礦山高陡巖質(zhì)邊坡治理應(yīng)用研究

吳祖成 郭山峰 何偉民

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001; 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001)

0 引言

礦山開采形成的高陡巖質(zhì)邊坡易產(chǎn)生崩塌、滑坡等礦山地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響周邊人民的生命財產(chǎn)安全[1]。裸露的巖質(zhì)邊坡視覺效果差，與當(dāng)前環(huán)保美觀、以人為本的城市建設(shè)方針相背離[2]。影響高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的因素眾多，包括巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石風(fēng)化破碎情況、地下水、地震作用等[3]，對巖質(zhì)高陡邊坡的植被恢復(fù)是目前采石場整治及邊坡覆綠的重點和難點[4]，馬 麗等論述了通過錨固、削坡和設(shè)置落石平臺等措施對廣西鳳山縣石灰?guī)r高陡邊坡治理與改造[5]，趙志明等在工程邊坡綠色防護(hù)機制研究中認(rèn)為巖質(zhì)邊坡坡度大，植被很難在邊坡上生根成長[6]。總之，礦山開采產(chǎn)生的高陡邊坡修復(fù)一直是個難點，采用錨網(wǎng)噴護(hù)加鉆孔竹筒置土工程及滴灌技術(shù)等綜合治理措施，可為高陡邊坡治理提供新的思路和方法。

1 項目概況

欒川縣煤窯溝石煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項目項是河南省“探礦權(quán)采礦權(quán)兩權(quán)價款”項目，目的是通過工程治理措施對原礦山生產(chǎn)遺留的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行除險及生態(tài)修復(fù)，消除礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患，創(chuàng)建山青水秀大美欒川，保障礦區(qū)周邊人民的生命財產(chǎn)安全(1)河南省地質(zhì)工程勘查院.欒川縣煤窯溝石煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理施工圖設(shè)計書[R].2011.。

該礦山是歷史時期遺留礦山，開采主要礦石為石煤和石灰?guī)r。石煤為低品劣質(zhì)無煙煤，是低熱值燃料，石煤可用來燒制水泥、制造化肥。石煤礦開采年代久遠(yuǎn)，采礦有上百年歷史，開采方式以沿煤線露天與地下兼具，歷史上開采主體均以個體無序私采為主，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成極大破壞；石灰?guī)r主要用作建筑材料，石灰?guī)r礦開采主要始于20世紀(jì)70—80年代，開采方式為露天開采，仍以個體開采為主，遺留多處高陡巖壁及采坑，引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要包括礦山地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、地形及地貌景觀植被破壞等[7]。對于該礦山的修復(fù)和治理，高陡邊坡恢復(fù)治理是其主要難點。

2 氣象水文、地質(zhì)背景條件

2.1 氣象水文

欒川縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫12 ℃，極端最高氣溫曾達(dá)40.2 ℃，極端最低氣溫-20 ℃。地面溫度冬夏懸殊較大，夏季白天可高達(dá)69.4 ℃，冬季白天可降至-23.4 ℃，最大凍土深度24 cm。欒川縣年平均降雨量為818.7 mm，最大年降雨量為1370.4 mm，最小降雨量564.9 mm。降雨多集中在6、7、8、9四個月，占全年降雨量的64.3%。

欒川縣境有伊河、小河、明白河、淯河四條河流。總計大小支流604條，河網(wǎng)密度0.59 km/km2。地表水年均逕流量6.83×108m3。其中，最大河流伊河境內(nèi)總長113 km，流域面積1053 km2，最大洪峰流量為1370 m3/s，最小流量為23.4 m3/s,一般年份為200 m3/s。

2.2 地形地貌

工作區(qū)在縣城城郊，地貌類型以中低山地貌為主，海拔730～1050 m，相對高差150～300 m，區(qū)內(nèi)花煤山海拔1017 m。分水嶺為狹長平衡屋脊?fàn)睿瑴瞎瓤v坡降5%～10%，部分地段溝谷內(nèi)可見零星階地發(fā)育。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)位于洛南—欒川臺緣褶皺帶，區(qū)內(nèi)發(fā)育褶皺和斷層。

2.3.1 褶皺

區(qū)內(nèi)發(fā)育一倒轉(zhuǎn)的向斜構(gòu)造，地層隨之發(fā)生倒轉(zhuǎn)，新地層在下，老地層在上。向斜軸向NW 290°左右，地層傾向北東，傾角70°左右。

2.3.2 斷層

區(qū)外南部約2.0 km為黑溝—欒川斷裂，該斷裂為區(qū)域性深大斷裂，河南省境內(nèi)長度560 km左右，斷深35 km，為華北地臺與秦嶺地槽兩大構(gòu)造單位的分界，總體走向NW 270°～290°，北傾，傾角65°～90°，在走向、傾向上均呈舒緩波狀，斷裂力學(xué)性質(zhì)為壓—張—扭壓性。區(qū)內(nèi)僅發(fā)育一壓扭性小斷層。

2.4 地震

欒川地跨兩個一級構(gòu)造單元，臺槽分界線均為深大斷裂，且有長期活動的特點。據(jù)史料記載，分別發(fā)生于1556年和1615年的陜西華縣和盧氏地震均波及欒川。自1956—1970年，欒川共發(fā)生有感地震6次，最大震級2.6級。根據(jù)2015年版中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，工作區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震烈度為Ⅵ度。

2.5 水文地質(zhì)條件

工作區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水及基巖裂隙水。

松散巖類孔隙水主要分布在伊河和煤窯溝谷兩側(cè)，由第四系粉土、粉質(zhì)黏土和砂卵石組成，一般地下水比較豐富。

碳酸鹽巖類巖溶裂隙水位于三川—欒川復(fù)向斜核部，由中下元古界白云巖及大理巖構(gòu)成，因處于新華夏系構(gòu)造帶與近東西向構(gòu)造帶復(fù)合部，斷裂構(gòu)造交錯展布，巖層構(gòu)造裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育，在構(gòu)造有利部位易形成地下水富水帶。

基巖裂隙水主要為塊狀巖類裂隙水，由中元古代前加里東期變輝長侵入巖組成，其貯水構(gòu)造一般以次生構(gòu)造帶節(jié)理為主，節(jié)理密集帶為貯水場所，富水性極弱，泉流量0.01～0.05 L/s。

3 高陡邊坡特征

欒川煤窯溝礦山南鄰縣城區(qū)伊水河，礦山是露天開采且倚斜坡開挖，該礦山采石遺留高陡邊坡，長約255 m，高為40～80 m，邊坡坡度60°～85°，臨空面大，破壞面積約21700 m2。局部呈突出危巖體，后緣產(chǎn)生卸荷張裂縫(見圖1)；巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育密度7～16條/m，坡體被切割破碎凌亂，呈塊裂—碎裂狀構(gòu)造。坡面上破碎的危巖體現(xiàn)狀條件下不穩(wěn)定，在暴雨和重力作用下，易發(fā)生崩塌。另外，在坡面上局部堆積有采礦碎石土。在連續(xù)強降雨作用下，很易引發(fā)崩塌或滑坡礦山地質(zhì)災(zāi)害，威脅礦區(qū)周邊居民生命財產(chǎn)安全。

圖1 邊坡后緣(危巖體)形態(tài)示意圖

4 綜合治理措施

因礦山距縣城較近，開采裸露面積大，有可能會影響當(dāng)?shù)芈糜涡蜗蟆楸ＷC對裸露巖質(zhì)高陡邊坡的恢復(fù)治理效果，擬采用警示牌、邊坡危巖清除、裂縫封填及監(jiān)測、錨網(wǎng)噴植混凝土護(hù)坡等工程防治措施，并采用鉆孔竹筒置土復(fù)綠的方法和滴灌技術(shù)綜合復(fù)綠工程措施(見圖2)。

圖2 錨網(wǎng)噴護(hù)及各鉆孔竹筒置土結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

4.1 工程防治措施

警示牌：在山體裂縫南西部較為穩(wěn)定的高陡直立邊坡兩端和中間位置各設(shè)置1塊混凝土安全警示標(biāo)志牌，書寫“陡崖危險，請勿靠近”警示語。

邊坡平整：首先對高陡邊坡進(jìn)行平整[8]，采用爆破或鐵鍬、水、氣力沖刷清除邊坡危巖體及坡面浮石與雜物，使坡面盡量達(dá)到平整，先對坡面轉(zhuǎn)角進(jìn)行修整，再對坡頂有棱角的區(qū)段進(jìn)行整修，對接呈弧形，盡可能利于客土噴播及施工，同時為了增加整個作業(yè)面的綠化效果，保證在施工以前，凹凸度作業(yè)面平均要達(dá)到±10 cm，最大不能超過±15 cm。最后，為了增加整個作業(yè)面的粗糙程度，增加客土對作業(yè)面的附著力，在作業(yè)面施工時，每隔一定高度開一個橫向槽。

裂縫封填：使用清除的碎石填實深部裂縫，表層裂縫使用混凝土封填，混凝土厚度≥20 cm，外側(cè)涂抹厚度≥2 cm的砂漿。每年檢查1～2次，破損部位及時修補，并對地裂縫進(jìn)行后期監(jiān)測。

鐵絲網(wǎng)鋪設(shè)：在邊坡坡面整平以后，在坡面上先鋪設(shè)一層14#鍍鋅鐵絲網(wǎng)，嚴(yán)格按照施工流程，從上到下鋪設(shè)并拉緊，在包坡頂部，長度要達(dá)到500 mm，橫向搭接網(wǎng)片長度為100 mm，坡面與鐵絲網(wǎng)間距為60 mm。綁好的鍍鋅鐵絲網(wǎng)上，要防止人員隨意踩踏。在極陡巖面上，為了增加附著力，保障客土的厚度，可以用草繩按一定間距纏繞在網(wǎng)上，材料要求14#鍍鋅鐵絲，菱形，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，尺寸2000 mm×10000 mm。

鉆孔錨釘：為了把鐵絲網(wǎng)固定在巖質(zhì)坡面上，本次工作采用鉆孔打錨釘方式對鐵絲網(wǎng)進(jìn)行固定。錨釘上下間距控制在1000 mm×1000 mm，梅花型布設(shè)，錨釘總長度長度為2000 mm，直徑選擇φ22螺紋鋼筋。外露長度不小于80 mm，在距邊坡坡面高度60 mm處，與鍍鋅鐵絲網(wǎng)綁扎在一起。鉆孔應(yīng)與邊坡面成10°～15°上傾角鉆入，達(dá)到一次性成孔，間距偏差不超過±50 mm。打好的鉆孔要及時插入錨釘，以防孔鉆內(nèi)落入雜物、浮土碎石等。

截排水：為防止邊坡遭到?jīng)_刷，在坡面開挖巖槽，并保證與周邊封閉銜接，尺寸為寬200 mm×深100 mm。頂部設(shè)置截水溝尺寸為寬400 mm×深300 mm。沿巖面自上而下設(shè)置6垂直排水管，水管為φ110 mmPVC管，在邊坡底部修筑漿砌石起到消力作用。排水孔采用梅花形布設(shè)，孔徑為30 mm，孔深為300 mm，排水孔間間距為5000 mm×5000 mm，安裝材料為PVC管。

4.2 綜合復(fù)綠工程措施

鉆孔竹筒置土：為了保障巖面的綠化效果，增強巖面種植植物抗寒抗旱的能力，在巖面打鉆孔，竹筒嵌入孔中，竹筒內(nèi)置壤土及草種，為了保證透水和植物根系向巖縫生長，竹筒壁周邊應(yīng)打少量的φ2～3 mm孔。巖面鉆孔間距不大于1000 mm×1000 mm，鉆孔孔徑為90 mm，孔深為500 mm，外露長度為100 mm。

植被混凝土噴植：噴播植草是巖石邊坡植被護(hù)坡的主要工程技術(shù)方式[9]，該邊坡為巖質(zhì)邊坡，沒有腐殖質(zhì)，為了保證植被成活率，坡面需采用較大的噴植厚度，噴植厚度設(shè)計為100～120 mm，為了增加植被混凝土附著力，使噴護(hù)厚度得到保證，用草繩按一定間隔纏繞在網(wǎng)上，并沿錨釘延伸方向，每隔15 m設(shè)置一道2 cm寬自上而下垂直貫通的伸縮縫，然后再用低發(fā)泡聚乙烯板進(jìn)行填塞。

滴灌養(yǎng)護(hù)：滴灌養(yǎng)護(hù)主要是利用毛管滴頭在低壓或天然自重下向土壤緩慢地自然滴水，養(yǎng)護(hù)了植被，達(dá)到了節(jié)約用水、省時省工、科學(xué)灌溉的目的，體現(xiàn)了低碳綠色的理念。目前滴灌技術(shù)被廣泛使用于農(nóng)田、大棚、果園、花卉及其他綠化項目。滴灌系統(tǒng)主要由動力樞紐系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及滴頭系統(tǒng)組成(見圖3)。

圖3 滴灌系統(tǒng)的首部樞紐和輸配水裝置示意圖

動力供水系統(tǒng)位于巖壁下側(cè)伊河旁的水泵房內(nèi)，水泵擬采用小流量高揚程型號水泵，直接用水泵把伊河水抽送到到坡頂蓄水池。另外，為了防止因水泵使用中突然停機，網(wǎng)管中運動的水流倒流對管網(wǎng)產(chǎn)生破壞，在水泵的下游處安裝了逆止閥。為了防止水質(zhì)對滴頭腐蝕和破壞，在出水口處安裝了一組過濾器，過濾器型號較多，可選用旋流水砂分離器或疊片式過濾器以及其組合裝置。為了保證系統(tǒng)的運行正常，在過濾器的上游和下游應(yīng)各布設(shè)一個壓力表，在工作中，若發(fā)現(xiàn)上下游水力壓差過大時，應(yīng)對過濾器及時進(jìn)行清洗。

管路系統(tǒng)由干管、支管及透水毛管組成，干管采用φ50.8 mm的鋼管或PVC-U管，干管線路沿坡面垂直方向布設(shè)，把伊河水供至邊坡頂部的蓄水池。支管從頂部的蓄水池側(cè)壁再分別引出，把支管從上至下設(shè)置為兩排。滴頭從支管引出，滴頭主要采用透水毛管或其他專用毛管滴頭，滴頭間距不超過1.0 m。支管和毛管必須選用抗變形、具有耐磨性的抗沖擊能力強的PE管。管路布設(shè)后，先進(jìn)行滴灌效果試驗，各項試驗指標(biāo)達(dá)到要求后，再進(jìn)行坡面噴護(hù)工作。

5 結(jié)論

(1)通過采用錨網(wǎng)噴護(hù)加鉆孔竹筒置土工程及滴灌技術(shù)等綜合治理措施，完成了欒川縣煤窯溝石煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程，減少了治理中形成新的開挖破壞區(qū)域，同時減少了開挖方量，基本維持了山體“原貌”，較傳統(tǒng)臺階式開挖治理節(jié)約了成本，治理效果明顯。

(2)高陡巖質(zhì)邊坡錨網(wǎng)噴護(hù)技術(shù)的應(yīng)用前提是已實施工程勘查工作。在整體邊坡基本穩(wěn)定條件下，錨網(wǎng)噴護(hù)技術(shù)可以防止局部巖土體發(fā)生小規(guī)模崩塌滑坡。對于整體邊坡欠穩(wěn)定的工程治理項目，必須采用其它有效的工程防治手段。

(3)鉆孔竹筒置土工程及滴灌技術(shù)的應(yīng)用，首先應(yīng)當(dāng)選擇適合區(qū)內(nèi)氣候和巖壁易存活的樹種和草灌；其次應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的苗木養(yǎng)護(hù)及除病蟲害管理工作，方能提高或達(dá)到預(yù)期綠化效果。

(4)礦山地質(zhì)環(huán)境中的巖質(zhì)高陡邊坡工程治理，是一項復(fù)雜的科學(xué)治理工程，工程治理前建議進(jìn)行專項礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程勘查。

本技術(shù)的借鑒參考或推廣應(yīng)用，建議選擇區(qū)域植被生長茂盛，不宜進(jìn)行分級削坡或大開挖的高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)治理修復(fù)工程。