新建井采煤礦水土流失防治措施設計
——以陜北橫溝煤礦為例

張 濤,楊 鋒

(1.黃河流域水土保持生態環境監測中心,陜西 西安 710021;2.西安黃河工程建設咨詢有限公司,陜西 西安 710021)

煤炭是我國現階段基本能源供應之一及重要的化工原材料,其產業是我國西北地區的重要支柱產業,有著不可代替的作用。煤炭開采、運輸及儲存等一系列活動,會嚴重干擾原有生態系統,破壞礦區生態環境[1］。新建礦區水土流失是典型的人為加速侵蝕過程,僅靠自然生態恢復很難修復,因此需要在分析煤礦項目施工工藝的基礎上,根據礦區所在區域自然環境條件設計針對性措施,加強礦區水土流失防治,以確保礦區生態環境良性循環。本研究以陜北橫溝煤礦為例,對井采煤礦項目建設過程中可能產生的水土流失進行分析及預測,并設計相應的水土流失防治措施,以期最大程度減少煤礦建設過程中的人為水土流失,為同類煤礦建設項目提供借鑒。

1 項目概況

橫溝煤礦位于陜西省榆林市吳堡縣城以北約7 km、黃河中游之西濱,地處110°43′30″～110°47′29″E、37°27′15″～37°40′45″N,涉及吳堡縣寇家塬鎮、薛下村鄉、郭家溝鎮、丁家灣鄉。項目區地貌類型為土石丘陵溝壑地貌,地形復雜,溝壑縱橫。屬暖溫帶大陸性季風氣候區,年均氣溫11.4 ℃,年均降水量451.1 mm,年均水面蒸發量1 997.15 mm,雨季為7—9月,期間降雨量占年降水量的60%～70%;風向多為西北風,最大風速21 m/s,年均風速3 m/s。土壤類型主要為上更新統馬蘭組黃土、中更新統離石組黃土。項目區水熱條件適宜沙生、耐寒、耐旱、耐瘠薄、防風固沙的植物生長,植被為次生草本植物群落,林草植被覆蓋率為56%。其中,喬灌林主要為灌木叢和稀疏喬木林,或為人工栽培的用材林、經濟林、防護林及部分天然薪炭林。

煤礦井田南北長約19.0 km、東西寬2.8～5.6 km,面積約76.8 km2,項目設計生產能力為3.0 Mt/a。根據井巷工程進度,工程總建設工期為56個月,其中:施工準備期6個月,為2023年7月至2023年12月;施工期50個月,計劃2024年1月開工建設,2028年2月完工。

橫溝煤礦項目區地處黃河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區,亦屬陜西省水土流失重點治理區(陜北丘陵溝壑重點治理區),土壤侵蝕以水力侵蝕為主,其水土流失防治標準執行西北黃土高原區一級標準,容許土壤侵蝕模數為1 000 t/(km2·a)。而根據項目區的地形、地貌、降水、土壤、植被等水土流失影響因子的特性及土壤受擾動情況,確定項目區現狀土壤侵蝕模數為1 500 t/(km2·a),高于容許值。

2 項目水土流失預測

橫溝煤礦項目區由工業場地(含選煤廠)、風井場地、臨時矸石周轉場、爆破器材庫、場外道路、供電線路、管線工程等7個分區組成。其中選煤廠作為配套工程,位于橫溝礦井工業場地西側,與工業場地整體進行建設。礦井地面工程和井下工程平行施工,其中井巷工程為井采煤礦關鍵工程。工程設計總占地145.32 hm2(永久占地130.70 hm2,臨時占地14.62 hm2),其中:工業場地占地46.50 hm2,風井場地占地16.50 hm2,臨時矸石周轉場占地5.43 hm2,爆破器材庫占地1.50 hm2,場外道路占地61.77 hm2,供電線路占地6.39 hm2,管線工程占地7.23 hm2。項目建設期設計產生土方量902.84萬m3,其中挖方499.90萬m3(包含表土剝離18.45萬m3),填方402.94萬m3(包含表土回覆18.45萬m3),余方96.96萬m3。土方量主要是在掘進矸石和場地開挖過程中產生的,堆放于臨時矸石周轉場,主要用于生產期井下采空區充填、廢棄巷道充填,或采空沉陷區土地復墾時填充,其次用作建筑材料。

根據項目施工工藝及所在地區的自然條件,水土流失預測時段可分為項目建設期、自然恢復期。井采煤礦建設期伴隨著場地清表、挖填、臨時堆土,建筑物基礎施工,施工場地機械碾壓等,改變建設區原地形和土地利用方式,使地表土體結構發生變化,土壤抗侵蝕能力降低,水土保持功能降低或喪失,水土流失加劇[2］,因此建設期是項目水土流失的集中時期,具體產生水土流失的環節見表1。自然恢復期基本停止施工活動,水土流失程度較施工期大為降低,但工程建設導致新增水土流失的情況依然存在,不過土壤侵蝕模數逐漸降低,直至達到背景值。根據項目所在地區實際情況,各單項工程的預測時段均按最不利的情況考慮,經預測,整個項目可能產生的土壤流失量為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,自然恢復期新增土壤流失量1 526 t。

表1 橫溝煤礦建設期產生水土流失的環節

3 項目水土流失防治措施體系

依據工程布局、施工擾動特點、建設時序、地貌特征、自然屬性、水土流失影響因素等,將項目水土流失防治責任范圍分為工業場地、風井場地、場外道路、臨時矸石周轉場、供電線路、管線工程、爆破器材庫等防治區。綜合考慮各防治分區土壤流失量和水土流失強度,確定場外道路、風井場地防治區為項目建設期水土流失的重點防治區,因此應重點進行綜合防治,以有效控制施工過程中造成的人為水土流失[3］。項目水土流失防治措施體系主要由工程措施、植物措施和臨時措施組成,具體見表2。

表2 水土流失防治措施體系

3.1 工業場地防治區

施工前,對工業場地進行表土剝離,并集中堆放,采取密目網苫蓋、臨時攔擋措施防護。施工過程中,場地由西向東布設排水涵洞,將基礎開挖的土方堆放在基坑一側,并采取臨時苫蓋、臨時攔擋措施防護。場地內沿道路一側設置雨水蓋板排水溝及明渠,工業場地西南側布設雨水收集池,收集的雨水用作場內綠化和道路澆灑。在工業場地圍墻外側修建截水溝,對墻外場地填高后形成的邊坡采取拱形骨架護坡、撒播草籽和栽植紫穗槐等措施恢復植被。完工后,在綠化區采取土地平整、回覆表土、綠化等措施恢復植被,并布設節水灌溉等設施。

3.2 風井場地防治區

施工前,對風井場地進行表土剝離,并集中堆放,采取密目網苫蓋措施防護。施工過程中,將基礎開挖的土方集中堆放,并采取臨時苫蓋、臨時攔擋措施防護。場地內沿道路布設排水溝,在場地圍墻外側修建截水溝,對墻外場地填高后形成的邊坡采取撒播草籽、栽植紫穗槐等措施恢復植被。完工后,對綠化區進行土地平整、回覆表土、綠化等。

3.3 臨時矸石周轉場防治區

施工前,對臨時矸石周轉場進行表土剝離,并集中堆放,采取臨時苫蓋、臨時攔擋措施防護,同時在周轉場周邊布設截水溝和擋土墻,做到先攔后棄;排矸時從西南向東北排放,逐層碾壓,并在平臺外側設置擋水坎防止雨水沖刷坡面,平臺內雨水則根據地勢排放。堆矸2 a后,井下廢棄巷道達到矸石堆放要求的,可將矸石與建筑垃圾一并充填井下廢棄巷道,整個充填期約為1 a。完工后,拆除周轉場攔擋設施和截排水設施,并進行土地平整、回覆表土、撒播草籽等恢復植被。

3.4 場外道路防治區

場外道路開挖前進行表土剝離,并集中堆放,采取臨時苫蓋措施防護。施工過程中,將路基開挖的土方沿道路一側堆放,并采取臨時苫蓋措施防護,道路兩側修建排水溝。完工后,在截排水溝和排矸道路兩側種草防護。

3.5 管線工程防治區

施工前對施工區進行表土剝離,采用放坡開挖,將開挖的土方沿開挖管線堆放一側,并采取臨時苫蓋措施防護。施工過程中遇到已建公路時,采用道路兩側開挖頂管工作坑進行施工。完工后,進行土地整治、回覆表土、植被恢復。

3.6 供電線路防治區

施工前,對施工區進行表土剝離,并集中堆放,采取臨時苫蓋、臨時攔擋措施防護。將塔基集中堆放在供電工程施工區內,并采取臨時苫蓋措施。施工過程中,將塔基基礎開挖的土方集中堆放在塔基外圍,并采取臨時苫蓋措施防護。完工后,對塔基施工區、牽張場和施工便道進行土地整治、回覆表土、植被恢復。

3.7 爆破器材庫防治區

施工前,對施工區進行表土剝離,并集中堆放,采取密目網苫蓋措施防護。施工過程中,將基礎開挖的土方集中堆放,并采取臨時苫蓋、臨時攔擋措施防護;沿圍墻內側布設排水溝。完工后,對綠化區進行土地整治、回覆表土、植被恢復。

4 項目水土保持評價

1)工程占地符合國家產業政策和供地政策及國家煤炭工程總體用地標準,滿足節約用地和減少擾動的要求,不涉及永久基本農田,工程永久占地基本滿足工程用地要求,臨時占地基本滿足施工要求。施工結束后,對永久占地中裸露地表采取綠化措施,對臨時占地通過人工造林種草恢復植被。

2)項目主體工程設計場地平整以移挖作填為原則,盡量減少土石方的二次搬運。工程建設開挖的土石方,按照施工時序,就近合理調配,余方充分綜合利用,減少棄方量,土石方調運符合施工工藝、施工時序及施工特點,工程土石方挖填數量符合最優化原則,土石方流向基本合理。

3)項目從保護表土資源角度出發,根據立地條件及現場調查情況,綜合確定項目征占地范圍內剝離的表土量,項目建設期剝離的表土全部用于項目綠化覆土。剝離的表土分別集中堆存于設置在工業場地、風井場地、臨時矸石周轉場、場外道路的表土堆存場內,并采取臨時攔擋和苫蓋等防護措施;管線工程區剝離的表土與開挖的生土分別沿管道作業帶堆存;供電線路塔基區剝離的表土集中堆存于塔基施工區內。施工結束后,對施工跡地采取土地整治和植被恢復措施。

4)臨時矸石周轉場堆置方案滿足《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)關于棄渣場邊坡穩定性的規定,在設計工況下,擋矸墻和邊坡處于穩定狀態。

5)在主體工程設計中,工業場地防治區的截水溝、雨水排水溝、雨水收集池、節水灌溉設施、場地內喬灌草綠化,建設期臨時矸石周轉場防治區的截水溝、擋土墻,場外道路防治區的排水溝和植被恢復等措施,均可有效防治項目建設新增的水土流失,具有較好的水土保持功能[4］。

5 結論

1)為有效遏制新建井采煤礦引起的水土流失,需根據各類工程預測時段內可能產生的土壤侵蝕強度和侵蝕量,結合施工區域、地段、工程特點及施工季節,因地制宜、因害設防,制定行之有效的防治措施體系。根據《中華人民共和國水土保持法》和水土保持“三同時”制度的有關要求,各施工區域應將各項水土保持工程和主體工程同時進行施工管理,全面落實水土保持措施。施工場地在建設過程中應合理進行施工組織設計,有效減小擾動范圍,縮短施工時間;場地平整施工等應盡量避開暴雨、大風天氣,并加強應急預防措施;永久性工程措施如截排水溝等應盡量提前施工。

2)經預測,至設計水平年橫溝煤礦水土流失治理度可達99%,林草植被恢復率可達99%,林草覆蓋度可達38%,項目防治責任范圍內的水土流失將得到有

效控制,水土流失可達到新的穩定狀態,實現局部生態環境的良性循環,使主體工程安全運營更有保障,對當地及周邊社會經濟的持續發展具有積極意義。