潞安集团煤矸石山边坡生态治理工程技术——以王庄煤矿为例<br/>

潞安集团煤矸石山边坡生态治理工程技术——以王庄煤矿为例

2010-09-12于桂芬杨亚平崔焱森

中国水土保持 2010年10期

关键词：王庄煤矸石矸石

于桂芬,杨亚平,崔焱森

(潞安矿业(集团)有限责任公司林业处,山西长治 046204)

潞安集团煤矸石山边坡生态治理工程技术
——以王庄煤矿为例

于桂芬,杨亚平,崔焱森

(潞安矿业(集团)有限责任公司林业处,山西长治 046204)

煤矸石山;边坡;生态环境治理;生态植被毯;王庄煤矿

潞安集团王庄煤矿在矿山生态治理理念的指导下,结合煤矸石山现状及边坡治理的特殊要求,先采取工程措施,将矸石山整形为坡台式,用黄土(粉煤灰)分层碾压覆盖,继而采用地表覆盖法进行表面防侵蚀处理、修建排水沟,然后采用铺设生态植被毯的方法恢复边坡植被,选择适宜树种进行合理配置,并采取了相应的抚育管理措施,使矸石山边坡的治理初见成效。

王庄煤矿位于长治北郊区,地理坐标为东经 113°02′19″—113°09′51″、北纬 35°52′45″— 35°57′00″,在我国规划的 13个大型煤炭基地之一晋东南基地潞安矿区内,井田属沁水煤田东部边缘中段。该矿的西矸石山是在荒地上堆积而成的,累计堆积时间长达 20年,煤矸石的总堆积量约有 156万 m3,占地面积约7.67 hm2。矸石山宽约 220 m,长约 400 m,高约 55 m,坡度在15°～38°之间,至今无自燃迹象[1]。该矿于 2008年 5— 10月进行了地形整理与土石方工程整治,2009年 5—10月进行了生态绿化种植,矸石山边坡的治理已初见成效。

1 项目区自然概况

王庄煤矿地处黄土高原东南部的上党盆地之内,远离海洋,属温带大陆性季风气候,一年四季气候差异较大:冬季受西伯利亚寒流影响,风大、温度低;夏季则气温较高,空气湿度低。一般每年 11月份至次年 5月份为旱季,6—8月份为雨季,7—9月份为暑期。年均气温为 9.5℃,极端最高气温 37.8℃,极端最低气温 -25.3℃。冻土层最大厚度为 42 c m,开冻期为 3月下旬。全年无霜期为 148d。年均降水量 678.65 m m,但多集中在夏季(6—9月份),降水量为 386.6 mm,占全年降水量的57%;年降雪量为 30.3 m m,占全年降水量的 4.5%。每年的春秋冬季西北风为主导风向,年均风速为 3.5 m/s,冬季疾风时风速达 20.6 m/s,偶有龙卷风,风速可达 230 m/s,具有极大的破坏力。王庄矿区位于太行山中段西侧,属漳河流域,海拔约为917 m,高出漳河河床 12～15 m。

2 治理目标

2.1 消除边坡隐患

王庄煤矿排矸场目前的排放均采用“由上向下,自然堆积,平整顶部,不断延伸”的方式,未分层碾压,煤矸石堆放时的自然安息角较大,有可能发生坍塌、滑坡等自然灾害,对周围环境影响较大,并危及周围居民的生命和财产安全。所以,煤矸石山治理的首要目标就是消除边坡隐患。

2.2 恢复边坡植被

煤矸石山堆放在自然环境中,不仅占用大量的土地资源,而且破坏矿区生态环境,同时其紧邻公路,还影响煤炭企业的环境形象。建立稳定的人工植物群落,可有效遏制煤矸石对环境的污染,涵养水源,抑制扬尘,减少淋溶水,为草本植物和菌类的成活创造较好的微生态环境,改善矿区及其周围的大气环境质量和水环境质量。因此,恢复边坡植被是煤矸石山治理的又一目标。

3 治理思路

由于以往排矸采用的是由上到下自然倾倒的工艺,边坡坡度较大,无法直接覆土夯实,因此必须进行人工削坡。在治理过程中,尽量因地制宜,利用现有地形削坡平整,确保治理后的矸石山边坡稳定。在植被恢复方面,按照生态学原理,实地调查,选择优势树种,培育良种壮苗,认真栽植,精细管护。在生态理念为主导的基础上,采用生物与工程相结合的综合技术措施进行矸石山边坡治理,按照适地适树原则,因地制宜建设特色景观。

4 煤矸石山边坡治理工程技术

为节约用地,王庄煤矿煤矸石以堆积高度过高、坡度过大的锥形为主,表面积的 90%以上由坡面组成,排矸过程没有经过碾压、整形处理,如遇特大暴雨、洪水、地震等自然灾害极易造成山体失稳、滑坡或泥石流现象。所以,山体整形稳定是工程治理的重点,要因地制宜,充分利用现有地形、地貌,就近挖、填调运矸石(不外运也不内调),做到挖矸量与填矸量基本平衡。

4.1 整形工程

4.1.1 整形削坡,增强坡面稳定性

结合煤矸石山现状及边坡治理的特殊要求,将矸石山整形为坡台式。按《矿井生产系统设计手册》的要求,根据覆土、固土的需要,坡面按高宽比≤1∶1.5(坡度为 33.7°)进行整平。

矸石山整个地形为北部、东南部高,南部、西北部低,坡顶最高点高程为 977.4 m,坡底最低点高程为 920.3 m,西北部高差 56m,东南部高差 40m。本设计根据地形把矸石山分为 1个平台、2个马道、3个坡面。平台高程为 968～970 m,北部坡面按高宽比 1∶1.6进行削坡、整平,东南部坡面按高宽比 1∶1.8进行削坡、整平,南部及西南部坡面按高宽比 1∶1.5进行削坡、整平,各个坡面坡度均能满足设计要求(高宽比≤1∶1.5)。

经过土方平衡计算,可以做到就近挖、填调运矸石(不外运也不内调)。平台上,中部向东南部调运,西北部向北部坡面上调运。坡面上,西北部向西南和东北部调运,东南部向西南和东北部调运。挖矸量与填矸量基本平衡。

4.1.2 覆土夯实

通过调查了解、现场踏勘,矸石山坡面没有发现明火。为了保证治理效果,达到防火和植被永久恢复的目的,矸石山坡面整平至设计标高后,需用黄土、粉煤灰分层碾压覆盖(具体操作见图 1)。首先在整形后的煤矸石表层铺设 0.3 m厚的粉煤灰、黏土混合物(体积比为 3∶7),压实系数不得小于 0.85,该层起到隔绝空气的作用;然后再覆盖 0.7 m厚的种植土层,分层碾压厚度 0.2～0.3 m,压实系数不得小于 0.85。施工过程中应注意:①使用的黄土所含碎石最大粒径不得超过10m m,含水量要经过实验进行确定,含水量高时要进行晾晒,含水量低时要洒水增湿;②黄土分层厚度控制在 0.3 m以内,每一分层应检测压实系数,并符合设计要求;③大型机械无法施工的死角,采用打夯机夯实;④坡面碾压使用斜坡震动碾压机。

图 1 黄土、粉煤灰覆盖碾压法覆盖工程示意

4.2 边坡防侵蚀措施

煤矸石山整形覆土后表面防侵蚀采用地表覆盖法。地表覆盖是在复垦土壤表面覆盖一层材料来增加土壤水分、减轻土壤侵蚀、增加土壤营养成分,达到改良土壤促进植物生长的目的。地表覆盖材料对防止土壤风蚀和水蚀是非常重要的。王庄西矸石山边坡治理所用的覆盖材料有干草、麦秆和侵蚀被。侵蚀被是由可完全降解的脱水植物纤维编织而成,这种侵蚀被在6～12个月的时间内可降解掉。最后修建排水沟,汇集雨水,以避免雨水在沿坡面流淌过程中冲刷覆土使矸石外露。

5 煤矸石山边坡治理生态恢复技术

5.1 植被毯护坡

根据坡面的具体特点,在保证坡体稳定的前提下因地制宜、科学合理地采用相应的坡面植被恢复措施十分重要。我们主要采用的方法是铺设生态植被毯。生态植被毯主要是以稻草、麦秆等植物纤维为原料生产出来的,载体层内添加草种、保水剂、营养土等材料,是国际上常用的简便有效的水土保持植被恢复措施。生态植被毯可以增加土壤水分和养分,减轻土壤侵蚀,达到改良土壤、促成植物生长的目的,对保护种子、加速种子萌发、迅速建立植被是非常重要的。

5.2 边坡绿化植物的选择

植物种类选择的适当与否是煤矸石山植被恢复成败的关键,树种的组成以及植被群落的组成和密度是创造良好生态环境的基础,因此煤矸石山的植被规划主要包括植物品种选择和植物配置两个方面。

5.2.1 植物品种选择

植物种类的选择要有利于煤矸石山的水土保持和土壤的改良,要坚持“适地适树”的原则,以乡土树种为主,并适当选用经过多年引种和驯化的外来植物品种,以增加生物多样性和景观的多样性[2]。王庄煤矿煤矸石山在绿化造林前,只有风化程度好的部位有一些野生植物如椿树、榆树、柳树,数量最多的也不超过 3株,高度在 1 m左右,其最大的特点是分枝多,呈丛生状。

根据绿化前的植物调查和煤矸石山的特性,矸石山植被恢复应选择抗旱、耐瘠薄、萌发力强、生长快、成活率高的植物品种。王庄矸石山选择的主要树种有刺槐、香花槐、火炬树、侧柏、山桃、油松、丁香、紫穗槐、连翘等;同时为获取经验,我们试种了较多的品种以便优选,试种的主要有白蜡、椿树、合欢、珍珠梅、榆叶梅、木槿、红瑞木等。种植后发现刺槐、火炬树、白蜡、侧柏、山桃以及紫穗槐、连翘等的生长表现优于别的树种。研究表明,苗木应选择主干粗壮通直、根系发达而完整、主侧枝分布均匀、无病虫害和机械损伤的优质苗木,针叶树高度不超过 1.5m,阔叶树胸径不超过 3 c m。在矸石山阳面的配置是:侧柏、刺槐针阔混交,针阔比为 1∶2,主要灌木品种为连翘、丁香、紫穗槐等,主要草本植物品种为本地的蜀葵、野菊花、百日草、苍耳、狗尾草和波斯菊等。

5.2.2 植物配置

植物配置就是运用恢复生态学、景观生态学和植被群落理论等原理,对煤矸石山植被群落的组成、结构和密度等进行设计,创造适宜的植物生存空间,避免种间竞争[3]。植被的群落组成根据多样性促进稳定性的原理,煤矸石山造林应尽量配置成混交林,以增加植物生态系统的物种多样性和层次结构,增强改善生态环境的功能;植被的群落结构应该模拟天然植被结构,实行乔灌草复层混交。

5.3 植被恢复栽植技术

由于所栽树种多,因此种植技术上也各有其特点,但基本原则是一致的。种植时间以早春为最好,落叶苗木必须在 3～4个月种植完毕,花草可在 5～6月种植,春季大面积绿化,两季(秋季、雨季)补植补种,秋季霜冻后进行少量常绿树种植。

王庄煤矿煤矸石山地温高,最高温度达 54℃,覆土缓苗是必要的,为此,乔木大都在梯田面上采用穴状种植方法,穴坑规格一般为 0.7 m×0.7 m×0.7m,保证苗木根系的舒展,每穴填土量不少于 20k g。种植时应先浇水降温,然后再栽植与覆土,种植后再浇定根苗水。在王庄煤矸石山边坡植物栽植时,采用了树穴内铺膜保水的绿化新技术,而且在施工中我们选用了保水剂、生根粉、植物抗蒸腾剂、土壤调理剂等现代园林材料。

栽植时应注意苗根的舒展,应采用“三埋两踩一提苗”的方法,即在栽植时,把苗木放在坑正中,先填进黄土约 20 k g,然后填进表层的风化矸石碎粒,填到一半时,把苗木轻轻提一下,以便根系舒展开,再用脚轻轻踏实,使苗木根和土壤充分结合,最后把其余的表层风化矸石填进坑内,用脚踏实。还采用了“深坑浅栽”方法。栽植完后最好在树坑上面覆盖一层疏松土,以防苗木坑中的水分蒸发过快。常绿树全部采用带土球栽植,土球直径与树径比为 8∶1,并采用橘子包扎法;落叶乔木应选用胸径 3c m以下的幼树;花灌木则采用蘸泥浆移植。乔木和灌木移植前应短截、强剪和截干,株行距为 1.5m×4m,成“品”字形排列,对刺槐还进行了覆黄土栽培和不覆黄土栽培对比试验,结果表明,覆黄土栽培成活率可达到 100%,而不覆黄土存活率极低;对花草一般是将种子与土混合后直播于梯田台阶之间的缓坡上和上山道两侧。

5.4 植被抚育管理技术

抚育管理是植物栽培工作中非常重要的技术环节,俗语有“三分栽植、七分管理”之说。煤矸石山造林抚育管理的目的是通过对林地、植被的管理与保护,为植物的成活、生长、繁殖、更新创造良好的环境条件,使之迅速成林。

王庄煤矿煤矸石山有其独特特征,煤矸石山绿化造林的抚育管理工作尤为重要,为此我们采用全面质量管理的方法对苗木进行综合管理。主要技术措施如下:第一步是苗木成活。我们从人、机器设备、种植方法、山上条件和苗木状况 5个方面分析主要的影响因素,通过分析,影响苗木成活率的主要因素是运土不及时、地温高、蒸发快和人员业务素质差,为此,我们制定了相应的对策。第二步是安装水管,解决水问题,为此我们铺设管线 700余 m引排出的矿井水上山。浇灌方法以胶管喷水为主,应该次多量少,切忌大水漫灌,以免浪费水又冲走泥土。由于煤矸石山渗水性强,因此种植后应经常浇水,以保持“土壤”湿润。一般春季每周浇一次;夏季平均 5天循环浇灌一遍,高温时要喷水降温;秋季 10～30天浇一次;冬季在上冻前普遍灌足过冬水。最后是综合管理,组织专人护理树木。在树木栽植以后,浇水 l～2天后必须检查有无裂缝、塌陷现象,一旦发现应及时培土踏实。特别应预防 4月份干热风及冬季西北风的袭击,在越冬前对树木要进行整形修剪,每季还应记录物候以便总结经验,并对病虫害及缺肥症状注意观察,一旦发现,立即采取喷药或施肥等相应措施。