矿山地质环境治理与土地复垦工程设计研究

2021-05-07韩琳琳范旭光陈朋磊

能源与环保 2021年4期

韩琳琳，张华，范旭光，陈朋磊

(1.河南省资源环境调查一院，河南郑州 450000； 2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南郑州 450001)

为明确土地复垦义务人责任，规范土地复垦活动、落实土地复垦工作、加强土地复垦管理、提高土地利用效益，促进土地集约节约利用，本文设计了矿山地质环境治理与土地复垦工程，从而实现：①最大限度地减少矿山地质环境问题的发生，避免和减缓地质灾害造成的损失，有效遏制矿山生产对地形地貌景观的影响和破坏，保护矿区地质环境，实现矿产资源开发利用与地质环境保护协调发展，实现矿区经济可持续发展；②采矿引发的崩塌、地裂缝、地面塌陷地质灾害得到有效治理，确保矿山安全、正常生产，对矿区采矿形成的地质灾害、地形地貌破坏、占用土地进行恢复和治理，实施植树造林，恢复植被，恢复矿区生态环境，生态环境恢复率达到95%以上；③降低矿山开采活动对含水层破坏的影响[1-3]。

1 矿区范围

矿区范围如图1所示。

图1 矿区范围示意Fig.1 Scope of the mining area

2 矿山地质环境治理与土地复垦工程设计

2.1 矿山地质环境保护与土地复垦预防

(1)矿山地质灾害预防[4-6]。矿山开采结束后，拟塌陷面积144.24 hm2，本方案设计在塌陷区及地裂缝周边50 m范围内设置警示牌，共25块。其中，登封市境内19块，新密市境内6块。采矿权人须委派监测和巡查人员，避免地面塌陷地裂缝造成人员受伤和财产损失。

(2)含水层破坏预防。采取帷幕注浆隔水、灌浆堵漏、防渗墙等工程措施，最大限度地阻止地下水进入矿坑，减少矿坑排水量，保护地下水资源。以上措施在矿山生产过程中有专项设计，本方案不再单独布设工作量。

(3)地形地貌景观破坏保护。①优化开采方案，以减少对地形地貌景观破坏。②合理堆放固体废弃物，选用合适的综合利用技术，加大综合利用量，减少对地形地貌的破坏。本方案不再布设具体工作量。

(4)水土环境污染预防。矿井废水经深度处理达标后外排，对矿区水土环境污染影响较轻，本方案不再布设工作量。

(5)土地破坏预防。按照上述措施进行预防，本方案不单独布设工作量。

2.2 矿山地质灾害治理

某煤矿地质灾害治理主要为工业场地拆除、井筒充填、地面塌陷、地裂缝治理、村庄清理及矸石场治理工程；地面塌陷治理主要为土地平整，工业场地的土地平整，矸石场边坡覆土植被工程一并归入土地复垦章节，本节仅设计工业场地治理、矸石场治理工程、塌陷区地裂缝治理及村庄清理工程[7-10]。

2.2.1 工业场地恢复治理工程设计

(1)建筑物拆除工程。采矿结束后，将不再继续使用的建筑物拆除，采取机械拆除，其中现有主、副井工业场地建(构)筑物，东风井工业场地建(构)筑物及南风井工业场地建(构)筑物。生产用房屋或构筑物以混凝土和砖砌结构为主，拆除后少部分建筑砖块可二次利用，剩余建筑物残渣用来回填矿井内。

(2)建筑物废渣清理回填工程。工业场地建筑拆除及场地地表砌体和道路剥离后，对产生的建筑废渣采用自卸汽车进行清理，建筑废渣全部用于井筒的封填，平均运距约1 km。

(3)井筒充填工程。井筒封填工程是在矿井停产之后，对工业场地内废弃的主副井以及风井进行填充(图2)。

图2 井筒充填设计Fig.2 Wellbore filling design

2.2.2 矸石场恢复治理工程设计

(1)挡矸墙工程。南侧矸石场平台和坡面都还较完整，拟在其底部修建挡矸墙(1号挡矸墙)。参照04J008国家标准图集，1号挡矸墙选用挡矸墙选用ZQD3，截面尺寸如图3所示。

图3 1号挡矸墙截面Fig.3 Section of No.1 gangue wall

(2)格构护坡工程。矸石场西侧局部坡面近直立，根据现状需要和矿方要求，采用方形现浇钢筋混凝土格构。混凝土断面尺寸如图4所示。

图4 现浇钢筋混凝土格构断面Fig.4 Section of cast-in-place reinforced concrete lattice

(3)截、排水槽工程。为防止大雨水对坡面冲刷，造成水土流失和地质灾害危险，在挡矸墙底部及坡面上砌筑排水槽。经调查，治理区平均降雨强度86.9 mm/h，计算出区域洪峰流量不超过0.26 m3/s。

排水槽采用M10砂浆砌呈倒梯形，上沿净宽600 mm，槽底宽400 mm，深300 mm，厚0.2 m，排水槽尺寸断面如图5所示。

图5 截、排水槽断面图断面Fig.5 Section and drainage channel section view

2.2.3 塌陷区恢复治理工程设计

(1)地裂缝治理工程。根据预测，某煤矿开采后水平变形较大，在地裂缝多发地段，可采取如下措施：先沿着地表裂缝剥离表土，剥离宽度为裂缝周围0.5 m，剥离土层就近堆放在裂缝两侧，剥离厚度为0.5 m。用矸石充填裂缝，每填0.3～0.5 m夯实1次，直至略低于原地表。再将之前剥离的表土均匀覆盖在已完成整治的地表上。

(2)建筑物清理工程。塌陷区内需进行清理的建筑物为废弃村庄，废弃村庄主要为砖瓦、砖混、楼板和钢结构，建议矿山找当地专业建筑物拆除公司进行拆除。建筑物地基的拆除深度0.3 m。设施农用地主要为在耕地基础上建造的家畜饲养圈和少量简易房，直接拆除上部建筑物。拆除后对建筑垃圾进行统一清运。

2.3 矿区土地复垦设计

工程设计范围为复垦责任范围139.28 hm2划分复垦单元。其中，登封市复垦责任范围内包括：取土场2.00 hm2、工业场地22.13 hm2、矸石场5.51 hm2、塌陷区旱地47.89 hm2、塌陷区有林地0.86 hm2、塌陷区灌木林地0.14 hm2、塌陷区其他草地3.04 hm2、塌陷区村庄55.70 hm2、塌陷区采矿用地0.52 hm2；新密市复垦责任范围内包括：工业场地0.75 hm2、塌陷区旱地0.07 hm2、塌陷区有林地0.66 hm2。

2.3.1 取土场(复垦单元1)复垦工程设计

取土场是作为其他地方的覆土之用及临时存储其他地方剥离表土的地方，取土期间及表土存放期间，对其进行铺设防水油布，以保持水土和土壤养分，土地复垦完成后，复垦为旱地，面积2.00 hm2。

(1)土地翻耕。翻耕的目的在于提高新复垦土地土壤的松散性，利于地上植被的生长，翻耕时耙磨碾压可以松土匀土，使新老土壤掺搅，有利于蓄水保墒，耕翻耙磨碾压，还可以粉碎土块，弥补工程性平整缺陷，提高平整质量。翻耕采用拖拉机(55 kW)配合三铧犁，翻耕面积为2.00 hm2。

(2)土壤培肥。复垦成耕地后，耕地肥力欠佳，所以复垦后前期必须进行土壤改良，改良应从增施有机肥入手，通过增施农家肥，合理进行粮草轮作、间套种植苜蓿、紫云英等绿肥和秸秆还田、压青、客土堆垫等种养结合办法来培肥地力，提高土壤有机质含量，改善土壤结构和理化性状，从而达到改土培肥、提高地力，使土地资源能够可持续利用。

2.3.2 工业场地(复垦单元2、10)复垦工程设计

本复垦单元面积22.88 hm2，包括现有主、副井工业场地17.55 hm2，南风井工业场地4.58 hm2，东风井工业场地0.75 hm2，复垦方向为有林地，主要工程有土地平整、翻耕、施肥。该复垦单元在登封市内的面积为22.13 hm2，新密市内的面积为0.75 hm2。

(1)土地平整工程。现有工业场地位于预测塌陷区内，根据土地复垦标准，将工业场地复垦为有林地，需对土地进行平整。拟采用推土机、挖掘机等机械将区域内不平整的地块挖高填低进行平整。按经验公式计算出不同损毁程度塌陷地平整土地每公顷挖填土方量见表1。

表1 塌陷地平整土地每公顷挖填土方量Tab.1 Earthwork excavated and filled per hectare

施工工艺：在推土机推土前，对开挖区域内的树桩、树根、杂草、垃圾、废渣等有碍物，利用机械结合人工彻底清除。然后把表层耕作土用推土机分2层推土剥离后，堆放在格田内，表土剥离后，场地内不平整区域进行挖高填低。平整时应采取就近原则，挖取高于设计田面标高的土方回填至附近低于设计田面标高田块，在施工时应注意田面高程的控制。

(2)土壤培肥及土地翻耕。按45 m3/hm2增施有机肥培肥土壤，培肥后对土地进行翻耕。施肥期限为管护期3年，每年春、秋季节各施肥1次，每年共施肥2次，每次施肥22.5 m3/hm2，肥料采用商品有机肥。

另外，铅离子还可能以类质同相的形式进入到钙矾石和沸石相的晶体结构之中。胶凝材料水化反应过程中生成的C-S-H凝胶的吸附作用，Pb2+以类质同相进入AFt和含铁钙矾石类复盐结构内部等的协同作用，使得Pb2+能够很好地被固化。

2.3.3 矸石场(复垦单元3)复垦工程设计

(1)挖方及场地平整工程。矸石场结构疏松，局部为高陡边坡，遇降雨易滑坡、流失，利用挖掘机、推土机依山势对凹凸处进行修整，凹填凸削，坡面平整，按以利于后续覆土绿化。为便于施工和绿化，坡面按30°或35°进行整平，对凹处回填部分应注意压(夯)实、整平。

(2)绿化工程。绿化工程主要采取基材喷播绿化技术，包括1次喷播覆土、铺挂网、2次喷播覆土和植树绿化4道工序。1次喷播覆土：液压喷播由专门的液压喷播机械将配备好的植被种子和营养液喷附到基材上，最后在修整好的斜坡表面喷射形成厚度≥10 cm的基材。铺挂网：在1次喷播覆土的斜坡表面铺满镀锌铁丝网，铁丝直径不小于2 mm，网孔50 mm×50 mm，网片间的搭接不小于0.1 m，并保证平整、到位、不留漏网；沿坡面按2 m×2 m的间距呈梅花形打入锚钉，锚钉材质为φ16～φ18 mm螺纹钢，长度100 cm，锚钉外露端与铁丝网紧密连接固定。2次喷播覆土：把基材原料搅拌后由喷播机械喷射到镀锌铁丝网上，在镀锌铁丝网上形成厚度≥10 cm的表层基材，将镀锌铁丝网夹于两次喷射的基材原料中间，喷射的基材原料总厚度≥20 cm，在面层喷射层完成后，覆盖无纺布进行保墒，营造种子快速发芽生长环境。植树绿化：在矸石场平台边缘植树，结合矿区地貌、土壤类型及气候，选择栽种常绿灌木类的沙地柏。种植灌木间距为3 m。

2.3.4 塌陷区耕地(复垦单元4、11)复垦工程设计

(1)表土剥覆工程设计。塌陷区耕地在平整土地之前应均匀剥离表面耕层熟土，主要工作内容有推松表层土，运送、卸除等，采用推土机进行施工，剥离厚度0.5 m，剥离的表土就近堆放。待土地平整后，将剥离的耕植土均匀覆盖在平整后的土地上。

(2)土地平整工程设计。由于塌陷区复垦方向为耕地的复垦单元坡度均满足田块平整技术复垦标准，土地进行平整后即可耕种，无需修筑梯田，平整土地主要是消除开采塌陷产生的附加坡度。

(3)土壤培肥及翻耕。复垦成耕地后，耕地肥力欠佳，所以复垦后前期必须进行土壤改良，改良应从增施有机肥入手，通过增施农家肥，合理进行粮草轮作、间套种植苜蓿、紫云英等绿肥和秸秆还田、压青、客土堆垫等种养结合办法来培肥地力，提高土壤有机质含量，改善土壤结构和理化性状，从而达到改土培肥、提高地力，使土地资源能够可持续利用。根据当地经验，有机肥的使用量3 000 kg/hm2左右，在有机肥施用的基础上，配合施用化肥，结合当地化肥施用的经验，可按每公顷用氮磷钾复合肥750 kg的标准施肥。土壤培肥面积为47.96 hm2，其中登封市47.89 hm2，新密市0.07 hm2。培肥后对土地进行翻耕，翻耕面积为47.96 hm2，其中登封市47.89 hm2，新密市0.07 hm2。

(4)耕地配套设施。结合当地使用要求和自然条件，田间路设计宽度路面4 m，路基宽5 m，路应高出地面300 mm以上，采用水泥混凝土路面，面层厚度按100 mm，基层材料采用水泥稳定碎石，厚度150 mm，路基采用煤矸石压实，厚度按150 mm计。田间路断面设计如图6所示。

图6 田间路路面结构设计Fig.6 Pavement structure design of field road

生产路宽度设计为2.0m，采用天然路基，素土压实，厚度20 cm，高出田面0.2 m，其纵坡与农田纵坡基本一致，断面设计如图7所示。

图7 生产路路面结构设计Fig.7 Pavement structure design of production road

结合当地情况，本方案规划在田间路两侧栽植行道树，呈两侧单行种植，株距3 m。苗木选择3年生一级苗，穴状整地，规格0.5 m×0.5 m×0.6 m。断面设计如图8所示。

图8 道路造林断面Fig.8 Road afforestation section

据现场调查，项目区内耕地大多为旱地，水利设施较少。为防止水土流失，设计在田间道路一侧修筑排水沟，上口宽1.6 m，下口宽0.8 m，深度0.8 m。断面设计如图9所示。

图9 排水沟断面Fig.9 Drain section

2.4 含水层破坏修复

全部垮落法控制顶板采矿法对含水层破坏不可避免，结合矿井实际，未来主要采取预防工程措施，不采取治理工程对含水层破坏进行修复。

(1)留设防水煤柱。严格按照“开采规范”和相关规范留设矿井防水煤柱和断层防隔水煤柱，依法开采，严禁越界开采。

(2)保护性开采。为最大限度的保护地下水资源，某煤矿应积极提倡采用“条带开采”、“充填开采”等开采技术，合理设计开采参数，精心组织生产，降低导水裂隙带高度，以减缓对含水层的影响程度。

(3)含水层监测。布设含水层监测点，加强区内地表水、孔隙潜水承压含水层组、孔隙裂隙承压含水层组、岩溶裂隙承压水含水层组的动态跟踪监测。通过定期对各含水层水位、水量、水质进行监测，及时了解和掌握各含水层受采矿活动影响情况，发现问题及时采取应对措施进行处理。

(4)及时封堵各种不用的钻孔。对于封闭不良或未封孔等各种不用钻孔，根据不同情况，在与采掘工作面相遇前，分别采取重新启封孔，留设防水煤柱等措施进行处理。

2.5 水土环境污染修复

(1)加强矿井产生的固体废弃物和污水(废水)管理。

(2)水环境监测。布设监测点，加强对矿井污水(废水)排放口、地表水、孔隙潜水承压含水层组、孔隙裂隙承压含水层组、岩溶裂隙承压水含水层组、矸石场、煤矸石回填区域水环境的动态跟踪监测。通过定期进行水质检测，及时了解和掌握其中有害成分的含量，发现超标时应及时采取应对措施进行处理。

(3)土壤环境监测。布设监测点，加强对矸石周转场、煤矸石回填区域土壤环境的动态跟踪监测。通过定期检测，及时了解和掌握其中有害成分的含量，发现超标时应及时采取应对措施进行处理。

2.6 矿山地质环境监测

(1)地面塌陷和地裂缝监测设计。监测内容。按照“以人为本”和准确控制地面塌陷和地裂缝影响范围和影响强度的原则为出发点，某煤矿矿山地质环境监测从2个方面入手：①建立完善的地表变形监测体系；②对地面塌陷地裂缝影响对象开展重点监测，影响对象包括塌陷区、重要居民点、主要道路、主要耕地及其他工程设施。

(2)矿区地形地貌监测设计。矿区地形地貌景观的监测主要利用更新的卫星遥感影像图，结合影响对象监测点进行监测，不再单独布设。

(3)水土环境污染监测设计。①水环境污染监测。根据某煤矿矿井产生的固体废弃物和污水(废水)综合利用及处理方式，结合区内地表水系分布情况布设监测点。监测内容：水质、水位及水量监测。②土壤环境污染监测。主要布设于主工业场地的煤场和矸石场，主要为采样监测。

2.7 矿区土地复垦监测与管护

(1)监测工程措施和内容。①土壤质量监测。土地质量监测的目的是为观察复垦后土地经过长期使用后的动态变化。是否有退化病、虫害及缺少营养成分等现象，是否具备植物正常生长的基本条件。复垦为农、林、牧业用地的土地自然特征，监测内容为复垦区地形坡度、有效土层厚度、土壤有效水分、土壤密度、酸碱度(pH值)、有机质含量、有效磷含量、全氮含量、土壤侵蚀模数等；其监测方法以《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036—2013)为准，监测频率为每年1次。②复垦植被监测。复垦为有林地的植被监测内容为植物生长势、高度、种植密度、成活率、郁闭度、生长量等；复垦为草地的植被监测内容为植物生长势、高度、覆盖度、产草量等。监测方法为样方随机调查法，复垦工程竣工后每年监测1次。③复垦配套设施监测。土地复垦的辅助设施，包括水利工程设施和交通设施2个方面。水利工程设施主要为排水沟，交通设施包括各级田间道和生产路。配套设施监测以土地复垦方案设计标准为准，监测主要内容是各项新建配套设施是否齐全、能否保证有效利用，以及已损毁的辅助设施是否修复，能否满足当地居民的生产生活需求等。配套设施监测为每年1次。

(2)管护措施及内容。①耕地管护。耕地管护主要是对土壤进行改良管护，根据复垦效果监测对土壤的测试结果采取不同的治理措施，以使土壤能够更好地适应农作物的生长，以提高生产水平，使复垦后的旱地能达到同周边耕地相当的生产力。②林地管护。主要包括水分管理、林木修枝、林木密度控制、林木病虫害防治、土壤酸碱化防治等。③草地管护。主要包括防治土表板结现象、补苗、灌溉与施肥、病虫害与杂草管理等。④农用设施管护。对复垦区内建筑设施，主要包括灌溉、排水设施和道路等，应按时有计划地对其进行维护和保养，保证设施无损坏，保障复垦项目区正常生产工作。道路是田间机械的主要通行保证，项目区主干道路为水泥路面，日常生产过程中应对其进行严加管护，大型机械通过之时也应尽量靠近道路中央通过。路面出现破碎或断裂之处应及时进行修补、加固，防止雨水渗入浸泡路基，而影响到道路承载力。

3 效益分析

矿山地质环境保护与治理工程实施后，可避免因矿山地质灾害对矿区人民生命财产安全造成的危害；有利于矿区职工与当地村民的稳定。该项目的实施，将起到很好的示范作用，有力地推动当地矿山地质环境保护与恢复治理工作的顺利开展，因而是一件利国利民的好事，社会效益显著。矿区土地复垦的社会效益是指土地复垦实施后，对社会环境系统的影响及其产生的宏观社会效应。主要表现在以下几个方面：矿区的土地复垦增加了有林地，缓解了矿山用地和林业用地的紧张状况，密切了用地群众、当地政府和矿山开采单位三者的关系；基本消除了由于矿山开采带来的环境、地质方面的影响，使周围的群众能够正常地生产、生活。