北方無(wú)自燃煤矸石山生態(tài)治理技術(shù)初探

蘇光瑞，趙方瑩，李勝剛

(北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，北京 100192)

1 無(wú)自燃煤矸石山的危害

煤矸石作為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，是指煤礦在開(kāi)拓掘進(jìn)、采煤和煤炭洗選等生產(chǎn)過(guò)程中排出的含碳巖石，產(chǎn)量一般占原煤產(chǎn)量的10%～20%[1]，由于利用和消納途徑有限，煤矸石基本是露天堆放，逐漸形成煤矸石山。

煤矸石長(zhǎng)期露天堆放，易發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，經(jīng)過(guò)雨水淋溶，其中含有的重金屬(如鉻、砷、鉛等)極易進(jìn)入土壤和水體，進(jìn)而污染土壤、地表水和地下水，影響植物正常生長(zhǎng)，同時(shí)也影響居民生產(chǎn)生活。煤矸石在運(yùn)輸、堆放及表層風(fēng)化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，并增加大氣中細(xì)顆粒物(PM2.5)含量，導(dǎo)致可吸入顆粒物的濃度增高[2]。

經(jīng)人工堆積的煤矸石山，山體過(guò)高且坡度很陡，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在暴雨等外力作用下易發(fā)生坍塌、滑坡等災(zāi)害，造成嚴(yán)重的水土流失，直接或間接地危及居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[3]。此外，煤矸石山占用大量土地，破壞景觀。堆積形成的黑褐色煤矸石山，與周圍環(huán)境形成了鮮明的對(duì)比，大量粉塵使得建筑物蒙上黑灰，影響城市形象，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也造成了嚴(yán)重影響[4]。因此，加強(qiáng)煤矸石山的生態(tài)治理具有重要意義。

2 北方無(wú)自燃煤矸石山生態(tài)治理技術(shù)

2.1 頂部機(jī)械平整

對(duì)凹凸不平的煤矸石山頂部進(jìn)行機(jī)械平整，以便后續(xù)覆土綠化。平整后頂部中間略高，四周略低，整體坡面向坡頂截水溝傾斜。

2.2 坡體整理

煤矸石山高度和坡度均較大，極其不穩(wěn)定。因此，煤矸石山生態(tài)治理首先應(yīng)進(jìn)行坡體整理，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以便后續(xù)構(gòu)建排水系統(tǒng)、實(shí)施防護(hù)措施和恢復(fù)植被。坡體整理首先需對(duì)表層浮矸、危矸進(jìn)行清理，然后對(duì)坡長(zhǎng)較長(zhǎng)、坡度較陡區(qū)域進(jìn)行“隨坡就勢(shì)”整理，主要環(huán)節(jié)包括坡體分級(jí)、坡度調(diào)整、坡面平整等。坡體分級(jí)一般10～15 m為一級(jí)，并設(shè)置2 m寬分級(jí)馬道(施工時(shí)，根據(jù)地形適度調(diào)整)，坡度調(diào)整到30°以下。

2.3 構(gòu)建柔性截、排水系統(tǒng)

在對(duì)煤矸石山坡體進(jìn)行整理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建良好的截、排水系統(tǒng)，才能防治矸石流失，確保坡體穩(wěn)定。坡體上修建截、排水系統(tǒng)，主要作用是有效排導(dǎo)坡面徑流，減少雨水沖刷、下滲，從而減輕降水對(duì)坡體的危害。截、排水系統(tǒng)由坡頂截水溝、分級(jí)馬道排水溝、坡面急流槽和坡腳排水溝四部分組成，用不透水的柔性材料修筑和包覆，以防矸石山不均勻沉降造成斷裂，可采用土工布+生態(tài)植被袋等柔性材料構(gòu)筑(圖1)，避免用鉚釘固定等。斷面可采用梯形、U形等，斷面尺寸根據(jù)匯水面積、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)等計(jì)算確定，排水方向、坡度依據(jù)地形調(diào)整。

圖1 柔性排水溝工程

2.4 構(gòu)筑柔性坡腳防護(hù)體系

煤矸石山坡體具有不穩(wěn)定、易沉降變形的特點(diǎn)，坡腳采用剛性防護(hù)措施易斷裂、損壞。因此，矸石山坡腳防護(hù)體系的構(gòu)筑以柔性措施為主?？稍诜旨?jí)馬道(平臺(tái))坡腳錯(cuò)層碼放生態(tài)植被袋，形成頂寬30 cm、高45～60 cm小擋墻(施工時(shí)，根據(jù)地形適當(dāng)調(diào)整)，以穩(wěn)固坡面。為防治坡體進(jìn)一步向外圍擴(kuò)張，可在矸石山最下緣坡體坡腳設(shè)置鉛絲籠+生態(tài)植被袋(鉛絲籠內(nèi)碼放生態(tài)植被袋)擋墻，必要時(shí)形成臺(tái)階式擋墻。

2.5 構(gòu)建柔性坡面防護(hù)體系

2.5.1 生態(tài)植被袋護(hù)坡

生態(tài)植被袋柔韌性好，不易斷裂，可以承受較大范圍的變形而不坍塌，可避免由于基礎(chǔ)變形引起的工程防護(hù)措施破壞[5]。坡面穩(wěn)定整理后，依據(jù)坡度和穩(wěn)定程度，在局部較陡(坡度1∶1～1∶4的矸石山坡面)的不穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置生態(tài)植被袋護(hù)坡。生態(tài)植被袋選用可降解的纖維材料加工縫制，內(nèi)填人工調(diào)配的土壤基質(zhì)(種植土+矸石)，封口后按照坡面防護(hù)要求碼放。

圖2 生態(tài)植被袋護(hù)坡工程

2.5.2 鐵絲網(wǎng)+錨桿穩(wěn)定

為穩(wěn)固坡面矸石，保障生態(tài)植被袋坡面防護(hù)效果，在布設(shè)生態(tài)植被袋護(hù)坡區(qū)域鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)，再采用錨桿固定，以加強(qiáng)坡面的穩(wěn)定性。鐵絲直徑不小于2 mm，網(wǎng)孔5 cm×5 cm，網(wǎng)片之間的搭接不小于10 cm，并保證平整、到位、不留漏洞；沿坡面按1 m×1 m的間距呈梅花形打入錨桿，錨桿材質(zhì)為φ16～18 mm的螺紋鋼，長(zhǎng)1.5～2.0 m，錨固深度≥0.6 m，錨桿外露端與鐵絲網(wǎng)緊密連接固定。

2.6 構(gòu)建人工土壤層

土壤層是植被賴以生存的載體。煤矸石山基本沒(méi)有土壤層，因此需要人工構(gòu)建滿足植被生長(zhǎng)的土壤層?？刹捎脤Ｓ没|(zhì)配方材料與當(dāng)?shù)胤N植土、粒徑合適的矸石調(diào)配成人工土壤層；再通過(guò)生態(tài)灌漿、覆蓋、填充、高壓噴附等使人工土壤層附著在矸石坡面上，形成10～30 cm厚的植物生長(zhǎng)土壤層。

2.6.1 客土覆蓋

把客土從煤矸石山頂部開(kāi)始直接覆蓋到矸石山表面。矸石山頂部覆蓋厚度1.0 m左右，坡面覆土0.5 m左右?？屯量刹捎梦勰?、園林廢棄物、生活垃圾等處理后的產(chǎn)物或其他項(xiàng)目剝離表土，減少取客土對(duì)其他區(qū)域土壤層的破壞。

2.6.2 生態(tài)灌漿

對(duì)由塊狀矸石構(gòu)成的空隙大、不陡于1∶1.5的坡面，可采用生態(tài)灌漿技術(shù)構(gòu)建植被生長(zhǎng)層。生態(tài)灌漿是將有機(jī)質(zhì)、肥料、保水劑、黏合劑、壤土等合理配比后，加水按照一定的比例攪拌成漿狀，然后利用高壓噴射設(shè)備對(duì)矸石坡面進(jìn)行灌漿、振動(dòng)、搗實(shí)，使塊狀空隙充盈、填實(shí)，達(dá)到防滲并穩(wěn)定坡面的目的[5]。施工時(shí)應(yīng)注意漿液中水的比例不宜過(guò)大，否則可能引起坡面滑塌。

2.6.3 生態(tài)基材噴附

對(duì)坡度45°～75°的穩(wěn)定煤矸石坡面，可采用生態(tài)基材噴附技術(shù)構(gòu)建10 cm左右植被生長(zhǎng)層，該技術(shù)是將有機(jī)質(zhì)、保水劑、黏合劑、土壤改良劑、緩效肥等材料，配置成核心基質(zhì)材料，再根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)可利用土源和土壤質(zhì)地條件，對(duì)基質(zhì)進(jìn)行二次調(diào)配，通過(guò)高壓噴射系統(tǒng)將植物生長(zhǎng)基質(zhì)噴射到工程實(shí)施的區(qū)域，營(yíng)造植物生長(zhǎng)條件[5]。施工中應(yīng)盡可能從正面自上而下進(jìn)行噴射，避免仰噴。

2.7 構(gòu)建植被層

2.7.1 植物選配原則

選配的植物應(yīng)能在自然條件下生長(zhǎng)、繁衍，不需人工輔助。應(yīng)根據(jù)植物的生物學(xué)特性和煤矸石山的立地條件，以及當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境、鄉(xiāng)土植物種類等確定植物種，并且通過(guò)科學(xué)合理配比，構(gòu)建穩(wěn)定的植被群落。主要選配原則為：①植物的生物學(xué)特性與立地條件相一致，適地適樹(shù)；②抗逆性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)成本低、根系發(fā)達(dá)、生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)；③以各類灌木為主，搭配一定比例的喬木和草本，避免植物品種單一；④先鋒植物與目標(biāo)植物相結(jié)合；⑤根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況考慮一定景觀功能需求。

2.7.2 適合北方無(wú)自燃煤矸石山生態(tài)修復(fù)的植物品種

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料及工程實(shí)踐，以下植被可作為北方煤矸石山生態(tài)治理的優(yōu)選植被：落葉喬木可選擇榆樹(shù)、刺槐、臭椿，常綠喬木可選擇側(cè)柏、油松；灌木可選擇紫穗槐、檸條、山皂莢、酸棗、胡枝子、黃刺玫、山桃、山杏；草本可選擇馬齒莧、鬼針草、沙打旺、紫花苜蓿、黑麥草、高羊茅[6-7]。

2.7.3 植被恢復(fù)

(1)煤矸石山頂部苗木栽植。矸石山頂部覆土1 m，穴狀整地后栽植喬木榆樹(shù)、油松、刺槐、側(cè)柏、臭椿，灌木紫穗槐、檸條、黃刺玫等，喬木株行距3 m×3 m，灌木株行距2 m×2 m，穴內(nèi)及其他空地按15 g/m2撒播波斯菊、沙打旺等草籽。

(2)坡面種子層噴附。將選定的植物種子按設(shè)計(jì)規(guī)格混合，攪拌均勻，再在混合種子中加入一定比例的綠化基材、種植土、纖維等，采用移動(dòng)式液力噴射機(jī)，用鴨嘴噴槍直接噴射。在噴射完成的基質(zhì)上，噴播含有灌木種子的基質(zhì)2～3 cm。

(3)生態(tài)植被毯技術(shù)。生態(tài)植被毯技術(shù)是利用人工加工的復(fù)合防護(hù)毯結(jié)合喬灌草種子進(jìn)行坡面防護(hù)和植被恢復(fù)的技術(shù)方式，適用坡度不大于堆積物自然安息角的穩(wěn)定坡面。生態(tài)植被毯是以稻草、麥秸等為原料，在載體層添加喬灌草種子、保水劑、營(yíng)養(yǎng)土等生產(chǎn)而成。含種子層的生態(tài)植被毯，一般結(jié)構(gòu)從上到下分上網(wǎng)、植物纖維層、種子層、木漿紙層、下網(wǎng)五層[8](圖3)。

圖3 含種子層生態(tài)植被毯結(jié)構(gòu)

生態(tài)植被毯種子層中的喬灌草植物種子的選配、單位面積播種量參數(shù)等根據(jù)工程所在項(xiàng)目區(qū)氣候、矸石山立地條件、植物生長(zhǎng)習(xí)性等情況確定。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)與坡面充分接觸并用U形鐵釘或木樁固定，毯與毯之間要重疊搭接，搭接寬度10 cm。

2.8 鋪設(shè)保護(hù)層

鋪設(shè)保護(hù)層的主要目的是保護(hù)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，保障植被恢復(fù)效果。在種子層噴附或撒播完畢后，在噴附或撒播種子的區(qū)域覆蓋保護(hù)材料，既可以穩(wěn)固表層土壤，增加地面粗糙度，減少坡面徑流量，減緩徑流速度，減輕雨水沖刷，減弱陽(yáng)光曝曬，減少水分蒸發(fā)，保墑，防止鳥(niǎo)類啄食，保護(hù)種子萌發(fā)，又可以在種子發(fā)芽后降低地表溫度，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。保護(hù)層材料可用生態(tài)植被毯或無(wú)紡布，鋪設(shè)量為每平米噴附區(qū)域鋪設(shè)1.2 m2，用木樁或竹片固定接縫、周邊及中間，防止風(fēng)力損害。同時(shí)，鋪設(shè)前可在草毯中加入營(yíng)養(yǎng)土、保水劑等，為種子出苗、生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)條件。

2.9 灌溉系統(tǒng)

矸石山植被恢復(fù)過(guò)程離不開(kāi)灌溉。根據(jù)矸石山立地條件，以噴灌為好，可利用矸石山的噴淋系統(tǒng)，將水輕柔、均勻地噴灑到矸石山坡面上。沒(méi)有灌溉設(shè)施的需修建灌溉系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)一般由水源、水泵、輸配水管網(wǎng)等組成。

2.10 后期管護(hù)與人工調(diào)控

撫育管護(hù)在植被恢復(fù)過(guò)程中是個(gè)非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。俗話說(shuō)“三分栽，七分養(yǎng)”，通過(guò)對(duì)植被的合理管護(hù)，可以保證植被的成活率、生長(zhǎng)繁殖更新順利進(jìn)行，還可以為植物生長(zhǎng)適時(shí)創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，加快成林速度。

煤矸石山植被恢復(fù)后期的管護(hù)重在灌溉、補(bǔ)植和追肥，檢查出芽率、覆蓋率等，及時(shí)補(bǔ)植；為利于植物自然演替，不除雜草；在植被層初步形成后，通過(guò)后續(xù)人工調(diào)控管理，營(yíng)造以灌木為優(yōu)勢(shì)物種的穩(wěn)定植被群落。

3 結(jié) 語(yǔ)

煤矸石山生態(tài)治理是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程，投資大、見(jiàn)效慢、不易成功。因此，煤矸石山生態(tài)治理措施的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)煤矸石山的特點(diǎn)、所處區(qū)域環(huán)境、周邊場(chǎng)地大小、土方運(yùn)輸距離等綜合考慮，設(shè)計(jì)適宜的治理措施，且應(yīng)以“柔性措施”為主，適當(dāng)輔以工程措施，植物應(yīng)以鄉(xiāng)土灌木為優(yōu)選種。