煤矸石山生态环境综合治理方法

摘要

煤矸石山生态环境综合治理方法属于矿产废弃物的治理及生态环境恢复领域，主要解决对煤矸石山灭火、防火并构建植被问题；首先对煤矸石山现场勘查，并制定施工作业计划；以防火为主，防火灭火相结合，以机械方法在煤矸石山体上先浅层喷射注浆全面封堵形成封堵层(8)，在封堵层(8)上喷射过渡泥浆进行全面覆盖形成过渡层(9)，在过渡层(9)上喷射含草灌类植物的泥浆进行全面覆盖形成种植层(10)；喷射中本着自下而上等高线环带式作业，逐渐全面覆盖，并以实际选用不同的作业方式；有益之处，对煤矸石山体结构无扰乱，以防火为主，防火灭火结合，防火效果好而持久；以可靠有效的防火、灭火措施为保障条件构建种植层，选用草灌类植物，并进行封山管理，植被恢复有保证；以现有专业机械设备施工作业；易实施；难度小、效率高、投资少，治理效果有保证。

说明书

技术领域

本发明属于矿产废弃物的治理及生态环境恢复领域，涉及煤矸石山生态环境综合治理方法。

背景技术

煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生比煤坚硬的一种黑灰色岩石，在采煤和洗煤过程中被摘选出，含碳的煤矸石发热量一般为800～1500卡/克，其无机成分主要是硅、铝、钙、镁及铁的氧化物和某些稀有金属。煤矸石是我国生成最多的工业固体废弃物，年约1.5亿吨，约为原煤产量的15％甚至更多，占全国总固体废弃物的20％以上，在煤炭生产中产生的煤矸石绝大多数采取皮带输送机沿堆积角递增延伸输送的方式排放，煤矸石颗粒自然垂落堆积形成锥形煤矸石山，据统计，我国统配煤矿现有煤矸石山约1500余座，若以全国所有煤矿计，则有各种堆积场数万个，且随着煤产量的增加而增加。由于煤矸石源于地下并含有一定数量的碳、硫等矿物质，缺少生物种源和物种存活条件，堆积成山后又长期荒芜裸露，突兀的黑山产生视觉污染，日益风化的颗粒物产生扬尘污染、氧化矿物质产生有害气体污染、淋溶渗漏产生有害水污染，四大污染直接威胁人们的生存环境，遇到诱发因素还易发生燃、爆、垮、塌等灾害。

上世纪60年代以来，世界各国开始采取各种措施努力治理相关污染，逐步认识到构建生态植被是消除煤矸石山四大污染的有效途径，我国经20年的探索，约有十几座煤矸石山得到绿化，但效果远不尽人意，甚而有的已得到绿化的煤矸石山悄然起火，发生自燃而前功尽弃，成为狼烟袅袅碳木遍岭的火烧迹地；问题在于，煤矸石山的防火、灭火、消灾这一难解的命题，一直未能有效解决，更没有作为保障条件与构建生态植被相结合。

现有技术中，煤矸石山自燃的防治措施主要有：第一、消除可燃物法，予清除的可燃物是煤矸石的内含物，在现有技术条件下不可能；第二、泡沫法，此法对爆发性的燃烧很有效，但对于煤矸石山漫长的自燃孕育期、发展期却收效甚微；第三、覆土法，常规的覆土是依靠松散颗粒物封堵煤矸石山的孔洞、缝隙，达到减少水分渗入防止氧化增温和减少空气流通以隔绝空气的防火目的，半干的颗粒物作为覆土层，即便有足够的厚度和碾压强度，其密度也较小，因此，封闭效果差，易流失，并且人力、物力资源消耗大；第四、挖除火源法，犹如火中取栗，危险极大，并且需要劈山救火，几乎是无法进行，第五、注水法，注水降温必然产生大量流失水污染，还会诱发更多的煤矸石氧化，第六、注浆法，在燃烧区打孔以注浆管对深部或浅部注入固体含量浓度为15％的含土壤的碱性浆液，依靠水的蒸发降温和物质的包裹隔氧作用灭火阻燃；前三种以防火为主，后三种是头疼医头脚疼医脚的针对性灭火措施，并且普遍认为注浆法是最为有效的方案，但是，一、灭火的工艺和实际操作难度大，注浆是以重力流动性渗入封堵燃烧区近处的孔洞、缝隙阻断空气和以水分蒸发降温达到灭火，浆液固体含量浓度只有15％，颗粒物易沉降聚集影响注浆到位。二、没有成熟的技术可操作，施工工艺复杂、随意性大、大面积应用难度大，三、在于仅针对已自燃的煤矸石山的燃烧区灭火实施，对煤矸石山防火、生态环境综合治理的整体方法不具有现实的应用性。

现有技术中，构建生态植被的方法着眼点主要集中在：第一、有利于蓄水保熵的整形整地，如以山地农垦模式建造梯田，并配套水土保持和排水工程，但这会严重扰乱煤矸石山体自然形成的结构，扰动表层细颗粒，暴露透气孔隙，增大水渗入速度和渗入量，加剧氧化反应而放热，从而不利于防火，第二、调整酸性基础环境的封堵层及土壤改良，主要是对煤矸石山体表面覆盖并碾压碱性材料和土壤，但碾压形成覆盖兼封堵层难度高，工程量大，并且碾压强度及兼顾的防火效果均难以保证，第三、在封堵层上覆一定厚度的适种土壤——即表层土，工程量大，工期长，投资大，第四，植物选择、配置、种植，从已绿化的煤矸石山情况看，大多以乔木、筑路造亭、建设园林景观为终极目标，这不仅耗资巨大，也与生态恢复理论的封山育林的规则理念相违背，并存在很大的灾害隐患，因为乔木移栽主根受损，难以维持日渐发达的树冠，天长日久难免倒树翻兜，暴露透气孔隙，另外乔木根系深入内层则引导水流渗透，不利防火，而且乔木会不断增加山体负荷，一旦山体底部具有燃空穴洞力不可支，垮塌将不可免；更重要的是构建生态植被并没有以可靠有效的防火、灭火措施为保障条件，因此煤矸石山生态环境综合治理结果至今效果远不尽人意，难免会前功尽弃，使人忧心，发人深省。

发明内容

解决的技术问题：

将对煤矸石山的防火、灭火与构建生态植被的客土喷插种植相结合，把注浆法的高密度泥浆封闭包裹隔离效果与覆土法的简单经济表层施工技术合而为一；以隔水断氧为目标，以封堵煤矸石山体的孔洞、缝隙为手段，采用专业机械设备实施浅层喷射注浆全面封堵，以防火为主，防火、灭火兼顾；以可靠有效的防火、灭火措施为保障条件，用专业机械设备实施客土喷播种植，并以免维护、少干扰的草灌类自然植被生态景观为终极目标，从而实现对煤矸石山的生态环境综合治理；能克服现有技术中存在的不完备、不系统、不配套的问题，符合煤矸石山的特征、特性，依据科学原理，遵从自然规律，投资少，效率高，易于实施，治理效果有保证。

采用的技术方案：

煤矸石山生态环境综合治理方法，包括如下步骤：

第一，首先对煤矸石山进行现场勘查，一要明确其所处状态，是自燃孕育期，或者是自燃发展期，或者是自燃结束期，二要了解其整体的山形地貌状况，特别是其表层颗粒的物理化学性质，三要了解山体温度及燃烧区分布方面的情况；

第二，依据现场勘查制定施工作业计划，进行具体准备，主要包括内容，实施浅层喷射注浆进行全面封堵，继而喷射过渡泥浆进行全面覆盖，最后喷射含草灌类植物泥浆全面覆盖三阶段的工艺，以及相应泥浆的准备和专业机械设备的配备；

第三，以专业机械设备对煤矸石山体表面喷射封堵泥浆进行全面封堵，形成封堵层，以山体表面均足以被明显覆盖为原则；封堵泥浆主要由碱性物质、纤维物质、惰性材料、黄土、粘合剂和水组成，其固体含量浓度为30～50％，以高浓度泥浆高速喷射注浆；

对于处在自燃孕育期的煤矸石山，自下而上实施等高线环带式作业，并本着先孔洞、缝隙，逐步进行浅层喷射注浆，最后达到全面封堵；对潜在的雨水聚集区，应采取导流疏水措施；

对于处在自燃发展期的煤矸石山，也是自下而上实施等高线环带式作业，重在封闭山脚部位的孔洞、缝隙，尤其是对于燃烧区下部孔洞、缝隙，先逐步关闭其隐性“风门”，阻断供养渠道，弱化并控制火势，渐渐逼近燃烧区，然后，实施对燃烧区核心点的环绕式灌浆灭火，以喷射软管近点喷射注浆降温，逐步压缩燃烧区，并留一定的散发热气的孔隙，防止爆炸；在散发热气量降到一定程度，并且山体表面温度进入稳定下降趋势后，再实施全面封堵；有多个燃烧区时，应交叉作业，逐步灌注；对潜在的雨水聚集区，应采取导流疏水措施；应全过程监视山体表面温度变化，注意调整作业点和作业方式：

对于处在自燃结束期的煤矸石山，施工作业方法、措施与处在自燃发展期的煤矸石山基本相同，区别在于自燃结束期时，燃烧走弱，但并未熄灭，因此通过相应孔洞、缝隙散发的热气量少，且下降趋势快，山体表面温度处于下降及加快下降的状态，因此对燃烧区的灌浆灭火、喷射降温以及全面封堵的力度要小，工期相对要短；

第四、在第三步的基础上，当封堵泥浆固化后，以专用机械设备对其表面喷射过渡泥浆进行全面覆盖，形成过渡层；过渡泥浆主要由纤维物质、土壤颗粒物、粘合剂和水组成的中性泥浆，其固化后与封堵层的附着力强，既能增强全面封堵效果，又具有覆土作用，为客土喷播种植土壤层奠定基础；施工作业方法为，自下而上等高线环带式作业，以封堵泥浆被全面覆盖为原则；

第五、在第四步的基础上，当过渡泥浆固化后，以专用机械设备对其表面喷射含草灌类植物的泥浆进行全面覆盖，覆盖厚度为30～100mm，形成种植层，含草灌类植物的泥浆主要由草灌类生命体、活性物质、土壤颗粒物、保水剂、纤维物质、粘合剂和水组成，它不仅能增强覆土效果，更重要的是建立植物生存的生态环境基础，同时具备孕育生命及其成长的农业技术特征和落地生根的工程技术特征，能稳定的附着在过渡层上，并能相互溶合在一起，施工作业方法与第四步相同。

第六，后期管理，在植物萌芽、育苗期喷水养护，对煤矸石山体封山，减少人为干扰，促进动、植物种定居。

有益效果：

首先，从煤矸石山的自燃机理角度看，不扰乱山体自然堆积结构，不破坏表面风化层，有利于防火；以浅层喷射注浆对煤矸石山体表面进行全面封堵，采用的是根源治理的方案，关“天窗”，减少渗透水，防止高湿度氧化增温线的形成，闭“风门”减少空气流动，防风助火势，同时封堵泥浆喷射力大，冲击渗透效果好，浓度高，固体含量浓度为30～50％，硬化后，密度高、韧性好，抗开裂性能强，包裹、封堵效果好而持久，能可靠有效的实现有火灭火、无火防火，灭火与防火兼顾，并且工艺简单，以专业机械设备易实施，效率高，投资少，以简单工艺、高密度、薄土层构建的全面封堵措施，具有注浆灭火和覆土防火不可比的优越性。

其次，从构建煤矸山的生态植被角度看，以可靠有效的防火、灭火措施为保障条件，用专业机械设备构建种植层，技术成熟可行，该层以过渡层为基础，并附着在其上，随着植被的生成，还能相互溶合在一起；植被选用草灌类，并遵循生态恢复理念；因此，既无扰动上部及表面细颗粒，暴露透气孔隙的隐患，也无覆土碾压伤财费力，水土流失的忧虑；既没有种植乔木的危害，也免除人为的干扰。

另外，由于煤矸石山内贮存着未来可能有益的低品位矿产资源，本发明完全能定位于生态环境综合治理兼矿产资源的临时封存措施，是能兼顾两方面的现实可行的技术方案，投资少，易实施，机械化程度高，可操作性强。

附图说明

图1、煤矸石山理化性能分析展示图；

图2、煤矸石山自燃状态分析“天窗”、“风门”示意图；

图3、煤矸石山浅层喷射注浆全面封堵施工作业兼全覆盖式三层结构示意图；

具体实施方式

结合附图进一步详加说明；

如图1、2、3所示

煤矸石山4的形成及特征，煤矸石以皮带输送机沿堆积角递增延伸输送排放，矸石颗粒5自然垂落堆积形成锥形山体，而垂落点不断变化导致锥形山体即连续不断叠加复合形新的更大的锥形山体，具有最大的侧翼面积；松散颗粒沿斜坡滚落时，具有一定的粒度分级选择性，下部以巨砾为主，中部以粗粒为主，上部及表层以细粒为主，因此，一般情况下其下部透气性好，是自燃的良好供氧通道，其上部透气性差，排气和散热速率低，容易蓄积热量，总体而言，煤矸石山颗粒粗、孔隙大，渗透系数高。但透气性较差的细粒易于流失，并随渗入的水流进入内层粗粒间隙，使原有位置暴露孔洞、缝隙的透气性增加。研究结果表明，煤矸石中多数矿物质遇水会发生氧化反应，并放出大量热，雨水渗入不仅能促使矸石颗粒5风化破碎，而且加剧特别是细粒聚集部位区域的氧化反应，从而使煤矸石山形成上高下低位于表面内一定深度的具有蓄积热量特性的温度场，如图1中高湿度氧化增温线1所示，这与自燃煤矸石山大部分发火点和自燃较严重的部位，均在中上部的现象相吻合，如图2所示，位于高湿度氧化增温线1上部被渗入的水流不断扩大、透气性不断增加的孔洞、缝隙群即所谓的“天窗”2，热气“天窗”2外排会使高湿度氧化增温区产生负压，使冷空气从其下部与外界联通并具有透气性好的相邻区域流动过来补充——形成供氧通道，与外界联通的供氧孔洞、缝隙即所谓的“风门”3，“天窗”2与“风门”3组合促进冷空气自下而上的流动，形成“烟囱效应”，成为燃烧的充分条件。

煤矸石山所处的状态，各煤矸石山所处状态有如下三类：

一类是自燃孕育期，即煤矸石山形成后内层氧化增温至其发火自燃所处的状态，从煤矸石山4的形成及特征可知，具有蓄积热量特性的高湿度氧化增温线1的形成及持续，以及“天窗”2、“风门”3存在，尤其是“天窗”2的不断增加及扩大，都是必然的，但“天窗”2的形成、发展，尤其是高湿度氧化增温线1的局域或点的蓄积热量不断增加，并使温度升高达到着火点，是一个较为漫长的过程，伴随这一过程的外在表现是山体表面温度逐渐升高，因此自燃孕育期较长。

二类是自燃发展期，即煤矸石山4的发火点自燃启动后，会加速其相邻区域的增温至自燃，燃烧终结区会因空穴而坍塌错位产生“天窗”2，如此新的燃烧区层出不穷，燃烧区还会逐步叠加增强，就整座煤矸石山体4而言，“风门”3是较稳定和有限的，燃烧是不连续的，但温度的升高是连续的，因此，自燃规模不易迅速扩大，自燃发展期也较长。

三类是自燃结束期，经自燃发展期之后，大多数燃烧区可燃物耗尽时，山体温度逐步下降，虽然因空穴而坍塌错位产生的“天窗”2，使山体内产生新的潜在发火点，孕育新的燃烧区，但残留可燃物和山体温度均逐步下降，不足以支撑燃烧区的规模扩大，于是进入自燃结束期，直至自燃结束。

本发明的方法步骤按序如下：

第一、首先对煤矸石山进行现场勘查，一要明确其所处状态类别，二要了解掌握其整体，特别是其表面的基本结构情况，如高度、坡度、坡面情况，隐性“天窗”2、“风门”3的情况及分布，潜在的雨水聚集区，山体温度、自燃状态以及所处地理位置及相关的外部情况；

第二、依据现场勘查制定施工作业计划，包括封堵泥浆，过渡泥浆及含草灌类植物的泥浆的配方制定，原料准备，喷射作业具体方案，专业机械设备的选配，交通运输、运转支援以及投资、工期计划等；

计划制定应依据如下基本原则，无火防火，有火灭火，以防火为主，防火灭火相结合；以构建可靠有效的防火、灭火封堵层、覆盖过渡层措施为保障条件，构建种植层；从实际出发，依据科学原理，遵从自然规律；机械化施工喷射封堵泥浆全面封堵形成封堵层8，在封堵层上喷射过渡泥浆进行全面覆盖形成过渡层9，在过渡层上喷射含草灌类植物的泥浆全面覆盖形成种植层10；

第三、以专业机械设备对煤矸石山体表面喷射封堵泥浆进行全面封堵，形成封堵层8，以山体表面均足以被明显覆盖为原则；

对于处在自燃孕育期的煤矸石山自下而上逐步进行浅层喷射注浆，等高线环带式作业，如图3所示，依据等高线环带6，一环一环式逐步向山顶进行，并本着先关“风门”3后关“天窗”2及先大孔洞、大缝隙，后小孔洞、小缝隙，最后达到全面封堵；对潜在的雨水聚集区，应采取导流疏水措施；喷射中可依据具体技术要求选用不同的作业方式，如以扇形喷嘴作进距离大面积条带式封堵喷射，或以直流喷嘴作远距离大面积封堵喷射，或以软管重点作孔洞、缝隙、燃烧区、燃烧缝的局部灌注式喷射；

对于处在自燃发展期的煤矸石山，除按照处在自燃孕育期的煤矸石山的施工作业方法进行外，尤其注重对燃烧区的喷射作业，先逐步关闭其隐性“风门”3，弱化并控制火势，渐渐逼近燃烧区的窜火和冒烟的“天窗”2，并对其实施如图3所示的环绕式灌浆灭火，即对以所述“天窗”2为圆心的环形区7进行转圈式，且转圈从大到小逐步缩小式进行灌浆灭火，所谓灌浆灭火，即以软管近点喷射注浆降温，同时应留一定的能散发热气的孔洞、缝隙，防止爆炸；在散发热气明显减少到一定程度，并且山体表面温度进入稳定下降趋势后，再实施全面封堵；有多个燃烧区时，应交叉作业，逐步封堵；应全过程监视山体表面温度的变化，随时调整作业点和作业方式；

对于处在自燃结束期的矸石山，施工作业方法与处在自燃发展期的煤矸石山基本相同，区别在于，由于山体表面温度处于下降及加快下降的状态，因此对燃烧区的灌浆灭火、喷射降温以及全面封堵的力度要小，工期相对要短；

第四、在第三步的基础上，当封堵泥浆固化后，以专业机械设备对其表面喷射过渡泥浆进行全面覆盖形成过渡层9；施工作业方法为，自下而上等高线环带式作业，全面覆盖厚度为20～40mm；

第五、在第四步的基础上，当过渡泥浆固化后，以专业机械设备，对其表面进行客土覆盖性或种子喷播性的喷射含草灌类植物的泥浆进行全面覆盖，覆盖厚度为30～100mm，形成种植层10，施工作业方法与第四步相同；施工在春、秋两季进行，但应避开雨天；

最后，在植物萌芽、育苗期适情喷水养护，并以“封山育林”理念管理，避免或减少人为干扰，并促进动、植物定居。

所述专业机械设备，主要是指现有技术中用于植被生态恢复的客土喷播机，集移动、搅拌及喷射于一体，已广泛用于农、林行业，如中国专利ZL200620158544·1所公开的方案，在其它普通机械(装卸、运输)协同下，能顺利实现本发明中的喷射施工作业。

在非冻土期均可进行封堵层、过渡层的施工，应避开雨天。

本发明中所述的相应泥浆：

A、封堵泥浆

性能要求，固体含量浓度为30～50％，碱性以中和煤矸石山体表层的酸性物质，包裹矸石及封堵孔洞、缝隙的能力好，效果持久，形成封堵层硬化后密度高、韧性好，抗开裂性能强；其所含组分及质量份数比为，纤维物质100～200份，选用玻璃纤维，如防火棉填充材料，纤维平均长度6mm；碱性物质300～400份，选用石灰，最好是脱硫石灰；黄土300～400份，选用二类粘黄土，含沙量小于10％，最大粒径小于5mm；惰性颗粒物300～400份，选用电厂的废弃物粉煤灰；粘合剂1～2份，选用合成树脂胶，如丙烯酰胺类高分子聚合物；水30000～4000份，选用矿山再利用水。

B、过渡泥浆

性能要求，中性以防止对种植土壤的不良影响，固化后与封堵层附着力强，既能增强全面封堵效果，又具有覆土作用，为客土喷播种植土壤层奠定基础；其所含组分及质量份数比为，纤维物质200～250份，选用喷播专用纤维或草、粉碎树枝渣，如热磨分离本色纯木纤维，有机质含量95％(干态)，含水率15％，纤维平均长度9mm，达到饲草粉碎标准或园林树枝粉碎标准；土壤颗粒1000～1500份，选用二类粘黄土，含沙量小于10％，最大粒径小于10mm；粘合剂1～2份，选用合成树脂胶，如丙烯酰胺类高分子聚合物；水3000～4000份，未污染的常温地表水。

C、含草灌类植物的泥浆

性能要求，以当地表层土壤和当地植物种源为基础做适当的改良、补充，从成分上保证具有孕育植物种源生命的农业、林业技术特征，能满足植物萌芽、出苗、成长各阶段的营养需要，通过客土覆盖或种子喷播性的喷射，本着人工导向，自然选择的理念，因地制宜，将自然力对土壤、植物种子的多年积累、传播，多次叠加、多层转变的模式一次完成，类似自然，但远远快于自然，最终实现对煤矸石山的生态环境综合治理，其所含组分及质量份数比为，生命体60～80份，选用草灌类植物种子，如广普性植物紫穗槐、胡枝子、荆条等；活性有机质800～1000份，选用普通草炭土，如粗纤维腐叶土；纤维物质100～150份，选用喷播专用粗纤维，如热磨分离本色纯木纤维，有机质含量95％(干态)，含水率15％，纤维平均长度9mm，土壤颗粒物1000～1200份，选用一类壤土，筛分黄土，含沙量小于10％，最大粒径小于10mm；粘合剂1～2份，选用合成树脂胶或天然植物胶，如丙烯酰胺类高分子聚合物，或豆类植物胶——改良田箐胶、瓜尔胶；保水剂3～4份，喷播保水剂，选用丙烯酰胺类高分子聚合物250目，200～400倍；水3000～4000份，用未污染的常温地表水。

本发明中所涉W％，均指重量百分数。

所述各泥浆的组成中，均含有纤维物质，以纤维物质的交织性能部分替代粘合材料的作用，有利于增加附着力及整体强度，尤其是对于客土喷播种植土壤层而言，能起到构制雀巢骨架立体网络于土壤层中的作用，有利于种植土壤的存留和植物的生长。所述雀巢骨架立体网络，类似于山林地表的枯枝落叶层，其微观的力学结构类似于喜鹊窝，可任由植物根系穿插、伸展充实在其中，于本发明中不仅有利于土壤的存留和植物的生长，同时由于植物根系的伸展、穿插及渗入还有利于增加种植土壤层、过渡层及封堵层相互之间的附着力及整体强度，从而有利于防火。