陜北黃土高原地區(qū)煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)及應(yīng)用

姬永濤，李小剛，2，侯懷勇，常光鋒

(1.陜西天地地質(zhì)有限責任公司，陜西省西安市,710054；2. 中南大學土木工程學院，湖南省長沙市，410083)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和國家經(jīng)濟實力的不斷提升，我國在環(huán)境保護方面的標準也在不斷提高。煤礦在開采過程中排出的煤矸石量約占到煤炭開采量的12%，已成為我國累計堆積量和占用場地最多的工業(yè)固體廢棄物之一[1-2]。采用科學的方法對煤矸石進行高效地處置，可以有效地解決煤矸石產(chǎn)生和堆放方面出現(xiàn)的環(huán)保和安全隱患等問題，并減少污染及次生災(zāi)害的發(fā)生。目前，煤矸石排放產(chǎn)生的污染對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響較大,主要體現(xiàn)在影響植被恢復(fù)和破壞植物生長基質(zhì)等方面[3]，同時大量煤矸石的堆放以及煤矸石山的自燃，對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境也易造成較大的危害及引起對大氣的污染[4]。因此，對煤矸石進行合理有效地處置，可實現(xiàn)煤矸石減量化、資源化、無害化的目的,也可實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[5-6]。

目前我國的工業(yè)固廢主要分為一般工業(yè)固體廢物和危險廢物，而煤矸石本身的性質(zhì)不具備危險特性，屬于一般工業(yè)固體廢物[7-8]。煤矸石作為固體廢棄物，采用堆貯處置消納的方式是消納煤矸石的有效方法之一。在煤矸石堆貯處置消納過程中，煤矸石是以堆矸的方式自上而下進行傾倒，極易引起粉塵污染以及其他次生危害；若在施工過程中機械設(shè)備無法對其碾壓密實，還易滯留大氣降雨所帶來的雨水，致使堆矸場發(fā)生不均勻沉降或塌陷，引發(fā)二次安全事故[9-10]。

筆者結(jié)合陜北黃土高原地區(qū)涼水井煤礦煤矸石處置場的地質(zhì)條件和現(xiàn)場情況，闡述了煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)及具體應(yīng)用，以高效、經(jīng)濟的方式解決煤矸石處理過程中遇到的矸石堆放、土地占用、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等各種問題，并可為同等礦山條件下固體廢物的處置提供借鑒。

1 煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)介紹

煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)的應(yīng)用是對煤矸石進行科學堆放、處置和消納的過程，該技術(shù)釆用自下而上的方式堆貯煤矸石，并使用專用機械設(shè)備在堆矸面進行分層碾壓堆貯[11]，在作業(yè)過程中采用填筑單元升層法，即通過具有同樣高度的一系列相互銜接的填筑單元，構(gòu)成一個整體平面升層的過程。

煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)每次堆貯煤矸石的壓實厚度基本控制在0.5 m左右，當堆矸厚度為4.5 m時，在煤矸石表面再覆蓋厚度為0.5 m的黃土。采用本方法處置煤矸石的堆放場地應(yīng)根據(jù)堆放需求逐漸擴展，充分利用堆矸場周邊的相關(guān)資源，減少運輸量和運輸距離，避免二次搬運，節(jié)約成本。隨著堆貯高度的不斷增加，需要在處置場底部設(shè)置滲濾液收集管道，將處置場底部聚集的滲濾液及時導(dǎo)排至處置場外部，此舉有利于提高處置場邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。

排矸場地的排矸系統(tǒng)由配套攔矸壩、截水和排水工程、監(jiān)測及防護工程、雨水收集及污水處理等設(shè)施組成。常規(guī)煤矸石堆貯釆用的處置工藝為自下而上的方式分層攤鋪碾壓，隨著堆貯的不斷推進逐步完善截、排水系統(tǒng)等相關(guān)配套工程設(shè)施，后期還需要對堆貯煤矸石坡面及時實施防護綠化工程。模擬的煤矸石最終堆貯效果如圖1所示。

圖1 模擬的煤矸石最終堆貯效果

由于該工藝成本低、操作簡單，目前已廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、化工、火電等行業(yè)的一般工業(yè)固體廢物處理。陜北黃土高原地區(qū)煤炭資源豐富且產(chǎn)能高，由此產(chǎn)生的煤矸石量巨大，但是由于黃土高原地區(qū)氣候干燥，因此在使用該工藝時要特別注意煤矸石的大量堆貯引發(fā)的坍塌和自燃等一系列問題。

2 矸石處置場改擴建工程概況

2.1 工程地質(zhì)條件

涼水井煤礦位于陜北黃土高原地區(qū)北部，屬丘陵溝壑區(qū)。地勢總體呈西部高東部低、中部高南北部低的特點，區(qū)域?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍練夂蚝洌募練夂蜓谉幔瑫円箿夭畲螅瑲夂蚋稍铮邆涠奄A煤矸石發(fā)生自燃的各種條件。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露情況可知，該煤礦選取的煤矸石堆貯場地土層自上而下依次為細砂層、粉質(zhì)粘土層、粉土層和粉質(zhì)粘土層。勘察場區(qū)范圍內(nèi)分布的地下水，屬第四系潛水類型，埋深3.2～11.9 m，標高 1 217.56～1 230.97 m，該地下水場地基土(粉細砂)不易液化。

2.2 矸石處置場現(xiàn)狀

為了保護礦區(qū)環(huán)境及保證涼水井煤礦的正常生產(chǎn)，還要持續(xù)消納產(chǎn)生的煤矸石，因此需要對現(xiàn)有的煤矸石消納處置場進行綜合治理。隨著煤矸石排放量的增加，處置場現(xiàn)有的配套設(shè)施建設(shè)已不再能夠滿足截、排水、邊坡穩(wěn)定、防塵降塵等需要，容易引起污染和二次災(zāi)害。特別是雨季，暴雨的沖刷極易引起煤矸石坡面滑坡和垮塌等現(xiàn)象，而雨水的下滲極易導(dǎo)致滲濾液增加，污染土壤和地下水，同時還極易引起處置場內(nèi)的不均勻沉降，對后期正常的排矸堆貯作業(yè)產(chǎn)生嚴重影響。煤矸石堆貯場綜合治理前現(xiàn)場實景如圖2所示。

圖2 煤矸石堆貯場綜合治理前現(xiàn)場實景

2.3 解決措施

結(jié)合該煤礦的地形地貌和地質(zhì)條件采用煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)，該處置場的煤矸石堆填作業(yè)方式根據(jù)“從下至上、逐層碾壓”的堆填原則，釆用分層平起后退法。煤矸石的堆放貯存作業(yè)工藝流程為：卸料、推鋪、壓實、降塵等。即轉(zhuǎn)運車將煤矸石運輸至處置場堆放區(qū)，在現(xiàn)場管理人員的指揮下，在確定的作業(yè)面上傾倒煤矸石，推土機將煤矸石推平后，由壓實機進行壓實處理，然后由灑水車進行灑水降塵。如此往復(fù)，直至終場。

按照煤矸石的堆填工藝，在每10 m的高度處，設(shè)置行駛寬度不小于5 m的一級運輸矸石的自卸汽車通道和坡面雨水收集疏導(dǎo)平臺，通過在處置場周邊設(shè)置截排水溝形成排水系統(tǒng)，將降雨形成的地表徑流排出處置場外。通過多次堆貯工序形成的堆矸臺階高度不高于10 m，臺階寬度不低于5 m，臺階坡率為1∶2。

為避免煤矸石面上大氣降水下滲在處置場底部聚集形成水膜，影響處置場整體的穩(wěn)定性，在處置場底部鋪設(shè)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)，以便及時快速地導(dǎo)排出底部聚集的滲濾液，提高處置場的穩(wěn)定性。

3 煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)的應(yīng)用

3.1 煤矸石堆貯

煤矸石由自卸卡車運輸至處置場對矸石進行堆貯，在卸料層面進行卸料時還應(yīng)該注意，晴天時車輛可直接在煤矸石堆體表面行駛，而雨天時為防止運矸車在堆體表面行駛中出現(xiàn)打滑的情況，可將煤矸石堆體表面稍作修整并為道路墊層，若已堆放的煤矸石強度不足時，應(yīng)臨時鋪設(shè)砂石或釆用水泥預(yù)制板加固堆體表面。

運輸煤矸石的自卸卡車在排矸道路及處置場卸矸過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒，極易對大氣環(huán)境造成污染，因此還需在處置場進行灑水降塵處理。每完成一次堆放工序時，都需及時進行降塵處理，防止粉塵污染空氣。

3.2 煤矸石處置

(1)攤鋪。每次攤鋪煤矸石厚度為0.40～0.45 m，傾倒的煤矸石以合理的厚度、平整度進行攤鋪，有利于煤矸石壓實工序的順利進行，保證設(shè)計壓實密度的實現(xiàn)，可有效利用處置場庫容。

(2)壓實。先由推土機攤鋪，再釆用壓實機來回碾壓3～4次，每次壓實必須有1/3以上的范圍覆蓋上次壓痕，壓實后的煤矸石容重應(yīng)不低于2 t/m3，壓實度不小于0.9。煤矸石的壓實可以有效地增加處置場的消納能力，延長處置場的使用年限，減少處置場的沉降量，不僅有利于煤矸石堆體的穩(wěn)定，還有利于增加堆積物邊坡的穩(wěn)定性，便于土地的后期開發(fā)和利用。對煤矸石進行有效壓實能夠增加處置場地的強度，防止發(fā)生坍塌、不均勻沉降等災(zāi)害，同時還能夠減少煤矸石孔隙率以及滲入煤矸石堆體中的降雨量，減少煤矸石滲濾液的遷移。壩體回填及壓實后的現(xiàn)場效果如圖3所示。

圖3 壩體回填及壓實的現(xiàn)場效果

在煤矸石處置過程中，為避免在卸車、攤鋪、碾壓過程中產(chǎn)生揚塵，應(yīng)根據(jù)氣候、溫度及風力等因素，使用防塵噴灑水車隨時灑水降塵。

3.3 滲濾液處理

該處置場中的煤矸石在消納過程中的滲濾液來源主要為降水下滲，同時受氣候以及周邊環(huán)境的影響，滲濾液不僅水量變化大，且無規(guī)律可循。因此在施工過程中，需要在處置場底部鋪設(shè)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3根50 mm軟式透水管組成，滲濾液收集管示意如圖4所示。

圖4 滲濾液收集管示意

煤矸石處置消納技術(shù)的實施可以防止?jié)B濾液聚集在處置場底部形成水膜后對處置場邊坡的穩(wěn)定性造成影響，作業(yè)面以外的雨水由平臺排水溝導(dǎo)排至截水溝后排向場外，減少雨水侵蝕排矸場底部，從而最大程度地減少矸石滲濾液的產(chǎn)生，減輕對地下水資源的污染。收集管道將滲濾液安全引流到處置場北部東西兩側(cè)的滲濾液收集池。此舉可以將滲濾液及時快速地導(dǎo)排到處置場底部，定期通過專門的汲水車將滲濾液回噴至處置場，達到降塵的目的。實際應(yīng)用中本辦法簡單、實用且經(jīng)濟。滲濾液收集池位置如圖5所示。

圖5 滲濾液收集池位置

滲濾液收集池與自然溝槽和其他水系等互不聯(lián)通，以防污染擴散。將煤矸石處置場底部導(dǎo)排出的滲濾液進行收集和處理，既節(jié)約水源，還可以減少對環(huán)境的污染，達到廢水零排放的目標。通過專用的汲水車再回噴至處置場內(nèi)的工作面，進行蒸發(fā)處理的同時還能起到防塵降塵的作用。

3.4 截、排水工程

該處置場附近整體地形較為平坦，整體地勢南高北低，區(qū)域內(nèi)以地表水為主。因此，該處置場不受河流洪水威脅，僅考慮場地內(nèi)澇影響。本項目區(qū)域內(nèi)的降雨多集中于7～9月，年均降雨量為436.7 mm，年均蒸發(fā)量為1 907.2～2 122.7 mm，是降雨量的4～5倍。

場區(qū)周圍及內(nèi)部設(shè)置截、排水溝，未污染的雨水經(jīng)截、排溝收集后導(dǎo)排至處置場外低洼處，達到雨污分流的目的。截、排水溝基本構(gòu)造示意如圖6所示。

圖6 截/排水溝基本構(gòu)造示意

在每一級平臺內(nèi)側(cè)設(shè)置平臺排水溝，平臺排水溝匯集水接至消力池。急流槽接至外部導(dǎo)流排水溝，將匯集水導(dǎo)排至排矸場范圍外。對現(xiàn)有邊坡刷坡完成后，沿現(xiàn)有邊坡坡腳及攔矸壩底部設(shè)置排水溝，主要用于保護坡腳不受雨水沖刷及收集導(dǎo)排部分坡面匯集水。

排水設(shè)施均采用C25混凝土預(yù)制塊修筑，平臺排水溝為0.4 m×0.4 m(高×寬)的矩形溝，底部排水溝為0.5 m×0.5 m(高×寬)的矩形溝，外部排水溝采用1.0 m×0.8 m(高×寬)的梯形溝，斜坡上急流槽釆用1.0 m×0.4 m(高×寬)的矩形溝，平臺段釆用1.5 m×1.5 m×1.0 m(長×寬×高)的消力池。

3.5 攔矸壩

從處置場整體穩(wěn)定性的角度出發(fā)，在新建矸石場的周邊應(yīng)修筑攔矸壩。新建攔矸壩壩頂中心線總長度為1 700 m，周邊修建截水溝，與現(xiàn)有排矸場周邊的截水溝順接，與排矸場坡面排水溝構(gòu)成排矸場的截、排水系統(tǒng)。

隨著降雨的入滲，邊坡材料的含水率逐步上升，這一過程中伴隨著煤矸石重度的改變，矸石間的吸附力也發(fā)生較大變化。在矸石堆填過程中，雖經(jīng)過壓實作業(yè)，但其顆粒間仍保持較為松散的結(jié)構(gòu)，在對煤矸石強度參數(shù)進行分析時，需要采用非飽和土強度理論進行分析處理[9]。隨著孔隙水壓力的不斷增大，煤矸石的基質(zhì)吸力在不斷減小，整體的抗剪強度降低，影響到了邊坡的穩(wěn)定及安全。煤矸石堆貯結(jié)束后，釆用厚度為0.5 m的黃土覆蓋，再用厚度為0.4 m的干砌片石進行坡面防護，黃土覆蓋和干砌片石進行坡面防護如圖7所示。

圖7 黃土覆蓋和干砌片石進行坡面防護

采取坡面防護措施可以保證攔矸壩坡面不易受雨水沖刷、大風剝蝕、凍脹干裂等破壞[9]，本著節(jié)約材料、就地取材的原則，在煤矸石粒徑大小及強度滿足填筑要求的前提下，用煤矸石代替以上筑壩材料。攔矸壩的構(gòu)造示意如圖8所示。

圖8 攔矸壩構(gòu)造示意

本工程的最大堆矸高度為60 m。將排矸場周圍邊坡進行刷坡治理，攔矸壩建設(shè)按照每一級水平高度10 m進行，每級臺階設(shè)置5 m寬的馬道。排矸場外圍子壩邊坡坡面坡率為 1∶2。

3.6 終場覆蓋

終場覆蓋是處置場完成局部或全部的煤矸石堆填厚度要求后，進行的煤矸石堆體表層覆蓋。對處置場進行最終封場覆蓋是在堆放壓實的煤矸石表面覆蓋40 cm的粘土并壓實做為阻隔層，以防止雨水滲入固體廢物堆體內(nèi)。上面再鋪一層70 cm的營養(yǎng)土層，以利于植物生長。封場表面應(yīng)保持5%的坡度，這樣即可以保證表面徑流的順利導(dǎo)排，又不至于因為表面坡度太大引起強度較大雨水的沖刷，避免水土的流失。

終場覆蓋可以起到減少雨水滲入煤矸石堆體，從而減少滲濾液產(chǎn)生的作用，還可以避免已堆填的煤矸石微粒遇風、雨后四處飛揚等問題。終場覆蓋有利于煤矸石堆體表面的植被恢復(fù)和綠化，便于煤矸石堆放貯存后土地的再利用[11-12]。

4 施工過程中采取的環(huán)保技術(shù)措施

4.1 環(huán)保措施

本工程中采取煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)實現(xiàn)了煤矸石無害化處置，能避免產(chǎn)生二次污染。煤矸石作為工業(yè)固體廢物在處置過程中與處置場周邊的大氣防護、水資源保護、環(huán)境生態(tài)保護及生態(tài)平衡要求達到了相互協(xié)調(diào)，不引起空氣、水和噪聲的污染，無危害公共衛(wèi)生的情況發(fā)生。

為了滿足植被恢復(fù)和水土保持的要求，增強土地的可利用度，需要對堆貯碾壓完成的煤矸石體進行整形整地處理，并在邊坡上覆土綠化[3]。需要利用植物來改善邊坡巖土層地質(zhì)狀況，減少水土流失，改善生態(tài)環(huán)境和地區(qū)氣候[13]。

在煤矸石處置過程中，車輛的出行、材料的運輸?shù)纫驯M量采取減污降噪措施。棄土隨挖隨清，對干燥棄土做到隨時灑水降塵，散落路面泥土及時清理，以減少環(huán)境污染。現(xiàn)場不隨便亂丟廢棄物，及時清理施工現(xiàn)場的生活廢棄物，并妥善處理。

處置場滲濾液的收集或處置若不當，會直接或間接對鄰近地表水和地下水造成污染，因此必須要采取有效措施最大限度控制滲濾液對環(huán)境造成的影響。為了對處置場填埋區(qū)清水(降雨)和污水(滲濾液)的排出各自形成獨立的系統(tǒng)分別進行控制，有效實施雨污分流，最大限度地減少滲濾液處理量及產(chǎn)生污水的量，采取實時監(jiān)控滲濾液排放等措施，做到“限時、限量、限值”排放，維持水體水質(zhì)100%達標。

4.2 防塵措施

煤矸石處置過程中產(chǎn)生的主要大氣污染為粉塵污染。本項目處理的固體廢物主要為原煤選煤后的煤矸石，煤矸石產(chǎn)生環(huán)境污染的主要是粉塵污染和滲濾液污染。為防止粉塵污染，本項目主要依靠專用運輸車輛密封覆蓋運輸、道路灑水降塵、作業(yè)面灑水降塵等措施來解決。

從處置場北部東西兩側(cè)不遠處的滲濾液收集池，抽取大氣降雨經(jīng)處置場滲流到處置場底部的滲濾液，通過污水收集車專門的噴灑系統(tǒng)，將滲濾液回噴至需要降塵的經(jīng)過堆貯碾壓的煤矸石體表面上。道路灑水隨季節(jié)變化每天不少于2次，干燥多風或蒸發(fā)量較大時，增加噴灑降塵的次數(shù)。煤矸石卸車、攤鋪、碾壓等工作區(qū)域，則根據(jù)氣候、溫度及風力等因素隨時灑水降塵，避免有害灰塵污染空氣。

4.3 技術(shù)措施

在處置場四周設(shè)截水溝攔截雨水，杜絕雨水在煤矸石場范圍內(nèi)長期積存。利用滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)收集滲濾液，并定期通過專門汲水車將滲濾液回噴至處置場，達到降塵的目的。作業(yè)面以外的雨水由平臺排水溝導(dǎo)排至截水溝后排向場外，減少雨水侵蝕處置場底部，從而最大程度減少煤矸石濾液的產(chǎn)生，減輕對地下水資源的污染。

采用流水作業(yè)的方式對運送到處置場的煤矸石進行及時攤鋪和碾壓，碾壓后的煤矸石表面應(yīng)光滑平整，并盡量減少對壓實煤矸石表面的擾動。應(yīng)該特別注意對煤矸石場內(nèi)邊角處的碾壓，噴灑車輛及時跟進進行灑水，保持煤矸石體表面濕潤，防止風吹產(chǎn)生的揚塵。灑水作業(yè)嚴禁集中進行沖刷，注意噴灑應(yīng)適度均勻。

煤矸石表面壓實灑水完成后，煤矸石含有的氧化鈣在水解膠結(jié)作用下，在其表面形成起保護作用的薄殼，能起到增強抗風能力、減少粉塵的作用。建成區(qū)域進行黃土覆蓋后進行綠化種植，可以保證煤矸石面不裸露，起到改善和美化環(huán)境的作用。

4.4 綠化防護措施

煤矸石處置過程中，要按照分層碾壓填筑模式壓密堆貯。為保持整個處置場坡面防護和綠化與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性和一致性，加強處置場堆填坡面的穩(wěn)定性，各級堆矸子壩永久坡面應(yīng)釆取坡面防護和覆土綠化措施。各級子壩永久坡面上覆蓋50 cm黃土后，還應(yīng)設(shè)置漿砌塊石網(wǎng)格護坡，網(wǎng)格內(nèi)種植耐寒耐旱植被，同時在護坡面上設(shè)置漿砌塊石用作上壩臺階踏步。處置場最終堆貯面以黃土覆蓋，按照當?shù)貎?yōu)生植被類型進行復(fù)墾綠化。例如種植適應(yīng)于當?shù)丨h(huán)境生長的植被，主要有沙柳、沙蒿、檸條和沙打旺等。

處置場達到使用年限后，關(guān)閉或封場時的表面坡度一般不超過3%。臺階坡面的強度要具備能經(jīng)受暴雨沖刷的強度，且應(yīng)有不小于2%～3%的坡度。為有利于恢復(fù)植被和環(huán)境改善，關(guān)閉時表面一般應(yīng)覆一層厚度不小于1 m的天然土壤。 堆矸場治理完成后效果如圖9所示。

圖9 堆矸場治理完成后效果

矸石堆貯結(jié)束后，在達到整體穩(wěn)定之前仍然需要繼續(xù)進行維護管理。采取措施防止覆土層下沉及開裂導(dǎo)致的滲濾液量的增加，同時還要防止固體廢物堆體失穩(wěn)造成滑坡等次生災(zāi)害。

5 結(jié)語

煤矸石作為一般工業(yè)固體廢棄物，存在占用土地、污染環(huán)境的問題，并且容易造成自燃、坍塌等次生災(zāi)害，而煤矸石碾壓堆貯處置消納技術(shù)采用“從下至上、逐層碾壓”的堆貯碾壓工藝，設(shè)置了有效的滲濾液處理系統(tǒng)，既可以解決煤矸石的堆放和消納問題，又有利于礦區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的保護。本方法在大量消納礦區(qū)產(chǎn)出的煤矸石的同時，還有利于生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，達到經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，可以為同類型固體廢物的處置提供借鑒。