尾砂回填废矿坑  生态复垦显成效

尾砂回填废矿坑  生态复垦显成效

王凤波 ,朱礼渊

莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司，山东,莱芜  271100

摘要：矿坑利用铁矿选矿厂合格尾砂进行回填，采用汽车运输，推土机推平，分层、分区碾压的堆存工艺整平整个矿坑，采用合格筑坝材料建立拦挡坝，修筑排水沟，对回填治理后的南北坑面、坑区开挖的边坡、治理期修筑的运输道路等进行复垦，并种植适应树种及草种，治理为生态用地。解决了矿坑带来的地质环境和安全问题，重新建立起了新的林草土地利用生态体系，形成了新的人工和自然景观，遏制了生态环境的恶化，改善了周边地区的生产、生活和生态环境，也取得了较好的社会效益和经济效益。

关键词：尾砂  回填   复垦   生态环境

The ecological reclamation of waste mine pit backfilled with tailings has achieved remarkable results

Wang Fengbo   Zhu LiYuan

(Laiwu Steel Group Laiwu Mining Co. , Ltd. , Shandong, Laiwu 271100)

Abstract: The mine pit is backfilled with qualified tailings from iron ore concentrator, The whole mine pit is leveled by the stockpiling process of automobile transportation, bulldozer bulldozing, layered and zoned rolling, and qualified dam-building materials are used to build retaining dams and drainage ditches. The north and south pit surfaces, excavated slopes in pit areas and transportation roads built during the treatment period are reclaimed, and suitable tree species and grass species are planted to treat them as ecological land. The geological environment and safety problems brought by mines have been solved, a new ecological system of forest and grass land use has been re-established, new artificial and natural landscapes have been formed, the deterioration of ecological environment has been curbed, the production, living and ecological environment in surrounding areas have been improved, and good social and economic benefits have been achieved.

key word：Tailings   backfill    reclaim   ecological environment

0  引言

“生态兴则文明兴”[1-2]，党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央以前所未有的力度主抓生态文明建设，先后提出了“绿水青山就是金山银山”、“改善生态环境就是发展生产力”、“务必处理好资源开发利用和生态环境保护的关系”等发展理念。当地政府为响应国家号召，及时解决本矿山矿坑带来的地质环境和安全问题，2019年开始实施“矿山复绿行动”，研究决定利用尾砂填埋、土地平整后复垦的方式，对矿坑进行生态修复综合治理，恢复土地的生产力，改善生态环境，实现人与环境的和谐发展。

1 矿坑基本情况

矿坑位于剥蚀-溶蚀丘陵区，周边主要以农田为主，地形地质条件简单，为历史遗留矿坑，已停止开采多年，坑内无任何设施，未发生崩塌、滑坡等不良地质作用。矿坑整体上呈南北走向，分为南、北两个单独矿坑。北侧矿坑东西宽约250m，地形上南高北低，最大深度约为10m，可利用面积为26500m2；南侧矿坑东西宽约310m，南北宽约170m，地形上西高东底，最大深度约为9m，坑底高低不一，坑中部留有原始小山体，可利用面积为34200m2。该矿坑破坏了大量的耕地，造成了土地资源的浪费，对当地自然地貌及地质环境形成了严重的视觉破坏

[3-5]，并给附近村民生产生活带来一定的安全隐患。

图1  矿坑位置

2 矿坑回填物来源

回填物采用尾矿砂，尾矿砂主要来源于铁矿选矿厂，年产出20万吨尾砂，约13.33万m3。根据资质单位出具的尾矿砂检测报告，选厂排出的尾矿砂浸出液中任何一种污染物浓度均未超过《污水综合排放标准GB8978-1996》中规定的最高允许排放浓度[6-7]，其PH值在6-9范围内，属于第Ⅰ类一般工业固废。尾矿砂中不含有害物质，对周边居民生活水源和地下水不会造成污染，矿坑填埋后对其进行复垦造地，适宜部分农作物（花生、地瓜等）和树木生长。

3 治理、回填方案及回填工艺

3.1  治理方案

依据矿坑开采面积、深度等实际情况，先采用干尾砂回填、整平整个矿坑，坑内尾砂回填结束后，坑面再进行土地复垦，植被恢复，最终完成矿坑治理。依据矿坑分布，先回填南侧矿坑再回填北侧矿坑，矿坑回填完成后进行生态复垦。

3.2 回填方案

对矿坑进行地形测绘，绘制1:1000地形图基础上，量算矿坑回填容积见表1。矿坑回填总容积为V总=V北+V南=12.7+14.7=27.4万m3，取有效利用系数为0.95，相应有效容积为V有效=26.1万m3。按照铁矿选矿厂每年产出20万吨尾砂，约13.33万m3/a计算，矿坑回填年限为2年左右。

表1    矿坑回填容积计算表

3.3  回填工艺

（1）按照先南侧矿坑，回填过程中修筑北侧拦挡坝，最后回填北矿坑的治理方案。采用汽车将干尾砂运输至矿坑，利用推土机推平的方式进行回填。坑内干尾砂排放方向南侧矿坑自东侧向西侧以不小于1%的坡度逐渐推进，北侧矿坑自南侧山坡向拦挡坝方向以不小于1%的坡度逐渐推进。

（2）为更好的实现干尾矿的有效晾晒和安全堆存，采用分层、分区碾压的堆存工艺[8]。回填干尾砂先底层再中层后高层，逐级堆存，堆存过程中底层卸料面与上层卸料面坡脚外边界之间留有10-40m安全缓冲平台，确保干尾砂碾压到位。根据堆存工艺将尾矿排放区划分为卸料区、晾晒区和干燥整平压实（碾压）区，三区轮换交替作业，实现科学排矿，安全堆存；三区不得单点集中排矿，或不经压实直接排矿。

为提高尾砂堆积体边坡稳定性，干尾砂分层排放，晾晒后进行碾压，滤饼晾晒周期以7d为宜，晾晒区晾晒合格干燥后推土机铺料整平，整平后由运输、铲运设备压实。碾压压实度不小于0.8，采用14t-18t振动碾碾压，碾压遍数通过现场试验确定。碾压完成后由管理人员对施工质量进行检查，并对每一级安全平台的施工情况进行记录，存档和备案。分级排放、整平压实、碾压，必须保证尾矿堆存顶面坡度1%，杜绝顶面内有积水。尾矿堆存运行过程中，经常检查溢洪道等排水构筑物，保证其完好和畅通性。

（3）建立拦挡坝（见图2），采用碾压土石坝坝型[9]，坝顶标高191.0m，形成最大坝高H=2.5m（不计清基）。坝顶宽度为4.0m，坝顶采用300mm厚的干砌块石铺设，为排除雨水，坝顶面向下游侧倾斜，倾斜坡度为2%。坝内外坡坡比均为1:2.0，坝内坡面采用干砌块石护坡（δ=300mm），外坡面采用覆土（δ=300mm）、植草护坡。为防止坝体渗漏，坝内坡设置粗砂垫层（δ=200mm）-复合土工膜（200g/m2+1.0mm+200g/m2）-粗砂垫层（δ=200mm）的防渗层。

采坑内或附近山坡影响坝体安全范围外压实后具有较高强度和稳定性的土料或土石混合料、有机质含量≤5%的黏性土料、砂性土、砾质土、石料及风化料等均可作为筑坝材料。筑坝材料中土、石料比例不大于3:7。坝体填筑前应做土工实验，确定土石料的最大干容重和最优含水量。坝体碾压每层上料厚度不应大于500mm，采用14t-18t的振动碾，现场确定碾压遍数，压实系数不小于0.96，必须满足有关规范及规定要求。

拦挡坝坝顶标高191.0m-坑面终期标高196.0m为堆积坝，形成堆积坝坝高5m，随着干尾砂回填至拦挡坝时采用干尾砂修筑，坝外坡比为1:3.0。

在形成的堆积坝永久外坡面采用覆土（δ=300mm）、植草护坡，并设置纵向排水沟。纵向排水沟设在拦挡坝坝顶平台内侧和堆积坝坝顶，便于保护坝面不受雨水冲蚀。纵向排水沟断面尺寸为B×H＝1.0m×1.0m，采用浆砌石砌筑。

图2   拦挡坝施工图

4  复垦方案

复垦范围包括回填治理后的南北坑面、坑区开挖的边坡、治理期修筑的运输道路所占面积等。矿坑开采土地利用类型为旱地和山坡地，占地面积为69000m2，约103.5亩。复垦面积主要为矿坑原开采范围，估算复垦期限为2.5年。

原土地利用类型主要为山坡地，回填治理后复垦为生态用地。首先对回填面进行挖坑覆盖客土，其次恢复植被，结合项目实际情况、区域优势树种分布情况和适宜性分析，复垦单元选种乔木为宜，树种为松树，并撒播草种，保持水土同时改善生态环境[10]。

图3  复垦植被种植图

具体种植方案如下：松树栽植典型设计见图4，按株行距要求，先挖好种植穴，并挖掉树蔸、草蔸、石块等，在穴底层处放好底肥，回客土10厘米左右。用表土埋根，使根系舒展[11-12]。栽植一般在春季抢墒进行人工栽植，树坑大小一般为0.6×0.6m2，坑深不小于 0.6m，乔木种植间距 2×2 米，每穴 1 株。松树带土球，土球30cm内，松树胸径规格5cm内。本场区栽种松树为2500株/公顷。草种撒播一般为0.3-1.2kg/亩，确定羊胡草撒播量为10kg/hm2。

图4  以松树（为例）栽植设计图

5  治理期间安全措施

5.1  洪水流量

地形图量测北侧矿坑汇水面积F为0.04km2，北侧矿坑汇水面积F为0.08km2。洪峰流量计算采用特小流域坡面汇流简化公式进行计算[13]，计算过程如下：

Qp=0.278（Sp~μ）F

式中：

    Qp—设计频率P的洪峰流量，m3/s；

    Sp—频率为P的暴雨雨力，mm/h；

    μ—产流历时内平均渗率，mm/h；

    F—库区总的汇水面积， km2。

该处多年平均年最大24小时降水量=100mm；

“年最大24小时点雨量变差系数（Cv）等值线图”Cv=0.54；

皮尔逊III型曲线的模比系数Kp值表（Cs=3.5Cv）中，当Cv=0.54，P=1.0%时，Kp=3.28；100年一遇的最大24小时降水量H24P计算：

H24P=Kp·H24=3.28×100=328mm。

得出：北侧矿坑汇水面积内洪峰流量Q北为1.84m3/s；南侧矿坑汇水面积内洪峰流量Q南为3.67m3/s。

5.2  矿坑排洪设施

矿坑排洪系统由排水泵和溢洪道两部分组成，少量渗水及雨水通过坑内排水泵排出，暴雨通过溢洪道排出。在南北矿坑之间设置1#溢洪道，将南侧坑内洪水排至北侧下游。1#溢洪道为倒梯形断面，进口底板标高193.0m，过流断面尺寸为3m，底坡坡度为2%，总长为35m。

北侧坑内回填过程中的排洪系统为2#溢洪道，沿拦挡坝东侧坝肩布置。2#溢洪道为倒梯形断面，进口底板标高189.5m，过流断面尺寸为3m，底坡坡度为1%，总长为40m。溢洪道断面开挖完成后，平整底板和边坡，过流面铺设1.5mmHDPE土工膜，土工膜两侧进行锚固。

图5  溢洪道设计图

5.3 排洪构筑物泄流能力计算

1#和2#溢洪道的泄流能力计算采用均匀流公式[14]，均匀流公式如下：    

Q=A•C（R.i）1/2

式中：

Q—流量；

A—过流断面积；

X—湿周；

     R—水力半径；

     C—谢才系数；

i—底坡坡度。

根据溢洪道的结构参数，将数据代入计算得：

1#溢洪道：Q1=1.12×42.95×（0.402×0.02）1/2=4.31m3/s

2#溢洪道：Q2=1.12×42.95×（0.402×0.01）1/2=3.05m3/s

1#和2#溢洪道分别大于对应的应泄洪峰流量，故排洪系统能够满足矿坑的防洪要求。

5.4  人工安全监测实施

矿坑回填中设置人工安全监测设施，监测项目包括位移监测、水位监测、水质监测、视频监控、安全警戒等。位移监测在南侧矿坑边界以上设4个点，北侧拦挡坝坝顶191m和终期坝顶196m各设3个点，整个矿坑共布置监测点10处。在矿坑周边共设三口监测井，第一口井设于边界上游，作为对照井；第二、三口井分别设于下游地下水流向外约10m处及150m，作为监测井。在矿坑边界向外10m设置安全警戒线，布置安全护栏或安全警示标志，以明示危险范围，安全警戒以内禁止放牧、建筑、取石、游泳等所有与该项目无关的活动。

6  结论

在各级政府和企业共同努力下，经过两年多治理，矿坑回填复垦基本完毕，取得了较好的社会效益、生态效益和经济效益。回填复垦后，改善了矿坑及周边生态环境[15-16]，治理了因采矿遗留的地表破坏问题、减少了水土流失、调节了气候、净化了空气、美化了环境。矿坑复垦为林地，种植乔木松树和撒播羊胡草种，进一步增加了绿化面积和绿植覆盖率，促进了当地农业生产、矿山事业及经济、生态的可持续发展，提高了周边居民经济收入和生活水平，也彻底解决了开采矿石遗留的采石矿坑安全隐患问题。   

参考文献：

[1]谭岷山,李欣娟,杨靖文.祁连山区废弃矿山生态修复效果研究—以山丹县曹家口金矿为例[J].甘肃农业大学学报:1-9[2022-09-06].

[2]何寿奎,徐建卿.乡村振兴与生态资本价值实现融合的内在逻辑、机制与路径研究[J].云南民族大学学报(哲学社会科学版):1-8[2022-09-06].

[3]杨建新,张虎威,李克文.宁夏水土保持助力黄河流域生态保护和高质量发展先行区建设的探索与实践[J].中国水土保持,2022(09):31-34.

[4]李会飞. 生态修复让草原更加绿意盎然[N]. 锡林郭勒日报(汉),2022-08-31(A01).

[5]孙福红,郭一丁,王雨春,夏瑞,张远,闫振广,刘雪松,吴丰昌.我国水生态系统完整性研究的重大意义、现状、挑战与主要任务[J/OL].环境科学研究:1-13[2022-09-06].

[6]许守卫.青土湖湿地生态保护与修复对策研究[J].农业科技与信息,2022(16):19-21.

[7]安鑫龙,李雪梅,申淑琦.海洋生态修复课程内容构建和教学模式研究[J].黑龙江科学,2022,13(15):156-158.

[8]刘玥腾,王厚军,吴姗姗,岳奇.围填海区域生态修复技术方法研究[J].海洋技术学报,2022,41(04):112-120.

[9]李诗雨,杨强胜,藕明江,毛志远.姑山矿露天坑全尾砂胶结回填加固配比试验研究[J].现代矿业,2022,38(04):231-233.

[10]苏卫宏.露天坑固化回填对地下水环境影响分析[J].现代矿业,2021,37(06):201-204+210.

[11]边疆,刘树新.干尾砂充填露天采坑的技术方案探微[J].世界有色金属,2017(08):249+251.

[12]陈宇清,陈振宁.干尾砂充填露天采坑的技术方案探讨[J].绿色科技,2016(04):121-123.

[13]孙伟,吴爱祥,王洪江,王少勇,李涛,李公成.全尾砂-废石混合回填膏体渗透特性试验研究[J].岩土力学,2014,35(09):2515-2521.

[14]孙伟,吴爱祥,王洪江,周喻,熊有为,仪海豹.全尾砂-废石混合回填膏体流动特性变化规律[J].岩土力学,2013,34(12):3464-3470.

[15]翟雯婷,潘志华,王方汉.尾砂胶结材的配合比设计及其对铅锌尾砂的固化效果[J].金属矿山,2010(06):34-37.

[16]刘德军,潘明友,郑维平.全尾砂回填采空区的试验研究与工程实践[J].矿业研究与开发,1999(04):18-21.