關(guān)于煤矸石治理技術(shù)探討
——以貴州凱魚洞河流域煤礦山為例

李仁啟，陸治斌，舒程輝，付宏學(xué)

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇一地質(zhì)大隊，貴州 凱里 556000；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550000；3.中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056001）

魚洞河流域位于貴州省黔東南苗族侗族自治州凱里市北西方向，中心點至凱里城區(qū)直距16km左右。行政區(qū)劃隸屬于大風(fēng)洞鎮(zhèn)南部、爐山鎮(zhèn)東部、萬潮鎮(zhèn)北部、龍場鎮(zhèn)西部和灣水鎮(zhèn)北西小部。

魚洞河主要由泡木河、平路河兩大支流交匯而成，總長53.6km（其中魚洞河3.4km，泡木河25.7km，平路河24.5km），總流量4.23m3/s，流域面積240km2。

全流域內(nèi)共有礦山70 家，其中煤礦35 家，占比50%，礦區(qū)總面積114.3059km2，煤礦山面積68.81km2，占比60.20%，累計開采礦石量3276.955×104t，煤礦2197.4×104t，占比67.06%?，F(xiàn)雖所有的煤礦山已經(jīng)關(guān)閉，但在煤礦山周圍堆積了大量煤矸石，區(qū)內(nèi)共分布煤矸 石68 處186 個 堆 積 點，面 積59395.00m2，體 積112457.50m3。煤矸石經(jīng)風(fēng)化或自燃會釋放大量有毒氣體和粉塵，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，污染大氣和水體，同時對周邊的居民和植被產(chǎn)生較大影響，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的社會問題[1]。

1 煤矸石成因與分布

煤矸石為礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中廢棄煤渣、土石渣混合物，是造成礦山水質(zhì)惡化的影響因素之一。研究區(qū)煤矸石包括巷道掘進、從頂板、底板及夾層里采出的鋁土礦、炭質(zhì)粘土巖、菱鐵礦、煤、砂巖等。其產(chǎn)生的地質(zhì)背景如圖1所示，即：采礦層位為二疊系梁山組（P2l）地層，層厚2～16.65m，其中煤層厚0.4～2.8m，煤層中偶夾石英砂巖，煤層上部巖性為黑色炭質(zhì)頁巖，含結(jié)核狀、粒狀及脈狀黃鐵礦、石英砂巖偶夾煤層透鏡體，下部巖性為灰白、灰黃色中厚層鋁土巖、菱鐵礦層，含粒狀黃鐵礦。調(diào)查研究分析后，區(qū)內(nèi)采集了10組具有代表性樣品進行分析，分析成果見表1，其中CaO 含量0.389%，MgO 含量0.512%，CO2含量1.356%，全鐵（TFe）含量3.760%，可溶鐵（KFe）含量1.579%，F(xiàn)eS2含量1.651%，F(xiàn)e2O3含量3.579%，Mn 含量0.008%，F(xiàn) 含量0.022%，Al2O3含量20.580%，SiO2含量52.860%，F(xiàn)eO含量0.630%，TS 含量2.02%，SO3含量2.830%，其它成分占比8.215%。

圖1 梁山組地層柱狀圖

表1 煤矸石化學(xué)分析成果（單位：%）

研究區(qū)共69 處零星煤矸石堆積區(qū)，186 個零星煤矸石堆積點，分布在凱里市5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為大風(fēng)洞鎮(zhèn)、灣水鎮(zhèn)、爐山鎮(zhèn)、萬潮鎮(zhèn)、龍場鎮(zhèn)，其中大風(fēng)洞鎮(zhèn)分布有15處49個點，灣水鎮(zhèn)分布有15處36個點，爐山鎮(zhèn)分布有10處46個點，萬潮鎮(zhèn)分布有1處3個點，龍場鎮(zhèn)分布有28 處52 個點。煤矸石堆積體多分布于二疊系棲霞茅口組灰?guī)r分布區(qū)，該巖層巖溶極其發(fā)育，富水性強，地下水豐富，少量分布于碎屑巖及第四系粘土層上。

2 煤矸石影響礦山地質(zhì)環(huán)境

2.1 占壓破壞土地植被資源

煤矸石不但占用大量的土地，損毀植被，未經(jīng)處理的煤矸石還會對環(huán)境造成了不同程度的影響[2]。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)煤矸石堆積造成的地形地貌景觀破壞類型主要為土地植被資源的占壓，如表2所示。該類型地質(zhì)環(huán)境問題魚洞河流域內(nèi)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要集中在調(diào)查區(qū)北東部的大風(fēng)洞鎮(zhèn)、灣水鎮(zhèn)、龍場鎮(zhèn)和南西部的爐山鎮(zhèn)，中部的萬潮鎮(zhèn)分布較少。區(qū)內(nèi)煤矸石堆積造成土地利用現(xiàn)狀破壞類型主要為耕地、園地、林地、草地等的占壓。煤矸石合計占壓破壞土地面積59395m2，其中占壓耕地面積17832m2、園地面積141m2、林地面積20023m2、草地面積7963m2、工礦倉儲用地面積12616m2、其他土地面積820m2。具體詳見表3。

表2 各鎮(zhèn)煤矸石引起土地植被資源占壓問題分布一覽表

表3 各鎮(zhèn)煤矸石土地植被資源占壓問題分布一覽表

區(qū)內(nèi)煤矸石對土地植被資源的占壓造成原有耕地、可耕地面積和林地面積、園地面積、草地面積、植被資源等減少，原有生態(tài)環(huán)境體系遭受不可逆的破壞，對區(qū)內(nèi)零星煤矸石進行綜合治理已迫在眉睫。煤矸石對周邊土壤造成嚴(yán)重的重金屬污染，影響著周邊農(nóng)作物的耕種與開采，影響著我國生態(tài)文明建設(shè)的質(zhì)量[3]。

2.2 形成淋濾水

淋濾水是造成地表地下水污染的重要因素之一。淋濾水的水源主要來自于大氣降水或地表水或者是地下水，地下水作為淋濾水水源是因為部分煤礦在開采過程中，煤矸石被用于回填老洞，地下水與煤矸石直接接觸，所以地下水才會成為淋濾水水源。當(dāng)水體進入到煤矸石、礦渣堆積體后，在堆積體內(nèi)主要發(fā)生水解溶解的化學(xué)作用及沖刷攜帶的物理作用，通過一系列的物理和化學(xué)作用后，進入堆積體內(nèi)的水體則攜帶了大量的礦物及高濃度的溶解水解產(chǎn)物而成為了具有污染性質(zhì)的淋濾水。淋濾水直接通過溪溝匯入到河流中，則造成了地表水體的污染。煤矸石淋溶水進入地表水后通過河床滲入地下，通過包氣帶滲入地下等兩種方式對地下水水質(zhì)的影響均相對較小，但煤矸石淋溶水通過巖溶管道等直接進入地下水含水層時，將對地下水水質(zhì)產(chǎn)生較大影響[4]。研究區(qū)大部分淋濾水通過落水洞、裂隙、漏斗及孔隙入滲補給地下水造成地下水體嚴(yán)重污染，受污染的地下水又通過巖溶排泄點進入地表水體，再次污染地表水體。內(nèi)共69處零星煤矸石堆積區(qū)，186個零星煤矸石堆積點，總面積59395m2。按多年平均年降水量1264.7mm，降雨入滲系數(shù)0.2計算，形成煤矸石淋濾水量為42m3/d 以上，而且污染物濃度較高，采取的4 件淋濾水中，pH 為2.18～2.48，平均值2.36，呈強酸性，硫酸鹽為350.00～2500.00mg/L，平均值為1212.50mg/L，錳為0.75～3.40mg/L，平均值為2.28mg/L，渾濁度68.24～320.00，平均值為165.02，均有強烈鐵銹味，為Ⅴ類水。

2.3 煤矸石中泥砂污染地表水

大氣降水及其形成的地表徑流沖刷采場采坑、工業(yè)場地挖損創(chuàng)面和煤矸石等各種堆積物，造成植被破壞，水土流失，大量泥砂被攜帶至魚洞河及其支流，最終匯入魚洞河，然后流入重安江。魚洞河流域河流除了有鐵等沉淀對河床的侵染之外，還有大量的泥砂及懸浮物，這是導(dǎo)致魚洞河變“黃河”的原因之一，由于大量泥砂隨河水懸移，使河水變黃。全流域共有采場采坑、工業(yè)場地116 處，破壞損毀土地植被資源面積316900m2。煤矸石等各種堆積物69 處，占壓土地植被資源面積59395hm2。

魚洞河及其支流含砂量測定結(jié)果表明：河流含砂量13.738～18.6kg/m3，輸砂率0.0393～0.1167t/s。也就是說，由魚洞河帶進重安江的泥砂量每年（251～368）×104t，平均301×104t，煤矸石貢獻約19%。

2.4 煤矸石對礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估

研究區(qū)煤矸石主要分布于魚洞河流域東部及西部，大量煤矸石堆積不僅占壓破壞損毀土地植被資源，而且對含水層造成破壞及污染地表水。煤矸石中主要有害成分為FeS2、SO3、Al2O3等，水解主要有害產(chǎn)物有Fe2+、SO42-、Mn、Al3+、銅、鉛、鋅、鎘、砷、鉻（六價）、汞等，大量煤矸石堆積占壓土地資源同時，有害物質(zhì)水解遷移進入土壤中，使土壤呈酸性、重金屬元素嚴(yán)重超標(biāo)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，植物難以生長。重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在表層和20～30cm深度的地方最高，并隨著深度的增加而減小，在60cm 深度處基本達到穩(wěn)定[2]。區(qū)內(nèi)對含水層破壞最嚴(yán)重的是分布于巖溶洼地及直接覆蓋于灰?guī)r上的煤矸石堆，淋濾水直接灌入巖溶管道中對二疊系茅口組中地下水造成污染，使鐵、錳、硫酸鹽、pH 等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。分布于河流兩岸煤矸石受雨水沖刷直接進入河流中，煤矸石在河水中長期浸泡、水解，增加河流中鐵、錳、硫酸鹽、pH等污染物濃度。研究區(qū)大量的煤矸石占壓破壞損毀土地植被資源，破壞含水層及污染地表水嚴(yán)重影響礦山地質(zhì)環(huán)境。

3 煤矸石治理技術(shù)探討

對研究區(qū)調(diào)查、分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)多數(shù)煤矸石治理并沒有綜合考慮其所處的地質(zhì)條件、地理位置、地形地貌條件、水文地質(zhì)條件及煤矸石有害組分含量等情況。對煤矸石的治理僅僅是簡單填埋、整平、覆土、撒草、種樹等，其往往治理效果較差。如魚洞河流域西部的大貓山煤礦，原煤矸石堆積于巖溶洼地中，在治理時，直接在巖溶洼地中對煤矸石整平、覆土、撒草、種樹，雖地表未見煤矸石，但大氣降水依然流經(jīng)煤矸石，形成淋濾水后沿巖溶管道補給進入地下，對地下水造成污染，治理效果較差，在研究區(qū)東部魚洞河兩岸分布大量煤矸石堆積體，調(diào)查時發(fā)現(xiàn)河水不斷沖刷煤矸石上覆土使煤矸石進入河流，不僅增加河流泥砂量，而且形成的淋濾水直接進入河流，還有河流中煤矸石本身水解形成有害化學(xué)組分使河水鐵、錳、pH、硫酸鹽等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，特別是豐水期洪水會嚴(yán)重破壞治理工程，處斜坡沖溝地帶煤矸石，降雨形成的臨時性地表徑流會破壞覆土，沖刷煤矸石，破壞治理工程，達不到預(yù)期效果，更有甚者，大面積的煤矸石堆積區(qū)受雨水沖刷可能形成泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，如研究區(qū)大風(fēng)洞鎮(zhèn)杉樹林村杉樹林組煤矸石堆積體，現(xiàn)狀可見堆積體前緣滑移跡象和堆積體上電桿倒伏現(xiàn)象，威脅堆積體下方公路、行車、行人及葡萄園的安全，潛在經(jīng)濟損失約3萬元；龍場鎮(zhèn)漁山村泡木組東林煤礦煤矸石堆積體，現(xiàn)狀可見物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)，威脅堆積體下方公路、行車、行人安全，潛在經(jīng)濟損失約1萬元。綜上，研究區(qū)治理技術(shù)應(yīng)如圖2，須采用“集中堆放、簡易防滲、淋濾收集、隔離山水、植被恢復(fù)”的治理方式。即：

圖2 煤矸石治理方式示意圖

（1）集中堆放——魚洞河流域共35家煤礦山，煤矸石堆積點共68處，186個堆積體，點多面廣、漫山遍野、隨處可見，不能亂堆亂放，應(yīng)集中處置。特別應(yīng)將位于巖溶洼地、河流兩岸、斜坡沖溝中的煤矸石集中堆放于裂隙不發(fā)育、滲透系數(shù)小、巖層富水性貧乏的碎屑巖地區(qū)及第四系粘土較厚且離河流較遠的平緩區(qū)域。

（2）簡易防滲——煤矸石在集中處置之前，應(yīng)對處置場所進行選址，在整平煤矸石后，其上覆蓋大于50cm厚粘土并進行壓實，然后在粘土上部鋪設(shè)防滲土工膜進行防滲，以免淋濾水通過裂隙、溶洞等滲入地下，污染地下水。

（3）淋濾收集——堆放煤矸石地段下游區(qū)，修筑擋土墻（擋土墻需設(shè)置泄水孔，排泄淋濾水），防止煤矸石堆積體引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，在擋土墻外周圍修建截水溝將淋濾水引入下游地段修建的淋濾水收納池。收納池的容量，根據(jù)煤矸石堆放面積、降雨量及入滲補給系數(shù)確定。

（4）隔離山水——集中處置的煤矸石四周應(yīng)修筑排水溝以隔離山水，不能讓山水沖刷煤矸石，形成超過收納池容量的淋濾水，再次污染地表水地下水。

（5）植被恢復(fù)——煤矸石堆放、平整后即可按常規(guī)在其表面覆土、植樹、種草，恢復(fù)植被。貴州常見種植植物包括類蘆、刺槐、香根草等。

4 結(jié)語

魚洞河流域煤矸石堆積體點多、面廣，大量煤矸石堆積不僅占壓大面積的土地植被資源，且會對土壤形成重金屬污染，破壞土壤結(jié)構(gòu)，使植物難以生長。區(qū)內(nèi)多數(shù)煤矸石分布于二疊系棲霞茅口組灰?guī)r分布區(qū)中的巖溶洼地、巖溶裂隙發(fā)育帶及河流兩岸，形成的淋濾水鐵（Fe）、錳（Mn）、硫酸鹽、pH等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，造成淋濾水有強烈鐵銹味，顯黃色或褐紅色，呈強酸性，其補給進入地下后污染地下水，進入河流中污染地表水。通過“集中堆放、簡易防滲、淋濾收集、隔離山水、植被恢復(fù)”的治理技術(shù)能有效減少煤矸石對土壤、地下及地表水的污染，減少對植被的破壞。