煤矿矸石山综合治理技术应用研究

马智慧

（晋能控股煤业集团朔州煤电园区建设管理公司，山西 朔州 036000）

煤矿在生产过中会不可避免的产出大约20%的煤矸石。煤矸石是煤炭在发育过程中，共同沉积的有机化合物与无机化合物的混合体，主要成分为硅、铝、钙、镁、铁的氧化物，通常作为煤炭的固体废弃物堆放处理。由于长时间数量巨大的煤矸石露天堆积，其所含有害物质及化学成分会逐渐危害周边的生态环境，造成一系列的污染[1-3]。而且，煤矸石长期堆积，其中所含的硫化铁等成分与空气中的氧气发生化学反应，不断散发热量，热量积聚引发自燃，排放有毒有害气体，使周围环境遭到破坏，还会影响周边居民的身体健康[4-5]。除此之外，矸石山降雨淋水，其中的化学成分还会随着水分渗透入土壤或浅层地下水，造成水土污染。王庄煤矿矸石山经过长期暴露堆积已出现自燃情况，基于此，矸石山治理工作已刻不容缓。

1 矿区概况

王庄煤矿位于高原地区中部，井田内海拔在+1 000 m 以上，气候干燥，常年多风，年最高气温39.4℃，年最低气温-25℃，年平均气温8℃～9℃。年最大降雨量为602 mm，一般367.7～487.3 mm，年蒸发量2 080 mm，年最小蒸发量1 770.6 mm。井田面积73.33 km2，井田内煤炭资源丰富，煤质较为优良，煤炭种类以焦煤、肥煤为主，伴有少量瘦煤。井田范围内多为荒山，土地贫瘠，农作物较少，植被分布不均，植物多样性差。

王庄煤矿矸石山为早年堆积，位于矿井北部，占地约86 亩，堆积区域长约370 m，宽约140 m，高约60 m，总体呈东高西低、南高北低地势，现已无法继续倾倒矸石。煤矸石长年堆积，已出现多处自燃现象，火势较大，火情复杂，矸石山治理难度很大。

2 矸石山综合治理技术

2.1 矸石山温度监测

矸石山灭火能否成功取决于能不能做好矸石山复燃防范，矸石山温度是矸石山治理方案制定的重要依据，是治理前的方案设计，治理过程中的进度规划，治理后的巩固预防的数据支持。

矸石山温度测量分为外部测量和内部测量。外部测量是通过手持红外热像仪及热电偶对矸石山外部温度进行测量；内部测量是采用打孔的方式对矸石山着火区域进行内部测量。测温布孔见图1，在矸石山着火区域间隔1.5 m交错布置钻孔，根据着火点深度确定打钻深度，矸石山山坡测温钻孔设计需垂直于坡面。

图1 内部温度测量钻孔布置

通过上述方法分别对矸石山着火区域表层温度以及内部温度进行了实地测量，实测矸石山表层温度为43℃～54℃，实测矸石山着火点内部深度2 m 处温度为272℃左右、4 m 处温度为375℃左右、6 m 处温度为443℃左右。

2.2 矸石山灭火

完成矸石山内外温度测量后，根据所测结果将矸石山进行区域划分，区域划分完成后以矸石山堆积的基准高度划分治理方式，即高于基准高度以上的区域以挖方的方式治理，低于基准高度以下的区域以填方的方式治理。矸石山灭火工程见图2。

图2 矸石山灭火工程

（1）填方区治理。在有明火或高温的治理区域挖出沟槽，呈田字形开挖，将浆液灌入沟槽至饱和，对其进行封闭，使着火点隔绝氧气来达到灭火的目的；然后采用一定比例的复合材料进行回填，目的是防止矸石山再次着火。主要选用黄土、生石灰、碎矸石等材料混合而成，回填间距不超过6 m，压实系数不能低于90%。

（2）挖方区治理。根据温度测量，确定高温以及有明火的区域具体数据，将着火区域和高温区域挖开进行灭火，灭火完成后将挖出的煤矸石混合黄土、生石灰等材料搅拌均匀，待挖开灭火区域的温度降低至40℃时，将搅拌后的复合材料回填。

在矸石山灭火工程进行中，同步实施矸石山坡脚封闭和坡面覆盖，能够节省一定的工程量。

2.3 矸石山加固改造

矸石山的山体结构一般比较松散，为防止矸石山在治理完成后出现滑坡跨落导致治理成果遭受破坏，采用一种矸石山加固改造技术。根据矸石山山体坡面的长度以及上下高差对其进行分坡段修整，在每个坡段中间打造出一个平台，平台向矸石山内部细微倾斜，矸石山分坡段修整于平台设置可以减少坡面上覆黄土滑落的可能性，同时降低了矸石山坡面的长度及坡度，避免矸石山因坡度太大出现滑坡现象。平台的设置为矸石山坡面的覆土绿化创造了良好条件，便于植被的栽植与灌溉。矸石山加固改造剖面见图3。

图3 矸石山加固改造剖面

2.4 矸石山绿化

完成矸石山灭火以及加固改造工程结束后，矸石山周边生态环境恢复工作有了基础。植被恢复对周边生态环境改善有着重要作用，王庄煤矿为保证矸石山覆土绿化植被与当地环境之间相互适应，制定一套矸石山绿化方案流程，见图4。首先要对影响植物生长的地方气候、地形地貌、土质水质等因素进行评价分析，有目的地对绿化区域土壤土质进行改良，培育更加适合植被发育的土壤。植被品种的选择以因地制宜为方针，目标植被以当地存活率高的植被为主，再适当引入符合生长环境的外来品种，以增加植被的多样性。

图4 矸石山绿化方案流程

3 矸石山综合治理效果分析

3.1 样本采集

本次王庄煤矿矸石山治理为验证其治理效果，分别对矸石山治理前后进行煤矸石以及土壤样本采集。在治理前选择堆积时间相同的煤矸石进行了样本采集，在不同位置收集煤矸石样本6 处，每处收集煤矸石样本1 kg，共收集治理前煤矸石样本6 kg；在煤矸石样本收集处，2 m 范围内采集表层5 cm 厚土壤样本，每处土壤样本收集1 kg，共收集治理前土壤样本6 kg。在矸石山治理工程完成后，在各个植被种植区域采集土壤样本，每种植被种植区域内在随机地点分3 次采集土壤样本1 kg，根据不同的植被种类，共采集治理后土壤样本10 个（分别为油松、侧柏、臭椿、刺槐、山杏、柠条、榆树、紫穗槐、皂角、波斯菊等植被所在区域的土壤样本），每个样本1 kg，共采集治理后土壤样本10 kg。另外在王庄煤矿非塌陷区且受矸石山影响范围内，选择4 处浅层地下水进行样本采集，水质样本编号为SZ1、SZ2、SZ3、SZ4。

样本采集完成后进行处理，土壤样本置于室内，让其自然风干，取干燥土壤取出杂物后进行研磨，最后采用100 目筛网进行过滤，过滤后的土壤样品留做备检。

3.2 样本分析

通过HNO3-HF-HC1O4分解法对煤矸石样本进行分解，通过王水-HF-HC1O4分解法对土壤样品进行分解，利用原子吸收光谱仪测定分解样本中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd 元素含量数值，最后利用汞原子分析仪测出样本中Hg 元素含量数值。王庄煤矿矸石山治理前后土壤、矸石、水质样本金属元素分析详见表1、表2。

表1 土壤、砰石样本金属元素含量

表2 水质与矸石淋溶水中重金属元素含量

根据表1、表2中数据可以看出，王庄煤矿矸石山综合治理后，植被生产土壤有很大改善，浅层地下水以及矸石渗透水的各项指标也有了很大的提高，达到国家对地下水水质等级划分的三级标准。在矸石山综合治理后，山体坡面上覆土层，因土质改良，种植的植被长势良好，同时在矸石山地热的作用下形成良好的微生物以及微型土壤昆虫生存环境，在植物、微型土壤昆虫以及微生物的作用下，土壤中各种无机元素的释放速度得到提升，并改善土壤的结构性。因此，在这种良性循环下，矸石山生态环境得到了有效改善，对降低周边地区环境污染有着重要意义。

4 结语

王庄煤矿通过对矸石山着火区域进行划分，采用不同的灭火以及防止复燃的治理手段达到了矸石山灭火的目的，通过对山体进行改造并进行覆土绿化达到了加固山体及生态恢复的目的。最终通过对矸石山治理前后进行采样分析，证明了矸石山及周边地区的生态环境得到了有效控制，矸石山综合治理技术对我国矸石山治理提供了宝贵经验。