矿山排石场地质灾害防治及地质环境修复

张立钊

(沈阳市应急管理事务服务中心，辽宁 沈阳 110052)

0 引言

我国科技工作者和工程技术人员开展了大量的矿山地质灾害和生态修复的科学研究与工程实践，李霞(2022)分析了矿山地质灾害的形成原因和类型，提出矿山地质灾害防治和地质环境保护工作策略，确保矿山地质灾害的防治效果及矿山开采工作的安全性和稳定性[1]；马学洪(2021)对矿山地质灾害形式、导致原因进行分析，并对治理和修复的原则及方法进行探讨[2]；吴家旭等(2021)对矿山地质灾害的防治以及土地复垦工作，进行了探讨[3]；严梅(2021)对矿山地质灾害防治与地质环境保护进行了探究[4]；苑泉(2020)、杨飞(2022)、杨阳(2021)对矿山地质灾害防治与地质环境保护进行了分析研究[5-7]；武跃跃等(2021)对滑坡地质灾害进行了危险性评估研究[8]。张立钊等(2012)采用层次分析法开展了矿山地质环境承载力评价研究[9]；韩琳琳(2021)对塌陷区开展了矿山地质环境治理与土地复垦工程设计研究[10]；刘家橙(2021)对银家沟矿山环境治理开展了分析研究工作[11]。本文以某露天开采的菱镁矿山为例，对采矿活动形成的动态排石场进行支挡设计，以减低或消除矿山排石场带来崩塌、泥石流等次生地质灾害，并结合实际进行客土覆盖绿化恢复矿山地质环境，以期为类似工程提供交流。

1 矿山概况

1.1 自然地理

某矿山地处北温带，属大陆性季风气候，年平均气温8.4℃，降雨多集中在6～8月份，年平均降水量为821.5 mm。矿区处于构造剥蚀低山丘陵地貌单元上，地势北高南低，最高海拔461 m，最低海拔227 m，相对高差234 m，已经开采多年，已经形成露天采坑、松散堆积体等人工地貌(图1)。露天开采形成人工边坡和人工堆积地貌相间分布，人工地貌较发育。土壤类型主要为棕壤土类。

图1 项目区地形地貌图(奥维地图)

1.2 水文地质和工程地质条件

1.2.1 水文地质条件

根据地下水的赋存条件，矿区内地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水。①第四系松散岩类孔隙水，单位涌水量3.71 L/s·m，渗透系数67 m/d；②基岩岩隙水，含水层岩性主要为大石桥组的变粒岩及片岩。流量小于0.8 L/s；③碳酸盐岩岩溶裂隙水，单位涌水量0.0224 L/s·m，渗透系数0.0513 m/d。

1.2.2 工程地质条件

地质勘查工作中，对岩矿石做了系统的物理试验，试验结果：①岩、矿石的不同粒径块度堆放一起，初时测的安息角为45°，日久后测的安息角为35°～38°；②岩、矿石的抗压、抗剪强度测定，详见岩石力学性质试验结果(表1)。按岩石抗压强度与定性划分标准，矿石及其顶底板大理岩均属坚硬的类别。

表1 岩石力学性质试验结果表

2 排石场地质特征

排石场的安全和绿化是绿色矿山建设中的关键和难点。生产矿山的排石场是动态的，随时接受废石的排放，接受动态荷载，同时，由于菱镁矿的价值高，还要进行废石回收翻选，这样一个动态的过程给覆土绿化带来了困难，并且经过翻选废石压实度不高，遇到雨水还有发生滑坡、泥石流地质灾害的可能。

项目区矿山排石场置设于矿区南侧沟谷上游山坡处。矿区出露地层为辽河群大石桥组三段和第四系。第四系由腐殖土、亚粘土、砂砾石组成，分布在山坡、沟谷冲积地带，一般厚度0.5～5 m。

根据现场调查，废石堆积体松散，在今后生产排石过程中，扰动频繁，稳固性较差，经过雨水冲刷，有小规模滑塌现象(图2)。因此认为，动态排石场地废石堆置稳定性为不稳定。在今后生产排石过程中，扰动频繁，稳固性较差，从而为泥石流地质灾害发生提供了物源。位于沟谷上游山坡处，提供了地形条件。

根据当地气象资料，当地年均降水量821.5 mm，但多集中在6～8月份，且多暴雨，为泥石流的发生提供了水源条件。可能引发的地质灾害主要为滑坡、崩塌及泥石流。若发生泥石流地质灾害，直接威胁排石场下游的采矿场内人员设备，以及下游的村庄及厂房，受威胁人数10人至100人，可能直接经济损失大于100万小于500万，危害程度中等，其危险性中等。动态排石场可能引发的地质灾害主要为滑坡、崩塌及泥石流，可能性中等，危害程度中等，其地质灾害危险性中等。

图2 排石场松散边坡

3 排石场地质灾害防治及地质环境修复

3.1 地质灾害防治工程

在排石场下游设置两道挡墙，上下布置两级挡墙，以防治和降低滑坡、泥石流地质灾害带来的危害。挡墙设计高度均为10 m，第2道挡墙墙趾距离第1道挡墙内侧墙肩3.5 m(见图3)。

图3 挡墙剖面图

两道挡墙具体规格如下：

(1) 第一道挡墙规格

按图示尺寸开挖基槽(图3、图4)，开挖到基岩，基岩fak不小于400 kPa，进入基岩深度不小于0.4 m，地面坡度0.25:1；基础采用C20毛石混凝土，厚度0.6 m；墙身采用浆砌石，砂浆强度M10，毛石强度不小于M30，墙顶宽度2.0 m；墙身面坡坡率1：0.35，背坡坡率1:0.25，距离墙底0.5 m设排水孔，排水孔规格0.5×0.5 m，排水孔内为干砌石，两侧端部2.0 m内包格栅网。砌筑砂浆强度等级为M10，块石料抗压强度不得低于MU30。墙面M10水泥砂浆勾缝(凸缝)。墙顶用水泥砂浆抹平，厚度20 mm。挡墙墙趾处设置排水沟，墙趾排水沟设在坝坡每个平台内侧，呈矩形断面，M10浆砌石结构，砌石强度MU30，净断面尺寸为(宽深)0.4 m×0.4 m，壁厚0.3 m；墙底和墙底排水沟衔接处用浆砌块石砌筑至排水沟基础。

图4 第一道挡墙立面图

(2) 第二道挡墙规格

按图示尺寸修整基槽(图3、图5)，基槽回填碎石fak不小于300 kPa，地面坡度0.10:1；基础采用C20毛石混凝土，厚度0.4 m；墙身采用浆砌石，砂浆强度M10，毛石强度不小于M30，墙顶宽度1.2 m；墙身面坡坡，1：0.30，背坡坡率1：0.20；距离墙底0.5 m设排水孔，排水孔规格0.5 m×0.5 m，排水孔内为干砌石，两侧端部2.0 m内包格栅网；砌筑砂浆强度等级为M10，块石料抗压强度不得低于MU30。墙面M10水泥砂浆勾缝(凸缝)。墙顶用水泥砂浆抹平，厚度20 mm。挡墙墙趾处设置排水沟，墙趾排水沟设在坝坡每个平台内侧，呈矩形断面，M10浆砌石结构，砌石强度MU30，净断面尺寸为(宽深)0.4 m×0.4 m，壁厚0.3 m；墙底和墙底排水沟衔接处用浆砌块石砌筑至排水沟基础。

图5 第二道挡墙立面图

经过验算，第一道挡墙滑移验算满足：Kc=5.078>1.300，倾覆验算满足：K0=8.159>1.500，地基应力及偏心距验算，基础强度验算满足规范要求；第二道挡墙滑移验算满足：Kc=4.136>1.300，倾覆验算满足：K0=6.431>1.500，地基应力及偏心距验算，基础强度验算满足规范要求。两道挡墙抗滑移抗倾覆等参数均满足要求。

(3) 截水沟设置

为了降低和减少雨季降水汇入排石场，在排石场顶面与山体交接处设截水沟，呈倒梯形断面(图6)，M10浆砌石结构，砌石强度MU30，上口净宽0.8 m，底宽0.5 m，净高0.6 m，壁厚0.3 m。各截水沟沟底坡比不小于0.01，截水沟每20.0 m设一条伸缩缝，遇坡度变化或地基岩性变化处需加设沉降缝，缝宽20 mm，缝内填塞浸沥青松木板。

图6 截水沟大样图

3.2 地质环境修复工程

为提高矿山植被覆盖率和景观，在两道挡墙之间3.5 m范围内，栽植1排刺槐或油刺槐。地径3 cm以上的I级苗，株距1.5 m，每穴一株。为绿化挡墙，在挡墙墙趾排水沟外侧栽植三叶地锦，向上攀爬。在挡墙顶部外侧0.3 m处栽植1排五叶地锦向下顺爬。三叶地锦、五叶地锦均株距0.2 m，每穴1株。为保持水土并能及时复绿，在两道挡墙之间平台上播撒紫花苜蓿籽，播撒密度为50 kg/hm2。

4 结论

(1) 矿山在采矿活动过程中建设排石场存放产生的废石、挖损的土地。不仅占用土地资源，还带来崩塌、泥石流等地质灾害隐患，破坏地质环境，威胁矿山安全生产。

(2) 本文以某露天开采的菱镁矿山为例，对采矿活动形成的排石场进行支挡设计，设置两道高大挡墙进行支挡以保证排石场的安全，根据验算各项指标参数满足规范要求。

(3) 支挡工程降低或消除矿山排石场带来崩塌、泥石流等次生地质灾害，并为客土覆盖绿化恢复矿山地质环境提供平台，恢复矿山地质环境的同时为矿山安全生产提供保障，促进矿山开采与环境保护的协调发展。