郭金偉 聶義田 李丙濤

(煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450007)

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李陽(yáng)煤業(yè)排矸場(chǎng)綜合設(shè)計(jì)分析

郭金偉 聶義田 李丙濤

(煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450007)

以山西潞安集團(tuán)李陽(yáng)煤業(yè)排矸場(chǎng)綜合設(shè)計(jì)為例，闡述了煤礦排矸場(chǎng)綜合治理過(guò)程中擋矸壩和排洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并提出了壩體防護(hù)及矸石覆土綠化工程措施，進(jìn)一步完善了排矸場(chǎng)的水土保持防治體系，避免了因大量的矸石堆放而產(chǎn)生水土流失的現(xiàn)象。

煤礦，排矸場(chǎng)，擋矸壩，煤矸石

李陽(yáng)煤業(yè)公司現(xiàn)有排矸場(chǎng)位于風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地北側(cè)的沖溝內(nèi)，流域面積8.71 hm2，周圍1.5 km2范圍內(nèi)無(wú)村莊居民。該溝長(zhǎng)約800 m，平均寬100 m，深5 m～15 m，可利用容積約36.05萬(wàn)m3，現(xiàn)已堆放矸石量約15萬(wàn)m3。本礦生產(chǎn)期間產(chǎn)生的固體廢棄物主要為洗選矸石、掘進(jìn)矸石和鍋爐爐渣，年產(chǎn)生洗選矸石21.85萬(wàn)t、掘進(jìn)矸石6萬(wàn)t、鍋爐爐渣0.49萬(wàn)t，經(jīng)計(jì)算，年產(chǎn)生固體廢棄物約16.67萬(wàn)m3，現(xiàn)有排矸場(chǎng)還可容納礦井及選煤廠將近18年的排矸量。目前排矸場(chǎng)采取“由上向下，自然堆積，平整頂部，不斷延伸”的排矸工藝，目前無(wú)自燃現(xiàn)象。由于排矸工藝落后，造成排矸場(chǎng)邊坡坡度較陡，有滑坡、坍塌的危險(xiǎn)，并且沖溝下游未建設(shè)擋矸壩(墻)，對(duì)下游的陽(yáng)涉鐵路有一定的威脅；另外，排矸場(chǎng)沒(méi)有任何排水措施，下雨時(shí)洪水沒(méi)有出路，直接沖刷矸石堆，水土流失嚴(yán)重。因此，在沖溝下游修筑擋矸壩并在排矸場(chǎng)周邊布設(shè)完整的防洪排水工程系統(tǒng)，將會(huì)有效地控制水土流失，改善周邊環(huán)境，防止產(chǎn)生滑坡，確保礦區(qū)生產(chǎn)安全。

1 工程方案設(shè)計(jì)

1.1 工程布置

根據(jù)堆矸的實(shí)際情況，此次設(shè)計(jì)在沖溝下游修建擋矸壩，矸石頂兩側(cè)設(shè)置排洪邊溝，矸坡采用植被防護(hù)，矸頂覆土，恢復(fù)植被。

1.2 擋矸壩壩高

綜合考慮主體工程攔矸、防洪及水土保持等要求，采用以下公式[5]確定攔矸壩高。

H=H攔矸+H攔泥+H滯洪+H安全。

其中，H攔矸為攔矸壩高，m；H攔泥為攔泥壩高，m；H滯洪為滯洪壩高，m；H安全為安全超高，m。

1)攔矸壩高的確定。根據(jù)綜合計(jì)算及查水位(H)—庫(kù)容(V)—面積(F)曲線相對(duì)應(yīng)的攔矸壩高度為H攔矸=17.27 m。

2)攔泥壩高的確定。根據(jù)綜合計(jì)算及查水位(H)—庫(kù)容(V)—面積(F)曲線相對(duì)應(yīng)的攔泥壩高度為H攔泥=0.53 m。

3)滯洪壩高的確定。查H—V曲線，得設(shè)計(jì)洪水位為：

H設(shè)=1 322.6 m。

查H—V曲線，得校核洪水位為：H校=1 323.8 m。

H滯洪=H校-H設(shè)=1 323.8-1 322.6=1.2 m。

4)壩高的確定。安全超高根據(jù)規(guī)范取1.5 m，另加煤矸石堆放時(shí)層間覆土厚0.3 m，5層覆土總厚1.5 m。則：

H=H攔矸+H攔泥+H滯洪+h安全=17.27+0.53+1.5+1.2+1.5=22.0 m。

1.3 擋矸壩穩(wěn)定設(shè)計(jì)

擋矸壩為梯形斷面，壩高22 m，壩頂寬5 m，下游10 m，16 m處各設(shè)置一處馬道，寬3 m，壩基寬134.75 m，上游邊坡1∶3，下游邊坡1∶2.5。壩體采用均質(zhì)土壩，下游采用片石護(hù)坡。

壩體穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧滑動(dòng)法[5]，其計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的公式為：

其中，K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為土條重量；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正)；u為作用于土條底面的孔隙壓力；b為土條寬度；c′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果知，正常荷載組合情況下，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31，大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.25；非常荷載組合情況下，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.21，大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.15；故壩體滿足安全穩(wěn)定要求，設(shè)計(jì)的斷面尺寸合理。

1.4 排水工程設(shè)計(jì)

排矸場(chǎng)排水系統(tǒng)主要配置為：矸坡馬道設(shè)置排水溝，在矸坡兩側(cè)與山體接壤處修筑截洪溝，所有的馬道排水溝均與兩側(cè)的截洪溝相連，下游設(shè)置消力池；土壩頂及土壩馬道處設(shè)置排水溝，與兩側(cè)截洪溝相連。

1)排水洪溝斷面設(shè)計(jì)。為保證排矸場(chǎng)安全，在排矸場(chǎng)兩側(cè)設(shè)兩道排水洪溝，將上游洪水排走，按明渠均勻流公式試算，根據(jù)實(shí)際分兩段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

排渣場(chǎng)平面部分初步擬定排水邊溝斷面尺寸寬×深為2.5 m×2.0 m，用M7.5水泥砂漿砌筑塊石，M10水泥砂漿勾縫，底坡i=1%。采用公式：

其中，Q為過(guò)水流量，m3/s；b為斷面底寬，b=2.5m；ω為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；C為謝才系數(shù)，C=(1/n)R1/6；R為水力半徑，R=ω/X，X為濕周，X=0.4+2h0，n為糙率，n=0.025;i為底坡，i=1%。

將以上有關(guān)數(shù)值代入公式，經(jīng)試算得排水洪溝正常水深為：h0=1.53m時(shí)，Q=10.81m3/s。

1.53+0.3=1.83m<2.0m。說(shuō)明排水洪溝斷面尺寸擬定合理。

排水邊溝底板厚0.5m，側(cè)墻高為正常水深加0.3m的安全超高，即1.53+0.3=1.83m，取2.0m，側(cè)墻頂寬0.5m，底寬0.95m，基礎(chǔ)外伸長(zhǎng)0.1m，基礎(chǔ)厚0.5m，基礎(chǔ)寬1.0m。M7.5砂漿砌石。

2)排水洪溝末端消力池設(shè)計(jì)。為使水流平順地進(jìn)入河槽，在排水洪溝末端設(shè)消力池，消力池為矩形斷面，底寬2.9m。

設(shè)計(jì)洪水情況下判斷是否需要設(shè)消力池。

采用公式：

其中，q為單寬流量，q=10.81/2.5=4.32m3/(s·m)；h2為第二共軛水深,m;h0為明渠段正常水深，h0=0.24m;a為流速不均勻系數(shù)，取a=1.1;g為重力加速度，g=9.81m/s2。

將以上有關(guān)數(shù)值代入上式計(jì)算得：

h2=4.06。

緊接消力池出口的下游溝道水深hs=1.0m，h2>hs，故發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍，需設(shè)消力池。

消力池?cái)嗝娉叽缬?jì)算：

池深計(jì)算:d=1.1×h2-hs。

池長(zhǎng)計(jì)算：Lk=(3～5)h2。

將有關(guān)數(shù)值代入公式計(jì)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。

取池長(zhǎng)Lk=15m。池寬計(jì)算：B=b+0.4=2.5+0.4=2.9m。

消力池?cái)嗝娉叽玳L(zhǎng)×寬×深=15m×2.9m×3.5m。

消力池結(jié)構(gòu)尺寸確定：

側(cè)墻頂寬0.5m，底寬1.25m，基礎(chǔ)外伸長(zhǎng)0.1m，基礎(chǔ)厚0.6m。

2 生態(tài)恢復(fù)工程

2.1 設(shè)計(jì)原則

樹種選擇要做到“因地制宜、適地適樹”，充分考慮樹種的抗逆性，達(dá)到固土，遵循保護(hù)環(huán)境和美化環(huán)境相結(jié)合的原則，常綠樹種、草種應(yīng)占一定的比例。為提高綠化成功率，鄉(xiāng)土樹種、草種或者在當(dāng)?shù)鼐G化中以推廣使用的樹種、草種為首選。

2.2 措施布置

根據(jù)上述分析和與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，該矸石場(chǎng)喬木選用刺槐，灌木選用紫穗槐，草種選用披堿草。坡面采用植物措施護(hù)坡，穴狀整地。穴植紫穗槐，草種選用披堿草進(jìn)行撒播。種植標(biāo)準(zhǔn)紫穗槐10 000穴/hm2，每穴3株；披堿草30kg/hm2；補(bǔ)植量按20%計(jì)。矸石場(chǎng)頂面進(jìn)行平整覆土，并采取林草措施。樹種選用火炬，草種選用披堿草。火炬種植標(biāo)準(zhǔn)2 500穴/hm2，每穴1株。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)李陽(yáng)煤業(yè)排矸場(chǎng)的綜合設(shè)計(jì)整治，可以保證排矸場(chǎng)的整體穩(wěn)定及排洪安全，改善排矸場(chǎng)周圍的大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，具有很好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。可對(duì)類似礦區(qū)的排矸場(chǎng)設(shè)計(jì)和綜合整治提供一定的借鑒意義。

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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

郭金偉(1982- )，男，碩士，工程師

TU272

A