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灵宝市金矿区矿山地质环境恢复治理技术研究

发布时间:2018-08-09 14:57所属分类:理工论文浏览:1

摘要:通过对灵宝市金矿区主要矿山地质环境问题和大量已实施完成矿山环境治理项目的分析研究,系统阐明了该区所采用主要治理技术方法,为该区其它治理项目顺利实施提供科学依据。 关键词:金矿区,地质环境,治理技术 灵宝市是一个以金矿开采为主体的矿产资源

  摘要:通过对灵宝市金矿区主要矿山地质环境问题和大量已实施完成矿山环境治理项目的分析研究,系统阐明了该区所采用主要治理技术方法,为该区其它治理项目顺利实施提供科学依据。

  关键词:金矿区,地质环境,治理技术

  灵宝市是一个以金矿开采为主体的矿产资源大县,至2015年,连续30年,矿产金产量排名全国产金县第二,有“中国金城”的美誉。长期金矿开采遗留下了严重的矿山地质环境问题。为消除和减轻金矿区矿山地质环境灾害对矿业生产及人居安全的威胁,实现矿业开发、经济增长与地质环境保护的和谐发展,2004~2016年,中央和河南省在金矿区共下达探矿权采矿权两权价款地质环境类项目23个,其中矿山地质环境治理项目16个。通过以上项目的实施并验收,使金矿区矿山地质环境得以初步改善。本文以已实施完成的矿山环境治理项目为基础,针对主要矿山地质环境问题,进行了主要治理技术综合研究。

  1金矿区位置及范围

  金矿区位于灵宝市西部,距灵宝市约16km。西部与陕西接壤,南依秦岭,北临黄河,总面积约660km2。其范围包括小秦岭分水岭以北的枣乡峪、大湖峪、文峪、西峪(河南部分)主峪道及其支沟,分水岭以南的仓朱峪至王家峪之间的主峪道及其支沟。

  2主要矿山地质环境问题

  金矿区在矿产资源的采矿活动中存在矿山地质灾害(采空区塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流)、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏等矿山地质环境问题。金矿区地质灾害隐患危害程度以矿渣泥石流最为严重,其次为崩塌、滑坡、采空区塌陷和地裂缝。据中国地质调查局西安地质调查中心完成的金矿区矿山泥石流隐患沟危险性评价结果,金矿区共查明泥石流40处,其中2条沟为极高危险性泥石流隐患沟、26个高危险性泥石流隐患沟、12个中危险性泥石流隐患沟。上述泥石流隐患沟威胁人口多、威胁财产大,急需重点防范和治理。

  2.1金矿区矿渣泥石流形成条件

  2.1.1地形地貌特征

  灵宝市小秦岭主体山脉呈东西走向,在北故峪—东桐峪20km长的范围内,分布着36座海拔不小于2000m的山峰,最高峰老鸦岔海拔2413.8m,而几条沟的山口(山地与平地交接处)海拔500~600m,流域平均高度1600~1900m。山高坡陡,沟谷切割强烈,发育20条南北向“V”型主峪道,沟坡坡度30°~65°;北部12条主峪道长4.6~15.8km,纵坡降比9.1%~26%;南部8条主峪道长2.9~6.2km,纵坡降比14.0%~25.0%;峪道上游的支沟坡降比在25%~35%。从分水岭到出山口最大相对高差达1900m。岭谷相对高度之悬殊,使堆积在沟谷上游及沟源处的松散碎屑物质拥有巨大的势能,而陡峭的地形则为势能转化为动能提供了有利条件。

  2.1.2水源条件

  形成泥石流必须要有数量充足的水源,对于泥石流来说,水体的来源最为普遍的是大气降雨。据灵宝气象站1956~2015年气象资料显示:多年平均降水量645.8mm,年最大降水量为984.7mm(1958年),日最大降水量达110.2mm(1960年7月22日),最大一次降水量达194.9mm(1982年7月28日至8月4日),年内降水多集中于7、8、9三个月,并多为暴雨。短时段高强度暴雨为泥石流形成提供了水动力条件,因此,灵宝市金矿区具备激发泥石流形成的短时段高强度的暴雨条件。

  2.1.3物源条件

  金矿区石渣量大,且不合理地集中堆放于沟脑、坡面和沟谷河道两侧,挤占沟床、堵塞河道,造成行洪受阻,加大了沟床的纵坡降比,很多废渣堆堆积坡度陡,没有筑构防护工程设施或防护工程设施过于简单,废渣堆稳定性极差,为泥石流的发生提供了丰富的松散物源,导致大部分沟谷逐渐演变成为泥石流沟,金矿区泥石流物源的90%来自于开矿后堆放的废石矿渣。综合有关资料,小秦岭分水岭以北主峪道及其支沟内采矿及选矿渣堆509处,矿渣量约1358×104m3;矿渣堆高度一般在5~15m,个别高达30m,渣堆自然安息角在300~450之间。

  2.2金矿区矿渣型泥石流成灾模式

  金矿区矿渣型泥石流起动主要是特大暴雨下水力为主导因素的起动方式,其成灾模式一是在特大暴雨作用下,沟谷汇水形成的强大洪流铲蚀沟中废渣,从上游到下游运动过程中不断卷入沿途废渣,形成能量不断加大的泥石流,即沟床直接起动型;二是特大山洪淘蚀废渣堆—渣堆失稳滑塌—堵塞行洪通道—溃决形成泥石流,即堵溃型泥石流。

  3矿山地质环境治理技术

  根据金矿区矿渣泥石流形成条件和成灾模式,结合金矿区长期、大量工程项目的经验和教训,经过长期工程改进、优化,目前在金矿区通常使用采用拦渣坝、挡渣墙、防护墙、防护堤、肋槛、排水渠、沟道整理、矿渣清运、过水路面、管涵、道路修复、拆除工程、雨量监测工程等措施,尽量避免拦沟修建重力坝等放大泥石流灾害效应的工程;优先治理威胁区内居民及矿山企业安全的地质灾害隐患;通过综合治理不合理堆排的采矿废渣堆,使主干道行洪通畅;达到防灾减灾的目的。由于篇幅所限,本文在此只对技术相对复杂工程展开系统研究。

  3.1拦渣坝

  3.1.1作用及解决问题

  拦渣坝是冲沟中拦挡弃渣的横向建筑物,起到稳定沟谷渣体,防止弃渣流失,拦截水沙,改变输水条件,调节下泄水量和输沙量,多用于点式工程,在金矿区还起到减小沟道坡度的作用。主要解决了因沟道本身纵坡降大,地形陡峻造成渣、水所具有较大势能的问题;还解决了沟道废渣、沟床的稳定问题。

  3.1.2优点及缺点

  在2013年灵宝金矿区“7•9”洪灾经验教训中提出,在进行类似的泥石流地质灾害治理项目时,首先要降低沟道的坡降并且采用拦渣坝、挡渣墙等工程固定沟道内的废渣,从而降低泥石流的势能,减少固体物源,削弱其破坏能力。但也有专家提出,因拦沟修建的重力坝长时间聚集矿渣,堵溃而放大泥石流的灾害效应。因此,设置此类工程时,应充分考虑上述优点及缺点,慎重使用。

  3.1.3工程布置位置及设计

  该工程措施可设置在部分支沟及主沟道坡度变化较大的位置,垂直沟道修建拦渣坝,所有拦渣坝坝肩均采用台阶式,并嵌入完整基岩内。坝高0~3m,基础埋深4m,拦渣坝基础及坝体均采用C20毛石砼结构,拦渣坝墙体中部地表以上预留圆形泄水洞,泄水洞为内径1.0m的预应力混凝土管,正面安装钢筋网,钢筋直径为16mm,网格间距0.15m×0.15m,坝体设计地面以上预留2排直径110mmPVC管泄水孔,水平间距2m,垂直间距1m,PVC管要伸出墙外5cm;坝体基础部分设置2排泄水孔,内置内径400mm的预应力混凝土管,水平间距2.0m,垂直间距1.6m,每隔10~20m预留伸缩缝。

  与金矿区早期完成的拦渣坝相比,新建拦渣坝基础及坝体由浆砌石结构改为C20毛石砼结构,坝体基础小口径泄水孔改为较大尺寸泄水孔,大大提高了坝体安全稳定性及泄水能力。

  3.1.4施工后的效果

  治理工程实施后,起到稳定沟谷渣体,防止弃渣流失,减小了沟道坡度,降低了下泄洪水势能,缓解了洪水对沟底弃渣淘蚀和挡渣墙或护堤基础冲刷。

  3.2挡渣墙

  3.2.1作用及解决问题

  挡渣墙是布置在弃渣体坡脚,抵抗渣体压力的一种挡渣建筑物。能起到稳定渣体边坡,缩短边坡长度,防止弃渣流失的目的。多用于线性工程。主要解决了渣堆固化,沟道两侧废渣挤占沟道、阻碍行洪,洪水冲刷渣堆坡脚,渣堆滑塌,新产生渣堆有序存放等问题。

  3.2.2优点及缺点

  在金矿区治理工程中最常见的工程措施,具有挡渣固渣针对性强,可以利用渣堆中符合条件的块石砌筑,施工工艺简单等优点。由于在金矿区狭窄的沟谷内挡渣墙尺寸较大;对基础稳定性要求高;在金矿区矿渣堆积厚度大,为保证基础质量,设计为毛石砼基础,挡渣墙埋进渣堆深度大,造成工程量较大,成本较高;上部浆砌石质量控制难度大等缺点。

  3.2.3工程布置位置及设计

  在主沟道及各支沟内沿沟道两侧废渣堆底部顺沿沟道方向修建挡渣墙。墙体底宽2.9~3.2m、顶宽1.4m、高5~6m,背坡垂直,面坡坡率1∶0.30,埋深3.5m,部分挡渣墙工程基础及墙体均采用M15浆砌石结构,部分河道内挡渣墙基础及其以上1.0m采用C20毛石砼结构,其余采用M15浆砌石结构,外露的浆砌石墙头及墙体必须采用M15砂浆勾缝,采用方格状平缝,方格尺寸为30cm×50cm,横竖对齐使整体规范、美观、坚固;墙体设计地面以上0.5m布置2排排水孔,内置直径110mm的PVC管,水平间距2m,垂直间距1m,PVC管要伸出墙外5cm。

  为便于墙后渣堆排水及防止洪水冲刷基础,可增加直径400mm的预应力混凝土管和墙脚石笼网。详见图1。

图1

  与金矿区早期完成的挡渣墙相比,新建挡渣优化改进比较多。新增基础预应力混凝土管,便于墙后渣堆排水,避免墙后滞留大量雨水,使渣堆饱和液化,与下伏岩层之间摩擦系数减小,增大作用于挡墙后背的压力;新增墙脚石笼网,防止洪水冲刷基础;河道内挡渣墙基础由最初浆砌石改成C15毛石砼结构,后又改为C20或C20毛石砼结构,基础进行了多次改进,大大增加了挡渣墙基础强度和稳定性。确保渣堆与洪水分离,从源头防止矿渣泥石流的发生。

  3.2.4治理后的效果

  治理工程实施后,稳固了渣堆边坡,有效隔开了下泄洪水和渣堆,避免洪水冲走渣堆成为形成泥石流的物源。

  3.3防护堤

  3.3.1作用及解决问题

  防护堤是布置在渣坡、山坡或路堑坡脚,稳定坡脚和抵挡洪水的建筑物。上层为路基或较坚硬和节理发育的岩石,下层为弃渣或软质岩石时,采用防护堤既可挡住下部弃渣或软质岩石不致坍塌,又可保护弃渣或软质岩石不受洪水冲刷,从而使边坡稳定性得到保证;多用于线性工程。防护堤将水、路分离,疏通河道,避免水流冲刷而滑塌,形成地质灾害,影响道路交通,在金矿区道路基础大多为弃渣,修建防护堤进行保护显得更为重要。

  3.3.2优点及缺点

  在金矿区治理工程中最常见的工程措施,有利于排水排洪,较好保护了生产道路,施工工艺简单等优点。为保证质量,一般设计为毛石砼防护堤,埋进渣堆深度大,造成工程量较大,成本较高。

  3.3.3工程布置位置及设计

  主沟道及部分支沟将沟道内清理的部分废渣、碎石堆置于沟谷另一侧低洼地段进行平整碾压,并沿道路邻水一侧修建C20毛石砼防护堤。防护堤顶宽1.2~1.4m、底宽2.85~3.05m、高2.5m,埋深3.0m,基础及墙体均采用C20毛石砼结构。治理工程实施后,使矿区的道路和排水系统各行其道,排水排洪通畅有序,运输道路平坦通畅。

  3.4排水渠

  排水渠是将暴雨洪水顺畅排到下游河沟中。其排水型式,要根据流域面积、降雨量、工程等级及相应洪水标准确定。排水工程型式一般分涵洞式和排水渠2类。沟道上游部分地段由于河道较窄,无法修建防护堤工程,且上游水流较小,修建排水渠工程基本能够满足日常行洪需求,雨季水流可沿道路通行,水路不分。可设计修建单边排水渠,排水渠净宽1.0m,净深1.0m,渠壁厚0.3m,渠底厚0.5m,均采用C20砼结构,每隔10~20m或地形变化较大地段预留伸缩缝。

  3.5肋槛

  为约束沟道主流,降低沟道坡度,防止主流淘蚀河床、冲刷两侧挡渣墙及防护堤工程基础,保护治理工程安全,在沟道两侧防护堤及挡渣墙工程易受冲刷地段,设计肋槛工程。肋槛工程在前期项目中没有使用过,在后期重点工程应用较多。河道内肋槛设计埋深一般为2.0m,肋槛断面均为等腰梯形,肋槛高度均为2.0m,顶宽1.0m,底宽1.8m;肋槛内部沿纵向加4根直径12mm的钢筋,纵筋距肋槛外表面距离均为20cm;每隔15cm加一道直径8mm的箍筋。肋槛工程必须和与之相接的防护堤或挡渣墙工程同时施工,浇筑为一个整体,肋槛钢筋要插入挡渣墙或防护堤1m。详见图2。

图2

  3.6雨量监测工程

  通过开展矿山雨量监测,进一步认识区内降雨过程及变化,掌握矿山地质环境动态变化,预测矿山地质灾害发展趋势,为合理预防灾害、保护矿山地质环境、开展矿山环境综合整治、矿山生态环境恢复与重建、实施矿山地质环境监督管理提供基础资料和依据。在实施过程中,发现重大问题,及时调整治理对象和方案,避免重大地质环境问题危及矿业生产和人群生态环境安全。任务主要体现在监测金矿区降雨过程及雨量的动态变化。

  4结语

  从早期矿山企业自行修建的简易工程到2016年刚竣工的重点工程,数十年来治理工程从少到多、从简单到复杂也是不断优化完善的过程,如地基被淘空的问题在后期的重点工程项目也采取了混凝土基础改善措施及增加肋槛防治洪水淘涮沟底矿渣等等优化措施。因此,在金矿区开展矿山地质环境治理工作所涉及的规划、监测、监管、治理工程措施等方面继续开展研究工作仍很必要。

  参考文献:

  [1]徐友宁,李育敬,陈社斌,等.潼关金矿区矿渣型泥石流地质灾害特征及防治对策[J].山地学报,2006(6):667-671.

  [2]杨敏.影响小秦岭金矿区矿渣型泥石流形成的主要因素研究[D].长安大学硕士学位论文,2011.

  [3]灵宝市资源枯竭型城市矿山地质环境治理重点工程项目(2011年度)总结报告[R].河南省水文地质工程地质勘察院有限公司,2015.

  [4]李广济.灵宝市金矿区矿山地质环境恢复治理技术研究[R].河南省地矿局第一地质环境调查院,2017

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