王 凱
(蘭州煤礦設(shè)計(jì)研究院,甘肅 蘭州 730000)
青海木里煤田位于青海省海西州和海北州境內(nèi),區(qū)內(nèi)海拔多在+3700m以上,生態(tài)環(huán)境脆弱。礦區(qū)開(kāi)發(fā)初期,大部分礦井采用露天開(kāi)采。依照國(guó)家環(huán)保政策要求,青海省人民政府辦公廳 以“關(guān)于印發(fā)木里煤田綜合整治工作實(shí)施方案的通知” (青政辦[2014]143號(hào)文)及“關(guān)于印發(fā)祁連山自然保護(hù)區(qū)和木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境整治工作責(zé)任分工方案的通知”(青政辦[2014]174號(hào)文)文件要求[1,2],木里礦區(qū)所有煤礦企業(yè)停止一切露天開(kāi)采,推動(dòng)礦區(qū)逐步轉(zhuǎn)入井工開(kāi)采模式,轉(zhuǎn)入井工前,采坑必須綜合整治為礦井井工生產(chǎn)提供必要的安全保障,并保證生態(tài)環(huán)境的逐步恢復(fù)。
采坑?xùn)|西長(zhǎng)、南北窄,礦坑占地面積為55.58hm2。礦坑底部南北寬約60~80m,東西長(zhǎng)850m,坑口南北寬約520m,東西長(zhǎng)1300m??拥字恋乇硐鄬?duì)高差120~170m,坑底平面呈中間低兩邊高之勢(shì)。東邊幫最終邊坡角為46°,西邊幫最終邊坡角為18°,南邊幫最終邊坡角為28°~38°,北邊幫最終邊坡角為35°~37°。
南排土場(chǎng)位于采坑南面,排土場(chǎng)東西長(zhǎng)約1580m,寬約300m,總高度約55m,呈西—東方向延伸。分為三個(gè)臺(tái)階,占地面積約42.08hm2。
北排土場(chǎng)位于礦坑北面,排土場(chǎng)東西長(zhǎng)約1700m,最寬處約560m,總高度約81m,呈近西—東向延伸。分為五個(gè)臺(tái)階,占地面積約80.36hm2。
設(shè)計(jì)認(rèn)為江倉(cāng)四號(hào)露天礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡,如圖1所示。計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分折計(jì)算。
圖1 張裂縫-圓弧型滑坡滑動(dòng)模式圖
經(jīng)計(jì)算,東、南邊幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.294、1.005。其穩(wěn)定系數(shù)小于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3~1.50[3]。故該東、南邊幫是不安全的。需要進(jìn)行邊坡修整,修整后的最終邊坡角為40°,修整后的邊坡經(jīng)計(jì)算其邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.42。
采坑北幫、西幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.376、3.198,大于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3~1.50。故北、西邊幫的邊坡是安全的,不需要修整。
南、北排土場(chǎng)邊坡高12~66m,設(shè)計(jì)分別從不同角度進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》,設(shè)計(jì)推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.2~1.5。經(jīng)分析計(jì)算,邊坡角在18°時(shí),該邊坡有最小穩(wěn)定系數(shù),為1.281,排土場(chǎng)最終穩(wěn)定性邊坡角為18°,為圓弧—直線型滑面。根據(jù)業(yè)主提供的排土場(chǎng)的實(shí)測(cè)地形圖,南排土場(chǎng)最終邊坡角為18°~40°,北排土場(chǎng)最終邊坡角為15°~34°,對(duì)南、北排土場(chǎng)最終邊坡角大于18°的邊坡需進(jìn)行消減作業(yè)。
露天采坑深120~170m,為防止露天采坑將來(lái)積水對(duì)井工開(kāi)采的危害,本次回填治理考慮了二個(gè)方案。
1)方案一為采坑部分回填整治方案,回填高度在考慮留設(shè)30m煤柱的基礎(chǔ)上,按大于下一步井工開(kāi)采防水安全煤柱的要求設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的回填高度。為進(jìn)一步降低采坑積水對(duì)井工開(kāi)采的危害將在回填后的采坑內(nèi)安設(shè)常年排水泵。
2)方案二為采坑全部回填整治方案,即設(shè)計(jì)的回填深度與礦坑高度相同,充分利用排土場(chǎng)渣料,回填后的采坑表面與周邊地形一致,并形成自然流水坡度。
經(jīng)方案比較,在滿足井工開(kāi)采安全的基礎(chǔ)上,方案一能及時(shí)的進(jìn)行回填作業(yè),進(jìn)而滿足采坑綜合整治工作時(shí)間的要求,且回填投入費(fèi)用少,經(jīng)濟(jì)上較為合理。故推薦方案一。
按照推薦方案的要求,回填高度與留設(shè)煤柱高度之和須大于水體保護(hù)煤巖體高度[5],即:Ht≥H。式中,Ht為采坑填埋高度與留設(shè)煤柱之和,m;H為井工開(kāi)采水體保護(hù)煤巖體高度,m。
3.2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算
依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中的附錄六“水體下采煤的安全煤巖柱留設(shè)方法”的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[6]:
導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式為:
式中,Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度,m;∑M為累計(jì)采厚,按煤層厚度15.62m計(jì)算。
經(jīng)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度最大為60.23m。
3.2.2 保護(hù)層厚度選取
依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中的“水體下采煤的安全煤巖柱留設(shè)方法”,防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度取14m[6]。
3.2.3 回填高度的確定
根據(jù)上述計(jì)算,留設(shè)75m高度保護(hù)煤(巖)柱為井工開(kāi)采時(shí)的巷道安全最小保證高度。考慮井工開(kāi)采時(shí)留設(shè)30m煤柱,則巖柱最小回填高度應(yīng)為45m。結(jié)合礦坑實(shí)際,考慮礦坑回填須形成一定的平整治坡面,回填深度取55~67m,加留設(shè)煤柱30m,則Ht=85~97m,Ht不小于保護(hù)煤巖柱高度75m,可見(jiàn),Ht=85~97m時(shí)滿足要求。其中煤柱留設(shè)30m,基底防水復(fù)合凝固材料20m,回填渣料35~47m。
3.2.4 回填方法
采坑回填作業(yè)具體要求及做法為[7,8]:
1)對(duì)采坑坑底進(jìn)行基底平整,并對(duì)采坑坑底進(jìn)行基底防水處理。
2)在基底防水處理后,對(duì)采坑進(jìn)行渣土回填至最終標(biāo)高差2m處,礦坑的回填坡度為由西部向東部按1%的流水坡度進(jìn)行回填,每回填0.5m厚度進(jìn)行一層灑水碾壓,壓實(shí)度不小于0.85。
3)達(dá)到最終標(biāo)高差2m處,鋪一層“無(wú)紡?fù)凉げ?防水膜”。
4)在其上鋪2m厚的渣土,每回填0.5m厚度進(jìn)行一層灑水碾壓,壓實(shí)度不小于0.85,采坑回填如圖2所示。
圖2 采坑回填示意圖(m)
3.2.5 回填物成分要求
1)防水復(fù)合凝固層。其成分主要為砂礫土,并加入5%的水泥以提高凝結(jié)程度,壓實(shí)度不小于0.90。砂礫最大粒徑不宜超過(guò)40mm,壓碎值不大于35%。水泥采用普通硅酸鹽水泥。砂礫土來(lái)源為基底平整及采坑邊坡消減渣石量。
2)其他材料。無(wú)紡?fù)凉げ歼x用針刺無(wú)紡?fù)凉げ?,?guī)格為400g/m2,寬度5m,厚度0.6mm;防水膜選用LD-58環(huán)保型,厚度0.4mm。
地表生態(tài)恢復(fù)區(qū)域包含露天礦外排土場(chǎng)(南、北兩個(gè)排土場(chǎng))和回填后的礦坑表面。
植被選擇青海當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的、適宜青藏高原生長(zhǎng)的多年生禾本科牧草,以市場(chǎng)供種相對(duì)充足的披堿草、早熟禾等鄉(xiāng)土草種。要求種子的質(zhì)量達(dá)到國(guó)家規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上。根據(jù)立地條件,盡量選擇混草種播種,選擇的配置模式為“早熟禾+星星草+披堿草”,每畝播種量為20kg,其中:早熟禾5kg,星星草5kg,披堿草10kg。
地表生態(tài)恢復(fù)的主要農(nóng)藝措施是:采取人工撒播或機(jī)械條播,人工撒播一定要保證種子的播種深度,機(jī)械條播行距應(yīng)采取15cm的小行距,保證種子出苗后及時(shí)覆蓋地表。其工藝流程為:客土→人工地面平整→大小粒草種及化肥撒播→人工耙平→人工鎮(zhèn)壓→薄膜鋪設(shè)、灑水→圍欄封育。
1)客土:在地表平整工作完成后,要清除地表礫石,然后拉鋪20cm厚的種植土(種植土有機(jī)質(zhì)含量要達(dá)到3%以上,土壤全氮含量0.3%以上),種植土拉填后要進(jìn)行一次鎮(zhèn)壓,以創(chuàng)造良好的苗床和適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的立地條件。
2)人工地面平整:去除5cm以上的石塊,隨地形耙平地面,耙地深度7~8cm。
3)草種及化肥撒播:根據(jù)選定的草種類型和數(shù)量與磷酸二銨底肥(0.075kg/m2)混合后人工均勻撒播。
4)人工耙平:將草種和化肥耙入土壤0.5~1cm。
5)人工鎮(zhèn)壓:人工使用器械均勻的將地面適度拍實(shí),使草種與土壤充分結(jié)合。
6)薄膜敷設(shè)、灑水:薄膜鋪設(shè)后,適度灑水、使薄膜與地面充分貼合。
為防止地表匯水流入礦坑,礦坑周?chē)谏a(chǎn)時(shí)已建有排水溝。其規(guī)格為1.0m×1m×1.5m(底寬×深度×幫坡)。經(jīng)計(jì)算,已有排水水溝滿足地面防排水需要。
5.2.1 采坑排水設(shè)施的布置
采坑整治后的表面形成1°的自流面,在礦坑?xùn)|側(cè)自流面的最低處設(shè)礦坑集水池,與固定排水泵站為一體。集水池容量為200m3,長(zhǎng)×寬×深為10m×10m×2m,池壁用混凝土澆灌,厚度300mm。
5.2.2 排水量估算
礦坑內(nèi)降雨徑流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算,采坑正常排水量為69.1m3/h;暴雨排水量為149.65m3/h。
5.2.3 排水設(shè)備選擇
礦坑排水設(shè)備選型按正常排水期和暴雨排水期分別選擇:正常排水期水泵每天按20h工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算;暴雨時(shí)期排水設(shè)備按照“7日暴雨量7日排出”進(jìn)行計(jì)算。排水設(shè)備及管路見(jiàn)表2。
表1 礦坑內(nèi)降雨徑流量計(jì)算成果表
表2 排水設(shè)備及管路表
1)通過(guò)對(duì)江倉(cāng)四號(hào)井露天開(kāi)采后的采坑及排土場(chǎng)進(jìn)行綜合整治,達(dá)到恢復(fù)地表生態(tài)環(huán)境目標(biāo);同時(shí),進(jìn)一步消除了露天采坑對(duì)井工開(kāi)采產(chǎn)生的不安全因素,減少了對(duì)井工生產(chǎn)的威脅和危害。
2)在采坑及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算中,由于地區(qū)多年凍土廣布,受凍土層季節(jié)融化層及凍脹性影響,容易產(chǎn)生不良的工程地質(zhì)問(wèn)題。凍土對(duì)邊坡穩(wěn)定有很大的影響,其滑動(dòng)模式應(yīng)在常規(guī)的滑動(dòng)模式基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,但由于目前缺乏這方面的研究,暫不能確定相應(yīng)參數(shù),只有通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行防治。