丘陵沟壑区煤矸石填埋技术及应用∗

张廷会　李小刚　贺卫中　郝业　侯怀勇(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西省西安市,71001; .陕西天地地质有限责任公司,陕西省西安市,710054; .陕西省地质环境监测总站,陕西省西安市,710054)



丘陵沟壑区煤矸石填埋技术及应用∗

张廷会1,2李小刚2贺卫中3郝业2侯怀勇2
(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西省西安市,710021; 2.陕西天地地质有限责任公司,陕西省西安市,710054; 3.陕西省地质环境监测总站,陕西省西安市,710054)

摘 要为有效降低煤矸石对矿区环境的影响,通过研究丘陵沟壑区煤矸石的填埋技术及应用,并对其效益进行了分析。结果表明,利用地形条件填埋煤矸石,是矿山废弃物综合治理的有效途径,既减轻了煤矸石露天堆放造成占地、扬尘和自燃等环境问题,又具有良好的经济效益和环境效益,对矿山煤矸石的治理具有示范和借鉴意义。

关键词煤矸石 填埋 环境保护 丘陵沟壑区

1　引言

煤矸石是成煤过程中与煤伴生的质地坚硬、含碳率低的一种岩石,是采煤和洗煤过程中产生和排放的固体废弃物。煤矸石是矿区污染最为严重的污染物,由于资源化利用程度不够,造成了大量煤矸石长期堆存,不仅破坏和占用了大量的土地资源,也带来诸如土壤及周边水体环境质量下降、生物多样性丧失、生态系统退化和景观环境破坏等一系列的生态环境问题,加剧了矿区人地矛盾。

目前,国内外对煤矸石环境影响方面的研究主要集中在煤矸石对周围尾矿、土壤和地下水的污染、煤矸石风化土壤的重金属污染及土壤微生物特性等方面,对煤矸石的治理研究主要集中在资源综合利用、复垦绿化和覆盖填埋等方面,对采用填埋消纳技术处理煤矿矸石山的环境污染问题的研究较少。本文以陕西某煤矿为研究对象,在综合分析周边地形条件和地理环境条件的基础上,结合工程实例探讨分析了填埋消纳技术在该矿矸石回填中的应用。

1　煤矸石综合治理措施

煤矸石是煤炭生产过程中的主要废弃物,传统的方式是直接排至地面。大量的煤矸石长期裸露,污染大气环境、土壤和水源,危害人体健康,影响工农业生产。作为排放量最大的工业固体废物,煤矸石的处理尤为重要。目前,我国煤矸石的治理措施主要有覆盖填埋、复垦绿化和资源综合利用等方面。煤矸石在充填塌陷区、铺填路基、水土保持和作物种植等技术上也已经有了较大的发展。

1.1复垦绿化

复垦绿化主要针对已经闭坑的成型煤矸石山治理,是一种生态修复的方法。煤矸石堆积过程中已经对环境、水源和空气等造成危害,治理需要投入大量的资金。煤矸石经风化后孔隙率逐渐变小、密度逐渐提高,具备一定的保水能力,可为植物生长提供水分,成为植物生长的介质。植物绿化生长在改变煤矸石风化物的物理性状的同时,还可以大量吸收其释放的有毒有害物质,对土壤起到净化作用。

1.2资源化利用

煤矸石具有废渣和资源双重属性。根据煤矸石化学成分和矿物组成的特点,有些地方作为高附加值产品的原料而加以利用。煤矸石兼有煤、岩石和化工原料的性质,具有发电、生产建材及其制品、生产肥料或改善土壤等用途。煤矸石的资源综合利用在改善矿区环境、节约占地方面已经做了很多探索,对于构建资源节约型、环境友好型社会可以起到积极的推动作用。

1.3填埋消纳

煤矸石填埋是煤矸石综合利用的重要途径之一。根据矿井所处位置的地形地貌特征,在可行性研究阶段结合环境影响评价、地质灾害危险性评价和水土保持方案编制等工作提出煤矸石处理方案,是一种煤矸石对环境危害的事前控制措施。但目前矿山对煤矸石进行同步填埋处理尚不多见。

煤矸石的填埋消纳首先要选址,在矿区附近选择合适的沟壑,综合沟谷汇水面积、植被发育、有效容积、气象条件、土地利用和环境保护等多种因素优化选定,可以与矿井设计、建设和生产阶段同步进行,符合国家环境保护“三同时”的要求,也符合经济、社会和环境效益的统一原则。

2　排矸场地质环境条件

2.1地形地貌、自然地理条件

陕西某煤矿排矸场二期工程设计堆矸库容量370万m3,预计服务5a,主要用于煤矿建设与生产过程中产生的煤矸石的堆放。拟建排矸场位于工业场地东侧约0.6km处的冲沟内,采用从下游用地边界向上游逐步推进的方法。

排矸场填埋消纳场地地貌单元为陕北高原峁梁丘陵沟壑区,山谷交错,沟壑纵横,侵蚀冲刷剧烈。排矸范围所处冲沟的两侧岸坡植被稀疏,沟底为黄土状粉砂土及砂卵石覆盖,沟内无人居住。场地地质环境条件如图1所示。

图1　排矸场地质环境条件

2.2岩土工程条件

排矸场所选冲沟主要岩性为以砂粘土、砂、砂砾石层为主的第四系覆盖层和下伏的第三系河湖相深红、紫色及棕红色粘土和砂质粘土;无地表流水,地下水位埋深大于3m。场地两侧坡地第四系覆盖层厚度大,表层松散,植被覆盖率低,发育有冲沟、陷穴、小型滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用,矸石填埋可以减少地质灾害的发生。

2.3水文气象条件

该区域属陕北黄土高原暖温带大陆性半干旱气候,大部分地表为黄土所覆盖,春季干燥多风沙,夏季炎热多雷雨,秋季晴朗降温快,冬季干冷雨量少。区内年最低气温为－23.6℃、年最高气温为38℃,平均气温为9.1℃。平均降雨量为514.7mm/a,多集中在7～9月份,占全年降雨量的55%～65%,蒸发量为降雨量的3倍。全年无霜期175d,冬春季多为西北风,最大风速为7.8 m/s。冰冻期为11月底至翌年4月初,最大冻土深度为1.03m。

排矸场所处一封闭性冲沟内,属低山丘陵沟谷,汇水面积∑S＝0.45km2,排矸场出口流量按照50年一遇最大洪峰流量QP2%＝10m3/s、20年一遇最大洪峰流量QP5%＝6.5m3/s、排水管道长度L＝0.82km进行设计,满足短时暴雨排洪要求。

3　工程设施

陕西某煤矿排矸场工程主要构筑物为:拦渣坝、管涵—竖井排洪系统、坡面排水沟和防渗排污系统。排矸场工程设施平面如图2所示,排矸场工程设施剖面如图3所示。

排矸场所处地区气候干燥,降雨量较小,蒸发量大。根据地质报告,场区地下水较深。采用从下游向上游逐渐堆矸方式时,为避免排矸场上游汇水冲刷、携带的灰渣污染河沟水体,采用雨水集中管涵排泄原则,设置钢筋混凝土竖井—管涵排水系统,将排矸场雨水直接排到排矸场下游沟槽。边坡汇流排水沟引流到排矸场以外的沟槽。

图2　排矸场工程设施平面图

图3　排矸场工程设施剖面图

3.1拦渣坝

拦渣坝采用不含煤掘进矸石(白矸),分层碾压填筑,坝顶宽度约为3m,高度约为13m,坝顶高程约为1205m,上游边坡按1∶1.5设置,下游边坡按1∶3设置。矸场稳定坡面的加高主要采用矸石分层碾压逐渐堆筑完成,最终堆矸面设计高程约为1260m。

3.2矸石堆筑

矸石堆筑采用分区、分层碾压方式堆筑,堆矸顶面按1∶30坡度坡向排水竖井。堆矸体下游永久边坡按1∶3设置,坡面用较大块的掘进矸石防护,并与排矸道路妥善结合布置排水沟。堆矸体分层厚度不大于5m,含煤量较大有自燃倾向时,顶部采用不小于1.0m黄土封闭。依次类推完成整个排矸场堆筑。

3.3排矸场排水

排矸场采用涵洞—竖井排泄雨水的山谷型储矸场设计,如图4所示。涵洞排洪按照20年一遇暴雨标准设计,50年一遇标准校核。为保证有足够的排矸场区,首先施工370m排洪涵洞排泄上游雨水。填筑高程约1220m时,延长上游涵洞并施工2＃竖井,由竖井收集、排泄雨水。排矸场下游坡面及原状山坡雨水,经过设置的边坡排水沟引流至下游沟槽自然排放。

3.4防渗排污系统

防止矸石中渗淋液渗流坝外污染环境,在拦渣坝上侧坡面、上游渣场整体底部设置防渗层,并设截渗齿墙和主支道管,支管道收集渗淋液并通过主管道排入污水处理厂。

图4　钢筋混凝土竖井—管涵排水系统

4　工程施工要求

具体施工流程为:测量放线→杂物清运、整平→人机配合摊铺、整平、压实(矸石渣)→填埋煤泥排放区(矸石渣填埋)→人机配合土方开挖、运输、摊铺、碾压(覆盖黄土)→永久边坡防护→绿化工程。

4.1测量放线

施工前,测量排矸场排矸范围地形地貌绘制成图。根据地貌测量得知前期排矸场已堆储矸石渣高度和工程量。根据地貌高程开始整平地形,对已堆储矸体未完成永久边坡进行开挖、重新回填压实,按照永久边坡基线整理成永久边坡。

4.2杂物清运、整平

矸石山杂物清运、整平如图5所示。根据地形地貌整平排矸场堆储区,清理运输地面上的矸石,规整矸石、煤泥划区排放有序,以达到排矸场正常运行。

图5　整平地形、矸石渣摊铺

4.3摊铺、整平、压实(矸石渣)

矸石渣的摊铺、整平、压实如图6所示。主要工序如下:人工配合平地机精平→20t压路机慢速弱振一遍→20t压路机慢速强振碾压一遍→20t压路机快速强振一遍→20t压路机快速强振碾压达到规定压实度→压路机光面静压1～2遍,直至轮迹消除。

压实工序遵照先轻后重、先边后中、先慢后快、由弱振到强振的原则。压实过程中对于边、角机械无法到位的部位采用人工进行夯实。压路机的行走速度按常规为2～4km/h,压实遍数一般为6 遍,其中振动4遍,静碾2遍,经检测后以达到规定的压实度为标准。

矸石填筑,由于堆矸体比较疏松,可以直接采用挖掘机进行挖掘,自卸车运输。在预填场地上首先应根据各运输车的载重量及煤矸石的松铺系数计算各车卸料的纵横间距,由专人指挥卸车,土和煤矸石结合部位要求填筑细粒料,便于土、煤矸石结合,以增强结构的整体性。用平地机摊铺、平整。煤矸石的松铺厚度不超过30cm,摊铺宽度及长度分别不得低于100m。

图6　矸石渣整平、压实

4.4煤矸石填埋

煤矸石填埋有组织、有计划进行。根据填埋设计图先施工碾压临近下游堆矸坝的填埋区,再填筑内部填埋区。从排矸场底部开始向上逐层填筑,排矸场两边山坡交接处须接茬,但接茬部位应清除松散物,开挖宽度不小于1.5m的台阶,碾压并确保接茬部位不产生沉降裂缝。

碾压填筑区工作面应当平顺并倾向排水竖井,以利于及时排泄雨水,防止积水影响填筑质量。同一填筑区域的填筑面积过大时,可以划分成小区块进行填筑,但接茬部位应清除松散物,开挖宽度不小于1.0m的台阶,碾压并确保接茬部位压实系数符合设计要求。

堆储矸石时首先由排矸场下游向上游逐渐延伸,延伸坡面基本保持1∶30的表面流水坡度,当坡脚延伸到1＃竖井区时,改变矸石堆储坡面方向,继续向上游延伸,当接近2＃竖井约100m时,再改变坡面方向,继续向上游延伸至2＃竖井时,再次改变坡面方向并从上游向下游延伸,延伸坡面按设计坡度施工。

4.5土地再利用

当排矸场储存矸石达到设计高程后,在下游边坡顶部设置一条外侧坡度为1∶3,内侧坡度为1∶2,高度为5m,坝顶宽度为20m,长度按顶部两岸宽度确定的挡水堤,并按1.5%的坡度向排洪竖井整平顶面,在永久矸石填埋表面摊铺厚度不小于1.0m的黄土,植树种草进行绿化。

5　排矸场治理经济效果分析

陕西某煤矿煤矸石填埋消纳处理技术的应用,既解决了由于煤矸石堆放造成的占地问题,又取得了较好的生态效果,环境效益和经济效益兼得,其工程运行阶段现场如图7所示。排矸场治理的经济效果主要包括以下3个方面。

图7　工程运行阶段现场图

(1)环境效益。分层碾压可以防止煤矸石的自燃。通过治理使得该煤矿周边的生产、生活环境得到了有效的改善,避免了矿山环境问题的发生,生态得以修复,具有良好的环境效益。

(2)社会效益。通过选址对煤矸石进行固化填埋,节约了土地。工程的实施减少了煤矸石占地,保护耕地,减少水土流失,排除地质灾害隐患,土地利用效率明显。

(3)经济效益。煤矸石的填埋处理,可以减少和预防环境污染,做到节能减排,减少财产损失,消除安全风险。同时,减少了由于煤矸石堆放造成的环境问题后再治理的费用。

6　结论

将填埋消纳技术应用于陕西某煤矿的排矸场工程,有效解决了矸石山对环境造成的污染问题,同时节约了大量土地,也改善了当地的生态环境,具有显著的生态效益。实现了经济效益、社会效益和环境效益相统一。煤矿矸石填埋技术有较大的推广价值,可为类似地貌矿区提供借鉴。

参考文献:

[1] 马俊,郁钟铭,舒仕海等.煤矸石对矿区环境危害及治理措施[J].煤炭工程,2015(10)

[2] 武乐鹏.贺西煤矿矸石山的绿化治理[J].洁净煤技术,2015(6)

[3] 常允新,朱学顺,宋长斌等.煤矸石的危害与防治[J].中国地质灾害与防治学报,2001(2)

[4] 胡振琪,龙精华,王新静等.论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复[J].煤炭学报, 2015(8)

[5] 戚家忠,胡振琪,周锦华.高潜水位矿区煤矸石充填复垦对环境的影响[J].中国煤炭,2002(10)

[6] 周建民,党志,司徒等.大宝山矿区周围土壤重金属污染分布特征研究[J].农业环境科学学报, 2004(6)

(责任编辑孙英浩)

Technologyandapplicationofcoalganguelandfillinhillyandgullyarea

ZhangTinghui1,2,LiXiaogang2,HeWeizhong3,HaoYe2,HouHuaiyong2
(1.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,Ministry ofLandandResources,Xi＇an,Shaanxi710021,China; 2.ShaanxiTiandiGeologyCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710054,China; 3.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi＇an,Shaanxi710054,China)

AbstractInordertoreduceinfluenceofcoalgangueontheenvironmentofminingarea,the authorsanalyzedbenefitsofthatbystudyingtechnologyandapplicationofcoalganguelandfillin hillyandgullyarea.Theresultsshowedthatusingterrainconditionstobackfillcoalganguewas aneffectivewaytocomprehensivetreatmentminewastes,notonlyreducingenvironmentalproblemssuchascoalgangueopenairstacking,landoccupation,dustraisingandspontaneouscombustion,italsobenefitingforeconomicefficiencyandenvironmentalcosts,whichsettinganexampleandreferencesignificance.

Keywordscoalgangue,landfill,environmentalprotection,hillyandgullyarea

中图分类号X752 TD849.5

文献标识码A

基金项目:∗国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90210014)

作者简介:张廷会(1967－),男,陕西户县人,高级工程师,现从事水工环地质方面的研究工作。