矸石山综合治理工程应用实践

2015-01-16康宁

中国环保产业 2015年7期

康宁

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西介休 032000）

煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、煤层底，是在煤矿建设和煤炭采掘、洗选加工过程中产生的数量较大的矿山固态排弃物。煤矸石按主要矿物含量分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类、铝质岩类。按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10% 左右，选煤矸石占入选原煤量的12%～18%。本文针对汾西矿业集团河东煤矿煤矸石的特点，以该矿崔家沟矸石山治理工程为例，介绍了一种以工程措施和生物措施相结合的方法治理矸石山的新技术模式

1 工程概况

河东煤矿核定生产能力为120万吨/年，年产生矸石量28万吨，其崔家沟矸石山位于崔家沟工业广场南侧园子沟，该沟为荒沟, 沟长250米，高15～20米，断面呈梯形上宽下窄。矸石山存在的隐患主要有矸石自燃，造成空气质量恶化；雨季时洪水冲刷矸石堆，易发生滑坡，对靠近矸石山一侧的交通道路形成威协，同时对沟谷河流形成污染。因此，对河东矿来讲，治理矸石山，是企业可持续发展的必由之路。

河东矿所开采的井田位于霍西煤田的北部，开采2号、3号及9号、10号煤层，通过对矿井产生的矸石进行浸出毒性判定，煤矸石浸出液中各种有害成分含量均低于浸出毒性鉴别标准限值，该废物是无浸出毒性的固体废物，属GB18599-2001规定的第Ⅰ类一般工业固体废物。煤矸石工业成分分析、矸石浸出毒性试验见表1、表2。

表1 煤矸石工业成分分析汇总表

表2 矸石浸出毒性试验结果（mg/L，除pH外）

2 工程措施设计原则和规划方案

2.1 设计原则

矸石山山体安全稳定，植物群落向森林方向演替，兼顾生态环境的同时注重景观效果，采用工程措施和生物措施相结合的方法。

2.2 总体规划

结合河东矿矸石山的特点，采用工程措施（土建措施与灭火措施）和植物措施紧密结合的方法，即首先对矸石山进行整治，修理坡面、控制坡度、修筑挡土墙、排水渠，修建道路及马道等，同时对存在自燃的矸石山进行灭火施工。在上述工程措施的基础上，采用植物措施进一步加固矸石山，保证矸石山的永固稳定。矸石山治理纵向剖面图如图1。

图1 矸石山治理纵向剖面图

3 工程方案

工程措施包括土建措施与灭火措施，土建措施主要包括坡体削坡分级、S型上山道路、马道及道路内侧排水沟、坡脚排水沟、马道及上山道路内侧浆砌石挡墙、排矸道两侧浆砌石挡墙及平台绿化工程等。总体坡度控制在30度左右，每段坡面长20米左右。

3.1 道路硬化工程

在矸石山上建立S型上山道路，方便施工及后期管理（如浇水、施肥、修剪、护林防火等）。崔家沟矸石山上山道路宽设计为4米，总长1165米，道路面积4660平方米。该道路外侧高于内侧便于排除道路路面、马道及坡面雨水。

3.2 矸石山坡脚治理

在坡脚采用浆砌石挡墙，增强坡脚的稳定性，防止坡体滑坡。墙体筑成后，以植生袋覆盖，不使其裸露，与上部坡面浑然一体，达到最佳美化效果。边坡坡脚设置高2.3米的浆砌石挡墙。

3.3 矸石山斜坡及马道内侧挡土墙

矸石山由人工堆砌而成，坡度为自然安息角（40°左右），坡度较大。为防止山体滑坡，对坡面进行削坡整理，可减缓坡度，减小滑坡体体积，从而减小下滑力。削坡后角度不大于30°，保证山体稳定，减少水土流失。

斜坡高度较大时，削坡分级留出平台，工程每级坡高8～10米，马道宽4米。在马道及道路内侧修筑1.5米高的浆砌石挡墙。

3.4 排水系统

为了确保坡体稳定，在对坡体进行削坡分级的基础上，还要做好整个坡体的排水系统，加快对径流的排导，减少冲刷、下渗，减轻对坡体的危害。坡体的排水系统包括坡面急流槽、马道及道路排水。排水系统最终与矿井地面的排水系统连接。

（1）马道排水系统

马道在前期可作为施工便道，之后建立排水渠，其余裸露地方铺设植生袋。

矸石山经人工整形后，易发生沉降变形，如采用混凝土或浆砌石构筑排水渠，极易发生断裂。该矸石山治理采用土工膜加土工袋构筑的柔性排水渠（见图2）。

图2 柔性排水渠断面图

复合土工膜抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，产品具有强度高、延伸性能较好、变形模量大、耐酸碱、抗腐蚀、耐老化、防渗性能好等特点，能满足水利工程建设中的防渗、隔离、补强、防裂加固等土木工程需要。由于其选用高分子材料且生产工艺中添加了防老化剂，故可在非常规温度环境中使用。常用于堤坝、排水沟渠的防渗处理，以及废料场的防污处理。

土工袋采用聚苯乙烯合成材料制成，耐酸碱、抗化学腐蚀；抗生物降解和动物破坏；抗温度变化，透水不透土；无毒，难降解；抗紫外线。结构稳定，可有效应对沉降。

（2）急流槽

坡面设立纵向急流槽，采用土工膜加土工袋构筑的柔性急流槽（做法类同马道排水渠）。急流槽与道路及马道排水渠相连。

（3）道路排水

采用道路内侧低于外侧（坡度为2%）的方法，道路外沿修筑挡水墙，不仅省工省料，还可有效解决排水问题。

3.5 灌溉系统

矸石山的绿化对改变矸石山环境、美化环境、净化空气、调节空气湿度等有非常重要的作用。而绿化离不开灌溉，因而该工程采用人工浇水的方式，对植物进行水分补充。

3.6 灭火措施

针对该煤矿矸石山可能出现的复燃现象，采取的措施如下：

（1）挖除法灭火施工技术

采用挖除法挖除矸石山燃烧点火源和燃烧穴。

（2）开沟注浆灭火施工技术

在燃烧部位呈带状分布的区域挖沟，注入固体含量为15%～25%的水、石灰、阻燃剂、黄土等特制的混合防火泥浆，治理燃烧点和燃烧临界点区域，使矸石山的高温、燃烧区迅速降温。开挖分段进行，开挖沟槽后马上进行注浆施工，防止火情蔓延。注浆到浆液不再下渗，完成注浆。测温达标后将灰土、阻燃剂等按一定比例混合回填，表层覆盖黄土，夯实。

（3）挡墙内侧注浆灭火

结合道路、马道和挡土墙基坑施工以及削坡施工措施，采用注浆法治理燃烧点和燃烧临界点区域，使矸石山的高温区域迅速降温。

根据土方施工技术要求开挖坡面，将高温蓄能区的矸石剥离后散放降温，同时根据需要喷射固体含量为15%～25%的石灰泥浆特制的防火浆降温隔氧。

（4）表层喷射隔氧封浆施工技术

采用先进的移动式泥浆搅拌喷射机，利用碱性胶体纤维泥浆对矸石山表面进行全面封堵，减少有害气体，隔绝矸石山水和氧气的流通，消除引发矸石山自燃的外界条件，使矸石山窒息降温，从而达到防火、控火、灭火的目的。

沿着坡面环形作业将不规则的坡面整理成平整光滑的坡面，纵向不能有弧度，为后续施工创造条件。采用移动式泥浆搅拌喷射机，射程可达40～65米，喷浆机加水后，按比例加入配料，同时开动机械搅拌，然后用鸭嘴喷枪将浆液直接喷射坡面，实施坡面喷射封堵，封堵层厚度平均为8厘米，以隔绝空气。

（5）注浆施工

深孔注浆点、线、面选择要探明、选准燃烧或高温核心点，充分考虑渗透深度，确定钻孔尺度和布局，注浆要有阻隔连续性。钻孔采用气动潜孔钻，孔径75毫米，钻孔深度250～600厘米；注浆管采用管径80毫米钢管，管长300～600厘米，前端密布间距50毫米出浆孔，孔径8毫米，梅花状分布。钻孔以6个为一组，组成双对位品字形，或以3个为一组，组成一字形，连续埋管同时注浆以期形成连续的封堵墙。

以自流方式注浆，渗流半径约50厘米，注浆管间距100厘米。灭火材料过筛后加入浆池中，搅拌成均匀的浓度为15%～25%的特制防火浆液，用泥浆泵通过分流器输送到各个注浆管中，依靠支管阀门调节流量防止溢流。

移动式泥浆搅拌喷射机可以搅拌高浓度灭火浆，浆泵出口压力为8公斤，渗流半径约100厘米，注浆管间距200厘米，采用移动式泥浆搅拌喷射机可将高浓度灭火浆液进行喷射。将喷射管与分流器用快速接头连接，逐步加大油门，保持适当的注浆压力和流量，完成一组批次注浆。注浆完成后，待热蒸气逐步消散、汽压减弱后封堵管孔，回填土层压实，防止形成隐性天窗。

3.7 适宜的植物选择

选择的植物种类适宜与否是煤矸石植被恢复成败的关键因素之一，其组成和形成的群落是创造良好生态环境的基础。根据河东煤矿矸石山的特点，实行乔灌草复层混交。适应种植的植物有：油松、侧柏、臭椿、刺槐、山杏、荆条、羊柴、二月兰及高羊毛等。

3.8 植被恢复方案

河东煤矿矸石山表层风化物的颗粒粗，孔隙性较差，由此导致矸石山土壤的持水和供水能力极差，因此矸石山的植被恢复工程必须进行基质改良。工程采用植生袋植被恢复技术，能有效防治水土流失，并有利于保持植物生长所需养分。在矸石山沉降过程中，单个植生袋会随矸石山表面发生自然沉降，具有柔性覆盖功能，进而能使矸石山表面在发生自然沉降或错位的同时仍然覆盖植被，达到稳定护坡的效果。

植生袋植被恢复技术系统是将营养土装入可降解的纤维材料编织袋，封口后按照坡面防护要求层层码放相互压实，形成表层利于阻挡和拦截降水的台阶式坡面，提供植物生长的各项条件。该技术对土壤流失、局部泥石流、边坡塌方等具有很强的防护作用和稳定作用，可以形成永久性、高稳定的自然边坡。

3.9 远程喷射播种植被恢复技术

在矸石山困难立地条件下，采用人为干扰措施，加速基础生态系统向目标生态系统的演替过程，通过基质改良，创造适宜植物生长的土壤母质，以人工诱导的方式逐渐向自然演替的过程。该技术借助液力搅拌喷射机实现基质材料层、植物种子层及覆盖层的输送。基质材料根据植物生长特性选择合适配方，以形成恢复植物生长所需的营养土壤层；植物种的选择模拟植被自然演替规律，即由草灌、乔灌向森林化方向演替；倡导从种子开始的最自然的育林方式，而非人工方式的植树。因为播种苗不仅在山体表层形成了致密的植物群落，主根也特别发达，可进一步加固山体，实现自然演替的目标。

3.10 植被的抚育管理技术

抚育管理是植物栽培工作中非常重要的技术环节。矸石山造林抚育管理的目的是通过对林地、植被的管理与保护，为植物的成活、生长、繁殖、更新，创造良好的环境条件，使之迅速成林。

种植后的管理一般在第一年需要较高强度的管理，如灌溉、追肥、植被的抚育等。以后的管理强度可逐年降低，第三、第四年则应该让其自然生长，以促进其建立稳定的自维持的生态系统。

依据矸石山立地条件、植被恢复与生态重建的目标，矸石山的植被抚育管理主要是要做好土壤管理（灌溉、施肥等）、植被管理（平茬、修枝等）、植被保护（防止病虫害、火灾和防止人畜对植被的破坏）等工作。

3.11 治理工程的监测

矸石山植被恢复是困难立地条件下比较艰巨的工程，因此对其恢复植被的监测比较重要。在植被恢复的初期，由于管理强度较大，植物的生长发育状况要及时反馈和处理。管理强度逐年降低直至停止后，矸石山的植被开始进入自我维持状态，由于管理强度的降低和矸石山立地限制因子的叠加性，重建的植物群落的发展可能出现两种情况：1）逐渐退化，植物的生长量减少，种类减少等，任其发展，最后可能导致整个恢复植被的完全消失；2）植物生长良好，生产力逐步提高，乡土树种不断侵入，甚至替代植被重建阶段的先锋树种。针对以上出现的情况，管理部门应当做好工程完工后的监测工作，一旦发现有植被退化现象，要及时进行维护，直至建立一个稳定的、自我维持的生态系统。