矸石山生態(tài)綜合治理措施探究

李中南

（中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院，江蘇 南京210031）

1 引言

煤炭開采應(yīng)遵循綠色生態(tài)恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)共同發(fā)展的戰(zhàn)略，煤礦矸石山的治理應(yīng)遵循“因地制宜、合理布局、分步實(shí)施”的方針?？紤]到矸石自燃、風(fēng)化和淋溶的潛在特點(diǎn)，采取注漿、放緩坡度、分層碾壓、黃土覆蓋、矸石山排灌水、矸石山坡腳擋護(hù)工程等綜合治理措施，減小矸石山潛在風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)矸石特有的物理、化學(xué)性質(zhì)，對(duì)矸石山覆土進(jìn)行生物修復(fù)并綠化，最終達(dá)到對(duì)煤矸石等固體廢棄物進(jìn)行無害化處置，實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境雙受益的效果。

2 綜合治理措施

2.1 注漿

煤矸石主要是由灰分高、發(fā)熱量低的碳質(zhì)頁巖組成，其中還夾有一些煤、黃鐵礦及回采下來的腐爛木材等可燃物，這些碳質(zhì)可燃物及黃鐵礦結(jié)核的存在構(gòu)成了煤矸石自燃的內(nèi)在因素。高堿性石灰泥漿深部注漿的滅火機(jī)理主要是隔氧和降溫，隔氧與煤矸石內(nèi)部的壓力、孔隙率和煤矸石粒徑有關(guān)，降溫則與泥漿量有關(guān)。用高堿性石灰泥漿深部注漿的工藝流程即將石灰和黏土按1∶2的比例連續(xù)投入制漿機(jī)，以一定流速加入清水，制成約50%的濃泥漿；將其移入泥漿池，制成20%左右的泥漿，然后用泵供給已經(jīng)插入煤矸石燃燒區(qū)內(nèi)的泥漿管，對(duì)自燃矸石堆實(shí)施滅火。其工藝流程見圖1。

圖1 矸石注漿工藝流程

2.2 黃土覆蓋

根據(jù)矸石自燃的機(jī)理，矸石自身硫鐵礦結(jié)核體是引起矸石自燃的決定因素，水和氧是矸石山自燃的必要條件，采用黃土碾壓覆蓋為主，輔以局部注漿，以隔絕空氣進(jìn)路，使自燃矸石內(nèi)部空氣耗盡后熄滅的綜合性滅火的方法。即采用局部灌漿、填實(shí)孔隙、固化碎塊的簡(jiǎn)便易行方法。配以改變矸石坡度、堆散高溫矸石促使降溫，自燃現(xiàn)象能得到有效控制。

2.3 分層碾壓

分層碾壓是將現(xiàn)有的矸石的傾倒方式由“自上向下”改為“自下而上”進(jìn)行分層碾壓。具體為：由下向上沿荒溝從底部分層往上回填矸石，排放過程中標(biāo)高每升高5～10m建造一個(gè)臺(tái)階（分為一層），并用推土機(jī)將矸石推平壓實(shí)，即邊填邊壓，壓實(shí)后噴灑石灰水、并覆蓋黃土（圖2）。

2.4 放緩坡度

3 矸石山邊坡治理

3.1 支擋

支擋（支護(hù)、擋墻等）是邊坡治理的基本措施。對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡巖土體，使用支擋結(jié)構(gòu)（支護(hù)、擋墻等）對(duì)其進(jìn)行支擋，是較為可靠的。支擋主要分為以下幾種。

3.1.1 混凝土攔擋

在排棄渣石較多，壓力較大時(shí)，且要求絕對(duì)安全穩(wěn)定，而漿砌石工程和其它粘土工程不能達(dá)到要求時(shí)，需采用混凝土擋土工程。

3.1.2 漿砌石、干砌石攔擋

在使用混凝土較為困難，備土壓力較小，又能夠滿足安全要求的地段上，可采用漿砌石或干砌石工程。在砌石工程中，需注意修建基礎(chǔ)。如基底為基石可不必修筑基礎(chǔ)，如基底為土石混合物或?yàn)橥寥溃瑒t必須修建基礎(chǔ)?；A(chǔ)埋深應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)貎鐾翆右韵隆Ｆ鍪?guī)格應(yīng)呈梯形，下底寬、上底窄。其寬度與高度依據(jù)擋土墻承載壓力和矸石的壓力而定，一般成正比關(guān)系。漿砌石擋土墻要每隔5m留設(shè)一個(gè)排水孔，以排泄墻體內(nèi)的積水，還要每隔10m留設(shè)一道伸縮縫，以防止熱脹冷縮破壞墻體。

3.1.3 格賓網(wǎng)擋護(hù)

修筑混凝土或漿砌石、干砌石擋土工程時(shí)，需要地基平整并牢固，不能出現(xiàn)下沉和土塊滑動(dòng)現(xiàn)象，才能保證擋土墻安全。否則，需修筑格賓網(wǎng)擋土工程。

格賓網(wǎng)擋土墻的規(guī)格為高0.5～1.0m、寬度1m、長(zhǎng)度1～3m。網(wǎng)內(nèi)填入石料后，將格賓網(wǎng)加蓋用鋼絲系緊。擋土墻較高時(shí)，如超過4～5m，使用規(guī)格高0.5m的比1.0m的更有利。

3.2 邊坡防護(hù)

3.2.1 掛網(wǎng)客土噴播

好在奮力拼搏自強(qiáng)不息的中年人是社會(huì)主流。他們?cè)谇斑叴蚧A(chǔ)，趟路子，積人脈，付學(xué)費(fèi)，中年后開始見成效，收果子，打江山，坐天下。如果按40歲算進(jìn)入中年，這個(gè)歲數(shù)的劉邦剛揭竿而起，劉備才請(qǐng)到軍師諸葛亮，曹雪芹剛開始動(dòng)筆寫《紅樓夢(mèng)》，愛因斯坦剛提出相對(duì)論，毛澤東剛帶領(lǐng)隊(duì)伍來到延安，錢學(xué)森剛從美國學(xué)成歸來，袁隆平的雜交水稻研究剛起步……即便生活困頓，衣食不周，篳路藍(lán)縷，但其精氣神十足，心氣很大。因?yàn)楹筮叺穆愤€長(zhǎng)著呢，他們還要大展宏圖，大有可為，事業(yè)還輝煌得很。今日而言，馬云、馬化騰、劉強(qiáng)東、施一公、饒毅、李彥宏、俞敏洪、馬偉明等風(fēng)云人物，個(gè)個(gè)都是中年精英，雄姿英發(fā)，個(gè)個(gè)都獨(dú)掌一面，名聞天下。

掛網(wǎng)客土噴播技術(shù)的原理是將催芽后的植物種子、水、纖維覆蓋物、粘合劑、保水劑、肥料等按一定的比例攪拌混合后，通過特制噴混系統(tǒng)噴播到掛有鍍鋅鐵絲網(wǎng)（如格柵網(wǎng)等）的裸露坡面上，形成均勻的基質(zhì)覆蓋層。

植被恢復(fù)后，發(fā)達(dá)的根系可通過基材深入到巖體的節(jié)埋和裂隙中，能達(dá)到永久固坡和美化環(huán)境的雙重目的。掛網(wǎng)噴播技術(shù)設(shè)計(jì)示意圖見圖3。

3.2.2 植生袋坡面植被

采用內(nèi)附種子層的土工材料袋，通過在袋內(nèi)裝入植物生長(zhǎng)的土壤材料，在坡面或坡腳以不同方式碼放，起到攔擋防護(hù)、防止土壤侵蝕，同時(shí)恢復(fù)植被的一項(xiàng)工程技術(shù)。該技術(shù)對(duì)坡面質(zhì)地?zé)o限制性要求，尤其適宜于坡度大的坡面，是一種見效快且效果穩(wěn)定的坡面植被恢復(fù)方式。植生袋施工碼放設(shè)計(jì)示意圖見圖4。

圖3 掛網(wǎng)噴播技術(shù)設(shè)計(jì)示意

3.2.3 三維網(wǎng)邊坡植被

三維網(wǎng)邊坡植被恢復(fù)在工程實(shí)踐中，常與覆土播種、客土噴播、液力噴播等技術(shù)結(jié)合使用，能有效起到加固、附著的作用，能夠保證植被恢復(fù)效果的持續(xù)穩(wěn)定。三維網(wǎng)邊坡植被恢復(fù)技術(shù)示意圖見圖5。

4 矸石山排水措施

矸石山山體坡度大，而產(chǎn)生徑流，不易存留降水。矸石質(zhì)地松散，孔隙度大，含水量較少，連續(xù)的降雨天氣可使大量雨水下滲到矸石的孔隙中，加大滑坡體的質(zhì)量，使下滑距離增加，此時(shí)將會(huì)導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生，因此應(yīng)建立排水系統(tǒng)。

4.1 排水系統(tǒng)布設(shè)形式

為防止矸石山表面覆土后受到侵蝕，產(chǎn)生水土流失，防止因雨水沖刷而引起矸石山體滑坡，矸石山還需建立完整的排水系統(tǒng)。矸石山常見的梯田式和螺旋式的排水系統(tǒng)見圖6。

圖4 植生袋施工碼放設(shè)計(jì)示意

圖5 三維網(wǎng)邊坡植被恢復(fù)技術(shù)示意

圖6的排水方式是將上部坡面與本臺(tái)階面的匯水匯入臺(tái)階面上的排水溝，再流向設(shè)在階梯通道處的下山排水通道而匯人山腳排水溝，而螺旋線式排水線路亦呈螺旋線狀，可以看出越向山腳方向，匯水面積越大，排水負(fù)擔(dān)越重，可以在矸石山底部多設(shè)一些下山排水通道。實(shí)現(xiàn)邊坡與矸石場(chǎng)周邊空間立體排水的效果。

4.2 排水工程種類

排水工程按布設(shè)形式分為兩類：明排和暗排。明排主要包括漿砌石水渠工程、干砌石水渠工程、混凝土水渠、鋪設(shè)草皮水渠、編籬水渠、格賓網(wǎng)水渠、土袋水渠等。暗排主要包括管道式排水和涵洞式排水。

圖6 矸石山常見排水系統(tǒng)

4.3 截排水工程

截排水工程既可將雨洪截留在矸石山上，亦可防止水對(duì)土壤的沖刷徑流，有效的防止了滑坡和泥石流。其主要包括：矸石山外圍排水溝、內(nèi)部排水溝、草溝三級(jí)排水系統(tǒng)。流程為：矸石山整理后，在各平臺(tái)內(nèi)側(cè)建立拋物線型草溝，各臺(tái)階草溝與山上到山下內(nèi)部漿砌石排水溝相連，匯水至外圍排水溝，進(jìn)入污水處理廠。根據(jù)水土保持原理，按照現(xiàn)場(chǎng)狀況作業(yè)需要、區(qū)域降水流量等，計(jì)算出最大安全流速，從而確定溝面材料和溝斷面面積、形狀、大小等。

規(guī)格為：一般草溝在平臺(tái)內(nèi)側(cè)，按地形調(diào)整至平順曲線為草溝中心線，挖到設(shè)計(jì)深度、寬度后，將疏松表土覆蓋其上，每隔10～20cm挖一橫向直溝，用分株法種植匍匐性草類，覆土后踏實(shí)。排水溝與上山道路、臺(tái)階相配置。排水溝一般斷面為梯形，挖掘時(shí)按設(shè)計(jì)斷面及坡降整平，水溝兩側(cè)與地面密合，溝緣植草保護(hù)，保持流水順暢。

4.4 生物修復(fù)

矸石主要化學(xué)成分中包括黃鐵礦、黃鐵礦的氧化會(huì)釋放出酸性物質(zhì)，妨礙植物的生長(zhǎng)。同時(shí)矸石山覆土植物營(yíng)養(yǎng)貧乏、鹽分過高，需要對(duì)矸石山進(jìn)行生物修復(fù)，可通過客土法、生物熟化法、施肥法及化學(xué)調(diào)解法等方式對(duì)矸石山覆土進(jìn)行改良。

4.5 整體綠化

整體綠化主要在于選擇適宜的植物種類，亦為礦山矸石山生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。煤矸石山立地條件極端惡劣，所以應(yīng)首先選取耐干旱、耐高溫、耐貧瘠、速生、高產(chǎn)的草本或者灌木種類。此類植物生長(zhǎng)迅速，可有效改善遭破壞的生態(tài)環(huán)境，也可為其他種類的植物遷移、定居創(chuàng)造條件。

在植物栽植過程中，根據(jù)煤矸石山的組成元素，鋪一定的水肥，尤其是微生物肥，有利于植物的快速生長(zhǎng)和改善立地條件。在樹種栽植時(shí)間上，秋整春種有利于蓄水保秧，可以提高造林成活率。在種植方式上，可針對(duì)不同的植物種類，而采取不同的種植方式，如：落葉喬木、灌木采用少量的配土進(jìn)行栽植，對(duì)常綠樹種采用土球移植進(jìn)行栽植，對(duì)草本植物采用蘸泥漿或者拌土播種栽植。

5 結(jié)語

煤礦矸石山采取的治理措施，如放緩坡度、分層碾壓、黃土覆蓋、矸石山排灌水措施、矸石山坡腳擋護(hù)工程和整體綠化等綜合治理措施，可達(dá)到礦山“以害治害，變害為利”的目的，避免矸石山產(chǎn)生的危害、取得改善生態(tài)環(huán)境效益的同時(shí)可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李煥忠，尹有德.撫順榆林沉陷區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)[J].露天采礦技術(shù)，2009（4）：30～31.

[2]蔡慧敏.山西煤礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建工程技術(shù)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（12）：62～63.

[3]王 黎.淺談煤矸石山生態(tài)植被恢復(fù)技術(shù)[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)，2011，34（3）：17～18.

[4]馮國寶.煤礦廢棄地的治理與生態(tài)恢復(fù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009.