淺析煤礦煤矸石山生態環境恢復治理技術

張擁軍， 常 鑫， 楊金花

(1.山西省陽泉固莊煤礦，山西 陽泉 045000；2.山西凱爾環保科技有限責任公司，山西 太原 030000)

引 言

煤炭是我國的主要資源，煤炭資源的開發對我國經濟建設和社會發展起到了推動性和支撐性的作用[1]。然而，隨著煤炭采掘工藝及技術的發展，與之伴生的各種生態環境問題未及時發現并徹底解決，仍繼續采用高強度、大規模、落后的工藝進行開采活動，必將引發越來越多新的地質環境問題，區域性生態破壞和地下水環境污染也將越為嚴重[2]。礦山地質環境問題復雜多樣，大致包括土地占用、地表下沉、水土流失、地質沙漠化和生態破壞等問題[3]。其中，煤矸石山即是造成上述環境問題的重要方面之一[4]。

煤矸石是煤礦開采洗選加工過程中產生的固體廢物，屬于一種含碳率低、熱值利用價值低、質地堅硬的黑灰色巖石，從產生環節可分為井下掘進矸石和洗選過程中的分選矸石。煤矸石山是人為贏利作用造成的一種極度退化的生態系統，其原有植被因生態環境的劇變而減少、退化乃至消失[5]。目前，我國在煤矸石利用方面，主要用于建筑材料的原材料，雖然取得很大進展，但是其綜合利用率仍不足30%[6]。大量煤矸石堆存在礦區，不僅占用土地，且容易自燃，對礦山正常生產和周圍居民生產、生活構成了極大的威脅[7]。因此，開展煤矸石山生態環境修復治理，加強礦區的生態保護，己成為目前亟待解決的重點、難點問題之一[8]。

1 治理恢復區概況

山西省陽泉固莊煤礦井田規劃面積14.006 5 km2，于1965年開工建設，1969年簡易投產，設計生產能力45萬t/a。1982年，固莊煤礦正式建礦，1984年進行礦井改(擴)建，設計生產能力為150萬t/a，服務年限為60 a，并同步建有一座150萬t/a的選煤廠，是一座集機械化采煤、行政辦公、生活福利等為一體的現代化中型煤礦。

該煤礦矸石場位于工業廣場西北1 500 m黃土沖溝區，矸石溝為不規則狀，庫容約為700萬t，分3個區，其中,Ⅰ區占地面積約46 756 m2，庫容量為180萬t，現已堆存煤矸石約180余萬t，堆存高度為40 m。Ⅱ區面積約9 814 m2，庫容量為40萬t，現已堆存煤矸石約40余萬t，堆存高度為40 m。Ⅰ區、Ⅱ區因場地堆存條件有限已停止使用，部分地區存在自燃現象。目前正在使用的是Ⅲ區，面積約84 511 m2，庫容量為450萬t，現北部和中部已堆存煤矸石約280余萬t，堆存高度為35 m。根據固莊礦可采資源儲量，截止目前，固莊煤礦可采年限約為3 a，Ⅲ區完全可以容納閉礦前所有矸石，不需要再設置新的矸石場。

2 煤矸石山主要地質環境問題

固莊煤礦煤矸石沿溝谷堆放，生產年限久，現已堆積如山(見第186頁圖1)。目前，該礦區煤矸石山存在的主要環境問題如下。

1) Ⅰ區、Ⅱ區矸石山煤矸石未經壓實，孔隙度大，利于空氣流通，使堆場內部空氣含氧增高，加之，煤矸石中含有硫化鐵，遇水在好氧細菌的作用下容易氧化生成H2SO4、SO2、SO3等酸性介質，使可燃物氧化升溫，導致煤矸石自燃現象極為常見，地表隨處可見過火后呈現出的紅色、白色、黃色等雜色產物；矸石場Ⅰ區、Ⅱ區建設時間比較久，建成初期攔矸壩高度僅設3 m，且閉庫時間較長，加之后期邊坡維護不合理，長期雨水沖刷，導致煤矸石山邊坡部分垮塌；Ⅰ區、Ⅱ區矸石山覆土厚度不夠，現有覆土土質不符合種植要求，導致區域內植被大量死亡。

2) Ⅲ區矸石山煤矸石風化、自燃現象較為嚴重，松散體堆放時間較為短暫，仍屬于非穩定狀態，若遇自然震動或人為震動，極易發生自然坍塌。

圖1 治理區煤矸石堆積現狀

煤矸石若不進行合理處置，隨意堆放，雨水的沖刷造成煤矸石中可溶性的有害成分伴隨徑流、淋溶和大氣飄塵，滲入地下，破壞周圍土壤、地下水水質和大氣環境質量，主要表現為[6]：矸石不科學的隨意堆存，占用大面積的堆置場地，過量占用土地，從而導致浪費；大量的煤矸石裸露堆積壓占土地，嚴重破壞了堆置場原有生態系統和地貌景觀；煤矸石長期處在氧化、風蝕、溶濾過程中，極易風化分解以至自燃，且煤矸石中所含的黃鐵礦(主要成分為二硫化鐵)燃燒時散發出的難聞氣味和有害煙霧嚴重危害人體健康；煤矸石在堆放過程中，經雨淋滲透會對土壤和水體造成一定的污染；矸石在堆置過程中未采用科學的分層堆存，分層壓實，黏土壓實填充工序，以致矸石堆的密實度較差，再加上降雨、刮風等強對流天氣的影響，泥石流、滑坡、崩塌等現象發生頻率增加。

3 煤矸石山生態環境恢復治理技術

3.1 治理方案

針對目前固莊煤礦煤矸石山存在的問題，本次治理方案包括：矸石山滅火工程、攔擋工程、排水工程、邊坡防治工程、覆土工程、土地復墾工程、綠化營林和休閑設施建設工程等內容[10]。

3.2 技術要求

1) 矸石山滅火工程

主要依靠矸石分層碾壓，黃土覆蓋封閉，在此基礎上以淺層注漿滅火降溫作為輔助補救措施。

在矸石山坡遇有明火或溫度局部較高，需先采用黃土分層碾壓覆蓋，分層厚度控制在0.2 m～0.3 m，壓實系數≥0.9。黃土覆蓋層厚度1.5 m～2.0 m，然后進行淺層注漿滅火。注漿孔為鉆機成孔，深度為2.0 m～5.0 m，間距及排距3.0 m(見圖2)。注漿材料采用黃土與熟石灰過篩配制，配比為1∶1，水與上述混合材料比為0.7∶1～0.8∶1，注漿方式采用鋼管壓力灌注。灌漿鉆孔3 800個。在無法進行鉆機成孔的斜坡面，采用人工挖坑(槽)或機械成槽灌漿方式，坑(槽)深度0.5 m～1.0 m，直接對坑(槽)進行注漿滅火降溫，然后進行坡面碾壓黃土覆蓋。

圖2 排矸場滅火措施設計圖

2) 攔擋工程

在矸石山所在溝的溝尾外沿設置攔矸壩，壩體采用漿砌石，高度和厚度根據矸石山的堆存量進行核算，防止因暴雨沖刷造成矸石坡面流失，對下游地表水、村莊、農田等保護目標產生影響。通過控制堆矸體邊坡坡度，保持邊坡穩定，防止發生局部垮塌。

本矸石場攔矸壩采用重力式漿砌石攔矸壩，壩體采用M7.5漿砌石結構設計；斷面尺寸為：壩頂寬1 m，邊坡為1∶0.5，攔矸壩以上邊坡以1∶1.5進行削坡防護。其中，矸石場Ⅰ區北側設攔矸壩總長26 m，矸石場Ⅲ區東側建設攔矸壩總長524 m。

3) 排水工程

排水系統包括馬道排水、坡面排水，在漿砌石擋墻護肩部位修建混凝土攔水坎和排水溝，邊坡馬道內側修建排水溝，使地表匯水瀉入排水溝，引入周圍農田及河中，以防止雨季雨水排泄不暢，流入矸石山。

Ⅰ區、Ⅱ區矸石山坡頂截水溝長度454 m，新建路邊排水溝450 m，新建馬道排水溝1 958 m。Ⅲ區矸石山新建坡頂截水溝長度553 m，新建馬道排水溝1 503 m(第187頁圖3)。為防止雨水沖刷下游，在截水溝出口處設置消力池，消力池采用M7.5漿砌塊石側墻砌筑，容積為大于30 m3。

圖3 Ⅲ區排矸場治理縱剖面圖

4) 邊坡防治工程

傳統的矸石堆填工藝采用由上到下，自然傾倒工藝，形成的邊坡坡度陡峭，無法采取覆土夯實。因此，治理工程必須進行削坡開級。

將Ⅰ區北側、Ⅲ區東側矸石山坡面改造成梯田形狀，每5m高差設置一級護坡，設計坡比為1∶2，使邊坡處于堆積穩定角度，各級之間設置2 m寬的馬道平臺，采用漿砌石拱型護坡處理方法，坡面覆土，種草綠化，相鄰級之間應由多條上下臺階通道相連接，便于人們散步休閑，馬道沿等高線方向布置。

5) 覆土工程

矸石山坡面整平至設計要求后，在坡面上覆0.6 m厚的生土層并分層夯實，各級平臺分別覆1.5 m厚的熟土層，機械或人工夯實，并用道路及圍堰進行分割。

6) 土地復墾工程

固莊煤礦煤矸石山現有覆土土質不符合種植要求，所以外購優質土壤覆蓋后種植。

7) 綠化營林工程

在矸石山邊坡和場頂選用喬木、灌木及草類進行生態帶生物綠化建設，穩定邊坡、美化環境。喬木選側柏、灌木為連翹，草類選擇高羊茅等，樹木栽種采用客土坑栽，客土采用熟土及肥料按比例混合，最終，矸石處置場形成喬、灌、草結合的生態系統[10]，如圖4所示。

圖4 廠區綠化效果圖

4 結論及建議

矸石山地質環境是受堆存方式、矸石堆存量以及堆存地質環境等多方面因素制約的復雜系統，具有高度疊加性是矸石山環境效應的突出特點。不能依靠單一的工程治理措施徹底解決復雜的系統環境問題，故由若干工程措施組合而成的煤矸石山環境治理模式應運而生。本文針對陽泉固莊煤礦煤矸石山存在的問題和現狀，因地制宜，采取矸石分層碾壓，黃土覆蓋、封閉滅火工程；矸石山削坡，漿砌石欄桿壩整治場地；截排水溝、消力池的設置；復墾綠化等技術手段來進行治理恢復。為了更好地保障治理成果，特提出以下幾點建議：

1) 礦方制定嚴格的獎懲管理辦法，責任到人，專人專職；采取先進的監控技術對治理區內工程進行實時監控，一旦發生破壞現象，及時上報，采取修復措施，從而有效發揮治理效益；

2) 建議煤礦及煤矸石洗選企業對治理區進行“無死角”的巡檢，針對性指定應急預案，重點關注地質環境的防治措施的落實，以及災害隱患防治措施的有效性，發現問題及時采取措施，舉一反三，從細節處預防地質災害，落實好恢復煤矸石山生態環境的工作；

3) 礦山還應建立健全地質環境問題監測體系，在進行煤矸石山生態環境保護與治理進程中，不斷積累先進經驗和收集同行業的設計資料，為現有的煤礦礦山環境綜合治理和今后矸石山的設計和矸石的堆存提供科學依據。