煤矸石山综合治理技术模式与实践

安永兴，梁明武，赵平

(北京东方园林股份有限公司，100012，北京)

煤矸石是煤矿开采和选煤过程中产生的固体废弃物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比煤坚硬的黑灰色岩石［1］。由于缺乏环境危害认识，我国对煤矸石多采取简单的露天堆放处理，堆积形成的煤矸石山不但造成环境污染，且极易发生自燃，给企业生产和矿区居民人身安全造成了极大危害。当前，煤矸石山治理已成为环境治理工作的一个难题，困扰着矿山企业。

1 煤矸石山治理概述

煤矸石山治理应以构建稳定的植物群落为目标。区别于普通矿山废弃地，煤矸石山治理首先要解决自燃问题，才能安全地进行植物建植。对于这个问题，在早期治理过程中存在过认识上的不足。采取植树造林的方法在煤矸石山直接建植植被，不仅很难达到良好的初期植被覆盖效果，即便数年甚至10 余年后，山林茂密，鸟语花香，存在自燃隐患的矸石山也难免发生自燃，所有治理成果将毁于自燃，令人心痛。经过许多前辈先期尝试的挫折，人们逐渐形成了共识:自燃治理是煤矸石山治理的必要条件之一和基础，必须与植被恢复统筹兼顾。

1.1 自燃治理

煤矸石山的自燃治理一直以来都是个棘手问题。通过不断实践，对煤矸石山的自燃机制有了一定的认识:煤矸石山自燃必须具备3 个基本条件，即可燃物、温度、氧气供给，三者缺一不可［2］。自燃治理的关键是采取有效措施使煤矸石山隔水断氧，消除“烟囱效应”［3］，使自燃的3 个基本条件不能聚集，从而无法发生自燃。

目前国内外煤矸石山自燃治理方法主要有清除可燃物法、泡沫法、覆土法、挖除火源法、注水法和注浆法［4-6］，这些方法各有优点，但也都存在着缺陷。如覆土法在过去一段时期曾被广泛使用。具体做法是，在煤矸石山表面厚覆黄土进行碾压，形成封堵层抑制自燃，但实践证明效果不理想，复燃率高。原因是简单的覆土虽能在短期内形成封闭效果，但缺少抗侵蚀措施，随着降雨侵蚀，水土流失严重，土层开裂水气入渗，进而诱发复燃。一些学者提出将多种措施结合应用于自燃治理［6-7］，并在实践中取得了良好的效果。

1.2 植被建设

煤矸石山植被建设主要包括土壤恢复与改良、植物选择与种植［8］2 方面。20 世纪90 年代，有国内学者提出煤矸石山的绿化技术是依据林学原理并基于矸石山本地条件的特殊性加以改进和创新［9］，对煤矸石山植被建设的特点给出了一个初步且较为准确的概括。

以往煤矸石山植被建设多采用园林绿化模式，以形成乔灌草相结合的复层混交林为建设目标。具体做法是厚覆土，以栽植乔木为主，辅以草本、灌木植物，但建植效果不理想。主要原因:一是乔木移栽主根受损，加之煤矸石山体承载力有限，往往造成乔木死亡倒株，加大水土流失程度，增加复燃危险;二是栽植乔木需要整地，对矸石山表面的扰动大，大量养护浇水入渗，极易诱发自燃;三是大量覆土碾压，不利于形成良好熟土土壤结构，后期养护工作繁重，一旦人工支撑下的养护终止，植被急剧退化。

脱离煤矸石山的结构和环境特点，完全套用传统造林模式，片面追求绿化景观，植被建设效果难以达到理想群落模式。选择抗逆性强，适生的灌、草植物进行播种，形成稳定的乡土灌木群落，不失为一种务实选择。

2 煤矸石山综合治理技术模式

采用全机械化施工，利用浅层喷射注浆技术对煤矸石山进行自燃治理，以乡土灌木群落为植被建设目标，采用客土喷播技术进行土壤改良和植物播种，这种煤矸石山综合治理技术模式可实现植被的快速建植和生态系统的自我维持。煤矸石山综合治理技术模式示意图见图1。

图1 煤矸石山综合治理技术模式示意图Fig.1 Schematic diagram of technology model of the comprehensive treatment on piles of coal gangue

2.1 浅层喷射注浆技术

2.1.1 技术原理 浅层喷射注浆技术是将注浆灭火法与覆土防火法理念相结合，针对煤矸石山缝隙大且自上而下逐步增多、增大的客观事实，采取以防为攻的策略，根据覆土法的原理直接向煤矸石山全表面喷射泥浆，依靠高速泥浆冲击渗透和流淌渗漏封堵浅层矸石间隙，固化后阻断绝大部分空气流动和水分渗漏通道，限制促进氧化增温的水和帮助燃烧的氧在煤矸石山内部交流接触，从而实现控制燃烧3 要素组合，达到防火、灭火的目的。浅层喷射注浆控火过程如图2 所示(见彩图页)。

2.1.2 技术特点 浅层喷射注浆技术是利用移动式泥浆搅拌喷射机和碱性胶体纤维防火泥浆实现矸石山防火、灭火的技术。

1)移动式泥浆搅拌喷射机。具备正返转无级变速机械搅拌功能，可以搅拌、喷射固体含量30%～50%的高浓度泥浆，可以实施架枪远程非接触喷射和软管延伸近点喷射。移动式泥浆搅拌喷射机结构图见图3。

图3 移动式泥浆搅拌喷射机Fig.3 Hydroseeding machine

2)碱性胶体纤维防火泥浆。在原有注浆灭火惰性材料配方的基础上，保留了有中和煤矸石山体中酸性物质作用的碱性物质，额外增加了增稠胶体物质和纤维物质组分，提高了泥浆脱水后的韧性和抗开裂性能，使包裹、封堵效果更持久稳定。

移动式泥浆搅拌喷射机良好的搅拌和喷射性能，配以高浓度的碱性胶体纤维防火泥浆，保证了浅层喷射注浆技术得以实施，并具有良好的防火、灭火效果。

2.2 客土喷播技术

2.2.1 技术简介 客土喷播是将植物种子、黄土和各种土壤改良基材均匀混合，通过大功率喷播机械喷射到施工坡面，形成客土覆盖层。经过改良的土壤层具有较强的抗侵蚀能力、保水能力和较好的土壤孔隙结构，并牢固覆盖在坡面上。改良土壤中还含有大量有机物质、养分和微生物，利于土壤熟化，植物快速生长。

2.2.2 技术特点

1)客土层稳定、结构良好、水肥充足。改良基材中含有大量木纤维、草炭土和植物胶，使客土层能够牢固覆盖在施工坡面上，并具有良好的土壤结构和抗冲刷能力;改良基材中混合的有机肥料，保证了植物生长所需养料的持续供给;改良基材中添加的保水剂，能够保证种子的发芽成活，提高水资源的利用效率，达到节约用水和减少后期人工补水的目的;木纤维形成的雀巢骨架结构，使土壤具有良好的持水性和透气性，利于保水保肥和土壤熟化，形成人工土壤结构。人工土壤结构如图4 所示(见彩图页)。

2)快速形成地表植物覆盖，优化生境。客土喷播采用全机械化施工，可以快速实现植被建植，形成地表覆盖层，有利于保护地表，优化土壤环境，促进土壤熟化，为植被演替创造良好的生境。地表植被可以防止降雨对土壤的直接击溅，减缓地表径流，防止表土流失;植物地上枝叶形成庇荫，减少地表水分蒸发，利于保水保墒;植物根系与土壤有机结合，起到加筋作用，可以固持土壤，利于坡面稳定;植物枯落物、根系分泌物，利于优化土壤微生物环境，促进土壤熟化。

3)形成稳定、适生的植被群落。依据恢复生态学理论［10］，将目标植被定位为乡土灌木群落，选择抗逆性强、适生的草本和灌木种子播种。建植初期，先锋草本植物快速生长，形成先锋草本群落。随着演替的进行，先锋草本植物退化，灌木植物逐渐占据主导地位，最终形成以乡土灌木植物为主的群落。灌木植物地面生物量相对较小，可以减轻山体载荷，主根浅、侧根发达利于固持表层土壤，有利于山体稳定，加之乡土植物对环境的适应，后期可以形成稳定的自我维持群落。

2.3 工艺流程技术方案设计

浅层喷射注浆与客土喷播工艺流程如图5所示。

图5 浅层喷射注浆与客土喷播工艺流程示意图Fig.5 Technological process diagram of shallow jet grouting and external-soil spray seeding

1)防火泥浆层。碱性胶体纤维防火泥浆，根据煤矸石山不同部位不同燃烧特点采取不同的泥浆配方和喷射工艺，厚度1 ～5 cm。

2)中性客土层。喷播黄土，一方面增强封闭效果，另一方面减弱碱性泥浆对植物生长的不良影响，厚度3 ～5 cm。

3)改良客土层。以当地土源为基土，加入木纤维、保水剂、黏合剂等改良基材，为植物生长提供养分，促进土壤熟化，是土壤改良的关键，厚度10 ～15 cm。

4)灌木种子层。以种植客土为基础，增加有利于植物幼苗生长的有机活性物质混配而成，厚度2 ～4 cm。

图2 浅层喷射注浆控火过程Fig.2 Fire control process by shallow jet grouting

图4 人工土壤结构图Fig.4 Diagram of artificial soil structure

5)花、草种子层。主要基材为特制木纤维，能在作业面表面形成一个网状纤维覆盖层，保护种子萌芽生长，减缓水分蒸发，减少侵蚀发生，厚度3 ～5 mm。

3 成功应用案例

2010 年4—8 月，山西某矿务局煤矸石山综合治理工程采用了上述煤矸石山综合治理技术模式，分山体稳定性与水系治理、防火控火治理、土壤改良、植被恢复4 个阶段。在4 个月内实现了煤矸石山的灭火与全面复绿，当期治理效果良好，次年植被保持良好的生长状态(图6)，获得了业界的一致好评。

图6 煤矸石山综合治理前后效果Fig.6 Effect before and after comprehensive treatment on coal gangue

4 结语

煤矸石山综合治理技术模式将自燃治理与植被恢复有机结合，克服了传统治理方法分2 类工程进行、技术措施无法衔接、治理效果难以保障的缺点。全过程机械化施工，采用一套机械装备、2 类泥浆配方、多种施工工艺的浅层喷射注浆与客土喷播技术，提高了矸石山治理的效率和效果。工程实践证明，该技术模式治理矸石山具有良好的可行性。为进一步深入研究，使此项技术取得量化试验结果，中国林业科学研究院荒漠化研究所和德国土地复垦研究所在山西建立了示范工程试验基地，将开展更为广泛的课题研究，以促进矸石山治理技术成果的推广应用。

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［2］ 张振文，宋志，李阿红.煤矿矸石山自燃机理及影响因素分析［J］.黑龙江科技学院学报，2001，11(2):12-14

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［4］ 黄文章.煤矸石自燃机理和防治［D］.重庆:重庆大学，2004:11

［5］ 刘春杰，王莹，范利华，等.矸石山自燃的成因分析及防治措施［J］.煤炭技术，2006，25(11):3-6

［6］ 李垚.大同矿区矸石山自燃的成因分析及防治措施［J］.中国高新技术企业，2009(4):126-127

［7］ 张振文，刘东财，杨然景.煤矿矸石山浇注浆灭火研究［J］.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2002，21(3):278-280

［8］ 李鹏波，胡振琪，吴军，等.煤矸石山植被恢复技术模式的研究［J］.山东林业科技，2006(4):13-15

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