煤礦矸石山綜合治理方案的應(yīng)用與研究

劉志永，藺哲淵

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原 030024）

據(jù)統(tǒng)計(jì)山西省矸石山堆存量占全國(guó)總量的三分之一，大多數(shù)矸石山在堆置過(guò)程中采取的防止自燃措施不夠或沒(méi)有采取措施。矸石場(chǎng)長(zhǎng)期裸露堆放，發(fā)熱速度大于散熱速度，造成熱量積聚，最終導(dǎo)致自燃。在此過(guò)程中矸石山排放出CO、SO2、H2S 和NO2等有害氣體，同時(shí)伴生大量煙塵。降雨后，矸石山雨水下滲，產(chǎn)生大量淋溶液，進(jìn)入地下水，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源及土壤等生態(tài)環(huán)境造成極大的影響[1]。在環(huán)保和安全并重的新形勢(shì)下，對(duì)煤礦矸石山進(jìn)行綜合治理，可以從根本上杜絕矸石堆放后期發(fā)生自燃和淋濾作用對(duì)大氣環(huán)境、地下水資源和土壤的污染。

1 礦井概況

正利煤業(yè)生產(chǎn)能力2 000 kt/a，主要可采煤層為4-1號(hào)煤、4 號(hào)煤、7 號(hào)煤和9 號(hào)煤，均位于石炭系上統(tǒng)太原組，地層傾角為4°～10°。井田位于山西省呂梁山脈蘆芽山南部丘陵區(qū)，屬典型黃土梁峁地貌。地勢(shì)南高北低，最低海拔1 148.2 m（嵐河河谷），最高海拔1 354.2 m（井田西南角），一般標(biāo)高+1 200～+1 300 m。井田中部的嵐河屬黃河流域汾河水系。汾河源于寧武管涔山，由東寨經(jīng)靜樂(lè)向南，在本井田東南注入汾河水庫(kù)。

2 矸石山選址

原矸石山堆置區(qū)位于嵐河南側(cè)溝道，整體為自南向北產(chǎn)生匯水的季節(jié)性溝谷，與嵐河河谷之間有地表分水嶺相隔，最小直線距離約500 m，沿溝谷匯入嵐河，長(zhǎng)度約2.0 km，匯入汾河水庫(kù)水源地一、二級(jí)保護(hù)區(qū)距離分別為12.5 km、4.7 km。

由于原矸石山堆置區(qū)臨近匯水的季節(jié)性溝谷，該匯水流入嵐河，并最終匯入汾河，影響嵐河、汾河水庫(kù)水源地水質(zhì)，造成水資源和土壤的污染，故需要重新選擇矸石山堆置區(qū)。

經(jīng)過(guò)對(duì)礦區(qū)周邊環(huán)境分析，擬選矸石山堆置區(qū)位于正利煤業(yè)工業(yè)場(chǎng)地西南側(cè)2.5 km 處王家溝、陳家渠溝內(nèi)。該場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)約3 942 m，溝寬20～200 m，深10～100 m，總占地約25.6 公頃，容積355 萬(wàn)m3。

正利煤業(yè)排矸量約389.6 kt/a，占地規(guī)模按三年考慮將堆置1 170 kt，封場(chǎng)標(biāo)高為1 246 m；考慮對(duì)現(xiàn)有土地資源充分利用，可服務(wù)年限為12.4年，將堆置4 828 kt，封場(chǎng)標(biāo)高為1 295 m。矸石山局部（1216 平臺(tái)及1256 平臺(tái)）地形見(jiàn)圖1。

圖1 矸石山1216 平臺(tái)及1256 平臺(tái)地形

3 矸石山綜合治理總體方案

3.1 原矸石山堆置方式分析

正利煤業(yè)原矸石山主要采用分層自然堆置的方式，對(duì)矸石進(jìn)行包被覆蓋，并對(duì)其表層進(jìn)行綠化。盡管該種堆置方式是目前煤礦最常采用的方法，但是經(jīng)過(guò)近些年的實(shí)際應(yīng)用，出現(xiàn)一系列問(wèn)題[2]。

（1）由于采用自然堆置的方式，則矸石會(huì)從高處發(fā)生滾落，并且大小粒徑不同的矸石就會(huì)在此過(guò)程當(dāng)中發(fā)生自然分選的現(xiàn)象，其中粒徑較小的矸石會(huì)留在矸石山上層，而粒徑相對(duì)較大的矸石則會(huì)滾落到其下層。這就出現(xiàn)了矸石級(jí)配差現(xiàn)象，從而導(dǎo)致矸石之間空隙發(fā)育豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其孔隙率可達(dá)18%～31%。

（2）松散矸石長(zhǎng)期堆置時(shí)，其包被覆蓋層會(huì)隨矸石滾落、矸石山下沉而出現(xiàn)下滑，使得矸石再次暴露在空氣當(dāng)中，形成煙囪效應(yīng)，此時(shí)矸石山具有再次復(fù)燃的安全隱患。

（3）松散矸石長(zhǎng)期堆置時(shí)，隨著矸石滾落以及矸石山下沉，矸石山每一級(jí)馬道截排水系統(tǒng)和擋墻等剛性構(gòu)筑物將會(huì)出現(xiàn)堵塞甚至被破壞，如遇降水量較大等情況，隨著大量地表水的侵入，松散裸露的矸石山將會(huì)造成水資源和土壤的污染，并且矸石山還具有嚴(yán)重下沉甚至形成泥石流的安全隱患[3]。

3.2 矸石綜合治理總體方案

以往矸石山不合理治理方案導(dǎo)致了自燃、下沉、泥石流等現(xiàn)象，前期自然堆填方法不科學(xué)及后期維護(hù)措施不利，導(dǎo)致投入大量人力、物力、財(cái)力，用于矸石山自燃、污水和泥石流等災(zāi)害治理，因此需要制定出一套科學(xué)合理的矸石山綜合治理方案。

采用表層噴漿和深部土矸攪拌壓密方案，防治矸石山堆放后期產(chǎn)生自燃，在表層覆土綠化，以此還原、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。將被動(dòng)治理方案轉(zhuǎn)變?yōu)轫肥蕉阎眠^(guò)程中的主動(dòng)綜合治理方案，采取綜合措施從源頭上避免影響矸石山治理不利因素的出現(xiàn)，并在后期加強(qiáng)對(duì)矸石山治理的定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)治理問(wèn)題、消除安全隱患，達(dá)到保證煤礦矸石山安全無(wú)隱患、綠色無(wú)污染的目的。

3.3 矸石堆置方案

（1）頭道壩及第一級(jí)平臺(tái)堆置

依據(jù)地形及地界資料，排矸場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)攔矸壩頂標(biāo)高+1 216 m，在壩體后部由里向外分層堆置矸石層、黃土層、土矸攪拌層、噴漿封閉、黃土碾壓以及熟土覆蓋等至+1 216 m 標(biāo)高處。煤矸石進(jìn)行碾壓堆置，壓實(shí)系數(shù)≥0.90，每碾壓堆填厚度4.5 m，覆蓋黃土0.5 m，壓實(shí)系數(shù)≥0.93，以防止矸石山自燃隱患。堆填工程尾聲，按設(shè)計(jì)進(jìn)行土矸攪拌及噴漿封閉，用以生態(tài)恢復(fù)，形成第一級(jí)平臺(tái)。

圖2 矸石山治理后坡面

（2）構(gòu)筑后續(xù)臺(tái)階

從擋墻位置向后退5.0 m，形成第一級(jí)馬道，并以此為第二級(jí)平臺(tái)的坡腳，由溝底向外按設(shè)計(jì)繼續(xù)堆放，第二級(jí)及后續(xù)平臺(tái)堆填高度為5.0 m，馬道寬度為3.0 m，邊坡坡度為1:1.5。依上述方式逐次修筑各級(jí)平臺(tái)，形成階梯狀坡面，邊坡坡體應(yīng)安全穩(wěn)定，并采用柔性護(hù)坡、生態(tài)治理方案，以有效應(yīng)對(duì)不均勻沉降，防止雨水沖刷。矸石山治理后坡面見(jiàn)圖2。

按長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)考慮，場(chǎng)地封場(chǎng)標(biāo)高為+1295 m，最終形成1295 大平臺(tái)，平臺(tái)面積196 200 m2，約合295 畝。全場(chǎng)共計(jì)15 階護(hù)坡，4 個(gè)平臺(tái)（1216 平臺(tái)、1256 平臺(tái)、1280 平臺(tái)、1295 平臺(tái)），13 條馬道。各平臺(tái)沿周邊布置排水溝，通過(guò)每階護(hù)坡、平臺(tái)及初級(jí)壩邊引向壩前消能池，消能池可以減少匯水對(duì)下游溝道的沖刷，長(zhǎng)寬均為10 m，深度為1.5 m；頂部平臺(tái)外側(cè)及每階護(hù)坡腳邊橫向排水溝引向縱向排水溝。

（3）土矸攪拌及噴漿封閉

堆填工程尾聲，在設(shè)計(jì)坡面線垂直向內(nèi)3 m 范圍內(nèi)采用土矸攪拌土矸體積比例3∶7 進(jìn)行堆填，并在形成的矸石坡面采用粉煤灰或黃土、水泥按體積比例為2∶1 進(jìn)行充分混合，再將混合物與水?dāng)嚢柚瞥蓾舛葹?5%～20%的惰性噴漿材料進(jìn)行噴射封閉，現(xiàn)場(chǎng)以粉煤灰漿液不再下滲為準(zhǔn)，達(dá)到充填表層孔隙、阻隔空氣的效果。完成后在馬道及坡面覆蓋0.5 m 厚黃土，輾壓覆蓋，形成對(duì)整個(gè)矸石山的包被，之后在覆土包被上覆蓋0.3 m 厚熟土，用以生態(tài)恢復(fù)[4]。

3.4 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)是由平臺(tái)截水、馬道柔性排水（橫向排水溝）、坡面剛性排水（急流槽）構(gòu)成的立體排水系統(tǒng)。馬道柔性排水溝見(jiàn)圖3。

圖3 馬道柔性排水溝

坡面剛性排水溝見(jiàn)圖4。

圖4 坡面剛性排水溝

3.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

將正利煤業(yè)矸石山治理區(qū)邊界范圍作為本次監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置范圍，主要包括邊坡監(jiān)測(cè)、支擋工程監(jiān)測(cè)、排水工程監(jiān)測(cè)等方面。由于矸石區(qū)地形條件相對(duì)簡(jiǎn)單，通視條件較好。觀測(cè)點(diǎn)上水平位移的觀測(cè)，采用三方向交會(huì)的測(cè)角前方交會(huì)法、測(cè)距導(dǎo)線法、兩方向的測(cè)角測(cè)邊兩測(cè)線交點(diǎn)法以及測(cè)線支距法。由于不穩(wěn)定斜坡區(qū)高差較大，沉降量的觀測(cè)采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法工作量太大，故沉降量觀測(cè)采用電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量的方法確定[5]。

4 工程效果分析

2018年8月份，正利煤業(yè)矸石山綜合治理工程完工后，對(duì)其開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)測(cè)。到2020年1月為止，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示矸石山治理工程平臺(tái)及坡面完好未被破壞，矸石山未發(fā)生自燃現(xiàn)象。矸石山4 個(gè)平臺(tái)豎直方向2018年8月與2020年1月高差對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 治理前后矸石山四個(gè)平臺(tái)豎直方向沉降量對(duì)比情況

5 結(jié)語(yǔ)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示治理前后矸石山四個(gè)平臺(tái)沉降量基本穩(wěn)定在0.2 m 左右，表明該此煤礦矸石山綜合治理工程項(xiàng)目取得良好的技術(shù)效果，有效地解決了矸石山堆置對(duì)土壤、地表水和地下水的污染以及發(fā)生自燃隱患的實(shí)際問(wèn)題。