约81m，呈近西—东向延伸。分为五个台阶，占地面积约80.36hm2。

2 采坑及排土场边坡稳定分析计算

设计认为江仓四号露天矿滑坡模式可能为张裂缝—圆弧型滑坡，如图1所示。计算方法采用简化Bishop法对其进行稳定性分折计算。

图1 张裂缝-圆弧型滑坡滑动模式图

2.1 采坑边坡稳定分析计算

经计算，东、南边帮边坡的稳定系数分别为1.294、1.005。其稳定系数小于《煤炭工业露天矿设计规范》推荐的稳定系数为1.3～1.50[3]。故该东、南边帮是不安全的。需要进行边坡修整，修整后的最终边坡角为40°，修整后的边坡经计算其边坡的稳定系数为1.42。

采坑北帮、西帮边坡的稳定系数分别为1.376、3.198，大于《煤炭工业露天矿设计规范》[4]推荐的稳定系数为1.3～1.50。故北、西边帮的边坡是安全的，不需要修整。

2.2 排土场边坡稳定分析计算

南、北排土场边坡高12～66m，设计分别从不同角度进行了稳定性计算。根据《煤炭工业露天矿设计规范》，设计推荐的稳定系数为1.2～1.5。经分析计算，边坡角在18°时，该边坡有最小稳定系数，为1.281，排土场最终稳定性边坡角为18°，为圆弧—直线型滑面。根据业主提供的排土场的实测地形图，南排土场最终边坡角为18°～40°，北排土场最终边坡角为15°～34°，对南、北排土场最终边坡角大于18°的边坡需进行消减作业。

3 采坑回填

3.1 回填方案确定

露天采坑深120～170m，为防止露天采坑将来积水对井工开采的危害，本次回填治理考虑了二个方案。

1)方案一为采坑部分回填整治方案，回填高度在考虑留设30m煤柱的基础上，按大于下一步井工开采防水安全煤柱的要求设计，在此基础上确定相应的回填高度。为进一步降低采坑积水对井工开采的危害将在回填后的采坑内安设常年排水泵。

2)方案二为采坑全部回填整治方案，即设计的回填深度与矿坑高度相同，充分利用排土场渣料，回填后的采坑表面与周边地形一致，并形成自然流水坡度。

经方案比较，在满足井工开采安全的基础上，方案一能及时的进行回填作业，进而满足采坑综合整治工作时间的要求，且回填投入费用少，经济上较为合理。故推荐方案一。

3.2 回填高度的确定

按照推荐方案的要求，回填高度与留设煤柱高度之和须大于水体保护煤岩体高度[5]，即：Ht≥H。式中，Ht为采坑填埋高度与留设煤柱之和，m；H为井工开采水体保护煤岩体高度，m。

3.2.1 导水裂隙带高度计算

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的附录六“水体下采煤的安全煤岩柱留设方法”的规定进行计算[6]：

导水裂隙带高度计算公式为：

式中，Hli为导水裂隙带高度，m；∑M为累计采厚，按煤层厚度15.62m计算。

经计算导水裂隙带高度最大为60.23m。

3.2.2 保护层厚度选取

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的“水体下采煤的安全煤岩柱留设方法”，防水安全煤岩柱的保护层厚度取14m[6]。

3.2.3 回填高度的确定

根据上述计算，留设75m高度保护煤(岩)柱为井工开采时的巷道安全最小保证高度。考虑井工开采时留设30m煤柱，则岩柱最小回填高度应为45m。结合矿坑实际，考虑矿坑回填须形成一定的平整治坡面，回填深度取55～67m，加留设煤柱30m，则Ht=85～97m，Ht不小于保护煤岩柱高度75m，可见，Ht=85～97m时满足要求。其中煤柱留设30m，基底防水复合凝固材料20m，回填渣料35～47m。

3.2.4 回填方法

采坑回填作业具体要求及做法为[7，8]：

1)对采坑坑底进行基底平整，并对采坑坑底进行基底防水处理。

2)在基底防水处理后，对采坑进行渣土回填至最终标高差2m处，矿坑的回填坡度为由西部向东部按1%的流水坡度进行回填，每回填0.5m厚度进行一层洒水碾压，压实度不小于0.85。

3)达到最终标高差2m处，铺一层“无纺土工布+防水膜”。

4)在其上铺2m厚的渣土，每回填0.5m厚度进行一层洒水碾压，压实度不小于0.85，采坑回填如图2所示。

图2 采坑回填示意图(m)

3.2.5 回填物成分要求

1)防水复合凝固层。其成分主要为砂砾土，并加入5%的水泥以提高凝结程度，压实度不小于0.90。砂砾最大粒径不宜超过40mm，压碎值不大于35%。水泥采用普通硅酸盐水泥。砂砾土来源为基底平整及采坑边坡消减渣石量。

2)其他材料。无纺土工布选用针刺无纺土工布，规格为400g/m2，宽度5m，厚度0.6mm；防水膜选用LD-58环保型，厚度0.4mm。

4 地表生态恢复

地表生态恢复区域包含露天矿外排土场(南、北两个排土场)和回填后的矿坑表面。

4.1 植被选择

植被选择青海当地生产的、适宜青藏高原生长的多年生禾本科牧草，以市场供种相对充足的披碱草、早熟禾等乡土草种。要求种子的质量达到国家规定的三级标准以上。根据立地条件，尽量选择混草种播种，选择的配置模式为“早熟禾+星星草+披碱草”，每亩播种量为20kg，其中：早熟禾5kg，星星草5kg，披碱草10kg。

4.2 农艺措施

地表生态恢复的主要农艺措施是：采取人工撒播或机械条播，人工撒播一定要保证种子的播种深度，机械条播行距应采取15cm的小行距，保证种子出苗后及时覆盖地表。其工艺流程为：客土→人工地面平整→大小粒草种及化肥撒播→人工耙平→人工镇压→薄膜铺设、洒水→围栏封育。

1)客土：在地表平整工作完成后，要清除地表砾石，然后拉铺20cm厚的种植土(种植土有机质含量要达到3%以上，土壤全氮含量0.3%以上)，种植土拉填后要进行一次镇压，以创造良好的苗床和适宜植物生长发育的立地条件。

2)人工地面平整：去除5cm以上的石块，随地形耙平地面，耙地深度7～8cm。

3)草种及化肥撒播：根据选定的草种类型和数量与磷酸二铵底肥(0.075kg/m2)混合后人工均匀撒播。

4)人工耙平：将草种和化肥耙入土壤0.5～1cm。

5)人工镇压：人工使用器械均匀的将地面适度拍实，使草种与土壤充分结合。

6)薄膜敷设、洒水：薄膜铺设后，适度洒水、使薄膜与地面充分贴合。

5 矿坑防排水

5.1 地面防排水

为防止地表汇水流入矿坑，矿坑周围在生产时已建有排水沟。其规格为1.0m×1m×1.5m(底宽×深度×帮坡)。经计算，已有排水水沟满足地面防排水需要。

5.2 采坑内防排水

5.2.1 采坑排水设施的布置

采坑整治后的表面形成1°的自流面，在矿坑东侧自流面的最低处设矿坑集水池，与固定排水泵站为一体。集水池容量为200m3，长×宽×深为10m×10m×2m，池壁用混凝土浇灌，厚度300mm。

5.2.2 排水量估算

矿坑内降雨径流量计算结果见表1。经计算，采坑正常排水量为69.1m3/h；暴雨排水量为149.65m3/h。

5.2.3 排水设备选择

矿坑排水设备选型按正常排水期和暴雨排水期分别选择：正常排水期水泵每天按20h工作时间进行计算；暴雨时期排水设备按照“7日暴雨量7日排出”进行计算。排水设备及管路见表2。

表1 矿坑内降雨径流量计算成果表

表2 排水设备及管路表

6 结 论

1)通过对江仓四号井露天开采后的采坑及排土场进行综合整治，达到恢复地表生态环境目标；同时，进一步消除了露天采坑对井工开采产生的不安全因素，减少了对井工生产的威胁和危害。

2)在采坑及排土场边坡稳定计算中，由于地区多年冻土广布，受冻土层季节融化层及冻胀性影响，容易产生不良的工程地质问题。冻土对边坡稳定有很大的影响，其滑动模式应在常规的滑动模式基础上进行修正，但由于目前缺乏这方面的研究，暂不能确定相应参数，只有通过加强监测的方法来进行防治。