矿山地质环境治理设计

精选文档矿山地质环境恢复治理设计探讨杨志勇 刘亚南 炎杉杉（河南省地质矿产勘查开发局第四地质探矿队，三门峡 472000）1.0引言 本文介绍了矿山环境治理工程设计实例，为类似工程提供借鉴经验。2.0 治理工程概况2.1治理区概况灵宝双鑫矿业有限责任公司金矿区位于河南省灵宝市豫灵镇小秦岭地区，隶属灵宝市豫灵镇管辖，矿区距豫灵镇约20 km，有矿山公路相连。陇海铁路、连霍高速公路、310国道均穿过豫灵镇，因此矿区交通条件便利。依据委托方提供：矿区面积为7.9395km2,地理坐标为东经11026391102803,北纬342415342511。2.2自然地理概况双鑫矿区位于小秦岭主峰附近，地势南高北低，小秦岭最高峰老鸦岔脑，标高2413.8m，为河南省最高峰，矿区北侧为黄河河谷，高程近300m，相对高差较大，约2100m，属切割强烈的中山区。本区属黄河流域，矿区绝大部分沟段为季节性水流，主干水系为黄河一级支流文峪河与西峪河，呈南北走向，主要来源受降雨直接补给。本区属暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，降水量、蒸发量、气温等气象要素年际变化明显。多年平均降水量645.8mm，年最大降水量984.7mm（1958年），最小降水量为318.7mm（1997年），年际最大变化量666.0mm。2.3治理区地质环境条件2.3.1地层治理区出露地层主要为太古界太华群变质杂岩及第四系全新统沿沟谷分布的砂砾石层。第四系厚05m。2.3.2构造治理区主要褶皱构造为金硐岔老鸦岔板石山主背斜。2.3.3水文地质条件区内第四系坡、残积物不发育，在沟底凹地零星分布，富含季节性孔隙水。矿脉围岩系古老变质岩系，岩性一般质地坚硬、致密，节理不发育，含有少量不连续裂隙水。断裂构造仅于矿区南缘发育有NE、SE向断裂，以及与之斜交的小断裂，构成向西收敛、向东撒开的承压水带。大气降水是该区唯一的补给源，通过断裂相交部位，节理裂隙发育地段渗入地下，以散流、隐流或下降泉方式近源排泄。治理区水文地质属简单类型。2.3.4工程地质条件治理区岩性较单一，开采区围岩一般为混合岩和斜长角闪岩，地质构造简单，节理、裂隙不发育，稳固性较好，围岩质地坚硬，岩块抗压强度较大。故工程地质条件总体属中等良好类型。2.3.5地震本区位于汾渭强震带上，地震基本烈度为7，地震动峰值加速度为0.15g，历史上曾发生过多次破坏性地震，属国家重点监测区之一。新构造运动强烈，有发生中强地震的地质背景。2.3.6环境地质条件治理区开采出的废石量较大，且大都堆放于沟谷之中或河道的边缘，高的几米至数十米，而留的河道不足10m，造成水道狭窄，排水不畅，若遇暴雨或长时间降雨，易形成泥石流灾害。选厂生产工艺为单一浮选，浮选药剂为黄葯和2#油等。根据所加药剂和矿物成分分析，选厂主要污染源为选矿废水，主要污染源为悬浮物、CODcr、硫化物等。但循环利用对环境影响较小，依据附近废石浸出毒性试验结果，废石淋溶水不会对地表水和地下水产生影响。3.0治理区主要地质环境问题3.1植被（林业）资源毁损治理区多年开采出来的矿渣大量堆积在沟谷和河道中，尾矿库占用沟谷，不仅毁坏了大量的植被资源，同时也严重破坏了林地资源，对矿区及其周边生态环境造成极大破坏。保守估计，治理区开采及尾矿堆放造成破坏影响的植被及林地面积大约1km2。3.2泥石流地质灾害治理区目前生产虽处于半开半停状态，但多年生产的矿渣均顺坡堆积于沟谷中。矿区地形陡峭，沟谷狭窄，施工矿渣、废石堆放混乱，遇暴雨发生山洪暴发，极易发生泥石流地质灾害。该区曾多次发生泥石流灾害，如： 1996年8月，小秦岭地区连降暴雨，大西峪引发泥石流，冲毁矿区公路13km，通讯线路3km，直接经济损失690万元；1996年8月，小秦岭地区降暴雨，矿渣堆引发文峪河流泥石流，均给人员和财产造成巨大损失；1994年7月11日东木峪沟的尾矿库发生溃坝、暴发泥石流，造成51人死亡，矿区全部停产，经济损失巨大。3.2堵塞河道及矿山道路治理段沟谷切割较深，宽50100m不等，由于各时期生产中产出的废渣均在各坑口附近沿沟谷顺山坡堆放，日积月累，已不同程度出现堆放高度过高，局部地区尤其严重。随着矿山的继续开采，不合理有序堆放，使河道变窄、河床抬高受堵，威胁矿山道路畅通，严重影响矿区泄洪的正常通道及各坑口人员和财产的安全。4.0治理区地质环境治理方案初步设计根据矿山地质环境恢复治理规划（2006-2015年）的要求，并按照“先治理危险性较大、更容易引发严重后果的废渣坡，再治理其他的废渣坡”的治理顺序实施治理工程。2006-2007年度治理的工程有：（1）在矿区1312、1319、1360、1340及1110坑各段废石场区设立挡土（渣）墙，治理方案采用浆砌石重力挡渣墙。（2）在1110坑段修建长约40m拦洪墙；（3）将1454、1450、1110、1360、1410坑段及挡渣墙设置区严重侵占堵塞河道的渣堆清理运走，清理出超过5m宽的泄洪通道；（4）尾矿库应急治理及其病害勘察评价；（5）建立矿山地质环境恢复治理数据库。4.1设计依据4.1.1法律法规依据（1）中华人民共和国矿产资源法（2）地质灾害防治条例4.1.2技术规范依据（1）砌体结构设计规范（GB50003-2001）（2）工程测量规范（GB50026-93）（3）建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)（4）岩土工程勘察设计规范(GB50021-2001)（5）建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)（6）重力式挡土墙（04ZG901）（7）支挡结构设计手册(2004年 第二版) （8）防洪标准（GB50201-94）（9）水文图集（1984年）4.2治理区地质环境治理工程分项初步设计4.2.1岩土工程勘察4.2.1.1勘察目的及要求在查清边坡所在区域地质背景基础上，针对每一处边坡，通过地质测绘、勘探、岩土取样试验、专项地质调查与研究等必要的工程地质手段，查明场地工程地质、水文地质条件，为治理工程设计提供地质依据。具体要求查清边坡所在部位的地形地貌、地质结构、各类岩土层的岩性或物质组成、物理力学性质、工程特性；提出边坡变形破坏的地质模型、分析边坡的稳定性、危害程度；提出边坡治理设计的必要的岩土物理力学参数、强度和变形指标；结合具体地质条件设计治理工程措施方案。岩土工程勘察拟解决以下问题：提供设计参数；提供地基承载力参数；提供验算稳定性所需设计参数；提供水化学性质及对建筑材料的腐蚀性；查明治理区不良地质作用评价环境工程条件及工程环境条件。4.2.1.2勘察工作依据本次勘察工作应严格按岩土工程勘察规范（GB50021-2002）、建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）等有关规范与规程要求进行。4.2.1.3 勘察工作方法及工作量勘察工作以工程地质测绘和调查及收编资料为主，布置少量钻探工程，勘察工作内容及工作量见表1。表1 工程地质详细勘察设计工作量一览表序号项目名称精度单位工作量备注1地形图修测1：1000km20.52地形图数字化1：1000幅53岩石试验件804工程地质钻探m1705剖面线测量km56水 样组154.2.1.4提交勘察成果勘察工作结束后，应对全部实际资料进行综合分析研究,提交勘察成果应包括：年度矿山地质环境恢复治理岩土工程勘察报告(详勘)；勘察工程布置图；工程地质剖面图；岩石物理力学测试成果；影像照片；数字化成果（光盘或软盘）。4.2.2治理初步工程设计 4.2.2.1基本情况根据防洪标准，矿区等级为级，防洪标准50-20年一遇，由于矿区规模较大，遭受洪灾后，损失较大，影响较严重，因此确定其防洪标准为50年一遇。根据中国地震动参数区划图和水工建筑物抗震设计规范，本地区地震基本烈度为7度，须进行抗震计算。4.2.2.2设计洪水根据矿区流域面积及所处位置，按防洪标准规定，设计洪水采用50年一遇，依据河南省中小流域水文图集计算。（1）基本资料根据矿权人提供的1:5万地形图量得矿区主要河流基本资料见表2:表2 主要河流基本资料 河流名称流域面积（km2）主河道长度（m）河道平均比降（%）文峪河8816西峪河7719（2）设计暴雨计算根据矿区的位置，查河南省中小流域水文图集（1984年版），得到：本区1小时点雨量均值：HIP=30mm1小时点雨量变差系数：Cv=0.55由Cs=3.5Cv，查得：模比系数：Kp=2.58依据公式HIP= HIPKp，得：最大一小时设计点雨量HIP=77.4mm，由于本次计算的流域均小于50km2，所以设计面雨量直接采用设计点雨量。（3）设计洪水计算治理区河道流域面积均小于200km2,所以本次计算采用推理公式法:Qm=0.278FS/n =1-n/S=0.278L/（Mj1/3Q1/4)式中:Qm-设计洪峰流量,m3/s；洪峰径流系数；洪峰汇流时间，h；F-流域面积；L-干流长度；J-L的平均坡度；S-设计最大1小时雨量平均强度；n-设计暴雨递减系数；-平均入渗率，以mm/h计；m-汇流参数。由以上公式，查图，得50年一遇设计洪峰值。根据所得洪峰值，采用水力学方法，计算得50年一遇洪水时治理区河道出口处河道平均水深及流速见表3。表3 设计洪峰值、河道平均水深及流速 河流名称设计洪峰值(m3/s)河道平均水深(m)流速(m/s)文峪河1762.96.0西峪河2823.67.84.2.2.3挡渣墙初步设计及稳定性复核（1）挡渣墙初步设计范围、形式、断面规格根据矿区现状，2006-2007年治理区的废渣采用重力式挡渣墙治理。挡渣墙采用M7.5浆砌石，由于均为一次性渣坡治理，故本次设计均不考虑未来排渣堆放，为增加挡渣墙抗滑稳定性，将基底设计为倾斜面，直接座于基岩上。挡渣墙初步设计断面见附图2。（2）挡渣墙稳定性复核受力分析根据建筑结构荷载规范、建筑边坡工程技术规范和建筑抗震设计规范，挡渣墙受力主要为自重，墙后主动土压力、墙后静水压力及地震力。 试算时参数采用：墙后堆石干容重取19kN/m3,堆石浮容重取10kN/m3，挡渣墙容重取23kN/m3，废渣内摩擦角取40，挡渣墙顶渣坡面与水平面夹角取35，墙背与废渣间摩擦角取25，挡渣墙基底与岩基摩擦系数取0.65，地震按7度考虑，水平向地震加速度值为0.15g。工况组合根据实际情况，对挡渣墙稳定采用容许应力验算法，分别按以下三种工况进行挡渣墙抗滑及抗倾稳定验算。1）工况（正常运用情况）：墙后堆石中无水；2）工况（洪水情况）：参照支挡结构设计手册，考虑发生设计洪水时，墙后堆石中水深为0.7倍挡渣墙高；3）工况（地震洪水情况）：参照支挡结构设计手册，考虑地震情况下，墙后堆石中水深为0.5倍挡渣墙高。按照建筑地基基础设计规范和支挡结构设计手册，本次设计挡渣墙抗滑稳定安全系数的允许值见表4。表4 挡渣墙稳定安全系数的允许值表工况工况工况抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数1.31.61.31.61.11.2稳定性复核按照建筑结构荷载规范，应复核挡渣墙抗倾覆和抗滑安全。其中，挡渣墙抗滑稳定按下式验算：(Wy)式中：W挡渣墙自重；主动土压力的水平分力；y主动土压力的竖向分力；基底摩擦系数。抗倾稳定按下式验算：MYK0=-M0式中：MY-各力系对墙趾的稳定力矩之和；M0-各力系对墙趾的倾覆力矩之和。挡渣墙稳定性复核成果结合实际情况，拟采用浆砌重力式挡渣墙，初步设计暂定基底为向外倾斜面，倾斜坡度取：0.1,墙面坡度均取：0.1,墙背坡度取：0.25（4m高挡渣墙取1：0.2）。挡渣墙设计参数见表5。表5 挡渣墙设计参数表编号渣堆地点或高程总渣量渣堆高度墙长度（m）台阶墙高（m）顶宽（m）基底宽工程量（m3）（m）级数（m）（m3）1111010000121401412.30998213121440062401613.7040043131940010501613.70834413601000020301513.35352513401202501613.70834合计349205107022挡渣墙直接座于基岩上，砌筑前须清理地面风化岩石，嵌入基岩深度不小于0.3m。挡渣墙稳定性复核成果见表6：表6 挡渣墙稳定性复核成果表工况挡渣墙工况工况工况抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数抗滑稳定安全系数抗倾稳定安全系数4m高挡渣墙1.852.151.672.071.181.455m高挡渣墙4.082.881.341.91.171.226m高挡渣墙2.201.942.051.621.151.57结论依据挡渣墙稳定性复核成果，经过试算，设计4m、5m及6m高的挡渣墙抗滑和抗倾覆稳定性在各种工况条件下都满足规范要求。拟设计挡渣墙采用毛石混凝土基础，墙体内设排水设施，形式选择排水孔。设计挡渣墙总长度约为510m，本次施工挡渣墙主要工程量为：挡渣墙浆砌石7022m3,开挖石方2160m3 。挡渣墙应分段砌筑,每段长度一般为10m,两段间应设置沉降缝(在基底地形变化大处增设沉降缝),缝宽200mm；地基纵坡大于5%时，应错台砌筑，墙后地面横坡坡度大于1：6时，应采取凿毛处理；在挡渣墙底部设置1010cm排水孔1排，间距2.0m，排水孔进口处设碎石反滤层。4.2.3拦洪墙初步设计为防止洪水冲毁1110坑段道路及毁坏采矿工业场区，在1110坑段设立拦洪墙，使洪水顺利送至下沟沟道，根据现场地形情况，在此处汇水面积为8km2，设计最大降雨量77.4mm/h,径流系数取0.8，经试算：修建拦洪墙时留出超过15m宽河道，并保证河道畅通，能满足过洪水要求，拦洪墙选用矩形断面形状，墙顶宽2m，墙基底宽2.5m，墙高4.0m，M10号浆砌石结构，基础厚1m，基底进入基岩深度不小于0.5m。设计拦洪墙总长度约为40m，本次施工拦洪墙主要工程量为：拦洪墙浆砌石468m3,开挖石方128m3 。拦洪墙应分段砌筑,每段长度一般为10m,两段间应设置沉降缝(在基底地形变化大处增设沉降缝),缝宽200mm，沉降缝用沥青油毡或黄泥堵塞。4.2.4施工方法及要求砌筑挡渣墙时，采用M7.5号砂浆块石砌筑，其块石的强度等级不低于MU30,软化系数不低于0.8；基础应进入基岩不小于30cm，基础应先清基后座浆。护底施工时，石料应大面向下，前后错缝，石块间应以片石和砂浆填实，砌缝应随时用灰浆或混凝土填实；浆砌石挡渣墙前要对墙基进行清理，坡度大于5%时,应错台砌筑,当墙后横坡坡度大于1:6时,应采取凿毛处理；浆砌石一律采用座浆法分层砌筑，随铺浆随铺石，浆厚35cm。上下层砌石须错缝砌筑，砌缝要用砂浆和碎石块填充饱满，不准无浆直接贴靠，砌缝内砂浆应采用扁铁插捣密实，严禁先堆石块再用砂浆灌缝。砌体外露面应保持平整，外露面上的砌缝必须留4cm左右的深度，以备勾缝处理；水平缝宽不超过2.5cm，竖缝宽不超过4cm，砌筑过程中，严格把好质量关，如发现个别石块有松动现象，将石块拆下，并刮净石块上沾有的砂浆，再用新拌砂浆重砌；施工时应做好排水工作；根据岩石风化情况，对墙趾前该层做相应的护面措施；砌墙石料选用材质新鲜均匀，表面清洁，没有裂纹未经风化的片麻岩，块石形状必须满足上下两面基本平行，大致平整，且无尖角无薄边；块厚不小于20cm。砌筑前，对石块加以修整洗刷，敲掉尖角，保证石块湿润。砌筑砂料选用级配均匀，干净的中、粗砂，抹面和勾缝砂料选用细砂。砂料中发现含有大于0.5cm的颗粒较多时，必须过筛，含泥量较多时，必须冲淘后方可使用。拦洪墙施工参照挡渣墙施工执行；4.2.5 河道清渣本次除将清理设立拦挡工程区段河床上松散渣石外，还将1454、1450、1110、1360、1410坑段严重侵占堵塞河道的渣堆清理运走。累计清运废渣量约17500 m3，其工程量见表7。 表7 废渣清理工程量表区段工程量（m3）区段工程量（m3）1110坑50001450坑30001360坑10001454坑5001410坑2000徐礼红坑口2000宗峡坑口1000其他拦挡区30004.2.6应急治理与尾矿库病害勘察评价矿区现有新旧尾矿库各一座，选厂位于灵宝市豫灵镇大西峪沟，旧尾矿库位于选厂以北东木峪沟，距选厂约1km，为西峪沟的一条小支沟，基本上呈东西方向，东高西低，海拔在1265.0