寧東煤炭基地煤矸石山治理技術現(xiàn)狀與問題

蘭 華，楊朔鵬

（1.寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏銀川 750001； 2.寧夏回族自治區(qū)國土資源調查監(jiān)測院，寧夏銀川 750001）

寧東煤炭基地位于寧夏銀川東部，蘊含豐富的煤炭資源，位居全國十三個大型煤炭基地前列。整個煤田被劃分為八個勘探區(qū)，七對井田。其已探明煤炭儲量約295.08億t，占寧夏已探明煤炭資源量315億t的93.7%，占寧夏遠景儲量2 027億t的14.5%[1]。龐大的資源儲量給寧夏地方經(jīng)濟快速增長提供了重要保障，但同時伴隨著煤炭資源的開采所引發(fā)出的環(huán)境問題，如煤矸石堆積、采空區(qū)塌陷、礦井水排放等，也逐漸成為制約煤炭企業(yè)高質量發(fā)展的重要因素。其中，煤矸石山治理問題近年來引起了地方政府和煤炭企業(yè)的高度重視。

1 煤矸石山環(huán)境影響

1.1 對土地資源的影響

煤矸石是采煤和煤炭洗選過程中產(chǎn)生的主要固體排棄物，其綜合排放量約占原煤產(chǎn)量的15%~20%[2]。除少量煤矸石被用于發(fā)電外，大部分都作為固體廢棄物進行堆積排放。堆放位置多是在礦區(qū)周邊相對低洼區(qū)域進行征地，然后利用汽車將煤矸石拉至堆積地點進行傾倒。

但隨著時間的推移和采煤量逐年增多，煤矸石產(chǎn)量也日漸增多，礦區(qū)周邊可供堆積區(qū)域遠不能滿足煤矸石的排放需求，進而需要占用更遠地方的土地資源。

1.2 對水土資源的影響

煤矸石在堆積過程中，會發(fā)生各種物理和化學變化，其釋放的有毒有害物質和重金屬等會給礦區(qū)及周邊水土資源造成污染。雨季，煤矸石中的有害成分會在雨水流經(jīng)煤矸石山時隨其一并滲透到地下，污染水土環(huán)境，這直接影響到了礦區(qū)職工和周邊居民的身體健康和正常生活[3]。有毒有害物質和重金屬等的長期積累會對礦區(qū)及周邊環(huán)境造成不可逆轉的危害。

1.3 對大氣環(huán)境的影響

西北地區(qū)大風頻繁，外排的煤矸石大多堆積在各礦周邊排矸場，處置方式基本都是在煤矸石山表層進行覆土后播撒草籽。長時間的風吹日曬和雨水沖蝕，覆蓋土極容易被吹散而使煤矸石外漏，裸露的煤矸石在風化作用下就會變成粉塵顆粒，加之風力作用便會產(chǎn)生揚塵，嚴重地影響了礦區(qū)及周邊地區(qū)大氣環(huán)境 質量。

同時，部分煤矸石山還存在自燃現(xiàn)象。煤矸石自燃時會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，如CO、CO2、H2S 和SO2等，對礦區(qū)職工及周邊居民身體健康帶來極大危害。

2 煤矸石山實例[4]

2.1 概述

羊場灣煤礦行政區(qū)劃屬寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)和馬家灘鎮(zhèn)管轄，治理一分區(qū)煤矸石山位于主工業(yè)場地西南側1.5km塌陷區(qū)，為一處在用煤矸石排矸場。煤矸石經(jīng)汽車運輸至此，推土機堆積形成一級平臺，平臺頂部和坡腳相對高差約23m。煤矸石堆積形成的斜坡坡度為28°~39°，局部斜坡地段已出現(xiàn)滑坡、崩塌等現(xiàn)象，坡頂多處可見裂縫，空氣中可聞及硫磺氣味（圖1、圖2）。

圖1 煤矸石山堆積現(xiàn)狀

圖2 煤矸石山局部自燃

2.2 煤矸石山主要地質環(huán)境問題

2.2.1 土地資源的占用和破壞

一分區(qū)煤矸石山呈不規(guī)則形狀展布，南北長210~520m，東西寬360~520m，體積約310.8萬m3。煤矸石山頂部及堆積體斜坡基本無植被生長，僅局部覆土區(qū)域有少量植物生長。煤矸石山在堆存過程中，隨著表面水分逐漸蒸發(fā)，遇到大風天氣時，無論任何方向風起，都能造成風蝕揚塵，成為粉塵的策源地之一。調查統(tǒng)計，一分區(qū)煤矸石山對土地資源破壞總面積約18.55hm2。

2.2.2 地形地貌景觀破壞

煤矸石山堆積體不僅壓占和破壞土地資源，同時還破壞了礦區(qū)附近的地貌景觀。煤矸石集中堆放在井田塌陷區(qū)，長期棄矸導致地面凸起成山狀，整體色調與周圍景觀極不協(xié)調，局部地段甚至遮擋視線，嚴重破壞了原有地形地貌。

2.2.3 堆積體不穩(wěn)定斜坡

煤矸石山的排棄物料主要為煤矸石，局部區(qū)域為泥巖、砂巖和煤矸石的混合物。煤矸石塊徑一般在3~5cm，局部可達10cm，空隙較發(fā)育，結構呈松散~稍密狀態(tài)，滲透性能好。煤矸石堆積體斜坡坡度平均約35°，局部邊坡地段已經(jīng)出現(xiàn)滑坡、崩塌等不良地質現(xiàn)象。經(jīng)計算分析，煤矸石堆積體在坡體自重+暴雨工況條件下治理前穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.2，在暴雨或持續(xù)降雨作用下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨形成流水從坡面和切坡裂縫中大量滲入坡體內，使切坡加速滑移，并不斷向后擴展，極易發(fā)生滑動破壞。

3 煤矸石山治理技術現(xiàn)狀

對煤矸石山實施治理工程，在一定程度上能解決小區(qū)域內采煤歷史遺留地質環(huán)境問題，能有效消除煤矸石山堆積體邊坡存在的地質災害隱患，達到煤矸石邊坡的安全穩(wěn)定，遏制環(huán)境污染加劇，防止次生災害的蔓延，使人居環(huán)境得到改善。在此基礎上逐步恢復和重建礦山生態(tài)環(huán)境，在礦產(chǎn)資源得到充分利用的前提下，達到人與自然和諧共生。通過對寧東煤炭基地各礦煤矸石山實地踏勘調查研究，本著“因地制宜、近自然整理”的原則，有針對性地提出了以下煤矸石山治理技術方案。

3.1 自燃滅火

因寧東煤炭基地煤矸石山自燃程度和范圍較小，因此常采用直接挖出法、注漿法和表面密封壓實法進行自燃煤矸石山滅火。

直接挖出法適用于初燃的煤矸石山，它是利用機器或高壓水槍，挖出著火矸石和熱矸石，用水冷或讓其自然冷卻后再回填或重新堆積。

注漿法包括煤矸石山表面噴漿、挖溝灌注和鉆孔注漿。它是將黃土、粉煤灰、電石渣和石灰等注漿材料按照一定比例配成漿液直接噴灑或注入自燃區(qū)，利用其流動性和擴散效應對煤矸石山內部空隙進行填充，降低空隙率，減小煤矸石顆粒比表面積，達到隔絕氧氣、降低矸石山內部溫度和減小自燃傾向性的 目的[5]。

表面密封壓實法是在煤矸石山表面鋪土、壓實，隔絕空氣進路，使煤矸石山內部空氣消耗殆盡后熄滅。對于新建煤矸石排矸場可采用分層堆放煤矸石、分層覆土并壓實的方式超前預防煤矸石自燃。

3.2 削坡整形

通過對寧東煤炭基地各礦調查研究，煤矸石山堆積體斜坡坡度在30°左右時穩(wěn)定性最佳。故在斜坡區(qū)域治理過程中原則按照臺階坡面角30°（高寬比1 ∶1.75），每垂高升高5m，設置一級3~5m寬分級馬道對煤矸石山進行削坡整形，實現(xiàn)坡體穩(wěn)定。而平臺區(qū)域，在內消掉斜坡區(qū)域削方矸石的基礎上根據(jù)設計標高進行適當平整，平整原則“平臺邊緣略高于中部”。

3.3 覆土平整

對削坡整形后的煤矸石山頂部平臺、馬道及四周斜坡面進行覆土、平整。覆土分為兩層：第一層用于隔離，厚度不小于200mm，黏土為宜；第二層為種植土，厚度及土質以滿足生態(tài)修復要求為準。針對寧東地區(qū)土質及土源條件，選擇黃土作為綠化種植土，由煤炭企業(yè)進行征地和外購獲得，種植土覆土厚度500~1 000mm。同時，為提高斜坡區(qū)域穩(wěn)定性，在斜坡區(qū)域采取扎設草方格方式進行固土。

3.4 輔助設施

3.4.1 擋矸設計

根據(jù)現(xiàn)狀煤矸石山自然地形條件，設計擋矸墻沿煤矸石山邊界布置。擋矸墻可采用重力式漿砌片石結構或采用扶壁式鋼筋混凝土結構，以提高煤矸石山坡體安全防護。

3.4.2 排水設計

為防止短時強降雨對煤矸石山坡體沖刷、滲透影響坡體穩(wěn)定，分別在煤矸石山治理邊界（擋矸墻外側）、頂部平臺、馬道平臺設置橫向排水溝；沿煤矸石山坡面設置縱向導流渠，用于排泄橫向排水溝匯集的雨水。排水設施的結構、材質及尺寸根據(jù)煤炭企業(yè)實際情況設計。

3.4.3 地下水監(jiān)測井

按照環(huán)保部門及國家有關煤矸石場封場治理規(guī)范要求，需在煤矸石山所在位置的上游、下游及周邊各布置一眼地下水監(jiān)測井，用于對煤矸石淋溶液影響地下水情況進行監(jiān)測。

3.5 綠化恢復

寧東煤炭基地綠化恢復以生態(tài)綠化為主，植物配置選用耐旱、耐鹽堿、抗逆性強且價格相對便宜的鄉(xiāng)土樹種為主。將喬木、灌木和播種植物相結合，通過植物形態(tài)、色彩、季相的變化，使綠地有良好的生態(tài)景觀效果，從而形成相對穩(wěn)定的植物群落。

經(jīng)調查以及詢問寧夏當?shù)氐纳衬参飳＜?，本地區(qū)主要有以下耐旱、耐鹽堿植物品種可供選擇：喬木類主要有樟子松、新疆楊、側柏等；灌木類有檸條、紫穗槐、花棒、刺玫、沙冠棗等；地被草籽可選擇沙打旺、草苜蓿等。通過科學、合理的設計，在保證植物成活率的同時，提升煤矸石山及周邊景觀品質，實現(xiàn)生態(tài)綠化的目標（圖3）。

圖3 經(jīng)治理后的煤矸石山

通過以上現(xiàn)有治理技術方案的實施，寧東煤炭基地各礦煤矸石山治理取得了一定成果。在這過程中煤炭企業(yè)付出了相當大的人力、物力和財力，從治理成果反思設計方案讓煤炭企業(yè)清醒地認識到了在煤矸石山治理技術上還存在一些缺陷和亟須解決的問題。

4 煤矸石山治理技術問題

1）現(xiàn)狀煤矸石山多采用覆土掩蓋和植被恢復的方式進行治理。對于煤矸石綜合再利用技術的探索還不夠深入，雖然個別企業(yè)建立了矸石發(fā)電廠，但在煤矸石用于礦井采空區(qū)和道路工程回填材料、生產(chǎn)建筑原材料（水泥、新型磚）、制造特殊肥料及制陶等方面寧東地區(qū)還沒有先例。隨著煤炭開采量日益增加及環(huán)保要求日趨嚴格，未來煤矸石排放場地和由煤矸石外排而引發(fā)的環(huán)境問題等仍是困擾煤炭企業(yè)高質量發(fā)展的重要因素和亟須解決的問題。

2）煤矸石山治理無論是土建工程還是綠化工程，需要投入的治理成本遠高于堆積煤矸石本身的價值。所以需在治理方案的經(jīng)濟性方面深入研究，找尋新技術、新方法以達到既能符合生態(tài)修復要求又不給企業(yè)造成過重經(jīng)濟負擔的雙贏目標。

3）目前寧東煤炭基地煤矸石山治理方案設計時雖已考慮了復綠植被的立地條件、生長習性和種類搭配，但因治理方案實施年限較短，尚未有成功經(jīng)驗可借鑒，所以治理效果能否達到預期目標暫不可知。是否存在后期還需要追加投入的情況已成為困擾企業(yè)的又一難題。