刘少杰,周长华,赵延钢,强涛,邱廷华

(1.金川集团股份有限公司,甘肃 金昌 737100;2.山东春旭化工设计有限公司,山东 济南 250014)

金川集团股份有限公司地处甘肃河西走廊,是国家重要的有色金属开采冶炼大型企业,矿区是祁连山生态区域链的重要组成部分。祁连山自然保护区是全国重要的生态功能区,是甘肃省乃至西北地区重要的生态安全屏障和水源涵养地,生态区位十分重要。

金川集团股份有限公司冶炼尾料堆场,堆存多种固体冶炼尾料,占地面积广,堆存量大,目前尚无合理处置方式,为有效治理公司冶炼尾料堆场存在环境问题,消除尾料堆边坡地质灾害隐患,改善尾料堆边坡生态环境,提高尾料区景观效果,实现尾料堆生态修复治理技术与应用研究,具有重要现实意义。

生态修复治理与我们的生活息息相关,由于当下环境可持续发展从土地整治向生态环境的保护和修复转型,生态修复技术也被广泛研究并使用。生态修复是生态学的一个分支,生态修复经过多年的研究和实践逐渐形成一个完整的体系和概念,涉及的有生态恢复、生态修复、生态重建、生态改建、生态改良等方法。简单地说就是对以往遭受环境破坏的土地系统进行修复,再利用。根据不同的环境生态特点,生态修复治理的方式也各不相同—矿山修复、边坡绿化、土壤改良、固废覆绿等方式都是较为常见的生态修复技术。

金川冶炼尾料堆场边坡生态修复治理技术在全国实属首次,尾料堆是热熔渣和水淬渣交替排放形成,边坡经过多年存放整体稳定性较好,发生严重滑坡灾害的可能性较低,边坡绿化成功率和绿植维持年限是治理实施最大的风险点,通过对尾料特性、成分、形成等多个方面进行对比分析形成与金川冶炼尾料堆场边坡治理独特的生态修复工艺技术,采用“放坡—挂网—覆土+绿植”技术路线实施尾料堆边坡生态修复。

1 尾料堆基础隔离层稳定性对比研究

将坡体表面固化剂TGH喷洒于坡面后,可以使矿渣颗粒凝结在一起,形成一个硬壳,大大降低表面矿渣的流动性。同时,表面固化剂可以在尾料层表面形成1 cm的纤维隔离层,使得尾料中存在的大量碱性物质不能浸入到表面种植层,这将大大提高绿植的成活率。

2 尾料堆安息角稳定性对比研究

当坡度为36°时,坡体自身的重力分解为下滑力和正压力。其下滑力为重力的55%,正压力为重力的80%。坡体材料为颗粒状的渣料,表面十分粗糙,摩擦系数较大,如果没有外力扰动,其自身即可形成稳定的结构,不会发生滑坡。

经过实验的验证,使用土工格栅、凝固厚度3.5 cm时,45°～65°坡角范围时,渣料未松散形成滑坡,甚至可以承受60 kg以上人体外力扰动,而不发生松散滑坡。即使在每平方厘米面积上,施加212.33 N的压力,也不会使坡面破碎,形成滑坡。形象地说,即使有人员在上述工艺方法处理后的坡面上行走,也不会在局部形成滑坡,甚至不能形成足迹的痕印。

3 尾料堆边坡高团粒客土基造层性能研究

冶炼尾料之所以不易植被生长,其主要原因矿渣富含重金属等有害物质,缺乏有机营养物质,通过“高团粒客土基造层”技术,为下一步客土喷播绿化创造认为的适宜植物生长的营养土层,合理的添加有机营养物质就可以为植物生长提供充足的营养。在客土中加入团粒聚合剂、保水剂、粘合剂、纤维材料、有机长效复合肥、腐殖质等,用液压喷播车搅拌均匀,喷洒于其尾料堆表面,厚度10～15 mm。其中,保水剂又称土壤保墒剂、抗蒸腾剂、贮肥蓄药剂或微型水库是一种独具三维网状结构的有机高分子聚合物。在土壤中能将雨水或浇灌水迅速吸收并保住,变为固态水而不流动不渗失,长久保持局部恒湿、天旱时缓慢释放供植物利用。它特有的吸水、贮水、保水性能,在改善生态环境、防风固沙工程中起到决定成败的作用,广泛用于土地荒漠化治理、农林作物种植、园林绿化等领域。

4 无土纤维绿植生长层

将粘合剂(如聚乙烯醇-戊二醛、聚丙烯酸钾等)、纤维材料TGM(一般包括木纤维、机械纤维、有机增粘剂、有机肥料、泥炭、微生物发酵剂等)、团粒聚合剂、混合种子等混合且搅拌均匀喷洒于其客土基层表面。其中,粘合剂是由多种高分子聚合物聚合而成的一种水溶性有机类土壤调理剂(又名胶粉、保土剂、土壤保墒剂、水土保持剂、土壤团粒剂等),属于人工合成的高分子长链聚合物,无色,分解物为水、二氧化碳、氮气,对环境友好。粘合剂具有较强的沉降和絮凝土壤粒子的特性,可促使土壤形成良好的团粒结构,构成抗冲刷、防渗漏的载体。它主要用于绿化喷播、植树造林工程,具有减少因地表径流造成的土壤流失、提高土壤渗透力、保土保肥、缓解和调节土壤水分蒸发等作用。生长层干燥后会在表面形成2～3 cm厚度的植物保护层,起到保温、保湿、遮阳等作用。同时,由于保水剂及植物纤维的存在,该层还具有很强的吸水,保水性,可以长期储存降水获得的水分以供植物生长所需。

5 金川尾料堆边坡生态修复治理技术路线和关键

5.1 基本的技术路线

放坡及整理坡面→开挖排水沟及截水沟、栽植穴→喷洒凝固剂固定坡面表层渣料→土工格室(锚固;生态袋堆砌平台)→TGGM-45无土绿植基材喷播植草→安装喷灌设施→坡顶、马道、坡脚植树→养护施工。

5.2 放坡及整理坡面

将原有坡体坡度由42°放缓至36°左右,平均坡比1∶1.15。自上而下施工,分3级安全放坡,每级坡之间留1.5 m宽的马道,每级坡高约14.8 m。因而须将坡脚向外最多延伸4 m,坡顶向内最多收缩1 m。对机械修整后的坡面局部进行人工整平,利用铁锹将渣堆表面凸起部分削平、浅坑和浅槽部分进行渣堆回填压实,使坡面基本平整。放坡示意图如图1所示。

图1 放坡示意图

5.3 开挖排水沟及截水沟

在平整后的边坡沿坡顶、坡脚设置截水渠及排水沟,坡面每间距100 m设置排水沟一条,共计5条排水沟,同时在坡顶及坡脚各修建一条截水渠连接排水沟。截、排水渠连接处采用八字口设计,以减小截水的冲刷,排水渠接蓄水池,收集雨水用于日后养护。

5.4 坡面加固工程

将配置好的固化液用液压喷播车均匀喷洒至坡面,使表面松散的渣料凝聚为一层粘结体,增强抗风蚀能力固化坡面表层的稳定性。然后利用锚杆将15 mm×15 mm三向土工格栅固定于喷洒凝固剂后的坡面,进一步增强坡体的稳定性,锚杆分主锚杆(Φ18 cm×230 cm)、次锚杆(Φ14 cm×130 cm),按2 m×2 m间隔排列,最后在坡面上铺设三层式土工布、形成隔水隔碱隔热层,为下一步土工格室覆土做准备。

5.5 土工格室覆土工程

对加固后的坡面铺设土工格室,约束土体的侧向移动和沉降,提高其稳定性。土工格室护坡绿化,配植根系发达的草种,既可固土护坡,又可绿化、保护生态环境,完全符合低碳环保、生态绿化的要求。

5.6 土工格栅反包生态袋堆砌平台

生态袋护坡系统是一种由聚丙烯及其他高分子材料复合制成的材料编织而成,耐腐蚀性强,耐微生物分解,抗紫外线,易于植物生长,使用寿命长达70年的高科技材料制成的护坡材料。

生态袋的规格生态袋材料质量≥120 g/m2,其力学参数和等效孔径指标满足国标(GB/T 17639—2008,纵向≥5 kN/m、横向≥5 kN/m、CBR 顶破强力≥800 N)要求;对植物非常友善,植物根茎能自由穿透袋体快速生长;生态袋必须是绿色或黑色,且具有抗紫外线性能。

5.7 喷播植草层(上部表层)

采用液压喷播技术,将催芽后的混合种子装入混有一定比例的水、纤维覆盖物、粘合剂、有机肥料的液压喷播机罐内,利用离心泵把混合浆料通过软管输送喷播到已喷客土表层,形成均匀覆盖层保护下的草种层,喷层厚度8～10 cm,该技术的特点主要有以下几点:

1)复合喷播基材:为纯木纤维和纯草纤维及机械纤维组成,具有硬化快、结构力强、保质期长的特点,能给种子提供优良的生长环境。

2)结构材料:主要为机械纤维,由纯聚酯材料制成,长度6～25 mm,它的作用是增强结构力,增强覆盖纤维物之间和覆盖纤维物与土壤之间的紧密结合力,使覆盖物的抗物理冲击能力数倍增强,并加强复绿产品的可靠性能和抗雨水侵蚀的能力。

3)复合营养基质:也叫启动有机肥料,常使用的肥料“氮、磷、钾”,质量分数为15%-30%-15%或16%-32%-8%。

4)保水材料:采用强力吸水纤维,用量:0.83 kg/100 kg产品。

5)草种选择:植物种子的质量关系到生物绿化工程的成败,必须选择质量好且品质高的种子。根据本地区光照、气候、降水等特点以及现场实际情况,采用多草种组成的混合植物种子。

5.8 马道绿化设计

在坡顶、马道、坡脚进行栽植穴植树绿化,栽植穴挖成后需布设三层式土工布,以有效保护回填改良土壤的养分及防治回填土壤的盐碱化,初步施工栽植穴为每3 m一棵灌木。栽植穴采用人工开挖,断面为长方形(图2)。栽植穴设计尺寸为直径0.6 m,坑深度0.5 m,水平距离(坑距)为3.0 m,栽植穴挖成后需布设三层式土工布,以有效保护回填改良土壤(每100 kg土壤配制50 g保水剂、30 kg有机肥)的养分,及防治回填土壤的盐碱化,栽植穴植树设计使用国槐,规格为1～1.5 m幅冠,土球直径为30～40 cm。

图2 栽植穴示意图

5.9 喷灌系统工程

喷灌水源选择从新建蓄水池引水,由新建截排水系统将截水引至蓄水池,水量不足时也可拉运水至蓄水池用于灌溉用水。喷灌管网的布置形式采用固定式管路布置形式,输水管从蓄水池取水,经井用潜水泵将水加压后进入喷灌管网,喷灌管道采用方格网状布置,主管道设计1条从首部引出直至坡顶,主管采用Φ80 mm的PE管,总体走向由西北向东南;喷灌支管基本垂直干管东西双向沿马道、坡脚共布置3条,支管采用Φ50 mm的PE管;微喷支管由喷灌支管引出,垂直坡面布置。喷灌示意图如图3所示。

图3 喷灌示意图

6 金川尾料堆边坡生态修复治理技术创新点

6.1 开创了全国首次冶炼尾料边坡生态修复治理技术应用

一种采用“放坡—挂网—覆土+绿植”技术路线实施尾料堆边坡生态修复技术,将尾料堆外坡采用客土喷播修复生态方式,用锚杆支护、挂网、格构等手段稳固坡面,覆盖植被生长营养层,播撒草种,最终实现防风抑尘,料堆外观美化的目的。

6.2 明确提出了金川冶炼尾料边坡放坡角度及稳定性

针对金川冶炼尾料特性,通过稳定性过程试验研究,得出了当坡度为36°时,坡体自身的重力分解为下滑力和正压力。其下滑力为重力的55%,正压力为重力的80%。坡体材料为颗粒状的渣料,表面十分粗糙,摩擦系数较大,如果没有外力扰动,其自身即可形成稳定的结构,不会发生滑坡。

6.3 明确尾料堆基础层加固重要性

通过对比实践分析,得出了金川冶炼尾料将坡体表面固化剂TGH喷洒于坡面后,可以使矿渣颗粒凝结在一起,形成一个硬壳,大大降低表面矿渣的流动性。同时,表面固化剂可以在尾料层表面形成1 cm的纤维隔离层,使得尾料中存在的大量碱性物质不能浸入到表面种植层,切实提高绿植的成活率。

6.4 推广实践

金川冶炼尾料边坡生态修复治理技术开创与实践应用,为同类冶炼行业区域及矿山环境恢复治理工作树立典型示范。根据“放坡—挂网—覆土+绿植”技术路线为依托,可更进一步提升各类矿山、尾料、废料等生态修复治理技术质量为参照。

7 金川尾料堆边坡生态修复治理实施效果

目前,通过该技术的实施,已成功治理完成约40 000 m2尾料堆边坡生态修复治理工程,改变了由于冶炼尾料长期堆积造成的环境污染,有效改善了尾料区域的生态环境,提高周边居民生活环境。治理后示意图见图4。

图4 治理后示意图

8 效益

该项目是典型的公益性环保项目,成果实施后,不会为公司带来经济效益,但项目的实施,改变了由于冶炼尾料长期堆积造成的环境污染,有效改善了尾料堆场的生态环境,提高了周边景观效果,同时有效消除了边坡地质灾害隐患,有利于坡脚道路及建筑的正常安全使用。该技术成果解决了公司多年遗留的生态环境保护问题,使公司环境风险得到有效降低和控制,治理技术满足国家环境保护生态修复污染防治技术要求,成果取得了较为显著的社会效益和环境效益。

9 结束语

本项目系统分析研究了尾料的物理特性和稳定性,并根据金川尾料的特性,开创了全国首次冶炼尾料边坡治理技术应用与开创。此次尾料堆边坡治理技术的研究与应用必将促进区内经济和社会经济的发展,为其他区域矿山环境恢复治理工作树立典型示范,同时为创建和谐社会奠定了一定的社会基础。