陳舊矸石場工程技術(shù)的治理設(shè)計
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【摘要】根據(jù)大量的矸石工業(yè)分析、成份分析及矸石淋溶液濃度統(tǒng)計結(jié)果得出，大部分區(qū)域矸石為一般工業(yè)固體廢物I類固廢，本文針對存在自燃現(xiàn)象的陳舊矸石場進行設(shè)計，以期為現(xiàn)有矸石場治理提供參考與依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】自燃;矸石;工程技術(shù)
1引言
由于歷史的原因，現(xiàn)已堆存的矸石一直采取“由上向下，自然堆積，平整頂部，不斷延伸”的排矸工藝，造成部分矸石山大面積自燃。一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體四處彌漫，間隙氣流中有毒有害氣體含量超過國家大氣環(huán)境質(zhì)量三級標準的10倍以上，矸石山頂部裂隙及松散部位，溫度高達70～80℃。排矸職工穿梭在煙塵和有害氣體中，時有中毒暈倒、呼吸困難、燒壞鞋褲的現(xiàn)象發(fā)生，甚至有人畜墜落燃燒區(qū)被燒死的事件發(fā)生。同時周邊生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，附近的莊稼果木枯萎減產(chǎn)，居民叫苦不迭。從矸石山的情況看，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，排矸費用和維護費用較低，排放的矸石未嚴格執(zhí)行規(guī)定的排矸工藝，引起排放矸石的自燃。滅火后的矸石山，一方面，由于缺少維護費用，導(dǎo)致日常維護工作不到位，另一方面由于沒有恢復(fù)植被，特別是在雨季，洪水造成矸石山表面沖刷，原有的覆蓋層遭到破壞，引起矸石山再次復(fù)燃。
2分類及措施
根據(jù)大量調(diào)查研究，已堆陳舊矸石場大部分存在自燃現(xiàn)象，根據(jù)已有堆放儲量和是否自燃，可以分為燃燒過的大型(儲量大于50萬噸)矸石山、未自燃的大型矸石山、未自燃的小型矸石山(儲量小于50萬噸)3種類型。燃燒過的大型矸石山是指矸石山已經(jīng)堆存及自燃完畢，不會再發(fā)生自然現(xiàn)象的矸石山，治理措施不用考慮矸石山自燃的預(yù)防和治理。未自燃的矸石山是指矸石山堆存完畢，還未發(fā)生自燃，有可能發(fā)生自然現(xiàn)象的矸石山，還需要考慮矸石山自燃的預(yù)防措施。小型矸石山堆放高度均小于10m，所以主要的具體措施為:矸石山自燃預(yù)防措施—灌漿、夯實;平整工程措施—覆土、夯實;矸石山生態(tài)恢復(fù)—圍堰、綠化。
3未自燃過的大型矸石山治理措施
根據(jù)治理難度和治理過程，重點針對未自燃過的大型矸石山治理措施進行分析，其他治理措施可以在該措施的基礎(chǔ)上進行增減工藝過程。具體治理工程分為6項內(nèi)容及步驟，矸石山工程措施(攔矸壩、排水系統(tǒng))、矸石場自燃預(yù)防措施(灌漿、壓實)、邊坡工程措施(消坡、馬道、覆土、夯實)、矸石山澆灌系統(tǒng)(水池、管道)、矸石山生態(tài)恢復(fù)(頂部平臺覆土、圍堰、綠化)、管理工程設(shè)施(管護房)。
3.1矸石山工程措施—攔矸壩、排水系統(tǒng)
(1)攔矸壩攔矸壩采用重力式漿砌石攔矸壩擋護，邊坡為1∶0.5，攔矸壩以上邊坡以1∶1.5～2進行消坡防護。(2)排水系統(tǒng)為減少地表徑流對煤矸石山表土的沖刷，保持矸石山的水土，排水系統(tǒng)工程設(shè)計包括坡面平臺、馬道排水和縱坡排水(自上而下的排水溝);頂平臺按田面的方式設(shè)圍堰，在頂平臺、坡面兩側(cè)和坡底設(shè)排水溝，平臺的排水通過排水溝流到煤矸石山的縱坡排水溝內(nèi)，排到矸石山下，避免了地表徑流在地面的集中和流速的增加，減輕地表的水土流失。在攔矸壩下游設(shè)雨水收集池，也可起到沉沙池兼消力池的作用，收集到的雨水可通過澆灌系統(tǒng)的管道回用于植被澆灌。
3.2矸石山自燃預(yù)防措施—灌漿，壓實自燃矸石山治理方法主要有灌漿封閉法、表面密封壓實法、灌水法、直接挖出冷卻法等
(1)灌漿封閉法通過降溫與隔氧兩方面的共同作用來達到滅火的目的。該法首先是憑經(jīng)驗或通過診斷找出火區(qū)和自熱區(qū).然后在其上面布置一系列鉆孔，最后將不燃物(黃土或粉煤灰等)和石灰配成的泥漿灌入火區(qū)和自熱區(qū)，以阻斷空氣進路，火區(qū)冷卻后將火區(qū)和自熱區(qū)全部填滿漿料。注漿法的最大優(yōu)點是可使矸石迅速降溫，漿液可以滲入矸石山深部，起到填充空隙、封堵供氧通道以及加固作用。(2)表面密封壓實法在自燃矸石山表面鋪土壓實，以隔絕空氣進路，使自燃矸石山內(nèi)部空氣耗盡后熄滅。這種方法一般情況下成功率不高，只能降低燃燒強度和污染物排放速度，因為表土只有在濕潤狀態(tài)才有較好的密封性能，如果不及時維護，則表土密封層很難保持完整。這種方法目前主要用于控制矸石山火勢和污染強度。(3)灌水法水是滅火工程中最常用的滅火介質(zhì)，水在高溫下形成水蒸汽吸熱降溫效果顯著，并且水蒸汽能夠阻止空氣接近可燃物。具體作法是在矸石山修池蓄水，通過鉆孔將水灌入地下。這種方法最大的問題是無法控制水在矸石山內(nèi)流動的方向，也很難在火區(qū)內(nèi)將水保持一段時間;另一個缺點是灌水后矸石山內(nèi)部的空隙增加，反應(yīng)活性增強，矸石山復(fù)燃的可能性增加。(4)直接挖出冷卻法這是最原始而又最有效的方法。憑經(jīng)驗或通過診斷找出火區(qū)和自熱區(qū)，然后挖出著火矸石和熱矸石，用水冷卻后回填或重新堆積。這種方法簡單而成功率又高，在現(xiàn)場用得最多。但一般而言，這種方法只適用于初燃的或小范圍自燃的矸石山，燃燒強度大的矸石山用這種方法不僅困難，而且還有一定的危險。以上各項措施均存在一定的弊端，最終采用黃土覆蓋碾壓法，該方法結(jié)合灌漿法及黃土覆蓋并用措施。該措施主要原理是改變矸石堆積坡度，推散高溫矸石，使其暴露于表面，促使降溫，同時也有利于覆土與碾壓。矸石山斜坡經(jīng)覆土與碾壓后，火勢得到了有效的控制，用紅外測溫儀測得矸石山表面溫度基本降至50℃以下。黃土覆蓋碾壓法以碾壓覆蓋為主，輔以局部注漿的綜合性滅火方法，在滅火施工過程中遵循挖、截、堵、填、注、灑、覆、壓等原則，該方法是一種行之有效的綜合性自燃矸石山滅火方法，同時也用于矸石山的自燃預(yù)防處理。(5)矸石山自燃滅火注漿技術(shù)要求①注漿鉆孔開孔孔徑φ108mm，終孔孔徑不得小于φ89mm，鉆孔深度3～10m左右，間排距3.0～5.0m。在成孔后，要進行孔內(nèi)測溫，對溫度有異常的鉆孔適當加深。②注漿管選用Φ42mm鋼管，長度4～10.0m，外露1.0m，鋼管采用絲扣連接，托盤制做要規(guī)范，一般應(yīng)小于封孔段孔徑2—3cm。托盤以下要在注漿管上打花眼，眼徑20mm左右，要保證每個方向均有花眼，其豎向間距不大于200mm。③封孔深度2.0m，1.0m～2.0m段采用純水泥或水泥與粉煤灰的混合材料封孔，1.0m以上段采用黃土搗實封孔。④滅火漿液材料采用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過篩配制，配比1∶1，水固比0.7∶1～0.8∶1，注漿方式采用壓力注漿或蔽口灌注。⑤漿液配置應(yīng)按設(shè)計漿液配合比進行，原材料要用容器計量，進行配比控制，攪拌機一次加水到位后，添加固料，添加固料過程中隨添隨攪，固料添加完畢后攪拌時間不少于5min。注漿過程中每間隔5min，需攪拌一次，攪拌時間不少于2min。⑥注漿順序采用由外向內(nèi)施工的方法，首先施工最外圈，跳孔注漿，最外圈鉆孔注漿結(jié)束后方可施工內(nèi)圈鉆孔。⑦終孔標志:孔口管壓力升至0.5MPa以上，穩(wěn)定15min。孔口管壓力未升至0.5MPa，但吃漿量小于7L/min，且持續(xù)15min。(6)矸石山碾壓技術(shù)要求碾壓程序為:斜坡先靜壓兩遍，再振壓兩遍，最后再靜壓兩遍;平面為先靜壓一遍，振壓兩遍，再靜壓兩遍。平臺碾壓密實度標準達90%，坡面碾壓密實度達85%。
3.3邊坡工程措施—消坡、馬道、覆土、夯實
(1)消坡、馬道由于矸石山以前采用的由上到下自然傾倒工藝，使邊坡坡度較陡，無法覆土夯實。因此，必須進行人工消坡。在治理過程中，盡量因地制宜，利用現(xiàn)有地形消坡平整，確保治理后的矸石山邊坡穩(wěn)定。具體措施為:所有坡面按高寬比1∶1.5～2進行整平，然后對坡面整平中需要回填部分，進行分層夯實，夯實系數(shù)≥0.85。在邊坡下部用石砌護墻，中部用馬道把坡面分成階梯式(斜坡坡長20m左右設(shè)一馬道)。矸石山坡底石砌護墻設(shè)高1.5～2.0m左右，護墻背后用1m黃土分層夯實，夯實實數(shù)≥0.94。(2)覆土、夯實根據(jù)矸石山試驗結(jié)果:30cm的土層厚度可以滿足草本植物的生長;50cm的土層厚度可以滿足灌木的生長;100cm的土層厚度可以滿足喬木的生長。本工程計劃分兩個梯度的覆土厚度:邊坡70cm(垂直于地面水平方向)、頂部平臺100cm。矸石山坡面整平至設(shè)計要求后，在坡面上覆0.7m厚土層(厚度為垂直于水平方向)并分層夯實，在平臺上覆1m厚黃土，機械或人工夯實，并用道路及圍堰進行分割。馬道上覆黃土同平臺。
3.4矸石山澆灌系統(tǒng)—水池、管道
采用拖式噴灌，綠化用水定額取1.5～2L/m2.次，水池按一次用水量考慮，并建泵房。泵房設(shè)給水加壓泵2～5臺，主管路管徑為DN100PE管，支線管徑為DN50，拖式噴灌范圍半徑100m，PE管路規(guī)格為DN100，DN50。設(shè)閥門井若干。在矸石山頂建鋼筋砼水池，鋪設(shè)管道，就近接水源，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，矸石山附近煤礦較多，同時為了節(jié)約水資源，提高水資源的綜合利用及節(jié)省投資，本工程水源盡量利用附近煤礦中水或就近水源取水，設(shè)專用泵，為以后澆灌打好基礎(chǔ)。
3.5矸石山生態(tài)恢復(fù)—頂部平臺覆土、圍堰、綠化
(1)頂部平臺覆土坡面整平至設(shè)計要求后，在平臺上覆1m黃土，分層夯實，并用道路和圍堰分割。(2)圍堰矸石山頂部平臺按20m×20m圍堰分割。設(shè)計圍堰高700mm，上底寬500mm，下底寬1000mm，頂部平臺采用黃土拍實，坡面采用塊石砌筑并抹面。馬道圍堰設(shè)于馬道外沿，設(shè)計參數(shù)同頂部平臺。(3)綠化篩選出的適宜當?shù)氐貐^(qū)矸石山生長的先鋒植物，最好是當?shù)乜屯林脖?，既能治理矸石山，又能降解吸附有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境有凈化功能的環(huán)境改良性植物。以太原地區(qū)選用具有代表性的物種進行具體分析。①植物邊坡設(shè)計。矸石場在每堆厚5m，形成坡度為1∶1.5～2的臺階狀坡面。坡面上覆蓋70cm的黃土后栽種灌木紫穗槐、檸條間距為4m×4m。穴狀栽植初期可選擇紫穗槐和檸條，直徑0.4m，深0.4m，坡面上條播紫花苜蓿。②矸石場頂復(fù)墾。矸石場服務(wù)期滿后，平整矸石場頂部，覆蓋100cm的土壤，適當施用農(nóng)家肥，提高土壤肥力。種植油松、刺槐等喬木;丁香、檸條等灌木;草類選擇沙打旺、高羊茅、紫花苜蓿等;可適當選擇扶芳藤等藤本植物增加植被景觀。③矸石山四周綠化。矸石場封場處理后在四周栽植規(guī)格為胸徑3cm以上的楊樹，栽植林帶寬20m，密度4×4m。楊樹萌蘗能力強，在矸石處置場四周形成防護林帶，而且楊樹向矸石場內(nèi)擴展，最終矸石處置場形成喬、灌、草結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)。④植物措施管理?，F(xiàn)有矸石由于均已著完，具有含水量低，入滲快、地?zé)彷^高等特點，排矸場綠化后，管理工作的重點是澆水，特別是保苗期和干旱、高溫季節(jié)。為此，采用礦井水進行澆灌，切忌大水漫灌，避免浪費水又沖走表土的現(xiàn)象，一般春季每周一次，夏季平均3天循環(huán)澆灌一遍，秋季10～30天澆一次，冬季上凍前普遍灌足越冬水。最后是綜合管理，在灌木栽種后，澆水前檢查有無裂縫，沉陷現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)及時培土塌實。注意防治病蟲害，適當采取噴藥或施肥等相應(yīng)措施。
3.6管理工程設(shè)施—管護房
在矸石山周圍選擇合適的地點建維護人員值班室1間，建筑面積為30m2，一層構(gòu)筑，采用磚砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)辦公桌椅。
4矸石山治理效果
對現(xiàn)有矸石山實施消坡、壓實等措施治理后，解決了現(xiàn)有矸石山對環(huán)境空氣的影響問題;控制了矸石山對周圍環(huán)境的影響;設(shè)置合理的邊坡，進行植物措施綠化，穩(wěn)定了邊坡，改善了生態(tài)環(huán)境。治理區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由簡單趨向復(fù)雜，植被種群由單一趨向多樣化，生態(tài)系統(tǒng)向著良性循環(huán)方向發(fā)展，同時水土流失現(xiàn)狀基本得到治理，土壤侵蝕量減少70%，綠化率在30%以上，生態(tài)環(huán)境徹底改善。
參考文獻:
［1］礦山生態(tài)環(huán)境保護與污染防治技術(shù)政策(環(huán)發(fā)［2005］109號)．
［2］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦矸石山災(zāi)害防范與治理工作指導(dǎo)意見(安監(jiān)總煤礦字［2005］162號文．
［3］危險廢物鑒別技術(shù)規(guī)范－HJ/T298－2007．
［4］煤炭工業(yè)污染物排放標準(GB20426－2006)．
作者:馬雙提 單位:呂梁市環(huán)境科學(xué)研究所