李阳煤业排矸场综合设计分析

郭金伟 聂义田 李丙涛

(煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450007)



李阳煤业排矸场综合设计分析

郭金伟 聂义田 李丙涛

(煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450007)

以山西潞安集团李阳煤业排矸场综合设计为例，阐述了煤矿排矸场综合治理过程中挡矸坝和排洪系统的设计内容，并提出了坝体防护及矸石覆土绿化工程措施，进一步完善了排矸场的水土保持防治体系，避免了因大量的矸石堆放而产生水土流失的现象。

煤矿，排矸场，挡矸坝，煤矸石

李阳煤业公司现有排矸场位于风井工业场地北侧的冲沟内，流域面积8.71 hm2，周围1.5 km2范围内无村庄居民。该沟长约800 m，平均宽100 m，深5 m～15 m，可利用容积约36.05万m3，现已堆放矸石量约15万m3。本矿生产期间产生的固体废弃物主要为洗选矸石、掘进矸石和锅炉炉渣，年产生洗选矸石21.85万t、掘进矸石6万t、锅炉炉渣0.49万t，经计算，年产生固体废弃物约16.67万m3，现有排矸场还可容纳矿井及选煤厂将近18年的排矸量。目前排矸场采取“由上向下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的排矸工艺，目前无自燃现象。由于排矸工艺落后，造成排矸场边坡坡度较陡，有滑坡、坍塌的危险，并且冲沟下游未建设挡矸坝(墙)，对下游的阳涉铁路有一定的威胁；另外，排矸场没有任何排水措施，下雨时洪水没有出路，直接冲刷矸石堆，水土流失严重。因此，在冲沟下游修筑挡矸坝并在排矸场周边布设完整的防洪排水工程系统，将会有效地控制水土流失，改善周边环境，防止产生滑坡，确保矿区生产安全。

1 工程方案设计

1.1 工程布置

根据堆矸的实际情况，此次设计在冲沟下游修建挡矸坝，矸石顶两侧设置排洪边沟，矸坡采用植被防护，矸顶覆土，恢复植被。

1.2 挡矸坝坝高

综合考虑主体工程拦矸、防洪及水土保持等要求，采用以下公式[5]确定拦矸坝高。

H=H拦矸+H拦泥+H滞洪+H安全。

其中，H拦矸为拦矸坝高，m；H拦泥为拦泥坝高，m；H滞洪为滞洪坝高，m；H安全为安全超高，m。

1)拦矸坝高的确定。根据综合计算及查水位(H)—库容(V)—面积(F)曲线相对应的拦矸坝高度为H拦矸=17.27 m。

2)拦泥坝高的确定。根据综合计算及查水位(H)—库容(V)—面积(F)曲线相对应的拦泥坝高度为H拦泥=0.53 m。

3)滞洪坝高的确定。查H—V曲线，得设计洪水位为：

H设=1 322.6 m。

查H—V曲线，得校核洪水位为：H校=1 323.8 m。

H滞洪=H校-H设=1 323.8-1 322.6=1.2 m。

4)坝高的确定。安全超高根据规范取1.5 m，另加煤矸石堆放时层间覆土厚0.3 m，5层覆土总厚1.5 m。则：

H=H拦矸+H拦泥+H滞洪+h安全=17.27+0.53+1.5+1.2+1.5=22.0 m。

1.3 挡矸坝稳定设计

挡矸坝为梯形断面，坝高22 m，坝顶宽5 m，下游10 m，16 m处各设置一处马道，宽3 m，坝基宽134.75 m，上游边坡1∶3，下游边坡1∶2.5。坝体采用均质土坝，下游采用片石护坡。

坝体稳定分析采用瑞典圆弧滑动法[5]，其计算坝坡稳定安全系数的公式为：

其中，K为抗滑稳定安全系数；W为土条重量；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力(向上为负，向下为正)；u为作用于土条底面的孔隙压力；b为土条宽度；c′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。

根据计算结果知，正常荷载组合情况下，下游坝坡稳定安全系数为1.31，大于规范规定的安全系数1.25；非常荷载组合情况下，下游坝坡稳定安全系数为1.21，大于规范规定的安全系数1.15；故坝体满足安全稳定要求，设计的断面尺寸合理。

1.4 排水工程设计

排矸场排水系统主要配置为：矸坡马道设置排水沟，在矸坡两侧与山体接壤处修筑截洪沟，所有的马道排水沟均与两侧的截洪沟相连，下游设置消力池；土坝顶及土坝马道处设置排水沟，与两侧截洪沟相连。

1)排水洪沟断面设计。为保证排矸场安全，在排矸场两侧设两道排水洪沟，将上游洪水排走，按明渠均匀流公式试算，根据实际分两段进行设计。

排渣场平面部分初步拟定排水边沟断面尺寸宽×深为2.5 m×2.0 m，用M7.5水泥砂浆砌筑块石，M10水泥砂浆勾缝，底坡i=1%。采用公式：

其中，Q为过水流量，m3/s；b为断面底宽，b=2.5m；ω为过水断面面积，m2；C为谢才系数，C=(1/n)R1/6；R为水力半径，R=ω/X，X为湿周，X=0.4+2h0，n为糙率，n=0.025;i为底坡，i=1%。

将以上有关数值代入公式，经试算得排水洪沟正常水深为：h0=1.53m时，Q=10.81m3/s。

1.53+0.3=1.83m<2.0m。说明排水洪沟断面尺寸拟定合理。

排水边沟底板厚0.5m，侧墙高为正常水深加0.3m的安全超高，即1.53+0.3=1.83m，取2.0m，侧墙顶宽0.5m，底宽0.95m，基础外伸长0.1m，基础厚0.5m，基础宽1.0m。M7.5砂浆砌石。

2)排水洪沟末端消力池设计。为使水流平顺地进入河槽，在排水洪沟末端设消力池，消力池为矩形断面，底宽2.9m。

设计洪水情况下判断是否需要设消力池。

采用公式：

其中，q为单宽流量，q=10.81/2.5=4.32m3/(s·m)；h2为第二共轭水深,m;h0为明渠段正常水深，h0=0.24m;a为流速不均匀系数，取a=1.1;g为重力加速度，g=9.81m/s2。

将以上有关数值代入上式计算得：

h2=4.06。

紧接消力池出口的下游沟道水深hs=1.0m，h2>hs，故发生远离式水跃，需设消力池。

消力池断面尺寸计算：

池深计算:d=1.1×h2-hs。

池长计算：Lk=(3～5)h2。

将有关数值代入公式计算得：

d=1.1×4.06-1.0=3.466m。

取池深d=3.5m。

Lk=(3～5)×4.06=12.18m～20.3m。

取池长Lk=15m。池宽计算：B=b+0.4=2.5+0.4=2.9m。

消力池断面尺寸长×宽×深=15m×2.9m×3.5m。

消力池结构尺寸确定：

侧墙顶宽0.5m，底宽1.25m，基础外伸长0.1m，基础厚0.6m。

2 生态恢复工程

2.1 设计原则

树种选择要做到“因地制宜、适地适树”，充分考虑树种的抗逆性，达到固土，遵循保护环境和美化环境相结合的原则，常绿树种、草种应占一定的比例。为提高绿化成功率，乡土树种、草种或者在当地绿化中以推广使用的树种、草种为首选。

2.2 措施布置

根据上述分析和与当地实际情况，该矸石场乔木选用刺槐，灌木选用紫穗槐，草种选用披碱草。坡面采用植物措施护坡，穴状整地。穴植紫穗槐，草种选用披碱草进行撒播。种植标准紫穗槐10 000穴/hm2，每穴3株；披碱草30kg/hm2；补植量按20%计。矸石场顶面进行平整覆土，并采取林草措施。树种选用火炬，草种选用披碱草。火炬种植标准2 500穴/hm2，每穴1株。

3 结语

通过对李阳煤业排矸场的综合设计整治，可以保证排矸场的整体稳定及排洪安全，改善排矸场周围的大气环境和生态环境，减少水土流失，具有很好的环境效益、社会效益和经济效益。可对类似矿区的排矸场设计和综合整治提供一定的借鉴意义。

[1] 宋荣华.煤矿排矸场环境风险评价方法研究与探讨[J].煤炭工程，2015(6)：34-36.

[2] 李 安.煤矿排矸场防止水土流失的探讨[J].陕西煤炭技术，2000(1)：36-38.

[3] 朱耀辉，李新惠.刘庄煤矿地面临时排矸系统优化设计[J].建井技术，2005,26(Z1):9-10.

[4] 王爱萍，银晓瑞，杨瑞敏.黄玉川煤矿排矸场水土流失防治对策[J].内蒙古水利，2013(1):103-104.

[5]SL289—2003,水土保持治沟骨干工程技术规范[S].

[6]SL274—2001,碾压土石坝设计规范[S].

[7] 杨 蕾.煤矿排矸场环境影响分析与防治措施[J].内蒙古煤炭经济，2016(2):26.

[8] 蒋兴奎.花山煤矿排矸场治理与生态环境恢复[J].四川地质学报，2015(2):244-245.

[9] 黄智民.煤矿地面排矸场挡矸坝的设计及其安全稳定性计算[J].能源与环境,2014(1):98-99.

[10] 郭洋楠，李能考，何瑞敏.神东矿区煤矸石综合利用研究[J].煤炭科学技术，2014(6):144-147.

[11] 崔光宇,李战鹏.煤矿地面排矸系统的改造[J].中州煤炭，2012(4):75-76.

[12] 王 娟.排矸场的环境问题及治理措施[J].科技情报开发与经济,2011,21(26):209-210.

[13] 池君洲.排矸场边坡GPS变形监测系统[J].煤炭工程，2010(9):116-118.

[14] 毕志斌.矸石山生态治理工程应用——以太原煤矿旧排矸场治理工程为例[J].资源节约与环保,2013(9):164-165.

[15] 王 冲,姚 华,刘永旭,等.MineSight在排矸场三维动态管理中的应用[J].现代矿业,2014(11):211-212.

Analysis of Liyang coal gangue field integrated design

Guo Jinwei Nie Yitian Li Bingtao

(CoalIndustryZhengzhouDesignResearchInstituteLimitedCompanybyShare,Zhengzhou450007,China)

Taking the comprehensive design of Shanxi Lu’an Group Liyang coal gangue field as an example, this paper elaborated the design contents of gangue dam and mid-range water system in coal gangue field comprehensive control process, and put forward the dam protection and gangue roof greening engineering measures, further improve the soil and water conservation control system of gangue field, avoid the soil phenomenon caused by large gangue stacking.

coal, gangue field, gangue dam, coal gangue

1009-6825(2016)27-0022-02

2016-07-17

郭金伟(1982- )，男，硕士，工程师

TU272

A