基于生態(tài)平衡的礦山地質(zhì)改善措施分析

盧 璐

（山西交控生態(tài)環(huán)境股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對礦山資源的需求量迅速增加，致使礦山資源供不應(yīng)求，這就導(dǎo)致人們在進(jìn)行礦山開采時并不會反復(fù)考慮環(huán)境的因素，造成開采周邊的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量迅速下降，對居民的日常生活和國家走可持續(xù)發(fā)展道路產(chǎn)生一定的阻礙作用，為此必須針對礦山地質(zhì)問題落實(shí)保護(hù)生態(tài)平衡的措施[1-2]。

應(yīng)以生態(tài)平衡為礦山開采的基本要求，提出了更有效的礦山地質(zhì)改善措施，保障了礦山開采區(qū)域生態(tài)平衡[3]。本文提出科學(xué)合理的修復(fù)方案，并在洪洞縣趙城鎮(zhèn)礦山矸石場進(jìn)行試驗(yàn)，并驗(yàn)證該方案的效果[4-5]。

1 區(qū)域概況

洪洞縣趙城康福洗煤廠位于洪洞縣趙城鎮(zhèn)前村東側(cè)1.27 km 處，中心坐標(biāo)東經(jīng)111°41′31.45″，北緯36°24′36.25″；矸石場位于洪洞縣趙城鎮(zhèn)一條自然荒溝內(nèi)，矸石溝為溝谷凹地，溝道大致呈北—南走向，北高南低，溝橫斷面呈“U”字形，矸石溝長約440 m，平均寬約40 m，深約30 m；核算總庫容為61.1 萬t，面積89 162.02 m2（133.74 畝）。

矸石場生產(chǎn)時會產(chǎn)生大量的粉塵，細(xì)小的顆粒隨空氣的流通與土壤、水源等結(jié)合，并彌漫在該區(qū)域的空氣中，對生產(chǎn)人員和居民的呼吸器官帶來嚴(yán)重的危害，同時也易受雨水的沖刷使地勢更加陡峭，從而使矸石場成為輕度侵蝕區(qū)域。矸石場工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 矸石場工藝流程圖

2 矸石溝治理措施分析

2.1 煤矸石處理及綜合利用途徑

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查企業(yè)產(chǎn)品方案，本項目洗煤廠矸石產(chǎn)生量為11.94 萬t/a，矸石場可堆存矸石61.1 萬t。截至目前，矸石場內(nèi)未堆存矸石，矸石場庫容可滿足選煤廠5.1 a 的矸石量堆存需求。不同階段的矸石大小和狀態(tài)不一致，需要層次堆放，在矸石場地的矸石按照自里向外的堆放原則進(jìn)行存放，隨后利用推土機(jī)將其攆平、壓實(shí)。矸石必須與黃土層隔絕堆放，矸石堆放的厚度不能超過2 m，黃土層的厚度為0.5 m，并定期對場地采取降塵處理，采用固定箱式礦車將矸石運(yùn)輸至應(yīng)用場地。

2.2 矸石運(yùn)輸系統(tǒng)及矸石場選擇

1）在洪洞縣趙城鎮(zhèn)的一條自然荒溝內(nèi)建設(shè)矸石場地，間溝谷凹地作為矸石溝，流向?yàn)橛赡现帘保一臏细叨软槃荻拢鋽嗝鏋椤癠”字形，整條荒溝的長度為440 m，寬為40 m，深度約為30 m，由相應(yīng)運(yùn)輸車輛將其運(yùn)輸至指定地點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高效利用。

2）排矸場地貌、植被情況。本次將在矸石場東南側(cè)200 m 左右的荒溝作為備用矸石溝，并經(jīng)相關(guān)部門批準(zhǔn)后由企業(yè)的負(fù)責(zé)部門確定，劃分出矸石場的用地范圍。

3）排矸場選址可行性分析。矸石場地的面積達(dá)到89 162.02 m2（133.74 畝），根據(jù)相關(guān)資料顯示，本次實(shí)驗(yàn)選用矸石I 類一般性固體廢物，其場地需要滿足該類固體廢物的處理場地要求，因此最終將矸石場定于洪洞縣趙城鎮(zhèn)處一座自然荒溝。

由于選擇的矸石場地處自然荒溝，經(jīng)過場地勘察發(fā)現(xiàn)，溝底主要由黃土覆蓋，并且還生長著許多雜草和灌木等植被，恰好適合矸石堆放；自然荒溝主要由草地和荒坡構(gòu)成，因此一旦出現(xiàn)泥石流、滑坡等自然災(zāi)害，也不會影響到矸石場的生產(chǎn)；由于矸石場地地表為黃土，因此需要利用機(jī)械將溝底壓平壓實(shí)，保障地基達(dá)到工廠承載力的標(biāo)準(zhǔn)，避免在后續(xù)生產(chǎn)中出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，同時確保矸石場能夠正常運(yùn)行和生產(chǎn)；排矸場不屬于國家規(guī)定的保護(hù)區(qū)域，因此無需遵守其他保護(hù)區(qū)域的相關(guān)規(guī)定；根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和選址要求，排矸場的地址必須與最近的居民生活區(qū)域距離超過500 m。根據(jù)分析可知，本次選址符合上述要求，因此符合環(huán)評及其批復(fù)的要求。

2.3 矸石場設(shè)計

矸石場需將各類機(jī)器配備齊全，如壓路機(jī)、推土機(jī)、測量儀器等。根據(jù)矸石場的規(guī)模大小最終決定招聘5 個專職人員，按照污染物處置標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求規(guī)范進(jìn)行工作，并且在固體廢物堆場邊上也裝設(shè)了環(huán)境保護(hù)的圖形標(biāo)志，達(dá)到矸石場的標(biāo)準(zhǔn)。

1）由于矸石場地的地形和地質(zhì)的關(guān)系，必須建設(shè)相應(yīng)的攔矸壩以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的安全，因此在矸石溝外設(shè)計建設(shè)攔矸壩。

2）矸石溝底部需要設(shè)置涵洞，有利于引流水源，避免地表水堆積在矸石中。

3）矸石堆的坡度有一定的安全范圍，超出范圍會造成坍塌現(xiàn)象，因此必須嚴(yán)格控制邊坡的坡度。

4）還需考慮雨季造成的積水問題，因此需在矸石場和邊坡坡面上合理設(shè)計排水渠，以保障矸石山的安全及質(zhì)量。

2.4 矸石場工程設(shè)計

攔矸墻具有一定的阻擋矸石的作用，在矸石溝出口一定距離處利用混凝土為材料進(jìn)行修筑，其長度和高度分別為89 m 和5 m，其中需預(yù)埋地底1.5 m 深，以保障攔矸墻不會倒塌，具有一定的堅固性。本次試驗(yàn)設(shè)計的是漿砌石重力式擋矸墻，即垂直式的墻，在澆筑完成后還需用水泥砂漿將墻面抹平。排洪涵洞需按照防洪的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求建設(shè)，最終確定排洪涵洞的等級為V，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。洪水量的計算和暴雨量的計算也按照相關(guān)的計算方法進(jìn)行計算，具體公式如下：

式中：i1p為概率為p 的1 h 暴雨量；kp為概率為p 的曲線模比系數(shù)；為1 h 的最大暴雨均值。

經(jīng)過計算，預(yù)計設(shè)計排洪涵洞中的涵管規(guī)格為Φ2.0 m×2.5 m×437 m，并可充分發(fā)揮排洪功能，將上游匯水排入至排矸場的下游中。

排水邊溝也是矸石場重要的排水設(shè)計，在矸石溝周邊設(shè)計排水邊溝，利用M10 漿砌石修筑梯形的斷面，其厚度需達(dá)到0.3 m。為了避免積水殘留在矸石場中對矸石產(chǎn)生侵蝕和沖刷的影響，導(dǎo)致矸石的質(zhì)量和產(chǎn)量下降，必須在矸石場周邊設(shè)置截洪溝，將坡面的水流引流至排矸場的下游，避免矸石場產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。排水溝通過的流量計算公式如下：

式中：Q 為通過流量；S 為斷面面積；c 為謝才系數(shù)；R為水力半徑；i 為底坡。

計算結(jié)果表明，采用尺寸為120 cm×60 cm×60 cm的排水邊溝能發(fā)揮最大的排水效益，并設(shè)計為矩形漿砌石結(jié)構(gòu)，整個矸石場的排水邊溝長度約為1 590 m。矸石場生產(chǎn)前需利用特殊的運(yùn)輸工具將固體廢物運(yùn)輸至堆矸場中，隨后操作推土機(jī)將矸石推平，并對1 m 高的矸石反復(fù)壓實(shí)，確保壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.85。

此外按照一定的比例堆放矸石，確保坡度在安全范圍內(nèi)，每當(dāng)矸石堆放到2 m 高時需采用50 cm 厚的黃土將其掩蓋，使矸石和空氣隔開，避免矸石內(nèi)部熱量聚集達(dá)到可燃溫度，與氧氣反應(yīng)最后燃燒。設(shè)計邊坡前還需考慮是否需要建設(shè)馬道，本次設(shè)計每5 m 高的邊坡就需設(shè)置一個5 m 寬的馬道，并在邊坡橫向上設(shè)置邊坡阻流沖刷邊坡的匯水，保障邊坡的質(zhì)量。此外還需修筑反坡，坡度方向由外向內(nèi)；在反坡豎向設(shè)置排水溝，由于矸石場和鄉(xiāng)村間修有道路，可利用現(xiàn)有道路進(jìn)行修建，在矸石場中修建與現(xiàn)有道路連接的新道路，在矸石場生產(chǎn)過程中需定期對道路灑水和清理，保障道路的暢通，也要在道路兩側(cè)種植綠化植物，以吸收運(yùn)輸車輛和矸石生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物。覆蓋于矸石上的黃土無需另外購買，在周圍山坡上既有，為工程生產(chǎn)節(jié)省成本。由于矸石場易發(fā)生自燃現(xiàn)象，必須在矸石堆周圍設(shè)置消防設(shè)施。

2.5 固體廢物堆體的邊坡防護(hù)

2.5.1 邊坡平整

矸石堆放完成后，需對邊坡的外表進(jìn)行改造，覆土并種植利于生長的植物。每個矸石場的環(huán)境條件不一樣，需根據(jù)場地特點(diǎn)對邊坡進(jìn)行調(diào)整，以保障矸石場邊坡的穩(wěn)定性。矸石需按照1∶2 的質(zhì)量比例，因此邊坡整形時可按照該比例進(jìn)行施工。邊坡整形也需對矸石道路和其他部分（如排水溝）進(jìn)行修整，合理設(shè)置矸石道路的坡度，便于雨水通過坡度流入排水溝中，因此設(shè)計矸石道路的坡度為2%，且外高內(nèi)低。

2.5.2 覆土平整

邊坡整形過后需采取覆土平整措施，新設(shè)計的平臺和斜坡的坡面存在高低不平的現(xiàn)象，利用黃土覆蓋使臺面和坡面平整，便于后期種植綠化植物。由于黃土的覆蓋會造成整個坡面的黃土層密度不均勻，因此可采取多次覆蓋壓實(shí)的方法使黃土層的壓實(shí)度達(dá)到85%。

2.6 生態(tài)防護(hù)，復(fù)耕措施

矸石場原是荒地時主要生長雜草，因此在建設(shè)完工后需采取復(fù)耕措施。矸石場必須遵循下述的原則執(zhí)行生態(tài)防護(hù)工作：可除去雜草，但對于原有的林木盡量不去毀壞；因地制宜，選擇最適合場地的環(huán)境治理防護(hù)措施，使綠化帶經(jīng)濟(jì)、美觀且實(shí)用，不僅可改善矸石場地的面貌，也具有穩(wěn)固生態(tài)環(huán)境的作用；綠化樹種盡量選用最生命力頑強(qiáng)的樹木進(jìn)行種植，以保障樹木的存活率，同時也降低了綠化成本。詳細(xì)生態(tài)防護(hù)措施如下：

2.6.1 水土保持工程

矸石場由于地質(zhì)特性，具有優(yōu)良的通透性，因此降水不會在地表形成徑流。但若有外來的水源，則會導(dǎo)致矸石場上的水量增大，造成邊坡出現(xiàn)塌方或滑坡的現(xiàn)象，因此必須格外注重矸石場的排水措施。若降雨強(qiáng)度較大時，降雨的沖擊力會使矸石場的地表出現(xiàn)面蝕現(xiàn)象，降雨結(jié)束后則會出現(xiàn)深淺的水溝。因此，此必須將水土保持措施落實(shí)到位。

2.6.2 植物種類和栽種技術(shù)

通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解并掌握在矸石區(qū)具有較強(qiáng)生長力的植物，并根據(jù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)能力選擇適宜的鄉(xiāng)土植物種植于矸石場，盡量選擇多種混種的模式，可提高植物的耐受力。

2.7 水土保持方案

矸石溝水土流失現(xiàn)象主要體現(xiàn)在兩個方面：一是傾倒矸石使矸石的堆積并不密集，存在一定的空隙，稍有松動就會造成滑坡、坍塌的現(xiàn)象，同時若遇到雨季，也會因雨水的沖刷帶走泥土，造成嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象；二是矸石堆的堆積會改變地形面貌，阻斷原有的水流，改變水流的流徑，使原流徑生長的植物造成破壞，同時也影響現(xiàn)流徑的植物的生長。因此，對于矸石溝水土流失問題必須從上述方面入手，制定科學(xué)合理的水土保持方案：通過有效的矸石堆放提高穩(wěn)定性；避免雨水和水流沖刷地表；進(jìn)一步擴(kuò)大矸石場的綠化面積；不將矸石堆積于水流流徑處。

2.8 植物措施

矸石堆積完成后需在坡面種植適宜生長的植物，最終選擇紫穗槐和拔堿草，按照各自的種植標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行種植。按照混合種植的方式使坡面和矸石溝平臺恢復(fù)綠植狀態(tài)。

2.9 頂部平臺防護(hù)工程

對削坡平整后形成的坡面、平臺進(jìn)行覆土，為確保坡體穩(wěn)定，對整個場地進(jìn)行封場治理，主要作用是使矸石地盡快進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，改善當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。種植灌木需覆土0.8～1.0 m，種植草需覆土0.5～0.8 m，斜坡處覆蓋0.3～0.5 m。

2.10 生態(tài)恢復(fù)工程

場地平整覆土后，為防止水土流失，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，種植適合當(dāng)?shù)厣L的樹種，根系發(fā)達(dá)的植物可有效穩(wěn)固水土，減少水土流失和自然災(zāi)害，為保證綠化和樹木成活率，要定時灑水。

3 測量定位

3.1 定位施工準(zhǔn)備

3.1.1 圖紙會審

由技術(shù)負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)測量員及其他人員認(rèn)真學(xué)習(xí)、熟悉和審核圖紙。若發(fā)現(xiàn)問題及時與建設(shè)單位和監(jiān)理單位溝通，確保數(shù)據(jù)無誤。

3.1.2 定位儀器準(zhǔn)備

本項目占地范圍廣，施測目標(biāo)多，施測頻率高，測量任務(wù)大。為確保工程測量滿足相關(guān)技術(shù)要求，以全站儀和水準(zhǔn)儀作為主要測量儀器。主要測量儀器配置如圖2 所示。

圖2 測量主要測量儀器

3.2 定位施工

3.2.1 控制測量

1）交接樁開工前，依據(jù)建設(shè)單位和測繪單位對本工程平面控制點(diǎn)和高程點(diǎn)的交樁，由項目技術(shù)負(fù)責(zé)人主持，由項目測量員進(jìn)行復(fù)核，如發(fā)現(xiàn)有不合格點(diǎn)位，應(yīng)及時上報建設(shè)單位、監(jiān)理及測繪單位，重新交樁，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2）建立控制網(wǎng)。依據(jù)建設(shè)單位提供的控制點(diǎn)進(jìn)行引測及加密，并建立施工測量控制網(wǎng)。因本項目場地較大，所以本工程采用導(dǎo)線平面控制網(wǎng)。采用全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測量。每個點(diǎn)位測2 個測回，距離和角度取平均值，兩次測回之差不超過規(guī)定限值。導(dǎo)線測量內(nèi)業(yè)計算采用近似平差，其結(jié)果符合二級導(dǎo)線測量技術(shù)要求。

3.2.2 高程測量

如圖3 所示，高程測量采用S3 光學(xué)水準(zhǔn)儀，測量時前后視線長度≤80 m，前后視距差≤5 m，其閉合差符合四等高程控制測量技術(shù)要求。各加密控制點(diǎn)的布設(shè)依據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況而定，應(yīng)確保相鄰兩點(diǎn)間能夠相互通視，盡量不受旁折光影響，并且布設(shè)在對施工無礙且便于尋找、保護(hù)的地點(diǎn)。在選點(diǎn)處挖50 cm深的土坑以作為測量控制點(diǎn)的標(biāo)識，澆筑一個上口寬15 cm、下口寬35 cm、高50 cm 的正棱臺混凝土墩，然后插入1 根直徑20 mm、長為40 cm 的鋼筋，頂端鋸“十”字標(biāo)記，在距離底部5 cm 處做成90°彎鉤狀，最后將墩臺周邊覆土回填。設(shè)置在硬化地面的控制樁采用水泥釘作為標(biāo)記，周邊設(shè)置標(biāo)識牌。標(biāo)識完成后需等最少24 h 后方可使用。控制測量完成后請監(jiān)理單位和建設(shè)單位對測量成果進(jìn)行檢查驗(yàn)收并履行相關(guān)手續(xù)。

圖3 控制點(diǎn)情況

4 治理效益分析

人類的生產(chǎn)離不開土地，土地為我們帶來各類資源，由于我國科技的進(jìn)步，造成我國參與農(nóng)作的農(nóng)民數(shù)量迅速降低，可耕地面積也逐漸縮小。因此在執(zhí)行矸石溝的環(huán)境治理時，也可恢復(fù)原有的耕地，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

通過對矸石場的治理，有效降低矸石場產(chǎn)生的有害氣體以及粉塵，對周邊環(huán)境的污染和破壞程度較低，可通過環(huán)境的自凈能力恢復(fù)正常生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)提供有效用地，減少工農(nóng)間的糾紛，也為周邊居民提供穩(wěn)定的生存環(huán)境。因此采取環(huán)境治理工程對矸石場的可持續(xù)生產(chǎn)發(fā)展具有積極作用，也可推進(jìn)當(dāng)?shù)谿DP的增長，促進(jìn)城鎮(zhèn)一體化發(fā)展。矸石場的生態(tài)保護(hù)建設(shè)實(shí)際效果是非常明顯的，將因矸石場建設(shè)和生產(chǎn)而破壞的區(qū)域恢復(fù)到最初狀態(tài)。

5 結(jié)論

以洪洞縣趙城鎮(zhèn)礦山矸石場作為實(shí)踐對象，驗(yàn)證了提出的采用地貌重塑、土壤重構(gòu)和植被恢復(fù)三大礦山修復(fù)核心技術(shù)修復(fù)方案是具有顯著成效的，可為其他矸石場的環(huán)境治理所借鑒。本次實(shí)踐證明該方案不僅可推進(jìn)矸石場的可持續(xù)發(fā)展，也為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。在自然災(zāi)害防治方面，降低了邊坡坍塌、泥石流發(fā)生的機(jī)率，減少了矸石場的安全隱患，起到防災(zāi)的目的；在土地資源方面，不僅盡可能地恢復(fù)原有的土地功能，提高生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，通過種植大量的綠化植物，提高了矸石場的美觀程度，也體現(xiàn)了工廠和生態(tài)共同發(fā)展的局面；在土地利用方面，矸石場的建設(shè)和生產(chǎn)過程中充分利用周邊的環(huán)境資源，也根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)制定合理的矸石場生產(chǎn)方案，充分體現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境資源的利用價值。實(shí)施該修復(fù)方案后，一方面實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)的綠化帶美觀建設(shè)，另一方面也充分發(fā)揮生態(tài)環(huán)境的功能，為矸石場帶來更大的發(fā)展機(jī)遇。