关于陈旧矸石场的工程技术治理设计

(吕梁市环境科学研究所，山西 吕梁 033000)

关于陈旧矸石场的工程技术治理设计

马双提

(吕梁市环境科学研究所，山西 吕梁 033000)

根据大量的矸石工业分析、成份分析及矸石淋溶液浓度统计结果得出，大部分区域矸石为一般工业固体废物I类固废，本文针对存在自燃现象的陈旧矸石场进行设计，以期为现有矸石场治理提供参考与依据。

自燃；矸石；工程技术

1 引 言

由于历史的原因，现已堆存的矸石一直采取“由上向下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的排矸工艺，造成部分矸石山大面积自燃。一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等有毒有害气体四处弥漫，间隙气流中有毒有害气体含量超过国家大气环境质量三级标准的10倍以上，矸石山顶部裂隙及松散部位，温度高达70～80℃。排矸职工穿梭在烟尘和有害气体中，时有中毒晕倒、呼吸困难、烧坏鞋裤的现象发生，甚至有人畜坠落燃烧区被烧死的事件发生。同时周边生态环境遭到严重破坏，附近的庄稼果木枯萎减产，居民叫苦不迭。

从矸石山的情况看，由于缺乏统一的规划，排矸费用和维护费用较低，排放的矸石未严格执行规定的排矸工艺，引起排放矸石的自燃。灭火后的矸石山，一方面，由于缺少维护费用，导致日常维护工作不到位，另一方面由于没有恢复植被，特别是在雨季，洪水造成矸石山表面冲刷，原有的覆盖层遭到破坏，引起矸石山再次复燃。

2 分类及措施

根据大量调查研究，已堆陈旧矸石场大部分存在自燃现象，根据已有堆放储量和是否自燃，可以分为燃烧过的大型(储量大于50万吨)矸石山、未自燃的大型矸石山、未自燃的小型矸石山 (储量小于50万吨)3种类型。燃烧过的大型矸石山是指矸石山已经堆存及自燃完毕，不会再发生自然现象的矸石山，治理措施不用考虑矸石山自燃的预防和治理。未自燃的矸石山是指矸石山堆存完毕，还未发生自燃，有可能发生自然现象的矸石山，还需要考虑矸石山自燃的预防措施。小型矸石山堆放高度均小于10m，所以主要的具体措施为：矸石山自燃预防措施—灌浆、夯实；平整工程措施—覆土、夯实；矸石山生态恢复—围堰、绿化。

3 未自燃过的大型矸石山治理措施

根据治理难度和治理过程，重点针对未自燃过的大型矸石山治理措施进行分析，其他治理措施可以在该措施的基础上进行增减工艺过程。具体治理工程分为6项内容及步骤，矸石山工程措施(拦矸坝、排水系统)、矸石场自燃预防措施(灌浆、压实)、边坡工程措施(消坡、马道、覆土、夯实)、矸石山浇灌系统(水池、管道)、矸石山生态恢复(顶部平台覆土、围堰、绿化)、管理工程设施(管护房)。

3.1 矸石山工程措施—拦矸坝、排水系统

(1)拦矸坝

拦矸坝采用重力式浆砌石拦矸坝挡护，边坡为1∶0.5，拦矸坝以上边坡以1∶1.5～2进行消坡防护。

(2)排水系统

为减少地表径流对煤矸石山表土的冲刷，保持矸石山的水土，排水系统工程设计包括坡面平台、马道排水和纵坡排水(自上而下的排水沟)；顶平台按田面的方式设围堰，在顶平台、坡面两侧和坡底设排水沟，平台的排水通过排水沟流到煤矸石山的纵坡排水沟内，排到矸石山下，避免了地表径流在地面的集中和流速的增加，减轻地表的水土流失。

在拦矸坝下游设雨水收集池，也可起到沉沙池兼消力池的作用，收集到的雨水可通过浇灌系统的管道回用于植被浇灌。

3.2 矸石山自燃预防措施—灌浆，压实

自燃矸石山治理方法主要有灌浆封闭法、表面密封压实法、灌水法、直接挖出冷却法等。

(1)灌浆封闭法

通过降温与隔氧两方面的共同作用来达到灭火的目的。该法首先是凭经验或通过诊断找出火区和自热区，然后在其上面布置一系列钻孔，最后将不燃物(黄土或粉煤灰等)和石灰配成的泥浆灌入火区和自热区，以阻断空气进路，火区冷却后将火区和自热区全部填满浆料。

注浆法的最大优点是可使矸石迅速降温，浆液可以渗入矸石山深部，起到填充空隙、封堵供氧通道以及加固作用。

(2)表面密封压实法

在自燃矸石山表面铺土压实，以隔绝空气进路，使自燃矸石山内部空气耗尽后熄灭。这种方法一般情况下成功率不高，只能降低燃烧强度和污染物排放速度，因为表土只有在湿润状态才有较好的密封性能，如果不及时维护，则表土密封层很难保持完整。这种方法目前主要用于控制矸石山火势和污染强度。

(3)灌水法

水是灭火工程中最常用的灭火介质，水在高温下形成水蒸汽吸热降温效果显著，并且水蒸汽能够阻止空气接近可燃物。具体作法是在矸石山修池蓄水，通过钻孔将水灌入地下。这种方法最大的问题是无法控制水在矸石山内流动的方向，也很难在火区内将水保持一段时间；另一个缺点是灌水后矸石山内部的空隙增加，反应活性增强，矸石山复燃的可能性增加。

(4)直接挖出冷却法

这是最原始而又最有效的方法。凭经验或通过诊断找出火区和自热区，然后挖出着火矸石和热矸石，用水冷却后回填或重新堆积。这种方法简单而成功率又高，在现场用得最多。但一般而言，这种方法只适用于初燃的或小范围自燃的矸石山，燃烧强度大的矸石山用这种方法不仅困难，而且还有一定的危险。

以上各项措施均存在一定的弊端，最终采用黄土覆盖碾压法，该方法结合灌浆法及黄土覆盖并用措施。该措施主要原理是改变矸石堆积坡度，推散高温矸石，使其暴露于表面，促使降温，同时也有利于覆土与碾压。矸石山斜坡经覆土与碾压后，火势得到了有效的控制，用红外测温仪测得矸石山表面温度基本降至50℃以下。黄土覆盖碾压法以碾压覆盖为主，辅以局部注浆的综合性灭火方法，在灭火施工过程中遵循挖、截、堵、填、注、洒、覆、压等原则，该方法是一种行之有效的综合性自燃矸石山灭火方法，同时也用于矸石山的自燃预防处理。

(5)矸石山自燃灭火注浆技术要求

①注浆钻孔开孔孔径φ108mm，终孔孔径不得小于φ89mm，钻孔深度3～10m左右，间排距3.0～5.0m。在成孔后，要进行孔内测温，对温度有异常的钻孔适当加深。

②注浆管选用Φ42mm钢管，长度4～10.0m，外露1.0m，钢管采用丝扣连接，托盘制做要规范，一般应小于封孔段孔径2—3cm。托盘以下要在注浆管上打花眼，眼径20mm左右，要保证每个方向均有花眼，其竖向间距不大于200mm。

③封孔深度2.0m，1.0m～2.0m段采用纯水泥或水泥与粉煤灰的混合材料封孔，1.0m以上段采用黄土捣实封孔。

④灭火浆液材料采用黄土(或粉煤灰)与熟石灰过筛配制，配比1∶1，水固比0.7∶1～0.8∶1，注浆方式采用压力注浆或蔽口灌注。

⑤浆液配置应按设计浆液配合比进行，原材料要用容器计量，进行配比控制，搅拌机一次加水到位后，添加固料，添加固料过程中随添随搅，固料添加完毕后搅拌时间不少于5min。注浆过程中每间隔5min，需搅拌一次，搅拌时间不少于2min。

⑥注浆顺序采用由外向内施工的方法，首先施工最外圈，跳孔注浆，最外圈钻孔注浆结束后方可施工内圈钻孔。

⑦终孔标志：孔口管压力升至0.5MPa以上，稳定15min。

孔口管压力未升至0.5MPa，但吃浆量小于7L/min，且持续15min。

(6)矸石山碾压技术要求

碾压程序为：斜坡先静压两遍，再振压两遍，最后再静压两遍；平面为先静压一遍，振压两遍，再静压两遍。

平台碾压密实度标准达90%，坡面碾压密实度达85%。

3.3 边坡工程措施—消坡、马道、覆土、夯实

(1)消坡、马道

由于矸石山以前采用的由上到下自然倾倒工艺，使边坡坡度较陡，无法覆土夯实。因此，必须进行人工消坡。在治理过程中，尽量因地制宜，利用现有地形消坡平整，确保治理后的矸石山边坡稳定。具体措施为：

所有坡面按高宽比1∶1.5～2进行整平，然后对坡面整平中需要回填部分，进行分层夯实，夯实系数≥0.85。在边坡下部用石砌护墙，中部用马道把坡面分成阶梯式(斜坡坡长20m左右设一马道)。矸石山坡底石砌护墙设高1.5～2.0m左右，护墙背后用1m黄土分层夯实，夯实实数≥0.94。

(2)覆土、夯实

根据矸石山试验结果：30cm的土层厚度可以满足草本植物的生长；50cm的土层厚度可以满足灌木的生长；100cm的土层厚度可以满足乔木的生长。本工程计划分两个梯度的覆土厚度：边坡70cm(垂直于地面水平方向)、顶部平台100cm。

矸石山坡面整平至设计要求后，在坡面上覆0.7m厚土层(厚度为垂直于水平方向)并分层夯实，在平台上覆1m厚黄土，机械或人工夯实，并用道路及围堰进行分割。马道上覆黄土同平台。

3.4 矸石山浇灌系统—水池、管道

采用拖式喷灌，绿化用水定额取1.5～2L/m2.次，水池按一次用水量考虑，并建泵房。泵房设给水加压泵2～5台，主管路管径为DN100PE管，支线管径为DN50，拖式喷灌范围半径100m，PE管路规格为DN100，DN50。设阀门井若干。在矸石山顶建钢筋砼水池，铺设管道，就近接水源，结合当地实际情况，矸石山附近煤矿较多，同时为了节约水资源，提高水资源的综合利用及节省投资，本工程水源尽量利用附近煤矿中水或就近水源取水，设专用泵，为以后浇灌打好基础。

3.5 矸石山生态恢复—顶部平台覆土、围堰、绿化

(1)顶部平台覆土

坡面整平至设计要求后，在平台上覆1m黄土，分层夯实，并用道路和围堰分割。

(2)围堰

矸石山顶部平台按20m×20m围堰分割。设计围堰高700mm，上底宽500mm，下底宽1000mm，顶部平台采用黄土拍实，坡面采用块石砌筑并抹面。马道围堰设于马道外沿，设计参数同顶部平台。

(3)绿化

筛选出的适宜当地地区矸石山生长的先锋植物，最好是当地客土植被，既能治理矸石山，又能降解吸附有毒有害物质，对环境有净化功能的环境改良性植物。以太原地区选用具有代表性的物种进行具体分析。

①植物边坡设计。矸石场在每堆厚5m，形成坡度为1∶1.5～2的台阶状坡面。坡面上覆盖70cm的黄土后栽种灌木紫穗槐、柠条间距为4m×4m。穴状栽植初期可选择紫穗槐和柠条，直径0.4m，深0.4m，坡面上条播紫花苜蓿。

②矸石场顶复垦。矸石场服务期满后，平整矸石场顶部，覆盖100cm的土壤，适当施用农家肥，提高土壤肥力。种植油松、刺槐等乔木；丁香、柠条等灌木；草类选择沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿等；可适当选择扶芳藤等藤本植物增加植被景观。

③矸石山四周绿化。矸石场封场处理后在四周栽植规格为胸径3cm以上的杨树，栽植林带宽20m，密度4×4m。杨树萌蘖能力强，在矸石处置场四周形成防护林带，而且杨树向矸石场内扩展，最终矸石处置场形成乔、灌、草结合的生态系统。

④植物措施管理。现有矸石由于均已着完，具有含水量低，入渗快、地热较高等特点，排矸场绿化后，管理工作的重点是浇水，特别是保苗期和干旱、高温季节。为此，采用矿井水进行浇灌，切忌大水漫灌，避免浪费水又冲走表土的现象，一般春季每周一次，夏季平均3天循环浇灌一遍，秋季10～30天浇一次，冬季上冻前普遍灌足越冬水。

最后是综合管理，在灌木栽种后，浇水前检查有无裂缝，沉陷现象。一旦发现及时培土塌实。注意防治病虫害，适当采取喷药或施肥等相应措施。

3.6 管理工程设施—管护房

在矸石山周围选择合适的地点建维护人员值班室1间，建筑面积为30m2，一层构筑，采用砖砌结构，内设办公桌椅。

4 矸石山治理效果

对现有矸石山实施消坡、压实等措施治理后，解决了现有矸石山对环境空气的影响问题；控制了矸石山对周围环境的影响；设置合理的边坡，进行植物措施绿化，稳定了边坡，改善了生态环境。

治理区域生态系统的结构由简单趋向复杂，植被种群由单一趋向多样化，生态系统向着良性循环方向发展，同时水土流失现状基本得到治理，土壤侵蚀量减少70%，绿化率在30%以上，生态环境彻底改善。

[1]矿山生态环境保护与污染防治技术政策(环发[2005]109号).

[2]国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局.煤矿矸石山灾害防范与治理工作指导意见(安监总煤矿字[2005]162号文.

[3]危险废物鉴别技术规范-HJ/T 298-2007.

[4]煤炭工业污染物排放标准(GB20426-2006).

DesignonEngineeringTechnologyontheOldGangueField

MA Shuangti

(Luliang Research institute of Environmental Science，Shanxi Luliang 033000)

According to a large number of gangue industry analysis，composition analysis and the results of the concentration statistics of gangue leaching solution，most of the waste rock in the area is solid waste type I，and this paper designs the old gangue field with the phenomenon of spontaneous combustion. It provides reference and basis for the existing Waste rock field management.

self-ignition；gangue；engineering technology

马双提，自1996年以来一直从事建设项目环境影响评价、工业污染源治理研究、矿山生态恢复治理、企事业单位环境风险评估等工作

文献格式：马双提.关于陈旧矸石场的工程技术治理设计[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：190-192.

X21

A

1673-288X(2017)06-0190-03