煤矿地质生态环境治理技术研究

王进聪,马 杰,赵凯军,蒋拉弟,李博文

(甘肃省地矿局 第二矿产勘查院,甘肃 兰州 730020)

研究区某煤矿井工开采二1煤、七4煤,开采标高+720 m～+1 350 m,开采规模60万t/a。自矿山取得采矿证以来,由于市场环境和政策性因素,矿山一直处于建设期,至2022年初才开始试生产。经野外调查实测,在主副井工业场地建设和井巷掘进过程中,企业将排弃的土方、废矸石(13.86万m3)无序地堆存在冲沟内,现状已形成2个矸石场和1个因矸石堆存造成的村庄拆迁区,面积共计4.35 hm2,对地形地貌景观的影响和破坏程度严重;另位于工业场地西北侧的矿井涌水排水明沟,长约750 m,现状沟渠淤积、破损严重,影响矿井涌水外排。

基于此,本文研究了煤矿地质生态环境治理技术,消除了地质灾害隐患,又有利于煤矿安全生产,提高煤矿生产效率,降低生产成本[1-5]。对地质环境问题区进行植被恢复,治理复垦土地面积4.63 hm2,其中复垦旱地2.33 hm2、灌木林地0.26 hm2、农村道路0.15 hm2,采矿用地1.89 hm2(按灌木林地标准临时复绿)。提高了土地利用效率,有效保护了农民财产安全,增加了农民收入。

1 治理区概况

1.1 治理区面积

根据野外勘测和室内资料整理,本次治理范围为:矸石场A、矸石场B、村庄拆迁区,面积共4.35 hm2,设1个拟填方区,面积0.42 hm2,共划分为2个治理区;另设1个取土场,面积0.28 hm2;对排水明沟(与排水暗涵和河流相连段)清淤和局部修复;在首采区布设村庄塌陷监测点。

1.2 治理区场地构成

根据野外勘测和室内资料整理,本次治理区场地由矸石场A、矸石场B、村庄拆迁区、取土场、塌陷变形监测区、排水明沟组成。其中,矸石场A、矸石场B、村庄拆迁区、拟填方区、取土场面积共4.63 hm2,塌陷变形监测区约1.55 hm2,修复排水明沟约750 m。治理区相对位置如图1所示。

图1 各治理区相对位置Fig.1 Relative position of each governance area

治理区各场地面积见表1。

表1 治理区各场地组成统计 Tab.1 Statistics on the composition of each site in the governance area

2 矿山地质环境问题

2.1 地质灾害

根据现场测量,并结合钻探资料,治理区及周边100 m范围内,未发现崩塌、滑坡、采空塌陷、地裂缝等地质灾害,地质灾害发育弱,危险性小。

2.2 对地形地貌景观和土地资源破坏

经野外调查实测,在主副井工业场地建设和井巷掘进过程中,将排弃的土方、废矸石(13.86万m3)无序地堆存在2个冲沟内,现状已形成2个矸石场和1个因矸石堆存造成的村庄拆迁区,面积共0.80 hm2。其场地分布如图2所示。2个煤渣堆存区对位于村庄密集区的地形地貌景观破坏和影响的程度严重,给百姓生产生活造成严重影响。

图2 治理区现状Fig.2 Current status of governance area

(1)矸石场A。①现状堆存情况:矸石场A占地面积1.64 hm2,为矸石、基坑图堆积地貌,最北部可见基坑土堆积,高度10～12 m,中间高外围低,标高+761.36～+776.93 m,相对高差15.57 m,矸石堆存高度2～15 m,堆存方量约7.2万m3;渣源不稳定,可见多个开挖口(图3)。②场地四周:南端紧邻工业场地围墙,东侧为入场道路,西侧为村庄拆迁区,北端紧邻村村通道路。③环境治理情况:经现场调查,矸石场A进行过临时治理,主要工程措施为排水暗涵、暗井的施工,渣源原地整形,平铺覆土,受渣坡影响覆土厚度0.3～1.0 m,撒播草籽,主要草种有狗牙根、胡枝子、蒿草。

图3 矸石场AFig.3 Gangue yard A

(2)矸石场B。①现状堆存情况:矸石场B占地面积1.91 hm2,位于冲沟内的渣堆堆积地貌,南端高北端低,标高+753.10～+765.80 m,相对高差12.70 m。矸石堆存高度3～10 m,堆存方量约4.7万m3;渣源不稳定,可见多个开挖口。②场地四周:南端紧邻村村通道路、东西两侧为荒坡地貌,北部为冲沟地貌。③环境治理情况:经现场调查,矸石场B几乎未进行过治理,局部可见防尘网覆盖,另可见野生灌草直播,如狗牙根、胡枝子、蒿草。

2.3 水土污染问题

(1)废水排放对土壤环境的影响。该矿山目前正在试开采,矿井正常涌水量23 840 m3/d,矿山已建设3座斜管沉淀设备(处理能力Q=400 m3/d)对矿井排水进行处理,处理后的矿井水(40 m3/d)供工业场地地面除尘绿化用水,另经处理后的水部分(710 m3/d)经深度处理后供工业场地生产生活用水,多余部分(23 090 m3/d)外排至“砼暗涵”,最终经排水渠排向附近河洪道。矿山企业已建立实时监测系统,经沉淀处理后的外排矿井水水质CD为45 mg/L、SS为16 mg/L,能够满足《污水综合排放标准》(GB8978—1996)二级标准的要求。

(2)固体废弃物对土壤环境的影响。2020年7月9日,采矿权人委托检测机构对矿山矸石取样,进行淋融水检测,检测因子为:pH值、汞、铅、镉、六价铬、铜、锌、砷、氟化物、氰化物共10项。检测结果表明,矸石浸出液中任何一项污染物浓度均未超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅳ类标准的限定值[6-8],同时满足《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中农用地土壤污染风险筛选值的要求。因此,现状条件下,矸石淋融水对项目区地下水、地表水及土壤环境影响较轻。

综上所述,现状条件下,项目区生产活动对地下水、地表水及土壤环境质量的影响较轻。

3 土地复垦适宜性评价与渣土水平衡分析

3.1 土地复垦适宜性评价

对待复垦土地进行复垦方向的适宜性评价,目的是通过评价来确定复垦后的土地用途(复垦方向),以便合理安排复垦工程措施和生物措施[9-13]。

3.1.1 划分评价单元

划分评价单元是开展土地适宜性评价的基础,同一评价单元内土地特征及复垦利用方向和改良途径应基本一致。本项目的评价单元采用综合划分的方法,即以治理区土地利用现状图为底图,将“治理区范围线”“地类图斑”及“地形图”进行叠加后,形成不同性质的斑块,将部分面积较小且性质相近的图斑进行合并,最终划分15个评价单元(D1—D15),见表2。

表2 评价单元划分Tab.2 Evaluation unit division

3.1.2 复垦适宜性等级评定

经过将评价单元土地质量状况与评价因子的农、林、草评价等级标准进行逐项比配,得出项目区土地适宜性评价结果,结合原地类,确定最终复垦方向,见表3。

表3 评价单元农林草适宜性评价结果Tab.3 Evaluation results of agro-forestry-grass suitability evaluation unit

3.1.3 划分复垦单元

根据评价单元的最终复垦方向,从工程施工角度将采取的复垦标准和措施一致的评价单元合并作为一类复垦单元,治理区共划分15个土地复垦单元。

3.2 渣、土、水平衡分析

3.2.1 渣源挖填平衡分析

该矿山废渣(主要为矸石、废墟)共计13.86万 m3,包括2个矸石场堆存的煤矸石和1个拆迁区村庄拆除的废墟。总体目标是实现场内挖填平衡,平衡方案:治理一区废渣共计9.16万m3,其中煤矸石9.04万m3,拆除建筑废墟0.12万m3。设计将矸石全部清运完毕,拆除的建筑废墟和一部分煤矸石回填村庄拆迁区场地低洼处,一部分回填矸石场B,剩余运往附近煤矸石砖厂综合利用。

3.2.2 土资源平衡分析

(1)治理区自身供土量。2个治理区本身可供表土来源为治理一区矸石场A临时复垦时的覆土,经槽探厚度0.4～1.2 m,平均厚为0.5 m,收集率70%,则可供土5 740 m3;矸石场A北端为基坑土堆积,堆积高度5～15 m,堆积面积500 m2,堆积量约3 600 m3。则治理区本身合计供土方量9 340 m3。

(2)取土场。治理区本身供土不足以满足需土要求,设计1个取土场,剖面为棕黄色粉土、粉质黏土,保水性较好,较稳定。2020年7月9日,采矿权人委托检测公司对项目区土壤环境背景值进行检测,认为项目区土壤环境因子背景值均低于标准值,土壤生态环境风险低。取土场:面积0.28 hm2,平均取土深度为6.0 m,形成1级平台和1级边坡(坡度80°),可取土量16 800 m3。

综上,治理区本身供土量、取土场可取土量之和为26 140 m3。

(3)表土供需平衡分析。通过对复垦区内的可供表土量和覆土量进行分析比较,土资源可供给量为26 140 m3,土资源需求量约为24 350 m3。故复垦区内可供表土量能满足复垦所需土量要求。

3.2.3 水资源平衡分析

(1)供水量分析。根据现场调查,治理区可供水源仅为矿坑涌水,经斜管沉淀设备处理后,并进行水质分析检测,可供林木灌溉,不能供农作物灌溉。矿井正常涌水量为23 840 m3/d(年排放量达870万m3),经斜管沉淀设备处理后的矿井水(40 m3/d)供工业场地除尘绿化用水,另经处理后的水(710 m3/d)经深度处理后供工业场地生产生活用水,多余部分(23 090 m3/d)外排至“砼暗涵”,最终经排水渠排向附近河洪道。

(2)需水量分析。项目治理复垦时矿坑未闭坑,可以利用矿坑涌水进行灌溉,矿坑年涌水量最小为870万m3,年复垦最大需水量为3 625 m3,完全可以满足土地复垦的要求。

4 地质环境治理设计

4.1 治理一区地质环境治理设计

将矸石场A、村庄拆迁区划为治理一区,面积共2.44 hm2。主要治理工程为民房拆除、矸石清运、场地整形、排水沟。

(1)拆迁区民房拆除。矸石场A西侧为村庄,标高+761～+763 m,低于矸石堆5～20 m;村庄内有3处民房,共16间,建筑为1～2层砖混结构。受矸石堆存影响,矿山企业已对其进行搬迁补偿,设计对建筑物进行拆除,废墟就地摊平。

(2)矸石场A废渣清运。对矸石场A废渣进行全部清运,根据渣源平衡分析,清运量共计9.16万m3,设计将矸石全部清运完毕,拆除的建筑废墟和一部分煤矸石(1.55万m3)回填村庄拆迁区场地低洼处,一部分(2.16万m3)回填矸石场B,剩余(5.45万m3)运往附近煤矸石砖厂综合利用。

(3)场地整形。设计对清运后的矸石场A和回填后的村庄拆迁区进行场地整形,根据场地原始地貌,整形为小于2°的缓坡平台,总体地势北高南低、西高东低,整形后场地标高+765.5～+759.80 m,最大相对高差5.7 m。

(4)排水沟。现场调查,现状已施工排水暗涵1条(自工业场地东南部起,经矸石场A,至矸石场B西北部止)、暗井2个(位于矸石场A西部),排泄多余的矿井涌水和自然降水。场地整形后,设计沿场地西侧边缘铺设一条排水沟,用来排泄场地西侧山坡降水,最终汇入场地内的已有暗井。选择用预制砼排水沟,截面为梯形,单块长度600 mm、内底宽200 mm、内口宽600 mm、内深400 mm、厚度60 mm、边坡比1∶0.5(图4)。设计从市场购买预制成品。

图4 预制梯型排水沟剖面Fig.4 Prefabricated ladder drainage ditch profile

4.2 治理二区地质环境治理设计

将矸石场B划为治理二区,面积为1.91 hm2。主要治理工程为废渣回填、挖高垫底、场地整形、设计挡渣墙、布设排水沟。

(1)挖高垫低。现状矸石场B存在1个综合利用开挖分选口,且可见多处筛分后的遗留废渣堆。

为了场地整形,设计对矸石堆进行挖高垫低,形成稳定的平台、边坡。为达到设计标高,需另外收纳矸石场A废渣2.16万m3(工程量计入治理一区废渣清运)。

(2)场地整形。根据矸石场现状并结合周边地貌,设计将场地整形为5个地块单元,即2DK-1、2DK-2、2DK-3、2DK-4、2DK-5。其中,地块2DK-1平台标高+765.5 m,地块2DK-2平台标高+762.5 m、边坡坡度30°,地块2DK-3平台标高为+765.5～+762.5 m,地块2DK-4平台标高+762.5～+753.5 m,地块2DK-5平台标高+753.5～+753.0 m、边坡坡度25°。为了保证边坡稳定性,设计对地块2DK-2、2DK-5边坡进行夯实,夯实深度0.8～2.0 m,平均1.5 m。

(3)重力式挡渣墙。治理二区整形后地块2DK-5平台与地块2DK-2平台高差达到9.5 m,为保证平台及边坡稳定性,设计在地块2DK-5边坡坡底砌筑重力式挡渣墙进行围挡。根据设计边坡高度,填料按中密型碎石黏土估计,内摩擦角选30°,排渣对挡土墙的摩擦系数选0.40,选择高度为2.0 m的直立式路堤墙,查阅图集,挡墙宽度尺寸在此基础上乘以1.4系数。具体参数如图5所示。

图5 直立式路堤墙断面Fig.5 Cross-section of vertical embankment wall

(4)铺设排水沟。为防止雨水对治理场地的冲刷,排水重点是排泄渣场本身降水,设计沿治理区西侧与山坡边缘铺设排水沟1条,最终汇入冲沟内的排水明沟;沿地块2DK-5边坡坡脚铺设排水沟1条,与治理区西侧排水沟相连;沿田间道一侧铺设排水沟1条,与地块2DK-5坡脚排水沟相连。

(5)排水明沟修复。据实地勘查,治理二区西北侧现有排水明沟1条(自砼暗涵出口至河洪道段),长750 m,宽2.0～2.4 m,深0.8～1.5 m,结构为水泥砂浆+红砖砌筑,面层抹灰处理,现状局部破损且淤积严重。

设计采用水泥砂浆对排水明沟破损、裂缝处抹面处理,抹灰厚度20～30 mm,另对沟内淤泥进行清运。排水明沟抹灰层脱落面积按20%计算,则需水泥砂浆抹灰600 m2;淤泥厚度0.2～0.6 m,平均厚度按0.4 m计算,则需清淤600 m3。

5 土地复垦设计

5.1 治理一区土地复垦设计

治理一区为矸石场A和村庄拆迁区,面积共2.44 hm2,地质环境治理工程已将场地整形为小于2°的缓坡平台。设计将地块1DK-1(原地类为采矿用地,面积1.85 hm2)复垦为工业用地,并按灌木林地标准进行临时复绿;将地块1DK-2(原地类为旱地,面积0.28 hm2)复垦为旱地;将地块1DK-3(分北区和南区,原地类均为村庄,面积0.31 hm2)复垦为旱地。

(1)表土剥离。矸石场A曾经过临时复垦,经槽探覆土厚度0.4～1.2 m,平均厚0.5 m,设计对表土进行收集,作为该治理区覆土来源。表土收集率按70%计算,则可收集表土5 740 m3。

(2)夯实土埂。为了保证场地所覆表土不被雨水冲刷,设计沿场地北部和东部外边缘设置土埂,土埂采用素土夯实。土埂宽60 cm、高50 cm,截面积0.30 m2。

(3)覆土设计。设计在整平后的场地上平铺覆土,复垦方向为旱地的地块单元覆土厚80 cm,复垦方向为工业用地的地块单元覆土厚30 cm(按灌木林地标准临时复绿)。土源为剥离矸石场A临时复垦时的覆土,可收集5 180 m3,不足来自取土场。

(4)土壤改良设计。对新复垦旱地进行土壤改良,主要措施为增施有机肥、土地翻耕、作物种植改良,分述如下。①增施肥料。治理一区复垦旱地0.59 hm2,经过对复垦区的调查,设计对旱地区所覆土壤按1 200 kg/hm2标准增施有机肥,每年1次,施肥时须选择阴雨天施工或施肥后浇水。施肥采用人工配合自卸汽车作业。②土地翻耕。随着时间推移,所施肥料营养会蒸发流失,为使施肥后肥料营养尽快被土壤吸收,须采取土地深翻耕措施。深翻耕时耙磨碾压可以松土匀土,使肥料、生土、熟土充分掺搅,不仅有利于蓄水保墒,还可以粉碎土块,弥补工程性平整缺陷,提高平整质量。翻耕采用拖拉机配合三铧犁。③种植作物改良。新复垦的旱地覆土后表土肥力欠佳,设计种植苜蓿草改良土壤。作物改良步骤:在翻耕后的地块撒播苜蓿草籽→施复合肥、浇水管护→收割机破碎(破碎长度10 cm内)→浇水→深翻耕填埋。

(5)植被恢复。对复垦为工业用地的地块按灌木林地标准进行临时复绿。临时复绿措施为撒播混合草籽,将麦芽草籽、狗牙根草籽与商品有机肥,按1∶1∶8比例进行混合,然后按240 kg/hm2进行撒播;撒播后,立即进行雾喷洒水湿润。

5.2 治理二区土地复垦设计

治理二区为矸石场B,面积为1.91 hm2。地质环境治理工程已将场地整形为5个地块单元,其中地块2DK-1原旱地、2DK-2平台、2DK-3、2DK-4、2DK-5平台面积共计1.65 hm2,地块2DK-1原采矿用地面积0.04 hm2,地块2DK-2边坡、2DK-5边坡面积工计0.19 hm2;设计将地块2DK-1原旱地、2DK-2平台、2DK-3、2DK-4、2DK-5平台复垦为旱地,将地块2DK-1原采矿用地复垦为工业用地(按灌木林地标准临时复绿),将地块2DK-2边坡、2DK-5边坡复垦为灌木林地。

(1)夯实土埂。为了保证平台和边坡所覆表土不被雨水冲刷,保证覆土的稳定性,设计沿平台和边坡台阶外边缘设置土埂,土埂采用素土夯实。土埂宽60 cm、高50 cm,截面积0.30 m2。

(2)覆土。设计在整形后的场地上平铺覆土,其中复垦为旱地的地块覆土厚80 cm,复垦为工业用地的地块覆土厚30 cm,复垦为灌木林地的地块覆土厚40 cm。土源为拟取土场。

(3)土壤改良工程。对新复垦的旱地进行土壤改良,主要措施为增施有机肥、土地翻耕、种植改良,同治理一区。

(4)植被恢复。设计在地块2DK-1原采矿用地(临时复绿)撒播麦芽草、狗牙根草混合草籽;在地块2DK-2边坡、2DK-5边坡穴栽侧柏,并撒播麦芽草、狗牙根草混合草籽。

5.3 取土场复垦设计

根据土资源平衡分析,治理一区本身可供土量为9 340 m3,土资源需求量约24 350 m3,有15 010 m3,需要另选取土场。根据治理区及周边地貌情况,在征得矿山企业负责人同意情况下,选择1个取土场。取土场位于治理一区西侧边缘,为土丘地貌,陡坎发育,高差6～10 m,可见窑洞分布;取土面积0.28 hm2,平均取土深度为6.0 m,形成1级边坡(坡度70°)和1级平台,共取土16 800 m3(工作量计入覆土工程)。设计对取土后平台复垦为旱地。取土场土地复垦设计如图6所示。

图6 取土场土地复垦设计Fig.6 Land reclamation design of borrow field

(1)翻挖老土。取土场取土后,底部平台为老土层,为了耕作,设计对底部平台进行浅挖活土,翻挖深度1.0 m,则翻挖土方2 400 m3。

(2)土壤改良工程。对新复垦旱地的底部平台进行土壤改良,主要措施为增施有机肥、土地翻耕、作物种植改良,同治理一区。

(3)边坡植被恢复。取土场边坡为80°粉(黏)土边坡,高度6～10 m,剖面为棕黄色粉土、粉质黏土,保水性较好,较稳定。不需作特殊处理和复垦。

5.4 配套工程

针对治理区设计的配套工程有销煤道路和田间道工程。

5.4.1 销煤道路工程

为了建设绿色矿山,并应矿山企业要求,在治理一区对矸石场A进行矸石清运后设计新修1条销煤道路(自储煤厂出口至治理区北侧与现入矿道路连接),道路中心线长184 m,宽度8.0 m,混凝土路面,设计时速25 km/h。设计如图7所示。

图7 销煤道路断面Fig.7 Cross-section of coal sales road

(1)路基。废渣清运后,新建销煤道路路床多为原始老土,岩性为粉土,不能作为持力层,要开挖换填废石。路床宽度10.0 m,开挖换填深度1.2～2.0 m,平均1.5 m。换填要求分层碾压,分层厚度小于50 cm。

(2)路面、路肩工程。路面压实度/强度经取样检测合格后,在上部浇C25混凝土路面,厚度20～25 cm,道路纵向中线设置1条通缝,左右单幅路面,每隔4 m设置1条横向伸缩缝,初凝后用沥青麻丝浇灌,并浇水养护21 d。在路面两侧用换填土培路肩,路肩宽度不小于1.5 m。

(3)护路林工程。设计在道路两侧植单排护路林,树种选择裸根胸径3～4 cm侧柏,护路林间距2.0 m,采用穴栽,穴坑规格直径大于0.5 m,深度大于0.5 m。

5.4.2 田间道工程

为治理二区复垦的旱地提供耕作道路,设计田间道1条,治理二区需田间道长108 m,设计如图8所示。

图8 田间道断面Fig.8 Cross-section of field road

(1)路基工程。治理二区田间道路均在原有运矿道路基础上进行,路基稳固,经简单平整清理后可利用。

(2)路面、路肩工程。在压实的路基上,平铺碎石土路面,厚15～20 cm,路面宽度3.0 m,外侧用素黏土作为路肩,路肩宽度不小于0.5 m。

(3)护路林。在道路两侧植单排护路林,树种选择裸根胸径3～4 cm侧柏,护路林间距2.0 m,采用穴栽,穴坑规格直径大于0.5 m,深度大于0.5 m。

治理一区和治理二区治理后效果如图9所示。

图9 治理后效果Fig.9 Effect after governance

6 结语

通过实施某矿山地质环境治理与土地复垦工程,消除了地质灾害隐患,美化和恢复了研究区生态环境,在一定程度上保护了矿区附近居民的生命财产安全,美化了当地居民的居住环境。对已损毁的基本农田进行复垦,使得研究区企业和地方政府、地方群众和谐共生、共同发展,有利于促进地方经济的可持续发展,有利于实现安定团结、人民群众安居乐业的政治局面,有利于构建和谐社会。