软弱基底排土场边坡逆排堆高速率及稳定性控制方法研究

针对软弱基底排土场逆排堆高过程的稳定性控制需求,构建了堆高速率与软弱土层强度参数对应关系,提出了一种不同堆高速率条件下排土场边坡稳定性分析方法。针对某排土场案例,开展了软弱基底土样不同固结度快剪试验,结果显示,随着固结度增大,内摩擦角以双曲线型函数逐渐增大,黏聚力基本保持不变。结合硬化土模型,利用有限元法分析了预压堆载下软弱土层平均固结度演化规律,联合直剪试验结果构建了强度参数与堆载厚度、固结时长的定量关系。结果表明,较厚软弱层在堆载和固结时长均相同时具有更低的内摩擦角;当堆载较小、固结时长相同时,软弱层具有更高的内摩擦角;当预压固结时长由50 d提高到100 d时,排土场边坡破坏模式从沿基底滑动变成堆排土体内部滑动,继续延长预压时长不再提升整体稳定性。

排土场不同培肥模式团聚体有机碳的累积效应

[目的]研究不同培肥模式对沙棘林下的植被多样性,土壤团聚体的发育、稳定性及有机碳库恢复的影响,为矿区露天矿植被重建,土壤质量改善及团聚体碳库恢复提供依据。[方法]基于内蒙古黑岱沟露天矿内排土场沙棘示范基地,通过调查植被种群并采集土壤团聚体样品,分析丛枝菌根真菌(AMF)及其他因素(风化煤、绿肥)联合的培肥模式对于露天矿排土场植被恢复区前期土壤团聚体稳定性及有机碳恢复的影响。[结果]在6种培肥模式下,对林下植被丰富度及多样性提高效果最好的是施用绿肥并添加风化煤(沙绿风)处理;对团聚体发育及稳定性影响效果最显著的是接种AMF并施用绿肥(沙接绿)的试验组。对团聚体有机碳及全氮作用效果的分析表明,沙接绿处理下宏观团聚体有机碳和全氮显著高于仅接种AMF(沙接)处理。[结论]不同培肥模式对沙棘林下的植被多样性、土壤团聚体的发育、稳定性及有机碳库恢复具有积极作用。在露天矿植被重建时,应采用接种AMF、施用绿肥及风化煤等方式,提高土壤有机碳含量,促进团聚体发育。

充水作用下露天煤矿内排土场边坡稳定性分析

为分析废弃矿坑改造成蓄水湖时充水高度对内排土场边坡稳定性的影响,采用室内相似试验、数值模拟和理论分析的方法对不同水位高度下内排土场边坡稳定性进行研究。研究结果表明:随着充水高度的增加,浸润线运移速度、边坡最大位移、孔隙水压力和边坡土体受到的压力整体呈增长趋势。充水高度越大,边坡倾角越大,边坡稳定系数越低。研究结论为露天煤矿改造成蓄水湖或蓄能水电站项目工程提供参考。

降雨入渗作用下基底倾角对内排土场边坡变形的影响

为了研究降雨条件下基底倾角对排土场边坡稳定性的影响,根据朔州市某露天煤矿的实际情况,利用FLAC3D软件对排土场边坡进行同等雨强条件下不同基底倾角的数值模拟。结果表明:在降雨初期,排土场边坡表层的饱和度先快速增长并趋于非饱和的稳定值;随着降雨入渗至弱层和基岩交界处时,雨水在重力作用下向坡脚处堆积并导致坡脚处发生剪切破坏;随着基底倾角的增加,各监测点达到饱和或稳定状态出现明显的时间滞后效应,且位移量和应变增量的变化与基底倾角呈正相关关系。

考虑粒径分布的某大型排土场坡角设计

排土场具有成分复杂、粒径分布不均匀、孔隙率大、黏聚力小等特点,极易产生滑坡,为此对大型排土场边坡坡面碎石土粒径分布进行现场调查。研究发现,大粒径碎石从坡顶到坡底的含量逐渐提高,在坡底部含量占80.12%,粒径的分选性显著,决定了排土场力学性质下部强、上部弱的分布特点。在此基础上通过对给定坡高所允许最大坡角进行研究,得出随着坡角增大边坡稳定系数逐渐减小,两者之间近似呈线性关系,最终得到了180 m坡高允许的最大坡角为30°。研究为排土场设计工作提供依据。

露天煤矿排土场长时序植被碳汇分级方法构建及分析

植被碳汇是露天煤矿生态环境评价的重要指标,精确反演植被碳汇并进行准确分级对探索矿区生态修复至关重要。为此,提出一种基于粒子群优化算法的露天煤矿植被碳汇分级方法。基于Landsat遥感影像和气象数据,采用光能利用率模型,反演出内蒙古胜利一号露天煤矿区2005-2020年间排土场的植被碳汇时空分布;通过构建目标函数并迭代计算,获取了该区植被理想光能利用率、最佳气温和降水条件,量化并建立了植被碳汇分级标准;对不同时期各个排土场的植被碳汇结果进行分级,并对分级面积和占比的时空变化进行分析。结果表明:(1)2005-2020年间研究区植被固碳能力呈上升趋势,年均增长值和增长率分别为1.43gC/(m^(2)·a)和6.97%。(2)各排土场生态修复后,植被碳汇值大幅提高,极高和高植被碳汇区面积不断扩大。(3)排土场生态修复效果存在差异,南北排土场表现最佳,沿帮次之,内排土场相对较差。到2020年南、北排土场极高植被碳汇区面积分别达0.94和0.92km2,占比为92%和94%;沿帮排土场极高和高植被碳汇区面积达3.64km2,占比66%;内排土场极高植被碳汇区面积增长至1.22km2,占比达31%;2020年南、北和沿帮排土场已不存在极低植被碳汇区。研究成果不仅为露天煤矿生态环境评估提供了重要的数据支持,也为矿区生态修复策略制定提供了科学依据。

昌江石碌铁矿排土场边坡重金属污染土壤修复植物筛选

以海南省昌江石碌铁矿排土场边坡3种修复植物香根草、皇竹草和猪屎豆为研究对象,分析其种植1年后对土壤重金属的富集转移情况,以期为矿山优势边坡修复植物的选择提供参考。结果表明,种植3种边坡修复植物1年均可使石碌铁矿排土场土壤5种重金属砷(As)、镉(Cd)、铅(Pb)、镍(Ni)、铬(Cr)质量分数降低,污染指数呈下降趋势。种植香根草可使As的污染程度从重度污染降为轻度污染,种植皇竹草可使Pb的污染程度从轻度污染降低为无污染。3种植物均对Cd具有较好的富集作用,尤其是香根草,富集系数达到4.19,表明其对Cd的富集作用最好;其次为皇竹草,富集系数为2.59;猪屎豆对Cd的富集作用相对最低,富集系数为1.52;Cd在香根草和皇竹草体内主要囤积于根部,但在猪屎豆中则主要转移至地上部分。3种植物对除Cd以外的4种重金属的富集系数均小于1,属于规避型植物,可作为矿区植被恢复的先锋植物。

地震动力响应下某矿山排土场边坡稳定性分析

地震引起的边坡动力响应是诱发排土场失稳的主要诱因之一。以某矿山排土场边坡为背景,采用Geostudio软件模拟分析了Ⅷ级地震作用下某排土场边坡质点位移时程曲线、质点应变时程曲线以及安全系数时程变化曲线。研究结果表明:在地震力作用时间段内,该矿山排土场边坡最大质点位移、最大质点应变仅为8 cm与0.002 5,安全系数最小值为1.65,大于规定的许用安全系数1.10,表明该排土场边坡处于稳定状态。

高寒区不同植被恢复年限矿山排土场边坡产流产沙特征

[目的]分析高寒金属矿山不同植被恢复年限排土场边坡坡面产流产沙特征,为排土场人工植被恢复和水土保持工作高效合理地开展提供科学依据。[方法]以青海省果洛藏族自治州德尔尼铜矿恢复期为2~15 a范围内的7个矿山排土场边坡为研究对象,通过模拟降雨试验获取不同恢复年限排土场坡面产流产沙和径流水动力学特征指标,并进一步分析坡面产流产沙特征和径流水动力学特征的影响因素。[结果]研究区排土场坡面产流产沙过程相对复杂,随机性强,不同恢复年限排土场坡面单位面积产流率和产沙率随降雨历时的变化规律存在较大的差异。排土场边坡坡面单位面积累积产流量与恢复年限之间不存在显著性关系;单位面积累积产沙量和侵蚀泥沙平均体积直径随着恢复年限的增大均呈逐渐降低趋势,且侵蚀泥沙平均体积直径与恢复年限呈显著性幂函数关系(p<0.05);随着恢复年限的增大产流时间呈线性函数增大趋势(p<0.05)。各恢复年限排土场边坡径流流态以层流为主,且均属于缓流。随着恢复年限的逐渐增大,坡面径流雷诺数和径流剪切力呈显著性的指数函数降低和线性函数降低趋势(p<0.05);而径流流速和弗劳德数与恢复年限未体现出显著性的函数关系。总体而言,随着恢复年限的增长,排土场坡面径流冲蚀和挟沙能力降低。不同恢复年限排土场边坡坡面单位面积累积产沙量、径流速度和雷诺数与坡度呈显著性高度正相关关系(p<0.05)。[结论]高寒矿区排土场经人工植被恢复后,坡面抗侵蚀能力随恢复年限的增长呈向好趋势;植被未完全返青的情况下,坡度对坡面产流产沙特征和径流水动力学特征的影响程度高于植被覆盖度。

矿区排土场植物多样性及其与土壤理化指标的耦合关系

探究鄂尔多斯满来梁矿区不同修复年限下植物多样性及其与土壤理化指标的耦合关系,揭示植被与土壤在生态修复中的相互作用,为优化植被恢复策略及评估修复效果提供科学依据。以修复年限在2~12 a的植被与土壤理化指标为研究对象,原始地貌为对照,通过调查不同样地内的植被组成与土壤理化性质,利用相关性分析揭示其相互影响与作用方式。结果表明:1)研究区共调查到51种植物,以菊科、禾本科和豆科为主,三者共占植物种类总数的61%;2)植物多样性随时间变化显著,物种数量先减少后增加,Margalef和Shannon-Weiner指数先降后升,Pielou和Simpson指数无明显变化;3)植物多样性指数与土壤理化指标存在中度及以上关联,其中pH和全磷与物种多样性关联较密切;4)修复初期,植物多样性与土壤理化指标的协调度提高,随修复年限增加,协调度先升高再降低,修复6 a时协调度最高。修复措施对植物多样性及其土壤理化指标的平衡发展有积极作用,需不断优化修复措施,使之达到最佳协调水平。

露天矿排土场接种AMF对3种植物根系发育与土壤团聚体稳定性的影响

[目的]探究丛枝菌根真菌(AMF)对植物根系和土壤团聚体稳定性的影响规律,为露天矿排土场生态修复提供理论基础。[方法]对复垦3年的紫穗槐、沙棘、柠条3种植物的对照和接菌样地的土壤理化性质、土壤酶活性、植物根系形态、土壤团聚体稳定性等指标进行采样和测定,并进行相关性分析。[结果]3种植物接菌处理能够显著提高植物根系的平均直径,接菌样地是对照的1.33~2.24倍;在压实土壤条件下,菌丝可能一定程度上代替植物细根系为植物提供水分和养分,使紫穗槐和沙棘样地接菌降低了根系的总根长。接菌显著提高了土壤酶活性,增加了土壤有机质含量,碱性磷酸酶活性最高提高了335.62%,脲酶活性最高提高了44.73%,易提取球囊霉素含量最高提高了82.56%,土壤有机质含量最高提高了64.74%。接菌通过增加土壤有机质含量,提高土壤酶活性等途径,显著增强了土壤团聚体的稳定性,平均重量直径提高了24.14%~34.29%,团聚体破坏率降低了18.25%~24.35%。[结论]露天矿排土场接种AMF能够显著提高土壤生物活性,提高养分含量,促进植物根系发育,从而提高土壤团聚体的稳定性。

风沙黄土区排土场不同植被类型下土壤生态化学计量特征

[目的]准确评价风沙黄土区露天矿区排土场不同植被类型下土壤改良效益,并揭示其植被恢复的养分限制性,进而为该区生态重建与环境改善构建高效的植被恢复模式提供理论依据。[方法]选取鄂尔多斯武家塔排土场乔、灌、草3种植被类型的10种恢复模式的土壤为研究对象,以新排土为对照,开展其土壤有机碳、全氮和全磷与其化学计量特征及关系的研究。[结果]风沙黄土区排土场土壤有机碳、全氮、全磷含量变化分别为0.62~18.60 g/kg, 0.09~0.36 g/kg和0.04~0.21 g/kg,其中乔、灌林地的土壤有机碳、全氮养分含量显著高于新排土(p≤0.05),乔木林地的全磷含量显著低于其他3种样地(p≤0.05);在土层垂直剖面,3种植被类型的土壤养分均表现为表层富集性,灌木林地的土壤全氮含量在不同土层均表现最高,乔木林地土壤有机碳平均含量最高,草地的全磷平均含量最多。土壤C/N在不同植被类型间无显著差异(p>0.05),土壤C/P和N/P受植被类型的影响较大,均表现为乔木林地>灌木林地>草地>新排土;在土层垂直剖面,C/N整体呈现增大的变化趋势,N/P先减小后增大的趋势。土壤有机碳与C/N,C/P,N/P均呈极显著正相关关系(p≤0.01);土壤全氮与C/P,N/P呈极显著正相关关系(p≤0.01),土壤全磷则反之。乔木林地土壤N/P较高,植被生长受磷含量的限制;草地、灌木林地土壤N/P较低,植被生长受氮含量的限制。[结论]在植被恢复初期先种植草灌改善土壤表层养分,并适当施加氮肥,随着土壤肥力的提高再逐步种植乔木,配施磷肥以增强复垦效果。

内蒙古露天煤矿排土场盐碱化土壤脱硫石膏改良研究

鉴于露天煤矿排土场存在土壤盐碱化、瘠薄化等问题,以煤矿区发电厂废弃物脱硫石膏(flue gas desulphurization gypsum,FGD gypsum)为土壤改良剂,以露天煤矿排土场土壤为盐碱化土壤基质,以内蒙古半干旱区本地植物斜茎黄芪(Astragalus adsurgens)为试验对象,设置两组试验——土壤柱淋溶试验和盆栽试验,探讨不同添加量(0、1、2、3、4 kg/m^(2))的脱硫石膏对排土场盐碱化土壤理化性质改良及土壤肥力提升的效果。结果发现:施加脱硫石膏后,两组试验中的土壤pH值均显著降低,表明脱硫石膏可通过中和作用有效降低土壤碱性;脱硫石膏添加量小于2 kg/m^(2)时,两组试验土壤中Na^(+)、HCO_(3)^(-)含量均随脱硫石膏添加量的增加而降低,说明适量施加脱硫石膏可以提高土壤离子交换作用的活跃程度,使大量的Na^(+)、HCO_(3)^(-)析出到土壤表面,从而降低土壤盐度,即脱硫石膏对盐碱化土壤的改良效果显著;脱硫石膏添加量小于2 kg/m^(2)时,两组试验土壤中速效氮(AN)、速效钾(AK)的含量均随脱硫石膏添加量的增加而显著增加,说明适量施加脱硫石膏可显著增加土壤有效营养元素含量,有利于缓解土壤瘠薄化,提升盐碱化土壤的肥力水平;脱硫石膏添加量为2 kg/m^(2)时,盆栽试验中斜茎黄芪的种子发芽率、株高、根长、生物量、根量及碳氮比均达到最大值,幼苗成活率接近最大值,表明脱硫石膏改良露天煤矿排土场盐碱化土壤效果显著,2 kg/m^(2)是脱硫石膏的最适宜添加量。

锡林浩特露天煤矿排土场不同恢复措施植被群落特征分析

有效的排土场植被重建会有利于矿区及周边生态功能的恢复,不同措施植被恢复效果不同。以锡林郭勒盟胜利煤田西二号露天煤矿外排土场为研究对象,于2007年开始进行修复工作,本研究对排土场恢复第13年3种不同恢复措施下的植物群落进行调查。其中,3种不同措施分别为生物笆覆盖措施(简称SW)、沙障覆盖措施(简称SZ)和人工条播措施(简称RT)。不同措施坡面同时分为坡上(PS)、坡中(PZ)、坡下(PX)和平台(PT)4个高度。结果表明:(1)覆盖措施恢复效果明显,物种多样性显著高于RT措施,其中SW措施效果较好。(2)同一措施下各高度中,PT恢复效果最好,坡度对于植物生长存在一定影响。(3)一年生草本植物芸薹(Brassica rapa var.oleifera),多年生草本植物披碱草(Elymus dahuricus),灌木植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、柠条锦鸡儿(C.korshinskii)对于胜利煤田矿区排土场生态环境适应性较好。

露天矿扩界工程露天坑及排土场边坡协同稳定性分析

采用极限平衡法对某露天矿扩界后露天采场和排土场形成的联合边坡进行不同工况条件下的稳定性分析。结果表明:扩界后在排土场与采场之间预留出足够安全距离后,排土场对露天采场边坡的稳定性影响较小;露天采场-排土场联合边坡中采场边坡在自重+地下水、自重+地下水+爆破振动力、自重+地下水+地震力三种工况下均满足安全系数要求,采场边坡处于稳定状态;露天采场-排土场联合边坡中排土场边坡在自重、自重+降雨、自重+地震三种工况下均满足安全系数要求,排土场边坡处于稳定状态。说明该露天矿扩界方案形成的联合边坡具有安全性,可保障矿山的生产安全。

半干旱地区露天矿排土场复垦对土壤物理性质的影响

为研究露天煤矿排土场复垦对土壤物理性质的影响,以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗黑岱沟露天矿排土场平台为研究对象。针对矿区自然地貌(ZR)、未复垦的排土场(WF)与复垦5年排土场(FK)0—60 cm土层土壤物理性质的差异,运用方差分析、主成分分析等方法研究复垦对排土场土壤物理性质的影响。结果表明,未复垦排土场的土壤容重和砾石含量均显著高于复垦排土场和自然地貌,而土壤含水率、饱和含水率和田间持水量均低于复垦排土场和自然地貌,其中田间持水量显著低于复垦排土场和自然地貌。相关性分析和回归方程拟合分析发现,土壤砾石含量影响土壤容重和持水保水性能。复垦使排土场土壤容重及砾石含量呈降低趋势,而土壤含水率、饱和含水率、田间持水量呈升高趋势;随着土层深度的增加,排土场土壤容重、含水率、饱和含水率呈升高趋势,而田间持水量和砾石含量呈降低趋势。复垦排土场40—60 cm、自然地貌40—60 cm、复垦排土场20—40 cm土层土壤的综合评分分别排第1、2、3位,说明排土场复垦能够在一定程度上改良土壤、优化土壤质地,并在复垦5年情况下对土壤的改良深度可达60 cm。以上研究结果对矿区复垦工作具有一定指导意义。

基于位移变形监测和FLAC^(2D)南大沟排土场边坡稳定性分析

露天矿排土场作为矿山废土石的收容所,其稳定性直接关系着矿山生产安全和人员生命财产安全,是矿山安全管理的重点。为了研究南大沟排土场高边坡的稳定性和确保排土场后期安全运营,本文深入分析了该排土场工程地质资料,结合现场调查和堆排现状图,建立了典型边坡剖面的数值计算模型,创新性采用FLAC^(2D)数值分析软件定量评价和位移变形监测相结合的手段对南大沟排土场边坡稳定性进行了综合分析,再现了边坡潜在破坏的演化过程。通过分析稳定性计算结果和位移监测数据可以得到:其边坡破坏模式为顶部平台拉裂,下部以圆弧形剪出;经定性评价、定量计算后,三种工况下的边坡稳定性系数高于规范规定的安全系数,达到了安全等级一级的要求,排土场边坡整体处于稳定状态,证明了现有排土场的安全性和稳定性;通过位移监测数据结果表明排土场一年多内累计变形都维持在预警值范围以内,有较强的自稳能力。数值模拟与变形监测手段相结合的综合分析评价方法准确且合理,为矿山开采和废石堆排提供了安全保障,同时也为排土场稳定性分析提供了技术指导。该综合分析方法为其他矿山排土场边坡稳定性分析提供了借鉴。

降雨条件下某矿山排土场边坡稳定性分析

降雨入渗会引起排土场边坡岩土体强度降低,增加上部岩土体容重,导致边坡稳定性降低。以某露天矿山排土场边坡为例,采用GeoStudio软件模拟分析了不同降雨时长下边坡孔隙水压力特征与安全系数。结果表明:随着降雨时长的增加,孔隙水压力极值不断增大,且孔隙水压力朝向边坡顶部不断增大,安全系数则不断降低。研究结果为该矿山排土场边坡稳定提供参考。

降雨入渗条件下大型排土场边坡稳定性分析

为研究降雨入渗条件下排土场边坡稳定性,以某大型排土场为工程背景,通过室内土-岩散体渗透试验与直剪试验获取岩土堆积体力学参数。借助有限元软件,采用应力-渗流-边坡耦合模拟分析该排土场边坡在最大降雨量为360 mm/d,降雨时长分别为6 h、12 h、18 h与24 h条件下的排土场孔隙水压力与地下水位渗流场分布特征。研究了不同降雨时长下的安全系数时变规律,研究成果可为类似排土场的边坡稳定性评价提供参考。

高寒高海拔地区降雨入渗对排土场边坡稳定性影响研究

为分析高寒高海拔地区降雨条件下渗流作用对露天矿山排土场边坡稳定性影响,本文选取西藏某露天矿山排土场为研究对象,通过室内实验获得岩土体的渗透系数和物理力学参数,采用数值模拟的方式,利用极限平衡计算方法,计算排土场边坡在降雨时长为24 h,降雨量分别为20 mm/d、30 mm/d和40 mm/d条件下排土场的安全系数变化特征,对该矿排土场边坡稳定性进行分析计算。研究结果表明:水是影响排土场稳定的重要因素之一,降雨入渗降低排土场内部软弱结构面的强度,造成排土场边坡不稳定,安全系数随降雨量增大而减小,降雨量达到一定程度之后,岩土体充水接近饱和,边坡易发生破坏。研究成果可为高寒高海拔地区排土场边坡稳定性工程提供参考。