煤矸石堆放場綜合治理工程技術方案研究與應用

王 磊

(陜西陜煤蒲白礦業有限公司,陜西 渭南 715200)

0 引言

礦山經過多年的開采,大量的煤矸石被隨意地堆存在排矸場內,對周圍的環境造成極大的污染。由于煤矸石的數量每年都在增長,占用耕地的情況將會越來越嚴重[1]。隨著煤矸石的持續堆積,其堆積的過程中會釋放出大量的有毒氣體和有機污染物,對礦山大氣環境和周圍人群的健康造成極大的危害[2-3]。

就地封場,指的是將原來堆積區的煤矸石限制在一個特定的范圍之內,在周圍筑起一道擋土墻,對堆積區的煤矸石進行成型和壓實[4-5],并用泥土覆蓋起來,進行植被覆蓋,使其與周圍的自然環境和諧一致。利用就地封閉技術,對任意堆存的煤矸石進行現場封閉,可有效避免在搬運時產生二次污染,同時還可大幅度節省運輸費用。

采用安全可靠的雨水導排系統,矸石堆放區四周及封場頂部設置排水溝,對匯水面積內的大氣降水進行疏導,防止洪水對堆放區的沖擊[6-7]。在矸石堆放區合理的設置導氣管,采取被動導氣措施,有效的將堆體內產生的氣體進行導排,防止堆體燃燒產生危害。

1 工程概況

白水煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田蒲白礦區中部,行政區劃屬渭南市白水縣城關鎮管轄,為陜西煤業集團蒲白礦業有限公司所屬企業。

礦區地理位置位于東經109°35′26″～109°42′44″,北緯35°08′41″～35°12′32″之間。

礦井所處地貌單元為鄂爾多斯盆地東南緣的渭北黃土高原隆起區,地表均被第四系黃土覆蓋,西部的白水河谷、橋溝及東部邊緣地帶均為溝壑地貌,溝壑縱橫,溝坡立陡。礦區大部分為黃土臺塬地貌,北高南低,西高東低。最高處位于麻子渠以北,絕對標高約為+782 m,最低處位于埝坡東溝,絕對標高為+604 m,區內相對高差178 m。

由于資源枯竭及前些年市場不景氣等原因,致使白水煤礦連年虧損,目前礦井已經關閉,因此將修復治理矸石堆場。

2 矸石堆放場污染現狀

2.1 人居環境影響

蒲白礦區白水煤礦由于矸石堆存面積約40 000 m2,周邊均為農田。矸石堆放場未采取相應的工程措施,管理制度相對落后,造成矸石無序堆放于場地中,嚴重污染了周邊的自然環境。但由于其植被稀疏,大量的矸石裸露在外,導致給礦區生態環境造成很大的破壞[8],直接影響人居環境,因此亟待進行治理。

2.2 導排系統缺失

煤矸石堆放場未設置氣體導排系統,且煤矸石中存在大量的可燃硫酸鹽和可燃碳酸鹽,在長期的堆積過程中,會產生大量SO2、CO、NOX、H2S等有毒氣體和有機污染物,對周圍的人們的身體健康造成極大危害[9],也對該區域的生物多樣性構成很大威脅。

2.3 滲濾液污染

煤矸石在長期露天堆存中,由于降雨的影響,其淋洗水或流入水體,或滲透到土壤中。這些攜帶有煤矸石風化顆粒和微量重金屬的淋溶水,不僅會污染水體,破壞土壤生態功能,還會對動物和植物造成傷害,給人也帶來巨大的危險。

3 煤矸石治理方案的確定

3.1 處置方案比選

3.1.1 就地封存治理

通過對矸石堆體進行必要的碾壓、整形,構筑邊坡雨水排放溝渠,上部采用壓實粘土進行終場覆蓋,頂部設置植被恢復層,對大氣降水進行定向收集導排,并通過與周圍景觀環境的協調,實現了生態修復。

優點:它的施工周期短,成效較快,操作簡單,治理成本低;在實施后,可以避免對礦區周邊環境的污染,同時還能最大限度地發揮土地資源的作用。

缺點:雖然部分隔絕了空氣,減少空氣對礦渣的氧化,并且出液能得到有效控制,但短期內還會有少量出液產生。

3.1.2 異地填埋

在礦區周圍建設一座標準化的棄渣填埋庫,底部及邊坡均進行整平及防滲處理,形成全封閉便于監控防滲的保證體系。將現有的棄渣轉運至新建的標準化堆放庫中,進行碾壓填埋,到達填埋高程后按照方案一進行封庫。

優點:新建全封閉便于監控的棄渣庫,可以有效地解決滲瀝水對周邊環境的影響,污染治理徹底;原場址可得到再次開發利用。

缺點:建設成本高,堆放庫選址困難,廢棄矸石清理運輸成本高,且在清運過程中可能會造成二次環境污染,仍然需要占用土地資源。

3.2 治理方案確定

通過現場踏勘并對現狀堆放煤矸石的處理方法進行比選后,根據工程建設投資、施工的難易程度等因素,推薦采用就地封庫治理,消除現狀矸石堆放的污染。

4 矸石堆放場綜合治理工程設計

4.1 擋土墻設計

矸石堆體擋墻采用漿砌塊石結構,共設置4處,基礎采用3∶7灰土墊層。擋墻高度5 m ,底寬2.65 m,頂寬0.85 m,位置及長度分別為:底部(溝底)擋墻,長度310.06 m;中部擋墻,長度73.93 m;東側擋墻,長度152.08 m;西側擋墻,長度152.08 m。如圖1所示。

圖1 擋土墻剖面Fig.1 Profile of retaining wall

擋土墻位于矸石堆放區域的外側。它的作用是預防堆積矸石的垮塌,預防滲濾液滲出,對土體及深層地下水產生污染。

擋土墻底厚2.05 m,高4.5 m。在建造擋土墻的時候,首先要對矸石渣堆體的周圍進行開挖和清理,同時要保證土質基槽的干燥,在下雨的時候,要及時地將基槽中的積水排出去;對被水浸漬過的基底土,應該將其完全去除,并用好的土代替(或用碎石)夯填到標高。

擋土墻的上部利用土質斜墻的遮蓋和固結,隨著矸石層的抬高而施工。在下方堆體的斜墻上,每隔5 m設馬道,馬道寬度3 m,并在馬道兩側設置橫向排水溝,以避免在坡面形成積水。在斜坡上,采用橫排方式,將橫向排水溝兩端和邊坡排水溝連接,橫向排水溝比降5%。如圖2所示。

圖2 排水溝大樣斷面Fig.2 Large sample section of drainage ditch

橫向及邊坡的排水溝用水泥灰漿砌筑,上寬1.1 m,下寬0.3 m,下深0.4 m。堆體護坡的二級壩體必須隨著矸石堆整平的高程而提高。對堆體掩體二級壩體的壓實系數要求為0.95。

4.2 棄渣堆體整形

4.2.1 整形原則

棄渣堆體整形設計主要指封庫覆蓋表面處理層外部形態設計,分水平式和斜坡式,堆體整形必須遵照以下原則。

堆放場整形與處理前,應勘察分析棄渣堆體是否存在作業時會發生火災、爆炸、崩塌等安全事故的隱患。

制定消除陡坡、裂隙、溝縫等缺陷的處理方案及技術措施,保證在安全的情況下進行施工,并宜實行分區域作業。

采用分區分層、斜面分層的工作方式,在工作期間,將開挖出來的廢棄渣土進行回填和夯實,以減小后期的差異沉降,為封閉場地的覆蓋體系提供一個穩固的工作支撐面。

4.2.2 作業方案

設計棄渣堆體整形采用斜坡式,在堆體整形時,要求棄渣分層壓實,密度應大于800 kg/m3。同時設置臺階式收坡,臺階寬度為3 m,高差為5 m。臺階間邊坡為1∶2,頂面坡度為5%。

4.3 排氣及雨水導排工程

4.3.1 排氣設置方案

由于棄渣中含有大量的含碳類物質,填埋后產生大量的填埋氣體,所以設計在棄渣庫設置氣體導排系統[10]。如圖3所示。

圖3 堆放場封場導氣平面布置Fig.3 Plane layout of closure gas conduction of the dump

導氣豎管的主要作用是對堆放區產生的填埋氣進行導出,由DN300HDPE花管組成,導氣豎井按60 m×60 m矩形排列布置,棄渣堆放區共設置氣體導排管9根。在排氣口設置溫度監測裝置,待排出的氣體溫度低于常溫時,可封閉導氣系統。如圖4所示。

圖4 導氣管斷面Fig.4 Section of gas conducting pipe

4.3.2 庫區雨水導排

根據項目需求,對棄渣進行封場治理后,需要對封場內的大氣降水進行導排,防止雨水在庫區頂部積聚、下滲,產生滲瀝液[11]。

頂部大氣降水導排措施為:在棄渣堆放場封庫斜墻沿馬道設置5道排水溝,排水溝將大氣降水導排入填埋庫區,用以導排封庫后庫區的大氣降水。如圖5所示。

圖5 排水斷面布置示意(一)Fig.5 Drainage section layout(1)

堆放區四周的大氣降水通過沿擋土墻內側設置的排水溝排至自然溝道。排水溝均為漿砌料石結構,斷面尺寸為下底0.3 m×0.4 m(寬×深),排水溝總長度為1 511.67 m。如圖6所示。

圖6 排水斷面布置示意(二)Fig.6 Drainage section layout(2)

4.4 堆放場封庫方案

4.4.1 堆放場整平

將堆放場邊坡的浮土、雜草、樹木進行清理,按照堆放場邊坡的平整及坡度要求進行施工。對于坡度較大、地貌變化較大的區域,治理后的坡度應控制在1∶1～1∶2。在完成清理工作之后,要進行碾壓、平整,并進行找坡工作,基礎層壓實度不小于0.90。

4.4.2 終場覆蓋層結構

封庫是必須建立完善的封庫覆蓋系統,本設計封庫由上至下順序為:植被層厚1.5 m;卵石排水層厚0.3 m(粒徑為15～25 mm卵石);壓實黏土覆蓋層厚0.5 m;卵石排氣層厚0.3 m;棄渣表面清理整平、壓實。如圖7所示。

圖7 堆放場橫斷面Fig.7 Cross-sectional of the dump

4.4.3 終場覆蓋層施工

卵石排氣層:排氣層采用0.3 m厚,粒徑為15～25 mm導排性能好的卵石,排氣層施加于防滲層的氣壓強度不大于0.75 kPa。

壓實黏土覆蓋層:0.5 m厚黏土層,就地開挖后運至棄渣整平后堆體上,進行攤鋪,碾壓。黏土層在投入使用前應進行平整壓實。壓實度不得小于0.90。

卵石排水層:防滲層施工完成后,方可進行排水層施工;排水層的材料要有足夠的導水性能,并與庫區周圍的排水溝相連通[12-13]。排水層采用厚0.3 m,粒徑為15～25 mm,導排性能好的卵石,滲透系數大于1×10-2cm/s。

植被層:由營養植被層、覆蓋支持土層兩部分組成。植被層施工時,應注意地貌的美觀,并與周邊的地形進行連接。營養植被層采用利于植被生長的表層土,厚度1.0 m;覆蓋支持土層由壓實土層構成,厚度0.5 m,滲透系數大于1×10-4cm/s,厚度1.5 m。

4.5 恢復植被及景觀改善

植被恢復是堆場覆蓋中的關鍵部分,也是最后的堆體覆蓋過程中最重要的環節。植被作為堆放場區的最后一道生態屏障,可以起到美化周圍環境、阻止降雨對土壤沖刷的作用[14],也可以起到對地表的防護作用和對地表降雨水的攔截和分流作用。

在此基礎上,根據矸石堆放區特殊的生態環境,參照有關的工程實踐,提出在該區域進行綠化的選擇。這不但是因為綠植具有防護、改善、美化環境的作用,更重要的是因為綠植的覆蓋效果迅速,并且對堆放場地的主體的影響最小。堆放庫區1 km2范圍內實行水土保持,植樹造林,綠化植被,使原有的生態環境得到恢復。

5 環境保護

煤矸石堆放場綜合治理的根本目的是消除矸石堆放對區域水體、土壤、自然環境等帶來的污染問題,實現擬建工程的社會效益、環境效益和經濟效益,保障地方經濟的健康及可持續性發展[15]。所以,工程的實施不應該對區域周邊環境造成二次污染,或者對周圍環境的污染不能超過國家相關法規和現用標準所允許的范圍,而且還應該符合當地的大氣防護、水資源保護、生態環境保護及生態平衡的要求,不能造成空氣、水和噪聲的污染,不能對公眾健康造成威脅。

6 結論

實施方案以蒲白礦區白水煤礦矸石堆放場綜合治理工程為背景,從建設的必要性、生產工藝、經濟等方面考慮,對現狀堆存煤矸石提出切合實際,可行性比較高的治理工程實施方案,對項目實施進行全面的分析;治理工程與國家有關的工業政策要求相一致;工程的開展,有效地解決了由于矸石堆存不規范造成的周邊生態環境污染問題,礦區周邊環境衛生得到改善,從而加強并提升礦區的服務功能。因此,該項目的建設既有其必要性,又具有一定的環境與生態效益。