菱镁铁矿露天采矿场生态修复设计

2011-10-30李浩

中国科技信息 2011年12期

关键词：心土排水沟采场

李浩

抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁抚顺 113008

菱镁铁矿露天采矿场生态修复设计

李浩

抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁抚顺 113008

合理设计露天采矿场开发建设项目中水土保持措施，对项目区的生态效益、社会效益和经济效益的提高具有重大意义。本文以某菱镁铁矿水土保持方案为例，在项目建设生产时期对露天采场进行合理的水土保持措施设计，主要包括采场的表土和心土剥离（表土剥离厚度30cm，心土剥离厚度40cm）、采场周围的截排水系统、采场平台的碎石垫层（厚度40cm）、防渗层（厚度10cm）、表土回覆（厚度30cm）、采场斜坡的风镐打孔、采场平台的植物措施（栽植刺槐和柞树）及采场斜坡的植物措施（栽植五叶地锦和三叶地锦）。

水土保持；露天采矿场；水土流失；生态修复

引言

“十五”期间，我国露天采矿工程项目共7819个，总占地面积202196.2hm2，占各类开发建设项目总面积的3.7%[1]。露天矿在采矿作业中为了获取地表下的矿石，必须先清除原生表土，这样就大面积毁坏地表的树木、灌木、草皮等地表附着物，对原生地表造成破坏。同时，又会产生大量的弃土、弃渣，还将产生大量的水土流失[2]。生态修复问题是当前人们关注的环境问题之一。随着全球性矿区生态环境问题的加剧，矿区生态修复被视为协调发展矿区人类活动与自然环境的关系纽带，是解决矿区可持续发展的最佳途径[3]。矿区生态修复是指对采矿引起退化的矿区生态系统，通过重整地形和表土，采取植被和其他适宜的土地利用方式，恢复其生态平衡的过程[4]。矿区生态修复需要借助众多学科的理论支持，借鉴相关学科的方法论[5]。生态修复规划的实质是运用生态学原理,人为地对受损生态系统进行综合地、长远地评价、规划和协调人与自然资源开发、利用和转化关系,提高生态经济效益，促进社会经济的持续发展[6]。

本文以某菱镁铁矿水土保持方案为例，研究该矿区的水土保持工程措施布设及生态修复，有效的水土保持措施对矿区水土流失防治，防止生态破坏，实现资源合理利用，推动人类活动与自然环境的协调发展具有重大意义。

1 项目及项目区概况

该菱镁铁矿为露天开采，设计利用储量为303.53万t，建设规模为30万t/a，矿山开采年限为1 0年。工程总占地面积3 6.60hm2。矿山运行期产生的废石全部排至弃渣场。

项目区属北温带季风气候，寒暑化剧烈，年平均气温8.6℃，无霜期136～142天，年平均降水量800mm，降水强度及降水过程对水土流失有一定的影响，由于项目区内降水年内分布不均，每年6～9月降水占全年降水的60%～70%，降水历时短，暴雨集中，极易造成水土流失。露天采场位于山坡处，坡度较大，在地表植被破坏情况下，易造成水土流失。

区域内随着采矿、修路等生产建设活动的不断增加，水土流失不断发生。工矿区的生产建设活动，包括开挖土石方、采掘矿石、选矿、修建工程设施、堆置固体废弃物等人为的对自然因素的再塑作用都会加剧土壤侵蚀的发生。

2 露天采矿场生态修复设计要点

露天采矿项目不可避免地产生大量裸露边坡，为了减少露天采场建设生产活动引起的水土流失，在总体布局上本着工程措施与植物措施相结合，永久措施与临时措施相结合，点、线、面相结合的原则，形成布局合理的水土保持综合防治体系。防治体系的配置按照系统工程原理，处理好局部与整体、单项与综合、近期与远期的关系，力争做到技术上可行、经济上合理、可操作性强，形成一个科学、完整、严密的水土流失防治措施体系。根据项目区各水土保持区域特点以及各防治分区的具体情况，采取不同的、行之有效的防治措施、方法和手段，对可能产生的水土流失情况进行防治，对破坏的植被进行生态修复。

露天采场矿区范围内矿体分别赋存于大石桥组三段中、上部岩带中，矿体及围岩稳定性好。露天采场最高标高400m，最底标高320m，采场采深80m。

露天采场土地扰动大、破坏严重，是项目区内造成水土流失最为严重的区域之一。对露天采场采取水土保持措施设计，既能在短期内有效防止水土流失，还可长期内形成稳定的水土保持防护体系。

露天采矿场的开发利用，不但造成环境污染，大面积破坏了原有地表植被，而且造成了严重的水土流失，甚至引发山体滑坡等自然灾害。因此合理设计露天采矿场开发建设项目中水土保持措施，对项目区的生态效益、社会效益和经济效益的提高具有重大意义。

2.1 表土和心土剥离

开采前先对各采场的表土和心土进行剥离，表土以备后期恢复植被所用，心土以备后期防渗层所用，表土和心土分别堆放在临时排土场内。为避免一次性剥离造成大面积裸露的坡面产生巨大的水土流失，本工程采取边剥离边存放的方式进行剥离表土。由于采场地形比较复杂，采用人工剥离表土和心土，铲运机运输的方式，表土剥离厚度30cm，心土剥离厚度40cm。

2.2 截、排水系统

矿区水文地质条件简单，矿床充水主要为大气降雨和岩溶水，地形有利于自然排水。该矿山均为山坡露天，设计采用自然排水方式。为确保采场安全生产，在距最终开采境界线10m以外处设置截洪沟。设置截水沟截走降雨形成的地表水，场区雨水经过排水系统排至场外自然排水沟道。

①洪峰流量确定

在此区域设置浆砌块石截、排水沟，壁厚30cm，底厚30cm。截、排水沟按照10%频率24h暴雨量设计。

设计洪水量：

式中：Qm——设计洪峰流量，m3/s；

k——径流系数；

i——24小时暴雨量降雨强度，mm/h；

F——集水面积，km2。

从图上量得场地上游最大山坡集水面积本工程范围内的集水面积约为0.0 1～0.04km2，本设计取F=0.04km2。根据水文资料确定k=0.74，i＝49.8mm/h，计算设计洪峰流量Qm为0.11m3/s。

②断面尺寸确定

采用梯形断面，断面尺寸按明渠均匀流公式计算确定。渠道纵坡采用1/1000，坡比均采用1：1，如取截、排水沟断面底宽b＝0.5m，坡比1.0，排水沟深0.5m，则由上式可计算得到：

由计算结果可知，当截、排水沟底宽取b＝0.5m，高h＝0.5m时，即可满足排水的要求。

③护砌

项目区土体较疏松，易崩塌，故对截、排水沟采用浆砌石结构，壁厚0.30m，底厚0.30m。如图1所示。

图1 浆砌石截、排水沟典型设计图（单位：c m）

2.3 采场平台

采场平台共分两种形式，安全平台为4m、清扫平台为8m，闭采后水土保持防治措施相同。采矿场在工程运行期间一直处于使用状态，开采方式为逐步推进式。考虑到施工的实际情况，为有效防治水土流失，采取一个开采平面结束后立即进行集中整治的方式进行治理。

a、垫石：在平台上用开采出来的块径较小、较均匀的废石铺垫，垫高为0.4m。这样可以有效涵蓄降水。碎石铺垫结束后，机械夯实。

b、防渗层：在垫石层上面覆盖黏土层。为节省投资，黏土用剥离的心土代替。覆盖深度为0.1m，机械夯实。防渗层既可以保持水分在少雨季节有效保留在土层中供植物利用，在积水季节可也逐渐下渗到垫石层中，不致引起过多积水，在枯雨季，又可通过蒸发，补充上层植物生长用水。

c、覆土整平：首先根据地块大小和平整程度，沿等高线方向标示地埂线，分块将各单元的平地和边坡整平，以便覆土。在防渗层上面回填剥离表土。考虑到采矿场开采结束后为裸露岩面，土壤状况很差，尽量保证土层厚度。同时考虑要减少覆土量而依靠植物自身的固土、改土效果进行恢复，故覆土厚度为确定为0.3m。

图2 采场平台碎石垫层、防渗层、表土回覆措施典型设计图

d、植物措施：采场一个层面的采矿结束后，为恢复植物景观，在整治后的土地上栽植当地的乡土树种刺槐和柞树混合栽植。刺槐和柞树规格为胸径4cm，株行距为2m× 2 m。

2.4 采场斜坡

开采结束后，开采坡面的角度为60°，由于开采形成的裸露斜坡均为坚硬岩石，没有风化，用厚层基材等方式恢复景观，投资巨大。较切合实际的做法是在岩石上用风镐挖掘鱼鳞似的坑体，形成兜状，然后进行客土填充。在每个斜坡的3m、6m和9m高处分别打孔，打孔间距为3m。在风镐打的孔中栽植攀爬性植物，共栽植两排，上面一排栽植三叶地锦，下面一排栽植五叶地锦，基本可以覆满坡面。地锦栽植密度为株行距0.5m×0.5m，栽植2行。