袁偉嘉，易 文，張 建

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410000）

1 研究背景

煤矸石是煤炭生產(chǎn)及加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，在各種工業(yè)廢渣中排放量最大、占地最多、污染環(huán)境較嚴(yán)重。中國現(xiàn)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(chǎn)生SO2、H2S和CO等有毒氣體，嚴(yán)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(yán)重的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題，而且煤矸石的生態(tài)自然恢復(fù)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(jìn)行改良，改善煤矸石的不良性質(zhì)，在煤矸石邊坡應(yīng)用中，對煤矸石的改良主要有煤矸石基質(zhì)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(yīng)用于不同的行業(yè)，解決煤矸石堆積導(dǎo)致的環(huán)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(fā)達(dá)國家中，煤矸石的利用率已達(dá)90%。他們專門投入人力物力進(jìn)行煤矸石的相關(guān)研究，并建立相關(guān)管理部門和機(jī)構(gòu)。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(biāo)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(fā)電；法國將煤矸石用于建筑材料，進(jìn)行簡單破碎處理后應(yīng)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(nèi)外的煤矸石基質(zhì)改良方式主要分為物理方式、化學(xué)方式和生物方式，煤矸石邊坡的防護(hù)措施主要有工程防護(hù)、植物防護(hù)和綜合防護(hù)。

物理方式主要是通過覆土、覆泥等改善煤矸石的理化性質(zhì)；化學(xué)方式主要是通過添加一些溶液與肥料，與煤矸石發(fā)生反應(yīng)，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(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，提供適宜植物生長的條件。邊坡的植被防護(hù)技術(shù)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(wǎng)法、肥料帶法、植生袋法、開溝植草法、三維植物網(wǎng)等成熟的配套技術(shù)[1]。

本文根據(jù)不同風(fēng)化程度煤矸石的性質(zhì)和特點(diǎn)，針對弱風(fēng)化煤矸石、中風(fēng)化煤矸石和強(qiáng)風(fēng)化煤矸石分別選擇了不同的基質(zhì)改良技術(shù)和邊坡防護(hù)技術(shù)，可以提高煤矸石生態(tài)邊坡的防護(hù)功能和植被成活率。

2 不同風(fēng)化程度的煤矸石基質(zhì)改良技術(shù)

2.1 弱風(fēng)化煤矸石

弱風(fēng)化煤矸石屬于新排煤矸石，強(qiáng)度極高，難以破碎，受到外力破壞會形成不規(guī)則的碎塊，大小不一，遇水易崩解，弱風(fēng)化煤矸石的重金屬含量較高，營養(yǎng)物質(zhì)較少，難以儲存水分，不利于植物的生長。對于弱風(fēng)化煤矸石，若采用單純覆土的方式進(jìn)行改良，需要覆土至少50 cm才能改善煤矸石的不良性質(zhì)，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(jié)力和防水性，涂抹在煤矸石表面后經(jīng)過養(yǎng)護(hù)可以將小塊的煤矸石粘結(jié)、包裹起來并形成一層具有防水能力的固結(jié)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(jìn)行攪拌，數(shù)量較少時使用人工攪拌，數(shù)量較多時使用機(jī)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(jī)械進(jìn)行噴涂，試驗(yàn)室中可以手動涂抹，注意涂抹時應(yīng)覆蓋煤矸石全部表面。

2.2 中風(fēng)化煤矸石

中風(fēng)化煤矸石一般為排放1年以上的煤矸石，這時的煤矸石強(qiáng)度降低，碎塊較多，但仍然缺少植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)。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(huán)境，降低重金屬毒性，提高煤矸石的可溶性營養(yǎng)元素含量，促進(jìn)植物的生長。加入微生物菌劑保水劑后，養(yǎng)護(hù)一段時間再進(jìn)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(jìn)行混合，攪拌均勻直至微生物菌劑全部溶解，注意水溫應(yīng)滿足要求?？莶菅挎邨U菌是一種植物根基促生細(xì)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(jìn)植物生長、改良土壤和植物品質(zhì)。

制備保水劑。首先，稱取一定質(zhì)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(lián)劑，反應(yīng)2 h；最后，取出溶液，采用電熱鼓風(fēng)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(jìn)行混合，采用機(jī)械噴灑在煤矸石邊坡表面，注意需將煤矸石浸濕。

2.3 強(qiáng)風(fēng)化煤矸石

強(qiáng)風(fēng)化煤矸石一般為排放3年以上的煤矸石，經(jīng)過長時間風(fēng)化的煤矸石極易破碎，風(fēng)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(jìn)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(jī)質(zhì)、粘結(jié)劑、膠結(jié)劑、保水劑等。將植生基材裝入植生袋中，在坡面上進(jìn)行碼放。具體步驟如下。

植生袋準(zhǔn)備。將配置好的種子和肥料縫合在植生袋底部，植生袋規(guī)格一般選用50 cm×50 cm或60 cm×60 cm，根據(jù)框架高度進(jìn)行選擇。

植生基材配置[3]。將強(qiáng)風(fēng)化煤矸石進(jìn)行破碎，與種植土混合，加入有機(jī)質(zhì)、保水劑、粘結(jié)劑，拌合均勻。將植生基材裝入植生袋中，基質(zhì)裝袋時應(yīng)盡量密實(shí)，裝至八成滿后，扎緊袋口。

3 不同風(fēng)化程度的煤矸石生態(tài)護(hù)坡施工技術(shù)

3.1 弱風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡

弱風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡施工技術(shù)具體如下。

準(zhǔn)備工作。清理巖面雜物，清除浮石和松動的碎塊，將碎塊填補(bǔ)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(jìn)行粘結(jié)，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(diào)整噴量，確定聚合物固化劑的配合比及施工操作程序再進(jìn)行大面積的施工。采用濕式噴射機(jī)噴涂固化劑，移動式電動空壓機(jī)供風(fēng)，施作前先對機(jī)械進(jìn)行技術(shù)檢查，對水、風(fēng)、電路進(jìn)行檢查，合格后方可運(yùn)轉(zhuǎn)。噴涂聚合物固化劑時應(yīng)分段、分片由上而下進(jìn)行。作業(yè)開始時，先送風(fēng)，后開機(jī)，再給料；結(jié)束時，待料噴完后再關(guān)機(jī)。向噴射機(jī)供料時要連續(xù)均勻，機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，料斗內(nèi)保持足夠的存料，噴層厚度要均勻?；旌狭弦穗S拌隨用，不摻速凝劑時，存放時間不超過2 h?；旌狭显谶\(yùn)輸、存放過程中，嚴(yán)格防雨淋、滴水及大塊石等雜物混入，在裝入噴射機(jī)前過篩。噴涂完后在薄弱區(qū)進(jìn)行人工補(bǔ)涂，當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥時，養(yǎng)護(hù)應(yīng)不少于7 d。

錨桿、掛網(wǎng)。先在坡面上鋪鍍鋅鐵絲網(wǎng)或高強(qiáng)塑料加強(qiáng)網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為5 cm×5 cm，然后用風(fēng)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(yīng)特別注意網(wǎng)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(wǎng)施工時對邊坡固化劑結(jié)構(gòu)層的破壞和達(dá)到固化效果，決定噴涂第二次固化劑。第二次噴涂主要為補(bǔ)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?？屯羾娚浞?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(dá)到一定的強(qiáng)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(jiān)硬、凹凸度大的地段要適當(dāng)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(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁貧夂驐l件，擬定植物配比方案。分春秋2季進(jìn)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(yǎng)生。噴播完成后，立即用無紡布進(jìn)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(yǎng)護(hù)管理工程完工后，定期進(jìn)行噴水、補(bǔ)種、施肥、病蟲害防治養(yǎng)護(hù)。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(jìn)行檢查，生長不理想的要補(bǔ)種，后期澆水時要“多量少次”，澆透、澆足；在苗草高8～10 cm時進(jìn)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(nóng)藥，在早春各種植被進(jìn)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(xù)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(fā)芽；雜草生長已高出主草叢時，采取人工拔除。

3.2 中風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡

中風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡施工技術(shù)具體如下：①準(zhǔn)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(jìn)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?？屯羾姴ネ躏L(fēng)化煤矸石邊坡一樣，分2次進(jìn)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(jìn)行混合，第二次噴播需將客土噴灑至濕潤狀態(tài)。⑥錨桿、掛網(wǎng)。先在坡面上鋪鍍鋅鐵絲網(wǎng)或高強(qiáng)塑料加強(qiáng)網(wǎng)，然后用風(fēng)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(yīng)特別注意網(wǎng)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(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁貧夂驐l件，擬定植物配比方案。分春秋2季進(jìn)行噴播，草灌比近似2∶1。⑧覆蓋和養(yǎng)生。覆蓋和養(yǎng)生措施與弱風(fēng)化煤矸石邊坡相同。注意第一次澆水需要澆足澆透。

3.3 強(qiáng)風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡

強(qiáng)風(fēng)化煤矸石生態(tài)邊坡施工技術(shù)具體如下：①準(zhǔn)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(yù)制塊拼裝而成，首先進(jìn)行刻槽施工，刻槽深度15 cm，將骨架置于邊坡內(nèi)，頂面與坡面平齊，待骨架穩(wěn)定后挖除拱內(nèi)15 cm厚填料。注意人字形骨架每隔12 m設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫設(shè)置在人字頂處，縫內(nèi)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(fēng)化程度較高的煤矸石進(jìn)行破碎，混入土壤，加入微生物菌劑溶液、肥料、粘結(jié)劑、保水劑，進(jìn)行充分混合后，進(jìn)行裝袋，扎緊袋口。④碼放植生袋。在骨架內(nèi)部距離骨架10 cm處定點(diǎn)打線，骨架較深的區(qū)域可以將打線深度調(diào)整為20 cm。在骨架內(nèi)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(diào)整不平整的植生袋。⑤澆水養(yǎng)護(hù)。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(yǎng)護(hù)，噴施高效肥，噴施農(nóng)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(xiàn)不穩(wěn)定的裝袋，對植生袋進(jìn)行二次加固處理，可以防止植生袋坍塌、滑落。

4 結(jié)論

分別考慮不同風(fēng)化程度煤矸石的性質(zhì)，對不同風(fēng)化程度的煤矸石確定不同的基質(zhì)改良措施及施工方式，大大提高了基質(zhì)改良措施及施工方式的適用性和可操作性，滿足了不同風(fēng)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。