丘陵溝壑區(qū)煤矸石填埋技術(shù)及應(yīng)用?

張廷會　李小剛　賀衛(wèi)中　郝業(yè)　侯懷勇(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,71001; .陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710054; .陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,陜西省西安市,710054)

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丘陵溝壑區(qū)煤矸石填埋技術(shù)及應(yīng)用?

張廷會1,2李小剛2賀衛(wèi)中3郝業(yè)2侯懷勇2
(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,710021; 2.陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710054; 3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,陜西省西安市,710054)

摘 要為有效降低煤矸石對礦區(qū)環(huán)境的影響,通過研究丘陵溝壑區(qū)煤矸石的填埋技術(shù)及應(yīng)用,并對其效益進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,利用地形條件填埋煤矸石,是礦山廢棄物綜合治理的有效途徑,既減輕了煤矸石露天堆放造成占地、揚塵和自燃等環(huán)境問題,又具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,對礦山煤矸石的治理具有示范和借鑒意義。

關(guān)鍵詞煤矸石 填埋 環(huán)境保護(hù) 丘陵溝壑區(qū)

1　引言

煤矸石是成煤過程中與煤伴生的質(zhì)地堅硬、含碳率低的一種巖石,是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生和排放的固體廢棄物。煤矸石是礦區(qū)污染最為嚴(yán)重的污染物,由于資源化利用程度不夠,造成了大量煤矸石長期堆存,不僅破壞和占用了大量的土地資源,也帶來諸如土壤及周邊水體環(huán)境質(zhì)量下降、生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)退化和景觀環(huán)境破壞等一系列的生態(tài)環(huán)境問題,加劇了礦區(qū)人地矛盾。

目前,國內(nèi)外對煤矸石環(huán)境影響方面的研究主要集中在煤矸石對周圍尾礦、土壤和地下水的污染、煤矸石風(fēng)化土壤的重金屬污染及土壤微生物特性等方面,對煤矸石的治理研究主要集中在資源綜合利用、復(fù)墾綠化和覆蓋填埋等方面,對采用填埋消納技術(shù)處理煤礦矸石山的環(huán)境污染問題的研究較少。本文以陜西某煤礦為研究對象,在綜合分析周邊地形條件和地理環(huán)境條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實例探討分析了填埋消納技術(shù)在該礦矸石回填中的應(yīng)用。

1　煤矸石綜合治理措施

煤矸石是煤炭生產(chǎn)過程中的主要廢棄物,傳統(tǒng)的方式是直接排至地面。大量的煤矸石長期裸露,污染大氣環(huán)境、土壤和水源,危害人體健康,影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。作為排放量最大的工業(yè)固體廢物,煤矸石的處理尤為重要。目前,我國煤矸石的治理措施主要有覆蓋填埋、復(fù)墾綠化和資源綜合利用等方面。煤矸石在充填塌陷區(qū)、鋪填路基、水土保持和作物種植等技術(shù)上也已經(jīng)有了較大的發(fā)展。

1.1復(fù)墾綠化

復(fù)墾綠化主要針對已經(jīng)閉坑的成型煤矸石山治理,是一種生態(tài)修復(fù)的方法。煤矸石堆積過程中已經(jīng)對環(huán)境、水源和空氣等造成危害,治理需要投入大量的資金。煤矸石經(jīng)風(fēng)化后孔隙率逐漸變小、密度逐漸提高,具備一定的保水能力,可為植物生長提供水分,成為植物生長的介質(zhì)。植物綠化生長在改變煤矸石風(fēng)化物的物理性狀的同時,還可以大量吸收其釋放的有毒有害物質(zhì),對土壤起到凈化作用。

1.2資源化利用

煤矸石具有廢渣和資源雙重屬性。根據(jù)煤矸石化學(xué)成分和礦物組成的特點,有些地方作為高附加值產(chǎn)品的原料而加以利用。煤矸石兼有煤、巖石和化工原料的性質(zhì),具有發(fā)電、生產(chǎn)建材及其制品、生產(chǎn)肥料或改善土壤等用途。煤矸石的資源綜合利用在改善礦區(qū)環(huán)境、節(jié)約占地方面已經(jīng)做了很多探索,對于構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會可以起到積極的推動作用。

1.3填埋消納

煤矸石填埋是煤矸石綜合利用的重要途徑之一。根據(jù)礦井所處位置的地形地貌特征,在可行性研究階段結(jié)合環(huán)境影響評價、地質(zhì)災(zāi)害危險性評價和水土保持方案編制等工作提出煤矸石處理方案,是一種煤矸石對環(huán)境危害的事前控制措施。但目前礦山對煤矸石進(jìn)行同步填埋處理尚不多見。

煤矸石的填埋消納首先要選址,在礦區(qū)附近選擇合適的溝壑,綜合溝谷匯水面積、植被發(fā)育、有效容積、氣象條件、土地利用和環(huán)境保護(hù)等多種因素優(yōu)化選定,可以與礦井設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)階段同步進(jìn)行,符合國家環(huán)境保護(hù)“三同時”的要求,也符合經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益的統(tǒng)一原則。

2　排矸場地質(zhì)環(huán)境條件

2.1地形地貌、自然地理條件

陜西某煤礦排矸場二期工程設(shè)計堆矸庫容量370萬m3,預(yù)計服務(wù)5a,主要用于煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石的堆放。擬建排矸場位于工業(yè)場地東側(cè)約0.6km處的沖溝內(nèi),采用從下游用地邊界向上游逐步推進(jìn)的方法。

排矸場填埋消納場地地貌單元為陜北高原峁梁丘陵溝壑區(qū),山谷交錯,溝壑縱橫,侵蝕沖刷劇烈。排矸范圍所處沖溝的兩側(cè)岸坡植被稀疏,溝底為黃土狀粉砂土及砂卵石覆蓋,溝內(nèi)無人居住。場地地質(zhì)環(huán)境條件如圖1所示。

圖1　排矸場地質(zhì)環(huán)境條件

2.2巖土工程條件

排矸場所選沖溝主要巖性為以砂粘土、砂、砂礫石層為主的第四系覆蓋層和下伏的第三系河湖相深紅、紫色及棕紅色粘土和砂質(zhì)粘土;無地表流水,地下水位埋深大于3m。場地兩側(cè)坡地第四系覆蓋層厚度大,表層松散,植被覆蓋率低,發(fā)育有沖溝、陷穴、小型滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用,矸石填埋可以減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2.3水文氣象條件

該區(qū)域?qū)訇儽秉S土高原暖溫帶大陸性半干旱氣候,大部分地表為黃土所覆蓋,春季干燥多風(fēng)沙,夏季炎熱多雷雨,秋季晴朗降溫快,冬季干冷雨量少。區(qū)內(nèi)年最低氣溫為－23.6℃、年最高氣溫為38℃,平均氣溫為9.1℃。平均降雨量為514.7mm/a,多集中在7～9月份,占全年降雨量的55%～65%,蒸發(fā)量為降雨量的3倍。全年無霜期175d,冬春季多為西北風(fēng),最大風(fēng)速為7.8 m/s。冰凍期為11月底至翌年4月初,最大凍土深度為1.03m。

排矸場所處一封閉性沖溝內(nèi),屬低山丘陵溝谷,匯水面積∑S＝0.45km2,排矸場出口流量按照50年一遇最大洪峰流量QP2%＝10m3/s、20年一遇最大洪峰流量QP5%＝6.5m3/s、排水管道長度L＝0.82km進(jìn)行設(shè)計,滿足短時暴雨排洪要求。

3　工程設(shè)施

陜西某煤礦排矸場工程主要構(gòu)筑物為:攔渣壩、管涵—豎井排洪系統(tǒng)、坡面排水溝和防滲排污系統(tǒng)。排矸場工程設(shè)施平面如圖2所示,排矸場工程設(shè)施剖面如圖3所示。

排矸場所處地區(qū)氣候干燥,降雨量較小,蒸發(fā)量大。根據(jù)地質(zhì)報告,場區(qū)地下水較深。采用從下游向上游逐漸堆矸方式時,為避免排矸場上游匯水沖刷、攜帶的灰渣污染河溝水體,采用雨水集中管涵排泄原則,設(shè)置鋼筋混凝土豎井—管涵排水系統(tǒng),將排矸場雨水直接排到排矸場下游溝槽。邊坡匯流排水溝引流到排矸場以外的溝槽。

圖2　排矸場工程設(shè)施平面圖

圖3　排矸場工程設(shè)施剖面圖

3.1攔渣壩

攔渣壩采用不含煤掘進(jìn)矸石(白矸),分層碾壓填筑,壩頂寬度約為3m,高度約為13m,壩頂高程約為1205m,上游邊坡按1∶1.5設(shè)置,下游邊坡按1∶3設(shè)置。矸場穩(wěn)定坡面的加高主要采用矸石分層碾壓逐漸堆筑完成,最終堆矸面設(shè)計高程約為1260m。

3.2矸石堆筑

矸石堆筑采用分區(qū)、分層碾壓方式堆筑,堆矸頂面按1∶30坡度坡向排水豎井。堆矸體下游永久邊坡按1∶3設(shè)置,坡面用較大塊的掘進(jìn)矸石防護(hù),并與排矸道路妥善結(jié)合布置排水溝。堆矸體分層厚度不大于5m,含煤量較大有自燃傾向時,頂部采用不小于1.0m黃土封閉。依次類推完成整個排矸場堆筑。

3.3排矸場排水

排矸場采用涵洞—豎井排泄雨水的山谷型儲矸場設(shè)計,如圖4所示。涵洞排洪按照20年一遇暴雨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,50年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核。為保證有足夠的排矸場區(qū),首先施工370m排洪涵洞排泄上游雨水。填筑高程約1220m時,延長上游涵洞并施工2＃豎井,由豎井收集、排泄雨水。排矸場下游坡面及原狀山坡雨水,經(jīng)過設(shè)置的邊坡排水溝引流至下游溝槽自然排放。

3.4防滲排污系統(tǒng)

防止矸石中滲淋液滲流壩外污染環(huán)境,在攔渣壩上側(cè)坡面、上游渣場整體底部設(shè)置防滲層,并設(shè)截滲齒墻和主支道管,支管道收集滲淋液并通過主管道排入污水處理廠。

圖4　鋼筋混凝土豎井—管涵排水系統(tǒng)

4　工程施工要求

具體施工流程為:測量放線→雜物清運、整平→人機(jī)配合攤鋪、整平、壓實(矸石渣)→填埋煤泥排放區(qū)(矸石渣填埋)→人機(jī)配合土方開挖、運輸、攤鋪、碾壓(覆蓋黃土)→永久邊坡防護(hù)→綠化工程。

4.1測量放線

施工前,測量排矸場排矸范圍地形地貌繪制成圖。根據(jù)地貌測量得知前期排矸場已堆儲矸石渣高度和工程量。根據(jù)地貌高程開始整平地形,對已堆儲矸體未完成永久邊坡進(jìn)行開挖、重新回填壓實,按照永久邊坡基線整理成永久邊坡。

4.2雜物清運、整平

矸石山雜物清運、整平如圖5所示。根據(jù)地形地貌整平排矸場堆儲區(qū),清理運輸?shù)孛嫔系捻肥?規(guī)整矸石、煤泥劃區(qū)排放有序,以達(dá)到排矸場正常運行。

圖5　整平地形、矸石渣攤鋪

4.3攤鋪、整平、壓實(矸石渣)

矸石渣的攤鋪、整平、壓實如圖6所示。主要工序如下:人工配合平地機(jī)精平→20t壓路機(jī)慢速弱振一遍→20t壓路機(jī)慢速強振碾壓一遍→20t壓路機(jī)快速強振一遍→20t壓路機(jī)快速強振碾壓達(dá)到規(guī)定壓實度→壓路機(jī)光面靜壓1～2遍,直至輪跡消除。

壓實工序遵照先輕后重、先邊后中、先慢后快、由弱振到強振的原則。壓實過程中對于邊、角機(jī)械無法到位的部位采用人工進(jìn)行夯實。壓路機(jī)的行走速度按常規(guī)為2～4km/h,壓實遍數(shù)一般為6 遍,其中振動4遍,靜碾2遍,經(jīng)檢測后以達(dá)到規(guī)定的壓實度為標(biāo)準(zhǔn)。

矸石填筑,由于堆矸體比較疏松,可以直接采用挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘,自卸車運輸。在預(yù)填場地上首先應(yīng)根據(jù)各運輸車的載重量及煤矸石的松鋪系數(shù)計算各車卸料的縱橫間距,由專人指揮卸車,土和煤矸石結(jié)合部位要求填筑細(xì)粒料,便于土、煤矸石結(jié)合,以增強結(jié)構(gòu)的整體性。用平地機(jī)攤鋪、平整。煤矸石的松鋪厚度不超過30cm,攤鋪寬度及長度分別不得低于100m。

圖6　矸石渣整平、壓實

4.4煤矸石填埋

煤矸石填埋有組織、有計劃進(jìn)行。根據(jù)填埋設(shè)計圖先施工碾壓臨近下游堆矸壩的填埋區(qū),再填筑內(nèi)部填埋區(qū)。從排矸場底部開始向上逐層填筑,排矸場兩邊山坡交接處須接茬,但接茬部位應(yīng)清除松散物,開挖寬度不小于1.5m的臺階,碾壓并確保接茬部位不產(chǎn)生沉降裂縫。

碾壓填筑區(qū)工作面應(yīng)當(dāng)平順并傾向排水豎井,以利于及時排泄雨水,防止積水影響填筑質(zhì)量。同一填筑區(qū)域的填筑面積過大時,可以劃分成小區(qū)塊進(jìn)行填筑,但接茬部位應(yīng)清除松散物,開挖寬度不小于1.0m的臺階,碾壓并確保接茬部位壓實系數(shù)符合設(shè)計要求。

堆儲矸石時首先由排矸場下游向上游逐漸延伸,延伸坡面基本保持1∶30的表面流水坡度,當(dāng)坡腳延伸到1＃豎井區(qū)時,改變矸石堆儲坡面方向,繼續(xù)向上游延伸,當(dāng)接近2＃豎井約100m時,再改變坡面方向,繼續(xù)向上游延伸至2＃豎井時,再次改變坡面方向并從上游向下游延伸,延伸坡面按設(shè)計坡度施工。

4.5土地再利用

當(dāng)排矸場儲存矸石達(dá)到設(shè)計高程后,在下游邊坡頂部設(shè)置一條外側(cè)坡度為1∶3,內(nèi)側(cè)坡度為1∶2,高度為5m,壩頂寬度為20m,長度按頂部兩岸寬度確定的擋水堤,并按1.5%的坡度向排洪豎井整平頂面,在永久矸石填埋表面攤鋪厚度不小于1.0m的黃土,植樹種草進(jìn)行綠化。

5　排矸場治理經(jīng)濟(jì)效果分析

陜西某煤礦煤矸石填埋消納處理技術(shù)的應(yīng)用,既解決了由于煤矸石堆放造成的占地問題,又取得了較好的生態(tài)效果,環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益兼得,其工程運行階段現(xiàn)場如圖7所示。排矸場治理的經(jīng)濟(jì)效果主要包括以下3個方面。

圖7　工程運行階段現(xiàn)場圖

(1)環(huán)境效益。分層碾壓可以防止煤矸石的自燃。通過治理使得該煤礦周邊的生產(chǎn)、生活環(huán)境得到了有效的改善,避免了礦山環(huán)境問題的發(fā)生,生態(tài)得以修復(fù),具有良好的環(huán)境效益。

(2)社會效益。通過選址對煤矸石進(jìn)行固化填埋,節(jié)約了土地。工程的實施減少了煤矸石占地,保護(hù)耕地,減少水土流失,排除地質(zhì)災(zāi)害隱患,土地利用效率明顯。

(3)經(jīng)濟(jì)效益。煤矸石的填埋處理,可以減少和預(yù)防環(huán)境污染,做到節(jié)能減排,減少財產(chǎn)損失,消除安全風(fēng)險。同時,減少了由于煤矸石堆放造成的環(huán)境問題后再治理的費用。

6　結(jié)論

將填埋消納技術(shù)應(yīng)用于陜西某煤礦的排矸場工程,有效解決了矸石山對環(huán)境造成的污染問題,同時節(jié)約了大量土地,也改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,具有顯著的生態(tài)效益。實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益相統(tǒng)一。煤礦矸石填埋技術(shù)有較大的推廣價值,可為類似地貌礦區(qū)提供借鑒。

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(責(zé)任編輯孫英浩)

Technologyandapplicationofcoalganguelandfillinhillyandgullyarea

ZhangTinghui1,2,LiXiaogang2,HeWeizhong3,HaoYe2,HouHuaiyong2
(1.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,Ministry ofLandandResources,Xi＇an,Shaanxi710021,China; 2.ShaanxiTiandiGeologyCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710054,China; 3.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi＇an,Shaanxi710054,China)

AbstractInordertoreduceinfluenceofcoalgangueontheenvironmentofminingarea,the authorsanalyzedbenefitsofthatbystudyingtechnologyandapplicationofcoalganguelandfillin hillyandgullyarea.Theresultsshowedthatusingterrainconditionstobackfillcoalganguewas aneffectivewaytocomprehensivetreatmentminewastes,notonlyreducingenvironmentalproblemssuchascoalgangueopenairstacking,landoccupation,dustraisingandspontaneouscombustion,italsobenefitingforeconomicefficiencyandenvironmentalcosts,whichsettinganexampleandreferencesignificance.

Keywordscoalgangue,landfill,environmentalprotection,hillyandgullyarea

中圖分類號X752 TD849.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

基金項目:?國家自然科學(xué)基金重大研究計劃資助項目(90210014)

作者簡介:張廷會(1967－),男,陜西戶縣人,高級工程師,現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)方面的研究工作。