中煤大同塔山煤矿煤矸石从“负能量”到“赋能量”的治理实践

薛晓燕

(中煤大同能源有限责任公司，山西 大同 037000)

煤炭在我国作为重要的能源供给，具有得天独厚的优势，如产热高，运输通道相对便捷与多元化，但其带来的环境危害也不容忽视。如何实现煤炭行业的可持续发展是摆在各大煤炭企业面前的一道必答题，其中的煤矸石治理又是必答题里的“难题”。煤矸石是煤炭采选加工过程中产生的主要固体废物，同时也是我国存放量最大的固废之一。根据最新的2020年煤炭生产和洗选加工总量统计，全国矿井1 a产出的煤矸石总量就超过7 亿t。大约4 700处的煤矿，必然会存在着数量不等的矸石产生和排放点。传统的露天堆放处置方式，不仅占用宝贵的土地资源，还因为矸石在露天存放期间发生的多种物理和化学变化，对周围环境空间、生态系统以及土地资源造成多维度破坏，而且在雨水的作用下形成的淋溶水会直接破坏堆场周边的土壤、植被与水系统；此外，煤矸石自燃还会排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体或烟雾，进一步加剧了当地的大气环境污染，严重影响了矿区居民的生存环境。

如何改变煤矸石的“负能量”状态，为矿山的可持续发展赋能是业界多年来面临的一大挑战。开展煤矸石研究有助于把煤矸石这种传统意义上的矿山工业的“负能量”转化成企业可持续发展的“赋能量”。以中煤大同塔山煤矿北侧新租用的矸石场治理实践为例，就如何因地制宜的选择实用的煤矸石处理方法、实施过程的技术要求和施工期的环境保护措施以及施工前后的矸石场对比进行了详细的解说，为煤矸石治理提供了实践依据。

1 企业煤矸石堆存排放现状

1.1 矸石场现状

中煤大同塔山煤矿生产原煤3.00 Mt/a，并配套洗选能力5.00 Mt/a的选煤厂1座，开采原煤全部进入选煤厂洗选，年产煤矸石85 万t左右。2020年，中煤塔山煤矿新租用的矸石场位于矿工业广场北侧，距离大同市云冈区上窝寨村北部1.2 km处的后背山沟内。该山沟大致呈西北-东南走向，西北高、东南低，沟道约长600 m、宽300 m、深78 m，占地面积约为13.1 hm2，初步核算库容为341.5 万m3。租用之初，沟内就有大量已堆存的“无主”煤矸石堆积如山，经核算约170 万t，该部分煤矸石未经任何处置，直接暴露于空气当中。中煤大同塔山煤矿为了解决“无主”矸石继续对周围生态的环境的破坏和最大限度的释放剩余库容，决定先对“无主”矸石进行合规化处置。

1.2 存在的危害

如此露天大量堆存的煤矸石暴露于空气中，未采取任何治理措施，不仅破坏了生态环境，还会造成土地资源的浪费，同时空气、植被以及水系统都遭到了不同程度的危害，当地居民更是苦不堪言。

大同属于风沙多发地区，每年春季多出现持续性的风沙天气，且强度大、破坏力强。未加覆盖的煤矸石遇风沙天，漫天的黑色尘土夹杂各种碎屑环绕空中，能见度不足10 m，严重污染了周围空气质量。

如遇雨天，则是形成一道道黑水流入天然沟渠，汇入下游。矸石中含有大量的金属矿物，经过雨水的浸润，会产生大量的淋溶水，污染了周围环境和地下水，造成严重的后果。

煤矸石有少量的可燃物，在适宜的条件下，很可能发生自燃，则会释放出二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有毒有害气体，进一步污染矿山乃至周边的大气环境，严重影响了居民的身体健康。

同时，矸石山上经常出现捡矸石的居民，在无任何安全措施条件下从事捡矸作业，高耸的煤矸石山，在未经碾压和无任何拦挡的措施下，很可能发生坍塌、滑坡等压伤事故，存在着不确定性极高的安全隐患。

2 煤矸石生态恢复治理的要求

《煤矸石综合利用管理办法》、《土地复垦条例实施办法》和山西省《煤矸石堆场生态恢复治理技术规范》等相关文件均鼓励企业科学规划、因地制宜的开展煤矸石合理利用，从而减少煤矸石堆积。

2.1 总体布置

根据现场勘察的矸石场现状和地形条件，将露天堆放的煤矸石全部填沟处理，并按照相关设计规范，本着“避免凌空，从内向外，从下向上，分层压实”的宗旨，这样既可以最大程度的使矸石得到压实，减小空隙率，又实现了在斜坡不易压实的情况下，减小了斜坡的暴露面。煤矸石场采用逐层逐级模式进行堆放，在沟底开始第一层矸石的堆积，矸石边坡则每升高8 m 建造1个马道，马道宽4 m，边坡采用植物措施护坡，所有工序完成后开始进行下一层的排矸，整个矸石场达到最大容积后停止使用时，表面整体覆土绿化封场处置，形成的是一个封闭良好整体，以彻底改善煤矸石场的生态环境。

2.2 煤矸石场设计标准和级别

根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》中5.7弃渣场级别表，矸石最大堆高为78 m，确定渣场级别为3 级，防洪标准为30 a一遇设计，100 a一遇校核。矸石治理设计执行国家生态环境保护部、山西省生态环保局等相关法律法规与行业标准，确保不出现违规违纪现象。

2.3 实施治理技术要求

2.3.1 覆土治理方案

(1)矸石处置场应符合环评、土地规划中提出的标准和要求；

(2)边坡每堆高8 m 建造1个马道，黄土隔离层厚度不低于0.5 m；

(3)边坡角≤27°，矸石场坡面形成1∶2 的坡度，压实系数≥0.85，边坡覆盖壤土厚度1 m；

(4)排矸道路应设计在原状山体上，符合相应的道路标准；

(5)明确排矸、黄土隔离层和生态恢复覆土的施工程序：黄土隔离层覆土、碾压完成后开始排矸，再按设计要求预留马道后开始进行矸石整坡、碾压，完成后在矸石表面开始覆土、碾压。

(6)在排矸过程中，矸石与自然山体间无自然黄土层时，应覆0.5 m厚黄土，采取错台、搭接的方法处置。

2.3.2 堆放技术要求

(1)在项目矸石场地西北处修建1条至沟谷底部的临时道路，汽运方式将矸石运输到沟底；

(2)用推土机将矸石推平至1 m 厚，进行压实，压实系数不小于0.85，可有效控制矸石沉陷；

(3)矸石堆厚达到2 m 左右，必须覆盖一层0.5 m 厚的黄土，用于隔绝空气，可很好的防止由于矸石内部热量积聚，引起矸石自燃；

(4)按照以上步骤，矸石每堆放3层，形成1个台阶，建造1个马道，马道宽4 m，继续按照(2)、(3)步骤进行矸石堆放。

(5)为后期绿化，马道再覆盖一层0.5 m 厚的壤土，形成堆高为8 m 的平台；

(6)矸石场每个台阶坡面形成1∶2的坡度，坡面覆盖一层1 m 厚的壤土，用于隔绝空气，预防矸石内部热量积聚，并防止坡面汇水冲刷坡面及后期绿化；

(7)对新运来的矸石采取(2)～(6)步骤循环治理，直至第9个台阶形成，即达到设计最终堆矸高度，具备开展生态恢复治理工作条件。

2.3.3 洒水降尘措施要求

为了控制矸石运输、治理、道路产生的扬尘，企业必须按规定配备专用喷雾抑尘洒水车，在治理矸石全过程定期洒水降尘，保持路面、矸石山、周边环境清洁和相对湿度。

3 煤矸石治理实践与成效分析

3.1 治理实践

中煤大同公司塔山煤矿煤矸石治理项目施工过程中，为保证施工的顺利进行以及施工效果达到预期效果，采取了相应技术保证措施。

3.1.1 施工前工程措施

(1)施工前，先在山沟沟底覆土并夯实，构筑防渗层，防止项目区淋溶液可能向地下及库外渗漏。

(2)确保边坡稳定，防止边坡在整治时，部分覆土混合矸石流向下游，在沟口处修建3.5 m 高浆砌石挡矸墙，基础埋深为2.0 m，墙高3.5 m，顶宽为2.0 m，长度为45 m。

(3)为排泄上游来水，在矸石填埋区的底部设排洪涵管，排洪涵管中间设置3座排水竖井；为避免其他方向的洪水流入排矸场，在填埋区的护坡与周边地形相接处设排水边沟，同时在马道上设置横纵排水沟，将数条排水边沟和横纵交错的排水沟组成一个完整的坡面排水系统，收集的水同涵洞洪水一并排入下游沟道。

3.1.2 施工期环境保护措施

(1)防风抑尘：因为在治理过程中有取土作业，在风力的作用下，施工环境恶劣，覆土效果不乐观，要保证治理效果，必须避开大风天气作业并使用喷雾抑尘洒水车在运输道路、堆场洒水抑尘；

(2)噪声防治：禁止夜间运输，车辆行驶至居民生活集中区等噪声敏感点处，行驶要缓慢，禁止产生一切噪音；定期对车辆进行保养，淘汰不合格的车辆，使车辆处于良好状态，降低辐射声级；对运输车辆采用全封闭箱式货车，严格限制车辆超载。

3.1.3 施工完成后绿化措施

严格按照分台阶堆放、分台阶填沟，全部填沟完成后，对沟顶和坡面、马道采用栽种绿植的方式进行防护，一般采用灌草结合的方式恢复植被。

3.2 成效分析

(1)施工前工程措施效果：山沟沟底覆土并夯实，构筑防渗层，有效防止淋溶液向地下及库外渗漏；修建砌石挡矸墙(图1)，有效防止了覆土混合矸石流向下游；底部设排洪涵管和排水竖井(图2)、设置横纵排水沟(图3)，有效收集了上游来水，收集的水和涵洞洪水可汇合排入下游沟道。

图1 挡矸墙

图2 排水竖井

图3 排水边沟

(2)施工期环境保护措施效果：通过避开、见少大风天气作业，配备专用的喷雾抑尘洒水车、根据天气适当调整洒水频率等方式，抑尘效率可达到80%。

(3)施工完成后绿化措施效果：覆土绿化后面积共计8.5 hm2，绿植成活率达85%以上，很好的起到了水土保持的作用，恢复了生态活力。

图4 治理前的矸石场

(4)其他效益：通过对“无主”矸石(图4)的治理，不仅提高了土地利用率还实现了剩余库容的最大释放，减少了排矸土地租用成本，提高了企业经济收益。已经填埋的荒沟，经过覆土绿化，形成了独特的人工景观，不仅很好的保护了环境，避免了环境污染事件及其引发的次生灾害，还最大程度的修复了荒地荒沟，使荒地荒沟变成绿山绿地，有极好的社会效益，其环境效益和社会效益的意义远远超出经济效益(见图5、图6)。

图5 治理中的矸石场

图6 治理后的矸石场

4 结 语

中煤大同公司在开展煤矸石治理项目中，针对治理方式进行了反复论证，最终确定从矸石底部分从内向外、从下向上、分层压实的方式。在开始填沟前，沟底的覆土夯实、构筑防渗层至关重要，直接影响到后期矸石淋溶液的阻隔与库外渗漏；挡矸墙的修建有效地阻止了矸石流向下游；纵横相交的排水边沟和排水竖井，有效地减少了上游洪水及大雨产生的冲击力，减少了垮塌和泥石流的发生。沟顶和坡面、马道上栽种的绿植，很大程度减少了水土流失，恢复了自然景观。实现了煤矸石从“负能量”制造者逐步走向“赋能量”推动者，实践了人类工业与经济发展可以同自然生态的永续发展和谐共处。通过解决造成制约环境、经济与社会可持续发展的关键痛点，就能因地制宜的逐步实现煤矸石从顽石变成金石的完美蜕变。