王 凱

(蘭州煤礦設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

青海木里煤田位于青海省海西州和海北州境內，區(qū)內海拔多在+3700m以上，生態(tài)環(huán)境脆弱。礦區(qū)開發(fā)初期，大部分礦井采用露天開采。依照國家環(huán)保政策要求，青海省人民政府辦公廳 以“關于印發(fā)木里煤田綜合整治工作實施方案的通知” (青政辦[2014]143號文)及“關于印發(fā)祁連山自然保護區(qū)和木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境整治工作責任分工方案的通知”(青政辦[2014]174號文)文件要求[1，2]，木里礦區(qū)所有煤礦企業(yè)停止一切露天開采，推動礦區(qū)逐步轉入井工開采模式，轉入井工前，采坑必須綜合整治為礦井井工生產提供必要的安全保障，并保證生態(tài)環(huán)境的逐步恢復。

1 江倉四號井露天開采現(xiàn)狀

1.1 采坑現(xiàn)狀

采坑東西長、南北窄，礦坑占地面積為55.58hm2。礦坑底部南北寬約60～80m，東西長850m，坑口南北寬約520m，東西長1300m?？拥字恋乇硐鄬Ω卟?20～170m，坑底平面呈中間低兩邊高之勢。東邊幫最終邊坡角為46°，西邊幫最終邊坡角為18°，南邊幫最終邊坡角為28°～38°，北邊幫最終邊坡角為35°～37°。

1.2 地面排土場現(xiàn)狀

南排土場位于采坑南面，排土場東西長約1580m，寬約300m，總高度約55m，呈西—東方向延伸。分為三個臺階，占地面積約42.08hm2。

北排土場位于礦坑北面，排土場東西長約1700m，最寬處約560m，總高度約81m，呈近西—東向延伸。分為五個臺階，占地面積約80.36hm2。

2 采坑及排土場邊坡穩(wěn)定分析計算

設計認為江倉四號露天礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡，如圖1所示。計算方法采用簡化Bishop法對其進行穩(wěn)定性分折計算。

圖1 張裂縫-圓弧型滑坡滑動模式圖

2.1 采坑邊坡穩(wěn)定分析計算

經計算，東、南邊幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.294、1.005。其穩(wěn)定系數(shù)小于《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3～1.50[3]。故該東、南邊幫是不安全的。需要進行邊坡修整，修整后的最終邊坡角為40°，修整后的邊坡經計算其邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.42。

采坑北幫、西幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.376、3.198，大于《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》[4]推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.3～1.50。故北、西邊幫的邊坡是安全的，不需要修整。

2.2 排土場邊坡穩(wěn)定分析計算

南、北排土場邊坡高12～66m，設計分別從不同角度進行了穩(wěn)定性計算。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》，設計推薦的穩(wěn)定系數(shù)為1.2～1.5。經分析計算，邊坡角在18°時，該邊坡有最小穩(wěn)定系數(shù)，為1.281，排土場最終穩(wěn)定性邊坡角為18°，為圓弧—直線型滑面。根據(jù)業(yè)主提供的排土場的實測地形圖，南排土場最終邊坡角為18°～40°，北排土場最終邊坡角為15°～34°，對南、北排土場最終邊坡角大于18°的邊坡需進行消減作業(yè)。

3 采坑回填

3.1 回填方案確定

露天采坑深120～170m，為防止露天采坑將來積水對井工開采的危害，本次回填治理考慮了二個方案。

1)方案一為采坑部分回填整治方案，回填高度在考慮留設30m煤柱的基礎上，按大于下一步井工開采防水安全煤柱的要求設計，在此基礎上確定相應的回填高度。為進一步降低采坑積水對井工開采的危害將在回填后的采坑內安設常年排水泵。

2)方案二為采坑全部回填整治方案，即設計的回填深度與礦坑高度相同，充分利用排土場渣料，回填后的采坑表面與周邊地形一致，并形成自然流水坡度。

經方案比較，在滿足井工開采安全的基礎上，方案一能及時的進行回填作業(yè)，進而滿足采坑綜合整治工作時間的要求，且回填投入費用少，經濟上較為合理。故推薦方案一。

3.2 回填高度的確定

按照推薦方案的要求，回填高度與留設煤柱高度之和須大于水體保護煤巖體高度[5]，即：Ht≥H。式中，Ht為采坑填埋高度與留設煤柱之和，m；H為井工開采水體保護煤巖體高度，m。

3.2.1 導水裂隙帶高度計算

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的附錄六“水體下采煤的安全煤巖柱留設方法”的規(guī)定進行計算[6]：

導水裂隙帶高度計算公式為：

式中，Hli為導水裂隙帶高度，m；∑M為累計采厚，按煤層厚度15.62m計算。

經計算導水裂隙帶高度最大為60.23m。

3.2.2 保護層厚度選取

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的“水體下采煤的安全煤巖柱留設方法”，防水安全煤巖柱的保護層厚度取14m[6]。

3.2.3 回填高度的確定

根據(jù)上述計算，留設75m高度保護煤(巖)柱為井工開采時的巷道安全最小保證高度。考慮井工開采時留設30m煤柱，則巖柱最小回填高度應為45m。結合礦坑實際，考慮礦坑回填須形成一定的平整治坡面，回填深度取55～67m，加留設煤柱30m，則Ht=85～97m，Ht不小于保護煤巖柱高度75m，可見，Ht=85～97m時滿足要求。其中煤柱留設30m，基底防水復合凝固材料20m，回填渣料35～47m。

3.2.4 回填方法

采坑回填作業(yè)具體要求及做法為[7，8]：

1)對采坑坑底進行基底平整，并對采坑坑底進行基底防水處理。

2)在基底防水處理后，對采坑進行渣土回填至最終標高差2m處，礦坑的回填坡度為由西部向東部按1%的流水坡度進行回填，每回填0.5m厚度進行一層灑水碾壓，壓實度不小于0.85。

3)達到最終標高差2m處，鋪一層“無紡土工布+防水膜”。

4)在其上鋪2m厚的渣土，每回填0.5m厚度進行一層灑水碾壓，壓實度不小于0.85，采坑回填如圖2所示。

圖2 采坑回填示意圖(m)

3.2.5 回填物成分要求

1)防水復合凝固層。其成分主要為砂礫土，并加入5%的水泥以提高凝結程度，壓實度不小于0.90。砂礫最大粒徑不宜超過40mm，壓碎值不大于35%。水泥采用普通硅酸鹽水泥。砂礫土來源為基底平整及采坑邊坡消減渣石量。

2)其他材料。無紡土工布選用針刺無紡土工布，規(guī)格為400g/m2，寬度5m，厚度0.6mm；防水膜選用LD-58環(huán)保型，厚度0.4mm。

4 地表生態(tài)恢復

地表生態(tài)恢復區(qū)域包含露天礦外排土場(南、北兩個排土場)和回填后的礦坑表面。

4.1 植被選擇

植被選擇青海當?shù)厣a的、適宜青藏高原生長的多年生禾本科牧草，以市場供種相對充足的披堿草、早熟禾等鄉(xiāng)土草種。要求種子的質量達到國家規(guī)定的三級標準以上。根據(jù)立地條件，盡量選擇混草種播種，選擇的配置模式為“早熟禾+星星草+披堿草”，每畝播種量為20kg，其中：早熟禾5kg，星星草5kg，披堿草10kg。

4.2 農藝措施

地表生態(tài)恢復的主要農藝措施是：采取人工撒播或機械條播，人工撒播一定要保證種子的播種深度，機械條播行距應采取15cm的小行距，保證種子出苗后及時覆蓋地表。其工藝流程為：客土→人工地面平整→大小粒草種及化肥撒播→人工耙平→人工鎮(zhèn)壓→薄膜鋪設、灑水→圍欄封育。

1)客土：在地表平整工作完成后，要清除地表礫石，然后拉鋪20cm厚的種植土(種植土有機質含量要達到3%以上，土壤全氮含量0.3%以上)，種植土拉填后要進行一次鎮(zhèn)壓，以創(chuàng)造良好的苗床和適宜植物生長發(fā)育的立地條件。

2)人工地面平整：去除5cm以上的石塊，隨地形耙平地面，耙地深度7～8cm。

3)草種及化肥撒播：根據(jù)選定的草種類型和數(shù)量與磷酸二銨底肥(0.075kg/m2)混合后人工均勻撒播。

4)人工耙平：將草種和化肥耙入土壤0.5～1cm。

5)人工鎮(zhèn)壓：人工使用器械均勻的將地面適度拍實，使草種與土壤充分結合。

6)薄膜敷設、灑水：薄膜鋪設后，適度灑水、使薄膜與地面充分貼合。

5 礦坑防排水

5.1 地面防排水

為防止地表匯水流入礦坑，礦坑周圍在生產時已建有排水溝。其規(guī)格為1.0m×1m×1.5m(底寬×深度×幫坡)。經計算，已有排水水溝滿足地面防排水需要。

5.2 采坑內防排水

5.2.1 采坑排水設施的布置

采坑整治后的表面形成1°的自流面，在礦坑東側自流面的最低處設礦坑集水池，與固定排水泵站為一體。集水池容量為200m3，長×寬×深為10m×10m×2m，池壁用混凝土澆灌，厚度300mm。

5.2.2 排水量估算

礦坑內降雨徑流量計算結果見表1。經計算，采坑正常排水量為69.1m3/h；暴雨排水量為149.65m3/h。

5.2.3 排水設備選擇

礦坑排水設備選型按正常排水期和暴雨排水期分別選擇：正常排水期水泵每天按20h工作時間進行計算；暴雨時期排水設備按照“7日暴雨量7日排出”進行計算。排水設備及管路見表2。

表1 礦坑內降雨徑流量計算成果表

表2 排水設備及管路表

6 結 論

1)通過對江倉四號井露天開采后的采坑及排土場進行綜合整治，達到恢復地表生態(tài)環(huán)境目標；同時，進一步消除了露天采坑對井工開采產生的不安全因素，減少了對井工生產的威脅和危害。

2)在采坑及排土場邊坡穩(wěn)定計算中，由于地區(qū)多年凍土廣布，受凍土層季節(jié)融化層及凍脹性影響，容易產生不良的工程地質問題。凍土對邊坡穩(wěn)定有很大的影響，其滑動模式應在常規(guī)的滑動模式基礎上進行修正，但由于目前缺乏這方面的研究，暫不能確定相應參數(shù)，只有通過加強監(jiān)測的方法來進行防治。