山西某矸石山环境综合治理设计方案
前 言
煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣，包括岩石巷道掘进时产生的掘进矸石，采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里采出来的矸石，以及洗煤厂生产过程中排出的洗矸石。
伴随着采掘机械化的发展和煤层开采条件的逐渐恶化，煤矿多年开采之后，排出的矸石堆积如山，不但占用了大量土地，而且其中所含的硫化物散发后会污染大气和水源，造成严重的后果。煤矸石中所含的黄铁矿(FeS2)易被空气氧化，放出的热量可以促使煤矸石中所含煤炭风化以至自燃。煤矸石燃烧时散发出难闻的气味和有害的烟雾，使附近居民慢性气管炎和气喘病患者增多，周围树木落叶，庄稼减产。矸石山受雨水冲刷，常使附近河流的河床淤积，河水受到污染。
本文针对山西潞安环保能源开发股份有限公司某煤矿矸石山综合治理工程设计方案做一详细介绍。
1 工程概况
据不完全统计，该矿共产原煤约5500万吨，伴随着超强度的开采和煤炭产量的提高，该矿煤矸石的堆存量也按9%左右的速度增加，已经引发了严重的环境问题。
该煤矿煤矸石堆场位于矿区主井西约200米处，与一电厂以乡间小路相隔。堆场长约300m，宽约200m，高约36m，形似枕状，近南北向延伸。煤矸石采用皮带输送、顺坡堆放方法堆积，其成分以炭质泥岩和炭质页岩为主，含有砂质泥岩、粉砂岩以及砂岩等岩块。
由于该矸石山位于煤矿矿区与浊漳河之间，北靠预制件厂，东接煤矿污水处理站，西倚浊漳河，地界有限，矸石堆放储量已达100万余方。现有矸石山已经难以再承接更多的矸石排量，而且矸石山的北侧及部分西侧还在发生自燃现象。
对该煤矿来讲，治理大量堆存的煤矸石，妥善解决煤矸石污染与环境治理之间的矛盾，不仅是一项重要而紧迫的任务，也是造福周边地区的一项重要工程，也是经济—社会—环境可持续发展的必由之路。按照省、市能源“十一五”发展规划要求，结合该煤矿的实际，对该煤矿矸石山进行综合治理工程，工程建设投资为2437.31万元。
2 工程指导思想和技术路线
根据国家、省、市有关矿山地质环境治理的要求和该煤矿矸石山的地理特点及物质组成，遵循“因地制宜，综合治理；整体规划，分步实施；合理布局，加快建设”的方针，考虑到煤矸石自燃、风化和淋溶的必要条件，采用黄土和石灰乳混合注浆灭火、消矸护坡、黄土覆盖，复垦种植，导排雨水，大力推广采用新型环保材料（生态垫）的应用，对煤矸石等固体废弃物进行无害化处置，提出科学合理、切实可行的治理方案，实现以害治害，变害为利的目的，取得双重环境和经济效益。
3 矸石山综合治理设计方案
针对上述状况，我们提出对应的设计方案，对该煤矿的矸石山进行彻底的治理。
3.1 煤矸石自燃分析
引起煤矸石自燃的因素主要有：硫铁矿结核体是引起煤矸石自燃的决定因素，水和氧气是煤矸石自燃的必要条件，碳元素是煤矸石自燃的物质基础。
根据矿区煤矸石特征，该煤矿煤矸石的硫含量虽不高，但是受煤矸石运输方式、硫铁矿局部富集、通风状况等多种因素的影响，煤矸石有自燃倾向。另外，煤矸石场中的其它可燃物如煤、木材等存在使燃烧扩大、蔓延。
因此，对于该矸石山要控制煤矸石高度和坡度、采取表面压实、黄土覆盖结合局部注浆灭火等工程措施，可以扑灭矸石自燃现象。
3.2 矸石山综合治理设计方案
针对本工程的实际情况，现提出如下方案：
3.2.1 整治场地、摊铺矸石及自燃灭火
该矸石山现堆放坡度约为45°，时常出现滑坡塌方现象。矸石山的治理首先应着手对矸石山的坡面坡度进行消减工作，由上至下推散矸石，将现状的45°坡消减为30°(1:1.732)坡，稳定坡面，修建马道，便于机械施工；砌筑挡墙，防止矸石塌方。
矸石山南部地形较为开阔，下部为冲洪积黄土层，地质构造属于稳定地块，适宜作煤矸石堆积场所。为了满足摊铺矸石需要，将现有矸石场南面边界向南移100米左右，尽量使整个堆场矸石填挖方平衡。
治理后矸石堆场呈梯田状，从地面开始每隔高差5米做一条马道，用以治理期间的施工通行以及治理后对矸石山的维护作业，马道之间边坡坡度为30° (1:1.732)。同时马道内侧设置一条排水沟，用以排除矸山上的雨水，马道排水沟之间由边坡导流渠串联起来，最终将雨水汇集到位于矸山西面的浊漳河排走。矸石堆场中的各条马道由一条贯穿其中的上山道路连接，使得施工及维护机械能够通过马道行驶到堆场中。
在堆散矸石的同时，对北坡及西坡发生自燃的矸石进行灭火工作，堆散高温矸石，使其暴露于表面，促使其降温。针对煤矸石自燃问题，可以采用黄土碾压覆盖为主，辅以局部注浆的综合性灭火方法，即采用局部灌浆、填实孔隙、固化碎块的简便易行方法。黄土覆盖压实法是在自燃矸石山表面铺土压实，以隔绝空气进路，使自燃矸石内部空气耗尽后熄灭。配以改变矸石坡度、堆散高温矸石促使降温，自燃现象能得到有效控制。
3.2.2 复燃治理
针对该煤矿煤矸石可能出现的复燃现象，可采取如下措施：
矸石山顶部复燃灭火工程：顶部复燃灭火处理的方法采用灌浆封闭法和火源挖出法。根据大量测试结果表明，绝大部分自燃发生在距表面0.5～3m的范围内。而灌浆封闭法的灌浆深度可超过4m。因此可切断自燃区的矸石获得氧气的通道，是一种比较好的灭火措施。
矸石山坡面复燃灭火工程可采用下列方法灭火：
①铺网注浆法、护坡加固法；
②护坡加固法；
③绿化坡面法。
通过我们对山西其它一些煤矿矸石山的成功治理经验，认为采用绿化坡面法完全可以达到防止复燃的效果。该法是将坡面改造成梯田形状，矸石山削坡开级，使边坡处于堆积稳定角，之间设置马道，采用毛石挡墙护坡处理方法。边坡削坡整治后，首先坡面采用碎矸和黄土分层碾压，然后进行黄土覆盖碾压护坡，以便绿化种植林草。修建排水沟，汇集降雨，避免雨水沿坡面流淌过程中冲刷覆土，防止矸石外露复燃。
3.2.3 土地复垦种植
在实施煤矸石治理工程前，应先采集熟土壤，就近堆置，以备日后复垦时利用。在分层碾压的矸石山坡面上，铺800mm厚的种植土。
①林业复垦
树种的选择：矸石山植树主要以灌木为主，乔木为辅。该煤矿属于华北暖温带，落叶、阔叶林地带，适合当地生产的乡土绿化树种主要有白杨、黑刺槐、柳树、榆树、椿树等，或种植花椒、核桃、枣以及苹果、梨、红果等经济植物，选择在春季栽种。
树木的栽种：树木栽植主要在矸石山的顶部和马道平台，根据该地区降雨量的特点，采取盆栽培养树苗、雨季栽植的方法。
②牧业复垦
牧业复垦一般是在未经平整或稍加平整的矸石山上进行。整地要提前半年进行，以保证表层矸石充分风化，这样易于种植。
草种的选择：选择适应种植的牧草是牧业复垦成功的关键，应选播种栽植较容易、成活率高、种源丰富，育苗简易且方法较多，适宜播种栽植时间长，发芽力强、繁殖力大，幼苗活力强，施肥反应快、抗旱能力强的种类。该煤矿草种采用紫花苜蓿、沙打旺、红豆草等品种。
③绿化灌溉给水系统
为了确保绿化用水，需要在矸石场马道围堰下铺设给水管网，在干旱季节定时对灌木进行浇水。水源引自矸石场东侧厂区生活给水管。给水管采用热镀锌钢管，丝扣或法兰连接,直埋敷设，敷设在围堰之下，敷设深度为1.0m左右。
3.2.4 建造排水沟
该地区夏季常有暴雨，很容易冲垮覆盖在矸石上的黄土。由于被裸露的矸石仍有较高的温度，一旦暴露于空气中，和容易复燃。为了保护好覆盖封闭效果，非常重要的一点是矸石山马道及斜坡上修筑好排水沟。排水沟设置位置：
①矸石山顶部平面与坡面的交界处，以避免平台上的雨水冲刷矸石斜坡；
②矸石山斜坡上构筑马道平台，再在平台上设置排水沟，可将斜坡上的雨水起到分流作用；
③马道平台之间设置竖向排水沟连通，保证上部雨水顺利引至山底，汇入浊漳河。
矸石山马道上均需修建排水沟，马道之间由坡面导流渠连通，矸石场底部四周建混凝土砌筑排水沟，将雨水引入浊漳河中，以防止雨季雨水排泄不畅，径流进入矸石山，增加煤矸石的渗滤液。同时长期浸泡使得有毒有害物质浸出量增大，对环境的影响加剧。排水沟做法采用毛石砌筑，水泥砂浆勾缝处理。最后在矸石山四周修建重力式毛石挡土墙，用以拦挡煤矸石垮塌。
4 矸石山综合治理中新型环保材料的应用
生态垫，也被称作“人工植被”或“生态植被毯”，它主要是以稻草、麦秆、棕榈等植物纤维为原料生产的系列环保产品，具有保水、保肥、松软、透气等特性。成为国际上公认的最简捷有效的保水固土、防沙治沙、环保绿化产品。
在植被恢复前期，根系浅、枝叶不够茂密，能在陡坡和有水流冲刷作用的岸坡等条件下起到强有力的护土作用，从而支持植物生长；另一方面，当若干年后植被已恢复，根系发达时，棕纤维作为天然材料逐渐腐烂成为肥料，对环境污染小，而此时复合的聚合物网格或玻纤网格仍可起到加强植被抗冲刷能力的作用。
生态垫的出现和逐步推广应用，给矸石山坡面治理带来了新的治理方案措施，但是由于工程造价原因以及治理后的效果有待工程实践验证，所以本次工程方案仅在排水沟，挡矸墙中考虑替代部分毛石进行试验性的应用，若治理效果明显，可以推广到其它工程的整个坡面治理中进行应用。
5 总结
基于上述设计方案的论述，该煤矿矸石山综合治理项目无论从理论上、还是经济上都是可行的，本文推荐的方案，不仅具有一定的生态、环境、经济和社会效益，而且也具有一定的现实意义，值得推广应用。
参考文献
1.《山西省环境保护“十一五”规划》
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