陈旧矸石场工程技术的治理设计

【摘要】根据大量的矸石工业分析、成份分析及矸石淋溶液浓度统计结果得出，大部分区域矸石为一般工业固体废物I类固废，本文针对存在自燃现象的陈旧矸石场进行设计，以期为现有矸石场治理提供参考与依据。

【关键词】自燃;矸石;工程技术

1引言

由于历史的原因，现已堆存的矸石一直采取“由上向下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的排矸工艺，造成部分矸石山大面积自燃。一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等有毒有害气体四处弥漫，间隙气流中有毒有害气体含量超过国家大气环境质量三级标准的10倍以上，矸石山顶部裂隙及松散部位，温度高达70～80℃。排矸职工穿梭在烟尘和有害气体中，时有中毒晕倒、呼吸困难、烧坏鞋裤的现象发生，甚至有人畜坠落燃烧区被烧死的事件发生。同时周边生态环境遭到严重破坏，附近的庄稼果木枯萎减产，居民叫苦不迭。从矸石山的情况看，由于缺乏统一的规划，排矸费用和维护费用较低，排放的矸石未严格执行规定的排矸工艺，引起排放矸石的自燃。灭火后的矸石山，一方面，由于缺少维护费用，导致日常维护工作不到位，另一方面由于没有恢复植被，特别是在雨季，洪水造成矸石山表面冲刷，原有的覆盖层遭到破坏，引起矸石山再次复燃。

2分类及措施

根据大量调查研究，已堆陈旧矸石场大部分存在自燃现象，根据已有堆放储量和是否自燃，可以分为燃烧过的大型(储量大于50万吨)矸石山、未自燃的大型矸石山、未自燃的小型矸石山(储量小于50万吨)3种类型。燃烧过的大型矸石山是指矸石山已经堆存及自燃完毕，不会再发生自然现象的矸石山，治理措施不用考虑矸石山自燃的预防和治理。未自燃的矸石山是指矸石山堆存完毕，还未发生自燃，有可能发生自然现象的矸石山，还需要考虑矸石山自燃的预防措施。小型矸石山堆放高度均小于10m，所以主要的具体措施为:矸石山自燃预防措施—灌浆、夯实;平整工程措施—覆土、夯实;矸石山生态恢复—围堰、绿化。

3未自燃过的大型矸石山治理措施

根据治理难度和治理过程，重点针对未自燃过的大型矸石山治理措施进行分析，其他治理措施可以在该措施的基础上进行增减工艺过程。具体治理工程分为6项内容及步骤，矸石山工程措施(拦矸坝、排水系统)、矸石场自燃预防措施(灌浆、压实)、边坡工程措施(消坡、马道、覆土、夯实)、矸石山浇灌系统(水池、管道)、矸石山生态恢复(顶部平台覆土、围堰、绿化)、管理工程设施(管护房)。

3.1矸石山工程措施—拦矸坝、排水系统

(1)拦矸坝拦矸坝采用重力式浆砌石拦矸坝挡护，边坡为1∶0.5，拦矸坝以上边坡以1∶1.5～2进行消坡防护。(2)排水系统为减少地表径流对煤矸石山表土的冲刷，保持矸石山的水土，排水系统工程设计包括坡面平台、马道排水和纵坡排水(自上而下的排水沟);顶平台按田面的方式设围堰，在顶平台、坡面两侧和坡底设排水沟，平台的排水通过排水沟流到煤矸石山的纵坡排水沟内，排到矸石山下，避免了地表径流在地面的集中和流速的增加，减轻地表的水土流失。在拦矸坝下游设雨水收集池，也可起到沉沙池兼消力池的作用，收集到的雨水可通过浇灌系统的管道回用于植被浇灌。

3.2矸石山自燃预防措施—灌浆，压实自燃矸石山治理方法主要有灌浆封闭法、表面密封压实法、灌水法、直接挖出冷却法等

(1)灌浆封闭法通过降温与隔氧两方面的共同作用来达到灭火的目的。该法首先是凭经验或通过诊断找出火区和自热区.然后在其上面布置一系列钻孔，最后将不燃物(黄土或粉煤灰等)和石灰配成的泥浆灌入火区和自热区，以阻断空气进路，火区冷却后将火区和自热区全部填满浆料。注浆法的最大优点是可使矸石迅速降温，浆液可以渗入矸石山深部，起到填充空隙、封堵供氧通道以及加固作用。(2)表面密封压实法在自燃矸石山表面铺土压实，以隔绝空气进路，使自燃矸石山内部空气耗尽后熄灭。这种方法一般情况下成功率不高，只能降低燃烧强度和污染物排放速度，因为表土只有在湿润状态才有较好的密封性能，如果不及时维护，则表土密封层很难保持完整。这种方法目前主要用于控制矸石山火势和污染强度。(3)灌水法水是灭火工程中最常用的灭火介质，水在高温下形成水蒸汽吸热降温效果显著，并且水蒸汽能够阻止空气接近可燃物。具体作法是在矸石山修池蓄水，通过钻孔将水灌入地下。这种方法最大的问题是无法控制水在矸石山内流动的方向，也很难在火区内将水保持一段时间;另一个缺点是灌水后矸石山内部的空隙增加，反应活性增强，矸石山复燃的可能性增加。(4)直接挖出冷却法这是最原始而又最有效的方法。凭经验或通过诊断找出火区和自热区，然后挖出着火矸石和热矸石，用水冷却后回填或重新堆积。这种方法简单而成功率又高，在现场用得最多。但一般而言，这种方法只适用于初燃的或小范围自燃的矸石山，燃烧强度大的矸石山用这种方法不仅困难，而且还有一定的危险。以上各项措施均存在一定的弊端，最终采用黄土覆盖碾压法，该方法结合灌浆法及黄土覆盖并用措施。该措施主要原理是改变矸石堆积坡度，推散高温矸石，使其暴露于表面，促使降温，同时也有利于覆土与碾压。矸石山斜坡经覆土与碾压后，火势得到了有效的控制，用红外测温仪测得矸石山表面温度基本降至50℃以下。黄土覆盖碾压法以碾压覆盖为主，辅以局部注浆的综合性灭火方法，在灭火施工过程中遵循挖、截、堵、填、注、洒、覆、压等原则，该方法是一种行之有效的综合性自燃矸石山灭火方法，同时也用于矸石山的自燃预防处理。(5)矸石山自燃灭火注浆技术要求①注浆钻孔开孔孔径φ108mm，终孔孔径不得小于φ89mm，钻孔深度3～10m左右，间排距3.0～5.0m。在成孔后，要进行孔内测温，对温度有异常的钻孔适当加深。②注浆管选用Φ42mm钢管，长度4～10.0m，外露1.0m，钢管采用丝扣连接，托盘制做要规范，一般应小于封孔段孔径2—3cm。托盘以下要在注浆管上打花眼，眼径20mm左右，要保证每个方向均有花眼，其竖向间距不大于200mm。③封孔深度2.0m，1.0m～2.0m段采用纯水泥或水泥与粉煤灰的混合材料封孔，1.0m以上段采用黄土捣实封孔。④灭火浆液材料采用黄土(或粉煤灰)与熟石灰过筛配制，配比1∶1，水固比0.7∶1～0.8∶1，注浆方式采用压力注浆或蔽口灌注。⑤浆液配置应按设计浆液配合比进行，原材料要用容器计量，进行配比控制，搅拌机一次加水到位后，添加固料，添加固料过程中随添随搅，固料添加完毕后搅拌时间不少于5min。注浆过程中每间隔5min，需搅拌一次，搅拌时间不少于2min。⑥注浆顺序采用由外向内施工的方法，首先施工最外圈，跳孔注浆，最外圈钻孔注浆结束后方可施工内圈钻孔。⑦终孔标志:孔口管压力升至0.5MPa以上，稳定15min。孔口管压力未升至0.5MPa，但吃浆量小于7L/min，且持续15min。(6)矸石山碾压技术要求碾压程序为:斜坡先静压两遍，再振压两遍，最后再静压两遍;平面为先静压一遍，振压两遍，再静压两遍。平台碾压密实度标准达90%，坡面碾压密实度达85%。

3.3边坡工程措施—消坡、马道、覆土、夯实

(1)消坡、马道由于矸石山以前采用的由上到下自然倾倒工艺，使边坡坡度较陡，无法覆土夯实。因此，必须进行人工消坡。在治理过程中，尽量因地制宜，利用现有地形消坡平整，确保治理后的矸石山边坡稳定。具体措施为:所有坡面按高宽比1∶1.5～2进行整平，然后对坡面整平中需要回填部分，进行分层夯实，夯实系数≥0.85。在边坡下部用石砌护墙，中部用马道把坡面分成阶梯式(斜坡坡长20m左右设一马道)。矸石山坡底石砌护墙设高1.5～2.0m左右，护墙背后用1m黄土分层夯实，夯实实数≥0.94。(2)覆土、夯实根据矸石山试验结果:30cm的土层厚度可以满足草本植物的生长;50cm的土层厚度可以满足灌木的生长;100cm的土层厚度可以满足乔木的生长。本工程计划分两个梯度的覆土厚度:边坡70cm(垂直于地面水平方向)、顶部平台100cm。矸石山坡面整平至设计要求后，在坡面上覆0.7m厚土层(厚度为垂直于水平方向)并分层夯实，在平台上覆1m厚黄土，机械或人工夯实，并用道路及围堰进行分割。马道上覆黄土同平台。

3.4矸石山浇灌系统—水池、管道

采用拖式喷灌，绿化用水定额取1.5～2L/m2.次，水池按一次用水量考虑，并建泵房。泵房设给水加压泵2～5台，主管路管径为DN100PE管，支线管径为DN50，拖式喷灌范围半径100m，PE管路规格为DN100，DN50。设阀门井若干。在矸石山顶建钢筋砼水池，铺设管道，就近接水源，结合当地实际情况，矸石山附近煤矿较多，同时为了节约水资源，提高水资源的综合利用及节省投资，本工程水源尽量利用附近煤矿中水或就近水源取水，设专用泵，为以后浇灌打好基础。

3.5矸石山生态恢复—顶部平台覆土、围堰、绿化

(1)顶部平台覆土坡面整平至设计要求后，在平台上覆1m黄土，分层夯实，并用道路和围堰分割。(2)围堰矸石山顶部平台按20m×20m围堰分割。设计围堰高700mm，上底宽500mm，下底宽1000mm，顶部平台采用黄土拍实，坡面采用块石砌筑并抹面。马道围堰设于马道外沿，设计参数同顶部平台。(3)绿化筛选出的适宜当地地区矸石山生长的先锋植物，最好是当地客土植被，既能治理矸石山，又能降解吸附有毒有害物质，对环境有净化功能的环境改良性植物。以太原地区选用具有代表性的物种进行具体分析。①植物边坡设计。矸石场在每堆厚5m，形成坡度为1∶1.5～2的台阶状坡面。坡面上覆盖70cm的黄土后栽种灌木紫穗槐、柠条间距为4m×4m。穴状栽植初期可选择紫穗槐和柠条，直径0.4m，深0.4m，坡面上条播紫花苜蓿。②矸石场顶复垦。矸石场服务期满后，平整矸石场顶部，覆盖100cm的土壤，适当施用农家肥，提高土壤肥力。种植油松、刺槐等乔木;丁香、柠条等灌木;草类选择沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿等;可适当选择扶芳藤等藤本植物增加植被景观。③矸石山四周绿化。矸石场封场处理后在四周栽植规格为胸径3cm以上的杨树，栽植林带宽20m，密度4×4m。杨树萌蘖能力强，在矸石处置场四周形成防护林带，而且杨树向矸石场内扩展，最终矸石处置场形成乔、灌、草结合的生态系统。④植物措施管理。现有矸石由于均已着完，具有含水量低，入渗快、地热较高等特点，排矸场绿化后，管理工作的重点是浇水，特别是保苗期和干旱、高温季节。为此，采用矿井水进行浇灌，切忌大水漫灌，避免浪费水又冲走表土的现象，一般春季每周一次，夏季平均3天循环浇灌一遍，秋季10～30天浇一次，冬季上冻前普遍灌足越冬水。最后是综合管理，在灌木栽种后，浇水前检查有无裂缝，沉陷现象。一旦发现及时培土塌实。注意防治病虫害，适当采取喷药或施肥等相应措施。

3.6管理工程设施—管护房

在矸石山周围选择合适的地点建维护人员值班室1间，建筑面积为30m2，一层构筑，采用砖砌结构，内设办公桌椅。

4矸石山治理效果

对现有矸石山实施消坡、压实等措施治理后，解决了现有矸石山对环境空气的影响问题;控制了矸石山对周围环境的影响;设置合理的边坡，进行植物措施绿化，稳定了边坡，改善了生态环境。治理区域生态系统的结构由简单趋向复杂，植被种群由单一趋向多样化，生态系统向着良性循环方向发展，同时水土流失现状基本得到治理，土壤侵蚀量减少70%，绿化率在30%以上，生态环境彻底改善。

参考文献:

［1］矿山生态环境保护与污染防治技术政策(环发［2005］109号)．

［2］国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局．煤矿矸石山灾害防范与治理工作指导意见(安监总煤矿字［2005］162号文．

［3］危险废物鉴别技术规范－HJ/T298－2007．

［4］煤炭工业污染物排放标准(GB20426－2006)．

作者:马双提 单位:吕梁市环境科学研究所