白家莊矸石山生態(tài)恢復(fù)治理方案研究

張文靜，陳友明，張 凱

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

隨著人們環(huán)保觀念和可持續(xù)發(fā)展意識的逐漸加強，對于煤炭開采過程中產(chǎn)生的大量煤矸石堆積造成的影響已經(jīng)逐漸引起社會的關(guān)注，矸石的堆積造成了環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害問題越來越突出，矸石山的恢復(fù)治理工作迫在眉睫。

煤矸石是煤礦開采洗選加工過程中產(chǎn)生的一種含碳率低、利用價值低的黑灰色固體廢棄物[1]。傳統(tǒng)的矸石場排矸大部分采用“由上向下，自然堆積，平整頂部，不斷延伸”的方式，未覆土碾壓，坡面自然安息角較大，成裸露狀態(tài)堆存，尤其是矸石含硫量較高，其殘留的煤炭、柴草等易燃物容易造成矸石場發(fā)生自燃、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害，在燃燒過程中產(chǎn)生大量的CO，H2S,SO2和氮氧化物等有毒有害氣體，對周圍環(huán)境影響較大，并危及周圍居民的生命安全。

另外，大部分矸石場未設(shè)置任何排水設(shè)施，水土流失嚴重，影響下游渠道的排洪安全[2-3]。同時，煤矸石經(jīng)雨水淋溶形成的酸性水，經(jīng)流動、滲透到水體，造成地表水和地下水污染，使原本缺水的區(qū)域更是雪上加霜，嚴重危害當?shù)鼐用竦纳眢w健康。針對煤礦矸石場的生態(tài)恢復(fù)和治理工作已經(jīng)成為各大煤礦環(huán)保工作的重點內(nèi)容，是煤礦企業(yè)在采礦中和采礦后需要重點治理的對象[4]。

本文以山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司白家莊礦矸石山恢復(fù)治理為例，對矸石山的恢復(fù)治理的要點進行詳細的論述。

1 工程概況

本文以山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司白家莊礦尚有兩個存在火區(qū)的矸石山為例，均未進行恢復(fù)治理工作。

矸石山一區(qū)始用于20世紀50年代，已停用多年，堆矸量約30萬t，采取自上而下自然傾倒方式排矸；矸石大部分已燃盡，局部存在自燃隱患，成裸露狀態(tài)堆存，遇風有揚塵，由于停用多年，坡面部分已自然生長有少量雜草等綠色植被，植被覆蓋率不足10%；矸山最高點高程1 140 m，最低點高程1 040 m，高差高達100 m，南側(cè)的邊坡坡度約45°，有水土流失現(xiàn)象，存有滑坡等地質(zhì)隱患。

矸石三區(qū)始用于1985年，為現(xiàn)用排矸場，矸石采取自上而下自然傾倒方式排矸，堆矸量約40萬t；存在自燃現(xiàn)象，根據(jù)實地調(diào)查，火區(qū)總面積10 000 m2，其中低溫預(yù)警區(qū)及中溫異常區(qū)(45 ℃≤t<240 ℃)面積約8 000 m2，高溫異常區(qū)(240 ℃≤t<360 ℃)面積1 500 m2，超高溫異常區(qū)(t≥360 ℃)面積500 m2，深度均約2 m，自燃矸石量約2萬m3，釋放出大量的SO2,CO等有毒有害氣體；坡面矸石呈裸露狀態(tài)，植被覆蓋率不足10%，起風時有揚塵，影響空氣質(zhì)量，坡頂自然長滿雜草；現(xiàn)有矸石堆體最高點高程1 137 m，最低點高程1 093 m，高差44 m，坡度超40°，存在水土流失現(xiàn)象，遇有強降雨等不利天氣，有滑坡等地質(zhì)隱患的發(fā)生。

2 矸石山恢復(fù)治理目標

在調(diào)查矸石山堆積的現(xiàn)狀、地質(zhì)特點及周邊礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，開展矸石場綜合治理工作。治理過程中與周邊生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，避免達到二次災(zāi)害，從而達到改善生態(tài)環(huán)境、消除矸石場污染、恢復(fù)礦山及周邊生態(tài)環(huán)境的目標。

具體目標為：1)要確保山體穩(wěn)定，不發(fā)生塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。2)截排水系統(tǒng)通暢、安全穩(wěn)定，防止水土流失及山體失陷。3)矸石山范圍內(nèi)滅火徹底，無自燃、復(fù)燃等現(xiàn)象。4)礦山恢復(fù)區(qū)內(nèi)無矸石裸露、植被生態(tài)系統(tǒng)完善，三年后達到群落自然演替的生態(tài)目標[5]。

3 矸石山滅火

3.1 矸石山火情探測方法

可用于矸石山隱蔽火源探測的方法有同位素測氡法、溫度(輻射能量)測定法、磁探法、電阻率法、無線電波法、地質(zhì)雷達探測法、遙感法、計算機數(shù)值模擬法和氣體測量法等，這些方法各有其優(yōu)缺點，目前常用于矸石山火源探測的方法主要采用同位素測氡法、紅外測溫法和鉆孔測溫法。

為更準確地探測著火區(qū)域，本工程采用氣體探測法+紅外測溫法+鉆孔測溫法相結(jié)合的綜合探測方法對矸石山的隱蔽火源進行精確勘測與定位。依據(jù)探測結(jié)果圈定出溫度高于40 ℃的區(qū)域，采用鉆孔測溫法測量圈定區(qū)域內(nèi)不同深度位置的溫度，得到矸石山水平方向和垂直方向上的溫度分布情況，繪制矸石山溫度空間分布圖。

3.2 滅火方法選擇

矸石山滅火方法包括挖掘滅火法、溝槽灌漿法、鉆孔注漿法等。項區(qū)的兩座矸石山火區(qū)分已燃盡、局部燃盡、正在自燃三種情況，為合理布設(shè)工作面，防止滅火過程中大量空氣進入坡體，誘發(fā)大面積的矸石自燃，造成新的大氣污染，選取鉆孔注漿法對項目區(qū)的火區(qū)進行滅火。

3.3 注漿滅火材料的選擇

廣泛應(yīng)用的滅火灌漿材料主要有黃泥、石灰、高分子滅火材料、粉煤灰漿、水泥粉煤灰漿及黏土水泥漿[6]等。本著經(jīng)濟、效率、因地制宜的原則，本項目選取水泥粉煤灰漿為滅火材料。

粉煤灰水泥漿液的滅火原理為降溫與隔氧。從隔氧的角度考慮，漿液的濃度越大越好，但隨著漿液濃度增大，黏度也隨之增加，從而影響漿液的滲透范圍，故選取合理的水灰比例是關(guān)鍵。

經(jīng)過反復(fù)試驗，水泥粉煤灰漿液水灰比(質(zhì)量比，下同)為1.2～1.0時，在一般矸石中可注性及滲透性較好，可用于滅火注漿。在自燃區(qū)的邊部采用稠漿(水灰比1.0)，在自燃區(qū)的內(nèi)部采用稀漿(水灰比1.2)。在滅火階段漿液中水泥的質(zhì)量分數(shù)可適當減小，將水泥和粉煤灰的固相比(質(zhì)量比)控制在1∶9左右。

3.4 注漿滅火注漿量

滅火注漿量的大小主要取決于矸石山內(nèi)部溫度。設(shè)矸石密度為2.2×103kg/m3，比熱容為0.9 kJ/(kg·℃)，孔隙率40%，填矸密度為1.32×103kg/m3，根據(jù)熱力學有關(guān)公式，將1 m3矸石從t1溫度降至t2溫度所需的水量為：

其中，m為單位體積矸石冷卻所需水量，kg/m3；ρ為矸石視密度，kg/m3；C為水的比熱容,kJ/(kg·℃)；C1為矸石的比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為矸石原始溫度，℃；t2為矸石最終溫度，℃；r為水的汽化熱，2.25×106J/kg。

在實際工程中，通過火情探測辦法測得火區(qū)矸石內(nèi)的平均溫度，考慮一定的漿液漏失量，可大概計算所需滅火注漿量。

3.5 鉆孔的密度與深度

在實施滅火工程中，矸石山的鉆孔密度取決于漿液的滲透范圍，漿液的滲透范圍用Maag公式進行計算：

其中，r為漿液滲透半徑，cm；h為注漿管出口壓力，MPa；k為矸石滲透率，cm/s；t為注漿時間，s；r0為注漿管半徑，cm；β為漿液的運動黏度，cm2/s；ε為矸石的孔隙率。

一般矸石的孔隙率差別不大，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗矸石孔隙率可按40%左右考慮，滲透系數(shù)也較為接近，一般介于1.0 cm/s～2.0 cm/s。決定滲透范圍的主要因素是注漿壓力和注漿時間。當注漿壓力為0.2 MPa，注漿時間為15 min左右時，在矸石中漿液有效擴散半徑為3.0 m左右。

在矸石山上注漿時，隨著注漿時間推移，漿液的固體成分會不斷充填于矸石之間的孔隙中，使矸石的孔隙率與滲透率逐漸變小，滲透范圍逐漸降低。同時在注漿滅火過程中，漿液中的水分吸熱后蒸發(fā)，漿液的黏度會逐漸增加，實際漿液滲透范圍要小于理論計算值，因此理論值可作為設(shè)計注漿孔間距的上限。

施工時，首先針對著火點進行重點注漿滅火，待所有著火點熄滅后，開始對全部矸石區(qū)進行注漿填充加固。注漿滅火時應(yīng)先滅深部自燃區(qū)再滅淺部自燃區(qū)，確保自燃區(qū)內(nèi)火點全部撲滅。在注漿填充加固時應(yīng)按先深后淺、先周邊后中間的原則進行，防止出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。

3.6 滅火效果分析

注漿完成后，針對注漿區(qū)域內(nèi)進行滅火效果檢查，確保滅火質(zhì)量。矸石山一區(qū)共布設(shè)31個測溫孔、矸石山三區(qū)共布設(shè)53個測溫孔，于2019年9月28日～2019年10月5日進行測溫孔的施工并進行初次測溫，隨后2019年11月5日進行第二次測溫，并在以后每隔30 d測溫一次。

各區(qū)域平均溫度隨時間及深度的變化趨勢圖見圖1，圖2。

對注漿后的測溫數(shù)據(jù)分析可知：

1)矸石山一區(qū)矸石局部自燃，上部矸石受氣候影響較大。

2)通過注漿滅火，矸石山自燃區(qū)域內(nèi)部溫度有顯著降低。

3)隨著矸石層深度的升高，矸石層滅火及封閉效果有變差趨勢。

矸石深部溫度高，注漿時漿液首先從底部注漿孔內(nèi)出漿，遇到高溫矸石后漿液中的水即刻汽化產(chǎn)生帶壓高溫蒸汽，由于深度較大短時間內(nèi)難以消散，注漿管內(nèi)壓力急增，使后續(xù)漿液更多的從上部出漿孔中出漿。由于大量漿液從淺部注漿孔中出漿，漿液中的水汽化后可通過淺層矸石裂隙消散，漿液中水粉煤灰、水泥快速凝結(jié)在淺層矸石表面起到充填空隙作用。因此上部矸石層滅火及封閉效果明顯，深部效果略差；其次深部熱量散發(fā)途徑較長，降溫所需時間也相對較長，也是造成局部地段深部溫度略高的原因。

4 矸石山邊坡治理措施

4.1 邊坡削坡

對矸石山邊坡穩(wěn)定性分析采用美國普渡大學編制的PCSTABLE4軟件，按簡化畢肖普法對邊坡穩(wěn)定性進行檢算。

根據(jù)矸石山體地形，通過邊坡削坡工程，控制堆矸體邊坡坡度，保持邊坡穩(wěn)定，防止發(fā)生局部垮塌。原矸石場坡面的角度約為45°，削坡后的矸石場坡面的角度為27°。根據(jù)矸石場土方量測算，一區(qū)總計挖方量17.4萬m3，填方量約為17.6萬m3；削坡的土方量采取就近原則，將附近的矸石填埋，以達到環(huán)保經(jīng)濟的目的，多余挖方量就近填入附近深坑中，矸石場回填區(qū)用推土機把矸石推平，每堆放1 m厚的矸石進行一次壓實，壓實系統(tǒng)不低于0.9，可有效防止矸石沉陷；為了隔絕空氣，預(yù)防由于矸石內(nèi)部熱量積聚再次引起矸石自燃，在項目施工工程中矸石每堆放2 m厚需覆蓋一層0.5 m厚的黃土；坡面每堆高5 m建造一個馬道，馬道設(shè)置寬度為5 m；排矸場坡面形成1∶2.0的坡度。

經(jīng)計算，矸石邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.28>1.15，滿足邊坡穩(wěn)定要求，能夠有效防止發(fā)生坍塌、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

4.2 攔護工程

防止因暴雨沖刷造成矸石坡面流失，對下游地表水、村莊、農(nóng)田等保護目標造成災(zāi)害影響，需在矸石山所在溝的溝尾外沿設(shè)置攔矸壩，壩體一般采用漿砌石，壩體高度和厚度根據(jù)矸石山的堆存量進行核算。本工程在矸石場西側(cè)區(qū)域溝底設(shè)置重力式漿砌擋矸墻，斷面尺寸為：擋矸墻長35 m，基礎(chǔ)埋深約2.0 m，地面以上墻高6.0 m(平均高度)，頂寬1.2 m，下游坡比為1∶0.25；擋矸墻墻身及基礎(chǔ)采用M10水泥砂漿砌MU30片石；擋矸墻每10 m設(shè)置一道變形縫，縫寬20 mm～30 mm，縫內(nèi)沿墻的內(nèi)、外、頂三邊填塞涂瀝青軟木板，填塞深度不小于200 mm。

4.3 排水工程

排水系統(tǒng)包括周邊截水溝、橫向截水溝、縱向排水溝、排洪涵洞及消力池。

排矸場坡面以上的洪水通過截水溝收集，流入岸邊排洪渠，通過消力池消力后流入下游溝道；排矸場坡面匯水通過馬道截水溝匯入岸邊排洪渠，最終通過消力池消力流入下游溝道。

邊坡施工設(shè)計情況如圖3所示。

5 生態(tài)恢復(fù)

5.1 植被選取原則

樹種選擇要做到“因地制宜、適地適樹”，結(jié)合當?shù)氐耐寥莱煞诌x擇抗逆性強、有較強的適應(yīng)能力，且對空氣狀況、氣候溫度等不同大氣生態(tài)環(huán)境抵抗能力強的樹種。

5.2 覆土工程

土壤是植物生長的介質(zhì)，針對不同的植被需求，對矸石山的馬道、邊坡進行覆土。其中草本植物的土層厚度需達到30 cm，灌木的土層厚度需達到50 cm，喬木的土層厚度需達到100 cm。

矸石山坡面整平至設(shè)計要求后，坡面上覆0.6 m厚的生土層并分層夯實，各級馬道覆1.0 m厚的熟土層，采用機械或人工進行夯實，并用道路及圍堰進行分割。

5.3 植物綠化工程

削坡后的矸石山由馬道、邊坡組成，其中馬道寬5 m，邊坡高5 m，坡率為1∶2.0。馬道及平臺采用喬、灌、草混交的方式進行綠化，喬木可以選擇耐干旱、瘠薄、耐煙塵、抗污染、病蟲害少的當?shù)剜l(xiāng)土樹種油松；灌木選擇易成活、萌芽抽梢能力強的紫穗槐，其受沖刷壓埋入土中后快速爆出新條，為馬道的保護形成一道高效的保護屏障；草類選取根系發(fā)達、水土保持作用較好、自我維持能力較強的草本植物紫花苜蓿、狗尾草等，采取混播的方式提高土壤的營養(yǎng)利用率并有效抵御不良環(huán)境。邊坡采用灌草混交的方式進行綠化，選擇的植被為紫穗槐、紫花苜蓿及狗尾草。在栽植完成做好管護工作后，及時對死亡樹木進行補植，防止復(fù)墾土地的植被退化，形成具有自我恢復(fù)能力的群落，鞏固復(fù)墾成果。

6 結(jié)語

以白家莊矸石山為例，對矸石山生態(tài)恢復(fù)治理過程的技術(shù)難點進行了分析：

1)針對矸石含硫量較高，煤矸石中殘留的煤炭、柴草等易燃物容易造成矸石山自燃的問題，采用注漿的方式對矸石山進行滅火，通過降溫與隔氧雙重作用達到了滅火和防復(fù)燃的目的。

2)針對矸石山邊坡角度過陡，堆存不穩(wěn)定等有可能發(fā)生坍塌、滑坡等自然災(zāi)害問題，采取邊坡削坡、攔護工程、排水工程等工程措施進行整治，安全系數(shù)K=1.28>1.15，滿足邊坡穩(wěn)定要求。

3)對滅火、削坡后的矸石山進行植被恢復(fù)，依照“因地制宜、適地適樹”選取合適的草種、樹種，并按照其種植標準進行栽種，達到復(fù)墾綠化的同時涵養(yǎng)水源，保持水土。