金川尾料堆場生態修復專用治理技術與應用研究

劉少杰,周長華,趙延鋼,強濤,邱廷華

(1.金川集團股份有限公司,甘肅 金昌 737100;2.山東春旭化工設計有限公司,山東 濟南 250014)

金川集團股份有限公司地處甘肅河西走廊,是國家重要的有色金屬開采冶煉大型企業,礦區是祁連山生態區域鏈的重要組成部分。祁連山自然保護區是全國重要的生態功能區,是甘肅省乃至西北地區重要的生態安全屏障和水源涵養地,生態區位十分重要。

金川集團股份有限公司冶煉尾料堆場,堆存多種固體冶煉尾料,占地面積廣,堆存量大,目前尚無合理處置方式,為有效治理公司冶煉尾料堆場存在環境問題,消除尾料堆邊坡地質災害隱患,改善尾料堆邊坡生態環境,提高尾料區景觀效果,實現尾料堆生態修復治理技術與應用研究,具有重要現實意義。

生態修復治理與我們的生活息息相關,由于當下環境可持續發展從土地整治向生態環境的保護和修復轉型,生態修復技術也被廣泛研究并使用。生態修復是生態學的一個分支,生態修復經過多年的研究和實踐逐漸形成一個完整的體系和概念,涉及的有生態恢復、生態修復、生態重建、生態改建、生態改良等方法。簡單地說就是對以往遭受環境破壞的土地系統進行修復,再利用。根據不同的環境生態特點,生態修復治理的方式也各不相同—礦山修復、邊坡綠化、土壤改良、固廢覆綠等方式都是較為常見的生態修復技術。

金川冶煉尾料堆場邊坡生態修復治理技術在全國實屬首次,尾料堆是熱熔渣和水淬渣交替排放形成,邊坡經過多年存放整體穩定性較好,發生嚴重滑坡災害的可能性較低,邊坡綠化成功率和綠植維持年限是治理實施最大的風險點,通過對尾料特性、成分、形成等多個方面進行對比分析形成與金川冶煉尾料堆場邊坡治理獨特的生態修復工藝技術,采用“放坡—掛網—覆土+綠植”技術路線實施尾料堆邊坡生態修復。

1 尾料堆基礎隔離層穩定性對比研究

將坡體表面固化劑TGH噴灑于坡面后,可以使礦渣顆粒凝結在一起,形成一個硬殼,大大降低表面礦渣的流動性。同時,表面固化劑可以在尾料層表面形成1 cm的纖維隔離層,使得尾料中存在的大量堿性物質不能浸入到表面種植層,這將大大提高綠植的成活率。

2 尾料堆安息角穩定性對比研究

當坡度為36°時,坡體自身的重力分解為下滑力和正壓力。其下滑力為重力的55%,正壓力為重力的80%。坡體材料為顆粒狀的渣料,表面十分粗糙,摩擦系數較大,如果沒有外力擾動,其自身即可形成穩定的結構,不會發生滑坡。

經過實驗的驗證,使用土工格柵、凝固厚度3.5 cm時,45°～65°坡角范圍時,渣料未松散形成滑坡,甚至可以承受60 kg以上人體外力擾動,而不發生松散滑坡。即使在每平方厘米面積上,施加212.33 N的壓力,也不會使坡面破碎,形成滑坡。形象地說,即使有人員在上述工藝方法處理后的坡面上行走,也不會在局部形成滑坡,甚至不能形成足跡的痕印。

3 尾料堆邊坡高團粒客土基造層性能研究

冶煉尾料之所以不易植被生長,其主要原因礦渣富含重金屬等有害物質,缺乏有機營養物質,通過“高團粒客土基造層”技術,為下一步客土噴播綠化創造認為的適宜植物生長的營養土層,合理的添加有機營養物質就可以為植物生長提供充足的營養。在客土中加入團粒聚合劑、保水劑、粘合劑、纖維材料、有機長效復合肥、腐殖質等,用液壓噴播車攪拌均勻,噴灑于其尾料堆表面,厚度10～15 mm。其中,保水劑又稱土壤保墑劑、抗蒸騰劑、貯肥蓄藥劑或微型水庫是一種獨具三維網狀結構的有機高分子聚合物。在土壤中能將雨水或澆灌水迅速吸收并保住,變為固態水而不流動不滲失,長久保持局部恒濕、天旱時緩慢釋放供植物利用。它特有的吸水、貯水、保水性能,在改善生態環境、防風固沙工程中起到決定成敗的作用,廣泛用于土地荒漠化治理、農林作物種植、園林綠化等領域。

4 無土纖維綠植生長層

將粘合劑(如聚乙烯醇-戊二醛、聚丙烯酸鉀等)、纖維材料TGM(一般包括木纖維、機械纖維、有機增粘劑、有機肥料、泥炭、微生物發酵劑等)、團粒聚合劑、混合種子等混合且攪拌均勻噴灑于其客土基層表面。其中,粘合劑是由多種高分子聚合物聚合而成的一種水溶性有機類土壤調理劑(又名膠粉、保土劑、土壤保墑劑、水土保持劑、土壤團粒劑等),屬于人工合成的高分子長鏈聚合物,無色,分解物為水、二氧化碳、氮氣,對環境友好。粘合劑具有較強的沉降和絮凝土壤粒子的特性,可促使土壤形成良好的團粒結構,構成抗沖刷、防滲漏的載體。它主要用于綠化噴播、植樹造林工程,具有減少因地表徑流造成的土壤流失、提高土壤滲透力、保土保肥、緩解和調節土壤水分蒸發等作用。生長層干燥后會在表面形成2～3 cm厚度的植物保護層,起到保溫、保濕、遮陽等作用。同時,由于保水劑及植物纖維的存在,該層還具有很強的吸水,保水性,可以長期儲存降水獲得的水分以供植物生長所需。

5 金川尾料堆邊坡生態修復治理技術路線和關鍵

5.1 基本的技術路線

放坡及整理坡面→開挖排水溝及截水溝、栽植穴→噴灑凝固劑固定坡面表層渣料→土工格室(錨固;生態袋堆砌平臺)→TGGM-45無土綠植基材噴播植草→安裝噴灌設施→坡頂、馬道、坡腳植樹→養護施工。

5.2 放坡及整理坡面

將原有坡體坡度由42°放緩至36°左右,平均坡比1∶1.15。自上而下施工,分3級安全放坡,每級坡之間留1.5 m寬的馬道,每級坡高約14.8 m。因而須將坡腳向外最多延伸4 m,坡頂向內最多收縮1 m。對機械修整后的坡面局部進行人工整平,利用鐵鍬將渣堆表面凸起部分削平、淺坑和淺槽部分進行渣堆回填壓實,使坡面基本平整。放坡示意圖如圖1所示。

圖1 放坡示意圖

5.3 開挖排水溝及截水溝

在平整后的邊坡沿坡頂、坡腳設置截水渠及排水溝,坡面每間距100 m設置排水溝一條,共計5條排水溝,同時在坡頂及坡腳各修建一條截水渠連接排水溝。截、排水渠連接處采用八字口設計,以減小截水的沖刷,排水渠接蓄水池,收集雨水用于日后養護。

5.4 坡面加固工程

將配置好的固化液用液壓噴播車均勻噴灑至坡面,使表面松散的渣料凝聚為一層粘結體,增強抗風蝕能力固化坡面表層的穩定性。然后利用錨桿將15 mm×15 mm三向土工格柵固定于噴灑凝固劑后的坡面,進一步增強坡體的穩定性,錨桿分主錨桿(Φ18 cm×230 cm)、次錨桿(Φ14 cm×130 cm),按2 m×2 m間隔排列,最后在坡面上鋪設三層式土工布、形成隔水隔堿隔熱層,為下一步土工格室覆土做準備。

5.5 土工格室覆土工程

對加固后的坡面鋪設土工格室,約束土體的側向移動和沉降,提高其穩定性。土工格室護坡綠化,配植根系發達的草種,既可固土護坡,又可綠化、保護生態環境,完全符合低碳環保、生態綠化的要求。

5.6 土工格柵反包生態袋堆砌平臺

生態袋護坡系統是一種由聚丙烯及其他高分子材料復合制成的材料編織而成,耐腐蝕性強,耐微生物分解,抗紫外線,易于植物生長,使用壽命長達70年的高科技材料制成的護坡材料。

生態袋的規格生態袋材料質量≥120 g/m2,其力學參數和等效孔徑指標滿足國標(GB/T 17639—2008,縱向≥5 kN/m、橫向≥5 kN/m、CBR 頂破強力≥800 N)要求;對植物非常友善,植物根莖能自由穿透袋體快速生長;生態袋必須是綠色或黑色,且具有抗紫外線性能。

5.7 噴播植草層(上部表層)

采用液壓噴播技術,將催芽后的混合種子裝入混有一定比例的水、纖維覆蓋物、粘合劑、有機肥料的液壓噴播機罐內,利用離心泵把混合漿料通過軟管輸送噴播到已噴客土表層,形成均勻覆蓋層保護下的草種層,噴層厚度8～10 cm,該技術的特點主要有以下幾點:

1)復合噴播基材:為純木纖維和純草纖維及機械纖維組成,具有硬化快、結構力強、保質期長的特點,能給種子提供優良的生長環境。

2)結構材料:主要為機械纖維,由純聚酯材料制成,長度6～25 mm,它的作用是增強結構力,增強覆蓋纖維物之間和覆蓋纖維物與土壤之間的緊密結合力,使覆蓋物的抗物理沖擊能力數倍增強,并加強復綠產品的可靠性能和抗雨水侵蝕的能力。

3)復合營養基質:也叫啟動有機肥料,常使用的肥料“氮、磷、鉀”,質量分數為15%-30%-15%或16%-32%-8%。

4)保水材料:采用強力吸水纖維,用量:0.83 kg/100 kg產品。

5)草種選擇:植物種子的質量關系到生物綠化工程的成敗,必須選擇質量好且品質高的種子。根據本地區光照、氣候、降水等特點以及現場實際情況,采用多草種組成的混合植物種子。

5.8 馬道綠化設計

在坡頂、馬道、坡腳進行栽植穴植樹綠化,栽植穴挖成后需布設三層式土工布,以有效保護回填改良土壤的養分及防治回填土壤的鹽堿化,初步施工栽植穴為每3 m一棵灌木。栽植穴采用人工開挖,斷面為長方形(圖2)。栽植穴設計尺寸為直徑0.6 m,坑深度0.5 m,水平距離(坑距)為3.0 m,栽植穴挖成后需布設三層式土工布,以有效保護回填改良土壤(每100 kg土壤配制50 g保水劑、30 kg有機肥)的養分,及防治回填土壤的鹽堿化,栽植穴植樹設計使用國槐,規格為1～1.5 m幅冠,土球直徑為30～40 cm。

圖2 栽植穴示意圖

5.9 噴灌系統工程

噴灌水源選擇從新建蓄水池引水,由新建截排水系統將截水引至蓄水池,水量不足時也可拉運水至蓄水池用于灌溉用水。噴灌管網的布置形式采用固定式管路布置形式,輸水管從蓄水池取水,經井用潛水泵將水加壓后進入噴灌管網,噴灌管道采用方格網狀布置,主管道設計1條從首部引出直至坡頂,主管采用Φ80 mm的PE管,總體走向由西北向東南;噴灌支管基本垂直干管東西雙向沿馬道、坡腳共布置3條,支管采用Φ50 mm的PE管;微噴支管由噴灌支管引出,垂直坡面布置。噴灌示意圖如圖3所示。

圖3 噴灌示意圖

6 金川尾料堆邊坡生態修復治理技術創新點

6.1 開創了全國首次冶煉尾料邊坡生態修復治理技術應用

一種采用“放坡—掛網—覆土+綠植”技術路線實施尾料堆邊坡生態修復技術,將尾料堆外坡采用客土噴播修復生態方式,用錨桿支護、掛網、格構等手段穩固坡面,覆蓋植被生長營養層,播撒草種,最終實現防風抑塵,料堆外觀美化的目的。

6.2 明確提出了金川冶煉尾料邊坡放坡角度及穩定性

針對金川冶煉尾料特性,通過穩定性過程試驗研究,得出了當坡度為36°時,坡體自身的重力分解為下滑力和正壓力。其下滑力為重力的55%,正壓力為重力的80%。坡體材料為顆粒狀的渣料,表面十分粗糙,摩擦系數較大,如果沒有外力擾動,其自身即可形成穩定的結構,不會發生滑坡。

6.3 明確尾料堆基礎層加固重要性

通過對比實踐分析,得出了金川冶煉尾料將坡體表面固化劑TGH噴灑于坡面后,可以使礦渣顆粒凝結在一起,形成一個硬殼,大大降低表面礦渣的流動性。同時,表面固化劑可以在尾料層表面形成1 cm的纖維隔離層,使得尾料中存在的大量堿性物質不能浸入到表面種植層,切實提高綠植的成活率。

6.4 推廣實踐

金川冶煉尾料邊坡生態修復治理技術開創與實踐應用,為同類冶煉行業區域及礦山環境恢復治理工作樹立典型示范。根據“放坡—掛網—覆土+綠植”技術路線為依托,可更進一步提升各類礦山、尾料、廢料等生態修復治理技術質量為參照。

7 金川尾料堆邊坡生態修復治理實施效果

目前,通過該技術的實施,已成功治理完成約40 000 m2尾料堆邊坡生態修復治理工程,改變了由于冶煉尾料長期堆積造成的環境污染,有效改善了尾料區域的生態環境,提高周邊居民生活環境。治理后示意圖見圖4。

圖4 治理后示意圖

8 效益

該項目是典型的公益性環保項目,成果實施后,不會為公司帶來經濟效益,但項目的實施,改變了由于冶煉尾料長期堆積造成的環境污染,有效改善了尾料堆場的生態環境,提高了周邊景觀效果,同時有效消除了邊坡地質災害隱患,有利于坡腳道路及建筑的正常安全使用。該技術成果解決了公司多年遺留的生態環境保護問題,使公司環境風險得到有效降低和控制,治理技術滿足國家環境保護生態修復污染防治技術要求,成果取得了較為顯著的社會效益和環境效益。

9 結束語

本項目系統分析研究了尾料的物理特性和穩定性,并根據金川尾料的特性,開創了全國首次冶煉尾料邊坡治理技術應用與開創。此次尾料堆邊坡治理技術的研究與應用必將促進區內經濟和社會經濟的發展,為其他區域礦山環境恢復治理工作樹立典型示范,同時為創建和諧社會奠定了一定的社會基礎。