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(huán)?？萍加邢挢?zé)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(fā)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展起到了推動(dòng)性和支撐性的作用[1]。然而，隨著煤炭采掘工藝及技術(shù)的發(fā)展，與之伴生的各種生態(tài)環(huán)境問題未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并徹底解決，仍繼續(xù)采用高強(qiáng)度、大規(guī)模、落后的工藝進(jìn)行開采活動(dòng)，必將引發(fā)越來越多新的地質(zhì)環(huán)境問題，區(qū)域性生態(tài)破壞和地下水環(huán)境污染也將越為嚴(yán)重[2]。礦山地質(zhì)環(huán)境問題復(fù)雜多樣，大致包括土地占用、地表下沉、水土流失、地質(zhì)沙漠化和生態(tài)破壞等問題[3]。其中，煤矸石山即是造成上述環(huán)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(chǎn)生的固體廢物，屬于一種含碳率低、熱值利用價(jià)值低、質(zhì)地堅(jiān)硬的黑灰色巖石，從產(chǎn)生環(huán)節(jié)可分為井下掘進(jìn)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(tài)系統(tǒng)，其原有植被因生態(tài)環(huán)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(jìn)展，但是其綜合利用率仍不足30%[6]。大量煤矸石堆存在礦區(qū)，不僅占用土地，且容易自燃，對(duì)礦山正常生產(chǎn)和周圍居民生產(chǎn)、生活構(gòu)成了極大的威脅[7]。因此，開展煤矸石山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理，加強(qiáng)礦區(qū)的生態(tài)保護(hù)，己成為目前亟待解決的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題之一[8]。

1 治理恢復(fù)區(qū)概況

山西省陽泉固莊煤礦井田規(guī)劃面積14.006 5 km2，于1965年開工建設(shè)，1969年簡易投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬t/a。1982年，固莊煤礦正式建礦，1984年進(jìn)行礦井改(擴(kuò))建，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬t/a，服務(wù)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(jī)械化采煤、行政辦公、生活福利等為一體的現(xiàn)代化中型煤礦。

該煤礦矸石場位于工業(yè)廣場西北1 500 m黃土沖溝區(qū)，矸石溝為不規(guī)則狀，庫容約為700萬t，分3個(gè)區(qū)，其中,Ⅰ區(qū)占地面積約46 756 m2，庫容量為180萬t，現(xiàn)已堆存煤矸石約180余萬t，堆存高度為40 m。Ⅱ區(qū)面積約9 814 m2，庫容量為40萬t，現(xiàn)已堆存煤矸石約40余萬t，堆存高度為40 m。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)因場地堆存條件有限已停止使用，部分地區(qū)存在自燃現(xiàn)象。目前正在使用的是Ⅲ區(qū)，面積約84 511 m2，庫容量為450萬t，現(xiàn)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(jù)固莊礦可采資源儲(chǔ)量，截止目前，固莊煤礦可采年限約為3 a，Ⅲ區(qū)完全可以容納閉礦前所有矸石，不需要再設(shè)置新的矸石場。

2 煤矸石山主要地質(zhì)環(huán)境問題

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

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

2) Ⅲ區(qū)矸石山煤矸石風(fēng)化、自燃現(xiàn)象較為嚴(yán)重，松散體堆放時(shí)間較為短暫，仍屬于非穩(wěn)定狀態(tài)，若遇自然震動(dòng)或人為震動(dòng)，極易發(fā)生自然坍塌。

圖1 治理區(qū)煤矸石堆積現(xiàn)狀

煤矸石若不進(jìn)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(zhì)和大氣環(huán)境質(zhì)量，主要表現(xiàn)為[6]：矸石不科學(xué)的隨意堆存，占用大面積的堆置場地，過量占用土地，從而導(dǎo)致浪費(fèi)；大量的煤矸石裸露堆積壓占土地，嚴(yán)重破壞了堆置場原有生態(tài)系統(tǒng)和地貌景觀；煤矸石長期處在氧化、風(fēng)蝕、溶濾過程中，極易風(fēng)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(shí)散發(fā)出的難聞氣味和有害煙霧嚴(yán)重危害人體健康；煤矸石在堆放過程中，經(jīng)雨淋滲透會(huì)對(duì)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(xué)的分層堆存，分層壓實(shí)，黏土壓實(shí)填充工序，以致矸石堆的密實(shí)度較差，再加上降雨、刮風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，泥石流、滑坡、崩塌等現(xiàn)象發(fā)生頻率增加。

3 煤矸石山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理技術(shù)

3.1 治理方案

針對(duì)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(fù)墾工程、綠化營林和休閑設(shè)施建設(shè)工程等內(nèi)容[10]。

3.2 技術(shù)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(chǔ)上以淺層注漿滅火降溫作為輔助補(bǔ)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(shí)系數(shù)≥0.9。黃土覆蓋層厚度1.5 m～2.0 m，然后進(jìn)行淺層注漿滅火。注漿孔為鉆機(jī)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(gè)。在無法進(jìn)行鉆機(jī)成孔的斜坡面，采用人工挖坑(槽)或機(jī)械成槽灌漿方式，坑(槽)深度0.5 m～1.0 m，直接對(duì)坑(槽)進(jìn)行注漿滅火降溫，然后進(jìn)行坡面碾壓黃土覆蓋。

圖2 排矸場滅火措施設(shè)計(jì)圖

2) 攔擋工程

在矸石山所在溝的溝尾外沿設(shè)置攔矸壩，壩體采用漿砌石，高度和厚度根據(jù)矸石山的堆存量進(jìn)行核算，防止因暴雨沖刷造成矸石坡面流失，對(duì)下游地表水、村莊、農(nóng)田等保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生影響。通過控制堆矸體邊坡坡度，保持邊坡穩(wěn)定，防止發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(jìn)行削坡防護(hù)。其中，矸石場Ⅰ區(qū)北側(cè)設(shè)攔矸壩總長26 m，矸石場Ⅲ區(qū)東側(cè)建設(shè)攔矸壩總長524 m。

3) 排水工程

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

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)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(qū)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(shè)置消力池，消力池采用M7.5漿砌塊石側(cè)墻砌筑，容積為大于30 m3。

圖3 Ⅲ區(qū)排矸場治理縱剖面圖

4) 邊坡防治工程

傳統(tǒng)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(shí)。因此，治理工程必須進(jìn)行削坡開級(jí)。

將Ⅰ區(qū)北側(cè)、Ⅲ區(qū)東側(cè)矸石山坡面改造成梯田形狀，每5m高差設(shè)置一級(jí)護(hù)坡，設(shè)計(jì)坡比為1∶2，使邊坡處于堆積穩(wěn)定角度，各級(jí)之間設(shè)置2 m寬的馬道平臺(tái)，采用漿砌石拱型護(hù)坡處理方法，坡面覆土，種草綠化，相鄰級(jí)之間應(yīng)由多條上下臺(tái)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(shè)計(jì)要求后，在坡面上覆0.6 m厚的生土層并分層夯實(shí)，各級(jí)平臺(tái)分別覆1.5 m厚的熟土層，機(jī)械或人工夯實(shí)，并用道路及圍堰進(jìn)行分割。

6) 土地復(fù)墾工程

固莊煤礦煤矸石山現(xiàn)有覆土土質(zhì)不符合種植要求，所以外購優(yōu)質(zhì)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(jìn)行生態(tài)帶生物綠化建設(shè)，穩(wěn)定邊坡、美化環(huán)境。喬木選側(cè)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(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)[10]，如圖4所示。

圖4 廠區(qū)綠化效果圖

4 結(jié)論及建議

矸石山地質(zhì)環(huán)境是受堆存方式、矸石堆存量以及堆存地質(zhì)環(huán)境等多方面因素制約的復(fù)雜系統(tǒng)，具有高度疊加性是矸石山環(huán)境效應(yīng)的突出特點(diǎn)。不能依靠單一的工程治理措施徹底解決復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境問題，故由若干工程措施組合而成的煤矸石山環(huán)境治理模式應(yīng)運(yùn)而生。本文針對(duì)陽泉固莊煤礦煤矸石山存在的問題和現(xiàn)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(shè)置；復(fù)墾綠化等技術(shù)手段來進(jìn)行治理恢復(fù)。為了更好地保障治理成果，特提出以下幾點(diǎn)建議：

1) 礦方制定嚴(yán)格的獎(jiǎng)懲管理辦法，責(zé)任到人，專人專職；采取先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)對(duì)治理區(qū)內(nèi)工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生破壞現(xiàn)象，及時(shí)上報(bào)，采取修復(fù)措施，從而有效發(fā)揮治理效益；

2) 建議煤礦及煤矸石洗選企業(yè)對(duì)治理區(qū)進(jìn)行“無死角”的巡檢，針對(duì)性指定應(yīng)急預(yù)案，重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)環(huán)境的防治措施的落實(shí)，以及災(zāi)害隱患防治措施的有效性，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施，舉一反三，從細(xì)節(jié)處預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，落實(shí)好恢復(fù)煤矸石山生態(tài)環(huán)境的工作；

3) 礦山還應(yīng)建立健全地質(zhì)環(huán)境問題監(jiān)測體系，在進(jìn)行煤矸石山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理進(jìn)程中，不斷積累先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和收集同行業(yè)的設(shè)計(jì)資料，為現(xiàn)有的煤礦礦山環(huán)境綜合治理和今后矸石山的設(shè)計(jì)和矸石的堆存提供科學(xué)依據(jù)。