矸石山综合治理技术初探

矸石山综合治理技术初探摘要：2016年山西省人民政府、山西省环境保护厅制定下发了《山西省矿山生态环境恢复治理试点示范工程建设实施方案》，为全面贯彻落实省委、省政府加强采煤沉陷区治理的战略部署，省环保厅制定了《山西省矿山生态环境恢复治理试点示范工程建设实施方案》，要求加快解决以固废堆积治理为主的矿山生态环境问题，以西山煤电集团前山矿区和太原至阳泉沿线“一区一带”为重点实施区域，以及除太原、阳泉、运城外8个市共“八个点”的“118示范工程”。

山西中煤东坡煤业有限公司排矸场矿山生态环境恢复治理试点示范工程属“118示范工程”的治理范围，是省生态环境恢复治理领导组确定的重点治理区域之一。

根据排矸场堆矸现状和存在的主要问题，采取矸石山系统灭火防复燃工程、稳定山体工程、生态系统重建工程、新建排矸道路工程、其他配套工程等形成完善的的综合治理体系。

燃烧的减少能够为周围的植被和农作物提供一个良好的生态环境，促进人与自然相和谐。

关键词：灭火防复燃；稳定山体；喷浆；马道引言：常年自燃的矸石堆体，每平米每天将向大气排放出 CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S 和 NOx 2g。

大量的 SO2、H2S、CO、CO2 和 NOx 等有害气体的释放，不仅对矿区环境造成破坏，而且对周围居民的急、慢性疾病的发生率均有明显影响，煤矸石自燃时大量SO2、NOx进入大气，造成酸雨的重要原因之一。

1、背景概况山西中煤东坡煤业有限公司排矸场矿山生态环境恢复治理试点示范工程治理总面积19.48hm2，排矸场四周有农田、林地，林地主要为草灌木，灌木以荆条为多，矸石场内植被稀疏，以草本为主。

2015年1月排矸场停止排矸，已有10多年的排放历史，已堆矸石约1120万t，现服役期已满，具备封场治理条件。

由于排矸场坡脚为自然安息角，受雨水冲刷，边坡防护措施和植被受到损坏，坡面水土流失严重，部分坡面和顶部平台自燃现象严重。

根据2018年的火情探测报告，确定矸石山灭火总面积约5.8838 万平方米，已成为朔州市主要污染源之一，受到省市各级政府、环保部门的高度重视，此次治理被列为朔州市各级政府和东坡公司的重要工作。

2、矸石山治理主要问题及解决方案根据排矸场堆矸现状和存在的主要问题，本工程治理内容为：矸石山系统灭火防复燃工程、稳定山体工程、生态系统重建工程、新建排矸道路工程、其他配套工程等形成完善的的综合治理体系。

在系统测温和科学分析火情的基础上，对排矸场采取有针对性的系统灭火防复燃工程，包括挖除灭火、田字形开沟注浆封闭灭火、山体结合部灌浆封闭隔氧防复燃、主风道封闭防复燃、坡面全封闭防复燃等措施；为了保障山体的稳定和防止水土流失，对排矸场坡面进行削坡整形，顶部平台重新平整；为防止雨水排水不畅冲蚀矸石坡面，排矸场顶部平台设置微地形和柔性截水沟，各级马道内侧设置柔性排水沟，沿坡面纵向方向设置急流槽，使马道排水沟、急流槽、平台截水沟以及路侧排水沟共同组成一个完整的排水系统，将排矸场内外的雨水有组织的排至下游排洪系统；同时对排矸场坡面和平台覆盖层改良基质，混合种植乔、灌、草进行植被恢复；为了便于施工和后期管护和监测，对排矸道路进行了重新规划，并对道路两侧进行了绿化，及部分路段进行了土地平整。

3、灭火防复燃措施结合排矸场实地情况和火情勘察报告，科学分析高温区的空间分布特征，准确判断燃烧中心和燃烧范围，根据“烟囱效应”理论判断矸石山的进风口，有针对性进行灭火防复燃措施施工，并在施工过程中实时监测和施工后的全面监测。

根据高温蓄热区的空间分布特征，采取的灭火防复燃工程包括：对坡面高温发火区及部分蓄热区采用挖除法灭火、平台高温蓄热区采用田字形开沟注浆封闭灭火；在坡脚、矸石山与周围山体结合部位及整个坡面分别采取主风道封闭防复燃及山体结合部灌浆封闭隔氧防复燃措施，同时对坡面进行全封闭防复燃。

3.1高温区挖除灭火根据现场实际情况和火情分析报告，对矸石山坡面的集中发火区及部分蓄热区采用挖除灭火法。

挖除灭火工艺的特点是：最直接的灭火方法，快速消除火源。

平均挖除深度8m，采用挖掘机分层挖渣自卸车运渣（1km内），火源挖出后堆放于安全平台，进行降温，矸石混拌黄土、粉煤灰、阻燃剂和石灰等降温后分层回填。

挖除灭火流程：①设警戒区域、观察风向、设置安全平台→②配备防具、护具→③设置逃生通道→④组织救护人员及车辆→⑤开挖泄压孔→⑥由低温区向高温区进行机械开挖→⑦挖除火源（喷射注浆配合施工）→⑧冷却→⑨坡面喷浆→⑩坑底温度监测→⑪搅拌碾压回填。

3.2田字形开沟注浆封闭灭火对排矸场蓄热区顶部平台部位采用田字形开沟注浆法封闭灭火。

该工艺的特点是：平台等特定部位采用此方法，节约投资，灭火防复燃效果好。

沟槽开挖后，喷灌泥浆，使排矸场蓄热区迅速降温防止火情蔓延，喷浆到浆液不再下渗，测温达标即完成注浆。

降温后分层回填并碾压夯实，回填后剩余混合物用回填于坡面或平台。

田字形开沟注浆封闭灭火流程：①田字形开挖沟槽→②注浆降温→③温度监测→④分层碾压回填。

3.3山体结合部灌浆封闭隔氧防复燃矸石沿坡堆积过程中，残留在矸石山与原始山体结合部的矸石粒径大，而且原始山体结合部位极易开裂形成供氧通道，因此，需要将大粒径块石剥离，然后在山体结合部位开沟喷浆，分层回填并碾压夯实。

该工艺的特点是：彻底封堵山体排矸场山体结合部的氧气供应通道。

山体结合部灌浆封闭流程：①开挖沟槽→②喷浆降温→③温度监测→④分层碾压回填。

3.4主风道封闭防复燃因项目区矸石堆积地势沿山谷西北到东南方向有一条进风道，防止这条主风道进风产生烟囱效应，防止复燃，对项目区的西北山体坡底主风口和东南山体坡底主风口进行封闭防复燃，封堵进风口。

该工艺的特点是：彻底封堵山体排矸场山体结合部的氧气供应通道。

主风道封闭防复燃流程：①主风道开沟→②喷浆降温→③温度监测→④分层回填碾压夯实。

3.5坡面全封闭防复燃在坡体其它区域，混拌黄土、阻燃剂等分层回填至坡面，对区域内全部坡面进行坡面全封闭防复燃处理。

坡面全封闭防复燃工程采用土矸混合封闭坡面，节约黄土；与矸石堆体材料相近，柔性覆盖，不会形成硬壳，不易开裂形成新的供氧通道。

保墒保水，利于生态植被重建。

3.6灭火防复燃过程动态控制措施灭火施工后开展全面监测防复燃，重点监测区域为整形削坡挖填方部位或山体变形部位。

因项目区火情复杂，灭火难度大，因此在灭火防复燃过程中需动态调整控制工程包括过程控制及全程测温两部分内容。

1）过程控制：根据施工现场测温及诊断调整灭火工艺及喷浆量。

2）全程进行矸石山自燃监测预警3）施工期测温：包括挖除区域坑底测温、田字形及山体结合部等开沟沟槽底、沟槽壁等部位的测温。

测量值低于或等于40℃，判定已灭火。

测量值高于环境温度小于等于40℃，持续监测（1）温度下降趋势明显，判定为已灭火。

（2）温度上升趋势明显，判定为复燃。

（3）温度不变，加深探测温度，延长持续测温时间，直至判断其温度变化趋势。

测量值介于40℃与280℃之间的，加密监测点，加深探测深度，确定最高温度点，持续监测，判定标准同上。

4）施工后防复燃监测①全面监测区域A.边坡；B.平台边缘：由坡脚向内20米。

②重点监测区域临时动土、或山体变形部位为重点监测区。

③目测监控区：其它部位为目测监控区域。

监测区监测样点密度：6米×6米，监测深度为3米。

④温度异常应急处置分析情况，做好降温处置安排，根据不同诊断情况，采用喷浆等工艺应急处理。

⑤监测时间：经过持续监测，项目区温度呈现稳定性状态时完成监测。

4、稳定山体措施稳定山体工程包括多级隔坡反台山体整形、柔性护坡、柔性截水沟、急流槽及马道柔性排水沟。

4.1多级隔坡反台山体整形针对矸石山不稳定、易沉降等特性，采用传统刚性护坡易损坏，因此在排矸场平台及坡面整形的工程中主要采用柔性分级的技术理念，以有效保证矸石山体稳定。

根据现有地形进行坡面分级处理，降低坡度，减小坡长，设计坡度为34度左右，坡体中间设置分级马道。

马道设计为外高内低的反坡，坡降3%，马道宽度为3m。

4.2柔性护坡在每级马道坡脚设置柔性护坡，可有效减少雨水冲刷，应对矸石山沉降、稳固坡面，有效减小水土流失。

柔性护坡在每级坡脚铺设一层土工袋，坡体铺设植生袋，柔性护坡总高度0.5m。

4.3急流槽为了顺利排出山体表面汇集的雨水，在马道排水沟之间设置柔性急流槽，将坡面汇集的雨水导入荒沟中。

柔性急流槽：施工顺序测量放线→急流槽土方开挖→人工平整夯实→铺设土工膜、土工袋→验收。

在急流槽与马道相连接处，设置柔性消力池，做法同柔性排水沟。

4.4平台柔性截水沟柔性截水沟与道路排水沟相连，通过顶部平台设置的微地形，使得平台上汇集的雨水顺利流入柔性截水沟，之后汇入道路排水沟排出场外，保证矸石山山体安全稳定。

平台柔性截水沟断面宽1.0m，深度0.5m，可根据地形，排水沟尺寸略做微调，用土工膜加土工袋堆砌，码放时平起平落，错缝压茬，不瘪嘴不鼓肚。

4.5马道柔性排水沟为了确保山体稳定，在对坡体进行削坡分级的基础上，在每级马道内侧设置横向柔性排水沟。

矸石山体分级后，雨水除下渗外，其余水量基本聚集在马道内侧，为快速排除马道路面和路堑的雨水，在马道内侧及原坡面底部等位置布设横向排水沟，与坡面的急流槽相连接。

5、道路及生态系统重建措施5.1道路工程进场道路结构采用沥青路面，排矸场道路为六棱砖道路，道路一侧设置钢筋混凝土排水沟。

5.2生态系统重建工程本项目主要对现有坡面进行生态植被恢复，保障灭火效果的同时，自然截流山体雨水，保障山体稳定，减小自然雨水渗入。

根据项目区现状及特点，坡面生态恢复类型先期为草、灌，后期管理中种植部分乔木，最终形成稳定的生态系统。

5.2.1土壤基质改良本项目主要采用物理改良方法。

柔性护坡部位的基质改良方式为黄土中混入基质材料，将腐殖土、矸石与专用基质材料混合后装入植生袋和土工袋中，码放到坡脚和台阶部位；坡面和马道除排水沟外区域对种植层均利用山体整形及灭火工程中剩余矸石与黄土混合，并加入基质材料进行覆盖改良，在灭火和山体整形的过程中，表层混入基质材料改良土壤。

该措施可以快速改善山体表层土壤结构和性质，改善植物生长的基质环境，满足植物生长的要求，为生态系统重建做好基础。

5.2.2植物配置排矸场植物种类的选择要坚持“生态适应性、先锋性、相似性、抗逆性、多样性”等原则），适当选用经过多年引种和驯化的外来植物品种，以增加生物多样性和景观的多样性。

5.2.3植被恢复措施堆矸平台采用乔、灌、草混植栽培。

坡道植被恢复初期坡面用灌木和草本混种栽培的植被恢复措施。

草本植被采用人工撒播的方式。

马道植被恢复措施为沿马道外侧种植油松和连翘、紫穗槐、山桃、山杏、胡枝子等灌木混栽，穴状整地；草本植被采用人工撒播的方式。

5.2.4配套工程为方便后期灌溉，在项目区周边寻找地势较高地方设计圆形蓄水池3处，容积为200m3。