歷史遺留礦山生態(tài)修復(fù)環(huán)境設(shè)計

貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心 龍開先，宋赟，梁釋芳

貴州省煤炭資源豐富，含煤地層面積占全省總面積的44%，查明的和推測的煤炭資源總量達(dá)2419.6億噸，位居全國第5位，有“西南煤?！敝Q[1]。豐富的煤炭已使貴州成為江南最大的煉焦煤生產(chǎn)基地和南方商品煤輸出最多的省區(qū)，不僅能充分滿足本省對煤炭的大量需要，而且為支持江南缺煤少煤省區(qū)作出了重要貢獻(xiàn)。但是貴州地區(qū)的煤炭特征是高硫含量[2]，含硫量接近或高于3%[3]。因此，煤礦在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的酸性廢水，同時存在Fe、Mn、SS等不同程度超標(biāo)。隨著環(huán)保意識的加強(qiáng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，按照《貴州省化解煤炭行業(yè)過剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室公告》將關(guān)閉一批落后產(chǎn)能煤礦企業(yè)。

圖1 受污染水體現(xiàn)狀圖

雖然有些煤礦企業(yè)已經(jīng)關(guān)閉，但是礦井封堵不規(guī)范，井下涌出的礦井污水未經(jīng)處理直接外排，對周圍的水環(huán)境造成了污染。本文涉及的工程為貴州省遵義地區(qū)已關(guān)閉煤礦。該煤礦開采時間為20世紀(jì)末期，年開采規(guī)模為10萬噸/年，于2006年關(guān)閉。因煤礦開采，對水體造成了嚴(yán)重的污染。污染水域面積為2.18萬m2，污水量約為20萬m3。受污染水體呈暗紅色、不透明、微臭，水塘內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何動植物生長。

一、煤礦區(qū)煤層主要特征

圖2 工藝流程圖

經(jīng)過資料收集該區(qū)域可采煤層5層，即5、7、8、9、12號煤層，可采煤層總厚3.26-17.17m，平均7.05m，可采含煤系數(shù)8.85%。區(qū)內(nèi)各可采煤層原煤進(jìn)行各種硫測試，全區(qū)黃鐵礦硫（Sp,d）和硫酸鹽硫（Ss,d）之和平均為3.17%；有機(jī)硫（So,d）平均為0.39%。由此可見，區(qū)內(nèi)原煤中的硫主要以無機(jī)的黃鐵礦硫和硫酸鹽硫形態(tài)存在，有機(jī)硫較少，僅占全硫的11%；可采煤層原煤灰成分以含SiO2為主，含量為26.45-76.93%，平均48.98%；其次為Al2O3和Fe2O3，含量分別為11.60-34.39%和1.21-37.22%，少量的CaO、TiO2，含量分別為0.16-14.14%和0.90-4.48%，平均分別為3.20%和2.18%；最少為MnO2，含量為0.011-0.442%，平均0.070%；其余成分含量均在2.00%以下。

圖3 污水處理站圖

煤礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及褶皺構(gòu)造不發(fā)育，巖層呈單斜構(gòu)造產(chǎn)出，巖層傾向320-350°、傾角31-40°。

二、污染原因分析

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查分析，水體被污染的主要原因有三：

其一，該煤礦地處洼地中間最低處，周圍四面環(huán)山，山高坡陡，坡度為20-40°。四周形成一個完整的分水嶺，大氣降水順著四周坡面流下匯入低洼地內(nèi)。洼地周圍排口高度距離最低點(diǎn)有9.2m，水無法向外排。

其二，該煤礦存在大面積采空區(qū)，煤礦關(guān)閉后停止抽排，地下水位快速回彈，加上大氣降水的滲入，淹沒了采空區(qū)。加之井口封堵不規(guī)范，采空區(qū)廢水從井口溢出、外流排泄至地表，帶出含S、Fe、Mn離子的酸性廢水匯集至水塘內(nèi)。煤礦井礦井水對污水塘的補(bǔ)給量雖然小，但卻是水質(zhì)污染的重要原因。

圖4 1線推斷地電斷面圖

其三：污水塘北東角堆積大面積煤矸石，煤矸石中富集的S、Fe、Mn離子，經(jīng)過長時間的浸泡、溶解后，逐漸浸出，浸出后的S、Fe、Mn離子在污水塘內(nèi)富集，塘內(nèi)水體得不到循環(huán)凈化作用，濃度逐漸升高，以致污染整個水塘水質(zhì)。廢水中的大量Fe2+在地表接觸空氣后氧化形成Fe3+，這是污水塘呈紅褐色的主要原因。

三、生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計

通過對煤礦4km2區(qū)域進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)存在的問題有：私采的老窯，踩空區(qū)的塌陷，煤礦主工業(yè)廣場建筑物的壓站損毀，煤矸石堆和污水塘水污染問題。而水污染問題最為嚴(yán)重，因此本生態(tài)修復(fù)方案的核心內(nèi)容為對污水的治理。通過對其治理最終將污水塘恢復(fù)成為人工湖。具體生態(tài)修復(fù)工程如下：

表2 煤層特征表

表3 當(dāng)?shù)亟涤炅拷y(tǒng)計表

（一）受污水體的治理

通過對受污水體水質(zhì)進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e含量306.9mg/L，Mn含量32.08mg/L，pH值為2.8。由于本礦井廢水呈酸性，主要污染物為鐵含量超標(biāo)，根據(jù)原水水質(zhì)，采用中和+曝氣+混凝沉淀+過濾工藝對該礦廢水進(jìn)行處理。對于污泥采用壓濾機(jī)干化處理，暫時儲存在污泥堆棚中，達(dá)到一定量后運(yùn)送到磚廠進(jìn)行制磚，處理總污水量為20萬m3，污水處理站設(shè)計規(guī)模為100m3/h。工藝流程見下圖所示。處理后的出水達(dá)到國家《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426-2006）。Fe達(dá)到《貴州省環(huán)境污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB52/864-2013）。表1為污水處理站出水水質(zhì)。

表1 出水水質(zhì)表

（二）礦井水處理

該項(xiàng)目現(xiàn)場調(diào)查時間為冬季，在對其井口調(diào)查時未發(fā)現(xiàn)有出水，但井口外有黃色水流出痕跡，由此推斷，礦井出水為季節(jié)性出水，出水期僅在豐水期。礦井出水量可通過理論計算得出。

通過現(xiàn)場勘查，該煤礦主要采掘C5、C8、C12三層煤，結(jié)合各剖面采空區(qū)三帶充水或泥影響范圍，推斷C5煤層采空區(qū)為2個、C8煤層采空區(qū)為3個、C12煤層采空區(qū)為2個。

根據(jù)公式計算礦井水最大出水量：

Q=S×H×i

式中：Q—礦井井口出水量，m3/d；

S—踩空區(qū)總面積，m2；

H—最大降雨量，mm；

i—滲水系數(shù)，取0.02。

以當(dāng)?shù)刈畲笕战涤炅?34.2mm計算，礦井最大的日出水量為355.1m3/d（14.8m3/h）。礦井水出水將引入污水站進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后再外排。

（三）固廢處理

1、底泥處理

隨著污水不斷被處理水位下降，污水塘水域下面的底泥不斷被呈現(xiàn)。通過現(xiàn)場的測量，在污水塘東側(cè)底泥厚度較深為40-60cm，其余面為10-20cm。污水塘最低點(diǎn)面積為9560m3，參考暴露的部分底泥情況，底部底泥厚度預(yù)估1m。由此計算底泥處理量為 1.61 萬 m3。

為了對底泥進(jìn)行全面了解，需制定有效的處置方法，對其進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)檢測。表4為底泥檢測報告。

表4 底泥浸出液檢測

通過對底泥金屬浸出液分析，重金屬離子浸出值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故污水塘中的底泥屬于一般固廢。底泥屬于一般固廢，不需要進(jìn)行特殊處理，可在收集后運(yùn)送到垃圾填埋場進(jìn)行填埋處理。但外運(yùn)處理不僅會增加成本，而且容易造成二次污染的風(fēng)險。一種簡便、經(jīng)濟(jì)的處理未就地填埋。底泥經(jīng)過與石灰充分拌和后，改變污泥中的pH，為金屬離子的沉淀創(chuàng)造良好環(huán)境。就地填埋不僅節(jié)約處理成本，而且還不會造成二次污染的風(fēng)險。

2、煤矸石處理

污水塘北面為煤礦的主工業(yè)廣場，面積為1893m2。隨著水面的降低，暴露的地表顯示該區(qū)域內(nèi)為煤矸石堆場，通過計算，堆積方量12740m3。表5為煤矸石浸出實(shí)驗(yàn)報告。

表5 煤矸石浸出液檢測

通過對煤矸石金屬浸出液分析，重金屬離子浸出值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故煤矸石屬于一般固廢。煤矸石經(jīng)過檢測pH為3.56，為酸性，因此煤矸石與石灰石拌合后一起填埋。

3、建筑固廢處置

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在污水塘北東岸分布有5個大小不一的建筑物，且建筑物周圍是水泥地面。隨著煤礦的關(guān)閉停產(chǎn)，這些建筑物失去使用價值。廢棄的建筑物不僅破壞了周圍地貌景觀，而且還壓占損毀了土地。應(yīng)對廢棄建筑物進(jìn)行拆除處理，產(chǎn)生的固廢用于回填污水塘。

廢棄建筑物拆除后，對其表面進(jìn)行覆土，覆土有效厚度為50cm，最終恢復(fù)成旱地。

（四）人工湖防滲工程

污水處理完成后，收集所有的底泥和煤矸石就地填埋。為了讓人工湖防滲層有一個堅固的基礎(chǔ)層，固體廢棄物填埋后在其表面回填渣石?；靥詈穸葹?m。防滲層使用兩布一膜（HPDE）。在防滲層上回填30cm黏土保護(hù)層和20cm的土壤層。

（五）截排水溝工程

污水塘地處洼地中間，降水順著四周坡面流下匯入其內(nèi)，易于再次形成集水塘。為了保證污水塘生態(tài)修復(fù)后不被匯集的山水浸泡，因此需要在污水塘周圍修建截水溝，并且在雨季到來之前修建完成。截排水溝沿污水塘四周布置。

（六）水質(zhì)保證措施

為了提高水體的自凈能力，可在水體周圍種植蘆葦、荷花、蒲草、水葫蘆、銅錢草、水金英、黑藻等水生植物。

四、結(jié)論

通過實(shí)施歷史遺留礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工程，逐步完善礦山生態(tài)環(huán)境受損的修復(fù)工程。對受損礦山的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)、保護(hù)、以及改良土壤，完成礦山廢棄工礦地修復(fù)及治理，強(qiáng)化土地整理工作，有效控制礦山區(qū)域內(nèi)的水土流失，防止土地荒漠化；對工作區(qū)內(nèi)的污染水體進(jìn)行治理，加強(qiáng)水體的保護(hù)力度，有效控制區(qū)內(nèi)受損的地表水，使得水循環(huán)系統(tǒng)得到初步修復(fù)。

通過開展修復(fù)區(qū)的生態(tài)修復(fù)工程，有效提高土地利用率及產(chǎn)出率，使得農(nóng)民的生活條件得到改善，優(yōu)化區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展結(jié)構(gòu)，提高社會的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，為打造當(dāng)?shù)氐木G色生態(tài)文明城鎮(zhèn)奠定基礎(chǔ)。