蘭 華，楊朔鵬

（1.寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750001； 2.寧夏回族自治區(qū)國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏銀川 750001）

寧東煤炭基地位于寧夏銀川東部，蘊(yùn)含豐富的煤炭資源，位居全國(guó)十三個(gè)大型煤炭基地前列。整個(gè)煤田被劃分為八個(gè)勘探區(qū)，七對(duì)井田。其已探明煤炭?jī)?chǔ)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(yuǎn)景儲(chǔ)量2 027億t的14.5%[1]。龐大的資源儲(chǔ)量給寧夏地方經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)提供了重要保障，但同時(shí)伴隨著煤炭資源的開采所引發(fā)出的環(huán)境問(wèn)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(zhì)量發(fā)展的重要因素。其中，煤矸石山治理問(wèn)題近年來(lái)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(duì)土地資源的影響

煤矸石是采煤和煤炭洗選過(guò)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(jìn)行堆積排放。堆放位置多是在礦區(qū)周邊相對(duì)低洼區(qū)域進(jìn)行征地，然后利用汽車將煤矸石拉至堆積地點(diǎn)進(jìn)行傾倒。

但隨著時(shí)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(yuǎn)不能滿足煤矸石的排放需求，進(jìn)而需要占用更遠(yuǎn)地方的土地資源。

1.2 對(duì)水土資源的影響

煤矸石在堆積過(guò)程中，會(huì)發(fā)生各種物理和化學(xué)變化，其釋放的有毒有害物質(zhì)和重金屬等會(huì)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(huì)在雨水流經(jīng)煤矸石山時(shí)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(zhì)和重金屬等的長(zhǎng)期積累會(huì)對(duì)礦區(qū)及周邊環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。

1.3 對(duì)大氣環(huán)境的影響

西北地區(qū)大風(fēng)頻繁，外排的煤矸石大多堆積在各礦周邊排矸場(chǎng)，處置方式基本都是在煤矸石山表層進(jìn)行覆土后播撒草籽。長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)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(fēng)化作用下就會(huì)變成粉塵顆粒，加之風(fēng)力作用便會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，嚴(yán)重地影響了礦區(qū)及周邊地區(qū)大氣環(huán)境 質(zhì)量。

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

2 煤矸石山實(shí)例[4]

2.1 概述

羊場(chǎng)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(chǎng)地西南側(cè)1.5km塌陷區(qū)，為一處在用煤矸石排矸場(chǎng)。煤矸石經(jīng)汽車運(yùn)輸至此，推土機(jī)堆積形成一級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)頂部和坡腳相對(duì)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(jiàn)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(zhì)環(huán)境問(wèn)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(zhǎng)210~520m，東西寬360~520m，體積約310.8萬(wàn)m3。煤矸石山頂部及堆積體斜坡基本無(wú)植被生長(zhǎng)，僅局部覆土區(qū)域有少量植物生長(zhǎng)。煤矸石山在堆存過(guò)程中，隨著表面水分逐漸蒸發(fā)，遇到大風(fēng)天氣時(shí)，無(wú)論任何方向風(fēng)起，都能造成風(fēng)蝕揚(yáng)塵，成為粉塵的策源地之一。調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一分區(qū)煤矸石山對(duì)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(shí)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(zhǎng)期棄矸導(dǎo)致地面凸起成山狀，整體色調(diào)與周圍景觀極不協(xié)調(diào)，局部地段甚至遮擋視線，嚴(yán)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?yàn)槟鄮r、砂巖和煤矸石的混合物。煤矸石塊徑一般在3~5cm，局部可達(dá)10cm，空隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)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(zhì)現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)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(nèi)，使切坡加速滑移，并不斷向后擴(kuò)展，極易發(fā)生滑動(dòng)破壞。

3 煤矸石山治理技術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)煤矸石山實(shí)施治理工程，在一定程度上能解決小區(qū)域內(nèi)采煤歷史遺留地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，能有效消除煤矸石山堆積體邊坡存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患，達(dá)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(zāi)害的蔓延，使人居環(huán)境得到改善。在此基礎(chǔ)上逐步恢復(fù)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(dá)到人與自然和諧共生。通過(guò)對(duì)寧東煤炭基地各礦煤矸石山實(shí)地踏勘調(diào)查研究，本著“因地制宜、近自然整理”的原則，有針對(duì)性地提出了以下煤矸石山治理技術(shù)方案。

3.1 自燃滅火

因?qū)帠|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(shí)法進(jìn)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(jī)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(dòng)性和擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)煤矸石山內(nèi)部空隙進(jìn)行填充，降低空隙率，減小煤矸石顆粒比表面積，達(dá)到隔絕氧氣、降低矸石山內(nèi)部溫度和減小自燃傾向性的 目的[5]。

表面密封壓實(shí)法是在煤矸石山表面鋪土、壓實(shí)，隔絕空氣進(jìn)路，使煤矸石山內(nèi)部空氣消耗殆盡后熄滅。對(duì)于新建煤矸石排矸場(chǎng)可采用分層堆放煤矸石、分層覆土并壓實(shí)的方式超前預(yù)防煤矸石自燃。

3.2 削坡整形

通過(guò)對(duì)寧東煤炭基地各礦調(diào)查研究，煤矸石山堆積體斜坡坡度在30°左右時(shí)穩(wěn)定性最佳。故在斜坡區(qū)域治理過(guò)程中原則按照臺(tái)階坡面角30°（高寬比1 ∶1.75），每垂高升高5m，設(shè)置一級(jí)3~5m寬分級(jí)馬道對(duì)煤矸石山進(jìn)行削坡整形，實(shí)現(xiàn)坡體穩(wěn)定。而平臺(tái)區(qū)域，在內(nèi)消掉斜坡區(qū)域削方矸石的基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行適當(dāng)平整，平整原則“平臺(tái)邊緣略高于中部”。

3.3 覆土平整

對(duì)削坡整形后的煤矸石山頂部平臺(tái)、馬道及四周斜坡面進(jìn)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(zhì)以滿足生態(tài)修復(fù)要求為準(zhǔn)。針對(duì)寧東地區(qū)土質(zhì)及土源條件，選擇黃土作為綠化種植土，由煤炭企業(yè)進(jìn)行征地和外購(gòu)獲得，種植土覆土厚度500~1 000mm。同時(shí)，為提高斜坡區(qū)域穩(wěn)定性，在斜坡區(qū)域采取扎設(shè)草方格方式進(jìn)行固土。

3.4 輔助設(shè)施

3.4.1 擋矸設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)狀煤矸石山自然地形條件，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)或采用扶壁式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以提高煤矸石山坡體安全防護(hù)。

3.4.2 排水設(shè)計(jì)

為防止短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)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(cè)）、頂部平臺(tái)、馬道平臺(tái)設(shè)置橫向排水溝；沿煤矸石山坡面設(shè)置縱向?qū)Я髑?，用于排泄橫向排水溝匯集的雨水。排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及尺寸根據(jù)煤炭企業(yè)實(shí)際情況設(shè)計(jì)。

3.4.3 地下水監(jiān)測(cè)井

按照環(huán)保部門及國(guó)家有關(guān)煤矸石場(chǎng)封場(chǎng)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(cè)井，用于對(duì)煤矸石淋溶液影響地下水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.5 綠化恢復(fù)

寧東煤炭基地綠化恢復(fù)以生態(tài)綠化為主，植物配置選用耐旱、耐鹽堿、抗逆性強(qiáng)且價(jià)格相對(duì)便宜的鄉(xiāng)土樹種為主。將喬木、灌木和播種植物相結(jié)合，通過(guò)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(duì)穩(wěn)定的植物群落。

經(jīng)調(diào)查以及詢問(wèn)寧夏當(dāng)?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：?jiǎn)棠绢愔饕姓磷铀?、新疆楊、?cè)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(guò)科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，在保證植物成活率的同時(shí)，提升煤矸石山及周邊景觀品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)綠化的目標(biāo)（圖3）。

圖3 經(jīng)治理后的煤矸石山

通過(guò)以上現(xiàn)有治理技術(shù)方案的實(shí)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(guò)程中煤炭企業(yè)付出了相當(dāng)大的人力、物力和財(cái)力，從治理成果反思設(shè)計(jì)方案讓煤炭企業(yè)清醒地認(rèn)識(shí)到了在煤矸石山治理技術(shù)上還存在一些缺陷和亟須解決的問(wèn)題。

4 煤矸石山治理技術(shù)問(wèn)題

1）現(xiàn)狀煤矸石山多采用覆土掩蓋和植被恢復(fù)的方式進(jìn)行治理。對(duì)于煤矸石綜合再利用技術(shù)的探索還不夠深入，雖然個(gè)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(méi)有先例。隨著煤炭開采量日益增加及環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，未來(lái)煤矸石排放場(chǎng)地和由煤矸石外排而引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題等仍是困擾煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素和亟須解決的問(wèn)題。

2）煤矸石山治理無(wú)論是土建工程還是綠化工程，需要投入的治理成本遠(yuǎn)高于堆積煤矸石本身的價(jià)值。所以需在治理方案的經(jīng)濟(jì)性方面深入研究，找尋新技術(shù)、新方法以達(dá)到既能符合生態(tài)修復(fù)要求又不給企業(yè)造成過(guò)重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的雙贏目標(biāo)。

3）目前寧東煤炭基地煤矸石山治理方案設(shè)計(jì)時(shí)雖已考慮了復(fù)綠植被的立地條件、生長(zhǎng)習(xí)性和種類搭配，但因治理方案實(shí)施年限較短，尚未有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒，所以治理效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)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。