金川尾料堆場生態(tài)修復(fù)專用治理技術(shù)與應(yīng)用研究

劉少杰,周長華,趙延鋼,強(qiáng)濤,邱廷華

(1.金川集團(tuán)股份有限公司,甘肅 金昌 737100;2.山東春旭化工設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250014)

金川集團(tuán)股份有限公司地處甘肅河西走廊,是國家重要的有色金屬開采冶煉大型企業(yè),礦區(qū)是祁連山生態(tài)區(qū)域鏈的重要組成部分。祁連山自然保護(hù)區(qū)是全國重要的生態(tài)功能區(qū),是甘肅省乃至西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和水源涵養(yǎng)地,生態(tài)區(qū)位十分重要。

金川集團(tuán)股份有限公司冶煉尾料堆場,堆存多種固體冶煉尾料,占地面積廣,堆存量大,目前尚無合理處置方式,為有效治理公司冶煉尾料堆場存在環(huán)境問題,消除尾料堆邊坡地質(zhì)災(zāi)害隱患,改善尾料堆邊坡生態(tài)環(huán)境,提高尾料區(qū)景觀效果,實(shí)現(xiàn)尾料堆生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)與應(yīng)用研究,具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

生態(tài)修復(fù)治理與我們的生活息息相關(guān),由于當(dāng)下環(huán)境可持續(xù)發(fā)展從土地整治向生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)轉(zhuǎn)型,生態(tài)修復(fù)技術(shù)也被廣泛研究并使用。生態(tài)修復(fù)是生態(tài)學(xué)的一個分支,生態(tài)修復(fù)經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐逐漸形成一個完整的體系和概念,涉及的有生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)重建、生態(tài)改建、生態(tài)改良等方法。簡單地說就是對以往遭受環(huán)境破壞的土地系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù),再利用。根據(jù)不同的環(huán)境生態(tài)特點(diǎn),生態(tài)修復(fù)治理的方式也各不相同—礦山修復(fù)、邊坡綠化、土壤改良、固廢覆綠等方式都是較為常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

金川冶煉尾料堆場邊坡生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)在全國實(shí)屬首次,尾料堆是熱熔渣和水淬渣交替排放形成,邊坡經(jīng)過多年存放整體穩(wěn)定性較好,發(fā)生嚴(yán)重滑坡災(zāi)害的可能性較低,邊坡綠化成功率和綠植維持年限是治理實(shí)施最大的風(fēng)險點(diǎn),通過對尾料特性、成分、形成等多個方面進(jìn)行對比分析形成與金川冶煉尾料堆場邊坡治理獨(dú)特的生態(tài)修復(fù)工藝技術(shù),采用“放坡—掛網(wǎng)—覆土+綠植”技術(shù)路線實(shí)施尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)。

1 尾料堆基礎(chǔ)隔離層穩(wěn)定性對比研究

將坡體表面固化劑TGH噴灑于坡面后,可以使礦渣顆粒凝結(jié)在一起,形成一個硬殼,大大降低表面礦渣的流動性。同時,表面固化劑可以在尾料層表面形成1 cm的纖維隔離層,使得尾料中存在的大量堿性物質(zhì)不能浸入到表面種植層,這將大大提高綠植的成活率。

2 尾料堆安息角穩(wěn)定性對比研究

當(dāng)坡度為36°時,坡體自身的重力分解為下滑力和正壓力。其下滑力為重力的55%,正壓力為重力的80%。坡體材料為顆粒狀的渣料,表面十分粗糙,摩擦系數(shù)較大,如果沒有外力擾動,其自身即可形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),不會發(fā)生滑坡。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,使用土工格柵、凝固厚度3.5 cm時,45°～65°坡角范圍時,渣料未松散形成滑坡,甚至可以承受60 kg以上人體外力擾動,而不發(fā)生松散滑坡。即使在每平方厘米面積上,施加212.33 N的壓力,也不會使坡面破碎,形成滑坡。形象地說,即使有人員在上述工藝方法處理后的坡面上行走,也不會在局部形成滑坡,甚至不能形成足跡的痕印。

3 尾料堆邊坡高團(tuán)?？屯粱鞂有阅苎芯?/h2>

冶煉尾料之所以不易植被生長,其主要原因礦渣富含重金屬等有害物質(zhì),缺乏有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì),通過“高團(tuán)?？屯粱鞂印奔夹g(shù),為下一步客土噴播綠化創(chuàng)造認(rèn)為的適宜植物生長的營養(yǎng)土層,合理的添加有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)就可以為植物生長提供充足的營養(yǎng)。在客土中加入團(tuán)粒聚合劑、保水劑、粘合劑、纖維材料、有機(jī)長效復(fù)合肥、腐殖質(zhì)等,用液壓噴播車攪拌均勻,噴灑于其尾料堆表面,厚度10～15 mm。其中,保水劑又稱土壤保墑劑、抗蒸騰劑、貯肥蓄藥劑或微型水庫是一種獨(dú)具三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子聚合物。在土壤中能將雨水或澆灌水迅速吸收并保住,變?yōu)楣虘B(tài)水而不流動不滲失,長久保持局部恒濕、天旱時緩慢釋放供植物利用。它特有的吸水、貯水、保水性能,在改善生態(tài)環(huán)境、防風(fēng)固沙工程中起到?jīng)Q定成敗的作用,廣泛用于土地荒漠化治理、農(nóng)林作物種植、園林綠化等領(lǐng)域。

4 無土纖維綠植生長層

將粘合劑(如聚乙烯醇-戊二醛、聚丙烯酸鉀等)、纖維材料TGM(一般包括木纖維、機(jī)械纖維、有機(jī)增粘劑、有機(jī)肥料、泥炭、微生物發(fā)酵劑等)、團(tuán)粒聚合劑、混合種子等混合且攪拌均勻噴灑于其客土基層表面。其中,粘合劑是由多種高分子聚合物聚合而成的一種水溶性有機(jī)類土壤調(diào)理劑(又名膠粉、保土劑、土壤保墑劑、水土保持劑、土壤團(tuán)粒劑等),屬于人工合成的高分子長鏈聚合物,無色,分解物為水、二氧化碳、氮?dú)?對環(huán)境友好。粘合劑具有較強(qiáng)的沉降和絮凝土壤粒子的特性,可促使土壤形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),構(gòu)成抗沖刷、防滲漏的載體。它主要用于綠化噴播、植樹造林工程,具有減少因地表徑流造成的土壤流失、提高土壤滲透力、保土保肥、緩解和調(diào)節(jié)土壤水分蒸發(fā)等作用。生長層干燥后會在表面形成2～3 cm厚度的植物保護(hù)層,起到保溫、保濕、遮陽等作用。同時,由于保水劑及植物纖維的存在,該層還具有很強(qiáng)的吸水,保水性,可以長期儲存降水獲得的水分以供植物生長所需。

5 金川尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)路線和關(guān)鍵

5.1 基本的技術(shù)路線

放坡及整理坡面→開挖排水溝及截水溝、栽植穴→噴灑凝固劑固定坡面表層渣料→土工格室(錨固;生態(tài)袋堆砌平臺)→TGGM-45無土綠植基材噴播植草→安裝噴灌設(shè)施→坡頂、馬道、坡腳植樹→養(yǎng)護(hù)施工。

5.2 放坡及整理坡面

將原有坡體坡度由42°放緩至36°左右,平均坡比1∶1.15。自上而下施工,分3級安全放坡,每級坡之間留1.5 m寬的馬道,每級坡高約14.8 m。因而須將坡腳向外最多延伸4 m,坡頂向內(nèi)最多收縮1 m。對機(jī)械修整后的坡面局部進(jìn)行人工整平,利用鐵鍬將渣堆表面凸起部分削平、淺坑和淺槽部分進(jìn)行渣堆回填壓實(shí),使坡面基本平整。放坡示意圖如圖1所示。

圖1 放坡示意圖

5.3 開挖排水溝及截水溝

在平整后的邊坡沿坡頂、坡腳設(shè)置截水渠及排水溝,坡面每間距100 m設(shè)置排水溝一條,共計(jì)5條排水溝,同時在坡頂及坡腳各修建一條截水渠連接排水溝。截、排水渠連接處采用八字口設(shè)計(jì),以減小截水的沖刷,排水渠接蓄水池,收集雨水用于日后養(yǎng)護(hù)。

5.4 坡面加固工程

將配置好的固化液用液壓噴播車均勻噴灑至坡面,使表面松散的渣料凝聚為一層粘結(jié)體,增強(qiáng)抗風(fēng)蝕能力固化坡面表層的穩(wěn)定性。然后利用錨桿將15 mm×15 mm三向土工格柵固定于噴灑凝固劑后的坡面,進(jìn)一步增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性,錨桿分主錨桿(Φ18 cm×230 cm)、次錨桿(Φ14 cm×130 cm),按2 m×2 m間隔排列,最后在坡面上鋪設(shè)三層式土工布、形成隔水隔堿隔熱層,為下一步土工格室覆土做準(zhǔn)備。

5.5 土工格室覆土工程

對加固后的坡面鋪設(shè)土工格室,約束土體的側(cè)向移動和沉降,提高其穩(wěn)定性。土工格室護(hù)坡綠化,配植根系發(fā)達(dá)的草種,既可固土護(hù)坡,又可綠化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,完全符合低碳環(huán)保、生態(tài)綠化的要求。

5.6 土工格柵反包生態(tài)袋堆砌平臺

生態(tài)袋護(hù)坡系統(tǒng)是一種由聚丙烯及其他高分子材料復(fù)合制成的材料編織而成,耐腐蝕性強(qiáng),耐微生物分解,抗紫外線,易于植物生長,使用壽命長達(dá)70年的高科技材料制成的護(hù)坡材料。

生態(tài)袋的規(guī)格生態(tài)袋材料質(zhì)量≥120 g/m2,其力學(xué)參數(shù)和等效孔徑指標(biāo)滿足國標(biāo)(GB/T 17639—2008,縱向≥5 kN/m、橫向≥5 kN/m、CBR 頂破強(qiáng)力≥800 N)要求;對植物非常友善,植物根莖能自由穿透袋體快速生長;生態(tài)袋必須是綠色或黑色,且具有抗紫外線性能。

5.7 噴播植草層(上部表層)

采用液壓噴播技術(shù),將催芽后的混合種子裝入混有一定比例的水、纖維覆蓋物、粘合劑、有機(jī)肥料的液壓噴播機(jī)罐內(nèi),利用離心泵把混合漿料通過軟管輸送噴播到已噴客土表層,形成均勻覆蓋層保護(hù)下的草種層,噴層厚度8～10 cm,該技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):

1)復(fù)合噴播基材:為純木纖維和純草纖維及機(jī)械纖維組成,具有硬化快、結(jié)構(gòu)力強(qiáng)、保質(zhì)期長的特點(diǎn),能給種子提供優(yōu)良的生長環(huán)境。

2)結(jié)構(gòu)材料:主要為機(jī)械纖維,由純聚酯材料制成,長度6～25 mm,它的作用是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)力,增強(qiáng)覆蓋纖維物之間和覆蓋纖維物與土壤之間的緊密結(jié)合力,使覆蓋物的抗物理沖擊能力數(shù)倍增強(qiáng),并加強(qiáng)復(fù)綠產(chǎn)品的可靠性能和抗雨水侵蝕的能力。

3)復(fù)合營養(yǎng)基質(zhì):也叫啟動有機(jī)肥料,常使用的肥料“氮、磷、鉀”,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%-30%-15%或16%-32%-8%。

4)保水材料:采用強(qiáng)力吸水纖維,用量:0.83 kg/100 kg產(chǎn)品。

5)草種選擇:植物種子的質(zhì)量關(guān)系到生物綠化工程的成敗,必須選擇質(zhì)量好且品質(zhì)高的種子。根據(jù)本地區(qū)光照、氣候、降水等特點(diǎn)以及現(xiàn)場實(shí)際情況,采用多草種組成的混合植物種子。

5.8 馬道綠化設(shè)計(jì)

在坡頂、馬道、坡腳進(jìn)行栽植穴植樹綠化,栽植穴挖成后需布設(shè)三層式土工布,以有效保護(hù)回填改良土壤的養(yǎng)分及防治回填土壤的鹽堿化,初步施工栽植穴為每3 m一棵灌木。栽植穴采用人工開挖,斷面為長方形(圖2)。栽植穴設(shè)計(jì)尺寸為直徑0.6 m,坑深度0.5 m,水平距離(坑距)為3.0 m,栽植穴挖成后需布設(shè)三層式土工布,以有效保護(hù)回填改良土壤(每100 kg土壤配制50 g保水劑、30 kg有機(jī)肥)的養(yǎng)分,及防治回填土壤的鹽堿化,栽植穴植樹設(shè)計(jì)使用國槐,規(guī)格為1～1.5 m幅冠,土球直徑為30～40 cm。

圖2 栽植穴示意圖

5.9 噴灌系統(tǒng)工程

噴灌水源選擇從新建蓄水池引水,由新建截排水系統(tǒng)將截水引至蓄水池,水量不足時也可拉運(yùn)水至蓄水池用于灌溉用水。噴灌管網(wǎng)的布置形式采用固定式管路布置形式,輸水管從蓄水池取水,經(jīng)井用潛水泵將水加壓后進(jìn)入噴灌管網(wǎng),噴灌管道采用方格網(wǎng)狀布置,主管道設(shè)計(jì)1條從首部引出直至坡頂,主管采用Φ80 mm的PE管,總體走向由西北向東南;噴灌支管基本垂直干管東西雙向沿馬道、坡腳共布置3條,支管采用Φ50 mm的PE管;微噴支管由噴灌支管引出,垂直坡面布置。噴灌示意圖如圖3所示。

圖3 噴灌示意圖

6 金川尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

6.1 開創(chuàng)了全國首次冶煉尾料邊坡生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)應(yīng)用

一種采用“放坡—掛網(wǎng)—覆土+綠植”技術(shù)路線實(shí)施尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù),將尾料堆外坡采用客土噴播修復(fù)生態(tài)方式,用錨桿支護(hù)、掛網(wǎng)、格構(gòu)等手段穩(wěn)固坡面,覆蓋植被生長營養(yǎng)層,播撒草種,最終實(shí)現(xiàn)防風(fēng)抑塵,料堆外觀美化的目的。

6.2 明確提出了金川冶煉尾料邊坡放坡角度及穩(wěn)定性

針對金川冶煉尾料特性,通過穩(wěn)定性過程試驗(yàn)研究,得出了當(dāng)坡度為36°時,坡體自身的重力分解為下滑力和正壓力。其下滑力為重力的55%,正壓力為重力的80%。坡體材料為顆粒狀的渣料,表面十分粗糙,摩擦系數(shù)較大,如果沒有外力擾動,其自身即可形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),不會發(fā)生滑坡。

6.3 明確尾料堆基礎(chǔ)層加固重要性

通過對比實(shí)踐分析,得出了金川冶煉尾料將坡體表面固化劑TGH噴灑于坡面后,可以使礦渣顆粒凝結(jié)在一起,形成一個硬殼,大大降低表面礦渣的流動性。同時,表面固化劑可以在尾料層表面形成1 cm的纖維隔離層,使得尾料中存在的大量堿性物質(zhì)不能浸入到表面種植層,切實(shí)提高綠植的成活率。

6.4 推廣實(shí)踐

金川冶煉尾料邊坡生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)開創(chuàng)與實(shí)踐應(yīng)用,為同類冶煉行業(yè)區(qū)域及礦山環(huán)境恢復(fù)治理工作樹立典型示范。根據(jù)“放坡—掛網(wǎng)—覆土+綠植”技術(shù)路線為依托,可更進(jìn)一步提升各類礦山、尾料、廢料等生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)質(zhì)量為參照。

7 金川尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)治理實(shí)施效果

目前,通過該技術(shù)的實(shí)施,已成功治理完成約40 000 m2尾料堆邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程,改變了由于冶煉尾料長期堆積造成的環(huán)境污染,有效改善了尾料區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,提高周邊居民生活環(huán)境。治理后示意圖見圖4。

圖4 治理后示意圖

8 效益

該項(xiàng)目是典型的公益性環(huán)保項(xiàng)目,成果實(shí)施后,不會為公司帶來經(jīng)濟(jì)效益,但項(xiàng)目的實(shí)施,改變了由于冶煉尾料長期堆積造成的環(huán)境污染,有效改善了尾料堆場的生態(tài)環(huán)境,提高了周邊景觀效果,同時有效消除了邊坡地質(zhì)災(zāi)害隱患,有利于坡腳道路及建筑的正常安全使用。該技術(shù)成果解決了公司多年遺留的生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題,使公司環(huán)境風(fēng)險得到有效降低和控制,治理技術(shù)滿足國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)修復(fù)污染防治技術(shù)要求,成果取得了較為顯著的社會效益和環(huán)境效益。

9 結(jié)束語

本項(xiàng)目系統(tǒng)分析研究了尾料的物理特性和穩(wěn)定性,并根據(jù)金川尾料的特性,開創(chuàng)了全國首次冶煉尾料邊坡治理技術(shù)應(yīng)用與開創(chuàng)。此次尾料堆邊坡治理技術(shù)的研究與應(yīng)用必將促進(jìn)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為其他區(qū)域礦山環(huán)境恢復(fù)治理工作樹立典型示范,同時為創(chuàng)建和諧社會奠定了一定的社會基礎(chǔ)。