矿山矸石生态环境恢复治理示范工程技术要点
李晓利 杨文 刘伟
摘?要：大同李家窑矿山生态环境恢复治理项目，是大同地区首批开展的煤矸石矿山治理试点工程。工程需要面对矸石的自燃隐患，消矸护坡存在的不稳定渗水性及绿化植被土壤覆盖封闭等技术难题，通过对矸石清运，矸石堆放，边坡覆土，排矸道路，排水沟和绿化工程的技术研究，摸索彻底实现煤矸石等固体废弃物无害化处理的实施方案。最终通过治理技术研究，总结成果，形成矸石场环境治理工程的施工工法，为山西省大量的矸石治理和生态恢复提供技术示范，为同类工程的质量控制和造价清单组成以及竣工验收提供试验依据。
关键词：煤矸石，生态环境恢复治理，自燃，示范
文章编号：2095-4085（2020）02-0080-04
1?项目概况
1.1?本次矿山生态环境恢复治理的设计原理
经过多年开采的煤矿，基本上都是煤矸石堆积如山。矸石山不但占用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物会污染大气和水源，造成严重的后果，其中所含的含铁物质易被缓慢氧化，放出大量热量可以促使煤矸石自燃，并且普遍存在溃坝，塌方等地质灾害隐患。
据有关媒体报道过，山西省有24%左右的国土面积为“采空区”，采空区的形成，除了被消耗掉的煤炭，还有就是大量的地面煤矸石。全省的矸石治理和生态恢复，已经形成数百亿元的巨大市场。其中，大同地区就是典型的代表性地区。
本次矿山生态环境恢复治理试点示范工程，大同李家窑矿山生态环境恢复治理项目，是大同地区首批开展的煤矸石矿山治理试点工程。根据该项目可研报告和批复内容，将矿区内7个原有矸石场矸石清运至黄家山新建矸石场内，并进行规范化集中堆置和封闭处理。黄家山新建矸石场选址在一座空旷山谷，需要用卡车将矸石运送到现场后逐层倾倒，再用推土机把矸石推平，每堆放一定厚度矸石层充分碾压密实，有效防治矸石沉陷。在各层矸石层间，覆盖一层一定厚度的密实黄土，使层间隔绝空气，预防由于矸石内部热量积聚，未来可能引起矸石自燃。
1.2?工程体量和治理目标
七个原有矸石场总共需要清运的存量矸石大约800000m3，将它们集中堆置在黄家山新建矸石场后，为避免次生地质灾害和为恢复环境生态创造条件，还需要建设谷底部的排洪涵管，堆场四周拦洪坝，拦矸坝，分区坝和上游的消力池等配套构筑物，达到新建绿化植被把矸石场被永久覆盖的最终目的。
堆场边坡每堆高一定高度，造一个马道的“台阶”平台，内侧修建横向的硬化防渗排水支沟，整个矸石场周围修建竖向的硬化排水防渗主沟，防止坡面汇水冲刷造成黄土流失。
矸石场坡面形成不小于1 ∶2.0的永久坡度，杜绝长时间表面积水可能带来的局部下陷，如果形成分散空洞，就会有将矸石层暴露在空气富氧环境的严重后果。
平整压实后的矸石场表面，再填厚度较大黄土封层，在黄土封层上摊铺相对松散的种植土，进行绿化栽植。隐蔽矸石，形成绿化环境才是本次生态恢复的最终目标。
待运矸、堆载和绿化工程完成以后，将临时道路和“台阶”平台按照普通道路进行修建，为将来的维护和运输创造条件。原有矸石场的矸石清除治理后，对原表面采取填土和绿化植被恢复措施。原来铺天盖地的矸石山，完全变成缓坡的绿地，本次的生态恢复治理才算完成。
2?工程难点和关键点的处理策略
2.1?煤矸石分层处理（图1，2）
煤矸石表面粘附着一定量的煤，内部夹杂低含量的煤是正常情况，所以存在一定的可燃性。煤矸石在含水量较高时，强度降低明显，导致容易变形，稳定性非常差，因此每层矸石的厚度不宜过大。
设计要求“通过过试验指导施工分层厚度”。所以压实后的矸石层需要通过进行现场重型标准击实试验，含水量试验，液塑限试验等，其试验的方法和土工试验方法相同，委托有资质的第三方进行试验，并出具试验报告。
最后将每层的煤矸石最大厚度确定在1.0m之内。为保证煤矸石的压实度，我们将大于200mm的矸石块进行破碎处理。可能是因为多年积压造成矸石层含水量太大，体量大到无法晾晒处理。五个月以来，通过人工压实和压路机压实处理，矸石层压实度试验的最大值只能达到93%左右，最终确定92%为压实度合格标准。压实时，压路机选用30t的滚筒式振动压路机，静压2遍后再强振不少于2～3遍，使较大块状的煤矸石基本上完全能破碎后达到压实效果。在晴朗干燥的天气条件下，压实过程中要喷洒适当的水，喷湿程度以不扬尘起灰的潮湿程度为准，洒水应该在碾压前1～2h完成。碾压直到表面无明显轮迹，不出现松散和软弹等现象，达到表面光洁密实，形成板体的标准。
2.2?黄土封（夹）层的处理（图3，4）
矸石始终是属于比较酥松的物质，将细粒黄土夹层处于矸石分层之间，起到分隔和封闭矸石层的作用，降低矸石层的空气含量，确保矸石层不会形成缓慢氧化的条件。
黄家山矸石场周围黄土丰富，取土条件很好，运距全部都不超过800m。这些黄土属于细粒式原土，湿陷性虽然不大，但为防止流失和保证作为“封层”结构的黄土，必须采用重型机械压实处理。
为确保黄土不会湿陷，矸石层的洒水量要控制得当，不能浸泡下层黄土隔离（封）层，不给黄土可能的湿陷提供任何条件。从去年3月份开工以来，经历了两个雨季，目前没有任何明显的沉降发生！
我们将黄土层的厚度控制在不小于300mm，压实度一直在95%以上，填实了矸石表层的缝隙，这样就能保证矸石层之间不会有任何接触。
2.3?绿化种植（图5～7）
為了确保对矸石层的永久性覆盖，我们在新矸石场修筑完成后的最上层的封层，厚度达到1000mm，压实度达到95%，确保覆盖严实，另一方面，为了保持黄土表层的稳定性和种植需要，我们再在最上层黄土封层上面覆盖了1200mm的种植土层，堆载后用挖掘机进行机械摊铺，摊铺的厚度最小处不小于1200mm，完全满足种植的要求。
植被恢复的坡面上采用灌草混交的方式进行绿化，灌木选择紫穗槐，草类选择紫花苜蓿。马道及平合上采用乔草混交的方式进行绿化，乔木选择刺槐，草类选择紫花苜蓿。
栽植主要以今年的4～6月春季和8月的初秋为主，由于该矿区造林地的立地条件差，所以要求栽前浇足坐窝水，栽后立即浇一次透水，埋土覆盖拍实。针叶树大苗全部带原土坨栽植，土球直径不小于冠径的1/3，栽前对苗木进行分级，栽种时对根部采用施撒“根宝”保水剂等技术措施。
2.4?完善排水设施（图8～10）
对于这种人造土石构造，避免水土流失是十分必要的，也是最重要有效的保障措施。
在新建矸石场的原有山谷底部，采用双排φ2000厚壁的钢筋混凝土管涵，满足当地百年不遇洪水的泄洪能力，在新建矸石场绿化后的场地内，采用的纵横贯通的排水沟有组织解决地表水的排放，防止大量积水的渗透破坏。
在每层的马道平台里侧，设置坡度不小于3%的横向排水支沟，汇流后流入两侧竖向的主边沟，边沟坡度顺矸石场坡向设置，横纵向排水沟与排水边沟顶部平接。
排水边沟及横向排水沟的地基夯实后，每隔25m要设置30mm宽度的变形縫，变形缝里夹30mm后的挤塑聚苯板，表面再用30mm～50mm厚度的改性沥青防水膏进行防水密封。
在所有排水沟的内側表面，统一采用1 ∶2水泥砂浆分次抹面处理，抹面厚度不小于20mm厚，避免排水沟在过水过程中产生渗漏，留下塌陷隐患。
3?施工过程的注意事项
（1）对于在7个旧的矸石堆场和新建堆场之间的交通道路，按照一般乡村道路修筑，没有特别的不同技术，在这里不再进行赘述。
（2）本次施工，延续约两年时间，期间经历了两个雨季。这种矸石山的治理期间，交通运输条件和材料条件都极易受天气影响，特别是雨天。道路被中雨冲刷容易造成沟壑，造成交通中断，所以小到中雨天气必须停工撤离施工人員。原有的矸石堆场比较松散，在矸石山的挖除移运时，要有防止坍塌的措施。
（3）黄土取土场要有序有规划地进行取土，取土后的土坡也要进行绿化恢复和覆盖，保证没有水土流失的隐忧。
4?矸石生态环境恢复治理工程试点总结
本工程因为关键工序把握得好，基本都是一次成优的完成，质量成品获得各方好评。
两年以来，该试点工程的安全，质量管理一直得到建设和监理单位的高度赞扬，特别是工程完工后，彻底消灭了李家窑煤矿十几年以来形成的七座矸石山，变成了绿意盎然的的风景。该试点工程成功以后，建设单位主动将二期的其他配套工程交由我公司施工。
本工程基本没有质量返工情况，成本控制按照策划执行，该示范工程的经济和社会的效益都取得理想成果。这样的结果，更利于推动省内大量的矸石场环境治理生态恢复工程的实施，也为该类工程提供了技术借鉴。
在开始施工阶段，当地年纪较大的几位村民多次进行各种阻挠，我们也多次通过派出所进行说服和调解，甚至对个别根本不听劝阻的村民采取过拘留留置处理。
在绿化种植阶段，我们也雇请当地村民参与该工程，那时他们的态度很快就缓和了，待我们将7个原来的矸石山彻底变成绿色的"草原"后，当地所有村民们多次来参观，帮忙，通过各种方式表达他们的"感谢"之情。
参考文献：
[1]GB/T50123-2019，土工试验方法标准[S].
[2]HJ 652-2013，环境保护部科技标准司《矿山生态环境保护与恢复治理方案（规划）编制规范（试行）》[S].
