CN110984188B - 一种矸石山综合治理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保领域，具体涉及一种矸石山综合治理工艺，第一步坡面修整，将坡度较大的煤矸石山进行修整，减小煤矸石山至适宜种植的坡度；第二步灌浆客土，灌浆客土共分为上中下三层，最下层为灌注含水量较高的稀泥浆与煤矸石混合物层，中层为泥浆、稻草、草木灰煤矸石混合物层，最上层为薄层自然表土层；第三步植物定植，选择抗污染能力强、耐干耐酸、生长能力较强的植物的种子进行喷播种植，播种后进行防侵蚀网覆盖；第四步后期维护，对恢复区坡面进行喷水施肥，保证植被前期稳定的营养来源和土壤的恢复。本发明的综合治理工艺减少了用土量、降低了运输成本、提高了持水能力、减少了污染以及提高了煤矸石山土壤肥力。

Description

一种矸石山综合治理工艺

技术领域

本发明涉及环保领域，具体涉及一种矸石山综合治理工艺。

背景技术

煤矸石是我国排放量最大的固体废弃物之一，在煤炭资源的开采过程，如建井、改扩建矿井和洗煤时都会产生煤矸石，2018年煤炭产量约35亿吨，而煤矿排矸量约占煤炭开采量的10％-25％，且煤矸石排放量仍会逐年增加。由于长时间未能找到合理的利用方式，大量堆放的煤矸石造成了巨大的危害。

它的危害首先表现在占用土地资源方面，目前，全国历年累计堆放的煤矸石约45亿吨，形成的煤矸石山近2600座，占用土地约1.5万公顷，煤矸石的占用地不仅包括山地，还包括农业用地和林地，造成了极大的土地资源浪费。

其次，煤矸石会破坏土壤环境，煤矸石中含有毒、有害元素，随着淋溶水的作用进入土壤，对土壤造成污染，进而影响植被生长。

再次，煤矸石还会污染地下水，煤矸石内的砷、汞、铅等有害元素随着雨雪的淋溶进入地表水和地下水，进而随着水的流动而造成大面积的水体污染。随着水体污染程度的加大，人们可利用的饮用水及生活用水将不断减少，且在日常生活中人们也将会摄入这些有害水，从而影响人体健康。

另外，煤矸石还会污染大气，大量的煤矸石堆积，易造成无粘结性的煤矸石表面风化成为粉尘，并在风力作用下，笼罩整个矿区及周边地区，严重污染环境。此外，堆积而成的矸石山结构疏松，且孔隙率高，易造成可自燃的硫化铁发生氧化反应，并放出大量热，使得矸石山内部温度上升，当该温度达到煤的燃点时，便可造成矸石山自燃，进而放出有毒有害气体，污染大气环境。

最后，煤矸石还会引起地质灾害，当人工开挖扰动以及降雨量较大时，易影响煤矸石山的稳定性，引起重力灾害事故，如山体滑坡、泥石流以及山体坍塌等灾害事故。

目前我国煤矸石主要在塌陷地充填复垦、水泥生产、铺路、发电和生产免烧砖等方面用量较大。在陶粒及炭基肥制造等方面也有一定应用。这些方法提高了煤矸石资源利用率，部分利用方式也大大提高了煤矸石的附加值，但总体来说，我国煤矸石的利用率仍然较低，利用率赶不上产生率，加上历史遗留量巨大，所仍然有大量有煤矸石山存在。

煤矸石山的植被或生态恢复是解决其产生各种环境影响的重要途径，同时也是有效保存煤矸石资料的一种有效方法。以往的煤矸石山的植被恢复主要采取覆土复垦恢复植被的方法，即在煤矸石山上覆盖约60cm厚的土层，并在其上种植耐干耐酸特性的植物。虽然可以收到不错的成效，但覆盖60cm厚的土层较为浪费资源，且运输费用也是一项不小的开支，成本太高。因此，有必要设计一套减少覆土量来恢复煤矸石山植被的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矸石山综合治理工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种矸石山综合治理工艺，该工艺包括以下步骤，

第一步：坡面修整，将坡度较大的煤矸石山进行修整，减小煤矸石山至适宜种植的坡度；

第二步：灌浆客土，灌浆客土共分为上中下三层，最下层为灌注含水量较高的稀泥浆(其目的在于泥浆能够比较容易渗入煤矸石孔隙)与煤矸石混合物层，中层为泥浆、稻草、草木灰煤矸石混合物层，最上层为薄层自然表土层；

第三步：植物定植，选择抗污染能力强、耐干耐酸、生长能力较强的植物的种子(草灌混合)进行喷播种植，播种后进行防侵蚀网覆盖；

第四步：后期维护，主要针对矸石山治理后的生态脆弱期，对恢复区坡面进行喷水施肥，保证植被前期稳定的营养来源和土壤的恢复。

作为一种矸石山综合治理工艺的优选方案，在第一步中，对于大面积的山体平整采取划分地块单元进行平整的方式，首先应对陡峭山体在平面上进行总体部署，以同坡向的坡面为单元或者以侵蚀沟的沟缘线来划分地块单元，地块形状因地势而异，在确定地块单元后，采取“平台降缓”法分别对每个地块单元进行平整降缓。

作为一种矸石山综合治理工艺的优选方案，当煤矸石山的坡面坡度较大时，在进行上述工作前，应在坡面整形时对坡面进行粗糙处理，即将原本较光滑的坡面，采用工程措施，使用其变得粗糙，以使煤矸石之间的大孔隙暴露出来，以利于灌浆，另一方面，也有得于第三步的上覆表土能够较好地与煤矸石表面粘结在一起，增加上覆表土附着力，提高其抗侵蚀的能力。

作为一种矸石山综合治理工艺的优选方案，在第二步中，采用分层填充的方式灌浆客土，该方式包括以下步骤，

S1：选用中低粘度的泥浆进行灌注填充，保证浆液有足够的流动性，能够完全渗入煤矸石缝隙中，通过泥浆泵向煤矸石山表面喷射中低粘度的泥浆，依靠高速泥浆冲击加速泥浆渗透和流淌渗入煤矸石缝隙，并在下层逐渐淤结封堵住煤矸石缝隙，该层的位置应在煤矸石表面40cm以下，构筑厚度30cm以上，其目的是构造一层防渗漏层，同时也可以起到对下面煤矸石资源的保护作用；

S2：在S1中形成的泥浆煤矸石混合物层之上，进一步选用较高粘度的泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰等混合物，以流体的形式灌注入煤矸石缝隙中，直至灌满上层的所有煤矸石缝隙，该层厚度在40-45cm之间，其目的是形成一层较疏松的保水保肥层，同时为植物扎根提供空间；

S3：在S2中灌注满泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰等混合物的煤矸石表面覆盖一层自然表土(以粉土和壤土最佳)，覆土后进行适当压实，使表层土壤与下层泥浆、草木灰和煤矸石混合物层充分结合，其目的在于增加表层土壤在坡面的附着力，提高土壤抗侵蚀的能力，同时使上覆土壤孔隙与下层混合物孔隙相连通，最后使三个层次成为一个整体，以构造一个深厚的土壤剖面层，以满足植物对土壤厚度的要求，也保证了对植物的供水和供肥能力，上覆土层厚度在5-10cm之间。

本发明的有益效果：

1、减少用土量。目前根据各类研究文献记载，考虑土壤耕层、作物种类以及水土流失因素，最佳复垦土壤上部覆盖层厚度为60公分以上。本方案通过采泥浆混合煤矸石层来替代植物所需较厚的土壤层，使上覆土层厚度减小，减少用土量。

2、降低运输成本。通过覆土可适当解决煤矸石山植被修复问题，在覆土过程中，运输土壤所产生的费用会增加修复成本，方案可减少用土量，相应也减少了运输成本。

3、提高持水能力。裸露煤矸石的非毛管孔隙度大，毛管孔隙度小，仅通过覆土无法解决煤矸石山大孔隙较多，持水能力较差的问题。通过往煤矸石山表层灌浆，可减少大孔隙数量，增多毛管孔隙，以达到提高持水能力，增加植物存活时间的目标。

4、减少煤矸石山堆积造成的灰尘污染。煤矸石山堆积，表层裸露煤矸石风化会造成大量灰尘污染，对周边群众健康安全生活造成威胁，给当地生态环境造成极大污染，方案中提出方法可有效减少煤矸石风化造成的灰尘污染，经过植被修复可达到巩固土壤，防止水土流失的效果。

5、提高煤矸石山土壤肥力。土壤肥力是植被生长的重要条件之一，煤矸石山风化形成的表层颗粒物中所含有机质不是植物生长所需，本方案通过先填充泥浆后覆土的方法与传统单纯覆土相比，(混合)泥浆中富含有机肥力，利于植物生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为矸石山综合治理工艺的流程示意图。

图2所示为坡面修整示意图。

图3煤矸石山修复剖面图一。

图4煤矸石山修复剖面图二。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图4所示的一种矸石山综合治理工艺，该工艺包括以下步骤，

第一步：坡面修整，将坡度较大的煤矸石山进行修整，减小煤矸石山至适宜种植的坡度；

第二步：灌浆客土，灌浆客土共分为上中下三层，最下层为灌注含水量较高的稀泥浆(其目的在于泥浆能够比较容易渗入煤矸石孔隙)与煤矸石混合物层，中层为泥浆、稻草、草木灰煤矸石混合物层，最上层为薄层自然表土层；

第三步：植物定植，选择抗污染能力强、耐干耐酸、生长能力较强的植物的种子(草灌混合)进行喷播种植，播种后进行防侵蚀网覆盖；

通过以上三个步骤可以有效修复煤矸石山的生态环境，与传统方法相比也降低了成本。

第四步：后期维护，主要针对矸石山治理后的生态脆弱期，对恢复区坡面进行喷水施肥，保证植被前期稳定的营养来源和土壤的恢复。

后期维护主要针对矸石山治理后的生态脆弱期，对恢复区坡面进行喷水施肥，保证植被前期稳定的营养来源和土壤的恢复。

坡面修整如图2所示：

我国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，矸石颗粒自然滚落堆积形成高大的锥形矸石山，所以矸石山实质上是一个自然堆积角平均为30°-36°的陈旧性碎石堆积坡。基于矸石山植被恢复的坡度条件，为避免矸石山由于水流冲刷发生山体滑坡，对陡峭坡面进行地块平整是必要的。

在第一步中，对于大面积的山体平整采取划分地块单元进行平整的方式，首先应对陡峭山体在平面上进行总体部署，以同坡向的坡面为单元或者以侵蚀沟的沟缘线来划分地块单元，地块形状因地势而异，在确定地块单元后，采取“平台降缓”法分别对每个地块单元进行平整降缓。

当煤矸石山的坡面坡度较大时，在进行上述工作前，应在坡面整形时对坡面进行粗糙处理，即将原本较光滑的坡面，采用工程措施，使用其变得粗糙，以使煤矸石之间的大孔隙暴露出来，以利于灌浆，另一方面，也有得于第三步的上覆表土能够较好地与煤矸石表面粘结在一起，增加上覆表土附着力，提高其抗侵蚀的能力。

分层填充如图3所示：

坡面修整达到标准后，采用分层填充的方式灌浆客土，详细步骤如下，

S1：选用中低粘度的泥浆进行灌注填充，保证浆液有足够的流动性，能够完全渗入煤矸石缝隙中，通过泥浆泵向煤矸石山表面喷射中低粘度的泥浆，依靠高速泥浆冲击加速泥浆渗透和流淌渗入煤矸石缝隙，并在下层逐渐淤结封堵住煤矸石缝隙，该层的位置应在煤矸石表面40cm以下，构筑厚度30cm以上，其目的是构造一层防渗漏层，同时也可以起到对下面煤矸石资源的保护作用；

S2：在S1中形成的泥浆煤矸石混合物层之上，进一步选用较高粘度的泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰等混合物，以流体的形式灌注入煤矸石缝隙中，直至灌满上层的所有煤矸石缝隙，该层厚度在40-45cm之间，其目的是形成一层较疏松的保水保肥层，同时为植物扎根提供空间；

S3：在S2中灌注满泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰等混合物的煤矸石表面覆盖一层自然表土(以粉土和壤土最佳)，覆土后进行适当压实，使表层土壤与下层泥浆、草木灰和煤矸石混合物层充分结合，其目的在于增加表层土壤在坡面的附着力，提高土壤抗侵蚀的能力，同时使上覆土壤孔隙与下层混合物孔隙相连通，最后使三个层次成为一个整体，以构造一个深厚的土壤剖面层，以满足植物对土壤厚度的要求，也保证了对植物的供水和供肥能力，上覆土层厚度在5-10cm之间。

如图4所示，整个构造剖面为由下到上分别为煤矸石堆垫层(R层)、防渗漏层(C层，30cm)、保水保肥层(AB层，40cm)、上覆表土层(A层，5-10cm)。

R层有煤矸石被C层、AB层及A层覆盖，有效隔绝了空气进入，可以防止煤矸石中有机成分及黄铁矿(FeS2)氧化而发生自燃或爆炸，也减少氧化热释放。

C层设置30cm以上的粘质土层，一方面可以有效控制上层土壤水分向下渗透进入R层的大孔隙而快速流失，同时也减少了养分的流失。另一方面，可以有效阻止下层释放热快速传导致上层，造成上层水分蒸发，也防止了可能的盐分表聚。

AB层为泥浆、粉煤灰或生物炭与煤矸石混合层。该层的作用，一方面可以作为养分和水分储存层，接收和保存地表来水；另一方面可作为植物根系植根层，为植物提供养分和水分，也为植物扎根提供了更加稳定基础。其中粉煤灰、生物炭等主要起到吸附固持水分和养分的作用。

A层为表土层，其作用一方面为植物定植提供初始条件；另一方面对煤矸石表面起到进一步的保护作用，防止降水直接冲刷煤矸石表层，造成其缝隙中的泥浆混合物在水的淋溶下下移而失去原有的保水保肥和植物定植功能。

当覆土煤矸石为较陡的坡面时，将表层覆盖过厚的土壤，一方面增加了用土量，另一方面在降雨时也易造成水土流失。而本方案中设计为覆盖薄层土壤，一方面是降水可以较快渗入AB层，由AB层来承担保水蓄水及调水的任务。另一方面表层土壤在受到降水冲蚀时，更多是颗粒先垂直向下移动进入AB层与AB层结合更加紧密，使上述的一些功能进一步加强。第三，本方案中对光滑坡面进行了粗糙处理，增加了上覆土地附着力，也有效减弱其在降水时的流失量。

效果：构造由下到上分别为煤矸石堆垫层(R层)、防渗漏层(C层，30cm)、保水保肥层(AB层，40cm)、上覆表土层(A层，5-10cm)的剖面结构，有效解决水分渗漏问题，也对下层堆积的煤矸石资源具有很好的保护作用；以AB层煤(煤矸石、泥浆、粉煤灰或生物碳混合物层)替代大部分耕层土壤，既减少了上覆表土的量，又解决植物生长对土壤厚度的要求。

植被选择：

香根草，也叫岩兰草，是禾本科多年生草本植物，其适应能力很强，生长速度和繁殖速度都很快，最重要的是根系十分发达，对水分和土壤肥力要求很低，非常适合种植在刚完成缝隙填充和填土的煤矸石山上进行初步修复。香根草不仅能在含有重金属的土地上正常生长，而且对被污染的土壤具有良好的净化修复能力。相关研究表明，随着香根草的种植年限增加，煤矸石基质中的Cu、Zn、Cd等重金属含量会有明显降低。

菊芋，属于菊科向日葵属多年生短日照晚熟草本植物。具有特别强的萌芽力，而且生长速度快，耐旱、耐贫瘠，根系发达，能够大大提高矸石山坡面的侵蚀能力。经实验表明，菊芋在煤矸石山可以迅速良好的生长，对于煤矸石山有良好的生态修复功能。

除以上两种经过深入研究验证可行的植物外，其余满足以下三个方面要求的植物都可以视当地实际情况选择种植：一是具有较高的逆境胁迫忍耐力与抵抗力(关键是要抗旱、耐贫瘠、pH值幅度的极端适应力等)；二是生长速度快，可以迅速扎根生长和繁殖；三是具有较强的抗污染、固牢水土、绿化美化和经济功能，最好具有改良土壤的能力。

根据稳定生态系统的要求，应对定植植物进行多品种搭配，草本和矮灌混合搭配，构造一个相对复杂的群落结构，以提高构造生态系统的稳定性。

设置草本和矮灌多物种混合搭配植被恢复模式，构造相对复杂的群落结构，提高煤矸石山构造生态系统的稳定性。提高煤矸石山生态恢复的成功率。

后期管护工作：

灌溉工作：煤矸石中含有一定量的碳、有机物及硫化物，在本方案设计处理下，可能仍然会有一定发热，并对上面的处理层温度相对于周边有一定升高，加速水分蒸发。另外因煤矸石山的植被恢复区仍具有一定坡度，水分的流失势必较平坦地强，而且没有潜水的补给。因此在植被定植和恢复期，应做好水分灌溉工作，同时加强施肥管理。

灌溉方式选择薄雾喷灌方式，喷灌对土地平整要求不高，灌溉也比较均匀，可能有效减轻对地表的侵蚀。

植物管理：在植物前期栽培结束后，要定期管护，及时了解植物生长情况并及时调节。在有条件的地方可以适当施肥促进植物生长，还要注意病虫灾害。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (1)

1.一种矸石山综合治理工艺，其特征在于该工艺包括以下步骤，

第一步：坡面修整，将坡度较大的煤矸石山进行修整，减小煤矸石山至适宜种植的坡度；

第二步：灌浆客土，灌浆客土共分为上中下三层，最下层为灌注含水量较高的稀泥浆与煤矸石混合物层，中层为泥浆、稻草、草木灰煤矸石混合物层，最上层为薄层自然表土层；

第三步：植物定植，选择抗污染能力强、耐干耐酸、生长能力较强的植物的种子进行喷播种植，播种后进行防侵蚀网覆盖；

第四步：后期维护，主要针对矸石山治理后的生态脆弱期，对恢复区坡面进行喷水施肥，保证植被前期稳定的营养来源和土壤的恢复；

在第一步中，对于大面积的山体平整采取划分地块单元进行平整的方式，首先应对陡峭山体在平面上进行总体部署，以同坡向的坡面为单元或者以侵蚀沟的沟缘线来划分地块单元，地块形状因地势而异，在确定地块单元后，采取“平台降缓”法分别对每个地块单元进行平整降缓；

在第二步中，采用分层填充的方式灌浆客土，该方式包括以下步骤，

S1：选用中低粘度的泥浆进行灌注填充，通过泥浆泵向煤矸石山表面喷射中低粘度的泥浆，依靠高速泥浆冲击加速泥浆渗透和流淌渗入煤矸石缝隙，并在下层逐渐淤结封堵住煤矸石缝隙，该层的位置应在煤矸石表面40 cm以下，构筑厚度30 cm以上；

S2：在S1中形成的泥浆煤矸石混合物层之上，进一步选用较高粘度的泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰混合物，以流体的形式灌注入煤矸石缝隙中，直至灌满上层的所有煤矸石缝隙，该层厚度在40-45cm之间；

S3：在S2中灌注满泥浆、草木灰或生物炭灰或粉煤灰混合物的煤矸石表面覆盖一层自然表土，覆土后进行适当压实，使表层土壤与下层泥浆、草木灰和煤矸石混合物层充分结合，上覆土层厚度在5-10 cm之间；

当煤矸石山的坡面坡度较大时，在进行上述工作前，应在坡面整形时对坡面进行粗糙处理，即将原本较光滑的坡面，采用工程措施，使用其变得粗糙，以使煤矸石之间的大孔隙暴露出来。

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