煤矸石山綜合治理技術模式與實踐

安永興，梁明武，趙平

(北京東方園林股份有限公司，100012，北京)

煤矸石是煤礦開采和選煤過程中產生的固體廢棄物，是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅硬的黑灰色巖石［1］。由于缺乏環境危害認識，我國對煤矸石多采取簡單的露天堆放處理，堆積形成的煤矸石山不但造成環境污染，且極易發生自燃，給企業生產和礦區居民人身安全造成了極大危害。當前，煤矸石山治理已成為環境治理工作的一個難題，困擾著礦山企業。

1 煤矸石山治理概述

煤矸石山治理應以構建穩定的植物群落為目標。區別于普通礦山廢棄地，煤矸石山治理首先要解決自燃問題，才能安全地進行植物建植。對于這個問題，在早期治理過程中存在過認識上的不足。采取植樹造林的方法在煤矸石山直接建植植被，不僅很難達到良好的初期植被覆蓋效果，即便數年甚至10 余年后，山林茂密，鳥語花香，存在自燃隱患的矸石山也難免發生自燃，所有治理成果將毀于自燃，令人心痛。經過許多前輩先期嘗試的挫折，人們逐漸形成了共識:自燃治理是煤矸石山治理的必要條件之一和基礎，必須與植被恢復統籌兼顧。

1.1 自燃治理

煤矸石山的自燃治理一直以來都是個棘手問題。通過不斷實踐，對煤矸石山的自燃機制有了一定的認識:煤矸石山自燃必須具備3 個基本條件，即可燃物、溫度、氧氣供給，三者缺一不可［2］。自燃治理的關鍵是采取有效措施使煤矸石山隔水斷氧，消除“煙囪效應”［3］，使自燃的3 個基本條件不能聚集，從而無法發生自燃。

目前國內外煤矸石山自燃治理方法主要有清除可燃物法、泡沫法、覆土法、挖除火源法、注水法和注漿法［4-6］，這些方法各有優點，但也都存在著缺陷。如覆土法在過去一段時期曾被廣泛使用。具體做法是，在煤矸石山表面厚覆黃土進行碾壓，形成封堵層抑制自燃，但實踐證明效果不理想，復燃率高。原因是簡單的覆土雖能在短期內形成封閉效果，但缺少抗侵蝕措施，隨著降雨侵蝕，水土流失嚴重，土層開裂水氣入滲，進而誘發復燃。一些學者提出將多種措施結合應用于自燃治理［6-7］，并在實踐中取得了良好的效果。

1.2 植被建設

煤矸石山植被建設主要包括土壤恢復與改良、植物選擇與種植［8］2 方面。20 世紀90 年代，有國內學者提出煤矸石山的綠化技術是依據林學原理并基于矸石山本地條件的特殊性加以改進和創新［9］，對煤矸石山植被建設的特點給出了一個初步且較為準確的概括。

以往煤矸石山植被建設多采用園林綠化模式，以形成喬灌草相結合的復層混交林為建設目標。具體做法是厚覆土，以栽植喬木為主，輔以草本、灌木植物，但建植效果不理想。主要原因:一是喬木移栽主根受損，加之煤矸石山體承載力有限，往往造成喬木死亡倒株，加大水土流失程度，增加復燃危險;二是栽植喬木需要整地，對矸石山表面的擾動大，大量養護澆水入滲，極易誘發自燃;三是大量覆土碾壓，不利于形成良好熟土土壤結構，后期養護工作繁重，一旦人工支撐下的養護終止，植被急劇退化。

脫離煤矸石山的結構和環境特點，完全套用傳統造林模式，片面追求綠化景觀，植被建設效果難以達到理想群落模式。選擇抗逆性強，適生的灌、草植物進行播種，形成穩定的鄉土灌木群落，不失為一種務實選擇。

2 煤矸石山綜合治理技術模式

采用全機械化施工，利用淺層噴射注漿技術對煤矸石山進行自燃治理，以鄉土灌木群落為植被建設目標，采用客土噴播技術進行土壤改良和植物播種，這種煤矸石山綜合治理技術模式可實現植被的快速建植和生態系統的自我維持。煤矸石山綜合治理技術模式示意圖見圖1。

圖1 煤矸石山綜合治理技術模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of technology model of the comprehensive treatment on piles of coal gangue

2.1 淺層噴射注漿技術

2.1.1 技術原理 淺層噴射注漿技術是將注漿滅火法與覆土防火法理念相結合，針對煤矸石山縫隙大且自上而下逐步增多、增大的客觀事實，采取以防為攻的策略，根據覆土法的原理直接向煤矸石山全表面噴射泥漿，依靠高速泥漿沖擊滲透和流淌滲漏封堵淺層矸石間隙，固化后阻斷絕大部分空氣流動和水分滲漏通道，限制促進氧化增溫的水和幫助燃燒的氧在煤矸石山內部交流接觸，從而實現控制燃燒3 要素組合，達到防火、滅火的目的。淺層噴射注漿控火過程如圖2 所示(見彩圖頁)。

2.1.2 技術特點 淺層噴射注漿技術是利用移動式泥漿攪拌噴射機和堿性膠體纖維防火泥漿實現矸石山防火、滅火的技術。

1)移動式泥漿攪拌噴射機。具備正返轉無級變速機械攪拌功能，可以攪拌、噴射固體含量30%～50%的高濃度泥漿，可以實施架槍遠程非接觸噴射和軟管延伸近點噴射。移動式泥漿攪拌噴射機結構圖見圖3。

圖3 移動式泥漿攪拌噴射機Fig.3 Hydroseeding machine

2)堿性膠體纖維防火泥漿。在原有注漿滅火惰性材料配方的基礎上，保留了有中和煤矸石山體中酸性物質作用的堿性物質，額外增加了增稠膠體物質和纖維物質組分，提高了泥漿脫水后的韌性和抗開裂性能，使包裹、封堵效果更持久穩定。

移動式泥漿攪拌噴射機良好的攪拌和噴射性能，配以高濃度的堿性膠體纖維防火泥漿，保證了淺層噴射注漿技術得以實施，并具有良好的防火、滅火效果。

2.2 客土噴播技術

2.2.1 技術簡介 客土噴播是將植物種子、黃土和各種土壤改良基材均勻混合，通過大功率噴播機械噴射到施工坡面，形成客土覆蓋層。經過改良的土壤層具有較強的抗侵蝕能力、保水能力和較好的土壤孔隙結構，并牢固覆蓋在坡面上。改良土壤中還含有大量有機物質、養分和微生物，利于土壤熟化，植物快速生長。

2.2.2 技術特點

1)客土層穩定、結構良好、水肥充足。改良基材中含有大量木纖維、草炭土和植物膠，使客土層能夠牢固覆蓋在施工坡面上，并具有良好的土壤結構和抗沖刷能力;改良基材中混合的有機肥料，保證了植物生長所需養料的持續供給;改良基材中添加的保水劑，能夠保證種子的發芽成活，提高水資源的利用效率，達到節約用水和減少后期人工補水的目的;木纖維形成的雀巢骨架結構，使土壤具有良好的持水性和透氣性，利于保水保肥和土壤熟化，形成人工土壤結構。人工土壤結構如圖4 所示(見彩圖頁)。

2)快速形成地表植物覆蓋，優化生境。客土噴播采用全機械化施工，可以快速實現植被建植，形成地表覆蓋層，有利于保護地表，優化土壤環境，促進土壤熟化，為植被演替創造良好的生境。地表植被可以防止降雨對土壤的直接擊濺，減緩地表徑流，防止表土流失;植物地上枝葉形成庇蔭，減少地表水分蒸發，利于保水保墑;植物根系與土壤有機結合，起到加筋作用，可以固持土壤，利于坡面穩定;植物枯落物、根系分泌物，利于優化土壤微生物環境，促進土壤熟化。

3)形成穩定、適生的植被群落。依據恢復生態學理論［10］，將目標植被定位為鄉土灌木群落，選擇抗逆性強、適生的草本和灌木種子播種。建植初期，先鋒草本植物快速生長，形成先鋒草本群落。隨著演替的進行，先鋒草本植物退化，灌木植物逐漸占據主導地位，最終形成以鄉土灌木植物為主的群落。灌木植物地面生物量相對較小，可以減輕山體載荷，主根淺、側根發達利于固持表層土壤，有利于山體穩定，加之鄉土植物對環境的適應，后期可以形成穩定的自我維持群落。

2.3 工藝流程技術方案設計

淺層噴射注漿與客土噴播工藝流程如圖5所示。

圖5 淺層噴射注漿與客土噴播工藝流程示意圖Fig.5 Technological process diagram of shallow jet grouting and external-soil spray seeding

1)防火泥漿層。堿性膠體纖維防火泥漿，根據煤矸石山不同部位不同燃燒特點采取不同的泥漿配方和噴射工藝，厚度1 ～5 cm。

2)中性客土層。噴播黃土，一方面增強封閉效果，另一方面減弱堿性泥漿對植物生長的不良影響，厚度3 ～5 cm。

3)改良客土層。以當地土源為基土，加入木纖維、保水劑、黏合劑等改良基材，為植物生長提供養分，促進土壤熟化，是土壤改良的關鍵，厚度10 ～15 cm。

4)灌木種子層。以種植客土為基礎，增加有利于植物幼苗生長的有機活性物質混配而成，厚度2 ～4 cm。

圖2 淺層噴射注漿控火過程Fig.2 Fire control process by shallow jet grouting

圖4 人工土壤結構圖Fig.4 Diagram of artificial soil structure

5)花、草種子層。主要基材為特制木纖維，能在作業面表面形成一個網狀纖維覆蓋層，保護種子萌芽生長，減緩水分蒸發，減少侵蝕發生，厚度3 ～5 mm。

3 成功應用案例

2010 年4—8 月，山西某礦務局煤矸石山綜合治理工程采用了上述煤矸石山綜合治理技術模式，分山體穩定性與水系治理、防火控火治理、土壤改良、植被恢復4 個階段。在4 個月內實現了煤矸石山的滅火與全面復綠，當期治理效果良好，次年植被保持良好的生長狀態(圖6)，獲得了業界的一致好評。

圖6 煤矸石山綜合治理前后效果Fig.6 Effect before and after comprehensive treatment on coal gangue

4 結語

煤矸石山綜合治理技術模式將自燃治理與植被恢復有機結合，克服了傳統治理方法分2 類工程進行、技術措施無法銜接、治理效果難以保障的缺點。全過程機械化施工，采用一套機械裝備、2 類泥漿配方、多種施工工藝的淺層噴射注漿與客土噴播技術，提高了矸石山治理的效率和效果。工程實踐證明，該技術模式治理矸石山具有良好的可行性。為進一步深入研究，使此項技術取得量化試驗結果，中國林業科學研究院荒漠化研究所和德國土地復墾研究所在山西建立了示范工程試驗基地，將開展更為廣泛的課題研究，以促進矸石山治理技術成果的推廣應用。

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