宝雨山煤矿矸石山地质环境恢复治理技术研究

刘 静，常 頔

(河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471000)

宝雨山煤矿设计生产能力60万t/a，自2001年正式投产以来以来，矿山为国家经济建设提供了大量的煤炭能源，同时也给矿区带来了土地资源破坏、地面沉陷及地裂缝、居民房屋破坏等矿山地质环境问题。目前，因开采形成的地下采空区塌陷区主要位于旱地、林地内，下沉幅度较小，塌陷特征不明显，采空塌陷发育程度弱，塌陷区内无居民点、房屋及道路等设施分布，未影响到人员安全及经济损失，且矿山开采周期较长，大部分塌陷区已经稳定，土地属性得到恢复。但是矸石山的长期堆积，不仅占用耕地，破坏地表生态环境，影响景观，存在不稳定斜坡，而且经日晒雨淋、风化、侵蚀，造成粉尘飞扬，成为周边大气污染物主要源头[1-5]。本文全面落实矿山地质环境保护与土地复垦方案试用期内的工作部署，结合矿山实际对矸石山进行地质环境恢复治理工程。矸石山地质环境恢复治理工程按照“地貌重构、土壤重构、植被重建、景观再现”的步骤[6-10]，通过采取表面修整、修筑毛石挡墙、完善矸石山及周边排水系统，覆土、植树绿化等措施改善矸石山景观，安装洒水防尘装置治理矸石山扬尘，防治矸石污染。

1 主要地质环境问题

矸石山正射影像如图1所示。

图1 矸石山治理工程示意Fig.1 Schematic diagram of gangue hill treatment project

主要地质环境问题：①土地资源破坏。主要占压耕地和林地，面积约5.69 hm2。②地形地貌景观破坏。宝雨山煤矿经过几十年来的煤矸石排放，形成了一座锥形坡体，坡度北缓南陡，自然堆放坡度较大，局部大于40°，不仅占用耕地，破坏地表生态，影响景观，而且经日晒雨淋、风化、侵蚀，造成粉尘飞扬，煤矸石堆场及周边排水系统不完善，降水直接排在坡面上，冲沟纵横，边坡失稳，矸石山山体随时都有发生滑坡的隐患，严重威胁北部紧邻的风井、主井和副井等工业场地安全，急需修筑挡土墙并完善场地及周边排水系统(图2)，彻底改变了周边生态环境，原有地形地貌景观遭到彻底破坏。③地质灾害。矸石自然堆放坡度大于40°，局部坡度在60°～80°，煤矸石堆场及周边排水系统不完善，降水直接排在坡面上，冲沟纵横，矸石山山体多处存在不稳定斜坡，随时都有发生崩塌、滑坡的隐患，严重威胁周边场地安全。④其他问题。经日晒雨淋、风化、侵蚀，造成粉尘飞扬，产生粉尘污染和视觉污染、倒矸噪音污染以及影响市容等。

图2 矸石山地形地貌景观破坏Fig.2 Destruction of topography and landforms of gangue hill

煤矸石作为资源可以综合利用，目前矸石山堆放体积约75.60万m3，年排放矸石7.20万t，消耗量有限，综合利用量很少，因此，该矸石山在相当长的时期内还不能被全部利用。矸石山进行覆土绿化不但可达到安全及环境治理的效果，煤矸石作为一种资源，还可被暂时“封存”起来，待逐年开发利用。

2 矿山地质环境恢复治理设计

2.1 设计条件和有关参数选取

矸石山位于宝雨山煤矿工业场地南侧，自然堆积，相对高差50 m左右，平面呈梨形，长轴为北西—北东向，长约310 m，宽度约294 m，斜坡的表面积为126 753.11 m2，占地面积56 886.74 m2，矸石山的总体积为75.60万m3，每年新增约7.20万t的排矸量堆积在该矸石山上，矸石自然堆放坡度大于40°，局部在60°～80°，存在多处不稳定斜坡，煤矸石容重19 kN/m3。矸石山下覆地层为第四系，下部设置保护煤柱，无采空区，勘查过程中未发现地面沉降、地裂缝等次生地质灾害，不属于采空塌陷影响区，满足一般工程建筑地基的要求。堆积场地类型为平地—斜坡型，岩性主要为褐黄色黄土和红黏土。疏松—致密、黏土含量较大，压缩系数0.022 MPa-1，内摩擦角30°，基础底面承载力特征值大于300 kPa，满足一般工程建筑地基的要求。

2.2 工程技术路线

矸石山治理总体方案是：斜坡表面整形→平台斜坡整平修路→修建毛石挡墙及截、排水槽→安装洒水养护系统→斜坡、平台覆土绿化→洒水养护。主要工程包括前期测量、地质勘查、斜坡表面整形、平台斜坡整平、毛石挡墙及截、排水槽施工、安装洒水养护系统、覆土绿化、和洒水养护等几道工序。

工程设计内容包括：①前期测量1.0 km2及地质勘查工作；②安装洒水养护系统1套，兼顾绿化喷灌；③矸石山整形面积为115 986.24 m2，土方开挖量为128 377.60 m3；④+504 m平台整平，+475、+490 m马道；⑤修建毛石挡墙487.06 m，截、排水渠工程2 051.03 m；⑥斜坡平台覆土、绿化面积115 986.24 m2，种大叶女贞239株，洒草籽11.60 hm2。

2.3 矸石山治理工程分项设计

2.3.1 矸石山修整整平工程

(1)工程设计。施工条件较差，应特别注意施工安全，应自上而下进行，整形后高度低于+504.00 m。为便于施工和绿化，斜坡修整后坡度小于30°，以稳定坡面。挖掘机、推土机在斜坡上注意施工过程中的安全，对凹处回填部分应注意压(夯)实、整平。修整平台、马道标高与面积：①沿矸石山在标高+504.00 m修平台，面积14 080.03 m2；②沿矸石山标高+490 m和+475 m根据地形修宽5 m的马道；③沿矸石山北侧整平宽5 m的养护道路，便于后期矸石山养护、施工等，长度67.84 m。

斜坡修整主要工程量见表1。

表1 矸石山斜坡修整主要工作量Tab.1 Main workload of gangue hill slope trimming

(2)主要施工质量要求。由于挖掘机、推土机在斜坡上施工，挖掘矸石严禁顺坡倾倒，应由运输车辆沿平台和临时上山道路运至宽阔处倾倒、推平。注意施工过程中的安全，对凹处回填部分应注意压(夯)实、整平。

2.3.2 毛石挡墙工程

根据地形与实际情况，毛石挡墙参照04J008国家标准图集，选2种规格，毛石挡墙ZQD2、ZQD3，截面设计如图3所示。

图3 毛石挡墙设计Fig.3 Rubble retaining wall design

砌筑材料采用毛石和C25混凝土，设计长度共计487.06 m，高度根据地形适当调整。①高2 m的毛石挡墙每延米毛石挡墙砌体体积1.49 m3，浆砌块石工程量389.46 m3，下部嵌入平台面以下1 m，设计每延米挖方0.53 m3，挖方工程量137.28 m3，填方工程量137.28 m3。②高3 m的毛石挡墙每延米毛石挡墙砌体体积2.70 m3，浆砌块石工程量609.34 m3，下部嵌入平台面以下1 m，设计挖每延米挖方0.76 m3，挖方工程量171.47 m3，填方工程量171.47 m3。毛石挡墙砌筑工程量共计浆砌块石998.79 m3，挖方量总计308.75 m3，填方工程量共计308.75 m3。

毛石挡墙顶部采用强度C25细石混凝土抹面，高2 m的毛石挡墙每延米面积为0.60 m2，厚度为0.02 m，砂浆抹面面积156.83 m2。高3 m的毛石挡墙每延米面积为0.57 m2，厚度为0.02 m，砂浆抹面面积128.64 m2。共计砂浆抹面面积285.47 m2。下部靠近地面位置设2排泄水孔，用PVC管道，孔径110 mm，间距3.00 m，排水孔向外倾斜7%，PVC管道长277 m。沉降伸缩缝每隔15 m设置1道，缝宽20～30 mm。设计工作量见表2。

表2 矸石山毛石挡墙主要设计工程量Tab.2 Main design engineering quantity of gangue hill rubble retaining wall

2.3.3 截、排水槽工程

(1)工程设计。在平台及矸石山外围砌筑截、排水槽，截、排水槽设置位置：①+504 m平台与坡面交界处，以避免平台上的雨水和养护用水冲刷矸石斜坡；②马道靠近坡顶侧设置截、排水槽，可将斜坡上的雨水起到分流作用；③矸石山底部四周毛石挡墙内设置接、排水槽，防止雨季雨水排泄不畅；④平台马道之间设置竖向排水槽连通，保证坡面汇聚水流可顺利引至山底。据《河南宝雨山煤业有限公司宝雨山煤矿环境影响报告书》中介绍，该矿矸石浸出液无论排入地表水体或下渗进入地下水体均不会对地下水构成污染。“一般情况下，矸石临时堆放场地不会有雨水渗出，即使在暴雨时，洪水冲刷排矸场有可能携带大量泥沙和矸石进入排水沟时，也仅会使地表水SS短时浓度升高，由于沟底的过滤作用，矸石浸出液对地下水水质的影响很小。 ”从表3可知，该矿矸石属一般一类固废，可做一般处置，不需防渗处理。

表3 煤矸石浸出试验结果Tab.3 Coal gangue leaching test results

截、排水槽为采用购买的整体梯形槽，长度为2 035.65 m，尺寸如图4所示。 挖方工程量1 017.83 m3，固废清运1 017.83 m3，可就近排入五3排矸场。混凝土砂浆抹面前沟槽要夯实，每延米夯实1.6 m3，夯实工作量2 442.78 m3。槽底设厚0.1 m的混凝土垫层，长度2 035.65 m，混凝土总用量81.43 m3。

图4 截、排水槽断面砂浆抹面示意Fig.4 Schematic diagram of mortar plastering of section and drainage groove

雨水经截水槽流入矸石山东侧泄洪沟内。设计工作量见表4。

表4 截、排水槽主要设计工程量Tab.4 Main design engineering quantity of cutting and drainage groove

(2)施工质量要求。截、排水槽垫层用水泥砂浆强度不低于C25，厚度不小于1 cm，底部与侧边夯实，并保证表面平滑，流水畅通。

2.3.4 矸石山养护系统工程

①敷设喷水管网。根据矸石山形状，围绕设置的79个旋转式喷头(间距小于20 m)敷设耐压无缝钢管(φ80 mm、壁厚4.5 mm)喷水管道，管道长度为3 595.86 m，为保证管道稳定，沿设计管线位置间隔10～20 m修筑锚杆以固定管道，锚杆顶部搭设跨路桥架，锚杆长度1.00 m，埋入矸石0.50 m，在矸石山顶、低及坡腰周边安装高压喷水支架和喷头，与矸石表面垂直。②水泵与泵房为矿上原有，本系统不再重新设计。③浇注设备基础，砌筑管道固定墩，搭设跨路桥架。④安装工作在对矸石山修整完成后进行。敷设上山管道和矸石山顶部喷水管网，保证矸石山斜坡修整过程中除尘需求。⑤水、电从宝雨山煤矿工业场地敷设引出，洒水范围整个治理区范围，蓄水池为矿区矸石山北侧现有，不再重新设计。主要设计工程量见表5。

表5 宝雨山煤矿矸石山养护系统主要设计工程量Tab.5 Main design engineering quantity of gangue hill maintenance system in Baoyushan Coal Mine

2.3.5 绿化工程

(1)工程设计。由于煤矸石在风的作用下风化颗粒粗，大孔隙多，表层保水性差，故，土壤覆盖是改造矸石山并使其绿化的基础。在矸石山马道上覆种植土厚度60.00 cm，在平台和斜坡上覆种植土厚度30 cm。在+504.00 m平台外侧边缘修建土坎，防止水土流失，平台外侧边缘喷射底宽50 cm，顶宽30.00 cm，高度30.00 cm的土坎，长度496.84 m。每延米土坎体积0.12 m3，用土量59.62 m3。

(2)绿化设计。在马道上按2 m×2 m间距种植带土球大叶女贞249株，树坑规格为0.5 m×0.5 m×0.5 m。在平台和斜坡上，播撒由刺槐、榆树、榕树、侧柏和油松种子混合而成的草籽40 kg/hm2。播撒面积11.60 hm2。养护用水用电等均由矿方负责。

矸石山绿化主要设计工程量见表6。

表6 矸石山绿化主要设计工程量ⅠTab.6 Main design engineering quantity of gangue hill greening

(2)施工质量要求。①植大叶女贞间距2 m×2 m，要求地径2 cm以上，苗高150 cm以上，苗木选择生长健壮、无病虫害、无机械损伤、树形端正和根系发达的树苗。植树后其养护期36个月，根据土壤墒情定期及时浇水养护，及时补苗，保证苗木成活率100%。②后期养护。指派专人负责，根据季节、天气和基层含水量定期进行喷灌，注意病虫害的防治。③耕土选用工地附近的地表优质种植土，达到《河南省矿山地质环境恢复治理工程勘查、设计、施工技术要求》中覆土土壤环境质量Ⅲ级及以上；覆土要压实，覆土厚度误差不超过2 cm。

3 环境效益

通过本项治理工程的实施，使矸石山周边的环境得到了改善、恢复，消除了矸石可能引发的崩塌灾害隐患，减少了其对大气的污染，矿区景观得到了美化，居住在矸石山附近的居民和矿山企业(宝雨山煤矿)办公及生产、生活环境大为改观，净化了空气质量，有助于提高居民的身体素质和健康水平，居民得以安居乐业，职工安心工作，有力地促进了矿山企业文化的建设。

4 结语

矸石山治理的最大效益体现在缓解了矿、地矛盾，改善了当地居民居住环境和生活质量，消除了社会不安定因素。