CN101660412A - 一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法 - Google Patents

Abstract

一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法，是指在露天采矿排土场顶层平台表层覆土时，覆土车按一定排列方式疏松堆积而不碾压，并在排土场顶层整个平台用大方格网状和平台边缘以密集堆积的方式设置土埂。这种表层松散的堆状土壤的入渗及凹形区域的容纳，在暴雨条件下不会形成大量集中的径流，起到了分散径流的作用，防止大面积水流的汇集和钻缝。松散的堆状土壤可吸纳大量雨水，将其储存于土体内，为排土场平台快速恢复植被创造了条件，同时由于松散的堆状土壤对雨水的吸纳存储，水分将不再以明流形式向下移动，从而避免了由此可能引起的滑坡，另外松散的堆状土壤还可以一定程度上有自动修补沉陷裂缝和表层土陷穴的作用。

Description

一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法

技术领域

本发明涉及露天采矿排土方式技术领域，具体涉及一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法。

背景技术

露天采矿包括露天采煤、铁、铜、砂金、油母页岩等金属、非金属矿藏，是指直接剥离矿藏上覆的表土和岩层，使矿藏暴露后开采。在适宜的矿床和开采技术条件下，露天开采较井工开采能以较低成本达到更高的生产率和回采率，随着大型专用机械的开发，露天采矿业得到快速的发展。如目前露天采煤量占世界总采煤量的30％以上，露天开采其它矿藏的比例更高。随着经济的发展和开采机械的不断革新与改进，未来的露天采矿量将有大幅度提高。

目前，一般露天采矿分为外排土场和内排土场，外排土场采用堆山式排土，即在原地貌基础上堆起，下面垫有黄土、红土及岩石等。内排土场是在采空区堆置而逐渐回填采坑，基底石质，地形平缓。排土场为岩土混排，原来的土体和上覆岩层经过剧烈的扰动混合后以松散堆积状态堆置在内外排土场，形成人工巨型松散堆积地貌景观。由于堆置时间迅速，排弃的岩土自然固结、胶结时间很短，稳定性差。原有的土壤的理化特性及其相关的地质、地貌及水文条件等均发生了根本变化。一般平台之间的边坡土体松散，干密度仅为0.9-1.2g/cm³。排土场在达设计标高前，常规做法是排土场表层覆一层厚黄土并用重型机械碾压至实。排土场表层土壤严重压实，干密度达1.5-1.9g/cm³，渗透系数为0.3-0.4mm/min。露天采矿排土场表层下松散堆积状态和表层土壤层严重压实的状况，容易造成地表径流的的大量汇集，引起边坡面切沟、崩塌、滑坡，严重的还可能诱发泥流或泥石流。同时集中的地表径流很容易沿着大孔隙、盲洞和排土场不均匀沉降产生的裂缝流入排土场深层甚至基底，成为排土场稳定的隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法，以解决露天采矿排土场现有技术存在的水土流失以及排土场本身的稳定问题。

本发明的技术方案是：在露天采矿排土场表层采用堆状地面土壤重构方法，即将一车车覆盖土壤按一定排列方式疏松堆积而不碾压。单车倒土所形成的堆积体的实际形状是一个底面椭圆的劈状体，与单锥体形状近似，可简单地视其为锥体形，实际的堆积形状是多个锥体的联合，其排列组合状况可以有多种形式，例如正方形排列、三角形排列、多边形排列、优化排列等。上述锥体排列的凹凸形区域构成的堆状地面可视为一个个微小流域的基本微集水单元。

为了彻底解决集中径流对排土场的冲刷侵蚀，在排土场顶层整个堆状地面平台用大方格网状和平台边缘以密集堆积的方式设置土埂，用来进一步拦挡可能出现的暴雨径流。

本发明的有益效果是：由于露天采矿排土场表层土壤采用了堆状地面的重构方法，这种表层松散的堆状土壤的入渗及凹形区域的容纳，在暴雨条件下不会形成大量集中的径流，起到了分散径流的作用，防止大面积水流的汇集和钻缝。松散的堆状土壤可吸纳大量雨水，将其储存于土体内，为排土场平台快速恢复植被创造了条件。同时由于松散的堆状土壤对雨水的吸纳存储，水分将不再以明流形式向下移动，从而避免了由此可能引起的滑坡。另外松散的堆状土壤还可以一定程度上有自动修补沉陷裂缝和表层土陷穴的作用。

附图说明

图1是排土场顶层平台堆状地面的排土方式示意图；

图2是正方形排列形成的微集水单元；

图3是微集水单元的几何分析图。

具体实施方式

在露天采矿排土场顶层平台表层覆土时，覆土车按三角形排列方式自然疏松堆积成凹凸形锥体的基本微集水单元，不平整，不碾压。并在排土场顶层整个平台用大方格网状和平台边缘以密集堆积的方式设置土埂。

根据水文学一般原理对上述微集水单元计算结果表明：堆状地面的分散径流及入渗减流效果明显，大暴雨时可有效防止径流的产生和汇集，从而在很大程度上避免了集中水流对排土场的侵蚀。而常规倒土方式形成的微集水单元(凹坑)的容积还不是很大，特大暴雨时仍有出现积水溃坑形成少量集中水流的可能。

在排土场顶层整个平台用大方格网状和平台边缘以密集堆积的方式设置土埂，来达到更好的分散径流和拦挡可能出现的暴雨径流的效果。

下面结合平朔露天排土场为例，进行详细说明，平朔露天排土场是经过剥离、运输、堆垫而形成的。外排土场采用堆山式排土，在原地貌基础上堆起，下垫面有黄土、红土及岩石等。处于减少占地面积的考虑，设计高程较国内同类型排土场要高。内排土场是在采空区堆置而逐渐回填采坑，基底石质，地形平缓。排土场平台与边坡相间分布，平台宽数十米至百余米，台阶高20-40m，台阶坡面角为30°-42°。排土场为岩土混排，原来的土体和上覆岩层经过剧烈的扰动混合后以松散堆积状态堆置在内外排土场，形成人工巨型松散堆积地貌景观，达设计标高前，以往的常规做法是上覆一层黄土并采用重型机械碾压。由于堆置时间迅速，排弃的岩土自然固结、胶结时间很短，稳定性差。原有的土壤的理化特性及其相关的地质、地貌及水文条件等均发生了根本变化。平台表层土壤严重压实，干密度达1.5-1.9g/cm³，渗透系数为0.3-0.4mm/min；相比之下，平台之间的边坡土体松散，干密度仅为0.9-1.2g/cm³。平台压实土壤造成了地表径流的的大量汇集，引起边坡面切沟、崩塌、滑坡，严重的还可能诱发泥流或泥石流。同时集中的地表径流很容易沿着大孔隙、盲洞和排土场不均匀沉降产生的裂缝流入排土场深层甚至基底，成为排土场稳定的隐患。因此，侵蚀控制是排土场初期土地复垦的最为关键的任务。

故除采取必要的“填穴”、“填缝”措施消除不稳定性隐患外，还要避免集中径流对排土场的冲刷侵蚀。

露天煤矿排土场堆状地面土壤重构方法是在顶层平台上将一车车覆盖土壤按一定排列方式疏松堆积而不碾压，来最大限度地增加水分入渗，并借助凹凸不平的表面分散暴雨径流，从而可防止大面积水流的汇集和钻缝，同时也为快速恢复植被创造了条件。基于安太堡露天煤矿排土场土地复垦研究实践而提出的堆状地面土壤重构同样适用于相同类型排土场的初期复垦，堆状地面是一项创新性的排土场侵蚀控制和土壤重构技术。

下面的水文分析计算可具体确定其增渗减流及分散径流效果。

堆状地面土壤重构方法的水文依据

堆状地面松散堆状体的几何形状

单车倒土所形成的堆积体的实际形状是一个底面椭圆的劈状体，但与单锥体形状近似，可简单地视其为锥形，表1是平朔露天矿西排土场堆状体的实测值。

表1平朔露天矿西排土场单堆状体的实测值

以大型排土汽车每车土体积均值90m³计算，排弃土壤的安息角定为35°，则锥体高度h＝r×tg35°，单个锥体体积可由下式计算：V＝π/3×r²×h＝π/3×r²×r ×tg35°＝90m³

从而：r＝4.97m；h＝r×tg35°＝3.48m

即此近似单锥体的底面半径为4.97m，高为3.48m。

实际的堆积形状是多个锥体的联合，其排列组合状况可以有多种形式，例如图1所示的正方形排列、三角形排列、多边形排列、优化排列等等。

上述锥体排列的凹形区域构成了堆状地面的基本微集水单元，可视为一个个微小流域，由于松散黄土的入渗及凹形区域的容纳，在暴雨条件下不会形成大量集中的径流，起到了分散径流的作用；同时松散的黄土堆积可吸纳大量雨水，将其储存于土体内，为排土场平台建成初期的迅速植被创造了良好的水分条件。同时由于对雨水的吸纳存储，水分将不再以明流形式向下移动，从而避免了由此可能引起的滑坡。另外松散堆状体还可以一定程度上有自动修补沉陷裂缝和黄土陷穴的作用。

堆状体水文计算

堆状体地面相邻锥体构成一个个微集水单元，以微集水单元为计算单位，分析计算在一定设计频率的暴雨下，单元内产流量的多少，配合后面堆土形式的几何计算，可以确定堆状地面的最优堆积方式。

(1)松散(黄土)堆积物的入渗速率确定

根据实测降雨径流资料和实地模拟降雨条件下入渗测定数据，并考虑到入渗速率与所选择的暴雨时间段长短有关，取产量计算时段的平均入渗速率f＝0.55mm/min。

(2)设计暴雨计算

根据平鲁县1951-1980年间的暴雨资料，进行水文统计计算并作频率曲线分析，拟定设计暴雨时段T＝30min，设计频率按10年一遇和20年一遇(即P＝5％和10％)分别讨论，则由水文适线法得到：

i_30min＝0.57mm/min，Cv＝0.40，Cs＝2.5Cv

从而：i_30，5％＝K_5％×i_30min＝1.65×0.57＝0.94mm/min

      i_30，10％＝K_10％×i_30min＝1.36×0.57＝0.78m

微集水单元产流量的计算

以正方形堆排土方式为例，见图1-(a)，其微集水单元投影面为正方形(如图2所示)，是由相邻四个锥体各四分之一部分围成的一个闭合集水区域。如果两两锥体的间距以2C来表示，则闭合正方形集水单元的面积F＝(2C)²。由下面的产流计算可以知道在设计暴雨条件下各集水单元是否因溃决而相互串通形成侵蚀水流。

单个微集水单元面积很小，汇流时间很短。根据水文学一般原理，考虑用如下公式形式计算产流量R：

R_30，5％＝K(i_30，5％-f)FT

式中：

R-微集水单元的产流量(m³)

i_30，5％-20年一遇30暴雨强度(mm/min)

f-计算时段内的平均入渗速率(mm/min)

F-产流面积(m²)

T-暴雨历时(min)

K-单位转换系数，10^-3。

由以上拟定的各参数可以得到：

R_30，5％＝K(i_30，5％-f)FT＝10^-3(0.94-0.55)(2C)²·30＝0.0468C²m³

R_30，10％＝K(i_30，10％-f)FT＝10^-3(0.78-0.55)(2C)²·30＝0.0276C²m³

(4)微集水区域的容水体积计算

集水区曲面很难用单一数学方程表达，可用几何方法计算集水区域的容水体积(见图3)。

微集水区域控制点G相对锥体底面的高度H：

H＝(r-C)sin35°(C为OG′两点间的距离)

微集水区域G点水平面以上的总容积：

V_总＝(2C)²H＝4C²(r-C)sin35°

微集水区域G点水平面以下锥体底面以上土的体积：

V_土＝90-π/3r′²h′＝90-π/3C²[h-(r-C)sin35°]

则微集水区域的容水体积V：

V_水＝V_总-V_土

＝4C²(r-C)sin35°-90+π/3C²[h-(r-C)sin35°]

＝12.06C²-1.69C³-90

(5)微集水区域的最大容积的确定

表2不同C值下的微集水区域的容水体积计算表

由(4)中微集水区域的容水体积计算公式，假定不同的C值进行计算，计算结果见表2。由表2可知：当C＝4.76时，微集水区域的容水体积最大，V_水max＝0.98m³。

1)按10年一遇30min暴雨计算，由上面相应的产流计算公式可以得到：

R_30，10％＝0.0276C²＝0.63m³＜0.98m³

即微集水区域内的产流量远小于微集水区域的最大容水体积，在此暴雨条件下不会产生集中的侵蚀径流。

2)按20年一遇30min暴雨计算，由上面相应的产流计算公式可以得到：

R_30，5％＝0.0468C²＝1.1m³＞0.98m³

即微集水区域内的产流量稍大于微集水区域的最大容水体积，在此暴雨条件下会产生少量集中的侵蚀径流，应该进一步采取相应的措施。

上述计算结果表明，堆状地面的分散径流及入渗减流效果明显，大暴雨时可有效防止径流的产生和汇集，从而在很大程度上避免了集中水流对排土场的侵蚀。但常规倒土方式形成的微集水单元(凹坑)的容积还不是很大，特大暴雨时仍有出现积水溃坑形成少量集中水流的可能。

为了彻底解决集中径流对排土场的冲刷侵蚀，可采取堆状地面与常规的围堰措施相结合的方法。具体措施是：在堆状地面或排土场顶层平台边缘以密集堆积的方式设置土埂，用来拦挡可能出现的暴雨径流，见图1-(d)；进一步地还可以在整个平台用大方格状密集堆积的方式来分散径流，达到更好的效果，见图1-(e)。

在倒土方式上，应该使C＜r(即堆堆相连)，以便凹坑下有一定数量的松散土壤来吸纳雨水，同时在C＜r的情况下，堆状表面也较为平整，起伏小，有利于植被生长恢复。

最后需要指出的是，本文的分析计算是在一定的数学简化的基础上进行的，计算结果可能与实际情况存在一些差距。根据对安太堡露天煤矿外排土场堆状地面的实地调查，5年内未发生过顶层平台水流对边坡的明显侵蚀及大量集中水流的灌缝现象。另外，表层黄土的松散堆积在冬春季节有可能引起剧烈风蚀，应该同时采取迅速的植被恢复措施。

Claims (3)

1、一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法，其特征在于，在露天采矿排土场表层采用堆状地面的方法，即将一车车覆盖土壤按一定排列方式疏松堆积而不碾压。

2、据权利要求1所述的一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法，其特征在于，堆状地面的排列有正方形排列、三角形排列、多边形排列和优化排列等方式。

3、据权利要求1所述的一种露天采矿排土场表层土壤的重构方法，其特征在于，在排土场顶层整个平台用大方格网状和平台边缘以密集堆积的方式设置土埂。

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