基于生态平衡的矿山地质改善措施分析

卢 璐

（山西交控生态环境股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

随着经济的发展，各行业对矿山资源的需求量迅速增加，致使矿山资源供不应求，这就导致人们在进行矿山开采时并不会反复考虑环境的因素，造成开采周边的生态环境质量迅速下降，对居民的日常生活和国家走可持续发展道路产生一定的阻碍作用，为此必须针对矿山地质问题落实保护生态平衡的措施[1-2]。

应以生态平衡为矿山开采的基本要求，提出了更有效的矿山地质改善措施，保障了矿山开采区域生态平衡[3]。本文提出科学合理的修复方案，并在洪洞县赵城镇矿山矸石场进行试验，并验证该方案的效果[4-5]。

1 区域概况

洪洞县赵城康福洗煤厂位于洪洞县赵城镇前村东侧1.27 km 处，中心坐标东经111°41′31.45″，北纬36°24′36.25″；矸石场位于洪洞县赵城镇一条自然荒沟内，矸石沟为沟谷凹地，沟道大致呈北—南走向，北高南低，沟横断面呈“U”字形，矸石沟长约440 m，平均宽约40 m，深约30 m；核算总库容为61.1 万t，面积89 162.02 m2（133.74 亩）。

矸石场生产时会产生大量的粉尘，细小的颗粒随空气的流通与土壤、水源等结合，并弥漫在该区域的空气中，对生产人员和居民的呼吸器官带来严重的危害，同时也易受雨水的冲刷使地势更加陡峭，从而使矸石场成为轻度侵蚀区域。矸石场工艺流程图如图1 所示。

图1 矸石场工艺流程图

2 矸石沟治理措施分析

2.1 煤矸石处理及综合利用途径

根据现场调查企业产品方案，本项目洗煤厂矸石产生量为11.94 万t/a，矸石场可堆存矸石61.1 万t。截至目前，矸石场内未堆存矸石，矸石场库容可满足选煤厂5.1 a 的矸石量堆存需求。不同阶段的矸石大小和状态不一致，需要层次堆放，在矸石场地的矸石按照自里向外的堆放原则进行存放，随后利用推土机将其撵平、压实。矸石必须与黄土层隔绝堆放，矸石堆放的厚度不能超过2 m，黄土层的厚度为0.5 m，并定期对场地采取降尘处理，采用固定箱式矿车将矸石运输至应用场地。

2.2 矸石运输系统及矸石场选择

1）在洪洞县赵城镇的一条自然荒沟内建设矸石场地，间沟谷凹地作为矸石沟，流向为由南至北，且荒沟高度顺势而下，其断面为“U”字形，整条荒沟的长度为440 m，宽为40 m，深度约为30 m，由相应运输车辆将其运输至指定地点，以实现高效利用。

2）排矸场地貌、植被情况。本次将在矸石场东南侧200 m 左右的荒沟作为备用矸石沟，并经相关部门批准后由企业的负责部门确定，划分出矸石场的用地范围。

3）排矸场选址可行性分析。矸石场地的面积达到89 162.02 m2（133.74 亩），根据相关资料显示，本次实验选用矸石I 类一般性固体废物，其场地需要满足该类固体废物的处理场地要求，因此最终将矸石场定于洪洞县赵城镇处一座自然荒沟。

由于选择的矸石场地处自然荒沟，经过场地勘察发现，沟底主要由黄土覆盖，并且还生长着许多杂草和灌木等植被，恰好适合矸石堆放；自然荒沟主要由草地和荒坡构成，因此一旦出现泥石流、滑坡等自然灾害，也不会影响到矸石场的生产；由于矸石场地地表为黄土，因此需要利用机械将沟底压平压实，保障地基达到工厂承载力的标准，避免在后续生产中出现下沉现象，同时确保矸石场能够正常运行和生产；排矸场不属于国家规定的保护区域，因此无需遵守其他保护区域的相关规定；根据相关标准和选址要求，排矸场的地址必须与最近的居民生活区域距离超过500 m。根据分析可知，本次选址符合上述要求，因此符合环评及其批复的要求。

2.3 矸石场设计

矸石场需将各类机器配备齐全，如压路机、推土机、测量仪器等。根据矸石场的规模大小最终决定招聘5 个专职人员，按照污染物处置标准和相关要求规范进行工作，并且在固体废物堆场边上也装设了环境保护的图形标志，达到矸石场的标准。

1）由于矸石场地的地形和地质的关系，必须建设相应的拦矸坝以保障农业生产和人民的安全，因此在矸石沟外设计建设拦矸坝。

2）矸石沟底部需要设置涵洞，有利于引流水源，避免地表水堆积在矸石中。

3）矸石堆的坡度有一定的安全范围，超出范围会造成坍塌现象，因此必须严格控制边坡的坡度。

4）还需考虑雨季造成的积水问题，因此需在矸石场和边坡坡面上合理设计排水渠，以保障矸石山的安全及质量。

2.4 矸石场工程设计

拦矸墙具有一定的阻挡矸石的作用，在矸石沟出口一定距离处利用混凝土为材料进行修筑，其长度和高度分别为89 m 和5 m，其中需预埋地底1.5 m 深，以保障拦矸墙不会倒塌，具有一定的坚固性。本次试验设计的是浆砌石重力式挡矸墙，即垂直式的墙，在浇筑完成后还需用水泥砂浆将墙面抹平。排洪涵洞需按照防洪的相关标准和要求建设，最终确定排洪涵洞的等级为V，设置标准为30 年一遇。洪水量的计算和暴雨量的计算也按照相关的计算方法进行计算，具体公式如下：

式中：i1p为概率为p 的1 h 暴雨量；kp为概率为p 的曲线模比系数；为1 h 的最大暴雨均值。

经过计算，预计设计排洪涵洞中的涵管规格为Φ2.0 m×2.5 m×437 m，并可充分发挥排洪功能，将上游汇水排入至排矸场的下游中。

排水边沟也是矸石场重要的排水设计，在矸石沟周边设计排水边沟，利用M10 浆砌石修筑梯形的断面，其厚度需达到0.3 m。为了避免积水残留在矸石场中对矸石产生侵蚀和冲刷的影响，导致矸石的质量和产量下降，必须在矸石场周边设置截洪沟，将坡面的水流引流至排矸场的下游，避免矸石场产生巨大的经济损失。排水沟通过的流量计算公式如下：

式中：Q 为通过流量；S 为断面面积；c 为谢才系数；R为水力半径；i 为底坡。

计算结果表明，采用尺寸为120 cm×60 cm×60 cm的排水边沟能发挥最大的排水效益，并设计为矩形浆砌石结构，整个矸石场的排水边沟长度约为1 590 m。矸石场生产前需利用特殊的运输工具将固体废物运输至堆矸场中，随后操作推土机将矸石推平，并对1 m 高的矸石反复压实，确保压实系数达到0.85。

此外按照一定的比例堆放矸石，确保坡度在安全范围内，每当矸石堆放到2 m 高时需采用50 cm 厚的黄土将其掩盖，使矸石和空气隔开，避免矸石内部热量聚集达到可燃温度，与氧气反应最后燃烧。设计边坡前还需考虑是否需要建设马道，本次设计每5 m 高的边坡就需设置一个5 m 宽的马道，并在边坡横向上设置边坡阻流冲刷边坡的汇水，保障边坡的质量。此外还需修筑反坡，坡度方向由外向内；在反坡竖向设置排水沟，由于矸石场和乡村间修有道路，可利用现有道路进行修建，在矸石场中修建与现有道路连接的新道路，在矸石场生产过程中需定期对道路洒水和清理，保障道路的畅通，也要在道路两侧种植绿化植物，以吸收运输车辆和矸石生产产生的污染物。覆盖于矸石上的黄土无需另外购买，在周围山坡上既有，为工程生产节省成本。由于矸石场易发生自燃现象，必须在矸石堆周围设置消防设施。

2.5 固体废物堆体的边坡防护

2.5.1 边坡平整

矸石堆放完成后，需对边坡的外表进行改造，覆土并种植利于生长的植物。每个矸石场的环境条件不一样，需根据场地特点对边坡进行调整，以保障矸石场边坡的稳定性。矸石需按照1∶2 的质量比例，因此边坡整形时可按照该比例进行施工。边坡整形也需对矸石道路和其他部分（如排水沟）进行修整，合理设置矸石道路的坡度，便于雨水通过坡度流入排水沟中，因此设计矸石道路的坡度为2%，且外高内低。

2.5.2 覆土平整

边坡整形过后需采取覆土平整措施，新设计的平台和斜坡的坡面存在高低不平的现象，利用黄土覆盖使台面和坡面平整，便于后期种植绿化植物。由于黄土的覆盖会造成整个坡面的黄土层密度不均匀，因此可采取多次覆盖压实的方法使黄土层的压实度达到85%。

2.6 生态防护，复耕措施

矸石场原是荒地时主要生长杂草，因此在建设完工后需采取复耕措施。矸石场必须遵循下述的原则执行生态防护工作：可除去杂草，但对于原有的林木尽量不去毁坏；因地制宜，选择最适合场地的环境治理防护措施，使绿化带经济、美观且实用，不仅可改善矸石场地的面貌，也具有稳固生态环境的作用；绿化树种尽量选用最生命力顽强的树木进行种植，以保障树木的存活率，同时也降低了绿化成本。详细生态防护措施如下：

2.6.1 水土保持工程

矸石场由于地质特性，具有优良的通透性，因此降水不会在地表形成径流。但若有外来的水源，则会导致矸石场上的水量增大，造成边坡出现塌方或滑坡的现象，因此必须格外注重矸石场的排水措施。若降雨强度较大时，降雨的冲击力会使矸石场的地表出现面蚀现象，降雨结束后则会出现深浅的水沟。因此，此必须将水土保持措施落实到位。

2.6.2 植物种类和栽种技术

通过阅读相关文献，了解并掌握在矸石区具有较强生长力的植物，并根据企业的经济能力选择适宜的乡土植物种植于矸石场，尽量选择多种混种的模式，可提高植物的耐受力。

2.7 水土保持方案

矸石沟水土流失现象主要体现在两个方面：一是倾倒矸石使矸石的堆积并不密集，存在一定的空隙，稍有松动就会造成滑坡、坍塌的现象，同时若遇到雨季，也会因雨水的冲刷带走泥土，造成严重的水土流失现象；二是矸石堆的堆积会改变地形面貌，阻断原有的水流，改变水流的流径，使原流径生长的植物造成破坏，同时也影响现流径的植物的生长。因此，对于矸石沟水土流失问题必须从上述方面入手，制定科学合理的水土保持方案：通过有效的矸石堆放提高稳定性；避免雨水和水流冲刷地表；进一步扩大矸石场的绿化面积；不将矸石堆积于水流流径处。

2.8 植物措施

矸石堆积完成后需在坡面种植适宜生长的植物，最终选择紫穗槐和拔碱草，按照各自的种植标准进行种植。按照混合种植的方式使坡面和矸石沟平台恢复绿植状态。

2.9 顶部平台防护工程

对削坡平整后形成的坡面、平台进行覆土，为确保坡体稳定，对整个场地进行封场治理，主要作用是使矸石地尽快进行生态恢复，改善当地自然环境。种植灌木需覆土0.8～1.0 m，种植草需覆土0.5～0.8 m，斜坡处覆盖0.3～0.5 m。

2.10 生态恢复工程

场地平整覆土后，为防止水土流失，恢复生态环境，种植适合当地生长的树种，根系发达的植物可有效稳固水土，减少水土流失和自然灾害，为保证绿化和树木成活率，要定时洒水。

3 测量定位

3.1 定位施工准备

3.1.1 图纸会审

由技术负责人带领测量员及其他人员认真学习、熟悉和审核图纸。若发现问题及时与建设单位和监理单位沟通，确保数据无误。

3.1.2 定位仪器准备

本项目占地范围广，施测目标多，施测频率高，测量任务大。为确保工程测量满足相关技术要求，以全站仪和水准仪作为主要测量仪器。主要测量仪器配置如图2 所示。

图2 测量主要测量仪器

3.2 定位施工

3.2.1 控制测量

1）交接桩开工前，依据建设单位和测绘单位对本工程平面控制点和高程点的交桩，由项目技术负责人主持，由项目测量员进行复核，如发现有不合格点位，应及时上报建设单位、监理及测绘单位，重新交桩，以确保数据准确可靠。

2）建立控制网。依据建设单位提供的控制点进行引测及加密，并建立施工测量控制网。因本项目场地较大，所以本工程采用导线平面控制网。采用全站仪进行导线测量。每个点位测2 个测回，距离和角度取平均值，两次测回之差不超过规定限值。导线测量内业计算采用近似平差，其结果符合二级导线测量技术要求。

3.2.2 高程测量

如图3 所示，高程测量采用S3 光学水准仪，测量时前后视线长度≤80 m，前后视距差≤5 m，其闭合差符合四等高程控制测量技术要求。各加密控制点的布设依据施工现场实际情况而定，应确保相邻两点间能够相互通视，尽量不受旁折光影响，并且布设在对施工无碍且便于寻找、保护的地点。在选点处挖50 cm深的土坑以作为测量控制点的标识，浇筑一个上口宽15 cm、下口宽35 cm、高50 cm 的正棱台混凝土墩，然后插入1 根直径20 mm、长为40 cm 的钢筋，顶端锯“十”字标记，在距离底部5 cm 处做成90°弯钩状，最后将墩台周边覆土回填。设置在硬化地面的控制桩采用水泥钉作为标记，周边设置标识牌。标识完成后需等最少24 h 后方可使用。控制测量完成后请监理单位和建设单位对测量成果进行检查验收并履行相关手续。

图3 控制点情况

4 治理效益分析

人类的生产离不开土地，土地为我们带来各类资源，由于我国科技的进步，造成我国参与农作的农民数量迅速降低，可耕地面积也逐渐缩小。因此在执行矸石沟的环境治理时，也可恢复原有的耕地，为农业的发展奠定基础。

通过对矸石场的治理，有效降低矸石场产生的有害气体以及粉尘，对周边环境的污染和破坏程度较低，可通过环境的自净能力恢复正常生产，为农业提供有效用地，减少工农间的纠纷，也为周边居民提供稳定的生存环境。因此采取环境治理工程对矸石场的可持续生产发展具有积极作用，也可推进当地GDP的增长，促进城镇一体化发展。矸石场的生态保护建设实际效果是非常明显的，将因矸石场建设和生产而破坏的区域恢复到最初状态。

5 结论

以洪洞县赵城镇矿山矸石场作为实践对象，验证了提出的采用地貌重塑、土壤重构和植被恢复三大矿山修复核心技术修复方案是具有显著成效的，可为其他矸石场的环境治理所借鉴。本次实践证明该方案不仅可推进矸石场的可持续发展，也为企业带来更大的经济效益。在自然灾害防治方面，降低了边坡坍塌、泥石流发生的机率，减少了矸石场的安全隐患，起到防灾的目的；在土地资源方面，不仅尽可能地恢复原有的土地功能，提高生态环境的稳定性，通过种植大量的绿化植物，提高了矸石场的美观程度，也体现了工厂和生态共同发展的局面；在土地利用方面，矸石场的建设和生产过程中充分利用周边的环境资源，也根据环境特点制定合理的矸石场生产方案，充分体现了区域生态环境资源的利用价值。实施该修复方案后，一方面实现了区域内的绿化带美观建设，另一方面也充分发挥生态环境的功能，为矸石场带来更大的发展机遇。