北方無自燃煤矸石山生態(tài)治理技術初探

蘇光瑞，趙方瑩，李勝剛

(北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，北京 100192)

1 無自燃煤矸石山的危害

煤矸石作為煤礦生產過程中產生的廢棄物，是指煤礦在開拓掘進、采煤和煤炭洗選等生產過程中排出的含碳巖石，產量一般占原煤產量的10%～20%[1]，由于利用和消納途徑有限，煤矸石基本是露天堆放，逐漸形成煤矸石山。

煤矸石長期露天堆放，易發(fā)生化學風化作用，經過雨水淋溶，其中含有的重金屬(如鉻、砷、鉛等)極易進入土壤和水體，進而污染土壤、地表水和地下水，影響植物正常生長，同時也影響居民生產生活。煤矸石在運輸、堆放及表層風化過程中，會產生揚塵，并增加大氣中細顆粒物(PM2.5)含量，導致可吸入顆粒物的濃度增高[2]。

經人工堆積的煤矸石山，山體過高且坡度很陡，結構不穩(wěn)定，在暴雨等外力作用下易發(fā)生坍塌、滑坡等災害，造成嚴重的水土流失，直接或間接地危及居民的生命和財產安全，同時造成難以估量的經濟損失和環(huán)境污染[3]。此外，煤矸石山占用大量土地，破壞景觀。堆積形成的黑褐色煤矸石山，與周圍環(huán)境形成了鮮明的對比，大量粉塵使得建筑物蒙上黑灰，影響城市形象，對社會、經濟的可持續(xù)發(fā)展也造成了嚴重影響[4]。因此，加強煤矸石山的生態(tài)治理具有重要意義。

2 北方無自燃煤矸石山生態(tài)治理技術

2.1 頂部機械平整

對凹凸不平的煤矸石山頂部進行機械平整，以便后續(xù)覆土綠化。平整后頂部中間略高，四周略低，整體坡面向坡頂截水溝傾斜。

2.2 坡體整理

煤矸石山高度和坡度均較大，極其不穩(wěn)定。因此，煤矸石山生態(tài)治理首先應進行坡體整理，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，以便后續(xù)構建排水系統(tǒng)、實施防護措施和恢復植被。坡體整理首先需對表層浮矸、危矸進行清理，然后對坡長較長、坡度較陡區(qū)域進行“隨坡就勢”整理，主要環(huán)節(jié)包括坡體分級、坡度調整、坡面平整等。坡體分級一般10～15 m為一級，并設置2 m寬分級馬道(施工時，根據地形適度調整)，坡度調整到30°以下。

2.3 構建柔性截、排水系統(tǒng)

在對煤矸石山坡體進行整理的基礎上，構建良好的截、排水系統(tǒng)，才能防治矸石流失，確保坡體穩(wěn)定。坡體上修建截、排水系統(tǒng)，主要作用是有效排導坡面徑流，減少雨水沖刷、下滲，從而減輕降水對坡體的危害。截、排水系統(tǒng)由坡頂截水溝、分級馬道排水溝、坡面急流槽和坡腳排水溝四部分組成，用不透水的柔性材料修筑和包覆，以防矸石山不均勻沉降造成斷裂，可采用土工布+生態(tài)植被袋等柔性材料構筑(圖1)，避免用鉚釘固定等。斷面可采用梯形、U形等，斷面尺寸根據匯水面積、降水強度、降水歷時等計算確定，排水方向、坡度依據地形調整。

圖1 柔性排水溝工程

2.4 構筑柔性坡腳防護體系

煤矸石山坡體具有不穩(wěn)定、易沉降變形的特點，坡腳采用剛性防護措施易斷裂、損壞。因此，矸石山坡腳防護體系的構筑以柔性措施為主。可在分級馬道(平臺)坡腳錯層碼放生態(tài)植被袋，形成頂寬30 cm、高45～60 cm小擋墻(施工時，根據地形適當調整)，以穩(wěn)固坡面。為防治坡體進一步向外圍擴張，可在矸石山最下緣坡體坡腳設置鉛絲籠+生態(tài)植被袋(鉛絲籠內碼放生態(tài)植被袋)擋墻，必要時形成臺階式擋墻。

2.5 構建柔性坡面防護體系

2.5.1 生態(tài)植被袋護坡

生態(tài)植被袋柔韌性好，不易斷裂，可以承受較大范圍的變形而不坍塌，可避免由于基礎變形引起的工程防護措施破壞[5]。坡面穩(wěn)定整理后，依據坡度和穩(wěn)定程度，在局部較陡(坡度1∶1～1∶4的矸石山坡面)的不穩(wěn)定區(qū)域設置生態(tài)植被袋護坡。生態(tài)植被袋選用可降解的纖維材料加工縫制，內填人工調配的土壤基質(種植土+矸石)，封口后按照坡面防護要求碼放。

圖2 生態(tài)植被袋護坡工程

2.5.2 鐵絲網+錨桿穩(wěn)定

為穩(wěn)固坡面矸石，保障生態(tài)植被袋坡面防護效果，在布設生態(tài)植被袋護坡區(qū)域鋪設鍍鋅鐵絲網，再采用錨桿固定，以加強坡面的穩(wěn)定性。鐵絲直徑不小于2 mm，網孔5 cm×5 cm，網片之間的搭接不小于10 cm，并保證平整、到位、不留漏洞；沿坡面按1 m×1 m的間距呈梅花形打入錨桿，錨桿材質為φ16～18 mm的螺紋鋼，長1.5～2.0 m，錨固深度≥0.6 m，錨桿外露端與鐵絲網緊密連接固定。

2.6 構建人工土壤層

土壤層是植被賴以生存的載體。煤矸石山基本沒有土壤層，因此需要人工構建滿足植被生長的土壤層。可采用專用基質配方材料與當?shù)胤N植土、粒徑合適的矸石調配成人工土壤層；再通過生態(tài)灌漿、覆蓋、填充、高壓噴附等使人工土壤層附著在矸石坡面上，形成10～30 cm厚的植物生長土壤層。

2.6.1 客土覆蓋

把客土從煤矸石山頂部開始直接覆蓋到矸石山表面。矸石山頂部覆蓋厚度1.0 m左右，坡面覆土0.5 m左右。客土可采用污泥、園林廢棄物、生活垃圾等處理后的產物或其他項目剝離表土，減少取客土對其他區(qū)域土壤層的破壞。

2.6.2 生態(tài)灌漿

對由塊狀矸石構成的空隙大、不陡于1∶1.5的坡面，可采用生態(tài)灌漿技術構建植被生長層。生態(tài)灌漿是將有機質、肥料、保水劑、黏合劑、壤土等合理配比后，加水按照一定的比例攪拌成漿狀，然后利用高壓噴射設備對矸石坡面進行灌漿、振動、搗實，使塊狀空隙充盈、填實，達到防滲并穩(wěn)定坡面的目的[5]。施工時應注意漿液中水的比例不宜過大，否則可能引起坡面滑塌。

2.6.3 生態(tài)基材噴附

對坡度45°～75°的穩(wěn)定煤矸石坡面，可采用生態(tài)基材噴附技術構建10 cm左右植被生長層，該技術是將有機質、保水劑、黏合劑、土壤改良劑、緩效肥等材料，配置成核心基質材料，再根據施工現(xiàn)場可利用土源和土壤質地條件，對基質進行二次調配，通過高壓噴射系統(tǒng)將植物生長基質噴射到工程實施的區(qū)域，營造植物生長條件[5]。施工中應盡可能從正面自上而下進行噴射，避免仰噴。

2.7 構建植被層

2.7.1 植物選配原則

選配的植物應能在自然條件下生長、繁衍，不需人工輔助。應根據植物的生物學特性和煤矸石山的立地條件，以及當?shù)氐臍夂颦h(huán)境、鄉(xiāng)土植物種類等確定植物種，并且通過科學合理配比，構建穩(wěn)定的植被群落。主要選配原則為：①植物的生物學特性與立地條件相一致，適地適樹；②抗逆性強、養(yǎng)護成本低、根系發(fā)達、生態(tài)適應性強；③以各類灌木為主，搭配一定比例的喬木和草本，避免植物品種單一；④先鋒植物與目標植物相結合；⑤根據項目區(qū)實際情況考慮一定景觀功能需求。

2.7.2 適合北方無自燃煤矸石山生態(tài)修復的植物品種

通過查閱文獻資料及工程實踐，以下植被可作為北方煤矸石山生態(tài)治理的優(yōu)選植被：落葉喬木可選擇榆樹、刺槐、臭椿，常綠喬木可選擇側柏、油松；灌木可選擇紫穗槐、檸條、山皂莢、酸棗、胡枝子、黃刺玫、山桃、山杏；草本可選擇馬齒莧、鬼針草、沙打旺、紫花苜蓿、黑麥草、高羊茅[6-7]。

2.7.3 植被恢復

(1)煤矸石山頂部苗木栽植。矸石山頂部覆土1 m，穴狀整地后栽植喬木榆樹、油松、刺槐、側柏、臭椿，灌木紫穗槐、檸條、黃刺玫等，喬木株行距3 m×3 m，灌木株行距2 m×2 m，穴內及其他空地按15 g/m2撒播波斯菊、沙打旺等草籽。

(2)坡面種子層噴附。將選定的植物種子按設計規(guī)格混合，攪拌均勻，再在混合種子中加入一定比例的綠化基材、種植土、纖維等，采用移動式液力噴射機，用鴨嘴噴槍直接噴射。在噴射完成的基質上，噴播含有灌木種子的基質2～3 cm。

(3)生態(tài)植被毯技術。生態(tài)植被毯技術是利用人工加工的復合防護毯結合喬灌草種子進行坡面防護和植被恢復的技術方式，適用坡度不大于堆積物自然安息角的穩(wěn)定坡面。生態(tài)植被毯是以稻草、麥秸等為原料，在載體層添加喬灌草種子、保水劑、營養(yǎng)土等生產而成。含種子層的生態(tài)植被毯，一般結構從上到下分上網、植物纖維層、種子層、木漿紙層、下網五層[8](圖3)。

圖3 含種子層生態(tài)植被毯結構

生態(tài)植被毯種子層中的喬灌草植物種子的選配、單位面積播種量參數(shù)等根據工程所在項目區(qū)氣候、矸石山立地條件、植物生長習性等情況確定。鋪設時應與坡面充分接觸并用U形鐵釘或木樁固定，毯與毯之間要重疊搭接，搭接寬度10 cm。

2.8 鋪設保護層

鋪設保護層的主要目的是保護種子萌發(fā)和幼苗生長，保障植被恢復效果。在種子層噴附或撒播完畢后，在噴附或撒播種子的區(qū)域覆蓋保護材料，既可以穩(wěn)固表層土壤，增加地面粗糙度，減少坡面徑流量，減緩徑流速度，減輕雨水沖刷，減弱陽光曝曬，減少水分蒸發(fā)，保墑，防止鳥類啄食，保護種子萌發(fā)，又可以在種子發(fā)芽后降低地表溫度，促進幼苗生長。保護層材料可用生態(tài)植被毯或無紡布，鋪設量為每平米噴附區(qū)域鋪設1.2 m2，用木樁或竹片固定接縫、周邊及中間，防止風力損害。同時，鋪設前可在草毯中加入營養(yǎng)土、保水劑等，為種子出苗、生長提供基礎條件。

2.9 灌溉系統(tǒng)

矸石山植被恢復過程離不開灌溉。根據矸石山立地條件，以噴灌為好，可利用矸石山的噴淋系統(tǒng)，將水輕柔、均勻地噴灑到矸石山坡面上。沒有灌溉設施的需修建灌溉系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)一般由水源、水泵、輸配水管網等組成。

2.10 后期管護與人工調控

撫育管護在植被恢復過程中是個非常重要的技術環(huán)節(jié)。俗話說“三分栽，七分養(yǎng)”，通過對植被的合理管護，可以保證植被的成活率、生長繁殖更新順利進行，還可以為植物生長適時創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，加快成林速度。

煤矸石山植被恢復后期的管護重在灌溉、補植和追肥，檢查出芽率、覆蓋率等，及時補植；為利于植物自然演替，不除雜草；在植被層初步形成后，通過后續(xù)人工調控管理，營造以灌木為優(yōu)勢物種的穩(wěn)定植被群落。

3 結 語

煤矸石山生態(tài)治理是一個長期且復雜的過程，投資大、見效慢、不易成功。因此，煤矸石山生態(tài)治理措施的設計應根據煤矸石山的特點、所處區(qū)域環(huán)境、周邊場地大小、土方運輸距離等綜合考慮，設計適宜的治理措施，且應以“柔性措施”為主，適當輔以工程措施，植物應以鄉(xiāng)土灌木為優(yōu)選種。