西山煤电屯兰矿矸石山生态恢复综合治理与利用

席永哲

(西山煤电(集团)有限责任公司基本建设处，山西太原 030053)

西山煤电屯兰矿隶属西山煤电(集团)有限责任公司，设计年生产能力500万t，并配有相应生产能力的现代化选煤厂，地处山西省古交市以南6 km。近年来，屯兰矿作为山西焦煤集团公司的品牌矿井和窗口单位，部分产品已远销韩国、日本、德国、土耳其等国家。

1 矸石山现状与环境影响

1.1 环境影响

煤矸石既是煤矿生产过程中排放的固体废物，也是低热值燃料，含有残煤、碳质泥岩等可燃物，在高压氧化条件下会发生自燃。矸石中所含的黄铁矿(FeS2)易被空气氧化，放出的热量可以促使含炭物风化以致自燃。煤矸石燃烧时产生的CO，SO2，H2S等有害气体会污染大气环境，造成附近居民气管病和气喘病增多，导致周边环境总适宜性降低，庄稼减产、生物量减少。煤矸石堆积如山，容易造成滑坡、坍塌及水煤气爆炸等环境事件［1］。

1.2 现状

屯兰矿矸石山由屯兰矿建矿以来多年排矸形成。治理区分为两个部位，一号治理区属于旧排矸石区，治理总面积约为23 800 m2，形成60余米～70余米高的人工山，现已停用;二号治理区为近几年排矸区，场地边缘已形成不规则阶梯状坡面，坡面已完成覆土。此次二号治理区范围包括两级坡面以及路侧坡面治理，坡面长约800 m，三级坡面总面积约为16 000 m2。此次采用的灭火→治理→绿化→生态恢复一体化治理方案为西山集团公司首次应用。

2 综合治理设计原则及规划

2.1 设计原则

矸石山山体安全稳定—灭火效果彻底—植物群落向森林方向演替，最终形成稳定的生态系统—兼顾生态环境的同时注重景观效果—灭火、生态修复与山体稳定(护坡)三者相结合，作为一个系统工程总体安排，最终达到灭火彻底、山体稳定、植被良性演替的整体治理效果。

2.2 总体规划

该方案采用灭火措施、护坡措施与生物措施(生态修复)紧密结合的方法，即首先对矸石山进行灭火施工。本次灭火施工主要工艺包括温度勘察、挖除灭火、换填灭火、喷射注浆灭火、深孔注浆灭火等。根据温度勘测结果及现场情况，采用多种灭火方法系统结合的方式进行灭火施工。

结合上述灭火措施的基础上，进行护坡整治，整理坡面、控制坡度、修建上山道路、修筑排水渠、急流槽及马道，修建柔性护坡，对其抗滑稳定、抗倾覆稳定、地基承载能力进行分析验算，最后采用生物措施进一步加固矸石山，设计中综合采用生物、物理、化学等措施进行土壤基质改良，采用远程喷射播种植被恢复技术对矸石山坡体进行植被恢复。

3 灭火方案

3.1 设计原则

为确保施工安全，此次灭火采用防火、控火、灭火方案，方案明显减少或消除有害气体，恢复安全常态，按照不同部位采取不同灭火工艺，采用多种灭火工艺相结合的灭火方式进行施工，全程测温，由下而上，由外而内，由低温区向高温区实施灭火措施。

3.2 总体规划

矸石山灭火工程主要依据矸石山自燃机理及特点，矸石山不同温度分布规律及温度探测技术，采用各种灭火措施的综合、运用。本设计采用了先进的喷浆、注浆技术防火、控火，最终消除火点。采取机械化施工，利用泥浆喷射机进行喷浆、注浆。

4 护坡工程方案

矸石山山体的稳定直接关系到综合治理的成败，同时山体的稳定又保证灭火效果的持续与生态修复的成功。护坡工程主要包括:坡体分级、整理坡面、控制坡度，修建上山道路，修筑排水渠、急流槽及马道，修建柔性护坡等。针对矸石山不稳定、易沉降等特性，采用刚性护坡易损坏。该矸石山护坡工程采用柔性覆盖的技术理念，以有效应对矸石山沉降。

4.1 坡体削坡分级及道路修整

1)削坡。

矸石山削坡分级总体坡度控制在30°左右，本次削坡主要针对一号治理区进行，同时也包括二号治理区部分坡面。平均削坡深度为1.5 m，削坡后每段坡面长度10 m～15 m。

2)覆土。

削坡完成后，矸石山体表层覆盖矸石与黄土的混合物(含黄土约75%)，以利于植物生长，表层平均矸土混合物厚度为0.8 m。

3)整形。

覆土完成后，进行坡面整形及施工道路修整，削坡整形后表层矸土混合压实，形成一个封闭良好的整体，山体稳定性良好，为植被恢复创造良好条件。

4.2 排水系统

坡体的排水系统包括坡面急流槽、马道柔性排水渠及道路排水。柔性排水系统均采用土工袋、土工膜等柔性材料，坡面排水系统与道路排水系统及原有排水系统相贯通。

马道在前期可作为施工便道，之后建立排水渠，其余裸露地方进行植被恢复。矸石山经人工整形后，易发生沉降变形，如采用混凝土或浆砌石构筑排水渠，极易发生断裂。该方案采用土工膜加土工袋构筑的柔性排水渠。

排水渠修筑方法为马道边缘及道路一侧开挖宽1 m壕沟加土夯实(土层厚度约为20 cm)，然后回填形成下底宽40 cm，上口宽80 cm，高60 cm的梯形排水沟，铺设土工膜，沟底坡度为5%，土工膜上方码放黑色土工袋，标准尺寸一般为40 cm×80 cm，土工袋装土压实，码放要求层层码放相互压实形成表层利于阻挡和拦截降水的台阶式坡面。

4.3 植物护坡的作用

4.3.1 植物根系的固着作用

草本植物须根大部分分布在地下0.5 m以内，而灌木根系更能深入到矸石层，对提高坡体表面抗冲力、防水土流失作用十分明显，植被能够遏制坡面水土流失及浅层崩塌，植物的浅层根系错根盘结，使土体在其延伸范围内成为土与植物的复合体。

植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化带，深入到较深矸石层起到相当于甚至优于锚杆的作用。禾本科及豆科植物小灌木在地下0.75 m～1.5 m处有明显的加固作用，乔木根系的锚固作用可影响更深的矸土层。

4.3.2 植被的防冲蚀作用

1)截留降水，削弱溅蚀。降水从高空落下，对裸露的表土产生一种打击力，土壤结构遭到破坏，同时土粒被水带走产生水土流失。植被保持水土作用表现在可基本消除降水的击溅侵蚀，降低坡面土体的侵蚀性，减少冲蚀力指数。植物拦截降水，则削减了降水对地面的击溅侵蚀，从而对表土起固持作用。

2)延缓径流汇集，增加入渗，减少冲刷。地表径流集中是坡面土体冲蚀的主要动力，对土体冲蚀的强弱取决于流速的大小和径流所具有的能量。植被覆盖坡面增加坡面粗糙率使径流由直流变为绕流，难于汇集一起。另外植被生长形成的空隙和裂隙增加了入渗，优化地下水的补给环境，减少了径流量和径流冲刷力，直接降低了径流对坡面冲刷，保护坡面结构的稳定性。

3)乡土灌木树种生长，植物种类多样，表层形成茂密草灌植物，起到很好的水土保持作用，不会造成水蚀沟。

5 生态修复方案

在矸石山植被恢复工程中按照立地条件分析与评价、基质改良技术、适宜树种选择与规划、植被恢复栽植技术、科学的抚育管理技术和植被恢复的监测与评价等“六阶段”技术模式，根据模式中各个环节之间的关系，适时有效地调整矸石山植被恢复的工程技术和进度，可以使矸石山植被恢复能够按照规划设计的目标创建稳定的植物生态系统，使矸石山最终达到治理的效果［2］。

6 适宜的植物规划

6.1 植物

植物种类的选择一直是矸石山生态修复研究的重要内容。植物种类选择的适当与否是屯兰矿矸石山植被恢复成败的关键，树种的组成以及植被群落的组成和密度是创造良好生态环境的基础。根据该矿矸石山植被恢复与生态特点，科学地选择矸石山适宜的植物种类是该项工程的重要任务。主要是坚持“适地适树”的原则，以乡土树种为主，选用经过多年引种和驯化的植物品种，要有利于矸石山的水土保持和土壤的改良，选择抗干旱和耐贫瘠的肥料树种，尤其要考虑优良的灌木树种在植被的防护和土壤改良功能方面的特点，这样可以使矸石山提早郁闭，加快绿化和生态修复的速度，并具有保持水土的作用［3］。

6.2 适宜该地区种植的植物种类

油松、侧柏、臭椿、刺槐、山杏、柠条、榆树、紫穗槐、皂角、二色胡枝子、荆条、羊柴、二月兰、沙打旺、波斯菊、黑心菊、紫花苜蓿、黑麦草及高羊毛等。

7 治理工程的监测与评价

矸石山植被恢复是困难立地条件下比较艰巨的工程，因此其恢复植被的监测比较重要。在植被恢复的初期，由于管理强度较大，植物的生长发育状况会及时的得到反馈和处理。但是在管理强度逐年降低直至停止后，矸石山的植被开始进入自维持状态，由于管理强度的降低和矸石山立地限制因子的叠加性，重建的植物群落的发展可能出现两种情况，一种是逐渐退化，植物的生长量减少，种类减少等等，任其发展，最后可能导致整个恢复植被的完全消失。另一种是植物生长良好，生产力逐步提高，乡土树种不断侵入，甚至替代植被重建阶段的先锋树种。对于第一种情况应该通过监测和评价，尽快的发现植被退化的决定性因素，对恢复的植被进行维护。第二种情况表明重建的植被正朝着自我演替的方向发展，最终会建立一个稳定的、自维持的生态系统。对于取得初步成功的矸石山恢复植被，通过监测和评价，适时地引进期待的树种，使之能够按照人为设计的方向创建希望的恢复生态系统。另外，监测和评价植被重建的环境和生态效益，深入研究生态修复的过程与机制，可以推广和发展植被恢复技术理论，为矸石山的生态重建提供理论和技术的支持［4］。

7.1 生态效益

本方案规划设计的生物措施实施一段时期后，通过增加植被、改善土壤性状，可以减少扬灰，减少有害气体扩散，减少地表径流，减轻土壤侵蚀，防止新增的水土流失。最终治理目标为，使项目实施后矸石山治理率达到99%，水土流失治理度达98%，植被恢复系数达98%，水土流失控制率达98%。

7.2 社会效益

通过实施本报告规划设计的措施，可减轻水土资源的流失和破坏，使生态修复与经济发展协调进行，走上良性循环的道路;同时，对促进当地生态环境建设和发展地方经济具有重要的意义。

8 结语

本方案中植物的选择模拟植被自然演替规律，即由草灌向森林化方向演替;倡导从种子开始的最自然的育林方式，而非人工方式的植树。因为播种苗不仅在表层形成致密的植物群落，主根也特别发达，进一步加固了山体，而传统覆土栽植模式苗木主根被切断，侧根发达，不利于山体的稳固，而且实施工期短，见效快，可以减少覆土，保护土源，避免造成新的水土流失。与传统的矸石山植被恢复相比在技术手段上有所突破与创新，更多依赖基质配比技术、植物品种选择技术，按照植物群落自然演替的科学规律，以达到对矸石山彻底治理的目的。

［1］ 允 新，朱字顺，宋长斌，等.煤矸石的危害与防治［J］.中国地质灾害与防治学报，2001(2):35-38.

［2］ 韦志俊.矸石山治理与开发显成效［J］.煤矿环境保护，2005，15(1):64.

［3］ 杜 忠.煤矸石的综合利用现状［J］.资源环境与工程，2007，21(5):621.

［4］ 李鹏波.煤矸石山植被恢复技术模式的研究［J］.山东林业科技，2006，2(2):42-44.