煤矸石堆放場綜合治理工程技術方案研究與應用

王 磊

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司,陜西 渭南 715200)

0 引言

礦山經過多年的開采,大量的煤矸石被隨意地堆存在排矸場內,對周圍的環(huán)境造成極大的污染。由于煤矸石的數(shù)量每年都在增長,占用耕地的情況將會越來越嚴重[1]。隨著煤矸石的持續(xù)堆積,其堆積的過程中會釋放出大量的有毒氣體和有機污染物,對礦山大氣環(huán)境和周圍人群的健康造成極大的危害[2-3]。

就地封場,指的是將原來堆積區(qū)的煤矸石限制在一個特定的范圍之內,在周圍筑起一道擋土墻,對堆積區(qū)的煤矸石進行成型和壓實[4-5],并用泥土覆蓋起來,進行植被覆蓋,使其與周圍的自然環(huán)境和諧一致。利用就地封閉技術,對任意堆存的煤矸石進行現(xiàn)場封閉,可有效避免在搬運時產生二次污染,同時還可大幅度節(jié)省運輸費用。

采用安全可靠的雨水導排系統(tǒng),矸石堆放區(qū)四周及封場頂部設置排水溝,對匯水面積內的大氣降水進行疏導,防止洪水對堆放區(qū)的沖擊[6-7]。在矸石堆放區(qū)合理的設置導氣管,采取被動導氣措施,有效的將堆體內產生的氣體進行導排,防止堆體燃燒產生危害。

1 工程概況

白水煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田蒲白礦區(qū)中部,行政區(qū)劃屬渭南市白水縣城關鎮(zhèn)管轄,為陜西煤業(yè)集團蒲白礦業(yè)有限公司所屬企業(yè)。

礦區(qū)地理位置位于東經109°35′26″～109°42′44″,北緯35°08′41″～35°12′32″之間。

礦井所處地貌單元為鄂爾多斯盆地東南緣的渭北黃土高原隆起區(qū),地表均被第四系黃土覆蓋,西部的白水河谷、橋溝及東部邊緣地帶均為溝壑地貌,溝壑縱橫,溝坡立陡。礦區(qū)大部分為黃土臺塬地貌,北高南低,西高東低。最高處位于麻子渠以北,絕對標高約為+782 m,最低處位于埝坡東溝,絕對標高為+604 m,區(qū)內相對高差178 m。

由于資源枯竭及前些年市場不景氣等原因,致使白水煤礦連年虧損,目前礦井已經關閉,因此將修復治理矸石堆場。

2 矸石堆放場污染現(xiàn)狀

2.1 人居環(huán)境影響

蒲白礦區(qū)白水煤礦由于矸石堆存面積約40 000 m2,周邊均為農田。矸石堆放場未采取相應的工程措施,管理制度相對落后,造成矸石無序堆放于場地中,嚴重污染了周邊的自然環(huán)境。但由于其植被稀疏,大量的矸石裸露在外,導致給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞[8],直接影響人居環(huán)境,因此亟待進行治理。

2.2 導排系統(tǒng)缺失

煤矸石堆放場未設置氣體導排系統(tǒng),且煤矸石中存在大量的可燃硫酸鹽和可燃碳酸鹽,在長期的堆積過程中,會產生大量SO2、CO、NOX、H2S等有毒氣體和有機污染物,對周圍的人們的身體健康造成極大危害[9],也對該區(qū)域的生物多樣性構成很大威脅。

2.3 滲濾液污染

煤矸石在長期露天堆存中,由于降雨的影響,其淋洗水或流入水體,或滲透到土壤中。這些攜帶有煤矸石風化顆粒和微量重金屬的淋溶水,不僅會污染水體,破壞土壤生態(tài)功能,還會對動物和植物造成傷害,給人也帶來巨大的危險。

3 煤矸石治理方案的確定

3.1 處置方案比選

3.1.1 就地封存治理

通過對矸石堆體進行必要的碾壓、整形,構筑邊坡雨水排放溝渠,上部采用壓實粘土進行終場覆蓋,頂部設置植被恢復層,對大氣降水進行定向收集導排,并通過與周圍景觀環(huán)境的協(xié)調,實現(xiàn)了生態(tài)修復。

優(yōu)點:它的施工周期短,成效較快,操作簡單,治理成本低;在實施后,可以避免對礦區(qū)周邊環(huán)境的污染,同時還能最大限度地發(fā)揮土地資源的作用。

缺點:雖然部分隔絕了空氣,減少空氣對礦渣的氧化,并且出液能得到有效控制,但短期內還會有少量出液產生。

3.1.2 異地填埋

在礦區(qū)周圍建設一座標準化的棄渣填埋庫,底部及邊坡均進行整平及防滲處理,形成全封閉便于監(jiān)控防滲的保證體系。將現(xiàn)有的棄渣轉運至新建的標準化堆放庫中,進行碾壓填埋,到達填埋高程后按照方案一進行封庫。

優(yōu)點:新建全封閉便于監(jiān)控的棄渣庫,可以有效地解決滲瀝水對周邊環(huán)境的影響,污染治理徹底;原場址可得到再次開發(fā)利用。

缺點:建設成本高,堆放庫選址困難,廢棄矸石清理運輸成本高,且在清運過程中可能會造成二次環(huán)境污染,仍然需要占用土地資源。

3.2 治理方案確定

通過現(xiàn)場踏勘并對現(xiàn)狀堆放煤矸石的處理方法進行比選后,根據工程建設投資、施工的難易程度等因素,推薦采用就地封庫治理,消除現(xiàn)狀矸石堆放的污染。

4 矸石堆放場綜合治理工程設計

4.1 擋土墻設計

矸石堆體擋墻采用漿砌塊石結構,共設置4處,基礎采用3∶7灰土墊層。擋墻高度5 m ,底寬2.65 m,頂寬0.85 m,位置及長度分別為:底部(溝底)擋墻,長度310.06 m;中部擋墻,長度73.93 m;東側擋墻,長度152.08 m;西側擋墻,長度152.08 m。如圖1所示。

圖1 擋土墻剖面Fig.1 Profile of retaining wall

擋土墻位于矸石堆放區(qū)域的外側。它的作用是預防堆積矸石的垮塌,預防滲濾液滲出,對土體及深層地下水產生污染。

擋土墻底厚2.05 m,高4.5 m。在建造擋土墻的時候,首先要對矸石渣堆體的周圍進行開挖和清理,同時要保證土質基槽的干燥,在下雨的時候,要及時地將基槽中的積水排出去;對被水浸漬過的基底土,應該將其完全去除,并用好的土代替(或用碎石)夯填到標高。

擋土墻的上部利用土質斜墻的遮蓋和固結,隨著矸石層的抬高而施工。在下方堆體的斜墻上,每隔5 m設馬道,馬道寬度3 m,并在馬道兩側設置橫向排水溝,以避免在坡面形成積水。在斜坡上,采用橫排方式,將橫向排水溝兩端和邊坡排水溝連接,橫向排水溝比降5%。如圖2所示。

圖2 排水溝大樣斷面Fig.2 Large sample section of drainage ditch

橫向及邊坡的排水溝用水泥灰漿砌筑,上寬1.1 m,下寬0.3 m,下深0.4 m。堆體護坡的二級壩體必須隨著矸石堆整平的高程而提高。對堆體掩體二級壩體的壓實系數(shù)要求為0.95。

4.2 棄渣堆體整形

4.2.1 整形原則

棄渣堆體整形設計主要指封庫覆蓋表面處理層外部形態(tài)設計,分水平式和斜坡式,堆體整形必須遵照以下原則。

堆放場整形與處理前,應勘察分析棄渣堆體是否存在作業(yè)時會發(fā)生火災、爆炸、崩塌等安全事故的隱患。

制定消除陡坡、裂隙、溝縫等缺陷的處理方案及技術措施,保證在安全的情況下進行施工,并宜實行分區(qū)域作業(yè)。

采用分區(qū)分層、斜面分層的工作方式,在工作期間,將開挖出來的廢棄渣土進行回填和夯實,以減小后期的差異沉降,為封閉場地的覆蓋體系提供一個穩(wěn)固的工作支撐面。

4.2.2 作業(yè)方案

設計棄渣堆體整形采用斜坡式,在堆體整形時,要求棄渣分層壓實,密度應大于800 kg/m3。同時設置臺階式收坡,臺階寬度為3 m,高差為5 m。臺階間邊坡為1∶2,頂面坡度為5%。

4.3 排氣及雨水導排工程

4.3.1 排氣設置方案

由于棄渣中含有大量的含碳類物質,填埋后產生大量的填埋氣體,所以設計在棄渣庫設置氣體導排系統(tǒng)[10]。如圖3所示。

圖3 堆放場封場導氣平面布置Fig.3 Plane layout of closure gas conduction of the dump

導氣豎管的主要作用是對堆放區(qū)產生的填埋氣進行導出,由DN300HDPE花管組成,導氣豎井按60 m×60 m矩形排列布置,棄渣堆放區(qū)共設置氣體導排管9根。在排氣口設置溫度監(jiān)測裝置,待排出的氣體溫度低于常溫時,可封閉導氣系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 導氣管斷面Fig.4 Section of gas conducting pipe

4.3.2 庫區(qū)雨水導排

根據項目需求,對棄渣進行封場治理后,需要對封場內的大氣降水進行導排,防止雨水在庫區(qū)頂部積聚、下滲,產生滲瀝液[11]。

頂部大氣降水導排措施為:在棄渣堆放場封庫斜墻沿馬道設置5道排水溝,排水溝將大氣降水導排入填埋庫區(qū),用以導排封庫后庫區(qū)的大氣降水。如圖5所示。

圖5 排水斷面布置示意(一)Fig.5 Drainage section layout(1)

堆放區(qū)四周的大氣降水通過沿擋土墻內側設置的排水溝排至自然溝道。排水溝均為漿砌料石結構,斷面尺寸為下底0.3 m×0.4 m(寬×深),排水溝總長度為1 511.67 m。如圖6所示。

圖6 排水斷面布置示意(二)Fig.6 Drainage section layout(2)

4.4 堆放場封庫方案

4.4.1 堆放場整平

將堆放場邊坡的浮土、雜草、樹木進行清理,按照堆放場邊坡的平整及坡度要求進行施工。對于坡度較大、地貌變化較大的區(qū)域,治理后的坡度應控制在1∶1～1∶2。在完成清理工作之后,要進行碾壓、平整,并進行找坡工作,基礎層壓實度不小于0.90。

4.4.2 終場覆蓋層結構

封庫是必須建立完善的封庫覆蓋系統(tǒng),本設計封庫由上至下順序為:植被層厚1.5 m;卵石排水層厚0.3 m(粒徑為15～25 mm卵石);壓實黏土覆蓋層厚0.5 m;卵石排氣層厚0.3 m;棄渣表面清理整平、壓實。如圖7所示。

圖7 堆放場橫斷面Fig.7 Cross-sectional of the dump

4.4.3 終場覆蓋層施工

卵石排氣層:排氣層采用0.3 m厚,粒徑為15～25 mm導排性能好的卵石,排氣層施加于防滲層的氣壓強度不大于0.75 kPa。

壓實黏土覆蓋層:0.5 m厚黏土層,就地開挖后運至棄渣整平后堆體上,進行攤鋪,碾壓。黏土層在投入使用前應進行平整壓實。壓實度不得小于0.90。

卵石排水層:防滲層施工完成后,方可進行排水層施工;排水層的材料要有足夠的導水性能,并與庫區(qū)周圍的排水溝相連通[12-13]。排水層采用厚0.3 m,粒徑為15～25 mm,導排性能好的卵石,滲透系數(shù)大于1×10-2cm/s。

植被層:由營養(yǎng)植被層、覆蓋支持土層兩部分組成。植被層施工時,應注意地貌的美觀,并與周邊的地形進行連接。營養(yǎng)植被層采用利于植被生長的表層土,厚度1.0 m;覆蓋支持土層由壓實土層構成,厚度0.5 m,滲透系數(shù)大于1×10-4cm/s,厚度1.5 m。

4.5 恢復植被及景觀改善

植被恢復是堆場覆蓋中的關鍵部分,也是最后的堆體覆蓋過程中最重要的環(huán)節(jié)。植被作為堆放場區(qū)的最后一道生態(tài)屏障,可以起到美化周圍環(huán)境、阻止降雨對土壤沖刷的作用[14],也可以起到對地表的防護作用和對地表降雨水的攔截和分流作用。

在此基礎上,根據矸石堆放區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境,參照有關的工程實踐,提出在該區(qū)域進行綠化的選擇。這不但是因為綠植具有防護、改善、美化環(huán)境的作用,更重要的是因為綠植的覆蓋效果迅速,并且對堆放場地的主體的影響最小。堆放庫區(qū)1 km2范圍內實行水土保持,植樹造林,綠化植被,使原有的生態(tài)環(huán)境得到恢復。

5 環(huán)境保護

煤矸石堆放場綜合治理的根本目的是消除矸石堆放對區(qū)域水體、土壤、自然環(huán)境等帶來的污染問題,實現(xiàn)擬建工程的社會效益、環(huán)境效益和經濟效益,保障地方經濟的健康及可持續(xù)性發(fā)展[15]。所以,工程的實施不應該對區(qū)域周邊環(huán)境造成二次污染,或者對周圍環(huán)境的污染不能超過國家相關法規(guī)和現(xiàn)用標準所允許的范圍,而且還應該符合當?shù)氐拇髿夥雷o、水資源保護、生態(tài)環(huán)境保護及生態(tài)平衡的要求,不能造成空氣、水和噪聲的污染,不能對公眾健康造成威脅。

6 結論

實施方案以蒲白礦區(qū)白水煤礦矸石堆放場綜合治理工程為背景,從建設的必要性、生產工藝、經濟等方面考慮,對現(xiàn)狀堆存煤矸石提出切合實際,可行性比較高的治理工程實施方案,對項目實施進行全面的分析;治理工程與國家有關的工業(yè)政策要求相一致;工程的開展,有效地解決了由于矸石堆存不規(guī)范造成的周邊生態(tài)環(huán)境污染問題,礦區(qū)周邊環(huán)境衛(wèi)生得到改善,從而加強并提升礦區(qū)的服務功能。因此,該項目的建設既有其必要性,又具有一定的環(huán)境與生態(tài)效益。