陳 剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 礦井概況及矸石排放情況

霍州力拓煤礦井田位于霍州市西北9 km處白龍鎮(zhèn)韓南莊村，行政區(qū)劃隸屬霍州市白龍鎮(zhèn)管轄。井田面積為6.5471 km2，批準開采井田內(nèi)1～11號煤層，生產(chǎn)能力為90萬t/a，礦井服務(wù)年限為8.2年。

礦井正常生產(chǎn)時的矸石率為3%，井下掘進矸石率為1%，生產(chǎn)系統(tǒng)人工揀矸率為2%，全礦矸石量約2.7萬t/a，鍋爐爐渣和生活垃圾分別為1820.48t/a和131.84t/a。礦井所排放之煤矸石及鍋爐灰渣集中堆放于排矸場。在矸石及灰渣堆放過程中不可避免地會產(chǎn)生水土流失，極可能存在如坍塌、滑坡等安全事故及隱患，因此，對矸石堆放場地的防護就顯得尤為重要。

2 排矸場現(xiàn)狀及設(shè)計方案

礦井設(shè)計之矸石排放場地位于工業(yè)場地東北約860 m處，利用現(xiàn)有溝道布置排矸場地。該場地與工業(yè)場地間新修運矸道路，便于運輸。溝道為自然溝道，大體呈“V”字形，現(xiàn)為一荒溝，溝道下游及四周沒有居民居住區(qū)等敏感目標，流域面積約0.17 km2。

排矸場采取水土保持工程、植物及臨時防護設(shè)計相結(jié)合的方式進行防護。工程措施包括攔擋工程、排水工程、邊坡防護工程、土地平整。

植物措施為：在邊坡上植草防護，草種為紫花苜蓿；頂面灌草混交。灌木選用紫穗槐，草種為無芒雀麥。

臨時防護措施：在排矸場擋矸墻、排水工程等工程施工過程中，為避免開挖土方產(chǎn)生水土流失，采取臨時苫蓋措施。排矸場設(shè)計平面布置見圖1。

圖1 排矸場設(shè)計平面布置圖

3 排矸場水土保持設(shè)計

3.1 工程措施設(shè)計

3.1.1 堆矸工藝

首先在溝口設(shè)置攔擋措施，堆矸時從溝口開始，沿等高線由溝口向溝頭、由下向上堆放，堆放邊坡為1:3；先于擋矸墻高處設(shè)5 m寬平臺，后按照1:3坡度向上堆放，每堆高5 m設(shè)置一個平臺，平臺寬度為5 m。運行期堆放矸石時，每層堆放厚度3 m，用推土機推平、碾壓后覆0.5 m厚土；形成永久坡面后，坡面覆0.5 m厚土。當矸石堆至最終設(shè)計高度封場后，矸石頂面覆土，厚度80 cm。

3.1.2 庫容計算、庫容曲線

首先在實測1：1000地形圖上量出不同高程對應(yīng)的占地面積，然后計算出各層間庫容及累積庫容，并繪制高程-頂面積-庫容關(guān)系圖，見圖2。

圖2 排矸場高程—頂面積—庫容曲線圖

礦井建設(shè)期棄渣0.23萬m3，運行期2.9年矸石排放量為5.02萬m3，層間覆土量為0.52萬m3，所需土方取自排矸場內(nèi)，與庫容相互置換，故層間覆土不計庫容；坡面覆土量為0.25萬m3，頂面覆土量為0.56萬m3。坡面和頂面覆土取自排矸場尾部取土場。以上總計6.06萬m3。

排矸場庫容要求為6.06萬m3。通過庫容計算及庫容曲線分析，排矸場底相對高程為0 m，頂面高程為22.0 m時能夠達到要求，堆放高度為22 m。當堆放至該高度（22.0 m）時對排矸場進行封場，同時進行治理。

3.1.3 工程等別和標準

根據(jù)庫容和堆放高度確定排矸場為Ⅴ等工程，防洪標準按20年一遇洪水標準設(shè)計，50年一遇洪水標準校核。

3.1.4 措施布設(shè)

工程措施包括攔擋工程、排水工程、邊坡防護工程、土地平整等。

攔擋工程：在排矸場溝口布設(shè)擋矸墻，長度22 m。

邊坡防護工程：當堆矸至擋矸墻墻頂高程后，先設(shè)5 m寬平臺后進行削坡開級，各平臺之間坡比為1：3，坡面采用植物護坡。

截排水工程：實地踏勘，由于排矸場匯水面積較小，排水工程在矸石堆放的過程中建設(shè)。隨矸石堆放形成永久平臺和邊坡后，在平臺上修建橫向排水溝，在坡面上修建縱向排水溝，在棄渣和排矸場山體相交處修建截洪溝。橫縱向排水溝和截洪溝相互連接。截洪溝下游經(jīng)過消力池消能后自然排放至自然沖溝。截洪溝長度為285 m，橫縱向排水溝長度為222 m。

土地平整：擋矸墻永久邊坡形成后先覆土50 cm厚再進行護坡。排矸場頂部覆土80 cm進行土地平整。

3.1.5 水文計算

根據(jù)水文經(jīng)驗公式進行洪峰流量的計算。

擋矸墻上游匯流面積為0.17 km2。

設(shè)計暴雨量計算公式：

式中：I1p—頻率為p的1 h暴雨量，mm；

kp—頻率為p的皮Ⅲ型曲線模比系數(shù)；

設(shè)計洪峰流量的計算公式：

式中：Qp—頻率為P的最大洪峰流量，m3/s；

k—徑流系數(shù)，取0.65；

I1p—設(shè)計頻率的平均1 h降雨強度，mm/h；

F—擋矸墻以上的控制面積，km2。

水文計算成果見表1。

表1 水文計算成果表

3.1.6 建筑物設(shè)計

1）擋矸墻墻體設(shè)計。在排矸場下游的沖溝出口處采用漿砌石重力式擋矸墻進行攔擋，墻高3.50 m（地上部分2.0 m，地面埋深部分1.5 m），墻頂相對高程為2.0 m，墻頂寬為1.2 m，面坡坡比1：0.4，墻背坡比1:0.2，墻趾0.5 m，墻踵高均0.8 m，用M7.5水泥砂漿砌石砌筑，M10水泥砂漿勾縫。每隔10 m設(shè)置沉降縫與伸縮縫一道，沉降縫與伸縮縫合并設(shè)置，縫寬3 cm，縫內(nèi)用瀝青木板填充，填深0.2 m。墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3。

圖3 擋矸墻墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

為了排出排矸場內(nèi)的部分滲水，在擋矸墻上設(shè)置三道10 cm×10 cm的排水孔，排水孔呈梅花狀布置，并在上游壩面上設(shè)置反濾體粗砂與碎石，均為20 cm。

2）矸石的堆置。根據(jù)排矸場的地形條件，采用從下至上分層壓實、逐層堆置的辦法，削坡升級，坡度采用1：3，每隔5 m高留一5 m寬的平臺（馬道），逐層覆土壓實，至最終堆矸頂面相對高程22.0 m為止。在坡面矸石面上鋪一層0.5 m厚的壤土，采用植物護坡。

3）截洪溝。截洪溝為梯形斷面。截洪溝以均勻流的形式排水，按照明渠均勻流公式進行試算。截洪溝斷面尺寸試算見表2。

根據(jù)上述公式試算，當?shù)讓?.7 m，高度為0.6 m時，截洪溝可以通過50年一遇的洪峰流量2.16 m3/s。出于安全排洪考慮，頂面和岸坡截洪溝采取相同設(shè)計斷面，另外再考慮超高0.1 m。

由此確定截洪溝為梯形斷面，底寬0.7 m，渠深0.6 m，坡比1:0.75，壁厚為0.3 m，碎石墊層厚0.10 m，長度為285 m。

4）橫縱向排水溝。在形成的平臺（馬道）和永久坡面上設(shè)置橫縱向排水溝，采用矩形斷面，深、底寬均為0.4 m，側(cè)墻和底板厚均為0.3 m，修建長度222 m。

5）擋水土埂。在渣頂邊緣2m處設(shè)置一個擋水土埂，長度為102 m，高 0.5 m，頂寬 0.5 m，兩側(cè)邊坡 1：1。

6）覆土、土地平整。運行期堆放矸石時，每層堆放厚度3 m，用推土機推平、碾壓后覆0.5 m厚土；形成永久坡面后，坡面覆0.5 m厚土。當矸石堆至最終設(shè)計高度，覆土厚度80 cm。

在排矸場達到最后設(shè)計標高后，對排矸場頂部進行整治。

3.2 植物措施設(shè)計

1）措施布設(shè)。排矸場植物措施包括在坡面種植紫花苜蓿，護坡面積0.79 hm2；當矸石堆置到最終高程時采用紫穗槐與無芒雀麥混交的方式對頂部進行植被恢復(fù)，恢復(fù)面積0.71 hm2。

表2 截洪（排水）溝斷面尺寸試算表

2）綠化措施技術(shù)指標。排矸場綠化技術(shù)指標見表3。

表3 排矸場綠化技術(shù)指標

3.3 臨時防護措施設(shè)計

在排矸場擋矸墻、排水工程等工程施工過程中，為避免開挖土方產(chǎn)生水土流失，采取臨時苫蓋措施。對臨時堆土（堆料）采用防護網(wǎng)苫蓋，面積3000 m2。

4 結(jié)論

力拓煤礦排矸場通過攔擋工程、排水工程、邊坡防護工程、土地平整、植物護坡、封場頂面植被恢復(fù)及臨時堆土（渣）苫蓋、植物防護措施等工程的實施，可有效防治礦井生產(chǎn)運行過程中矸石及灰渣堆放而產(chǎn)生的水土流失；防止矸石堆放后的滑坡、坍塌；確保排矸場下游安全。同時，植物措施的實施，可有效地改善局部生態(tài)環(huán)境，工程建設(shè)有良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益。