白家庄矸石山生态恢复治理方案研究

张文静，陈友明，张 凯

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

随着人们环保观念和可持续发展意识的逐渐加强，对于煤炭开采过程中产生的大量煤矸石堆积造成的影响已经逐渐引起社会的关注，矸石的堆积造成了环境污染、地质灾害问题越来越突出，矸石山的恢复治理工作迫在眉睫。

煤矸石是煤矿开采洗选加工过程中产生的一种含碳率低、利用价值低的黑灰色固体废弃物[1]。传统的矸石场排矸大部分采用“由上向下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的方式，未覆土碾压，坡面自然安息角较大，成裸露状态堆存，尤其是矸石含硫量较高，其残留的煤炭、柴草等易燃物容易造成矸石场发生自燃、火灾、爆炸等灾害，在燃烧过程中产生大量的CO，H2S,SO2和氮氧化物等有毒有害气体，对周围环境影响较大，并危及周围居民的生命安全。

另外，大部分矸石场未设置任何排水设施，水土流失严重，影响下游渠道的排洪安全[2-3]。同时，煤矸石经雨水淋溶形成的酸性水，经流动、渗透到水体，造成地表水和地下水污染，使原本缺水的区域更是雪上加霜，严重危害当地居民的身体健康。针对煤矿矸石场的生态恢复和治理工作已经成为各大煤矿环保工作的重点内容，是煤矿企业在采矿中和采矿后需要重点治理的对象[4]。

本文以山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司白家庄矿矸石山恢复治理为例，对矸石山的恢复治理的要点进行详细的论述。

1 工程概况

本文以山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司白家庄矿尚有两个存在火区的矸石山为例，均未进行恢复治理工作。

矸石山一区始用于20世纪50年代，已停用多年，堆矸量约30万t，采取自上而下自然倾倒方式排矸；矸石大部分已燃尽，局部存在自燃隐患，成裸露状态堆存，遇风有扬尘，由于停用多年，坡面部分已自然生长有少量杂草等绿色植被，植被覆盖率不足10%；矸山最高点高程1 140 m，最低点高程1 040 m，高差高达100 m，南侧的边坡坡度约45°，有水土流失现象，存有滑坡等地质隐患。

矸石三区始用于1985年，为现用排矸场，矸石采取自上而下自然倾倒方式排矸，堆矸量约40万t；存在自燃现象，根据实地调查，火区总面积10 000 m2，其中低温预警区及中温异常区(45 ℃≤t<240 ℃)面积约8 000 m2，高温异常区(240 ℃≤t<360 ℃)面积1 500 m2，超高温异常区(t≥360 ℃)面积500 m2，深度均约2 m，自燃矸石量约2万m3，释放出大量的SO2,CO等有毒有害气体；坡面矸石呈裸露状态，植被覆盖率不足10%，起风时有扬尘，影响空气质量，坡顶自然长满杂草；现有矸石堆体最高点高程1 137 m，最低点高程1 093 m，高差44 m，坡度超40°，存在水土流失现象，遇有强降雨等不利天气，有滑坡等地质隐患的发生。

2 矸石山恢复治理目标

在调查矸石山堆积的现状、地质特点及周边矿区生态环境的基础上，开展矸石场综合治理工作。治理过程中与周边生态环境相结合，避免达到二次灾害，从而达到改善生态环境、消除矸石场污染、恢复矿山及周边生态环境的目标。

具体目标为：1)要确保山体稳定，不发生塌陷、滑坡等地质灾害。2)截排水系统通畅、安全稳定，防止水土流失及山体失陷。3)矸石山范围内灭火彻底，无自燃、复燃等现象。4)矿山恢复区内无矸石裸露、植被生态系统完善，三年后达到群落自然演替的生态目标[5]。

3 矸石山灭火

3.1 矸石山火情探测方法

可用于矸石山隐蔽火源探测的方法有同位素测氡法、温度(辐射能量)测定法、磁探法、电阻率法、无线电波法、地质雷达探测法、遥感法、计算机数值模拟法和气体测量法等，这些方法各有其优缺点，目前常用于矸石山火源探测的方法主要采用同位素测氡法、红外测温法和钻孔测温法。

为更准确地探测着火区域，本工程采用气体探测法+红外测温法+钻孔测温法相结合的综合探测方法对矸石山的隐蔽火源进行精确勘测与定位。依据探测结果圈定出温度高于40 ℃的区域，采用钻孔测温法测量圈定区域内不同深度位置的温度，得到矸石山水平方向和垂直方向上的温度分布情况，绘制矸石山温度空间分布图。

3.2 灭火方法选择

矸石山灭火方法包括挖掘灭火法、沟槽灌浆法、钻孔注浆法等。项区的两座矸石山火区分已燃尽、局部燃尽、正在自燃三种情况，为合理布设工作面，防止灭火过程中大量空气进入坡体，诱发大面积的矸石自燃，造成新的大气污染，选取钻孔注浆法对项目区的火区进行灭火。

3.3 注浆灭火材料的选择

广泛应用的灭火灌浆材料主要有黄泥、石灰、高分子灭火材料、粉煤灰浆、水泥粉煤灰浆及黏土水泥浆[6]等。本着经济、效率、因地制宜的原则，本项目选取水泥粉煤灰浆为灭火材料。

粉煤灰水泥浆液的灭火原理为降温与隔氧。从隔氧的角度考虑，浆液的浓度越大越好，但随着浆液浓度增大，黏度也随之增加，从而影响浆液的渗透范围，故选取合理的水灰比例是关键。

经过反复试验，水泥粉煤灰浆液水灰比(质量比，下同)为1.2～1.0时，在一般矸石中可注性及渗透性较好，可用于灭火注浆。在自燃区的边部采用稠浆(水灰比1.0)，在自燃区的内部采用稀浆(水灰比1.2)。在灭火阶段浆液中水泥的质量分数可适当减小，将水泥和粉煤灰的固相比(质量比)控制在1∶9左右。

3.4 注浆灭火注浆量

灭火注浆量的大小主要取决于矸石山内部温度。设矸石密度为2.2×103kg/m3，比热容为0.9 kJ/(kg·℃)，孔隙率40%，填矸密度为1.32×103kg/m3，根据热力学有关公式，将1 m3矸石从t1温度降至t2温度所需的水量为：

其中，m为单位体积矸石冷却所需水量，kg/m3；ρ为矸石视密度，kg/m3；C为水的比热容,kJ/(kg·℃)；C1为矸石的比热容，kJ/(kg·℃)；t1为矸石原始温度，℃；t2为矸石最终温度，℃；r为水的汽化热，2.25×106J/kg。

在实际工程中，通过火情探测办法测得火区矸石内的平均温度，考虑一定的浆液漏失量，可大概计算所需灭火注浆量。

3.5 钻孔的密度与深度

在实施灭火工程中，矸石山的钻孔密度取决于浆液的渗透范围，浆液的渗透范围用Maag公式进行计算：

其中，r为浆液渗透半径，cm；h为注浆管出口压力，MPa；k为矸石渗透率，cm/s；t为注浆时间，s；r0为注浆管半径，cm；β为浆液的运动黏度，cm2/s；ε为矸石的孔隙率。

一般矸石的孔隙率差别不大，根据以往的工程经验矸石孔隙率可按40%左右考虑，渗透系数也较为接近，一般介于1.0 cm/s～2.0 cm/s。决定渗透范围的主要因素是注浆压力和注浆时间。当注浆压力为0.2 MPa，注浆时间为15 min左右时，在矸石中浆液有效扩散半径为3.0 m左右。

在矸石山上注浆时，随着注浆时间推移，浆液的固体成分会不断充填于矸石之间的孔隙中，使矸石的孔隙率与渗透率逐渐变小，渗透范围逐渐降低。同时在注浆灭火过程中，浆液中的水分吸热后蒸发，浆液的黏度会逐渐增加，实际浆液渗透范围要小于理论计算值，因此理论值可作为设计注浆孔间距的上限。

施工时，首先针对着火点进行重点注浆灭火，待所有着火点熄灭后，开始对全部矸石区进行注浆填充加固。注浆灭火时应先灭深部自燃区再灭浅部自燃区，确保自燃区内火点全部扑灭。在注浆填充加固时应按先深后浅、先周边后中间的原则进行，防止出现空鼓现象。

3.6 灭火效果分析

注浆完成后，针对注浆区域内进行灭火效果检查，确保灭火质量。矸石山一区共布设31个测温孔、矸石山三区共布设53个测温孔，于2019年9月28日～2019年10月5日进行测温孔的施工并进行初次测温，随后2019年11月5日进行第二次测温，并在以后每隔30 d测温一次。

各区域平均温度随时间及深度的变化趋势图见图1，图2。

对注浆后的测温数据分析可知：

1)矸石山一区矸石局部自燃，上部矸石受气候影响较大。

2)通过注浆灭火，矸石山自燃区域内部温度有显著降低。

3)随着矸石层深度的升高，矸石层灭火及封闭效果有变差趋势。

矸石深部温度高，注浆时浆液首先从底部注浆孔内出浆，遇到高温矸石后浆液中的水即刻汽化产生带压高温蒸汽，由于深度较大短时间内难以消散，注浆管内压力急增，使后续浆液更多的从上部出浆孔中出浆。由于大量浆液从浅部注浆孔中出浆，浆液中的水汽化后可通过浅层矸石裂隙消散，浆液中水粉煤灰、水泥快速凝结在浅层矸石表面起到充填空隙作用。因此上部矸石层灭火及封闭效果明显，深部效果略差；其次深部热量散发途径较长，降温所需时间也相对较长，也是造成局部地段深部温度略高的原因。

4 矸石山边坡治理措施

4.1 边坡削坡

对矸石山边坡稳定性分析采用美国普渡大学编制的PCSTABLE4软件，按简化毕肖普法对边坡稳定性进行检算。

根据矸石山体地形，通过边坡削坡工程，控制堆矸体边坡坡度，保持边坡稳定，防止发生局部垮塌。原矸石场坡面的角度约为45°，削坡后的矸石场坡面的角度为27°。根据矸石场土方量测算，一区总计挖方量17.4万m3，填方量约为17.6万m3；削坡的土方量采取就近原则，将附近的矸石填埋，以达到环保经济的目的，多余挖方量就近填入附近深坑中，矸石场回填区用推土机把矸石推平，每堆放1 m厚的矸石进行一次压实，压实系统不低于0.9，可有效防止矸石沉陷；为了隔绝空气，预防由于矸石内部热量积聚再次引起矸石自燃，在项目施工工程中矸石每堆放2 m厚需覆盖一层0.5 m厚的黄土；坡面每堆高5 m建造一个马道，马道设置宽度为5 m；排矸场坡面形成1∶2.0的坡度。

经计算，矸石边坡稳定安全系数K=1.28>1.15，满足边坡稳定要求，能够有效防止发生坍塌、滑坡、泥石流等自然灾害。

4.2 拦护工程

防止因暴雨冲刷造成矸石坡面流失，对下游地表水、村庄、农田等保护目标造成灾害影响，需在矸石山所在沟的沟尾外沿设置拦矸坝，坝体一般采用浆砌石，坝体高度和厚度根据矸石山的堆存量进行核算。本工程在矸石场西侧区域沟底设置重力式浆砌挡矸墙，断面尺寸为：挡矸墙长35 m，基础埋深约2.0 m，地面以上墙高6.0 m(平均高度)，顶宽1.2 m，下游坡比为1∶0.25；挡矸墙墙身及基础采用M10水泥砂浆砌MU30片石；挡矸墙每10 m设置一道变形缝，缝宽20 mm～30 mm，缝内沿墙的内、外、顶三边填塞涂沥青软木板，填塞深度不小于200 mm。

4.3 排水工程

排水系统包括周边截水沟、横向截水沟、纵向排水沟、排洪涵洞及消力池。

排矸场坡面以上的洪水通过截水沟收集，流入岸边排洪渠，通过消力池消力后流入下游沟道；排矸场坡面汇水通过马道截水沟汇入岸边排洪渠，最终通过消力池消力流入下游沟道。

边坡施工设计情况如图3所示。

5 生态恢复

5.1 植被选取原则

树种选择要做到“因地制宜、适地适树”，结合当地的土壤成分选择抗逆性强、有较强的适应能力，且对空气状况、气候温度等不同大气生态环境抵抗能力强的树种。

5.2 覆土工程

土壤是植物生长的介质，针对不同的植被需求，对矸石山的马道、边坡进行覆土。其中草本植物的土层厚度需达到30 cm，灌木的土层厚度需达到50 cm，乔木的土层厚度需达到100 cm。

矸石山坡面整平至设计要求后，坡面上覆0.6 m厚的生土层并分层夯实，各级马道覆1.0 m厚的熟土层，采用机械或人工进行夯实，并用道路及围堰进行分割。

5.3 植物绿化工程

削坡后的矸石山由马道、边坡组成，其中马道宽5 m，边坡高5 m，坡率为1∶2.0。马道及平台采用乔、灌、草混交的方式进行绿化，乔木可以选择耐干旱、瘠薄、耐烟尘、抗污染、病虫害少的当地乡土树种油松；灌木选择易成活、萌芽抽梢能力强的紫穗槐，其受冲刷压埋入土中后快速爆出新条，为马道的保护形成一道高效的保护屏障；草类选取根系发达、水土保持作用较好、自我维持能力较强的草本植物紫花苜蓿、狗尾草等，采取混播的方式提高土壤的营养利用率并有效抵御不良环境。边坡采用灌草混交的方式进行绿化，选择的植被为紫穗槐、紫花苜蓿及狗尾草。在栽植完成做好管护工作后，及时对死亡树木进行补植，防止复垦土地的植被退化，形成具有自我恢复能力的群落，巩固复垦成果。

6 结语

以白家庄矸石山为例，对矸石山生态恢复治理过程的技术难点进行了分析：

1)针对矸石含硫量较高，煤矸石中残留的煤炭、柴草等易燃物容易造成矸石山自燃的问题，采用注浆的方式对矸石山进行灭火，通过降温与隔氧双重作用达到了灭火和防复燃的目的。

2)针对矸石山边坡角度过陡，堆存不稳定等有可能发生坍塌、滑坡等自然灾害问题，采取边坡削坡、拦护工程、排水工程等工程措施进行整治，安全系数K=1.28>1.15，满足边坡稳定要求。

3)对灭火、削坡后的矸石山进行植被恢复，依照“因地制宜、适地适树”选取合适的草种、树种，并按照其种植标准进行栽种，达到复垦绿化的同时涵养水源，保持水土。