山西某矸石山環境綜合治理設計方案
前 言
煤矸石是煤礦生產過程中產生的廢渣，包括巖石巷道掘進時產生的掘進矸石，采煤過程中從頂板、底板和夾在煤層中的巖石夾層里采出來的矸石，以及洗煤廠生產過程中排出的洗矸石。
伴隨著采掘機械化的發展和煤層開采條件的逐漸惡化，煤礦多年開采之后，排出的矸石堆積如山，不但占用了大量土地，而且其中所含的硫化物散發后會污染大氣和水源，造成嚴重的后果。煤矸石中所含的黃鐵礦(FeS2)易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風化以至自燃。煤矸石燃燒時散發出難聞的氣味和有害的煙霧，使附近居民慢性氣管炎和氣喘病患者增多，周圍樹木落葉，莊稼減產。矸石山受雨水沖刷，常使附近河流的河床淤積，河水受到污染。
本文針對山西潞安環保能源開發股份有限公司某煤礦矸石山綜合治理工程設計方案做一詳細介紹。
1 工程概況
據不完全統計，該礦共產原煤約5500萬噸，伴隨著超強度的開采和煤炭產量的提高，該礦煤矸石的堆存量也按9%左右的速度增加，已經引發了嚴重的環境問題。
該煤礦煤矸石堆場位于礦區主井西約200米處，與一電廠以鄉間小路相隔。堆場長約300m，寬約200m，高約36m，形似枕狀，近南北向延伸。煤矸石采用皮帶輸送、順坡堆放方法堆積，其成分以炭質泥巖和炭質頁巖為主，含有砂質泥巖、粉砂巖以及砂巖等巖塊。
由于該矸石山位于煤礦礦區與濁漳河之間，北靠預制件廠，東接煤礦污水處理站，西倚濁漳河，地界有限，矸石堆放儲量已達100萬余方。現有矸石山已經難以再承接更多的矸石排量，而且矸石山的北側及部分西側還在發生自燃現象。
對該煤礦來講，治理大量堆存的煤矸石，妥善解決煤矸石污染與環境治理之間的矛盾，不僅是一項重要而緊迫的任務，也是造福周邊地區的一項重要工程，也是經濟—社會—環境可持續發展的必由之路。按照省、市能源“十一五”發展規劃要求，結合該煤礦的實際，對該煤礦矸石山進行綜合治理工程，工程建設投資為2437.31萬元。
2 工程指導思想和技術路線
根據國家、省、市有關礦山地質環境治理的要求和該煤礦矸石山的地理特點及物質組成，遵循“因地制宜，綜合治理；整體規劃，分步實施；合理布局，加快建設”的方針，考慮到煤矸石自燃、風化和淋溶的必要條件，采用黃土和石灰乳混合注漿滅火、消矸護坡、黃土覆蓋，復墾種植，導排雨水，大力推廣采用新型環保材料（生態墊）的應用，對煤矸石等固體廢棄物進行無害化處置，提出科學合理、切實可行的治理方案，實現以害治害，變害為利的目的，取得雙重環境和經濟效益。
3 矸石山綜合治理設計方案
針對上述狀況，我們提出對應的設計方案，對該煤礦的矸石山進行徹底的治理。
3.1 煤矸石自燃分析
引起煤矸石自燃的因素主要有：硫鐵礦結核體是引起煤矸石自燃的決定因素，水和氧氣是煤矸石自燃的必要條件，碳元素是煤矸石自燃的物質基礎。
根據礦區煤矸石特征，該煤礦煤矸石的硫含量雖不高，但是受煤矸石運輸方式、硫鐵礦局部富集、通風狀況等多種因素的影響，煤矸石有自燃傾向。另外，煤矸石場中的其它可燃物如煤、木材等存在使燃燒擴大、蔓延。
因此，對于該矸石山要控制煤矸石高度和坡度、采取表面壓實、黃土覆蓋結合局部注漿滅火等工程措施，可以撲滅矸石自燃現象。
3.2 矸石山綜合治理設計方案
針對本工程的實際情況，現提出如下方案：
3.2.1 整治場地、攤鋪矸石及自燃滅火
該矸石山現堆放坡度約為45°，時常出現滑坡塌方現象。矸石山的治理首先應著手對矸石山的坡面坡度進行消減工作，由上至下推散矸石，將現狀的45°坡消減為30°(1:1.732)坡，穩定坡面，修建馬道，便于機械施工；砌筑擋墻，防止矸石塌方。
矸石山南部地形較為開闊，下部為沖洪積黃土層，地質構造屬于穩定地塊，適宜作煤矸石堆積場所。為了滿足攤鋪矸石需要，將現有矸石場南面邊界向南移100米左右，盡量使整個堆場矸石填挖方平衡。
治理后矸石堆場呈梯田狀，從地面開始每隔高差5米做一條馬道，用以治理期間的施工通行以及治理后對矸石山的維護作業，馬道之間邊坡坡度為30° (1:1.732)。同時馬道內側設置一條排水溝，用以排除矸山上的雨水，馬道排水溝之間由邊坡導流渠串聯起來，最終將雨水匯集到位于矸山西面的濁漳河排走。矸石堆場中的各條馬道由一條貫穿其中的上山道路連接，使得施工及維護機械能夠通過馬道行駛到堆場中。
在堆散矸石的同時，對北坡及西坡發生自燃的矸石進行滅火工作，堆散高溫矸石，使其暴露于表面，促使其降溫。針對煤矸石自燃問題，可以采用黃土碾壓覆蓋為主，輔以局部注漿的綜合性滅火方法，即采用局部灌漿、填實孔隙、固化碎塊的簡便易行方法。黃土覆蓋壓實法是在自燃矸石山表面鋪土壓實，以隔絕空氣進路，使自燃矸石內部空氣耗盡后熄滅。配以改變矸石坡度、堆散高溫矸石促使降溫，自燃現象能得到有效控制。
3.2.2 復燃治理
針對該煤礦煤矸石可能出現的復燃現象，可采取如下措施：
矸石山頂部復燃滅火工程：頂部復燃滅火處理的方法采用灌漿封閉法和火源挖出法。根據大量測試結果表明，絕大部分自燃發生在距表面0.5～3m的范圍內。而灌漿封閉法的灌漿深度可超過4m。因此可切斷自燃區的矸石獲得氧氣的通道，是一種比較好的滅火措施。
矸石山坡面復燃滅火工程可采用下列方法滅火：
①鋪網注漿法、護坡加固法；
②護坡加固法；
③綠化坡面法。
通過我們對山西其它一些煤礦矸石山的成功治理經驗，認為采用綠化坡面法完全可以達到防止復燃的效果。該法是將坡面改造成梯田形狀，矸石山削坡開級，使邊坡處于堆積穩定角，之間設置馬道，采用毛石擋墻護坡處理方法。邊坡削坡整治后，首先坡面采用碎矸和黃土分層碾壓，然后進行黃土覆蓋碾壓護坡，以便綠化種植林草。修建排水溝，匯集降雨，避免雨水沿坡面流淌過程中沖刷覆土，防止矸石外露復燃。
3.2.3 土地復墾種植
在實施煤矸石治理工程前，應先采集熟土壤，就近堆置，以備日后復墾時利用。在分層碾壓的矸石山坡面上，鋪800mm厚的種植土。
①林業復墾
樹種的選擇：矸石山植樹主要以灌木為主，喬木為輔。該煤礦屬于華北暖溫帶，落葉、闊葉林地帶，適合當地生產的鄉土綠化樹種主要有白楊、黑刺槐、柳樹、榆樹、椿樹等，或種植花椒、核桃、棗以及蘋果、梨、紅果等經濟植物，選擇在春季栽種。
樹木的栽種：樹木栽植主要在矸石山的頂部和馬道平臺，根據該地區降雨量的特點，采取盆栽培養樹苗、雨季栽植的方法。
②牧業復墾
牧業復墾一般是在未經平整或稍加平整的矸石山上進行。整地要提前半年進行，以保證表層矸石充分風化，這樣易于種植。
草種的選擇：選擇適應種植的牧草是牧業復墾成功的關鍵，應選播種栽植較容易、成活率高、種源豐富，育苗簡易且方法較多，適宜播種栽植時間長，發芽力強、繁殖力大，幼苗活力強，施肥反應快、抗旱能力強的種類。該煤礦草種采用紫花苜蓿、沙打旺、紅豆草等品種。
③綠化灌溉給水系統
為了確保綠化用水，需要在矸石場馬道圍堰下鋪設給水管網，在干旱季節定時對灌木進行澆水。水源引自矸石場東側廠區生活給水管。給水管采用熱鍍鋅鋼管，絲扣或法蘭連接,直埋敷設，敷設在圍堰之下，敷設深度為1.0m左右。
3.2.4 建造排水溝
該地區夏季常有暴雨，很容易沖垮覆蓋在矸石上的黃土。由于被裸露的矸石仍有較高的溫度，一旦暴露于空氣中，和容易復燃。為了保護好覆蓋封閉效果，非常重要的一點是矸石山馬道及斜坡上修筑好排水溝。排水溝設置位置：
①矸石山頂部平面與坡面的交界處，以避免平臺上的雨水沖刷矸石斜坡；
②矸石山斜坡上構筑馬道平臺，再在平臺上設置排水溝，可將斜坡上的雨水起到分流作用；
③馬道平臺之間設置豎向排水溝連通，保證上部雨水順利引至山底，匯入濁漳河。
矸石山馬道上均需修建排水溝，馬道之間由坡面導流渠連通，矸石場底部四周建混凝土砌筑排水溝，將雨水引入濁漳河中，以防止雨季雨水排泄不暢，徑流進入矸石山，增加煤矸石的滲濾液。同時長期浸泡使得有毒有害物質浸出量增大，對環境的影響加劇。排水溝做法采用毛石砌筑，水泥砂漿勾縫處理。最后在矸石山四周修建重力式毛石擋土墻，用以攔擋煤矸石垮塌。
4 矸石山綜合治理中新型環保材料的應用
生態墊，也被稱作“人工植被”或“生態植被毯”，它主要是以稻草、麥稈、棕櫚等植物纖維為原料生產的系列環保產品，具有保水、保肥、松軟、透氣等特性。成為國際上公認的最簡捷有效的保水固土、防沙治沙、環保綠化產品。
在植被恢復前期，根系淺、枝葉不夠茂密，能在陡坡和有水流沖刷作用的岸坡等條件下起到強有力的護土作用，從而支持植物生長；另一方面，當若干年后植被已恢復，根系發達時，棕纖維作為天然材料逐漸腐爛成為肥料，對環境污染小，而此時復合的聚合物網格或玻纖網格仍可起到加強植被抗沖刷能力的作用。
生態墊的出現和逐步推廣應用，給矸石山坡面治理帶來了新的治理方案措施，但是由于工程造價原因以及治理后的效果有待工程實踐驗證，所以本次工程方案僅在排水溝，擋矸墻中考慮替代部分毛石進行試驗性的應用，若治理效果明顯，可以推廣到其它工程的整個坡面治理中進行應用。
5 總結
基于上述設計方案的論述，該煤礦矸石山綜合治理項目無論從理論上、還是經濟上都是可行的，本文推薦的方案，不僅具有一定的生態、環境、經濟和社會效益，而且也具有一定的現實意義，值得推廣應用。
參考文獻
1.《山西省環境保護“十一五”規劃》
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