宁东煤炭基地煤矸石山治理技术现状与问题

兰 华，杨朔鹏

（1.宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏银川 750001； 2.宁夏回族自治区国土资源调查监测院，宁夏银川 750001）

宁东煤炭基地位于宁夏银川东部，蕴含丰富的煤炭资源，位居全国十三个大型煤炭基地前列。整个煤田被划分为八个勘探区，七对井田。其已探明煤炭储量约295.08亿t，占宁夏已探明煤炭资源量315亿t的93.7%，占宁夏远景储量2 027亿t的14.5%[1]。庞大的资源储量给宁夏地方经济快速增长提供了重要保障，但同时伴随着煤炭资源的开采所引发出的环境问题，如煤矸石堆积、采空区塌陷、矿井水排放等，也逐渐成为制约煤炭企业高质量发展的重要因素。其中，煤矸石山治理问题近年来引起了地方政府和煤炭企业的高度重视。

1 煤矸石山环境影响

1.1 对土地资源的影响

煤矸石是采煤和煤炭洗选过程中产生的主要固体排弃物，其综合排放量约占原煤产量的15%~20%[2]。除少量煤矸石被用于发电外，大部分都作为固体废弃物进行堆积排放。堆放位置多是在矿区周边相对低洼区域进行征地，然后利用汽车将煤矸石拉至堆积地点进行倾倒。

但随着时间的推移和采煤量逐年增多，煤矸石产量也日渐增多，矿区周边可供堆积区域远不能满足煤矸石的排放需求，进而需要占用更远地方的土地资源。

1.2 对水土资源的影响

煤矸石在堆积过程中，会发生各种物理和化学变化，其释放的有毒有害物质和重金属等会给矿区及周边水土资源造成污染。雨季，煤矸石中的有害成分会在雨水流经煤矸石山时随其一并渗透到地下，污染水土环境，这直接影响到了矿区职工和周边居民的身体健康和正常生活[3]。有毒有害物质和重金属等的长期积累会对矿区及周边环境造成不可逆转的危害。

1.3 对大气环境的影响

西北地区大风频繁，外排的煤矸石大多堆积在各矿周边排矸场，处置方式基本都是在煤矸石山表层进行覆土后播撒草籽。长时间的风吹日晒和雨水冲蚀，覆盖土极容易被吹散而使煤矸石外漏，裸露的煤矸石在风化作用下就会变成粉尘颗粒，加之风力作用便会产生扬尘，严重地影响了矿区及周边地区大气环境 质量。

同时，部分煤矸石山还存在自燃现象。煤矸石自燃时会产生大量的有毒有害气体，如CO、CO2、H2S 和SO2等，对矿区职工及周边居民身体健康带来极大危害。

2 煤矸石山实例[4]

2.1 概述

羊场湾煤矿行政区划属宁夏回族自治区灵武市宁东镇和马家滩镇管辖，治理一分区煤矸石山位于主工业场地西南侧1.5km塌陷区，为一处在用煤矸石排矸场。煤矸石经汽车运输至此，推土机堆积形成一级平台，平台顶部和坡脚相对高差约23m。煤矸石堆积形成的斜坡坡度为28°~39°，局部斜坡地段已出现滑坡、崩塌等现象，坡顶多处可见裂缝，空气中可闻及硫磺气味（图1、图2）。

图1 煤矸石山堆积现状

图2 煤矸石山局部自燃

2.2 煤矸石山主要地质环境问题

2.2.1 土地资源的占用和破坏

一分区煤矸石山呈不规则形状展布，南北长210~520m，东西宽360~520m，体积约310.8万m3。煤矸石山顶部及堆积体斜坡基本无植被生长，仅局部覆土区域有少量植物生长。煤矸石山在堆存过程中，随着表面水分逐渐蒸发，遇到大风天气时，无论任何方向风起，都能造成风蚀扬尘，成为粉尘的策源地之一。调查统计，一分区煤矸石山对土地资源破坏总面积约18.55hm2。

2.2.2 地形地貌景观破坏

煤矸石山堆积体不仅压占和破坏土地资源，同时还破坏了矿区附近的地貌景观。煤矸石集中堆放在井田塌陷区，长期弃矸导致地面凸起成山状，整体色调与周围景观极不协调，局部地段甚至遮挡视线，严重破坏了原有地形地貌。

2.2.3 堆积体不稳定斜坡

煤矸石山的排弃物料主要为煤矸石，局部区域为泥岩、砂岩和煤矸石的混合物。煤矸石块径一般在3~5cm，局部可达10cm，空隙较发育，结构呈松散~稍密状态，渗透性能好。煤矸石堆积体斜坡坡度平均约35°，局部边坡地段已经出现滑坡、崩塌等不良地质现象。经计算分析，煤矸石堆积体在坡体自重+暴雨工况条件下治理前稳定性系数均小于1.2，在暴雨或持续降雨作用下处于欠稳定状态。暴雨形成流水从坡面和切坡裂缝中大量渗入坡体内，使切坡加速滑移，并不断向后扩展，极易发生滑动破坏。

3 煤矸石山治理技术现状

对煤矸石山实施治理工程，在一定程度上能解决小区域内采煤历史遗留地质环境问题，能有效消除煤矸石山堆积体边坡存在的地质灾害隐患，达到煤矸石边坡的安全稳定，遏制环境污染加剧，防止次生灾害的蔓延，使人居环境得到改善。在此基础上逐步恢复和重建矿山生态环境，在矿产资源得到充分利用的前提下，达到人与自然和谐共生。通过对宁东煤炭基地各矿煤矸石山实地踏勘调查研究，本着“因地制宜、近自然整理”的原则，有针对性地提出了以下煤矸石山治理技术方案。

3.1 自燃灭火

因宁东煤炭基地煤矸石山自燃程度和范围较小，因此常采用直接挖出法、注浆法和表面密封压实法进行自燃煤矸石山灭火。

直接挖出法适用于初燃的煤矸石山，它是利用机器或高压水枪，挖出着火矸石和热矸石，用水冷或让其自然冷却后再回填或重新堆积。

注浆法包括煤矸石山表面喷浆、挖沟灌注和钻孔注浆。它是将黄土、粉煤灰、电石渣和石灰等注浆材料按照一定比例配成浆液直接喷洒或注入自燃区，利用其流动性和扩散效应对煤矸石山内部空隙进行填充，降低空隙率，减小煤矸石颗粒比表面积，达到隔绝氧气、降低矸石山内部温度和减小自燃倾向性的 目的[5]。

表面密封压实法是在煤矸石山表面铺土、压实，隔绝空气进路，使煤矸石山内部空气消耗殆尽后熄灭。对于新建煤矸石排矸场可采用分层堆放煤矸石、分层覆土并压实的方式超前预防煤矸石自燃。

3.2 削坡整形

通过对宁东煤炭基地各矿调查研究，煤矸石山堆积体斜坡坡度在30°左右时稳定性最佳。故在斜坡区域治理过程中原则按照台阶坡面角30°（高宽比1 ∶1.75），每垂高升高5m，设置一级3~5m宽分级马道对煤矸石山进行削坡整形，实现坡体稳定。而平台区域，在内消掉斜坡区域削方矸石的基础上根据设计标高进行适当平整，平整原则“平台边缘略高于中部”。

3.3 覆土平整

对削坡整形后的煤矸石山顶部平台、马道及四周斜坡面进行覆土、平整。覆土分为两层：第一层用于隔离，厚度不小于200mm，黏土为宜；第二层为种植土，厚度及土质以满足生态修复要求为准。针对宁东地区土质及土源条件，选择黄土作为绿化种植土，由煤炭企业进行征地和外购获得，种植土覆土厚度500~1 000mm。同时，为提高斜坡区域稳定性，在斜坡区域采取扎设草方格方式进行固土。

3.4 辅助设施

3.4.1 挡矸设计

根据现状煤矸石山自然地形条件，设计挡矸墙沿煤矸石山边界布置。挡矸墙可采用重力式浆砌片石结构或采用扶壁式钢筋混凝土结构，以提高煤矸石山坡体安全防护。

3.4.2 排水设计

为防止短时强降雨对煤矸石山坡体冲刷、渗透影响坡体稳定，分别在煤矸石山治理边界（挡矸墙外侧）、顶部平台、马道平台设置横向排水沟；沿煤矸石山坡面设置纵向导流渠，用于排泄横向排水沟汇集的雨水。排水设施的结构、材质及尺寸根据煤炭企业实际情况设计。

3.4.3 地下水监测井

按照环保部门及国家有关煤矸石场封场治理规范要求，需在煤矸石山所在位置的上游、下游及周边各布置一眼地下水监测井，用于对煤矸石淋溶液影响地下水情况进行监测。

3.5 绿化恢复

宁东煤炭基地绿化恢复以生态绿化为主，植物配置选用耐旱、耐盐碱、抗逆性强且价格相对便宜的乡土树种为主。将乔木、灌木和播种植物相结合，通过植物形态、色彩、季相的变化，使绿地有良好的生态景观效果，从而形成相对稳定的植物群落。

经调查以及询问宁夏当地的沙漠植物专家，本地区主要有以下耐旱、耐盐碱植物品种可供选择：乔木类主要有樟子松、新疆杨、侧柏等；灌木类有柠条、紫穗槐、花棒、刺玫、沙冠枣等；地被草籽可选择沙打旺、草苜蓿等。通过科学、合理的设计，在保证植物成活率的同时，提升煤矸石山及周边景观品质，实现生态绿化的目标（图3）。

图3 经治理后的煤矸石山

通过以上现有治理技术方案的实施，宁东煤炭基地各矿煤矸石山治理取得了一定成果。在这过程中煤炭企业付出了相当大的人力、物力和财力，从治理成果反思设计方案让煤炭企业清醒地认识到了在煤矸石山治理技术上还存在一些缺陷和亟须解决的问题。

4 煤矸石山治理技术问题

1）现状煤矸石山多采用覆土掩盖和植被恢复的方式进行治理。对于煤矸石综合再利用技术的探索还不够深入，虽然个别企业建立了矸石发电厂，但在煤矸石用于矿井采空区和道路工程回填材料、生产建筑原材料（水泥、新型砖）、制造特殊肥料及制陶等方面宁东地区还没有先例。随着煤炭开采量日益增加及环保要求日趋严格，未来煤矸石排放场地和由煤矸石外排而引发的环境问题等仍是困扰煤炭企业高质量发展的重要因素和亟须解决的问题。

2）煤矸石山治理无论是土建工程还是绿化工程，需要投入的治理成本远高于堆积煤矸石本身的价值。所以需在治理方案的经济性方面深入研究，找寻新技术、新方法以达到既能符合生态修复要求又不给企业造成过重经济负担的双赢目标。

3）目前宁东煤炭基地煤矸石山治理方案设计时虽已考虑了复绿植被的立地条件、生长习性和种类搭配，但因治理方案实施年限较短，尚未有成功经验可借鉴，所以治理效果能否达到预期目标暂不可知。是否存在后期还需要追加投入的情况已成为困扰企业的又一难题。