不同風化程度的煤矸石生態邊坡工程技術

袁偉嘉，易 文，張 建

（中南林業科技大學，湖南 長沙 410000）

1 研究背景

煤矸石是煤炭生產及加工過程中產生的固體廢物，在各種工業廢渣中排放量最大、占地最多、污染環境較嚴重。中國現有煤矸石堆積量約為40億t，煤矸石排放后堆積形成大量的煤矸石山，矸石山堆積松散，不僅占用大量土地資源，并且煤矸石中含有黃鐵礦，在空氣中易燃，會造成煤炭等成分的自燃，在堆積自燃過程中會產生SO2、H2S和CO等有毒氣體，嚴重污染周邊空氣和水源，影響居民生活與健康。大量堆放的煤矸石會帶來嚴重的社會、環境和經濟問題，而且煤矸石的生態自然恢復過程比較緩慢，煤矸石中的重金屬元素會向土壤中遷移。為了更好地在邊坡中利用煤矸石，需要對煤矸石進行改良，改善煤矸石的不良性質，在煤矸石邊坡應用中，對煤矸石的改良主要有煤矸石基質改良和煤矸石邊坡改良。

在過去的20年里，各國都在積極治理煤矸石，將煤矸石應用于不同的行業，解決煤矸石堆積導致的環境問題。在不同的國家，煤矸石的治理和利用有很大的差異，在以美國、英國為代表的發達國家中，煤矸石的利用率已達90%。他們專門投入人力物力進行煤矸石的相關研究，并建立相關管理部門和機構。英國每年的煤矸石使用量在600萬～700萬t之間，其中大部分用于填筑道路、大壩等，制備低標號混凝土；德國和荷蘭在煤矸石堆積處附近建造燃煤電廠和選煤廠，利用煤、煤泥和煤矸石發電；法國將煤矸石用于建筑材料，進行簡單破碎處理后應用于停車場等公共場所的表面鋪筑中。但這些方法只能簡單處理煤矸石的存量，提高其利用率，不能很好地解決煤矸石污染。目前，國內外的煤矸石基質改良方式主要分為物理方式、化學方式和生物方式，煤矸石邊坡的防護措施主要有工程防護、植物防護和綜合防護。

物理方式主要是通過覆土、覆泥等改善煤矸石的理化性質；化學方式主要是通過添加一些溶液與肥料，與煤矸石發生反應，消解煤矸石中不利于植物生長的元素；生物方式主要是利用植物、土壤微生物等改善煤矸石基質的物理結構和化學性質，提供適宜植物生長的條件。邊坡的植被防護技術主要有種子噴播法、客土噴播法、厚層基材噴播法、植生帶法、植生網法、肥料帶法、植生袋法、開溝植草法、三維植物網等成熟的配套技術[1]。

本文根據不同風化程度煤矸石的性質和特點，針對弱風化煤矸石、中風化煤矸石和強風化煤矸石分別選擇了不同的基質改良技術和邊坡防護技術，可以提高煤矸石生態邊坡的防護功能和植被成活率。

2 不同風化程度的煤矸石基質改良技術

2.1 弱風化煤矸石

弱風化煤矸石屬于新排煤矸石，強度極高，難以破碎，受到外力破壞會形成不規則的碎塊，大小不一，遇水易崩解，弱風化煤矸石的重金屬含量較高，營養物質較少，難以儲存水分，不利于植物的生長。對于弱風化煤矸石，若采用單純覆土的方式進行改良，需要覆土至少50 cm才能改善煤矸石的不良性質，造價較高，因此，可以在煤矸石表面涂抹聚合物固化劑。聚合物固化劑具有一定的流動性、粘結力和防水性，涂抹在煤矸石表面后經過養護可以將小塊的煤矸石粘結、包裹起來并形成一層具有防水能力的固結層[2]。具體步驟如下。

制備聚合物固化劑。將純丙乳液和水泥以1.5∶1的比例進行攪拌，數量較少時使用人工攪拌，數量較多時使用機械攪拌，在攪拌過程中加入純丙乳液及水泥總量3%的成膜助劑和1%的消泡劑，攪拌至沒有顆粒。

涂抹聚合物固化劑。在工程中，一般使用機械進行噴涂，試驗室中可以手動涂抹，注意涂抹時應覆蓋煤矸石全部表面。

2.2 中風化煤矸石

中風化煤矸石一般為排放1年以上的煤矸石，這時的煤矸石強度降低，碎塊較多，但仍然缺少植物生長的營養物質。在煤矸石中混合含有微生物菌劑的保水劑，加入微生物菌劑可以改善煤矸石的微觀環境，降低重金屬毒性，提高煤矸石的可溶性營養元素含量，促進植物的生長。加入微生物菌劑保水劑后，養護一段時間再進行覆土10 cm處理。具體步驟如下。

制備微生物菌劑溶液。選取枯草芽孢桿菌菌劑，按比例和水進行混合，攪拌均勻直至微生物菌劑全部溶解，注意水溫應滿足要求。枯草芽孢桿菌是一種植物根基促生細菌，不僅能抑制植物的枯萎病、根腐病，還可以提高植物抗性、促進植物生長、改良土壤和植物品質。

制備保水劑。首先，稱取一定質量的腐植酸，加入去離子水，攪拌均勻；然后，加入適量丙烯酸，采用恒溫油水浴鍋冰水浴的方式，邊攪拌邊緩慢逐滴加入2 mol/L的氫氧化鈉至所需中和度，再加入適量丙烯酰胺、過硫酸鉀，在水浴40℃下攪拌，再加入適量交聯劑，反應2 h；最后，取出溶液，采用電熱鼓風干燥箱60℃干燥至恒重，粉碎研磨，即制得腐植酸基的腐植酸鉀-丙烯酸-丙烯酰胺保水劑。保水劑除自己制備外，也可選用成品保水劑。

噴灑微生物保水劑。將微生物菌劑溶液和保水劑進行混合，采用機械噴灑在煤矸石邊坡表面，注意需將煤矸石浸濕。

2.3 強風化煤矸石

強風化煤矸石一般為排放3年以上的煤矸石，經過長時間風化的煤矸石極易破碎，風化程度更久的煤矸石性狀類似于土壤，重金屬含量降低，危害較小。將煤矸石進行破碎和土壤混合配置植生基材，植生基材除煤矸石和土壤外一般還需要混合一定量的種子、有機質、粘結劑、膠結劑、保水劑等。將植生基材裝入植生袋中，在坡面上進行碼放。具體步驟如下。

植生袋準備。將配置好的種子和肥料縫合在植生袋底部，植生袋規格一般選用50 cm×50 cm或60 cm×60 cm，根據框架高度進行選擇。

植生基材配置[3]。將強風化煤矸石進行破碎，與種植土混合，加入有機質、保水劑、粘結劑，拌合均勻。將植生基材裝入植生袋中，基質裝袋時應盡量密實，裝至八成滿后，扎緊袋口。

3 不同風化程度的煤矸石生態護坡施工技術

3.1 弱風化煤矸石生態邊坡

弱風化煤矸石生態邊坡施工技術具體如下。

準備工作。清理巖面雜物，清除浮石和松動的碎塊，將碎塊填補到特別凹陷的地方，陡峭的凹陷處用水泥砂漿抹平，使坡面盡可能平整。

第一次噴涂聚合物固化劑。為了將破碎的煤矸石碎塊進行粘結，在煤矸石巖面表層噴涂5～8 mm的聚合物固化劑。先對坡面噴水，使坡面保持濕潤，然后試噴聚合物固化劑，調整噴量，確定聚合物固化劑的配合比及施工操作程序再進行大面積的施工。采用濕式噴射機噴涂固化劑，移動式電動空壓機供風，施作前先對機械進行技術檢查，對水、風、電路進行檢查，合格后方可運轉。噴涂聚合物固化劑時應分段、分片由上而下進行。作業開始時，先送風，后開機，再給料；結束時，待料噴完后再關機。向噴射機供料時要連續均勻，機器正常運轉時，料斗內保持足夠的存料，噴層厚度要均勻。混合料宜隨拌隨用，不摻速凝劑時，存放時間不超過2 h。混合料在運輸、存放過程中，嚴格防雨淋、滴水及大塊石等雜物混入，在裝入噴射機前過篩。噴涂完后在薄弱區進行人工補涂，當采用普通硅酸鹽水泥時，養護應不少于7 d。

錨桿、掛網。先在坡面上鋪鍍鋅鐵絲網或高強塑料加強網，網孔規格為5 cm×5 cm，然后用風鉆或電鉆按1 m×1 m間距梅花形布置錨桿和錨釘。錨桿長90～100 cm，錨釘長約50～60 cm。應特別注意網與巖石之間的距離約為種植基材厚度的50%。

第二次噴涂聚合物固化劑。為了防止錨桿及掛網施工時對邊坡固化劑結構層的破壞和達到固化效果，決定噴涂第二次固化劑。第二次噴涂主要為補噴，固化劑厚度2～3 mm，噴涂工藝與第一次噴涂固化劑工藝相同。

客土噴播。客土噴射分2次，第一次噴射不含種子的混合料（基料），第一次噴射的植生土達到一定的強度后，再接著第二次噴射含有種子的混合材料，噴播時在巖石堅硬、凹凸度大的地段要適當增加噴播厚度，整體噴播厚度約為20 cm，保證綠化效果。

種子混合料噴播。結合當地氣溫氣候條件，擬定植物配比方案。分春秋2季進行噴播，草灌比近似2∶1，在保證植物生長的前提下，降低成本。植物生長前期以草本為主，后期以灌木為主。

覆蓋和養生。噴播完成后，立即用無紡布進行覆蓋，防止水流對坡面及種子的沖刷，還起到保水、保溫作用，蓋后用U形釘固定。養護管理工程完工后，定期進行噴水、補種、施肥、病蟲害防治養護。草種出芽及幼苗期，澆水時呈霧狀噴灑，以“少量多次”的原則，在草逐漸生長過程中，適時施肥和防治病蟲害；噴播完成后20～30 d，對坡面植物進行檢查，生長不理想的要補種，后期澆水時要“多量少次”，澆透、澆足；在苗草高8～10 cm時進行第一次追肥，追肥分春肥（3—4月）和冬肥（10—11月）2次，另外根據實際情況進行葉面追肥，如用0.1%的磷酸二氫鉀或0.3%的尿素噴施；出苗后隨時觀察有無病蟲害，及時噴灑農藥，在早春各種植被進入旺盛生長期時，噴適量的波樂多液、甲基托布津或多菌靈1次，以后每隔2周噴1次，連續噴3～4次；還要注意防除雜草，雜草主要與主栽草類爭光、爭水、爭肥，且有礙草坪美觀，防治方法為在播種前使用草甘膦、卡可基酸除滅；播出前用地散靈等抑制雜草種子發芽；雜草生長已高出主草叢時，采取人工拔除。

3.2 中風化煤矸石生態邊坡

中風化煤矸石生態邊坡施工技術具體如下：①準備工作。清除坡面雜物，使坡面盡可能平整。②配置微生物保水劑。取一定量的微生物菌劑與水按比例混合，攪拌使微生物菌劑溶解于水中，然后與成品保水劑進行混合。③第一次噴灑微生物保水劑。將微生物保水劑溶液均勻地噴灑在坡面上，施工時注意噴灑全面。④客土噴播。客土噴播同弱風化煤矸石邊坡一樣，分2次進行，總厚度約為10 cm。⑤第二次噴灑微生物保水劑。按相同方法配置微生物溶液，與保水劑進行混合，第二次噴播需將客土噴灑至濕潤狀態。⑥錨桿、掛網。先在坡面上鋪鍍鋅鐵絲網或高強塑料加強網，然后用風鉆或電鉆按1 m×1 m間距梅花形布置錨桿和錨釘。錨桿長90～100 cm，錨釘長約50～60 cm。應特別注意網與巖石之間的距離約為種植基材厚度的50%。⑦種子混合料噴播。結合當地氣溫氣候條件，擬定植物配比方案。分春秋2季進行噴播，草灌比近似2∶1。⑧覆蓋和養生。覆蓋和養生措施與弱風化煤矸石邊坡相同。注意第一次澆水需要澆足澆透。

3.3 強風化煤矸石生態邊坡

強風化煤矸石生態邊坡施工技術具體如下：①準備工作。清除坡面雜物，使坡面平整。②人字形骨架施工。人字形骨架采用混凝土預制塊拼裝而成，首先進行刻槽施工，刻槽深度15 cm，將骨架置于邊坡內，頂面與坡面平齊，待骨架穩定后挖除拱內15 cm厚填料。注意人字形骨架每隔12 m設置一道伸縮縫，伸縮縫設置在人字頂處，縫內采用瀝青麻絮或者瀝青木板填塞，深度大于10 cm。③植生袋制備。將風化程度較高的煤矸石進行破碎，混入土壤，加入微生物菌劑溶液、肥料、粘結劑、保水劑，進行充分混合后，進行裝袋，扎緊袋口。④碼放植生袋。在骨架內部距離骨架10 cm處定點打線，骨架較深的區域可以將打線深度調整為20 cm。在骨架內由下往上按順序碼砌植生袋，注意將植生袋碼放平整，每碼放一層，需要檢查是否平整，及時調整不平整的植生袋。⑤澆水養護。種植完植物后必須馬上噴水，噴水需少量多次，防止植生袋坍塌；還需要定期澆水養護，噴施高效肥，噴施農藥，定期清除雜草。⑥二次加固。對于高陡邊坡，堆積過高的植生袋容易出現不穩定的裝袋，對植生袋進行二次加固處理，可以防止植生袋坍塌、滑落。

4 結論

分別考慮不同風化程度煤矸石的性質，對不同風化程度的煤矸石確定不同的基質改良措施及施工方式，大大提高了基質改良措施及施工方式的適用性和可操作性，滿足了不同風化程度的煤矸石邊坡施工需求，提高了煤矸石邊坡植被成活率。