云岗矿矸石山生态恢复综合治理的研究

石慧娟

(同煤集团云冈矿基本建设科，山西 大同 037017）

云岗矿隶属于大同煤矿集团，是我国自行设计施工的现代化大型矿井。一期、二期合计生产能力为480万t/a。云岗矿从开采之初就非常重视煤矿的环境和生态保护，多年来在矸石山综合治理方面投入了大量的人力、物力和财力，煤矿也多次被评为“国家级绿色矿山”。下面就云岗矿矸石山生态恢复综合治理内容和经验进行分析研究。

1 矸石山现状与环境影响

1.1 矸石山现状

大同煤矿集团共有矸石山及相应的处理场共56座，其中矸石山有2座。第1座矸石山占地面积约17万m2，目前累计共堆放矸石850多万吨；第2座矸石山位于大南沟，占地面积33.5万m2，已存放矸石400多万吨，当前堆放面积达12.33万m2，年排矸量达100多万吨。

1.2 环境影响

煤矸石是在煤矿开采中排放的固体废弃物，同时其含有残煤、碳质泥岩等低热值燃料，如果放任集中堆放在高压氧化条件下会发生自燃现象，造成火灾。燃烧中产生的CO、H2S等有害气体给煤矿周边的水、空气、土壤带来了污染。煤矸石长期在雨水当中侵泡，重金属元素也会通过溶解进入到水体和土壤中，造成环境污染。据煤矿环保科调查统计，职工和周边村民的气管病、气喘病病例和发病频率在增加，同时还发生了矸石山自燃、滑坡、坍塌等安全事故。根据同煤集团的统一部署，必须加强云岗矿矸石山生态恢复综合治理工作，本次治理的方案路线主要是：灭火→治理→绿化→生态恢复。

2 生态恢复综合治理设计原则及规划

对于云岗矿矸石山的治理设计原则如下：从山体稳定→到灭火→到植物群落向森林方向演替，最后可以形成一个相对稳定的，同时可以兼顾到矸石山的景观效果，灭火、生态修复与山体稳定三者相结合。在煤矿建井和生产过程中已堆积成的煤矸石山上，通过规划、设计科学合理的水土保持工程，防治水土流失，为植物创造良好的生长发育条件；以治理、改善和保护环境为目的，以植物生态习性为基础，选择适应性强、生长良好的树种和草种进行造林绿化，改善生态环境，形成稳定的生态系统，恢复土地的生产能力；同时充分重视工业景观形成的环境特点，合理配置相应的园林小品，达到景观效果。

3 矸石山灭火方案的设计

技术人员根据矸石山自燃和蔓延机理研究成果，结合大同煤矿集团灭火工程实践，深入研究了自燃矸石山灭火理论，开发了自燃矸石山深部注浆灭火技术及装备，形成了高效、适用的矸石山灭火工程技术体系。

灭火方案内容为：

（1）探测测点布置。研石山施工前采用MS+红外测温仪、多参数气体检测仪进行火源探测，布置方案见图1（a）所示。当矸石山顶平整后调整测点布置，主要是采用AFTX型温度变送器，通过钻孔的方式进行测量，布置方案见图1（b）所示。

图1 云岗矿矸石山探测测点布置

（2）注浆灭火技术施工。本次施工中注浆钻孔采用正三角或菱形方式进行布置，孔间距为3m，深度为5m，具体可见图2（a）所示。同时对钻孔进行套管处理，套管前段1m为花管，在花管管壁上附有直径10mm的小孔，可见图2（b）示意图，目的在于防止注浆过程中造成塌孔现象。

利用改进后的注浆灭火技术，可以有效地对矸石山的测试进行测量。同时在8个月时间内扑灭3次矸石山火灾，灭火效果显著。注浆后第3d温度明显下降，9d内火区温度由500℃下降到灭火设计要求的100℃以下。

图2 灭火注浆钻孔布置示意图

4 护坡工程方案设计

4.1 排水沟工程

为了保证雨季汛期“云岗矿矸石山生态恢复综合治理”项目的成效，同时也基于对工程的施工和养护管理，对该矸石山的排水系统设计为三级排水。第一，坡面和台面的径流汇入各平台内侧的抛物线形草沟；第二，由草沟汇入沿道路设置的梯形断面排水沟；第三，梯形断面排水沟汇入山下污水处理厂进行处理。

（1）草沟。沿等高线在每个平台内侧修筑草沟，草沟即一种在沟内种植草类以防治土壤冲蚀又维护景观的土筑沟。沟底要有一定的坡降，此处取1/500。

（2）梯形浆砌石排水沟。沿道路修筑浆砌石排水沟。排水沟衬砌材料用混凝土，断面形状为梯形，尺寸大小见表1所列。

表1 排水沟规格设计结果表

4.2 护坡措施

根据本次矸石山生态恢复综合治理规划区域地形地貌现场测量结果，坡面容易被降水侵蚀和冲刷，且此区域所覆云岗矿区生态建设实践土为板结黏质土，因此抗蚀、抗冲的能力都非常之差，必须要加强相应的护坡措施处理，增加抗蚀、抗冲的能力。主要设计了二套方案。

方案一：“自由梁”格内种草。自由梁属于固定框的一种，是以水泥、三角铁等材料制成框架，安装于坡面上以利于客土种草，此设计本着美化原则，选用三角铁。方法为：将坡面整理后，于坡面中央，以坡肩为基准线，沿基准线垂直方向，每隔1.2m设置锚钉一排，锚钉深度一般为50cm，各排锚钉呈水平，锚钉应沿坡面垂直方向打入土层，锚钉与锚钉之间焊接三角铁框架，框架长1m，宽3cm，框架中客土种草。坡面凹凸较大时，与框接触处需略加整理，使之与框紧密接合。

方案二：沿等高线打桩编栅。打桩编栅是依适当距离打木桩，并以竹片、荆条、铁丝网等材料编制成栅栏，固定土石给植物一个有利的生长环境。从实践效果来看，设定每排木桩距离为2～3m，桩距以30～50cm为宜。施工前必须清除杂物，必要时构筑截水沟。使用人工材料编栅应考虑景观效果。打桩时应自坡面下方开始，向上方推展。打桩编栅后需将地面稍加整平或填充客土。

4.3 土壤改良方案

本次综合治理区域所覆土来源于矿区周围氧化塘的黏土，土壤偏碱性，通气性不良，收缩性、膨胀性强，影响植物呼吸，容易造成生理干旱，需要进行土壤改良，改良方案如下。方案一：植草带内覆10～15cm薄层熟土。方案二：乔、灌带筐或蒲包栽植，用熟土及适量有机肥。

4.4 灌溉系统布设

考虑到本次综合治理的区域周边水源充足，因此在山脚下设计水泵提水，采用钢管引水上山，再从每个平台引出支管后接塑料管进行平台及坡面灌溉。

5 生态修复方案

5.1 坡面绿化设计

坡面造林按坡向分三个区。一区（西坡、北坡）植物配置。乔木：臭椿、火炬树；常青针叶树：桧柏；灌木：沙棘；地被：苜蓿、铺地柏。二区（西南坡、南坡）植物配置。乔木：刺槐、白蜡、合欢；常青树：侧柏、翠兰柏、蜀桧；灌木：紫穗槐、小檗；地被：狗牙根、高羊茅、苜蓿。三区（东南坡）植物配置。乔木：加杨、旱柳、山楂；常青树：桧柏、沙地柏；灌木：红瑞木、棣棠、大叶黄杨；地被：崂峪苔草。

5.2 台地绿化设计

为防治水土流失，每个平台内侧设草沟与路边排水沟相通。台地修整为反坡状，外高里低，坡度2°。四区（一号山顶平台）建草亭一座，地面采用蓝色、白色鹅卵石铺装成“枯水河”，亭旁建风景树池一个，种赤松或华山松作为“迎客松”，配乔木国槐和合欢。台地周边种迎春，形成绿色瀑布。五区（二号环形平台）南半部环修小路一条，路内侧修排水沟，小路旁种行道树合欢，配大叶黄杨，绿篱。北半部环状丛植丁香、榆叶梅、紫荆。六区（三号扇形平台）在较宽扇面处建小广场，沿曲线建6个树池，种国槐配绿篱，并在平台边缘建挡墙，挡墙下种藤本月季。广场周边种火炬树、刺槐、白蜡，形成绿树环抱景观。七区（窄半圆环带）为封闭式林带，种女贞、臭椿、白蜡、连翘、紫荆、迎春。八区（外围环带）为封闭式林带，种垂柳、女贞，形成绿色环带。上山道路入口处立黑色墨玉石一块，配沙地柏、圆柏，凸显矸石山绿化主题。

6 矸石山治理工程的效益分析

6.1 生态效益分析

云岗矿矸石山生态恢复综合治理方案实施1年后，治理效果良好。该生态恢复治理方案通过增加植被、改善土壤性状有效地降低了矸石山场区周边的粉尘浓度，同时检测的有害气体浓度数据表明，该方案能够抑制CO等有害气体的扩散。通过增加植被等措施有效地减少地表径流，防治水流失。生态恢复综合治理措施基本达到了方案的期望值，同时也希望继续努力，能将矸石山治理率提高到99%。

6.2 社会效益分析

该设计措施有效地改善了矿区及周边的生活环境，对于保障煤矿职工和周边群众的身体健康起到了重要的作用。同时减少了水土资源的的流失和破坏，实现了人与自然和谐相处的目的，使得煤矿开采能实现可持续性发展。