基于岩体质量分区的唐山某石矿边坡生态重建技术研究*

2021-06-06冯玉新杨浩兴夏冬刘鑫孙宇

采矿技术 2021年3期

冯玉新，杨浩兴，夏冬, ，刘鑫，孙宇

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山市 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山市 063210；3.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北唐山市 063210；4.河北金元矿业有限公司，河北邯郸市 056003)

0 引言

石材是一种常见的非金属矿产资源，同时也是一种用途广泛的宝贵资源，作为重要的建筑材料，有着悠久的开采历史，但石材矿山在开采过程中和闭坑后，对矿区及其周边生态环境与区域地下水分布等造成了不同程度的破坏[1−2]，引发一系列的环境问题。调查发现，国内大多数石灰岩矿闭坑后没有得到有效的生态恢复与重建，尤其是立地条件极为恶劣的岩质边坡坡面[3]，因此，开展石矿迹地生态修复技术研究具有重要的工程应用价值和良好的生态效益。

岩质边坡坡面因立地条件极为恶劣而成为石矿迹地生态修复的难点与重点区域，同时其生态修复质量的好坏关系到整个矿山生态修复的成败。瑞士、法国、美国、日本、澳大利亚等国家在岩质边坡生态修复方面开展的研究工作相对较早，形成了适宜于本国的生态修复方法与理念，取得了良好的生态修复效果[4]。我国对岩质边坡生态修复技术研究的起步虽相对较晚，但发展较为迅速。当前，露天矿生态修复多借鉴客土喷播技术[5]、三维植被网喷播技术[6]、厚层基材喷播技术[7]、植生袋法[8]、植被混凝土防护技术[9]、喷混植生技术[10]、飘台法[11]、藤本护坡技术[12]、爆破燕窝技术[13]、植物纤维毯防护技术[14]等。上述技术可为闭坑后的石矿迹地边坡坡面生态修复提供参考。

本文以唐山北部某大型石灰岩矿北帮岩质边坡为研究对象，在对矿区自然地理、开采现状及开采影响范围内生态破坏情况调查的基础上，采用现场结构面调查与室内岩石力学实验相结合的方法，对北帮边坡岩体质量进行评价与分级，并以此为依据将北帮边坡划分为不同的区域。在岩体质量评价与分级的基础上，结合台阶坡面角大小、台阶高度、坡面岩石风化程度、结构面发育情况、结构面张开度及结构面填充物等基本信息，针对各区域的特点，选取与之相适应的生态修复技术。

1 工程概况

研究区域为唐山市古冶区赵各庄煤矿与卑家店之间的唐山某石灰石矿，矿区面积较大，且矿区距离居民点距离较近，在干旱少雨季节，矿区易扬尘，对周边居民的生活造成诸多不利影响，到目前为止，矿区绝大部分区域还基本没有进行生态修复，这与当前“绿色矿山”建设的基本要求不符。

该矿山工业广场、生产区、生活区地形较为平坦，容易进行覆土后绿化，生态修复较为容易。因此，本次生态修复设计主要针对修复难度较大的岩质边坡进行，根据矿山开采现状及未来规划方案可知，整个矿区主要分为东采场和西采场，本次主要针对东采区进行生态修复技术研究。调查分析表明，东采区影响范围的面积约为68.26×104m2，目前该露天采场的周长约为4510m，采场边坡部分地段保留有台阶，现已形成5个主台阶，台阶基本规范，矿区南部的第4系平均厚度0～2m，堆积较松散，且运输较方便，运距较短，第4系堆积物可为边坡生态修复提供土源。

2 边坡岩体质量评价与分区

2.1 边坡岩体结构面调查与分析

根据矿山北帮边坡的踏勘结果、边坡岩体结构面发育情况、岩体风化情况等基本信息，将北帮边坡分为3个不同的区域，对每个区域选用不同的生态修复技术方案，这有利于提高生态修复效果，降低修复成本[15]。为分析边坡岩体结构面的详细信息，应用ShapeMetriX 3D结构面数字识别系统采集边坡岩体的空间几何信息后，进行结构面信息的处理与分析。各区域岩体结构面三维合成图、结构面分布图和赤平极射投影图分别如图1～图3所示。

图1 区域1三维合成图、结构面分布图和赤平极射投影图

图2 区域2三维合成图、结构面分布图和赤平极射投影图

图3 区域3三维合成图、结构面分布图和赤平极射投影图

岩体结构面调查结果见表1。

2.2 岩石力学参数测试

将各观测区域所取的岩石按相关规范加工成Φ50mm×100mm标准岩样，每个区域选取3枚岩样进行饱水岩石单轴压缩力学试验。试验设备为TAW-3000电液伺服岩石常规三轴试验机，试验加载速率为0.12mm/min，试验结束后，对试验结果进行处理。

表1 岩体结构面信息调查

区域1饱水岩样的单轴抗压曲线如图4所示。根据图4可知，区域1饱水岩样的单轴抗压强度为68.3 MPa。

图4 区域1饱水岩样应力-应变关系曲线

区域2饱水岩样的单轴抗压曲线分别如图5所示。由图5可知，区域2饱水岩样的单轴抗压强度为58.5 MPa。

图5 区域2饱水岩样应力-应变关系曲线

区域3饱水岩样的单轴抗压曲线如图6所示。由图6可知，区域3饱水岩样的单轴抗压强度为47.8 MPa。

图6 区域3饱水岩样应力-应变关系曲线

2.3 边坡岩体质量评价与分区

通过室内岩石单轴抗压强度试验和结构面调查分析，根据国家标准对岩体的基本质量指标BQ进行分级。由岩体结构面参数可计算岩体完整性系数，计算式如下：

式中，Kv为岩体完整性系数；Jv为结构面体密度，条/m3。

根据国标计算岩体基本质量指标BBQ：

式中，Rc为饱水岩石的单轴抗压强度，MPa。

根据公式（2），结合岩体完整性系数及前期获得的饱水岩石单轴抗压强度试验结果，可得3个观测区域的BQ分级值分别为476，419，344，而与之对应的岩体基本质量级别分别为II级、III级、Ⅳ级。

3 基于岩体质量分区的生态重建方案设计

3.1 区域1生态重建方案设计

区域1处台阶高度为12m，坡面角约70°，岩体结构面体密度为3.85条/m3，岩体质量级别为II，从现场观察还可以看出，坡面较光滑，仅在裂隙处有轻微的风化现象。该区域典型岩体节理及结构面分布情况如图7所示。

图7 区域1岩体节理及结构面分布情况

该区域岩体质量相对较好，坡面较为光滑，节理张开度一般为4mm～6mm，部分区域大于10mm，岩块相互镶嵌在一起，不会发生岩体整体或大范围脱落的现象。根据边坡的实际情况，通过多方案比选后，最终选择爆破燕窝生态修复技术作为该区域的生态修复方案。

（1）清理坡面与爆破燕窝施工。清除影响安全与施工的坡面危石与浮石后，根据设计要求在坡面上进行钻孔装药进行爆破燕窝的施工，燕窝深约0.4m，孔口直径略大于孔底，且孔口略向上，以利于填充种植土和存留部分雨水或灌溉水，燕窝水平和竖向的距离均为2.5m，呈梅花状布置，首排距底部的距离为2m，最上一排距坡顶为2m。

（2）爆破燕窝内填充植生基材。根据节约成本与就地取材的原则，植生基材由矿区原表土、草炭土、有机肥、城市污泥、秸秆纤维组成，其占比分别为3，3，2，1，1，另加入适量的保水剂、缓释肥料等。在填充前，需将上述配制好的植生基质粉碎后混合均匀后，填充到爆破燕窝中。

（3）种植、栽植植物。为达到快速复绿和未来生态系统相对稳定的目的，采用灌木与藤本植物相结合的植物配置模式，其中，灌木植物选择耐旱、耐贫瘠植物，如紫穗槐等，同时在每个燕窝内栽植速生藤本植物如三叶爬山虎等，以期较快实现边坡复绿，并使边坡生态系统向正方向演替。

（4）后期的灌溉与养护。植物种植或栽植后，加强后期管护，增加滴灌系统，以保证植物在极端干旱的情况下也能正常生长。

3.2 区域2生态重建方案设计

该区域阶段高度12m，台阶坡面角约60°，岩体结构面体密度7.62条/m3、质量级别为III级，现场调查发现，坡面较粗糙，裂隙较发育，且细小裂隙相对较为密集，节理张开度为2mm～3mm，裂隙多充填有岩屑或岩石风化物，这为草本及小灌木根系深入裂隙创造了条件。该区域岩体结构面分布情况如图8所示。

图8 区域2岩体结构面分布情况

根据该区域的实际情况，通过多方案比选后，最终选择植被混凝土生态修复技术作为该区域的生态修复方案。

（1）铺设、固定复合网。在坡面清理完成后，结合边坡的实际情况，在坡面铺设直径4mm、网孔200mm的铁丝网，铺好后用长50 cm～80 cm的锚杆进行固定。

（2）植被混凝土制备与施工。依据固废综合利用的原则，在此可采用以铁尾矿为基质材料的植被混凝土，为降低植被混凝土的pH值，可选用低碱度的硫铝酸盐水泥，同时为保障植物的正常生长，在植被混凝土中加入适量的缓释肥料、化肥和保水剂；为增强植被混凝土的整体稳定性和抗裂性，可加入适量的植物纤维。各成分的比例通过室内试验和现场试验确定。将配制好的植被混凝土喷射到清洗干净的坡面上，植被混凝土施工需分层进行，首先在坡面上喷10 cm～12 cm厚的基层，待基层初凝后，再喷射含有植物种子的面层。植被混凝土施工完毕后要加强后期的养护与管理。

3.3 区域3生态重建方案设计

该区域岩体结构面体密度为13.54条/m3、质量级别为Ⅳ级，坡面岩体被纵、横结构面切割得较为破碎，且纵、横向结构面数量较为接近，这就使得所切割的结构体较为均匀，坡面岩体中等风化。节理张开度为4mm～5mm，个别区域超过8mm。该区域岩体结构面分布情况如图9所示。

图9 区域3岩体结构面分布情况

根据该区域边坡的实际情况，经技术可行、经济合理论证后，选择厚层基材喷播技术作为该区域生态重建技术方案，这也是由该技术的优点决定的。

（1）坡面清理与喷播基材准备。将坡面浮石、危石清理完成后，用高压水枪清洗坡面。采用现场剥离的表土约5份、有机肥料4份、植物纤维1份、另加适量的缓释肥料、速效肥料和保水剂等材料配制喷播基材。

（2）植物种子的选择、处理与基材的喷播。综合考虑矿山所处区域的自然地理、土壤、气候环境等因素，可选择灌木与草本植物混播的方式进行生态修复，灌木可选择胡枝子、柠条等，草本植物可选择黑麦草、羊胡子草和紫花苜蓿等，将上述种子混合均匀后进行混播。

（3）种植基材喷播与后期管护。喷播分基层和面层，其中基层厚度为12 cm～15 cm，面层厚度约2 cm，喷播的顺序为先基层后面层，面层喷播完后要在其表面覆盖无纺布，以减少基材中水分蒸发，使植物种子正常发芽。喷播完成后，需及时进行洒水养护，保证种子正常发芽和幼苗的正常生长，于此同时，应做好滴灌与喷灌系统，以防旱季植被因缺水而干枯。