丘陵溝壑區煤矸石填埋技術及應用?

張廷會　李小剛　賀衛中　郝業　侯懷勇(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,71001; .陜西天地地質有限責任公司,陜西省西安市,710054; .陜西省地質環境監測總站,陜西省西安市,710054)

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丘陵溝壑區煤矸石填埋技術及應用?

張廷會1,2李小剛2賀衛中3郝業2侯懷勇2
(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,710021; 2.陜西天地地質有限責任公司,陜西省西安市,710054; 3.陜西省地質環境監測總站,陜西省西安市,710054)

摘 要為有效降低煤矸石對礦區環境的影響,通過研究丘陵溝壑區煤矸石的填埋技術及應用,并對其效益進行了分析。結果表明,利用地形條件填埋煤矸石,是礦山廢棄物綜合治理的有效途徑,既減輕了煤矸石露天堆放造成占地、揚塵和自燃等環境問題,又具有良好的經濟效益和環境效益,對礦山煤矸石的治理具有示范和借鑒意義。

關鍵詞煤矸石 填埋 環境保護 丘陵溝壑區

1　引言

煤矸石是成煤過程中與煤伴生的質地堅硬、含碳率低的一種巖石,是采煤和洗煤過程中產生和排放的固體廢棄物。煤矸石是礦區污染最為嚴重的污染物,由于資源化利用程度不夠,造成了大量煤矸石長期堆存,不僅破壞和占用了大量的土地資源,也帶來諸如土壤及周邊水體環境質量下降、生物多樣性喪失、生態系統退化和景觀環境破壞等一系列的生態環境問題,加劇了礦區人地矛盾。

目前,國內外對煤矸石環境影響方面的研究主要集中在煤矸石對周圍尾礦、土壤和地下水的污染、煤矸石風化土壤的重金屬污染及土壤微生物特性等方面,對煤矸石的治理研究主要集中在資源綜合利用、復墾綠化和覆蓋填埋等方面,對采用填埋消納技術處理煤礦矸石山的環境污染問題的研究較少。本文以陜西某煤礦為研究對象,在綜合分析周邊地形條件和地理環境條件的基礎上,結合工程實例探討分析了填埋消納技術在該礦矸石回填中的應用。

1　煤矸石綜合治理措施

煤矸石是煤炭生產過程中的主要廢棄物,傳統的方式是直接排至地面。大量的煤矸石長期裸露,污染大氣環境、土壤和水源,危害人體健康,影響工農業生產。作為排放量最大的工業固體廢物,煤矸石的處理尤為重要。目前,我國煤矸石的治理措施主要有覆蓋填埋、復墾綠化和資源綜合利用等方面。煤矸石在充填塌陷區、鋪填路基、水土保持和作物種植等技術上也已經有了較大的發展。

1.1復墾綠化

復墾綠化主要針對已經閉坑的成型煤矸石山治理,是一種生態修復的方法。煤矸石堆積過程中已經對環境、水源和空氣等造成危害,治理需要投入大量的資金。煤矸石經風化后孔隙率逐漸變小、密度逐漸提高,具備一定的保水能力,可為植物生長提供水分,成為植物生長的介質。植物綠化生長在改變煤矸石風化物的物理性狀的同時,還可以大量吸收其釋放的有毒有害物質,對土壤起到凈化作用。

1.2資源化利用

煤矸石具有廢渣和資源雙重屬性。根據煤矸石化學成分和礦物組成的特點,有些地方作為高附加值產品的原料而加以利用。煤矸石兼有煤、巖石和化工原料的性質,具有發電、生產建材及其制品、生產肥料或改善土壤等用途。煤矸石的資源綜合利用在改善礦區環境、節約占地方面已經做了很多探索,對于構建資源節約型、環境友好型社會可以起到積極的推動作用。

1.3填埋消納

煤矸石填埋是煤矸石綜合利用的重要途徑之一。根據礦井所處位置的地形地貌特征,在可行性研究階段結合環境影響評價、地質災害危險性評價和水土保持方案編制等工作提出煤矸石處理方案,是一種煤矸石對環境危害的事前控制措施。但目前礦山對煤矸石進行同步填埋處理尚不多見。

煤矸石的填埋消納首先要選址,在礦區附近選擇合適的溝壑,綜合溝谷匯水面積、植被發育、有效容積、氣象條件、土地利用和環境保護等多種因素優化選定,可以與礦井設計、建設和生產階段同步進行,符合國家環境保護“三同時”的要求,也符合經濟、社會和環境效益的統一原則。

2　排矸場地質環境條件

2.1地形地貌、自然地理條件

陜西某煤礦排矸場二期工程設計堆矸庫容量370萬m3,預計服務5a,主要用于煤礦建設與生產過程中產生的煤矸石的堆放。擬建排矸場位于工業場地東側約0.6km處的沖溝內,采用從下游用地邊界向上游逐步推進的方法。

排矸場填埋消納場地地貌單元為陜北高原峁梁丘陵溝壑區,山谷交錯,溝壑縱橫,侵蝕沖刷劇烈。排矸范圍所處沖溝的兩側岸坡植被稀疏,溝底為黃土狀粉砂土及砂卵石覆蓋,溝內無人居住。場地地質環境條件如圖1所示。

圖1　排矸場地質環境條件

2.2巖土工程條件

排矸場所選沖溝主要巖性為以砂粘土、砂、砂礫石層為主的第四系覆蓋層和下伏的第三系河湖相深紅、紫色及棕紅色粘土和砂質粘土;無地表流水,地下水位埋深大于3m。場地兩側坡地第四系覆蓋層厚度大,表層松散,植被覆蓋率低,發育有沖溝、陷穴、小型滑坡、崩塌、泥石流等不良地質作用,矸石填埋可以減少地質災害的發生。

2.3水文氣象條件

該區域屬陜北黃土高原暖溫帶大陸性半干旱氣候,大部分地表為黃土所覆蓋,春季干燥多風沙,夏季炎熱多雷雨,秋季晴朗降溫快,冬季干冷雨量少。區內年最低氣溫為－23.6℃、年最高氣溫為38℃,平均氣溫為9.1℃。平均降雨量為514.7mm/a,多集中在7～9月份,占全年降雨量的55%～65%,蒸發量為降雨量的3倍。全年無霜期175d,冬春季多為西北風,最大風速為7.8 m/s。冰凍期為11月底至翌年4月初,最大凍土深度為1.03m。

排矸場所處一封閉性沖溝內,屬低山丘陵溝谷,匯水面積∑S＝0.45km2,排矸場出口流量按照50年一遇最大洪峰流量QP2%＝10m3/s、20年一遇最大洪峰流量QP5%＝6.5m3/s、排水管道長度L＝0.82km進行設計,滿足短時暴雨排洪要求。

3　工程設施

陜西某煤礦排矸場工程主要構筑物為:攔渣壩、管涵—豎井排洪系統、坡面排水溝和防滲排污系統。排矸場工程設施平面如圖2所示,排矸場工程設施剖面如圖3所示。

排矸場所處地區氣候干燥,降雨量較小,蒸發量大。根據地質報告,場區地下水較深。采用從下游向上游逐漸堆矸方式時,為避免排矸場上游匯水沖刷、攜帶的灰渣污染河溝水體,采用雨水集中管涵排泄原則,設置鋼筋混凝土豎井—管涵排水系統,將排矸場雨水直接排到排矸場下游溝槽。邊坡匯流排水溝引流到排矸場以外的溝槽。

圖2　排矸場工程設施平面圖

圖3　排矸場工程設施剖面圖

3.1攔渣壩

攔渣壩采用不含煤掘進矸石(白矸),分層碾壓填筑,壩頂寬度約為3m,高度約為13m,壩頂高程約為1205m,上游邊坡按1∶1.5設置,下游邊坡按1∶3設置。矸場穩定坡面的加高主要采用矸石分層碾壓逐漸堆筑完成,最終堆矸面設計高程約為1260m。

3.2矸石堆筑

矸石堆筑采用分區、分層碾壓方式堆筑,堆矸頂面按1∶30坡度坡向排水豎井。堆矸體下游永久邊坡按1∶3設置,坡面用較大塊的掘進矸石防護,并與排矸道路妥善結合布置排水溝。堆矸體分層厚度不大于5m,含煤量較大有自燃傾向時,頂部采用不小于1.0m黃土封閉。依次類推完成整個排矸場堆筑。

3.3排矸場排水

排矸場采用涵洞—豎井排泄雨水的山谷型儲矸場設計,如圖4所示。涵洞排洪按照20年一遇暴雨標準設計,50年一遇標準校核。為保證有足夠的排矸場區,首先施工370m排洪涵洞排泄上游雨水。填筑高程約1220m時,延長上游涵洞并施工2＃豎井,由豎井收集、排泄雨水。排矸場下游坡面及原狀山坡雨水,經過設置的邊坡排水溝引流至下游溝槽自然排放。

3.4防滲排污系統

防止矸石中滲淋液滲流壩外污染環境,在攔渣壩上側坡面、上游渣場整體底部設置防滲層,并設截滲齒墻和主支道管,支管道收集滲淋液并通過主管道排入污水處理廠。

圖4　鋼筋混凝土豎井—管涵排水系統

4　工程施工要求

具體施工流程為:測量放線→雜物清運、整平→人機配合攤鋪、整平、壓實(矸石渣)→填埋煤泥排放區(矸石渣填埋)→人機配合土方開挖、運輸、攤鋪、碾壓(覆蓋黃土)→永久邊坡防護→綠化工程。

4.1測量放線

施工前,測量排矸場排矸范圍地形地貌繪制成圖。根據地貌測量得知前期排矸場已堆儲矸石渣高度和工程量。根據地貌高程開始整平地形,對已堆儲矸體未完成永久邊坡進行開挖、重新回填壓實,按照永久邊坡基線整理成永久邊坡。

4.2雜物清運、整平

矸石山雜物清運、整平如圖5所示。根據地形地貌整平排矸場堆儲區,清理運輸地面上的矸石,規整矸石、煤泥劃區排放有序,以達到排矸場正常運行。

圖5　整平地形、矸石渣攤鋪

4.3攤鋪、整平、壓實(矸石渣)

矸石渣的攤鋪、整平、壓實如圖6所示。主要工序如下:人工配合平地機精平→20t壓路機慢速弱振一遍→20t壓路機慢速強振碾壓一遍→20t壓路機快速強振一遍→20t壓路機快速強振碾壓達到規定壓實度→壓路機光面靜壓1～2遍,直至輪跡消除。

壓實工序遵照先輕后重、先邊后中、先慢后快、由弱振到強振的原則。壓實過程中對于邊、角機械無法到位的部位采用人工進行夯實。壓路機的行走速度按常規為2～4km/h,壓實遍數一般為6 遍,其中振動4遍,靜碾2遍,經檢測后以達到規定的壓實度為標準。

矸石填筑,由于堆矸體比較疏松,可以直接采用挖掘機進行挖掘,自卸車運輸。在預填場地上首先應根據各運輸車的載重量及煤矸石的松鋪系數計算各車卸料的縱橫間距,由專人指揮卸車,土和煤矸石結合部位要求填筑細粒料,便于土、煤矸石結合,以增強結構的整體性。用平地機攤鋪、平整。煤矸石的松鋪厚度不超過30cm,攤鋪寬度及長度分別不得低于100m。

圖6　矸石渣整平、壓實

4.4煤矸石填埋

煤矸石填埋有組織、有計劃進行。根據填埋設計圖先施工碾壓臨近下游堆矸壩的填埋區,再填筑內部填埋區。從排矸場底部開始向上逐層填筑,排矸場兩邊山坡交接處須接茬,但接茬部位應清除松散物,開挖寬度不小于1.5m的臺階,碾壓并確保接茬部位不產生沉降裂縫。

碾壓填筑區工作面應當平順并傾向排水豎井,以利于及時排泄雨水,防止積水影響填筑質量。同一填筑區域的填筑面積過大時,可以劃分成小區塊進行填筑,但接茬部位應清除松散物,開挖寬度不小于1.0m的臺階,碾壓并確保接茬部位壓實系數符合設計要求。

堆儲矸石時首先由排矸場下游向上游逐漸延伸,延伸坡面基本保持1∶30的表面流水坡度,當坡腳延伸到1＃豎井區時,改變矸石堆儲坡面方向,繼續向上游延伸,當接近2＃豎井約100m時,再改變坡面方向,繼續向上游延伸至2＃豎井時,再次改變坡面方向并從上游向下游延伸,延伸坡面按設計坡度施工。

4.5土地再利用

當排矸場儲存矸石達到設計高程后,在下游邊坡頂部設置一條外側坡度為1∶3,內側坡度為1∶2,高度為5m,壩頂寬度為20m,長度按頂部兩岸寬度確定的擋水堤,并按1.5%的坡度向排洪豎井整平頂面,在永久矸石填埋表面攤鋪厚度不小于1.0m的黃土,植樹種草進行綠化。

5　排矸場治理經濟效果分析

陜西某煤礦煤矸石填埋消納處理技術的應用,既解決了由于煤矸石堆放造成的占地問題,又取得了較好的生態效果,環境效益和經濟效益兼得,其工程運行階段現場如圖7所示。排矸場治理的經濟效果主要包括以下3個方面。

圖7　工程運行階段現場圖

(1)環境效益。分層碾壓可以防止煤矸石的自燃。通過治理使得該煤礦周邊的生產、生活環境得到了有效的改善,避免了礦山環境問題的發生,生態得以修復,具有良好的環境效益。

(2)社會效益。通過選址對煤矸石進行固化填埋,節約了土地。工程的實施減少了煤矸石占地,保護耕地,減少水土流失,排除地質災害隱患,土地利用效率明顯。

(3)經濟效益。煤矸石的填埋處理,可以減少和預防環境污染,做到節能減排,減少財產損失,消除安全風險。同時,減少了由于煤矸石堆放造成的環境問題后再治理的費用。

6　結論

將填埋消納技術應用于陜西某煤礦的排矸場工程,有效解決了矸石山對環境造成的污染問題,同時節約了大量土地,也改善了當地的生態環境,具有顯著的生態效益。實現了經濟效益、社會效益和環境效益相統一。煤礦矸石填埋技術有較大的推廣價值,可為類似地貌礦區提供借鑒。

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(責任編輯孫英浩)

Technologyandapplicationofcoalganguelandfillinhillyandgullyarea

ZhangTinghui1,2,LiXiaogang2,HeWeizhong3,HaoYe2,HouHuaiyong2
(1.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,Ministry ofLandandResources,Xi＇an,Shaanxi710021,China; 2.ShaanxiTiandiGeologyCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710054,China; 3.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi＇an,Shaanxi710054,China)

AbstractInordertoreduceinfluenceofcoalgangueontheenvironmentofminingarea,the authorsanalyzedbenefitsofthatbystudyingtechnologyandapplicationofcoalganguelandfillin hillyandgullyarea.Theresultsshowedthatusingterrainconditionstobackfillcoalganguewas aneffectivewaytocomprehensivetreatmentminewastes,notonlyreducingenvironmentalproblemssuchascoalgangueopenairstacking,landoccupation,dustraisingandspontaneouscombustion,italsobenefitingforeconomicefficiencyandenvironmentalcosts,whichsettinganexampleandreferencesignificance.

Keywordscoalgangue,landfill,environmentalprotection,hillyandgullyarea

中圖分類號X752 TD849.5

文獻標識碼A

基金項目:?國家自然科學基金重大研究計劃資助項目(90210014)

作者簡介:張廷會(1967－),男,陜西戶縣人,高級工程師,現從事水工環地質方面的研究工作。