煤矸石山綜合治理技術(shù)模式與實(shí)踐

安永興，梁明武，趙平

(北京東方園林股份有限公司，100012，北京)

煤矸石是煤礦開(kāi)采和選煤過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石［1］。由于缺乏環(huán)境危害認(rèn)識(shí)，我國(guó)對(duì)煤矸石多采取簡(jiǎn)單的露天堆放處理，堆積形成的煤矸石山不但造成環(huán)境污染，且極易發(fā)生自燃，給企業(yè)生產(chǎn)和礦區(qū)居民人身安全造成了極大危害。當(dāng)前，煤矸石山治理已成為環(huán)境治理工作的一個(gè)難題，困擾著礦山企業(yè)。

1 煤矸石山治理概述

煤矸石山治理應(yīng)以構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落為目標(biāo)。區(qū)別于普通礦山廢棄地，煤矸石山治理首先要解決自燃問(wèn)題，才能安全地進(jìn)行植物建植。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，在早期治理過(guò)程中存在過(guò)認(rèn)識(shí)上的不足。采取植樹(shù)造林的方法在煤矸石山直接建植植被，不僅很難達(dá)到良好的初期植被覆蓋效果，即便數(shù)年甚至10 余年后，山林茂密，鳥(niǎo)語(yǔ)花香，存在自燃隱患的矸石山也難免發(fā)生自燃，所有治理成果將毀于自燃，令人心痛。經(jīng)過(guò)許多前輩先期嘗試的挫折，人們逐漸形成了共識(shí):自燃治理是煤矸石山治理的必要條件之一和基礎(chǔ)，必須與植被恢復(fù)統(tǒng)籌兼顧。

1.1 自燃治理

煤矸石山的自燃治理一直以來(lái)都是個(gè)棘手問(wèn)題。通過(guò)不斷實(shí)踐，對(duì)煤矸石山的自燃機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí):煤矸石山自燃必須具備3 個(gè)基本條件，即可燃物、溫度、氧氣供給，三者缺一不可［2］。自燃治理的關(guān)鍵是采取有效措施使煤矸石山隔水?dāng)嘌?，消除“煙囪效?yīng)”［3］，使自燃的3 個(gè)基本條件不能聚集，從而無(wú)法發(fā)生自燃。

目前國(guó)內(nèi)外煤矸石山自燃治理方法主要有清除可燃物法、泡沫法、覆土法、挖除火源法、注水法和注漿法［4-6］，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，但也都存在著缺陷。如覆土法在過(guò)去一段時(shí)期曾被廣泛使用。具體做法是，在煤矸石山表面厚覆黃土進(jìn)行碾壓，形成封堵層抑制自燃，但實(shí)踐證明效果不理想，復(fù)燃率高。原因是簡(jiǎn)單的覆土雖能在短期內(nèi)形成封閉效果，但缺少抗侵蝕措施，隨著降雨侵蝕，水土流失嚴(yán)重，土層開(kāi)裂水氣入滲，進(jìn)而誘發(fā)復(fù)燃。一些學(xué)者提出將多種措施結(jié)合應(yīng)用于自燃治理［6-7］，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。

1.2 植被建設(shè)

煤矸石山植被建設(shè)主要包括土壤恢復(fù)與改良、植物選擇與種植［8］2 方面。20 世紀(jì)90 年代，有國(guó)內(nèi)學(xué)者提出煤矸石山的綠化技術(shù)是依據(jù)林學(xué)原理并基于矸石山本地條件的特殊性加以改進(jìn)和創(chuàng)新［9］，對(duì)煤矸石山植被建設(shè)的特點(diǎn)給出了一個(gè)初步且較為準(zhǔn)確的概括。

以往煤矸石山植被建設(shè)多采用園林綠化模式，以形成喬灌草相結(jié)合的復(fù)層混交林為建設(shè)目標(biāo)。具體做法是厚覆土，以栽植喬木為主，輔以草本、灌木植物，但建植效果不理想。主要原因:一是喬木移栽主根受損，加之煤矸石山體承載力有限，往往造成喬木死亡倒株，加大水土流失程度，增加復(fù)燃危險(xiǎn);二是栽植喬木需要整地，對(duì)矸石山表面的擾動(dòng)大，大量養(yǎng)護(hù)澆水入滲，極易誘發(fā)自燃;三是大量覆土碾壓，不利于形成良好熟土土壤結(jié)構(gòu)，后期養(yǎng)護(hù)工作繁重，一旦人工支撐下的養(yǎng)護(hù)終止，植被急劇退化。

脫離煤矸石山的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點(diǎn)，完全套用傳統(tǒng)造林模式，片面追求綠化景觀，植被建設(shè)效果難以達(dá)到理想群落模式。選擇抗逆性強(qiáng)，適生的灌、草植物進(jìn)行播種，形成穩(wěn)定的鄉(xiāng)土灌木群落，不失為一種務(wù)實(shí)選擇。

2 煤矸石山綜合治理技術(shù)模式

采用全機(jī)械化施工，利用淺層噴射注漿技術(shù)對(duì)煤矸石山進(jìn)行自燃治理，以鄉(xiāng)土灌木群落為植被建設(shè)目標(biāo)，采用客土噴播技術(shù)進(jìn)行土壤改良和植物播種，這種煤矸石山綜合治理技術(shù)模式可實(shí)現(xiàn)植被的快速建植和生態(tài)系統(tǒng)的自我維持。煤矸石山綜合治理技術(shù)模式示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 煤矸石山綜合治理技術(shù)模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of technology model of the comprehensive treatment on piles of coal gangue

2.1 淺層噴射注漿技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理 淺層噴射注漿技術(shù)是將注漿滅火法與覆土防火法理念相結(jié)合，針對(duì)煤矸石山縫隙大且自上而下逐步增多、增大的客觀事實(shí)，采取以防為攻的策略，根據(jù)覆土法的原理直接向煤矸石山全表面噴射泥漿，依靠高速泥漿沖擊滲透和流淌滲漏封堵淺層矸石間隙，固化后阻斷絕大部分空氣流動(dòng)和水分滲漏通道，限制促進(jìn)氧化增溫的水和幫助燃燒的氧在煤矸石山內(nèi)部交流接觸，從而實(shí)現(xiàn)控制燃燒3 要素組合，達(dá)到防火、滅火的目的。淺層噴射注漿控火過(guò)程如圖2 所示(見(jiàn)彩圖頁(yè))。

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn) 淺層噴射注漿技術(shù)是利用移動(dòng)式泥漿攪拌噴射機(jī)和堿性膠體纖維防火泥漿實(shí)現(xiàn)矸石山防火、滅火的技術(shù)。

1)移動(dòng)式泥漿攪拌噴射機(jī)。具備正返轉(zhuǎn)無(wú)級(jí)變速機(jī)械攪拌功能，可以攪拌、噴射固體含量30%～50%的高濃度泥漿，可以實(shí)施架槍遠(yuǎn)程非接觸噴射和軟管延伸近點(diǎn)噴射。移動(dòng)式泥漿攪拌噴射機(jī)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 移動(dòng)式泥漿攪拌噴射機(jī)Fig.3 Hydroseeding machine

2)堿性膠體纖維防火泥漿。在原有注漿滅火惰性材料配方的基礎(chǔ)上，保留了有中和煤矸石山體中酸性物質(zhì)作用的堿性物質(zhì)，額外增加了增稠膠體物質(zhì)和纖維物質(zhì)組分，提高了泥漿脫水后的韌性和抗開(kāi)裂性能，使包裹、封堵效果更持久穩(wěn)定。

移動(dòng)式泥漿攪拌噴射機(jī)良好的攪拌和噴射性能，配以高濃度的堿性膠體纖維防火泥漿，保證了淺層噴射注漿技術(shù)得以實(shí)施，并具有良好的防火、滅火效果。

2.2 客土噴播技術(shù)

2.2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介 客土噴播是將植物種子、黃土和各種土壤改良基材均勻混合，通過(guò)大功率噴播機(jī)械噴射到施工坡面，形成客土覆蓋層。經(jīng)過(guò)改良的土壤層具有較強(qiáng)的抗侵蝕能力、保水能力和較好的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，并牢固覆蓋在坡面上。改良土壤中還含有大量有機(jī)物質(zhì)、養(yǎng)分和微生物，利于土壤熟化，植物快速生長(zhǎng)。

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)客土層穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)良好、水肥充足。改良基材中含有大量木纖維、草炭土和植物膠，使客土層能夠牢固覆蓋在施工坡面上，并具有良好的土壤結(jié)構(gòu)和抗沖刷能力;改良基材中混合的有機(jī)肥料，保證了植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)料的持續(xù)供給;改良基材中添加的保水劑，能夠保證種子的發(fā)芽成活，提高水資源的利用效率，達(dá)到節(jié)約用水和減少后期人工補(bǔ)水的目的;木纖維形成的雀巢骨架結(jié)構(gòu)，使土壤具有良好的持水性和透氣性，利于保水保肥和土壤熟化，形成人工土壤結(jié)構(gòu)。人工土壤結(jié)構(gòu)如圖4 所示(見(jiàn)彩圖頁(yè))。

2)快速形成地表植物覆蓋，優(yōu)化生境?？屯羾姴ゲ捎萌珯C(jī)械化施工，可以快速實(shí)現(xiàn)植被建植，形成地表覆蓋層，有利于保護(hù)地表，優(yōu)化土壤環(huán)境，促進(jìn)土壤熟化，為植被演替創(chuàng)造良好的生境。地表植被可以防止降雨對(duì)土壤的直接擊濺，減緩地表徑流，防止表土流失;植物地上枝葉形成庇蔭，減少地表水分蒸發(fā)，利于保水保墑;植物根系與土壤有機(jī)結(jié)合，起到加筋作用，可以固持土壤，利于坡面穩(wěn)定;植物枯落物、根系分泌物，利于優(yōu)化土壤微生物環(huán)境，促進(jìn)土壤熟化。

3)形成穩(wěn)定、適生的植被群落。依據(jù)恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論［10］，將目標(biāo)植被定位為鄉(xiāng)土灌木群落，選擇抗逆性強(qiáng)、適生的草本和灌木種子播種。建植初期，先鋒草本植物快速生長(zhǎng)，形成先鋒草本群落。隨著演替的進(jìn)行，先鋒草本植物退化，灌木植物逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，最終形成以鄉(xiāng)土灌木植物為主的群落。灌木植物地面生物量相對(duì)較小，可以減輕山體載荷，主根淺、側(cè)根發(fā)達(dá)利于固持表層土壤，有利于山體穩(wěn)定，加之鄉(xiāng)土植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，后期可以形成穩(wěn)定的自我維持群落。

2.3 工藝流程技術(shù)方案設(shè)計(jì)

淺層噴射注漿與客土噴播工藝流程如圖5所示。

圖5 淺層噴射注漿與客土噴播工藝流程示意圖Fig.5 Technological process diagram of shallow jet grouting and external-soil spray seeding

1)防火泥漿層。堿性膠體纖維防火泥漿，根據(jù)煤矸石山不同部位不同燃燒特點(diǎn)采取不同的泥漿配方和噴射工藝，厚度1 ～5 cm。

2)中性客土層。噴播黃土，一方面增強(qiáng)封閉效果，另一方面減弱堿性泥漿對(duì)植物生長(zhǎng)的不良影響，厚度3 ～5 cm。

3)改良客土層。以當(dāng)?shù)赝猎礊榛?，加入木纖維、保水劑、黏合劑等改良基材，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，促進(jìn)土壤熟化，是土壤改良的關(guān)鍵，厚度10 ～15 cm。

4)灌木種子層。以種植客土為基礎(chǔ)，增加有利于植物幼苗生長(zhǎng)的有機(jī)活性物質(zhì)混配而成，厚度2 ～4 cm。

圖2 淺層噴射注漿控火過(guò)程Fig.2 Fire control process by shallow jet grouting

圖4 人工土壤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of artificial soil structure

5)花、草種子層。主要基材為特制木纖維，能在作業(yè)面表面形成一個(gè)網(wǎng)狀纖維覆蓋層，保護(hù)種子萌芽生長(zhǎng)，減緩水分蒸發(fā)，減少侵蝕發(fā)生，厚度3 ～5 mm。

3 成功應(yīng)用案例

2010 年4—8 月，山西某礦務(wù)局煤矸石山綜合治理工程采用了上述煤矸石山綜合治理技術(shù)模式，分山體穩(wěn)定性與水系治理、防火控火治理、土壤改良、植被恢復(fù)4 個(gè)階段。在4 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)了煤矸石山的滅火與全面復(fù)綠，當(dāng)期治理效果良好，次年植被保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)(圖6)，獲得了業(yè)界的一致好評(píng)。

圖6 煤矸石山綜合治理前后效果Fig.6 Effect before and after comprehensive treatment on coal gangue

4 結(jié)語(yǔ)

煤矸石山綜合治理技術(shù)模式將自燃治理與植被恢復(fù)有機(jī)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)治理方法分2 類工程進(jìn)行、技術(shù)措施無(wú)法銜接、治理效果難以保障的缺點(diǎn)。全過(guò)程機(jī)械化施工，采用一套機(jī)械裝備、2 類泥漿配方、多種施工工藝的淺層噴射注漿與客土噴播技術(shù)，提高了矸石山治理的效率和效果。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)模式治理矸石山具有良好的可行性。為進(jìn)一步深入研究，使此項(xiàng)技術(shù)取得量化試驗(yàn)結(jié)果，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所和德國(guó)土地復(fù)墾研究所在山西建立了示范工程試驗(yàn)基地，將開(kāi)展更為廣泛的課題研究，以促進(jìn)矸石山治理技術(shù)成果的推廣應(yīng)用。

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