云崗礦矸石山生態恢復綜合治理的研究

石慧娟

(同煤集團云岡礦基本建設科，山西 大同 037017）

云崗礦隸屬于大同煤礦集團，是我國自行設計施工的現代化大型礦井。一期、二期合計生產能力為480萬t/a。云崗礦從開采之初就非常重視煤礦的環境和生態保護，多年來在矸石山綜合治理方面投入了大量的人力、物力和財力，煤礦也多次被評為“國家級綠色礦山”。下面就云崗礦矸石山生態恢復綜合治理內容和經驗進行分析研究。

1 矸石山現狀與環境影響

1.1 矸石山現狀

大同煤礦集團共有矸石山及相應的處理場共56座，其中矸石山有2座。第1座矸石山占地面積約17萬m2，目前累計共堆放矸石850多萬噸；第2座矸石山位于大南溝，占地面積33.5萬m2，已存放矸石400多萬噸，當前堆放面積達12.33萬m2，年排矸量達100多萬噸。

1.2 環境影響

煤矸石是在煤礦開采中排放的固體廢棄物，同時其含有殘煤、碳質泥巖等低熱值燃料，如果放任集中堆放在高壓氧化條件下會發生自燃現象，造成火災。燃燒中產生的CO、H2S等有害氣體給煤礦周邊的水、空氣、土壤帶來了污染。煤矸石長期在雨水當中侵泡，重金屬元素也會通過溶解進入到水體和土壤中，造成環境污染。據煤礦環保科調查統計，職工和周邊村民的氣管病、氣喘病病例和發病頻率在增加，同時還發生了矸石山自燃、滑坡、坍塌等安全事故。根據同煤集團的統一部署，必須加強云崗礦矸石山生態恢復綜合治理工作，本次治理的方案路線主要是：滅火→治理→綠化→生態恢復。

2 生態恢復綜合治理設計原則及規劃

對于云崗礦矸石山的治理設計原則如下：從山體穩定→到滅火→到植物群落向森林方向演替，最后可以形成一個相對穩定的，同時可以兼顧到矸石山的景觀效果，滅火、生態修復與山體穩定三者相結合。在煤礦建井和生產過程中已堆積成的煤矸石山上，通過規劃、設計科學合理的水土保持工程，防治水土流失，為植物創造良好的生長發育條件；以治理、改善和保護環境為目的，以植物生態習性為基礎，選擇適應性強、生長良好的樹種和草種進行造林綠化，改善生態環境，形成穩定的生態系統，恢復土地的生產能力；同時充分重視工業景觀形成的環境特點，合理配置相應的園林小品，達到景觀效果。

3 矸石山滅火方案的設計

技術人員根據矸石山自燃和蔓延機理研究成果，結合大同煤礦集團滅火工程實踐，深入研究了自燃矸石山滅火理論，開發了自燃矸石山深部注漿滅火技術及裝備，形成了高效、適用的矸石山滅火工程技術體系。

滅火方案內容為：

（1）探測測點布置。研石山施工前采用MS+紅外測溫儀、多參數氣體檢測儀進行火源探測，布置方案見圖1（a）所示。當矸石山頂平整后調整測點布置，主要是采用AFTX型溫度變送器，通過鉆孔的方式進行測量，布置方案見圖1（b）所示。

圖1 云崗礦矸石山探測測點布置

（2）注漿滅火技術施工。本次施工中注漿鉆孔采用正三角或菱形方式進行布置，孔間距為3m，深度為5m，具體可見圖2（a）所示。同時對鉆孔進行套管處理，套管前段1m為花管，在花管管壁上附有直徑10mm的小孔，可見圖2（b）示意圖，目的在于防止注漿過程中造成塌孔現象。

利用改進后的注漿滅火技術，可以有效地對矸石山的測試進行測量。同時在8個月時間內撲滅3次矸石山火災，滅火效果顯著。注漿后第3d溫度明顯下降，9d內火區溫度由500℃下降到滅火設計要求的100℃以下。

圖2 滅火注漿鉆孔布置示意圖

4 護坡工程方案設計

4.1 排水溝工程

為了保證雨季汛期“云崗礦矸石山生態恢復綜合治理”項目的成效，同時也基于對工程的施工和養護管理，對該矸石山的排水系統設計為三級排水。第一，坡面和臺面的徑流匯入各平臺內側的拋物線形草溝；第二，由草溝匯入沿道路設置的梯形斷面排水溝；第三，梯形斷面排水溝匯入山下污水處理廠進行處理。

（1）草溝。沿等高線在每個平臺內側修筑草溝，草溝即一種在溝內種植草類以防治土壤沖蝕又維護景觀的土筑溝。溝底要有一定的坡降，此處取1/500。

（2）梯形漿砌石排水溝。沿道路修筑漿砌石排水溝。排水溝襯砌材料用混凝土，斷面形狀為梯形，尺寸大小見表1所列。

表1 排水溝規格設計結果表

4.2 護坡措施

根據本次矸石山生態恢復綜合治理規劃區域地形地貌現場測量結果，坡面容易被降水侵蝕和沖刷，且此區域所覆云崗礦區生態建設實踐土為板結黏質土，因此抗蝕、抗沖的能力都非常之差，必須要加強相應的護坡措施處理，增加抗蝕、抗沖的能力。主要設計了二套方案。

方案一：“自由梁”格內種草。自由梁屬于固定框的一種，是以水泥、三角鐵等材料制成框架，安裝于坡面上以利于客土種草，此設計本著美化原則，選用三角鐵。方法為：將坡面整理后，于坡面中央，以坡肩為基準線，沿基準線垂直方向，每隔1.2m設置錨釘一排，錨釘深度一般為50cm，各排錨釘呈水平，錨釘應沿坡面垂直方向打入土層，錨釘與錨釘之間焊接三角鐵框架，框架長1m，寬3cm，框架中客土種草。坡面凹凸較大時，與框接觸處需略加整理，使之與框緊密接合。

方案二：沿等高線打樁編柵。打樁編柵是依適當距離打木樁，并以竹片、荊條、鐵絲網等材料編制成柵欄，固定土石給植物一個有利的生長環境。從實踐效果來看，設定每排木樁距離為2～3m，樁距以30～50cm為宜。施工前必須清除雜物，必要時構筑截水溝。使用人工材料編柵應考慮景觀效果。打樁時應自坡面下方開始，向上方推展。打樁編柵后需將地面稍加整平或填充客土。

4.3 土壤改良方案

本次綜合治理區域所覆土來源于礦區周圍氧化塘的黏土，土壤偏堿性，通氣性不良，收縮性、膨脹性強，影響植物呼吸，容易造成生理干旱，需要進行土壤改良，改良方案如下。方案一：植草帶內覆10～15cm薄層熟土。方案二：喬、灌帶筐或蒲包栽植，用熟土及適量有機肥。

4.4 灌溉系統布設

考慮到本次綜合治理的區域周邊水源充足，因此在山腳下設計水泵提水，采用鋼管引水上山，再從每個平臺引出支管后接塑料管進行平臺及坡面灌溉。

5 生態修復方案

5.1 坡面綠化設計

坡面造林按坡向分三個區。一區（西坡、北坡）植物配置。喬木：臭椿、火炬樹；常青針葉樹：檜柏；灌木：沙棘；地被：苜蓿、鋪地柏。二區（西南坡、南坡）植物配置。喬木：刺槐、白蠟、合歡；常青樹：側柏、翠蘭柏、蜀檜；灌木：紫穗槐、小檗；地被：狗牙根、高羊茅、苜蓿。三區（東南坡）植物配置。喬木：加楊、旱柳、山楂；常青樹：檜柏、沙地柏；灌木：紅瑞木、棣棠、大葉黃楊；地被：嶗峪苔草。

5.2 臺地綠化設計

為防治水土流失，每個平臺內側設草溝與路邊排水溝相通。臺地修整為反坡狀，外高里低，坡度2°。四區（一號山頂平臺）建草亭一座，地面采用藍色、白色鵝卵石鋪裝成“枯水河”，亭旁建風景樹池一個，種赤松或華山松作為“迎客松”，配喬木國槐和合歡。臺地周邊種迎春，形成綠色瀑布。五區（二號環形平臺）南半部環修小路一條，路內側修排水溝，小路旁種行道樹合歡，配大葉黃楊，綠籬。北半部環狀叢植丁香、榆葉梅、紫荊。六區（三號扇形平臺）在較寬扇面處建小廣場，沿曲線建6個樹池，種國槐配綠籬，并在平臺邊緣建擋墻，擋墻下種藤本月季。廣場周邊種火炬樹、刺槐、白蠟，形成綠樹環抱景觀。七區（窄半圓環帶）為封閉式林帶，種女貞、臭椿、白蠟、連翹、紫荊、迎春。八區（外圍環帶）為封閉式林帶，種垂柳、女貞，形成綠色環帶。上山道路入口處立黑色墨玉石一塊，配沙地柏、圓柏，凸顯矸石山綠化主題。

6 矸石山治理工程的效益分析

6.1 生態效益分析

云崗礦矸石山生態恢復綜合治理方案實施1年后，治理效果良好。該生態恢復治理方案通過增加植被、改善土壤性狀有效地降低了矸石山場區周邊的粉塵濃度，同時檢測的有害氣體濃度數據表明，該方案能夠抑制CO等有害氣體的擴散。通過增加植被等措施有效地減少地表徑流，防治水流失。生態恢復綜合治理措施基本達到了方案的期望值，同時也希望繼續努力，能將矸石山治理率提高到99%。

6.2 社會效益分析

該設計措施有效地改善了礦區及周邊的生活環境，對于保障煤礦職工和周邊群眾的身體健康起到了重要的作用。同時減少了水土資源的的流失和破壞，實現了人與自然和諧相處的目的，使得煤礦開采能實現可持續性發展。