礦山矸石生態環境恢復治理示范工程技術要點

李曉利 楊文 劉偉

摘?要：大同李家窯礦山生態環境恢復治理項目，是大同地區首批開展的煤矸石礦山治理試點工程。工程需要面對矸石的自燃隱患，消矸護坡存在的不穩定滲水性及綠化植被土壤覆蓋封閉等技術難題，通過對矸石清運，矸石堆放，邊坡覆土，排矸道路，排水溝和綠化工程的技術研究，摸索徹底實現煤矸石等固體廢棄物無害化處理的實施方案。最終通過治理技術研究，總結成果，形成矸石場環境治理工程的施工工法，為山西省大量的矸石治理和生態恢復提供技術示范，為同類工程的質量控制和造價清單組成以及竣工驗收提供試驗依據。

關鍵詞：煤矸石，生態環境恢復治理，自燃，示范

文章編號：2095-4085（2020）02-0080-04

1?項目概況

1.1?本次礦山生態環境恢復治理的設計原理

經過多年開采的煤礦，基本上都是煤矸石堆積如山。矸石山不但占用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物會污染大氣和水源，造成嚴重的后果，其中所含的含鐵物質易被緩慢氧化，放出大量熱量可以促使煤矸石自燃，并且普遍存在潰壩，塌方等地質災害隱患。

據有關媒體報道過，山西省有24%左右的國土面積為“采空區”，采空區的形成，除了被消耗掉的煤炭，還有就是大量的地面煤矸石。全省的矸石治理和生態恢復，已經形成數百億元的巨大市場。其中，大同地區就是典型的代表性地區。

本次礦山生態環境恢復治理試點示范工程，大同李家窯礦山生態環境恢復治理項目，是大同地區首批開展的煤矸石礦山治理試點工程。根據該項目可研報告和批復內容，將礦區內7個原有矸石場矸石清運至黃家山新建矸石場內，并進行規范化集中堆置和封閉處理。黃家山新建矸石場選址在一座空曠山谷，需要用卡車將矸石運送到現場后逐層傾倒，再用推土機把矸石推平，每堆放一定厚度矸石層充分碾壓密實，有效防治矸石沉陷。在各層矸石層間，覆蓋一層一定厚度的密實黃土，使層間隔絕空氣，預防由于矸石內部熱量積聚，未來可能引起矸石自燃。

1.2?工程體量和治理目標

七個原有矸石場總共需要清運的存量矸石大約800000m3，將它們集中堆置在黃家山新建矸石場后，為避免次生地質災害和為恢復環境生態創造條件，還需要建設谷底部的排洪涵管，堆場四周攔洪壩，攔矸壩，分區壩和上游的消力池等配套構筑物，達到新建綠化植被把矸石場被永久覆蓋的最終目的。

堆場邊坡每堆高一定高度，造一個馬道的“臺階”平臺，內側修建橫向的硬化防滲排水支溝，整個矸石場周圍修建豎向的硬化排水防滲主溝，防止坡面匯水沖刷造成黃土流失。

矸石場坡面形成不小于1 ∶2.0的永久坡度，杜絕長時間表面積水可能帶來的局部下陷，如果形成分散空洞，就會有將矸石層暴露在空氣富氧環境的嚴重后果。

平整壓實后的矸石場表面，再填厚度較大黃土封層，在黃土封層上攤鋪相對松散的種植土，進行綠化栽植。隱蔽矸石，形成綠化環境才是本次生態恢復的最終目標。

待運矸、堆載和綠化工程完成以后，將臨時道路和“臺階”平臺按照普通道路進行修建，為將來的維護和運輸創造條件。原有矸石場的矸石清除治理后，對原表面采取填土和綠化植被恢復措施。原來鋪天蓋地的矸石山，完全變成緩坡的綠地，本次的生態恢復治理才算完成。

2?工程難點和關鍵點的處理策略

2.1?煤矸石分層處理（圖1，2）

煤矸石表面粘附著一定量的煤，內部夾雜低含量的煤是正常情況，所以存在一定的可燃性。煤矸石在含水量較高時，強度降低明顯，導致容易變形，穩定性非常差，因此每層矸石的厚度不宜過大。

設計要求“通過過試驗指導施工分層厚度”。所以壓實后的矸石層需要通過進行現場重型標準擊實試驗，含水量試驗，液塑限試驗等，其試驗的方法和土工試驗方法相同，委托有資質的第三方進行試驗，并出具試驗報告。

最后將每層的煤矸石最大厚度確定在1.0m之內。為保證煤矸石的壓實度，我們將大于200mm的矸石塊進行破碎處理。可能是因為多年積壓造成矸石層含水量太大，體量大到無法晾曬處理。五個月以來，通過人工壓實和壓路機壓實處理，矸石層壓實度試驗的最大值只能達到93%左右，最終確定92%為壓實度合格標準。壓實時，壓路機選用30t的滾筒式振動壓路機，靜壓2遍后再強振不少于2～3遍，使較大塊狀的煤矸石基本上完全能破碎后達到壓實效果。在晴朗干燥的天氣條件下，壓實過程中要噴灑適當的水，噴濕程度以不揚塵起灰的潮濕程度為準，灑水應該在碾壓前1～2h完成。碾壓直到表面無明顯輪跡，不出現松散和軟彈等現象，達到表面光潔密實，形成板體的標準。

2.2?黃土封（夾）層的處理（圖3，4）

矸石始終是屬于比較酥松的物質，將細粒黃土夾層處于矸石分層之間，起到分隔和封閉矸石層的作用，降低矸石層的空氣含量，確保矸石層不會形成緩慢氧化的條件。

黃家山矸石場周圍黃土豐富，取土條件很好，運距全部都不超過800m。這些黃土屬于細粒式原土，濕陷性雖然不大，但為防止流失和保證作為“封層”結構的黃土，必須采用重型機械壓實處理。

為確保黃土不會濕陷，矸石層的灑水量要控制得當，不能浸泡下層黃土隔離（封）層，不給黃土可能的濕陷提供任何條件。從去年3月份開工以來，經歷了兩個雨季，目前沒有任何明顯的沉降發生！

我們將黃土層的厚度控制在不小于300mm，壓實度一直在95%以上，填實了矸石表層的縫隙，這樣就能保證矸石層之間不會有任何接觸。

2.3?綠化種植（圖5～7）

為了確保對矸石層的永久性覆蓋，我們在新矸石場修筑完成后的最上層的封層，厚度達到1000mm，壓實度達到95%，確保覆蓋嚴實，另一方面，為了保持黃土表層的穩定性和種植需要，我們再在最上層黃土封層上面覆蓋了1200mm的種植土層，堆載后用挖掘機進行機械攤鋪，攤鋪的厚度最小處不小于1200mm，完全滿足種植的要求。

植被恢復的坡面上采用灌草混交的方式進行綠化，灌木選擇紫穗槐，草類選擇紫花苜蓿。馬道及平合上采用喬草混交的方式進行綠化，喬木選擇刺槐，草類選擇紫花苜蓿。

栽植主要以今年的4～6月春季和8月的初秋為主，由于該礦區造林地的立地條件差，所以要求栽前澆足坐窩水，栽后立即澆一次透水，埋土覆蓋拍實。針葉樹大苗全部帶原土坨栽植，土球直徑不小于冠徑的1/3，栽前對苗木進行分級，栽種時對根部采用施撒“根寶”保水劑等技術措施。

2.4?完善排水設施（圖8～10）

對于這種人造土石構造，避免水土流失是十分必要的，也是最重要有效的保障措施。

在新建矸石場的原有山谷底部，采用雙排φ2000厚壁的鋼筋混凝土管涵，滿足當地百年不遇洪水的泄洪能力，在新建矸石場綠化后的場地內，采用的縱橫貫通的排水溝有組織解決地表水的排放，防止大量積水的滲透破壞。

在每層的馬道平臺里側，設置坡度不小于3%的橫向排水支溝，匯流后流入兩側豎向的主邊溝，邊溝坡度順矸石場坡向設置，橫縱向排水溝與排水邊溝頂部平接。

排水邊溝及橫向排水溝的地基夯實后，每隔25m要設置30mm寬度的變形縫，變形縫里夾30mm后的擠塑聚苯板，表面再用30mm～50mm厚度的改性瀝青防水膏進行防水密封。

在所有排水溝的內側表面，統一采用1 ∶2水泥砂漿分次抹面處理，抹面厚度不小于20mm厚，避免排水溝在過水過程中產生滲漏，留下塌陷隱患。

3?施工過程的注意事項

（1）對于在7個舊的矸石堆場和新建堆場之間的交通道路，按照一般鄉村道路修筑，沒有特別的不同技術，在這里不再進行贅述。

（2）本次施工，延續約兩年時間，期間經歷了兩個雨季。這種矸石山的治理期間，交通運輸條件和材料條件都極易受天氣影響，特別是雨天。道路被中雨沖刷容易造成溝壑，造成交通中斷，所以小到中雨天氣必須停工撤離施工人員。原有的矸石堆場比較松散，在矸石山的挖除移運時，要有防止坍塌的措施。

（3）黃土取土場要有序有規劃地進行取土，取土后的土坡也要進行綠化恢復和覆蓋，保證沒有水土流失的隱憂。

4?矸石生態環境恢復治理工程試點總結

本工程因為關鍵工序把握得好，基本都是一次成優的完成，質量成品獲得各方好評。

兩年以來，該試點工程的安全，質量管理一直得到建設和監理單位的高度贊揚，特別是工程完工后，徹底消滅了李家窯煤礦十幾年以來形成的七座矸石山，變成了綠意盎然的的風景。該試點工程成功以后，建設單位主動將二期的其他配套工程交由我公司施工。

本工程基本沒有質量返工情況，成本控制按照策劃執行，該示范工程的經濟和社會的效益都取得理想成果。這樣的結果，更利于推動省內大量的矸石場環境治理生態恢復工程的實施，也為該類工程提供了技術借鑒。

在開始施工階段，當地年紀較大的幾位村民多次進行各種阻撓，我們也多次通過派出所進行說服和調解，甚至對個別根本不聽勸阻的村民采取過拘留留置處理。

在綠化種植階段，我們也雇請當地村民參與該工程，那時他們的態度很快就緩和了，待我們將7個原來的矸石山徹底變成綠色的"草原"后，當地所有村民們多次來參觀，幫忙，通過各種方式表達他們的"感謝"之情。

參考文獻：

[1]GB/T50123-2019，土工試驗方法標準[S].

[2]HJ 652-2013，環境保護部科技標準司《礦山生態環境保護與恢復治理方案（規劃）編制規范（試行）》[S].