煤矸石是成煤過(guò)程中與煤伴生的質(zhì)地堅(jiān)硬、含碳率低的一種巖石，是采煤和洗煤過(guò)程中產(chǎn)生和排放的固體廢棄物。煤矸石是礦區(qū)污染最為嚴(yán)重的污染物，由于資源化利用程度不夠，造成了大量煤矸石長(zhǎng)期堆存，不僅破壞和占用了大量的土地資源，也帶來(lái)諸如土壤及周邊水體環(huán)境質(zhì)量下降、生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)退化和景觀環(huán)境破壞等一系列的生態(tài)環(huán)境問題，加劇了礦區(qū)人地矛盾。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤矸石環(huán)境影響方面的研究主要集中在煤矸石對(duì)周圍尾礦、土壤和地下水的污染、煤矸石風(fēng)化土壤的重金屬污染及土壤微生物特性等方面，對(duì)煤矸石的治理研究主要集中在資源綜合利用、復(fù)墾綠化和覆蓋填埋等方面，對(duì)采用填埋消納技術(shù)處理煤礦矸石山的環(huán)境污染問題的研究較少。本文以陜西某煤礦為研究對(duì)象，在綜合分析周邊地形條件和地理環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例探討分析了填埋消納技術(shù)在該礦矸石回填中的應(yīng)用。

1 煤矸石綜合治理措施

煤矸石是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的主要廢棄物，傳統(tǒng)的方式是直接排至地面。大量的煤矸石長(zhǎng)期裸露，污染大氣環(huán)境、土壤和水源，危害人體健康，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。作為排放量最大的工業(yè)固體廢物，煤矸石的處理尤為重要。目前，我國(guó)煤矸石的治理措施主要有覆蓋填埋、復(fù)墾綠化和資源綜合利用等方面。煤矸石在充填塌陷區(qū)、鋪填路基、水土保持和作物種植等技術(shù)上也已經(jīng)有了較大的發(fā)展。

1.1 復(fù)墾綠化

復(fù)墾綠化主要針對(duì)已經(jīng)閉坑的成型煤矸石山治理，是一種生態(tài)修復(fù)的方法。煤矸石堆積過(guò)程中已經(jīng)對(duì)環(huán)境、水源和空氣等造成危害，治理需要投入大量的資金。煤矸石經(jīng)風(fēng)化后孔隙率逐漸變小、密度逐漸提高，具備一定的保水能力，可為植物生長(zhǎng)提供水分，成為植物生長(zhǎng)的介質(zhì)。植物綠化生長(zhǎng)在改變煤矸石風(fēng)化物的物理性狀的同時(shí)，還可以大量吸收其釋放的有毒有害物質(zhì)，對(duì)土壤起到凈化作用。

1.2 資源化利用

煤矸石具有廢渣和資源雙重屬性。根據(jù)煤矸石化學(xué)成分和礦物組成的特點(diǎn)，有些地方作為高附加值產(chǎn)品的原料而加以利用。煤矸石兼有煤、巖石和化工原料的性質(zhì)，具有發(fā)電、生產(chǎn)建材及其制品、生產(chǎn)肥料或改善土壤等用途。煤矸石的資源綜合利用在改善礦區(qū)環(huán)境、節(jié)約占地方面已經(jīng)做了很多探索，對(duì)于構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)可以起到積極的推動(dòng)作用。

1.3填埋消納

煤矸石填埋是煤矸石綜合利用的重要途徑之一。根據(jù)礦井所處位置的地形地貌特征，在可行性研究階段結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和水土保持方案編制等工作提出煤矸石處理方案，是一種煤矸石對(duì)環(huán)境危害的事前控制措施。但目前礦山對(duì)煤矸石進(jìn)行同步填埋處理尚不多見。

煤矸石的填埋消納首先要選址，在礦區(qū)附近選擇合適的溝壑，綜合溝谷匯水面積、植被發(fā)育、有效容積、氣象條件、土地利用和環(huán)境保護(hù)等多種因素優(yōu)化選定，可以與礦井設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)階段同步進(jìn)行，符合國(guó)家環(huán)境保護(hù)“三同時(shí)”的要求，也符合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益的統(tǒng)一原則。

2 排矸場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌、自然地理?xiàng)l件

陜西某煤礦排矸場(chǎng)二期工程設(shè)計(jì)堆矸庫(kù)容量370萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)服務(wù)5 a，主要用于煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石的堆放。擬建排矸場(chǎng)位于工業(yè)場(chǎng)地東側(cè)約0.6 km處的沖溝內(nèi)，采用從下游用地邊界向上游逐步推進(jìn)的方法。

排矸場(chǎng)填埋消納場(chǎng)地地貌單元為陜北高原峁梁丘陵溝壑區(qū)，山谷交錯(cuò)，溝壑縱橫，侵蝕沖刷劇烈。排矸范圍所處沖溝的兩側(cè)岸坡植被稀疏，溝底為黃土狀粉砂土及砂卵石覆蓋，溝內(nèi)無(wú)人居住。場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境條件如圖1所示。

2.2 巖土工程條件

排矸場(chǎng)所選沖溝主要巖性為以砂粘土、砂、砂礫石層為主的第四系覆蓋層和下伏的第三系河湖相深紅、紫色及棕紅色粘土和砂質(zhì)粘土；無(wú)地表流水，地下水位埋深大于3m。場(chǎng)地兩側(cè)坡地第四系覆蓋層厚度大，表層松散，植被覆蓋率低，發(fā)育有沖溝、陷穴、小型滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用，矸石填埋可以減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2.3 水文氣象條件

該區(qū)域?qū)訇儽秉S土高原暖溫帶大陸性半干旱氣候，大部分地表為黃土所覆蓋，春季干燥多風(fēng)沙，夏季炎熱多雷雨，秋季晴朗降溫快，冬季干冷雨量少。區(qū)內(nèi)年最低氣溫為- 23.6℃、年最高氣溫為38℃，平均氣溫為9.1℃。平均降雨量為514.7 mm／a，多集中在7～9月份，占全年降雨量的55%～65%，蒸發(fā)量為降雨量的3倍。全年無(wú)霜期175 d，冬春季多為西北風(fēng)，最大風(fēng)速為7.8m/s。冰凍期為11月底至翌年4月初，最大凍土深度為1. 03 m。

排矸場(chǎng)所處一封閉性沖溝內(nèi)，屬低山丘陵溝谷，匯水面積∑S=0. 45 km2，排矸場(chǎng)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%=6.5 m3／s、排水管道長(zhǎng)度L=0. 82 km進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足短時(shí)暴雨排洪要求。

3 工程設(shè)施

陜西某煤礦排矸場(chǎng)工程主要構(gòu)筑物為：攔渣壩、管涵一豎井排洪系統(tǒng)、坡面排水溝和防滲排污系統(tǒng)。排矸場(chǎng)工程設(shè)施平面如圖2所示，排矸場(chǎng)工程設(shè)施剖面如圖3所示。

排矸場(chǎng)所處地區(qū)氣候干燥，降雨量較小，蒸發(fā)量大。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地下水較深。采用從下游向上游逐漸堆矸方式時(shí)，為避免排矸場(chǎng)上游匯水沖刷、攜帶的灰渣污染河溝水體，采用雨水集中管涵排泄原則，設(shè)置鋼筋混凝土豎井一管涵排水系統(tǒng)，將排矸場(chǎng)雨水直接排到排矸場(chǎng)下游溝槽。邊坡匯流排水溝引流到排矸場(chǎng)以外的溝槽。

3.1 攔渣壩

攔渣壩采用不含煤掘進(jìn)矸石（白矸），分層碾壓填筑，壩頂寬度約為3m，高度約為13 m，壩頂高程約為1205 m，上游邊坡按1：1.5設(shè)置，下游邊坡按1：3設(shè)置。矸場(chǎng)穩(wěn)定坡面的加高主要采用矸石分層碾壓逐漸堆筑完成，最終堆矸面設(shè)計(jì)高程約為1260 m。

3.2矸石堆筑

矸石堆筑采用分區(qū)、分層碾壓方式堆筑，堆矸頂面按1: 30坡度坡向排水豎井。堆矸體下游永久邊坡按1:3設(shè)置，坡面用較大塊的掘進(jìn)矸石防護(hù)，并與排矸道路妥善結(jié)合布置排水溝。堆矸體分層厚度不大于5m，含煤量較大有自燃傾向時(shí)，頂部采用不小于1.0 m黃土封閉。依次類推完成整個(gè)排矸場(chǎng)堆筑。

3.3 排矸場(chǎng)排水

排矸場(chǎng)采用涵洞豎井排泄雨水的山谷型儲(chǔ)矸場(chǎng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。涵洞排洪按照20年一遇暴雨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，50年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核。為保證有足夠的排矸場(chǎng)區(qū)，首先施工370 m排洪涵洞排泄上游雨水。填筑高程約1220 m時(shí)，延長(zhǎng)上游涵洞并施工2#豎井，由豎井收集、排泄雨水。排矸場(chǎng)下游坡面及原狀山坡雨水，經(jīng)過(guò)設(shè)置的邊坡排水溝引流至下游溝槽自然排放。

3.4 防滲排污系統(tǒng)

防止矸石中滲淋液滲流壩外污染環(huán)境，在攔渣壩上側(cè)坡面、上游渣場(chǎng)整體底部設(shè)置防滲層，并設(shè)截滲齒墻和主支道管，支管道收集滲淋液并通過(guò)主管道排人污水處理廠。

4 工程施工要求

具體施工流程為：測(cè)量放線一雜物清運(yùn)、整平一人機(jī)配合攤鋪、整平、壓實(shí)（矸石渣）一填埋煤泥排放區(qū)（矸石渣填埋）一人機(jī)配合土方開挖、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓（覆蓋黃土）一永久邊坡防護(hù)一綠化工程。

4.1 測(cè)量放線

施工前，測(cè)量排矸場(chǎng)排矸范圍地形地貌繪制成圖。根據(jù)地貌測(cè)量得知前期排矸場(chǎng)已堆儲(chǔ)矸石渣高度和工程量。根據(jù)地貌高程開始整平地形，對(duì)已堆儲(chǔ)矸體未完成永久邊坡進(jìn)行開挖、重新回填壓實(shí)，按照永久邊坡基線整理成永久邊坡。

4.2 雜物清運(yùn)、整平

矸石山雜物清運(yùn)、整平如圖5所示。根據(jù)地形地貌整平排矸場(chǎng)堆儲(chǔ)區(qū)，清理運(yùn)輸?shù)孛嫔系捻肥�，�?guī)整矸石、煤泥劃區(qū)排放有序，以達(dá)到排矸場(chǎng)正常運(yùn)行。

4.3 攤鋪、整平、壓實(shí)（矸石渣）

矸石渣的攤鋪、整平、壓實(shí)如圖6所示。主要工序如下：人工配合平地機(jī)精平一20 t壓路機(jī)慢速弱振一遍- 20 t壓路機(jī)慢速?gòu)?qiáng)振碾壓一遍- 20 t壓路機(jī)快速?gòu)?qiáng)振一遍- 20 t壓路機(jī)快速?gòu)?qiáng)振碾壓達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度一壓路機(jī)光面靜壓1～2遍，直至輪跡消除。

壓實(shí)工序遵照先輕后重、先邊后中、先慢后快、由弱振到強(qiáng)振的原則。壓實(shí)過(guò)程中對(duì)于邊、角機(jī)械無(wú)法到位的部位采用人工進(jìn)行夯實(shí)。壓路機(jī)的行走速度按常規(guī)為2～4 km/h，壓實(shí)遍數(shù)一般為6遍，其中振動(dòng)4遍，靜碾2遍，經(jīng)檢測(cè)后以達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度為標(biāo)準(zhǔn)。

矸石填筑，由于堆矸體比較疏松，可以直接采用挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘，自卸車運(yùn)輸。在預(yù)填場(chǎng)地上首先應(yīng)根據(jù)各運(yùn)輸車的載重量及煤矸石的松鋪系數(shù)計(jì)算各車卸料的縱橫間距，由專人指揮卸車，土和煤矸石結(jié)合部位要求填筑細(xì)粒料，便于土、煤矸石結(jié)合，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。用平地機(jī)攤鋪、平整。煤矸石的松鋪厚度不超過(guò)30 cm，攤鋪寬度及長(zhǎng)度分別不得低于100 m。

4.4 煤矸石填埋

煤矸石填埋有組織、有計(jì)劃進(jìn)行。根據(jù)填埋設(shè)計(jì)圖先施工碾壓臨近下游堆矸壩的填埋區(qū)，再填筑內(nèi)部填埋區(qū)。從排矸場(chǎng)底部開始向上逐層填筑，排矸場(chǎng)兩邊山坡交接處須接茬，但接茬部位應(yīng)清除松散物，開挖寬度不小于1.5 m的臺(tái)階，碾壓并確保接茬部位不產(chǎn)生沉降裂縫。

碾壓填筑區(qū)工作面應(yīng)當(dāng)平順并傾向排水豎井，以利于及時(shí)排泄雨水，防止積水影響填筑質(zhì)量。同一填筑區(qū)域的填筑面積過(guò)大時(shí)，可以劃分成小區(qū)塊進(jìn)行填筑，但接茬部位應(yīng)清除松散物，開挖寬度不小于1．0 m的臺(tái)階，碾壓并確保接茬部位壓實(shí)系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

堆儲(chǔ)矸石時(shí)首先由排矸場(chǎng)下游向上游逐漸延伸，延伸坡面基本保持1：30的表面流水坡度，當(dāng)坡腳延伸到1#豎井區(qū)時(shí)，改變矸石堆儲(chǔ)坡面方向，繼續(xù)向上游延伸，當(dāng)接近2#豎井約100 m時(shí)，再改變坡面方向，繼續(xù)向上游延伸至2#豎井時(shí)，再次改變坡面方向并從上游向下游延伸，延伸坡面按設(shè)計(jì)坡度施工。

4.5 土地再利用

當(dāng)排矸場(chǎng)儲(chǔ)存矸石達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，在下游邊坡頂部設(shè)置一條外側(cè)坡度為1:3，內(nèi)側(cè)坡度為1：2，高度為5m，壩頂寬度為20 m，長(zhǎng)度按頂部?jī)砂秾挾却_定的擋水堤，并按1.5%的坡度向排洪豎井整平頂面，在永久矸石填埋表面攤鋪厚度不小于1．0 m的黃土，植樹種草進(jìn)行綠化。

5 排矸場(chǎng)治理經(jīng)濟(jì)效果分析

陜西某煤礦煤矸石填埋消納處理技術(shù)的應(yīng)用，既解決了由于煤矸石堆放造成的占地問題，又取得了較好的生態(tài)效果，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益兼得，其工程運(yùn)行階段現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。排矸場(chǎng)治理的經(jīng)濟(jì)效果主要包括以下3個(gè)方面。

(1)環(huán)境效益。分層碾壓可以防止煤矸石的自燃。通過(guò)治理使得該煤礦周邊的生產(chǎn)、生活環(huán)境得到了有效的改善，避免了礦山環(huán)境問題的發(fā)生，生態(tài)得以修復(fù)，具有良好的環(huán)境效益。

(2)社會(huì)效益。通過(guò)選址對(duì)煤矸石進(jìn)行固化填埋，節(jié)約了土地。工程的實(shí)施減少了煤矸石占地，保護(hù)耕地，減少水土流失，排除地質(zhì)災(zāi)害隱患，土地利用效率明顯。

(3)經(jīng)濟(jì)效益。煤矸石的填埋處理，可以減少和預(yù)防環(huán)境污染，做到節(jié)能減排，減少財(cái)產(chǎn)損失，消除安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，減少了由于煤矸石堆放造成的環(huán)境問題后再治理的費(fèi)用。

6 結(jié)論

將填埋消納技術(shù)應(yīng)用于陜西某煤礦的排矸場(chǎng)工程，有效解決了矸石山對(duì)環(huán)境造成的污染問題，同時(shí)節(jié)約了大量土地，也改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，具有顯著的生態(tài)效益。實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益相統(tǒng)一。煤礦矸石填埋技術(shù)有較大的推廣價(jià)值，可為類似地貌礦區(qū)提供借鑒。

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