煤矸石渣場引發的環境問題分析與對策

左文官

紅溝渣場位于太原市萬柏林區萬畝生態園內,是太原煤氣化公司接納選煤廠的煤矸石和電廠粉煤灰的場所,是公司組織生產不可缺少的一項永久性工程建筑。因此,渣場在公司整個生產時期能否長期保持安全以及符合環保要求運行是公司經營者必須考慮的重大問題。渣場的災害形式按其對環境危害的表現形式,大體上可分為以下三大類:1)渣場滑坡:因松散固體大規模錯動、滑移對邊坡的穩定造成破壞性危害;2)渣場泥石流:液固相流體流動對邊坡河壩體形成的破壞性危害;3)渣場環境污染:煤矸石的自燃和粉煤灰的揚塵對環境造成污染性的危害。

1 渣場災害產生機理與形成原因分析

1.1 渣場滑坡機理及原因

1)管理滯后。現在對渣場的管理還是主體責任不明確,管理制度、安全責任制度沒有建立起來,對渣場沒有檢查,即使檢查也是形式上的,很不專業。2)選址沒有評估,建設沒有規劃設計。渣場選址和規劃設計被忽視,沒有進行專業的評估和規劃設計,先倒渣后設計護坡,且邊坡的角度偏大均在1∶1左右,而規范的渣場邊坡的角度為1∶3～1∶2,這就給渣場滑坡埋下了很大的安全隱患。3)倒渣不科學,沒有設計。倒渣作業沒有設計,煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾混排且又不碾壓,先前倒渣從上往下倒,從去年才改為從下往上倒,人為地在渣場內部形成了軟弱面和不均勻沉降。這種滑坡治理難度大,常規做法時對渣場穩定性進行驗算,修正渣場邊坡的高度和坡度或者修筑擋土墻進行工程攔截,使邊坡的余推力法安全系數大于1.2～1.3。4)排水設施不健全。如果在暴雨時,渣場排水不及時,大量的地表水便匯入渣場。雨水滲入內部后,渣場原來的平衡狀態便會發生變化,渣場充水飽和,增加了渣場重量,又增加了水的滲透壓,而水又造成渣場內部發生泥化現象,降低內部潛在滑動面的摩擦力,從而形成渣場滑坡。

1.2 渣場泥石流形成機理及形成條件

1.2.1 泥石流形成機理

泥石流從成因上分為水動力成因泥石流和重力成因泥石流。

水動力成因泥石流是大量松散的固體物料堆積在匯水面較大的山谷地帶,在動水沖刷作用下沿陡坡地形急速流動。渣場發生的泥石流便屬于此種成因的泥石流,這種泥石流對環境破壞相當大,對下游是相當大的危險源。

重力成因泥石流是吸水巖土遇水軟化,當含水量達到一定時,便轉化為粘稠狀流體。此外,亦可能有坍塌、滑坡體直接轉變為泥石流。根據R.A拜格諾的顆粒流理論,粘滯流體中的固體顆粒在動能作用下彼此撞擊頻繁,使顆粒及相鄰滑移層間動量交換,進而使流體中的固體顆粒具有彌散壓力,被水軟化成液體的泥化母巖(如黏土、風化巖)與巖土塊及水混合成漿體(液固相),在滑坡勢能轉化來的動能作用下,促使滑體向流動轉化,形成泥石流。渣場由于堆積物空隙比較大,遇水很容易軟化,在邊坡地帶易出現重力成因泥石流,對邊坡影響比較大。

1.2.2 形成泥石流的條件

1)山谷內含有大量的松散巖土;2)山坡地形陡峻、具有較長的溝床縱坡;3)泥石流區的上中游有較大的匯水面積。

1.3 渣場環境污染表現形式

1)土地污染。渣場作為收容垃圾的場所,其中必然存在大量的固體小顆粒,無論是哪種工藝,在卸土和轉排時,隨著排棄的粉煤灰在渣場坡面滾動和風力的作用下,便產生大量的灰塵,隨風四處飛揚,污染渣場周圍環境;此外煤矸石還含有SiO2和Al2O3以及鐵、錳等常量元素,和其他微量的鉛、鎘、汞、砷、鉻等有毒重金屬堆放在露天中,經受風吹、日曬和雨淋等風化剝蝕作用,其中有毒重金屬有可能通過雨水滲入土壤,從而影響土壤環境。2)大氣污染。渣場對大氣的污染主要是由煤矸石自燃帶來的。煤矸石有C,H,S等可燃元素,經硫桿菌催化作用在有水和空氣的條件下率先發生氧化還原反應,釋放大量的熱量,使矸石山的內部溫度逐漸升高而自燃。矸石自燃后產生大量的CO,SO2,H2S,CH4,C2H2,NH3,N2,H2等可燃性氣體,使矸石山燃燒加劇。而硫化物氣體的大量排放加劇酸雨的發生,使污染面積進一步擴大。3)水體污染。煤矸石中的重金屬及有毒元素受雨淋、沖刷作用滲入水體造成地下水體污染。

2 對策

2.1 加強管理

建立管理機構,明確責任,做好渣場的檢查和監測工作,并不斷完善渣場的治理工作,使渣場既能滿足倒渣需要,又把渣場對環境的影響降到最小。

2.2 完善渣場規劃設計、調整倒渣工藝

1)倒渣從底部開始,將建筑垃圾堆置在渣場底層以增加渣場的透水性和穩固基底,以及將大塊巖石堆置在最低一個臺階反壓坡腳。2)針對煤矸石的自燃問題采取煤矸石和粉煤灰混排的原則,減小矸石堆的滲透率(它表征了向矸石堆供氧的難易程度),在接近溝的兩側坡面5 m以內不倒煤矸石,使煤矸石徹底與空氣隔絕。3)先修擋壩后倒渣:a.施工比較容易,造價低;b.利于壩體的穩定。

2.3 建設與完善渣場的排水設施

1)修筑和完善渣場的截水溝。應在渣場上方的山坡上修建截水溝,以便雨水和地表水集中排至渣場外圍。場內平臺應實施2%～3%的反坡,并在渣場平臺修筑排水溝攔截平臺表面山坡匯水。

2)修筑涵洞。當渣場上游匯水面積比較大或渣場比較大,渣場內部的截水溝滿足不了排水要求時要修筑涵洞對其疏干。

2.4 修建護壩擋墻

1)護壩擋墻是用片石砌筑在可能發生潛在滑動面位置上的一種工程治理措施。片石砌筑分為干砌和漿砌片石,干砌石壩,因其滲透性好,施工簡單,造價低,在渣場形成后,可成為預先埋置的抗滑擋墻,普遍用在渣場上。重力壩除具有預防滑坡的作用外,對泥石流也具有一定攔截作用,并且它還為水的排泄和渣場內部的疏干提供了條件。2)新型材料在邊坡治理中的應用。植生袋(生態袋)是荒山、礦山修復重要的施工方法之一。因其使用簡單方便,植物出苗率高,坡面護坡、綠化效果持續穩定,目前已普遍被渣山治理認同,并以較快的速度在全國推廣應用。植生袋共分五層,最外及最內層為尼龍纖維網,次外層為加厚的無紡布,中層為植物種子、有機基質、保水劑,長效肥等混合料,次內層為能在短期內自動分解的無紡棉纖維布。

2.5 渣場環境污染治理

污染的控制一般為短期內黃土覆蓋和間歇膜覆蓋,長期為生物治理。首先要把渣場分成幾個區域,倒渣要按優先的原則分區域進行,根據倒渣量多少確定覆蓋面積的大小,其次再根據倒渣臺階的形成順序,選擇場地實施綠化。

綠化根據場地的不同分為坡地和平地綠化,坡地綠化選擇人工播草,人工播草方式采用混播方式,即將草種混合播種,草種可選擇蒺藜、大薊、苦買菜等。平地采用人工造林方式,在矸石山造林不同于一般山地造林,根據矸石山環境特點,播種造林不易成活,宜采用植苗造林,樹木成活率高。樹種選擇紫穗槐,成活率在95%以上。

在矸石山局部自燃地帶,可采用開溝散熱的措施,降低地表溫度,使樹木得以成活生長。在自燃地帶其地表溫度達55℃,樹木不能生長。方法為在矸石山每隔3 m～4 m挖一條5 m～15 m長,1 m～2 m深,1 m～2 m寬的帶狀溝,讓熱量和有害氣體從溝中排出,在間隔地帶造林,使矸石山全面披上綠裝。

矸石山年限和風化程度不一,造成土壤結構和酸堿度不同,半干旱地區矸石山一般偏堿性,可使用硫酸亞鐵方法解決,具體方法是對于pH值8.1以上地段施用硫酸亞鐵2250 kg?hm-2可使pH值調到6.5～7.5之間。

3 結語

渣場在煤炭加工行業的作用是無可替代的,但是如果渣場管理工作不到位,措施跟不上,就會給企業和社會帶來很大危害。因此煤炭企業必須對渣場的治理給予足夠的重視。根據各自渣場的特點,因地制宜地采取措施,防患于未然,讓其更好地為企業服務。