煤礦矸石山綜合治理方案的應用與研究

劉志永，藺哲淵

（山西焦煤西山煤電集團設計院（有限公司），山西 太原 030024）

據統計山西省矸石山堆存量占全國總量的三分之一，大多數矸石山在堆置過程中采取的防止自燃措施不夠或沒有采取措施。矸石場長期裸露堆放，發熱速度大于散熱速度，造成熱量積聚，最終導致自燃。在此過程中矸石山排放出CO、SO2、H2S 和NO2等有害氣體，同時伴生大量煙塵。降雨后，矸石山雨水下滲，產生大量淋溶液，進入地下水，對當地水資源及土壤等生態環境造成極大的影響[1]。在環保和安全并重的新形勢下，對煤礦矸石山進行綜合治理，可以從根本上杜絕矸石堆放后期發生自燃和淋濾作用對大氣環境、地下水資源和土壤的污染。

1 礦井概況

正利煤業生產能力2 000 kt/a，主要可采煤層為4-1號煤、4 號煤、7 號煤和9 號煤，均位于石炭系上統太原組，地層傾角為4°～10°。井田位于山西省呂梁山脈蘆芽山南部丘陵區，屬典型黃土梁峁地貌。地勢南高北低，最低海拔1 148.2 m（嵐河河谷），最高海拔1 354.2 m（井田西南角），一般標高+1 200～+1 300 m。井田中部的嵐河屬黃河流域汾河水系。汾河源于寧武管涔山，由東寨經靜樂向南，在本井田東南注入汾河水庫。

2 矸石山選址

原矸石山堆置區位于嵐河南側溝道，整體為自南向北產生匯水的季節性溝谷，與嵐河河谷之間有地表分水嶺相隔，最小直線距離約500 m，沿溝谷匯入嵐河，長度約2.0 km，匯入汾河水庫水源地一、二級保護區距離分別為12.5 km、4.7 km。

由于原矸石山堆置區臨近匯水的季節性溝谷，該匯水流入嵐河，并最終匯入汾河，影響嵐河、汾河水庫水源地水質，造成水資源和土壤的污染，故需要重新選擇矸石山堆置區。

經過對礦區周邊環境分析，擬選矸石山堆置區位于正利煤業工業場地西南側2.5 km 處王家溝、陳家渠溝內。該場區長約3 942 m，溝寬20～200 m，深10～100 m，總占地約25.6 公頃，容積355 萬m3。

正利煤業排矸量約389.6 kt/a，占地規模按三年考慮將堆置1 170 kt，封場標高為1 246 m；考慮對現有土地資源充分利用，可服務年限為12.4年，將堆置4 828 kt，封場標高為1 295 m。矸石山局部（1216 平臺及1256 平臺）地形見圖1。

圖1 矸石山1216 平臺及1256 平臺地形

3 矸石山綜合治理總體方案

3.1 原矸石山堆置方式分析

正利煤業原矸石山主要采用分層自然堆置的方式，對矸石進行包被覆蓋，并對其表層進行綠化。盡管該種堆置方式是目前煤礦最常采用的方法，但是經過近些年的實際應用，出現一系列問題[2]。

（1）由于采用自然堆置的方式，則矸石會從高處發生滾落，并且大小粒徑不同的矸石就會在此過程當中發生自然分選的現象，其中粒徑較小的矸石會留在矸石山上層，而粒徑相對較大的矸石則會滾落到其下層。這就出現了矸石級配差現象，從而導致矸石之間空隙發育豐富，據不完全統計，其孔隙率可達18%～31%。

（2）松散矸石長期堆置時，其包被覆蓋層會隨矸石滾落、矸石山下沉而出現下滑，使得矸石再次暴露在空氣當中，形成煙囪效應，此時矸石山具有再次復燃的安全隱患。

（3）松散矸石長期堆置時，隨著矸石滾落以及矸石山下沉，矸石山每一級馬道截排水系統和擋墻等剛性構筑物將會出現堵塞甚至被破壞，如遇降水量較大等情況，隨著大量地表水的侵入，松散裸露的矸石山將會造成水資源和土壤的污染，并且矸石山還具有嚴重下沉甚至形成泥石流的安全隱患[3]。

3.2 矸石綜合治理總體方案

以往矸石山不合理治理方案導致了自燃、下沉、泥石流等現象，前期自然堆填方法不科學及后期維護措施不利，導致投入大量人力、物力、財力，用于矸石山自燃、污水和泥石流等災害治理，因此需要制定出一套科學合理的矸石山綜合治理方案。

采用表層噴漿和深部土矸攪拌壓密方案，防治矸石山堆放后期產生自燃，在表層覆土綠化，以此還原、優化生態環境。將被動治理方案轉變為矸石山堆置過程中的主動綜合治理方案，采取綜合措施從源頭上避免影響矸石山治理不利因素的出現，并在后期加強對矸石山治理的定期檢查，及時發現治理問題、消除安全隱患，達到保證煤礦矸石山安全無隱患、綠色無污染的目的。

3.3 矸石堆置方案

（1）頭道壩及第一級平臺堆置

依據地形及地界資料，排矸場區設計攔矸壩頂標高+1 216 m，在壩體后部由里向外分層堆置矸石層、黃土層、土矸攪拌層、噴漿封閉、黃土碾壓以及熟土覆蓋等至+1 216 m 標高處。煤矸石進行碾壓堆置，壓實系數≥0.90，每碾壓堆填厚度4.5 m，覆蓋黃土0.5 m，壓實系數≥0.93，以防止矸石山自燃隱患。堆填工程尾聲，按設計進行土矸攪拌及噴漿封閉，用以生態恢復，形成第一級平臺。

圖2 矸石山治理后坡面

（2）構筑后續臺階

從擋墻位置向后退5.0 m，形成第一級馬道，并以此為第二級平臺的坡腳，由溝底向外按設計繼續堆放，第二級及后續平臺堆填高度為5.0 m，馬道寬度為3.0 m，邊坡坡度為1:1.5。依上述方式逐次修筑各級平臺，形成階梯狀坡面，邊坡坡體應安全穩定，并采用柔性護坡、生態治理方案，以有效應對不均勻沉降，防止雨水沖刷。矸石山治理后坡面見圖2。

按長期運營考慮，場地封場標高為+1295 m，最終形成1295 大平臺，平臺面積196 200 m2，約合295 畝。全場共計15 階護坡，4 個平臺（1216 平臺、1256 平臺、1280 平臺、1295 平臺），13 條馬道。各平臺沿周邊布置排水溝，通過每階護坡、平臺及初級壩邊引向壩前消能池，消能池可以減少匯水對下游溝道的沖刷，長寬均為10 m，深度為1.5 m；頂部平臺外側及每階護坡腳邊橫向排水溝引向縱向排水溝。

（3）土矸攪拌及噴漿封閉

堆填工程尾聲，在設計坡面線垂直向內3 m 范圍內采用土矸攪拌土矸體積比例3∶7 進行堆填，并在形成的矸石坡面采用粉煤灰或黃土、水泥按體積比例為2∶1 進行充分混合，再將混合物與水攪拌制成濃度為15%～20%的惰性噴漿材料進行噴射封閉，現場以粉煤灰漿液不再下滲為準，達到充填表層孔隙、阻隔空氣的效果。完成后在馬道及坡面覆蓋0.5 m 厚黃土，輾壓覆蓋，形成對整個矸石山的包被，之后在覆土包被上覆蓋0.3 m 厚熟土，用以生態恢復[4]。

3.4 排水系統

排水系統是由平臺截水、馬道柔性排水（橫向排水溝）、坡面剛性排水（急流槽）構成的立體排水系統。馬道柔性排水溝見圖3。

圖3 馬道柔性排水溝

坡面剛性排水溝見圖4。

圖4 坡面剛性排水溝

3.5 監測系統

將正利煤業矸石山治理區邊界范圍作為本次監測網布置范圍，主要包括邊坡監測、支擋工程監測、排水工程監測等方面。由于矸石區地形條件相對簡單，通視條件較好。觀測點上水平位移的觀測，采用三方向交會的測角前方交會法、測距導線法、兩方向的測角測邊兩測線交點法以及測線支距法。由于不穩定斜坡區高差較大，沉降量的觀測采用幾何水準測量方法工作量太大，故沉降量觀測采用電磁波測距三角高程測量的方法確定[5]。

4 工程效果分析

2018年8月份，正利煤業矸石山綜合治理工程完工后，對其開始進行監測。到2020年1月為止，監測結果顯示矸石山治理工程平臺及坡面完好未被破壞，矸石山未發生自燃現象。矸石山4 個平臺豎直方向2018年8月與2020年1月高差對比情況見表1。

表1 治理前后矸石山四個平臺豎直方向沉降量對比情況

5 結語

監測系統數據顯示治理前后矸石山四個平臺沉降量基本穩定在0.2 m 左右，表明該此煤礦矸石山綜合治理工程項目取得良好的技術效果，有效地解決了矸石山堆置對土壤、地表水和地下水的污染以及發生自燃隱患的實際問題。