專利名稱：：一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及露天釆礦排土方式
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
：露天采礦包括露天采煤、鐵、銅、砂金、油母頁(yè)巖等金屬、非金屬礦藏，是指直接剝離礦藏上覆的表土和巖層，使礦藏暴露后開(kāi)釆。在適宜的礦床和開(kāi)釆技術(shù)條件下，露天開(kāi)釆較井工開(kāi)釆能以較低成本達(dá)到更高的生產(chǎn)率和回釆率，隨著大型專用機(jī)械的開(kāi)發(fā)，露天釆礦業(yè)得到快速的發(fā)展。如目前露天采煤量占世界總采煤量的30%以上，露天開(kāi)釆其它礦藏的比例更高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和開(kāi)釆機(jī)械的不斷革新與改進(jìn)，未來(lái)的露天釆礦量將有大幅度提高。目前，一般露天釆礦分為外排土場(chǎng)和內(nèi)排土場(chǎng)，外排土場(chǎng)采用堆山式排土，即在原地貌基礎(chǔ)上堆起，下面墊有黃土、紅土及巖石等。內(nèi)排土場(chǎng)是在釆空區(qū)堆置而逐漸回填釆坑，基底石質(zhì)，地形平緩。排土場(chǎng)為巖土混排，原來(lái)的土體和上覆巖層經(jīng)過(guò)劇烈的擾動(dòng)混合后以松散堆積狀態(tài)堆置在內(nèi)外排土場(chǎng)，形成人工巨型松散堆積地貌景觀。由于堆置時(shí)間迅速，排棄的巖土自然固結(jié)、膠結(jié)時(shí)間很短，穩(wěn)定性差。原有的土壤的理化特性及其相關(guān)的地質(zhì)、地貌及水文條件等均發(fā)生了根本變化。一般平臺(tái)之間的邊坡土體松散，千密度僅為0.9-1...2g/cm3。排土場(chǎng)在達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高前，常規(guī)做法是排土場(chǎng)表層覆一層厚黃土并用重型機(jī)械碾壓至實(shí)。排土場(chǎng)表層土壤嚴(yán)重壓實(shí)，干密度達(dá)1.5-1.9g/cm3,滲透系數(shù)為0.3-0.4mm/min。露天采礦排土場(chǎng)表層下松散堆積狀態(tài)和表層土壤層嚴(yán)重壓實(shí)的狀況，容易造成地表徑流的的大量匯集，引起邊坡面切溝、崩塌、滑坡，嚴(yán)重的還可能誘發(fā)泥流或泥石流。同時(shí)集中的地表徑流很容易沿著大孔隙、盲洞和排土場(chǎng)不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫流入排土場(chǎng)深層甚至基底，成為排土場(chǎng)穩(wěn)定的隱患。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法，以解決露天采礦排土場(chǎng)現(xiàn)有技術(shù)存在的水土流失以及排土場(chǎng)本身的穩(wěn)定問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是在露天釆礦排土場(chǎng)表層釆用堆狀地面土壤重構(gòu)方法，即將一車(chē)車(chē)覆蓋土壤按一定排列方式疏松堆積而不碾壓。單車(chē)倒土所形成的堆積體的實(shí)際形狀是一個(gè)底面橢圓的劈狀體，與單錐體形狀近似，可簡(jiǎn)單地視其為錐體形，實(shí)際的堆積形狀是多個(gè)錐體的聯(lián)合，其排列組合狀況可以有多種形式，例如正方形排列、三角形排列、多邊形排列、優(yōu)化排列等。上述錐體排列的凹凸形區(qū)域構(gòu)成的堆狀地面可視為一個(gè)個(gè)微小流域的基本微集水單元。為了徹底解決集中徑流對(duì)排土場(chǎng)的沖刷侵蝕，在排土場(chǎng)頂層整個(gè)堆狀地面平臺(tái)用大方格網(wǎng)狀和平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂，用來(lái)進(jìn)一步攔擋可能出現(xiàn)的暴雨徑流。本發(fā)明的有益效果是由于露天采礦排土場(chǎng)表層土壤采用了堆狀地面的重構(gòu)方法，這種表層松散的堆狀土壤的入滲及凹形區(qū)域的容納，在暴雨條件下不會(huì)形成大量集中的徑流，起到了分散徑流的作用，防止大面積水流的匯集和鉆縫。松散的堆狀土壤可吸納大量雨水，將其儲(chǔ)存于土體內(nèi)，為排土場(chǎng)平臺(tái)快速恢復(fù)植被創(chuàng)造了條件。同時(shí)由于松散的堆狀土壤對(duì)雨水的吸納存儲(chǔ)，水分將不再以明流形式向下移動(dòng)，從而避免了由此可能引起的滑坡。另外松散的堆狀土壤還可以一定程度上有自動(dòng)修補(bǔ)沉陷裂縫和表層土陷穴的作用。圖l是排土場(chǎng)頂層平臺(tái)堆狀地面的排土方式示意圖2是正方形排列形成的微集水單元；圖3是微集水單元的幾何分析圖。具體實(shí)施例方式在露天采礦排土場(chǎng)頂層平臺(tái)表層覆土?xí)r，覆土車(chē)按三角形排列方式自然疏松堆積成凹凸形錐體的基本微集水單元，不平整，不碾壓。并在排土場(chǎng)頂層整個(gè)平臺(tái)用大方格網(wǎng)狀和平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂。根據(jù)水文學(xué)一般原理對(duì)上述微集水單元計(jì)算結(jié)果表明堆狀地面的分散徑流及入滲減流效果明顯，大暴雨時(shí)可有效防止徑流的產(chǎn)生和匯集，從而在很大程度上避免了集中水流對(duì)排土場(chǎng)的侵蝕。而常規(guī)倒土方式形成的微集水單元(凹坑)的容積還不是很大，特大暴雨時(shí)仍有出現(xiàn)積水潰坑形成少量集中水流的可能。在排土場(chǎng)頂層整個(gè)平臺(tái)用大方格網(wǎng)狀和平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂，來(lái)達(dá)到更好的分散徑流和攔擋可能出現(xiàn)的暴雨徑流的效果。下面結(jié)合平朔露天排土場(chǎng)為例，進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，平朔露天排土場(chǎng)是經(jīng)過(guò)剝離、運(yùn)輸、堆墊而形成的。外排土場(chǎng)釆用堆山式排土，在原地貌基礎(chǔ)上堆起，下墊面有黃土、紅土及巖石等。處于減少占地面積的考慮，設(shè)計(jì)高程較國(guó)內(nèi)同類(lèi)型排土場(chǎng)要高。內(nèi)排土場(chǎng)是在釆空區(qū)堆置而逐漸回填采坑，基底石質(zhì)，地形平緩。排土場(chǎng)平臺(tái)與邊坡相間分布，平臺(tái)寬數(shù)十米至百余米，臺(tái)階高20-40m,臺(tái)階坡面角為30。-42°。排土場(chǎng)為巖土混排，原來(lái)的土體和上覆巖層經(jīng)過(guò)劇烈的擾動(dòng)混合后以松散堆積狀態(tài)堆置在內(nèi)外排土場(chǎng)，形成人工巨型松散堆積地貌景觀，達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高前，以往的常規(guī)做法是上覆一層黃土并釆用重型機(jī)械碾壓。由于堆置時(shí)間迅速，排棄的巖土自然固結(jié)、膠結(jié)時(shí)間很短，穩(wěn)定性差。原有的土壤的理化特性及其相關(guān)的地質(zhì)、地貌及水文條件等均發(fā)生了根本變化。平臺(tái)表層土壤嚴(yán)重壓實(shí)，干密度達(dá)1.5-1.9g/cm3，滲透系數(shù)為0.3-0.4mm/min;相比之下，平臺(tái)之間的邊坡土體松散，干密度僅為0.9-1.2g/cm3。平臺(tái)壓實(shí)土壤造成了地表徑流的的大量匯集，引起邊坡面切溝、崩塌、滑坡，嚴(yán)重的還可能誘發(fā)泥流或泥石流。同時(shí)集中的地表徑流很容易沿著大孔隙、盲洞和排土場(chǎng)不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫流入排土場(chǎng)深層甚至基底，成為排土場(chǎng)穩(wěn)定的隱患。因此，侵蝕控制是排土場(chǎng)初期土地復(fù)墾的最為關(guān)鍵的任務(wù)。故除釆取必要的"填穴"、"填縫"措施消除不穩(wěn)定性隱患外，還要避免集中徑流對(duì)排土場(chǎng)的沖刷侵蝕。露天煤礦排土場(chǎng)堆狀地面土壤重構(gòu)方法是在頂層平臺(tái)上將一車(chē)車(chē)覆蓋土壤按一定排列方式疏松堆積而不碾壓，來(lái)最大限度地增加水分入滲，并借助凹凸不平的表面分散暴雨徑流，從而可防止大面積水流的匯集和鉆縫，同時(shí)也為快速恢復(fù)植被創(chuàng)造了條件。基于安太堡露天煤礦排土場(chǎng)土地復(fù)墾研究實(shí)踐而提出的堆狀地面土壤重構(gòu)同樣適用于相同類(lèi)型排土場(chǎng)的初期復(fù)墾，堆狀地面是一項(xiàng)創(chuàng)新性的排土場(chǎng)侵蝕控制和土壤重構(gòu)技術(shù)。下面的水文分析計(jì)算可具體確定其增滲減流及分散徑流效果。堆狀地面土壤重構(gòu)方法的水文依據(jù)堆狀地面松散堆狀體的幾何形狀單車(chē)倒土所形成的堆積體的實(shí)際形狀是一個(gè)底面橢圓的劈狀體,但與單錐體形狀近似，可簡(jiǎn)單地視其為錐形，表l是平朔露天礦西排土場(chǎng)堆狀體的實(shí)測(cè)值。表l平朔露天礦西排土場(chǎng)單堆狀體的實(shí)測(cè)值堆狀實(shí)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>410.810.33.190.312.010.22.892.7均值11.09.93.1錐體平均值R=5.2m,H=3.IraV=90.Om3以大型排土汽車(chē)每車(chē)土體積均值90mH十算，排棄土壤的安息角定為35°,則錐體高度h-rxtg35。，單個(gè)錐體體積可由下式計(jì)算V=丌/3xr2xh=jr/3xr2xrxtg35°=90m3從而:r=4,97m;h=rxtg35。=3.48m即此近似單錐體的底面半徑為4.97m,高為3.48m。實(shí)際的堆積形狀是多個(gè)錐體的聯(lián)合,其排列組合狀況可以有多種形式，例如圖l所示的正方形排列、三角形排列、多邊形排列、優(yōu)化排列等等。'上述錐體排列的凹形區(qū)域構(gòu)成了堆狀地面的基本微集水單元，可視為一個(gè)個(gè)微小流域，由于松散黃土的入滲及凹形區(qū)域的容納，在暴雨條件下不會(huì)形成大量集中的徑流，起到了分散徑流的作用；同時(shí)松散的黃土堆積可吸納大量雨水，將其儲(chǔ)存于土體內(nèi)，為排土場(chǎng)平臺(tái)建成初期的迅速植被恢復(fù)創(chuàng)造了良好的水分條件。同時(shí)由于對(duì)雨水的吸納存儲(chǔ)，水分將不再以明流形式向下移動(dòng)，從而避免了由此可能引起的滑坡。另外松散堆狀體還可以一定程度上有自動(dòng)修補(bǔ)沉陷裂縫和黃土陷穴的作用。堆狀體水文計(jì)算堆狀體地面相鄰錐體構(gòu)成一個(gè)個(gè)微集水單元，以微集水單元為計(jì)算單位，分析計(jì)算在一定設(shè)計(jì)頻率的暴雨下，單元內(nèi)產(chǎn)流量的多少，配合后面堆土形式的幾何計(jì)算，可以確定堆狀地面的最優(yōu)堆積方式。(1)松散(黃土)堆積物的入滲速率確定根據(jù)實(shí)測(cè)降雨徑流資料和實(shí)地模擬降雨條件下入滲測(cè)定數(shù)據(jù),并考慮到入滲速率與所選擇的暴雨時(shí)間段長(zhǎng)短有關(guān)，取產(chǎn)量計(jì)算時(shí)段的平均入滲速率f=0.55mm/min。(2)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算根據(jù)平魯縣1951-1980年間的暴雨資料，進(jìn)行水文統(tǒng)計(jì)計(jì)算并作頻率曲線分析，擬定設(shè)計(jì)暴雨時(shí)段1=30min,設(shè)計(jì)頻率按10年一遇和20年一遇(即P=5°/^P10%)分別討論，則由水文適線法得到i30min=0.57mm/min,Cv=0.40,Cs=2.5Cv從而",5%=K5%xi3。min=l.65x0.57=0.94mm/min",i=K10%xi30mi=l.36x0.57=0.78mm/min'(3)、微集水單元產(chǎn)流量的計(jì)算以正方形堆排土方式為例，見(jiàn)圖1-(a),其微集水單元投影面為正方形(如圖2所示)，是由相鄰四個(gè)錐體各四分之一部分圍成的一個(gè)閉合集水區(qū)域。如果兩兩錐體的間距以2C來(lái)表示，則閉合正方形集水單元的面積F:(2C)2。由下面的產(chǎn)流計(jì)算可以知道在設(shè)計(jì)暴雨條件下各集水單元是否因潰決而相互串通形成侵蝕水流。單個(gè)微集水單元面積很小，匯流時(shí)間很短。根據(jù)水文學(xué)一般原理，考慮用如下公式形式計(jì)算產(chǎn)流量R:R30,5y尸K(i3。，5%-f)FT式中R—微集水單元的產(chǎn)流量(m3)20年一遇30暴雨強(qiáng)度(mm/min)f—計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均入滲速率(mm/min)F—產(chǎn)流面積(m2)T—暴雨歷時(shí)(min)K一單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，10—3。由以上擬定的各參數(shù)可以得到R30,5%=K(i3。,5-f)FT=l(r3(0.94-0.55)(2C)2'30=0.0468C2m3R3(u。'尸K(i3(u。'廣f)FT=10-3(0.78—0.55)(2C)230=0.0276C2m3(4)微集水區(qū)域的容水體積計(jì)算集水區(qū)曲面很難用單一數(shù)學(xué)方程表達(dá)，可用幾何方法計(jì)算集水區(qū)域的容水體積(見(jiàn)圖3)。微集水區(qū)域控制點(diǎn)G相對(duì)錐體底面的高度H:H=(r-C)sin35。(C為0G'兩點(diǎn)間的距離)微集水區(qū)域G點(diǎn)水平面以上的總?cè)莘eV總-(2C)2H=4C2(r-C)sin35。微集水區(qū)域G點(diǎn)水平面以下錐體底面以上土的體積V土-90—7r/3r'V=90—7i/3C2[h—(r—C)sin35。]則微集水區(qū)域的容水體積V:V水-V總_V土<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(5)微集水區(qū)域的最大容積的確定表2不同C值下的微集水區(qū)域的容水體積計(jì)算表C1.02.03.04.04.54.764.804.904.97V(m3)—79.6—55.3-27.1-5.20.210.980.960.730.00由(4)中微集水區(qū)域的容水體積計(jì)算公式，假定不同的C值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知當(dāng)C-4.76時(shí)，微集水區(qū)域的容水體積最大，V"ax=0.98m3。1)按10年一遇30min暴雨計(jì)算，由上面相應(yīng)的產(chǎn)流計(jì)算公式可以得到R3(U。S=0.0276C2=0.63m3<0.98m3即微集水區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)流量遠(yuǎn)小于微集水區(qū)域的最大容水體積，在此暴雨條件下不會(huì)產(chǎn)生集中的侵蝕徑流。2)按20年一遇30min暴雨計(jì)算，由上面相應(yīng)的產(chǎn)流計(jì)算公式可以得到R，-O.0468C2=Llm3>0.98m3即微集水區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)流量稍大于微集水區(qū)域的最大容水體積，在此暴雨條件下會(huì)產(chǎn)生少量集中的侵蝕徑流，應(yīng)該進(jìn)一步釆取相應(yīng)的措施。上述計(jì)算結(jié)果表明，堆狀地面的分散徑流及入滲減流效果明顯，大暴雨時(shí)可有效防止徑流的產(chǎn)生和匯集，從而在很大程度上避免了集li中水流對(duì)排土場(chǎng)的侵蝕。但常規(guī)倒土方式形成的微集水單元(凹坑)的容積還不是很大，特大暴雨時(shí)仍有出現(xiàn)積水潰坑形成少量集中水流的可能。為了徹底解決集中徑流對(duì)排土場(chǎng)的沖刷侵蝕，可釆取堆狀地面與常規(guī)的圍堰措施相結(jié)合的方法。具體措施是在堆狀地面或排土場(chǎng)頂層平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂，用來(lái)攔擋可能出現(xiàn)的暴雨徑流，見(jiàn)圖1-(d);進(jìn)一步地還可以在整個(gè)平臺(tái)用大方格狀密集堆積的方式來(lái)分散徑流，達(dá)到更好的效果，見(jiàn)圖1-(e)。在倒土方式上，應(yīng)該使C<r(即堆堆相連)，以便凹坑下有一定數(shù)量的松散土壤來(lái)吸納雨水，同時(shí)在(Xr的情況下，堆狀表面也較為平整，起伏小，有利于植被生長(zhǎng)恢復(fù)。最后需要指出的是，本文的分析計(jì)算是在一定的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一些差距。根據(jù)對(duì)安太堡露天煤礦外排土場(chǎng)堆狀地面的實(shí)地調(diào)查，5年內(nèi)未發(fā)生過(guò)頂層平臺(tái)水流對(duì)邊坡的明顯侵蝕及大量集中水流的灌縫現(xiàn)象。另外，表層黃土的松散堆積在冬春季節(jié)有可能引起劇烈風(fēng)蝕，應(yīng)該同時(shí)采取迅速的植被恢復(fù)措施。權(quán)利要求1、一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法，其特征在于，在露天采礦排土場(chǎng)表層采用堆狀地面的方法，即將一車(chē)車(chē)覆蓋土壤按一定排列方式疏松堆積而不碾壓。2、據(jù)權(quán)利要求1所述的一種露天釆礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法，其特征在于，堆狀地面的排列有正方形排列、三角形排列、多邊形排列和優(yōu)化排列等方式。3、據(jù)權(quán)利要求1所述的一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法，其特征在于，在排土場(chǎng)頂層整個(gè)平臺(tái)用大方格網(wǎng)狀和平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂。全文摘要一種露天采礦排土場(chǎng)表層土壤的重構(gòu)方法，是指在露天采礦排土場(chǎng)頂層平臺(tái)表層覆土?xí)r，覆土車(chē)按一定排列方式疏松堆積而不碾壓，并在排土場(chǎng)頂層整個(gè)平臺(tái)用大方格網(wǎng)狀和平臺(tái)邊緣以密集堆積的方式設(shè)置土埂。這種表層松散的堆狀土壤的入滲及凹形區(qū)域的容納，在暴雨條件下不會(huì)形成大量集中的徑流，起到了分散徑流的作用，防止大面積水流的匯集和鉆縫。松散的堆狀土壤可吸納大量雨水，將其儲(chǔ)存于土體內(nèi)，為排土場(chǎng)平臺(tái)快速恢復(fù)植被創(chuàng)造了條件，同時(shí)由于松散的堆狀土壤對(duì)雨水的吸納存儲(chǔ)，水分將不再以明流形式向下移動(dòng)，從而避免了由此可能引起的滑坡，另外松散的堆狀土壤還可以一定程度上有自動(dòng)修補(bǔ)沉陷裂縫和表層土陷穴的作用。文檔編號(hào)E21C41/00GK101660412SQ200910074559公開(kāi)日2010年3月3日申請(qǐng)日期2009年6月24日優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日發(fā)明者岳建英,李晉川,柴書(shū)杰,王文英,王金滿,白中科,趙中秋,趙景逵,魏忠義申請(qǐng)人:山西省生物研究所