新建井采煤矿水土流失防治措施设计——以陕北横沟煤矿为例

张 涛,杨 锋

(1.黄河流域水土保持生态环境监测中心,陕西 西安 710021;2.西安黄河工程建设咨询有限公司,陕西 西安 710021)

煤炭是我国现阶段基本能源供应之一及重要的化工原材料,其产业是我国西北地区的重要支柱产业,有着不可代替的作用。煤炭开采、运输及储存等一系列活动,会严重干扰原有生态系统,破坏矿区生态环境[1］。新建矿区水土流失是典型的人为加速侵蚀过程,仅靠自然生态恢复很难修复,因此需要在分析煤矿项目施工工艺的基础上,根据矿区所在区域自然环境条件设计针对性措施,加强矿区水土流失防治,以确保矿区生态环境良性循环。本研究以陕北横沟煤矿为例,对井采煤矿项目建设过程中可能产生的水土流失进行分析及预测,并设计相应的水土流失防治措施,以期最大程度减少煤矿建设过程中的人为水土流失,为同类煤矿建设项目提供借鉴。

1 项目概况

横沟煤矿位于陕西省榆林市吴堡县城以北约7 km、黄河中游之西滨,地处110°43′30″～110°47′29″E、37°27′15″～37°40′45″N,涉及吴堡县寇家塬镇、薛下村乡、郭家沟镇、丁家湾乡。项目区地貌类型为土石丘陵沟壑地貌,地形复杂,沟壑纵横。属暖温带大陆性季风气候区,年均气温11.4 ℃,年均降水量451.1 mm,年均水面蒸发量1 997.15 mm,雨季为7—9月,期间降雨量占年降水量的60%～70%;风向多为西北风,最大风速21 m/s,年均风速3 m/s。土壤类型主要为上更新统马兰组黄土、中更新统离石组黄土。项目区水热条件适宜沙生、耐寒、耐旱、耐瘠薄、防风固沙的植物生长,植被为次生草本植物群落,林草植被覆盖率为56%。其中,乔灌林主要为灌木丛和稀疏乔木林,或为人工栽培的用材林、经济林、防护林及部分天然薪炭林。

煤矿井田南北长约19.0 km、东西宽2.8～5.6 km,面积约76.8 km2,项目设计生产能力为3.0 Mt/a。根据井巷工程进度,工程总建设工期为56个月,其中:施工准备期6个月,为2023年7月至2023年12月;施工期50个月,计划2024年1月开工建设,2028年2月完工。

横沟煤矿项目区地处黄河多沙粗沙国家级水土流失重点治理区,亦属陕西省水土流失重点治理区(陕北丘陵沟壑重点治理区),土壤侵蚀以水力侵蚀为主,其水土流失防治标准执行西北黄土高原区一级标准,容许土壤侵蚀模数为1 000 t/(km2·a)。而根据项目区的地形、地貌、降水、土壤、植被等水土流失影响因子的特性及土壤受扰动情况,确定项目区现状土壤侵蚀模数为1 500 t/(km2·a),高于容许值。

2 项目水土流失预测

横沟煤矿项目区由工业场地(含选煤厂)、风井场地、临时矸石周转场、爆破器材库、场外道路、供电线路、管线工程等7个分区组成。其中选煤厂作为配套工程,位于横沟矿井工业场地西侧,与工业场地整体进行建设。矿井地面工程和井下工程平行施工,其中井巷工程为井采煤矿关键工程。工程设计总占地145.32 hm2(永久占地130.70 hm2,临时占地14.62 hm2),其中:工业场地占地46.50 hm2,风井场地占地16.50 hm2,临时矸石周转场占地5.43 hm2,爆破器材库占地1.50 hm2,场外道路占地61.77 hm2,供电线路占地6.39 hm2,管线工程占地7.23 hm2。项目建设期设计产生土方量902.84万m3,其中挖方499.90万m3(包含表土剥离18.45万m3),填方402.94万m3(包含表土回覆18.45万m3),余方96.96万m3。土方量主要是在掘进矸石和场地开挖过程中产生的,堆放于临时矸石周转场,主要用于生产期井下采空区充填、废弃巷道充填,或采空沉陷区土地复垦时填充,其次用作建筑材料。

根据项目施工工艺及所在地区的自然条件,水土流失预测时段可分为项目建设期、自然恢复期。井采煤矿建设期伴随着场地清表、挖填、临时堆土,建筑物基础施工,施工场地机械碾压等,改变建设区原地形和土地利用方式,使地表土体结构发生变化,土壤抗侵蚀能力降低,水土保持功能降低或丧失,水土流失加剧[2］,因此建设期是项目水土流失的集中时期,具体产生水土流失的环节见表1。自然恢复期基本停止施工活动,水土流失程度较施工期大为降低,但工程建设导致新增水土流失的情况依然存在,不过土壤侵蚀模数逐渐降低,直至达到背景值。根据项目所在地区实际情况,各单项工程的预测时段均按最不利的情况考虑,经预测,整个项目可能产生的土壤流失量为30 819 t,其中原地貌土壤流失量9 204 t,施工期新增土壤流失量20 089 t,自然恢复期新增土壤流失量1 526 t。

表1 横沟煤矿建设期产生水土流失的环节

3 项目水土流失防治措施体系

依据工程布局、施工扰动特点、建设时序、地貌特征、自然属性、水土流失影响因素等,将项目水土流失防治责任范围分为工业场地、风井场地、场外道路、临时矸石周转场、供电线路、管线工程、爆破器材库等防治区。综合考虑各防治分区土壤流失量和水土流失强度,确定场外道路、风井场地防治区为项目建设期水土流失的重点防治区,因此应重点进行综合防治,以有效控制施工过程中造成的人为水土流失[3］。项目水土流失防治措施体系主要由工程措施、植物措施和临时措施组成,具体见表2。

表2 水土流失防治措施体系

3.1 工业场地防治区

施工前,对工业场地进行表土剥离,并集中堆放,采取密目网苫盖、临时拦挡措施防护。施工过程中,场地由西向东布设排水涵洞,将基础开挖的土方堆放在基坑一侧,并采取临时苫盖、临时拦挡措施防护。场地内沿道路一侧设置雨水盖板排水沟及明渠,工业场地西南侧布设雨水收集池,收集的雨水用作场内绿化和道路浇洒。在工业场地围墙外侧修建截水沟,对墙外场地填高后形成的边坡采取拱形骨架护坡、撒播草籽和栽植紫穗槐等措施恢复植被。完工后,在绿化区采取土地平整、回覆表土、绿化等措施恢复植被,并布设节水灌溉等设施。

3.2 风井场地防治区

施工前,对风井场地进行表土剥离,并集中堆放,采取密目网苫盖措施防护。施工过程中,将基础开挖的土方集中堆放,并采取临时苫盖、临时拦挡措施防护。场地内沿道路布设排水沟,在场地围墙外侧修建截水沟,对墙外场地填高后形成的边坡采取撒播草籽、栽植紫穗槐等措施恢复植被。完工后,对绿化区进行土地平整、回覆表土、绿化等。

3.3 临时矸石周转场防治区

施工前,对临时矸石周转场进行表土剥离,并集中堆放,采取临时苫盖、临时拦挡措施防护,同时在周转场周边布设截水沟和挡土墙,做到先拦后弃;排矸时从西南向东北排放,逐层碾压,并在平台外侧设置挡水坎防止雨水冲刷坡面,平台内雨水则根据地势排放。堆矸2 a后,井下废弃巷道达到矸石堆放要求的,可将矸石与建筑垃圾一并充填井下废弃巷道,整个充填期约为1 a。完工后,拆除周转场拦挡设施和截排水设施,并进行土地平整、回覆表土、撒播草籽等恢复植被。

3.4 场外道路防治区

场外道路开挖前进行表土剥离,并集中堆放,采取临时苫盖措施防护。施工过程中,将路基开挖的土方沿道路一侧堆放,并采取临时苫盖措施防护,道路两侧修建排水沟。完工后,在截排水沟和排矸道路两侧种草防护。

3.5 管线工程防治区

施工前对施工区进行表土剥离,采用放坡开挖,将开挖的土方沿开挖管线堆放一侧,并采取临时苫盖措施防护。施工过程中遇到已建公路时,采用道路两侧开挖顶管工作坑进行施工。完工后,进行土地整治、回覆表土、植被恢复。

3.6 供电线路防治区

施工前,对施工区进行表土剥离,并集中堆放,采取临时苫盖、临时拦挡措施防护。将塔基集中堆放在供电工程施工区内,并采取临时苫盖措施。施工过程中,将塔基基础开挖的土方集中堆放在塔基外围,并采取临时苫盖措施防护。完工后,对塔基施工区、牵张场和施工便道进行土地整治、回覆表土、植被恢复。

3.7 爆破器材库防治区

施工前,对施工区进行表土剥离,并集中堆放,采取密目网苫盖措施防护。施工过程中,将基础开挖的土方集中堆放,并采取临时苫盖、临时拦挡措施防护;沿围墙内侧布设排水沟。完工后,对绿化区进行土地整治、回覆表土、植被恢复。

4 项目水土保持评价

1)工程占地符合国家产业政策和供地政策及国家煤炭工程总体用地标准,满足节约用地和减少扰动的要求,不涉及永久基本农田,工程永久占地基本满足工程用地要求,临时占地基本满足施工要求。施工结束后,对永久占地中裸露地表采取绿化措施,对临时占地通过人工造林种草恢复植被。

2)项目主体工程设计场地平整以移挖作填为原则,尽量减少土石方的二次搬运。工程建设开挖的土石方,按照施工时序,就近合理调配,余方充分综合利用,减少弃方量,土石方调运符合施工工艺、施工时序及施工特点,工程土石方挖填数量符合最优化原则,土石方流向基本合理。

3)项目从保护表土资源角度出发,根据立地条件及现场调查情况,综合确定项目征占地范围内剥离的表土量,项目建设期剥离的表土全部用于项目绿化覆土。剥离的表土分别集中堆存于设置在工业场地、风井场地、临时矸石周转场、场外道路的表土堆存场内,并采取临时拦挡和苫盖等防护措施;管线工程区剥离的表土与开挖的生土分别沿管道作业带堆存;供电线路塔基区剥离的表土集中堆存于塔基施工区内。施工结束后,对施工迹地采取土地整治和植被恢复措施。

4)临时矸石周转场堆置方案满足《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)关于弃渣场边坡稳定性的规定,在设计工况下,挡矸墙和边坡处于稳定状态。

5)在主体工程设计中,工业场地防治区的截水沟、雨水排水沟、雨水收集池、节水灌溉设施、场地内乔灌草绿化,建设期临时矸石周转场防治区的截水沟、挡土墙,场外道路防治区的排水沟和植被恢复等措施,均可有效防治项目建设新增的水土流失,具有较好的水土保持功能[4］。

5 结论

1)为有效遏制新建井采煤矿引起的水土流失,需根据各类工程预测时段内可能产生的土壤侵蚀强度和侵蚀量,结合施工区域、地段、工程特点及施工季节,因地制宜、因害设防,制定行之有效的防治措施体系。根据《中华人民共和国水土保持法》和水土保持“三同时”制度的有关要求,各施工区域应将各项水土保持工程和主体工程同时进行施工管理,全面落实水土保持措施。施工场地在建设过程中应合理进行施工组织设计,有效减小扰动范围,缩短施工时间;场地平整施工等应尽量避开暴雨、大风天气,并加强应急预防措施;永久性工程措施如截排水沟等应尽量提前施工。

2)经预测,至设计水平年横沟煤矿水土流失治理度可达99%,林草植被恢复率可达99%,林草覆盖度可达38%,项目防治责任范围内的水土流失将得到有

效控制,水土流失可达到新的稳定状态,实现局部生态环境的良性循环,使主体工程安全运营更有保障,对当地及周边社会经济的持续发展具有积极意义。