煤矿矸石山综合治理方案的应用与研究

刘志永，蔺哲渊

（山西焦煤西山煤电集团设计院（有限公司），山西 太原 030024）

据统计山西省矸石山堆存量占全国总量的三分之一，大多数矸石山在堆置过程中采取的防止自燃措施不够或没有采取措施。矸石场长期裸露堆放，发热速度大于散热速度，造成热量积聚，最终导致自燃。在此过程中矸石山排放出CO、SO2、H2S 和NO2等有害气体，同时伴生大量烟尘。降雨后，矸石山雨水下渗，产生大量淋溶液，进入地下水，对当地水资源及土壤等生态环境造成极大的影响[1]。在环保和安全并重的新形势下，对煤矿矸石山进行综合治理，可以从根本上杜绝矸石堆放后期发生自燃和淋滤作用对大气环境、地下水资源和土壤的污染。

1 矿井概况

正利煤业生产能力2 000 kt/a，主要可采煤层为4-1号煤、4 号煤、7 号煤和9 号煤，均位于石炭系上统太原组，地层倾角为4°～10°。井田位于山西省吕梁山脉芦芽山南部丘陵区，属典型黄土梁峁地貌。地势南高北低，最低海拔1 148.2 m（岚河河谷），最高海拔1 354.2 m（井田西南角），一般标高+1 200～+1 300 m。井田中部的岚河属黄河流域汾河水系。汾河源于宁武管涔山，由东寨经静乐向南，在本井田东南注入汾河水库。

2 矸石山选址

原矸石山堆置区位于岚河南侧沟道，整体为自南向北产生汇水的季节性沟谷，与岚河河谷之间有地表分水岭相隔，最小直线距离约500 m，沿沟谷汇入岚河，长度约2.0 km，汇入汾河水库水源地一、二级保护区距离分别为12.5 km、4.7 km。

由于原矸石山堆置区临近汇水的季节性沟谷，该汇水流入岚河，并最终汇入汾河，影响岚河、汾河水库水源地水质，造成水资源和土壤的污染，故需要重新选择矸石山堆置区。

经过对矿区周边环境分析，拟选矸石山堆置区位于正利煤业工业场地西南侧2.5 km 处王家沟、陈家渠沟内。该场区长约3 942 m，沟宽20～200 m，深10～100 m，总占地约25.6 公顷，容积355 万m3。

正利煤业排矸量约389.6 kt/a，占地规模按三年考虑将堆置1 170 kt，封场标高为1 246 m；考虑对现有土地资源充分利用，可服务年限为12.4年，将堆置4 828 kt，封场标高为1 295 m。矸石山局部（1216 平台及1256 平台）地形见图1。

图1 矸石山1216 平台及1256 平台地形

3 矸石山综合治理总体方案

3.1 原矸石山堆置方式分析

正利煤业原矸石山主要采用分层自然堆置的方式，对矸石进行包被覆盖，并对其表层进行绿化。尽管该种堆置方式是目前煤矿最常采用的方法，但是经过近些年的实际应用，出现一系列问题[2]。

（1）由于采用自然堆置的方式，则矸石会从高处发生滚落，并且大小粒径不同的矸石就会在此过程当中发生自然分选的现象，其中粒径较小的矸石会留在矸石山上层，而粒径相对较大的矸石则会滚落到其下层。这就出现了矸石级配差现象，从而导致矸石之间空隙发育丰富，据不完全统计，其孔隙率可达18%～31%。

（2）松散矸石长期堆置时，其包被覆盖层会随矸石滚落、矸石山下沉而出现下滑，使得矸石再次暴露在空气当中，形成烟囱效应，此时矸石山具有再次复燃的安全隐患。

（3）松散矸石长期堆置时，随着矸石滚落以及矸石山下沉，矸石山每一级马道截排水系统和挡墙等刚性构筑物将会出现堵塞甚至被破坏，如遇降水量较大等情况，随着大量地表水的侵入，松散裸露的矸石山将会造成水资源和土壤的污染，并且矸石山还具有严重下沉甚至形成泥石流的安全隐患[3]。

3.2 矸石综合治理总体方案

以往矸石山不合理治理方案导致了自燃、下沉、泥石流等现象，前期自然堆填方法不科学及后期维护措施不利，导致投入大量人力、物力、财力，用于矸石山自燃、污水和泥石流等灾害治理，因此需要制定出一套科学合理的矸石山综合治理方案。

采用表层喷浆和深部土矸搅拌压密方案，防治矸石山堆放后期产生自燃，在表层覆土绿化，以此还原、优化生态环境。将被动治理方案转变为矸石山堆置过程中的主动综合治理方案，采取综合措施从源头上避免影响矸石山治理不利因素的出现，并在后期加强对矸石山治理的定期检查，及时发现治理问题、消除安全隐患，达到保证煤矿矸石山安全无隐患、绿色无污染的目的。

3.3 矸石堆置方案

（1）头道坝及第一级平台堆置

依据地形及地界资料，排矸场区设计拦矸坝顶标高+1 216 m，在坝体后部由里向外分层堆置矸石层、黄土层、土矸搅拌层、喷浆封闭、黄土碾压以及熟土覆盖等至+1 216 m 标高处。煤矸石进行碾压堆置，压实系数≥0.90，每碾压堆填厚度4.5 m，覆盖黄土0.5 m，压实系数≥0.93，以防止矸石山自燃隐患。堆填工程尾声，按设计进行土矸搅拌及喷浆封闭，用以生态恢复，形成第一级平台。

图2 矸石山治理后坡面

（2）构筑后续台阶

从挡墙位置向后退5.0 m，形成第一级马道，并以此为第二级平台的坡脚，由沟底向外按设计继续堆放，第二级及后续平台堆填高度为5.0 m，马道宽度为3.0 m，边坡坡度为1:1.5。依上述方式逐次修筑各级平台，形成阶梯状坡面，边坡坡体应安全稳定，并采用柔性护坡、生态治理方案，以有效应对不均匀沉降，防止雨水冲刷。矸石山治理后坡面见图2。

按长期运营考虑，场地封场标高为+1295 m，最终形成1295 大平台，平台面积196 200 m2，约合295 亩。全场共计15 阶护坡，4 个平台（1216 平台、1256 平台、1280 平台、1295 平台），13 条马道。各平台沿周边布置排水沟，通过每阶护坡、平台及初级坝边引向坝前消能池，消能池可以减少汇水对下游沟道的冲刷，长宽均为10 m，深度为1.5 m；顶部平台外侧及每阶护坡脚边横向排水沟引向纵向排水沟。

（3）土矸搅拌及喷浆封闭

堆填工程尾声，在设计坡面线垂直向内3 m 范围内采用土矸搅拌土矸体积比例3∶7 进行堆填，并在形成的矸石坡面采用粉煤灰或黄土、水泥按体积比例为2∶1 进行充分混合，再将混合物与水搅拌制成浓度为15%～20%的惰性喷浆材料进行喷射封闭，现场以粉煤灰浆液不再下渗为准，达到充填表层孔隙、阻隔空气的效果。完成后在马道及坡面覆盖0.5 m 厚黄土，辗压覆盖，形成对整个矸石山的包被，之后在覆土包被上覆盖0.3 m 厚熟土，用以生态恢复[4]。

3.4 排水系统

排水系统是由平台截水、马道柔性排水（横向排水沟）、坡面刚性排水（急流槽）构成的立体排水系统。马道柔性排水沟见图3。

图3 马道柔性排水沟

坡面刚性排水沟见图4。

图4 坡面刚性排水沟

3.5 监测系统

将正利煤业矸石山治理区边界范围作为本次监测网布置范围，主要包括边坡监测、支挡工程监测、排水工程监测等方面。由于矸石区地形条件相对简单，通视条件较好。观测点上水平位移的观测，采用三方向交会的测角前方交会法、测距导线法、两方向的测角测边两测线交点法以及测线支距法。由于不稳定斜坡区高差较大，沉降量的观测采用几何水准测量方法工作量太大，故沉降量观测采用电磁波测距三角高程测量的方法确定[5]。

4 工程效果分析

2018年8月份，正利煤业矸石山综合治理工程完工后，对其开始进行监测。到2020年1月为止，监测结果显示矸石山治理工程平台及坡面完好未被破坏，矸石山未发生自燃现象。矸石山4 个平台竖直方向2018年8月与2020年1月高差对比情况见表1。

表1 治理前后矸石山四个平台竖直方向沉降量对比情况

5 结语

监测系统数据显示治理前后矸石山四个平台沉降量基本稳定在0.2 m 左右，表明该此煤矿矸石山综合治理工程项目取得良好的技术效果，有效地解决了矸石山堆置对土壤、地表水和地下水的污染以及发生自燃隐患的实际问题。