關(guān)于陳舊矸石場的工程技術(shù)治理設(shè)計(jì)

(呂梁市環(huán)境科學(xué)研究所，山西 呂梁 033000)

關(guān)于陳舊矸石場的工程技術(shù)治理設(shè)計(jì)

馬雙提

(呂梁市環(huán)境科學(xué)研究所，山西 呂梁 033000)

根據(jù)大量的矸石工業(yè)分析、成份分析及矸石淋溶液濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，大部分區(qū)域矸石為一般工業(yè)固體廢物I類固廢，本文針對(duì)存在自燃現(xiàn)象的陳舊矸石場進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期為現(xiàn)有矸石場治理提供參考與依據(jù)。

自燃；矸石；工程技術(shù)

1 引 言

由于歷史的原因，現(xiàn)已堆存的矸石一直采取“由上向下，自然堆積，平整頂部，不斷延伸”的排矸工藝，造成部分矸石山大面積自燃。一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體四處彌漫，間隙氣流中有毒有害氣體含量超過國家大氣環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的10倍以上，矸石山頂部裂隙及松散部位，溫度高達(dá)70～80℃。排矸職工穿梭在煙塵和有害氣體中，時(shí)有中毒暈倒、呼吸困難、燒壞鞋褲的現(xiàn)象發(fā)生，甚至有人畜墜落燃燒區(qū)被燒死的事件發(fā)生。同時(shí)周邊生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，附近的莊稼果木枯萎減產(chǎn)，居民叫苦不迭。

從矸石山的情況看，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，排矸費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用較低，排放的矸石未嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的排矸工藝，引起排放矸石的自燃。滅火后的矸石山，一方面，由于缺少維護(hù)費(fèi)用，導(dǎo)致日常維護(hù)工作不到位，另一方面由于沒有恢復(fù)植被，特別是在雨季，洪水造成矸石山表面沖刷，原有的覆蓋層遭到破壞，引起矸石山再次復(fù)燃。

2 分類及措施

根據(jù)大量調(diào)查研究，已堆陳舊矸石場大部分存在自燃現(xiàn)象，根據(jù)已有堆放儲(chǔ)量和是否自燃，可以分為燃燒過的大型(儲(chǔ)量大于50萬噸)矸石山、未自燃的大型矸石山、未自燃的小型矸石山 (儲(chǔ)量小于50萬噸)3種類型。燃燒過的大型矸石山是指矸石山已經(jīng)堆存及自燃完畢，不會(huì)再發(fā)生自然現(xiàn)象的矸石山，治理措施不用考慮矸石山自燃的預(yù)防和治理。未自燃的矸石山是指矸石山堆存完畢，還未發(fā)生自燃，有可能發(fā)生自然現(xiàn)象的矸石山，還需要考慮矸石山自燃的預(yù)防措施。小型矸石山堆放高度均小于10m，所以主要的具體措施為：矸石山自燃預(yù)防措施—灌漿、夯實(shí)；平整工程措施—覆土、夯實(shí)；矸石山生態(tài)恢復(fù)—圍堰、綠化。

3 未自燃過的大型矸石山治理措施

根據(jù)治理難度和治理過程，重點(diǎn)針對(duì)未自燃過的大型矸石山治理措施進(jìn)行分析，其他治理措施可以在該措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減工藝過程。具體治理工程分為6項(xiàng)內(nèi)容及步驟，矸石山工程措施(攔矸壩、排水系統(tǒng))、矸石場自燃預(yù)防措施(灌漿、壓實(shí))、邊坡工程措施(消坡、馬道、覆土、夯實(shí))、矸石山澆灌系統(tǒng)(水池、管道)、矸石山生態(tài)恢復(fù)(頂部平臺(tái)覆土、圍堰、綠化)、管理工程設(shè)施(管護(hù)房)。

3.1 矸石山工程措施—攔矸壩、排水系統(tǒng)

(1)攔矸壩

攔矸壩采用重力式漿砌石攔矸壩擋護(hù)，邊坡為1∶0.5，攔矸壩以上邊坡以1∶1.5～2進(jìn)行消坡防護(hù)。

(2)排水系統(tǒng)

為減少地表徑流對(duì)煤矸石山表土的沖刷，保持矸石山的水土，排水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)包括坡面平臺(tái)、馬道排水和縱坡排水(自上而下的排水溝)；頂平臺(tái)按田面的方式設(shè)圍堰，在頂平臺(tái)、坡面兩側(cè)和坡底設(shè)排水溝，平臺(tái)的排水通過排水溝流到煤矸石山的縱坡排水溝內(nèi)，排到矸石山下，避免了地表徑流在地面的集中和流速的增加，減輕地表的水土流失。

在攔矸壩下游設(shè)雨水收集池，也可起到沉沙池兼消力池的作用，收集到的雨水可通過澆灌系統(tǒng)的管道回用于植被澆灌。

3.2 矸石山自燃預(yù)防措施—灌漿，壓實(shí)

自燃矸石山治理方法主要有灌漿封閉法、表面密封壓實(shí)法、灌水法、直接挖出冷卻法等。

(1)灌漿封閉法

通過降溫與隔氧兩方面的共同作用來達(dá)到滅火的目的。該法首先是憑經(jīng)驗(yàn)或通過診斷找出火區(qū)和自熱區(qū)，然后在其上面布置一系列鉆孔，最后將不燃物(黃土或粉煤灰等)和石灰配成的泥漿灌入火區(qū)和自熱區(qū)，以阻斷空氣進(jìn)路，火區(qū)冷卻后將火區(qū)和自熱區(qū)全部填滿漿料。

注漿法的最大優(yōu)點(diǎn)是可使矸石迅速降溫，漿液可以滲入矸石山深部，起到填充空隙、封堵供氧通道以及加固作用。

(2)表面密封壓實(shí)法

在自燃矸石山表面鋪土壓實(shí)，以隔絕空氣進(jìn)路，使自燃矸石山內(nèi)部空氣耗盡后熄滅。這種方法一般情況下成功率不高，只能降低燃燒強(qiáng)度和污染物排放速度，因?yàn)楸硗林挥性跐駶櫊顟B(tài)才有較好的密封性能，如果不及時(shí)維護(hù)，則表土密封層很難保持完整。這種方法目前主要用于控制矸石山火勢(shì)和污染強(qiáng)度。

(3)灌水法

水是滅火工程中最常用的滅火介質(zhì)，水在高溫下形成水蒸汽吸熱降溫效果顯著，并且水蒸汽能夠阻止空氣接近可燃物。具體作法是在矸石山修池蓄水，通過鉆孔將水灌入地下。這種方法最大的問題是無法控制水在矸石山內(nèi)流動(dòng)的方向，也很難在火區(qū)內(nèi)將水保持一段時(shí)間；另一個(gè)缺點(diǎn)是灌水后矸石山內(nèi)部的空隙增加，反應(yīng)活性增強(qiáng)，矸石山復(fù)燃的可能性增加。

(4)直接挖出冷卻法

這是最原始而又最有效的方法。憑經(jīng)驗(yàn)或通過診斷找出火區(qū)和自熱區(qū)，然后挖出著火矸石和熱矸石，用水冷卻后回填或重新堆積。這種方法簡單而成功率又高，在現(xiàn)場用得最多。但一般而言，這種方法只適用于初燃的或小范圍自燃的矸石山，燃燒強(qiáng)度大的矸石山用這種方法不僅困難，而且還有一定的危險(xiǎn)。

以上各項(xiàng)措施均存在一定的弊端，最終采用黃土覆蓋碾壓法，該方法結(jié)合灌漿法及黃土覆蓋并用措施。該措施主要原理是改變矸石堆積坡度，推散高溫矸石，使其暴露于表面，促使降溫，同時(shí)也有利于覆土與碾壓。矸石山斜坡經(jīng)覆土與碾壓后，火勢(shì)得到了有效的控制，用紅外測(cè)溫儀測(cè)得矸石山表面溫度基本降至50℃以下。黃土覆蓋碾壓法以碾壓覆蓋為主，輔以局部注漿的綜合性滅火方法，在滅火施工過程中遵循挖、截、堵、填、注、灑、覆、壓等原則，該方法是一種行之有效的綜合性自燃矸石山滅火方法，同時(shí)也用于矸石山的自燃預(yù)防處理。

(5)矸石山自燃滅火注漿技術(shù)要求

①注漿鉆孔開孔孔徑φ108mm，終孔孔徑不得小于φ89mm，鉆孔深度3～10m左右，間排距3.0～5.0m。在成孔后，要進(jìn)行孔內(nèi)測(cè)溫，對(duì)溫度有異常的鉆孔適當(dāng)加深。

②注漿管選用Φ42mm鋼管，長度4～10.0m，外露1.0m，鋼管采用絲扣連接，托盤制做要規(guī)范，一般應(yīng)小于封孔段孔徑2—3cm。托盤以下要在注漿管上打花眼，眼徑20mm左右，要保證每個(gè)方向均有花眼，其豎向間距不大于200mm。

③封孔深度2.0m，1.0m～2.0m段采用純水泥或水泥與粉煤灰的混合材料封孔，1.0m以上段采用黃土搗實(shí)封孔。

④滅火漿液材料采用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過篩配制，配比1∶1，水固比0.7∶1～0.8∶1，注漿方式采用壓力注漿或蔽口灌注。

⑤漿液配置應(yīng)按設(shè)計(jì)漿液配合比進(jìn)行，原材料要用容器計(jì)量，進(jìn)行配比控制，攪拌機(jī)一次加水到位后，添加固料，添加固料過程中隨添隨攪，固料添加完畢后攪拌時(shí)間不少于5min。注漿過程中每間隔5min，需攪拌一次，攪拌時(shí)間不少于2min。

⑥注漿順序采用由外向內(nèi)施工的方法，首先施工最外圈，跳孔注漿，最外圈鉆孔注漿結(jié)束后方可施工內(nèi)圈鉆孔。

⑦終孔標(biāo)志：孔口管壓力升至0.5MPa以上，穩(wěn)定15min。

孔口管壓力未升至0.5MPa，但吃漿量小于7L/min，且持續(xù)15min。

(6)矸石山碾壓技術(shù)要求

碾壓程序?yàn)椋盒逼孪褥o壓兩遍，再振壓兩遍，最后再靜壓兩遍；平面為先靜壓一遍，振壓兩遍，再靜壓兩遍。

平臺(tái)碾壓密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)90%，坡面碾壓密實(shí)度達(dá)85%。

3.3 邊坡工程措施—消坡、馬道、覆土、夯實(shí)

(1)消坡、馬道

由于矸石山以前采用的由上到下自然傾倒工藝，使邊坡坡度較陡，無法覆土夯實(shí)。因此，必須進(jìn)行人工消坡。在治理過程中，盡量因地制宜，利用現(xiàn)有地形消坡平整，確保治理后的矸石山邊坡穩(wěn)定。具體措施為：

所有坡面按高寬比1∶1.5～2進(jìn)行整平，然后對(duì)坡面整平中需要回填部分，進(jìn)行分層夯實(shí)，夯實(shí)系數(shù)≥0.85。在邊坡下部用石砌護(hù)墻，中部用馬道把坡面分成階梯式(斜坡坡長20m左右設(shè)一馬道)。矸石山坡底石砌護(hù)墻設(shè)高1.5～2.0m左右，護(hù)墻背后用1m黃土分層夯實(shí)，夯實(shí)實(shí)數(shù)≥0.94。

(2)覆土、夯實(shí)

根據(jù)矸石山試驗(yàn)結(jié)果：30cm的土層厚度可以滿足草本植物的生長；50cm的土層厚度可以滿足灌木的生長；100cm的土層厚度可以滿足喬木的生長。本工程計(jì)劃分兩個(gè)梯度的覆土厚度：邊坡70cm(垂直于地面水平方向)、頂部平臺(tái)100cm。

矸石山坡面整平至設(shè)計(jì)要求后，在坡面上覆0.7m厚土層(厚度為垂直于水平方向)并分層夯實(shí)，在平臺(tái)上覆1m厚黃土，機(jī)械或人工夯實(shí)，并用道路及圍堰進(jìn)行分割。馬道上覆黃土同平臺(tái)。

3.4 矸石山澆灌系統(tǒng)—水池、管道

采用拖式噴灌，綠化用水定額取1.5～2L/m2.次，水池按一次用水量考慮，并建泵房。泵房設(shè)給水加壓泵2～5臺(tái)，主管路管徑為DN100PE管，支線管徑為DN50，拖式噴灌范圍半徑100m，PE管路規(guī)格為DN100，DN50。設(shè)閥門井若干。在矸石山頂建鋼筋砼水池，鋪設(shè)管道，就近接水源，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，矸石山附近煤礦較多，同時(shí)為了節(jié)約水資源，提高水資源的綜合利用及節(jié)省投資，本工程水源盡量利用附近煤礦中水或就近水源取水，設(shè)專用泵，為以后澆灌打好基礎(chǔ)。

3.5 矸石山生態(tài)恢復(fù)—頂部平臺(tái)覆土、圍堰、綠化

(1)頂部平臺(tái)覆土

坡面整平至設(shè)計(jì)要求后，在平臺(tái)上覆1m黃土，分層夯實(shí)，并用道路和圍堰分割。

(2)圍堰

矸石山頂部平臺(tái)按20m×20m圍堰分割。設(shè)計(jì)圍堰高700mm，上底寬500mm，下底寬1000mm，頂部平臺(tái)采用黃土拍實(shí)，坡面采用塊石砌筑并抹面。馬道圍堰設(shè)于馬道外沿，設(shè)計(jì)參數(shù)同頂部平臺(tái)。

(3)綠化

篩選出的適宜當(dāng)?shù)氐貐^(qū)矸石山生長的先鋒植物，最好是當(dāng)?shù)乜屯林脖?，既能治理矸石山，又能降解吸附有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境有凈化功能的環(huán)境改良性植物。以太原地區(qū)選用具有代表性的物種進(jìn)行具體分析。

①植物邊坡設(shè)計(jì)。矸石場在每堆厚5m，形成坡度為1∶1.5～2的臺(tái)階狀坡面。坡面上覆蓋70cm的黃土后栽種灌木紫穗槐、檸條間距為4m×4m。穴狀栽植初期可選擇紫穗槐和檸條，直徑0.4m，深0.4m，坡面上條播紫花苜蓿。

②矸石場頂復(fù)墾。矸石場服務(wù)期滿后，平整矸石場頂部，覆蓋100cm的土壤，適當(dāng)施用農(nóng)家肥，提高土壤肥力。種植油松、刺槐等喬木；丁香、檸條等灌木；草類選擇沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿等；可適當(dāng)選擇扶芳藤等藤本植物增加植被景觀。

③矸石山四周綠化。矸石場封場處理后在四周栽植規(guī)格為胸徑3cm以上的楊樹，栽植林帶寬20m，密度4×4m。楊樹萌蘗能力強(qiáng)，在矸石處置場四周形成防護(hù)林帶，而且楊樹向矸石場內(nèi)擴(kuò)展，最終矸石處置場形成喬、灌、草結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)。

④植物措施管理?，F(xiàn)有矸石由于均已著完，具有含水量低，入滲快、地?zé)彷^高等特點(diǎn)，排矸場綠化后，管理工作的重點(diǎn)是澆水，特別是保苗期和干旱、高溫季節(jié)。為此，采用礦井水進(jìn)行澆灌，切忌大水漫灌，避免浪費(fèi)水又沖走表土的現(xiàn)象，一般春季每周一次，夏季平均3天循環(huán)澆灌一遍，秋季10～30天澆一次，冬季上凍前普遍灌足越冬水。

最后是綜合管理，在灌木栽種后，澆水前檢查有無裂縫，沉陷現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)及時(shí)培土塌實(shí)。注意防治病蟲害，適當(dāng)采取噴藥或施肥等相應(yīng)措施。

3.6 管理工程設(shè)施—管護(hù)房

在矸石山周圍選擇合適的地點(diǎn)建維護(hù)人員值班室1間，建筑面積為30m2，一層構(gòu)筑，采用磚砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)辦公桌椅。

4 矸石山治理效果

對(duì)現(xiàn)有矸石山實(shí)施消坡、壓實(shí)等措施治理后，解決了現(xiàn)有矸石山對(duì)環(huán)境空氣的影響問題；控制了矸石山對(duì)周圍環(huán)境的影響；設(shè)置合理的邊坡，進(jìn)行植物措施綠化，穩(wěn)定了邊坡，改善了生態(tài)環(huán)境。

治理區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由簡單趨向復(fù)雜，植被種群由單一趨向多樣化，生態(tài)系統(tǒng)向著良性循環(huán)方向發(fā)展，同時(shí)水土流失現(xiàn)狀基本得到治理，土壤侵蝕量減少70%，綠化率在30%以上，生態(tài)環(huán)境徹底改善。

[1]礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與污染防治技術(shù)政策(環(huán)發(fā)[2005]109號(hào)).

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦矸石山災(zāi)害防范與治理工作指導(dǎo)意見(安監(jiān)總煤礦字[2005]162號(hào)文.

[3]危險(xiǎn)廢物鑒別技術(shù)規(guī)范-HJ/T 298-2007.

[4]煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB20426-2006).

DesignonEngineeringTechnologyontheOldGangueField

MA Shuangti

(Luliang Research institute of Environmental Science，Shanxi Luliang 033000)

According to a large number of gangue industry analysis，composition analysis and the results of the concentration statistics of gangue leaching solution，most of the waste rock in the area is solid waste type I，and this paper designs the old gangue field with the phenomenon of spontaneous combustion. It provides reference and basis for the existing Waste rock field management.

self-ignition；gangue；engineering technology

馬雙提，自1996年以來一直從事建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)、工業(yè)污染源治理研究、礦山生態(tài)恢復(fù)治理、企事業(yè)單位環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作

文獻(xiàn)格式：馬雙提.關(guān)于陳舊矸石場的工程技術(shù)治理設(shè)計(jì)[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：190-192.

X21

A

1673-288X(2017)06-0190-03