煤礦矸石山綜合治理技術(shù)應(yīng)用研究

馬智慧

（晉能控股煤業(yè)集團朔州煤電園區(qū)建設(shè)管理公司，山西 朔州 036000）

煤礦在生產(chǎn)過中會不可避免的產(chǎn)出大約20%的煤矸石。煤矸石是煤炭在發(fā)育過程中，共同沉積的有機化合物與無機化合物的混合體，主要成分為硅、鋁、鈣、鎂、鐵的氧化物，通常作為煤炭的固體廢棄物堆放處理。由于長時間數(shù)量巨大的煤矸石露天堆積，其所含有害物質(zhì)及化學(xué)成分會逐漸危害周邊的生態(tài)環(huán)境，造成一系列的污染[1-3]。而且，煤矸石長期堆積，其中所含的硫化鐵等成分與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷散發(fā)熱量，熱量積聚引發(fā)自燃，排放有毒有害氣體，使周圍環(huán)境遭到破壞，還會影響周邊居民的身體健康[4-5]。除此之外，矸石山降雨淋水，其中的化學(xué)成分還會隨著水分滲透入土壤或淺層地下水，造成水土污染。王莊煤礦矸石山經(jīng)過長期暴露堆積已出現(xiàn)自燃情況，基于此，矸石山治理工作已刻不容緩。

1 礦區(qū)概況

王莊煤礦位于高原地區(qū)中部，井田內(nèi)海拔在+1 000 m 以上，氣候干燥，常年多風(fēng)，年最高氣溫39.4℃，年最低氣溫-25℃，年平均氣溫8℃～9℃。年最大降雨量為602 mm，一般367.7～487.3 mm，年蒸發(fā)量2 080 mm，年最小蒸發(fā)量1 770.6 mm。井田面積73.33 km2，井田內(nèi)煤炭資源豐富，煤質(zhì)較為優(yōu)良，煤炭種類以焦煤、肥煤為主，伴有少量瘦煤。井田范圍內(nèi)多為荒山，土地貧瘠，農(nóng)作物較少，植被分布不均，植物多樣性差。

王莊煤礦矸石山為早年堆積，位于礦井北部，占地約86 畝，堆積區(qū)域長約370 m，寬約140 m，高約60 m，總體呈東高西低、南高北低地勢，現(xiàn)已無法繼續(xù)傾倒矸石。煤矸石長年堆積，已出現(xiàn)多處自燃現(xiàn)象，火勢較大，火情復(fù)雜，矸石山治理難度很大。

2 矸石山綜合治理技術(shù)

2.1 矸石山溫度監(jiān)測

矸石山滅火能否成功取決于能不能做好矸石山復(fù)燃防范，矸石山溫度是矸石山治理方案制定的重要依據(jù)，是治理前的方案設(shè)計，治理過程中的進度規(guī)劃，治理后的鞏固預(yù)防的數(shù)據(jù)支持。

矸石山溫度測量分為外部測量和內(nèi)部測量。外部測量是通過手持紅外熱像儀及熱電偶對矸石山外部溫度進行測量；內(nèi)部測量是采用打孔的方式對矸石山著火區(qū)域進行內(nèi)部測量。測溫布孔見圖1，在矸石山著火區(qū)域間隔1.5 m交錯布置鉆孔，根據(jù)著火點深度確定打鉆深度，矸石山山坡測溫鉆孔設(shè)計需垂直于坡面。

圖1 內(nèi)部溫度測量鉆孔布置

通過上述方法分別對矸石山著火區(qū)域表層溫度以及內(nèi)部溫度進行了實地測量，實測矸石山表層溫度為43℃～54℃，實測矸石山著火點內(nèi)部深度2 m 處溫度為272℃左右、4 m 處溫度為375℃左右、6 m 處溫度為443℃左右。

2.2 矸石山滅火

完成矸石山內(nèi)外溫度測量后，根據(jù)所測結(jié)果將矸石山進行區(qū)域劃分，區(qū)域劃分完成后以矸石山堆積的基準(zhǔn)高度劃分治理方式，即高于基準(zhǔn)高度以上的區(qū)域以挖方的方式治理，低于基準(zhǔn)高度以下的區(qū)域以填方的方式治理。矸石山滅火工程見圖2。

圖2 矸石山滅火工程

（1）填方區(qū)治理。在有明火或高溫的治理區(qū)域挖出溝槽，呈田字形開挖，將漿液灌入溝槽至飽和，對其進行封閉，使著火點隔絕氧氣來達(dá)到滅火的目的；然后采用一定比例的復(fù)合材料進行回填，目的是防止矸石山再次著火。主要選用黃土、生石灰、碎矸石等材料混合而成，回填間距不超過6 m，壓實系數(shù)不能低于90%。

（2）挖方區(qū)治理。根據(jù)溫度測量，確定高溫以及有明火的區(qū)域具體數(shù)據(jù)，將著火區(qū)域和高溫區(qū)域挖開進行滅火，滅火完成后將挖出的煤矸石混合黃土、生石灰等材料攪拌均勻，待挖開滅火區(qū)域的溫度降低至40℃時，將攪拌后的復(fù)合材料回填。

在矸石山滅火工程進行中，同步實施矸石山坡腳封閉和坡面覆蓋，能夠節(jié)省一定的工程量。

2.3 矸石山加固改造

矸石山的山體結(jié)構(gòu)一般比較松散，為防止矸石山在治理完成后出現(xiàn)滑坡跨落導(dǎo)致治理成果遭受破壞，采用一種矸石山加固改造技術(shù)。根據(jù)矸石山山體坡面的長度以及上下高差對其進行分坡段修整，在每個坡段中間打造出一個平臺，平臺向矸石山內(nèi)部細(xì)微傾斜，矸石山分坡段修整于平臺設(shè)置可以減少坡面上覆黃土滑落的可能性，同時降低了矸石山坡面的長度及坡度，避免矸石山因坡度太大出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。平臺的設(shè)置為矸石山坡面的覆土綠化創(chuàng)造了良好條件，便于植被的栽植與灌溉。矸石山加固改造剖面見圖3。

圖3 矸石山加固改造剖面

2.4 矸石山綠化

完成矸石山滅火以及加固改造工程結(jié)束后，矸石山周邊生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作有了基礎(chǔ)。植被恢復(fù)對周邊生態(tài)環(huán)境改善有著重要作用，王莊煤礦為保證矸石山覆土綠化植被與當(dāng)?shù)丨h(huán)境之間相互適應(yīng)，制定一套矸石山綠化方案流程，見圖4。首先要對影響植物生長的地方氣候、地形地貌、土質(zhì)水質(zhì)等因素進行評價分析，有目的地對綠化區(qū)域土壤土質(zhì)進行改良，培育更加適合植被發(fā)育的土壤。植被品種的選擇以因地制宜為方針，目標(biāo)植被以當(dāng)?shù)卮婊盥矢叩闹脖粸橹?，再適當(dāng)引入符合生長環(huán)境的外來品種，以增加植被的多樣性。

圖4 矸石山綠化方案流程

3 矸石山綜合治理效果分析

3.1 樣本采集

本次王莊煤礦矸石山治理為驗證其治理效果，分別對矸石山治理前后進行煤矸石以及土壤樣本采集。在治理前選擇堆積時間相同的煤矸石進行了樣本采集，在不同位置收集煤矸石樣本6 處，每處收集煤矸石樣本1 kg，共收集治理前煤矸石樣本6 kg；在煤矸石樣本收集處，2 m 范圍內(nèi)采集表層5 cm 厚土壤樣本，每處土壤樣本收集1 kg，共收集治理前土壤樣本6 kg。在矸石山治理工程完成后，在各個植被種植區(qū)域采集土壤樣本，每種植被種植區(qū)域內(nèi)在隨機地點分3 次采集土壤樣本1 kg，根據(jù)不同的植被種類，共采集治理后土壤樣本10 個（分別為油松、側(cè)柏、臭椿、刺槐、山杏、檸條、榆樹、紫穗槐、皂角、波斯菊等植被所在區(qū)域的土壤樣本），每個樣本1 kg，共采集治理后土壤樣本10 kg。另外在王莊煤礦非塌陷區(qū)且受矸石山影響范圍內(nèi)，選擇4 處淺層地下水進行樣本采集，水質(zhì)樣本編號為SZ1、SZ2、SZ3、SZ4。

樣本采集完成后進行處理，土壤樣本置于室內(nèi)，讓其自然風(fēng)干，取干燥土壤取出雜物后進行研磨，最后采用100 目篩網(wǎng)進行過濾，過濾后的土壤樣品留做備檢。

3.2 樣本分析

通過HNO3-HF-HC1O4分解法對煤矸石樣本進行分解，通過王水-HF-HC1O4分解法對土壤樣品進行分解，利用原子吸收光譜儀測定分解樣本中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd 元素含量數(shù)值，最后利用汞原子分析儀測出樣本中Hg 元素含量數(shù)值。王莊煤礦矸石山治理前后土壤、矸石、水質(zhì)樣本金屬元素分析詳見表1、表2。

表1 土壤、砰石樣本金屬元素含量

表2 水質(zhì)與矸石淋溶水中重金屬元素含量

根據(jù)表1、表2中數(shù)據(jù)可以看出，王莊煤礦矸石山綜合治理后，植被生產(chǎn)土壤有很大改善，淺層地下水以及矸石滲透水的各項指標(biāo)也有了很大的提高，達(dá)到國家對地下水水質(zhì)等級劃分的三級標(biāo)準(zhǔn)。在矸石山綜合治理后，山體坡面上覆土層，因土質(zhì)改良，種植的植被長勢良好，同時在矸石山地?zé)岬淖饔孟滦纬闪己玫奈⑸镆约拔⑿屯寥览ハx生存環(huán)境，在植物、微型土壤昆蟲以及微生物的作用下，土壤中各種無機元素的釋放速度得到提升，并改善土壤的結(jié)構(gòu)性。因此，在這種良性循環(huán)下，矸石山生態(tài)環(huán)境得到了有效改善，對降低周邊地區(qū)環(huán)境污染有著重要意義。

4 結(jié)語

王莊煤礦通過對矸石山著火區(qū)域進行劃分，采用不同的滅火以及防止復(fù)燃的治理手段達(dá)到了矸石山滅火的目的，通過對山體進行改造并進行覆土綠化達(dá)到了加固山體及生態(tài)恢復(fù)的目的。最終通過對矸石山治理前后進行采樣分析，證明了矸石山及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了有效控制，矸石山綜合治理技術(shù)對我國矸石山治理提供了寶貴經(jīng)驗。