北方无自燃煤矸石山生态治理技术初探

苏光瑞，赵方莹，李胜刚

(北京圣海林生态环境科技股份有限公司，北京 100192)

1 无自燃煤矸石山的危害

煤矸石作为煤矿生产过程中产生的废弃物，是指煤矿在开拓掘进、采煤和煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石，产量一般占原煤产量的10%～20%[1]，由于利用和消纳途径有限，煤矸石基本是露天堆放，逐渐形成煤矸石山。

煤矸石长期露天堆放，易发生化学风化作用，经过雨水淋溶，其中含有的重金属(如铬、砷、铅等)极易进入土壤和水体，进而污染土壤、地表水和地下水，影响植物正常生长，同时也影响居民生产生活。煤矸石在运输、堆放及表层风化过程中，会产生扬尘，并增加大气中细颗粒物(PM2.5)含量，导致可吸入颗粒物的浓度增高[2]。

经人工堆积的煤矸石山，山体过高且坡度很陡，结构不稳定，在暴雨等外力作用下易发生坍塌、滑坡等灾害，造成严重的水土流失，直接或间接地危及居民的生命和财产安全，同时造成难以估量的经济损失和环境污染[3]。此外，煤矸石山占用大量土地，破坏景观。堆积形成的黑褐色煤矸石山，与周围环境形成了鲜明的对比，大量粉尘使得建筑物蒙上黑灰，影响城市形象，对社会、经济的可持续发展也造成了严重影响[4]。因此，加强煤矸石山的生态治理具有重要意义。

2 北方无自燃煤矸石山生态治理技术

2.1 顶部机械平整

对凹凸不平的煤矸石山顶部进行机械平整，以便后续覆土绿化。平整后顶部中间略高，四周略低，整体坡面向坡顶截水沟倾斜。

2.2 坡体整理

煤矸石山高度和坡度均较大，极其不稳定。因此，煤矸石山生态治理首先应进行坡体整理，使其达到稳定状态，以便后续构建排水系统、实施防护措施和恢复植被。坡体整理首先需对表层浮矸、危矸进行清理，然后对坡长较长、坡度较陡区域进行“随坡就势”整理，主要环节包括坡体分级、坡度调整、坡面平整等。坡体分级一般10～15 m为一级，并设置2 m宽分级马道(施工时，根据地形适度调整)，坡度调整到30°以下。

2.3 构建柔性截、排水系统

在对煤矸石山坡体进行整理的基础上，构建良好的截、排水系统，才能防治矸石流失，确保坡体稳定。坡体上修建截、排水系统，主要作用是有效排导坡面径流，减少雨水冲刷、下渗，从而减轻降水对坡体的危害。截、排水系统由坡顶截水沟、分级马道排水沟、坡面急流槽和坡脚排水沟四部分组成，用不透水的柔性材料修筑和包覆，以防矸石山不均匀沉降造成断裂，可采用土工布+生态植被袋等柔性材料构筑(图1)，避免用铆钉固定等。断面可采用梯形、U形等，断面尺寸根据汇水面积、降水强度、降水历时等计算确定，排水方向、坡度依据地形调整。

图1 柔性排水沟工程

2.4 构筑柔性坡脚防护体系

煤矸石山坡体具有不稳定、易沉降变形的特点，坡脚采用刚性防护措施易断裂、损坏。因此，矸石山坡脚防护体系的构筑以柔性措施为主。可在分级马道(平台)坡脚错层码放生态植被袋，形成顶宽30 cm、高45～60 cm小挡墙(施工时，根据地形适当调整)，以稳固坡面。为防治坡体进一步向外围扩张，可在矸石山最下缘坡体坡脚设置铅丝笼+生态植被袋(铅丝笼内码放生态植被袋)挡墙，必要时形成台阶式挡墙。

2.5 构建柔性坡面防护体系

2.5.1 生态植被袋护坡

生态植被袋柔韧性好，不易断裂，可以承受较大范围的变形而不坍塌，可避免由于基础变形引起的工程防护措施破坏[5]。坡面稳定整理后，依据坡度和稳定程度，在局部较陡(坡度1∶1～1∶4的矸石山坡面)的不稳定区域设置生态植被袋护坡。生态植被袋选用可降解的纤维材料加工缝制，内填人工调配的土壤基质(种植土+矸石)，封口后按照坡面防护要求码放。

图2 生态植被袋护坡工程

2.5.2 铁丝网+锚杆稳定

为稳固坡面矸石，保障生态植被袋坡面防护效果，在布设生态植被袋护坡区域铺设镀锌铁丝网，再采用锚杆固定，以加强坡面的稳定性。铁丝直径不小于2 mm，网孔5 cm×5 cm，网片之间的搭接不小于10 cm，并保证平整、到位、不留漏洞；沿坡面按1 m×1 m的间距呈梅花形打入锚杆，锚杆材质为φ16～18 mm的螺纹钢，长1.5～2.0 m，锚固深度≥0.6 m，锚杆外露端与铁丝网紧密连接固定。

2.6 构建人工土壤层

土壤层是植被赖以生存的载体。煤矸石山基本没有土壤层，因此需要人工构建满足植被生长的土壤层。可采用专用基质配方材料与当地种植土、粒径合适的矸石调配成人工土壤层；再通过生态灌浆、覆盖、填充、高压喷附等使人工土壤层附着在矸石坡面上，形成10～30 cm厚的植物生长土壤层。

2.6.1 客土覆盖

把客土从煤矸石山顶部开始直接覆盖到矸石山表面。矸石山顶部覆盖厚度1.0 m左右，坡面覆土0.5 m左右。客土可采用污泥、园林废弃物、生活垃圾等处理后的产物或其他项目剥离表土，减少取客土对其他区域土壤层的破坏。

2.6.2 生态灌浆

对由块状矸石构成的空隙大、不陡于1∶1.5的坡面，可采用生态灌浆技术构建植被生长层。生态灌浆是将有机质、肥料、保水剂、黏合剂、壤土等合理配比后，加水按照一定的比例搅拌成浆状，然后利用高压喷射设备对矸石坡面进行灌浆、振动、捣实，使块状空隙充盈、填实，达到防渗并稳定坡面的目的[5]。施工时应注意浆液中水的比例不宜过大，否则可能引起坡面滑塌。

2.6.3 生态基材喷附

对坡度45°～75°的稳定煤矸石坡面，可采用生态基材喷附技术构建10 cm左右植被生长层，该技术是将有机质、保水剂、黏合剂、土壤改良剂、缓效肥等材料，配置成核心基质材料，再根据施工现场可利用土源和土壤质地条件，对基质进行二次调配，通过高压喷射系统将植物生长基质喷射到工程实施的区域，营造植物生长条件[5]。施工中应尽可能从正面自上而下进行喷射，避免仰喷。

2.7 构建植被层

2.7.1 植物选配原则

选配的植物应能在自然条件下生长、繁衍，不需人工辅助。应根据植物的生物学特性和煤矸石山的立地条件，以及当地的气候环境、乡土植物种类等确定植物种，并且通过科学合理配比，构建稳定的植被群落。主要选配原则为：①植物的生物学特性与立地条件相一致，适地适树；②抗逆性强、养护成本低、根系发达、生态适应性强；③以各类灌木为主，搭配一定比例的乔木和草本，避免植物品种单一；④先锋植物与目标植物相结合；⑤根据项目区实际情况考虑一定景观功能需求。

2.7.2 适合北方无自燃煤矸石山生态修复的植物品种

通过查阅文献资料及工程实践，以下植被可作为北方煤矸石山生态治理的优选植被：落叶乔木可选择榆树、刺槐、臭椿，常绿乔木可选择侧柏、油松；灌木可选择紫穗槐、柠条、山皂荚、酸枣、胡枝子、黄刺玫、山桃、山杏；草本可选择马齿苋、鬼针草、沙打旺、紫花苜蓿、黑麦草、高羊茅[6-7]。

2.7.3 植被恢复

(1)煤矸石山顶部苗木栽植。矸石山顶部覆土1 m，穴状整地后栽植乔木榆树、油松、刺槐、侧柏、臭椿，灌木紫穗槐、柠条、黄刺玫等，乔木株行距3 m×3 m，灌木株行距2 m×2 m，穴内及其他空地按15 g/m2撒播波斯菊、沙打旺等草籽。

(2)坡面种子层喷附。将选定的植物种子按设计规格混合，搅拌均匀，再在混合种子中加入一定比例的绿化基材、种植土、纤维等，采用移动式液力喷射机，用鸭嘴喷枪直接喷射。在喷射完成的基质上，喷播含有灌木种子的基质2～3 cm。

(3)生态植被毯技术。生态植被毯技术是利用人工加工的复合防护毯结合乔灌草种子进行坡面防护和植被恢复的技术方式，适用坡度不大于堆积物自然安息角的稳定坡面。生态植被毯是以稻草、麦秸等为原料，在载体层添加乔灌草种子、保水剂、营养土等生产而成。含种子层的生态植被毯，一般结构从上到下分上网、植物纤维层、种子层、木浆纸层、下网五层[8](图3)。

图3 含种子层生态植被毯结构

生态植被毯种子层中的乔灌草植物种子的选配、单位面积播种量参数等根据工程所在项目区气候、矸石山立地条件、植物生长习性等情况确定。铺设时应与坡面充分接触并用U形铁钉或木桩固定，毯与毯之间要重叠搭接，搭接宽度10 cm。

2.8 铺设保护层

铺设保护层的主要目的是保护种子萌发和幼苗生长，保障植被恢复效果。在种子层喷附或撒播完毕后，在喷附或撒播种子的区域覆盖保护材料，既可以稳固表层土壤，增加地面粗糙度，减少坡面径流量，减缓径流速度，减轻雨水冲刷，减弱阳光曝晒，减少水分蒸发，保墒，防止鸟类啄食，保护种子萌发，又可以在种子发芽后降低地表温度，促进幼苗生长。保护层材料可用生态植被毯或无纺布，铺设量为每平米喷附区域铺设1.2 m2，用木桩或竹片固定接缝、周边及中间，防止风力损害。同时，铺设前可在草毯中加入营养土、保水剂等，为种子出苗、生长提供基础条件。

2.9 灌溉系统

矸石山植被恢复过程离不开灌溉。根据矸石山立地条件，以喷灌为好，可利用矸石山的喷淋系统，将水轻柔、均匀地喷洒到矸石山坡面上。没有灌溉设施的需修建灌溉系统，灌溉系统一般由水源、水泵、输配水管网等组成。

2.10 后期管护与人工调控

抚育管护在植被恢复过程中是个非常重要的技术环节。俗话说“三分栽，七分养”，通过对植被的合理管护，可以保证植被的成活率、生长繁殖更新顺利进行，还可以为植物生长适时创造良好的环境条件，加快成林速度。

煤矸石山植被恢复后期的管护重在灌溉、补植和追肥，检查出芽率、覆盖率等，及时补植；为利于植物自然演替，不除杂草；在植被层初步形成后，通过后续人工调控管理，营造以灌木为优势物种的稳定植被群落。

3 结 语

煤矸石山生态治理是一个长期且复杂的过程，投资大、见效慢、不易成功。因此，煤矸石山生态治理措施的设计应根据煤矸石山的特点、所处区域环境、周边场地大小、土方运输距离等综合考虑，设计适宜的治理措施，且应以“柔性措施”为主，适当辅以工程措施，植物应以乡土灌木为优选种。