西山煤電屯蘭礦矸石山生態(tài)恢復綜合治理與利用

席永哲

(西山煤電(集團)有限責任公司基本建設處，山西太原 030053)

西山煤電屯蘭礦隸屬西山煤電(集團)有限責任公司，設計年生產(chǎn)能力500萬t，并配有相應生產(chǎn)能力的現(xiàn)代化選煤廠，地處山西省古交市以南6 km。近年來，屯蘭礦作為山西焦煤集團公司的品牌礦井和窗口單位，部分產(chǎn)品已遠銷韓國、日本、德國、土耳其等國家。

1 矸石山現(xiàn)狀與環(huán)境影響

1.1 環(huán)境影響

煤矸石既是煤礦生產(chǎn)過程中排放的固體廢物，也是低熱值燃料，含有殘煤、碳質(zhì)泥巖等可燃物，在高壓氧化條件下會發(fā)生自燃。矸石中所含的黃鐵礦(FeS2)易被空氣氧化，放出的熱量可以促使含炭物風化以致自燃。煤矸石燃燒時產(chǎn)生的CO，SO2，H2S等有害氣體會污染大氣環(huán)境，造成附近居民氣管病和氣喘病增多，導致周邊環(huán)境總適宜性降低，莊稼減產(chǎn)、生物量減少。煤矸石堆積如山，容易造成滑坡、坍塌及水煤氣爆炸等環(huán)境事件［1］。

1.2 現(xiàn)狀

屯蘭礦矸石山由屯蘭礦建礦以來多年排矸形成。治理區(qū)分為兩個部位，一號治理區(qū)屬于舊排矸石區(qū)，治理總面積約為23 800 m2，形成60余米～70余米高的人工山，現(xiàn)已停用;二號治理區(qū)為近幾年排矸區(qū)，場地邊緣已形成不規(guī)則階梯狀坡面，坡面已完成覆土。此次二號治理區(qū)范圍包括兩級坡面以及路側(cè)坡面治理，坡面長約800 m，三級坡面總面積約為16 000 m2。此次采用的滅火→治理→綠化→生態(tài)恢復一體化治理方案為西山集團公司首次應用。

2 綜合治理設計原則及規(guī)劃

2.1 設計原則

矸石山山體安全穩(wěn)定—滅火效果徹底—植物群落向森林方向演替，最終形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)—兼顧生態(tài)環(huán)境的同時注重景觀效果—滅火、生態(tài)修復與山體穩(wěn)定(護坡)三者相結合，作為一個系統(tǒng)工程總體安排，最終達到滅火徹底、山體穩(wěn)定、植被良性演替的整體治理效果。

2.2 總體規(guī)劃

該方案采用滅火措施、護坡措施與生物措施(生態(tài)修復)緊密結合的方法，即首先對矸石山進行滅火施工。本次滅火施工主要工藝包括溫度勘察、挖除滅火、換填滅火、噴射注漿滅火、深孔注漿滅火等。根據(jù)溫度勘測結果及現(xiàn)場情況，采用多種滅火方法系統(tǒng)結合的方式進行滅火施工。

結合上述滅火措施的基礎上，進行護坡整治，整理坡面、控制坡度、修建上山道路、修筑排水渠、急流槽及馬道，修建柔性護坡，對其抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基承載能力進行分析驗算，最后采用生物措施進一步加固矸石山，設計中綜合采用生物、物理、化學等措施進行土壤基質(zhì)改良，采用遠程噴射播種植被恢復技術對矸石山坡體進行植被恢復。

3 滅火方案

3.1 設計原則

為確保施工安全，此次滅火采用防火、控火、滅火方案，方案明顯減少或消除有害氣體，恢復安全常態(tài)，按照不同部位采取不同滅火工藝，采用多種滅火工藝相結合的滅火方式進行施工，全程測溫，由下而上，由外而內(nèi)，由低溫區(qū)向高溫區(qū)實施滅火措施。

3.2 總體規(guī)劃

矸石山滅火工程主要依據(jù)矸石山自燃機理及特點，矸石山不同溫度分布規(guī)律及溫度探測技術，采用各種滅火措施的綜合、運用。本設計采用了先進的噴漿、注漿技術防火、控火，最終消除火點。采取機械化施工，利用泥漿噴射機進行噴漿、注漿。

4 護坡工程方案

矸石山山體的穩(wěn)定直接關系到綜合治理的成敗，同時山體的穩(wěn)定又保證滅火效果的持續(xù)與生態(tài)修復的成功。護坡工程主要包括:坡體分級、整理坡面、控制坡度，修建上山道路，修筑排水渠、急流槽及馬道，修建柔性護坡等。針對矸石山不穩(wěn)定、易沉降等特性，采用剛性護坡易損壞。該矸石山護坡工程采用柔性覆蓋的技術理念，以有效應對矸石山沉降。

4.1 坡體削坡分級及道路修整

1)削坡。

矸石山削坡分級總體坡度控制在30°左右，本次削坡主要針對一號治理區(qū)進行，同時也包括二號治理區(qū)部分坡面。平均削坡深度為1.5 m，削坡后每段坡面長度10 m～15 m。

2)覆土。

削坡完成后，矸石山體表層覆蓋矸石與黃土的混合物(含黃土約75%)，以利于植物生長，表層平均矸土混合物厚度為0.8 m。

3)整形。

覆土完成后，進行坡面整形及施工道路修整，削坡整形后表層矸土混合壓實，形成一個封閉良好的整體，山體穩(wěn)定性良好，為植被恢復創(chuàng)造良好條件。

4.2 排水系統(tǒng)

坡體的排水系統(tǒng)包括坡面急流槽、馬道柔性排水渠及道路排水。柔性排水系統(tǒng)均采用土工袋、土工膜等柔性材料，坡面排水系統(tǒng)與道路排水系統(tǒng)及原有排水系統(tǒng)相貫通。

馬道在前期可作為施工便道，之后建立排水渠，其余裸露地方進行植被恢復。矸石山經(jīng)人工整形后，易發(fā)生沉降變形，如采用混凝土或漿砌石構筑排水渠，極易發(fā)生斷裂。該方案采用土工膜加土工袋構筑的柔性排水渠。

排水渠修筑方法為馬道邊緣及道路一側(cè)開挖寬1 m壕溝加土夯實(土層厚度約為20 cm)，然后回填形成下底寬40 cm，上口寬80 cm，高60 cm的梯形排水溝，鋪設土工膜，溝底坡度為5%，土工膜上方碼放黑色土工袋，標準尺寸一般為40 cm×80 cm，土工袋裝土壓實，碼放要求層層碼放相互壓實形成表層利于阻擋和攔截降水的臺階式坡面。

4.3 植物護坡的作用

4.3.1 植物根系的固著作用

草本植物須根大部分分布在地下0.5 m以內(nèi)，而灌木根系更能深入到矸石層，對提高坡體表面抗沖力、防水土流失作用十分明顯，植被能夠遏制坡面水土流失及淺層崩塌，植物的淺層根系錯根盤結，使土體在其延伸范圍內(nèi)成為土與植物的復合體。

植物的垂直根系穿過坡體淺層的松散風化帶，深入到較深矸石層起到相當于甚至優(yōu)于錨桿的作用。禾本科及豆科植物小灌木在地下0.75 m～1.5 m處有明顯的加固作用，喬木根系的錨固作用可影響更深的矸土層。

4.3.2 植被的防沖蝕作用

1)截留降水，削弱濺蝕。降水從高空落下，對裸露的表土產(chǎn)生一種打擊力，土壤結構遭到破壞，同時土粒被水帶走產(chǎn)生水土流失。植被保持水土作用表現(xiàn)在可基本消除降水的擊濺侵蝕，降低坡面土體的侵蝕性，減少沖蝕力指數(shù)。植物攔截降水，則削減了降水對地面的擊濺侵蝕，從而對表土起固持作用。

2)延緩徑流匯集，增加入滲，減少沖刷。地表徑流集中是坡面土體沖蝕的主要動力，對土體沖蝕的強弱取決于流速的大小和徑流所具有的能量。植被覆蓋坡面增加坡面粗糙率使徑流由直流變?yōu)槔@流，難于匯集一起。另外植被生長形成的空隙和裂隙增加了入滲，優(yōu)化地下水的補給環(huán)境，減少了徑流量和徑流沖刷力，直接降低了徑流對坡面沖刷，保護坡面結構的穩(wěn)定性。

3)鄉(xiāng)土灌木樹種生長，植物種類多樣，表層形成茂密草灌植物，起到很好的水土保持作用，不會造成水蝕溝。

5 生態(tài)修復方案

在矸石山植被恢復工程中按照立地條件分析與評價、基質(zhì)改良技術、適宜樹種選擇與規(guī)劃、植被恢復栽植技術、科學的撫育管理技術和植被恢復的監(jiān)測與評價等“六階段”技術模式，根據(jù)模式中各個環(huán)節(jié)之間的關系，適時有效地調(diào)整矸石山植被恢復的工程技術和進度，可以使矸石山植被恢復能夠按照規(guī)劃設計的目標創(chuàng)建穩(wěn)定的植物生態(tài)系統(tǒng)，使矸石山最終達到治理的效果［2］。

6 適宜的植物規(guī)劃

6.1 植物

植物種類的選擇一直是矸石山生態(tài)修復研究的重要內(nèi)容。植物種類選擇的適當與否是屯蘭礦矸石山植被恢復成敗的關鍵，樹種的組成以及植被群落的組成和密度是創(chuàng)造良好生態(tài)環(huán)境的基礎。根據(jù)該礦矸石山植被恢復與生態(tài)特點，科學地選擇矸石山適宜的植物種類是該項工程的重要任務。主要是堅持“適地適樹”的原則，以鄉(xiāng)土樹種為主，選用經(jīng)過多年引種和馴化的植物品種，要有利于矸石山的水土保持和土壤的改良，選擇抗干旱和耐貧瘠的肥料樹種，尤其要考慮優(yōu)良的灌木樹種在植被的防護和土壤改良功能方面的特點，這樣可以使矸石山提早郁閉，加快綠化和生態(tài)修復的速度，并具有保持水土的作用［3］。

6.2 適宜該地區(qū)種植的植物種類

油松、側(cè)柏、臭椿、刺槐、山杏、檸條、榆樹、紫穗槐、皂角、二色胡枝子、荊條、羊柴、二月蘭、沙打旺、波斯菊、黑心菊、紫花苜蓿、黑麥草及高羊毛等。

7 治理工程的監(jiān)測與評價

矸石山植被恢復是困難立地條件下比較艱巨的工程，因此其恢復植被的監(jiān)測比較重要。在植被恢復的初期，由于管理強度較大，植物的生長發(fā)育狀況會及時的得到反饋和處理。但是在管理強度逐年降低直至停止后，矸石山的植被開始進入自維持狀態(tài)，由于管理強度的降低和矸石山立地限制因子的疊加性，重建的植物群落的發(fā)展可能出現(xiàn)兩種情況，一種是逐漸退化，植物的生長量減少，種類減少等等，任其發(fā)展，最后可能導致整個恢復植被的完全消失。另一種是植物生長良好，生產(chǎn)力逐步提高，鄉(xiāng)土樹種不斷侵入，甚至替代植被重建階段的先鋒樹種。對于第一種情況應該通過監(jiān)測和評價，盡快的發(fā)現(xiàn)植被退化的決定性因素，對恢復的植被進行維護。第二種情況表明重建的植被正朝著自我演替的方向發(fā)展，最終會建立一個穩(wěn)定的、自維持的生態(tài)系統(tǒng)。對于取得初步成功的矸石山恢復植被，通過監(jiān)測和評價，適時地引進期待的樹種，使之能夠按照人為設計的方向創(chuàng)建希望的恢復生態(tài)系統(tǒng)。另外，監(jiān)測和評價植被重建的環(huán)境和生態(tài)效益，深入研究生態(tài)修復的過程與機制，可以推廣和發(fā)展植被恢復技術理論，為矸石山的生態(tài)重建提供理論和技術的支持［4］。

7.1 生態(tài)效益

本方案規(guī)劃設計的生物措施實施一段時期后，通過增加植被、改善土壤性狀，可以減少揚灰，減少有害氣體擴散，減少地表徑流，減輕土壤侵蝕，防止新增的水土流失。最終治理目標為，使項目實施后矸石山治理率達到99%，水土流失治理度達98%，植被恢復系數(shù)達98%，水土流失控制率達98%。

7.2 社會效益

通過實施本報告規(guī)劃設計的措施，可減輕水土資源的流失和破壞，使生態(tài)修復與經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調(diào)進行，走上良性循環(huán)的道路;同時，對促進當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設和發(fā)展地方經(jīng)濟具有重要的意義。

8 結語

本方案中植物的選擇模擬植被自然演替規(guī)律，即由草灌向森林化方向演替;倡導從種子開始的最自然的育林方式，而非人工方式的植樹。因為播種苗不僅在表層形成致密的植物群落，主根也特別發(fā)達，進一步加固了山體，而傳統(tǒng)覆土栽植模式苗木主根被切斷，側(cè)根發(fā)達，不利于山體的穩(wěn)固，而且實施工期短，見效快，可以減少覆土，保護土源，避免造成新的水土流失。與傳統(tǒng)的矸石山植被恢復相比在技術手段上有所突破與創(chuàng)新，更多依賴基質(zhì)配比技術、植物品種選擇技術，按照植物群落自然演替的科學規(guī)律，以達到對矸石山徹底治理的目的。

［1］ 允 新，朱字順，宋長斌，等.煤矸石的危害與防治［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2001(2):35-38.

［2］ 韋志俊.矸石山治理與開發(fā)顯成效［J］.煤礦環(huán)境保護，2005，15(1):64.

［3］ 杜 忠.煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀［J］.資源環(huán)境與工程，2007，21(5):621.

［4］ 李鵬波.煤矸石山植被恢復技術模式的研究［J］.山東林業(yè)科技，2006，2(2):42-44.