陕北黄土高原地区煤矸石碾压堆贮处置消纳技术及应用
时间：2023-02-18 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 生态矿山 ★
陕北黄土高原地区煤矸石碾压堆贮处置消纳技术及应用
0 引言
随着社会的发展和国家经济实力的不断提升，我国在环境保护方面的标准也在不断提高。煤矿在开采过程中排出的煤矸石量约占到煤炭开采量的12%，已成为我国累计堆积量和占用场地最多的工业固体废弃物之一[1-2]。采用科学的方法对煤矸石进行高效地处置，可以有效地解决煤矸石产生和堆放方面出现的环保和安全隐患等问题，并减少污染及次生灾害的发生。目前，煤矸石排放产生的污染对矿区生态系统影响较大,主要体现在影响植被恢复和破坏植物生长基质等方面[3]，同时大量煤矸石的堆放以及煤矸石山的自燃，对矿区的生态环境也易造成较大的危害及引起对大气的污染[4]。因此，对煤矸石进行合理有效地处置，可实现煤矸石减量化、资源化、无害化的目的,也可实现经济效益和社会效益的协调统一[5-6]。
目前我国的工业固废主要分为一般工业固体废物和危险废物，而煤矸石本身的性质不具备危险特性，属于一般工业固体废物[7-8]。煤矸石作为固体废弃物，采用堆贮处置消纳的方式是消纳煤矸石的有效方法之一。在煤矸石堆贮处置消纳过程中，煤矸石是以堆矸的方式自上而下进行倾倒，极易引起粉尘污染以及其他次生危害；若在施工过程中机械设备无法对其碾压密实，还易滞留大气降雨所带来的雨水，致使堆矸场发生不均匀沉降或塌陷，引发二次安全事故[9-10]。
笔者结合陕北黄土高原地区凉水井煤矿煤矸石处置场的地质条件和现场情况，阐述了煤矸石碾压堆贮处置消纳技术及具体应用，以高效、经济的方式解决煤矸石处理过程中遇到的矸石堆放、土地占用、环境污染和生态破坏等各种问题，并可为同等矿山条件下固体废物的处置提供借鉴。
1 煤矸石碾压堆贮处置消纳技术介绍
煤矸石碾压堆贮处置消纳技术的应用是对煤矸石进行科学堆放、处置和消纳的过程，该技术釆用自下而上的方式堆贮煤矸石，并使用专用机械设备在堆矸面进行分层碾压堆贮[11]，在作业过程中采用填筑单元升层法，即通过具有同样高度的一系列相互衔接的填筑单元，构成一个整体平面升层的过程。
煤矸石碾压堆贮处置消纳技术每次堆贮煤矸石的压实厚度基本控制在0.5 m左右，当堆矸厚度为4.5 m时，在煤矸石表面再覆盖厚度为0.5 m的黄土。采用本方法处置煤矸石的堆放场地应根据堆放需求逐渐扩展，充分利用堆矸场周边的相关资源，减少运输量和运输距离，避免二次搬运，节约成本。随着堆贮高度的不断增加，需要在处置场底部设置渗滤液收集管道，将处置场底部聚集的渗滤液及时导排至处置场外部，此举有利于提高处置场边坡的安全稳定系数。
排矸场地的排矸系统由配套拦矸坝、截水和排水工程、监测及防护工程、雨水收集及污水处理等设施组成。常规煤矸石堆贮釆用的处置工艺为自下而上的方式分层摊铺碾压，随着堆贮的不断推进逐步完善截、排水系统等相关配套工程设施，后期还需要对堆贮煤矸石坡面及时实施防护绿化工程。模拟的煤矸石最终堆贮效果如图1所示。
图1 模拟的煤矸石最终堆贮效果
由于该工艺成本低、操作简单，目前已广泛应用于煤炭、冶金、化工、火电等行业的一般工业固体废物处理。陕北黄土高原地区煤炭资源丰富且产能高，由此产生的煤矸石量巨大，但是由于黄土高原地区气候干燥，因此在使用该工艺时要特别注意煤矸石的大量堆贮引发的坍塌和自燃等一系列问题。
2 矸石处置场改扩建工程概况
2.1 工程地质条件
凉水井煤矿位于陕北黄土高原地区北部，属丘陵沟壑区。地势总体呈西部高东部低、中部高南北部低的特点，区域属于中温带半干旱大陆性气候，冬季气候寒冷，夏季气候炎热，昼夜温差大，气候干燥，具备堆贮煤矸石发生自燃的各种条件。
根据地质钻孔揭露情况可知，该煤矿选取的煤矸石堆贮场地土层自上而下依次为细砂层、粉质粘土层、粉土层和粉质粘土层。勘察场区范围内分布的地下水，属第四系潜水类型，埋深3.2～11.9 m，标高 1 217.56～1 230.97 m，该地下水场地基土(粉细砂)不易液化。
2.2 矸石处置场现状
为了保护矿区环境及保证凉水井煤矿的正常生产，还要持续消纳产生的煤矸石，因此需要对现有的煤矸石消纳处置场进行综合治理。随着煤矸石排放量的增加，处置场现有的配套设施建设已不再能够满足截、排水、边坡稳定、防尘降尘等需要，容易引起污染和二次灾害。特别是雨季，暴雨的冲刷极易引起煤矸石坡面滑坡和垮塌等现象，而雨水的下渗极易导致渗滤液增加，污染土壤和地下水，同时还极易引起处置场内的不均匀沉降，对后期正常的排矸堆贮作业产生严重影响。煤矸石堆贮场综合治理前现场实景如图2所示。
图2 煤矸石堆贮场综合治理前现场实景
2.3 解决措施
结合该煤矿的地形地貌和地质条件采用煤矸石碾压堆贮处置消纳技术，该处置场的煤矸石堆填作业方式根据“从下至上、逐层碾压”的堆填原则，釆用分层平起后退法。煤矸石的堆放贮存作业工艺流程为：卸料、推铺、压实、降尘等。即转运车将煤矸石运输至处置场堆放区，在现场管理人员的指挥下，在确定的作业面上倾倒煤矸石，推土机将煤矸石推平后，由压实机进行压实处理，然后由洒水车进行洒水降尘。如此往复，直至终场。
按照煤矸石的堆填工艺，在每10 m的高度处，设置行驶宽度不小于5 m的一级运输矸石的自卸汽车通道和坡面雨水收集疏导平台，通过在处置场周边设置截排水沟形成排水系统，将降雨形成的地表径流排出处置场外。通过多次堆贮工序形成的堆矸台阶高度不高于10 m，台阶宽度不低于5 m，台阶坡率为1∶2。
为避免煤矸石面上大气降水下渗在处置场底部聚集形成水膜，影响处置场整体的稳定性，在处置场底部铺设渗滤液导排系统，以便及时快速地导排出底部聚集的渗滤液，提高处置场的稳定性。
3 煤矸石碾压堆贮处置消纳技术的应用
3.1 煤矸石堆贮
煤矸石由自卸卡车运输至处置场对矸石进行堆贮，在卸料层面进行卸料时还应该注意，晴天时车辆可直接在煤矸石堆体表面行驶，而雨天时为防止运矸车在堆体表面行驶中出现打滑的情况，可将煤矸石堆体表面稍作修整并为道路垫层，若已堆放的煤矸石强度不足时，应临时铺设砂石或釆用水泥预制板加固堆体表面。
运输煤矸石的自卸卡车在排矸道路及处置场卸矸过程中产生的粉尘颗粒，极易对大气环境造成污染，因此还需在处置场进行洒水降尘处理。每完成一次堆放工序时，都需及时进行降尘处理，防止粉尘污染空气。
3.2 煤矸石处置
(1)摊铺。每次摊铺煤矸石厚度为0.40～0.45 m，倾倒的煤矸石以合理的厚度、平整度进行摊铺，有利于煤矸石压实工序的顺利进行，保证设计压实密度的实现，可有效利用处置场库容。
(2)压实。先由推土机摊铺，再釆用压实机来回碾压3～4次，每次压实必须有1/3以上的范围覆盖上次压痕，压实后的煤矸石容重应不低于2 t/m3，压实度不小于0.9。煤矸石的压实可以有效地增加处置场的消纳能力，延长处置场的使用年限，减少处置场的沉降量，不仅有利于煤矸石堆体的稳定，还有利于增加堆积物边坡的稳定性，便于土地的后期开发和利用。对煤矸石进行有效压实能够增加处置场地的强度，防止发生坍塌、不均匀沉降等灾害，同时还能够减少煤矸石孔隙率以及渗入煤矸石堆体中的降雨量，减少煤矸石渗滤液的迁移。坝体回填及压实后的现场效果如图3所示。
图3 坝体回填及压实的现场效果
在煤矸石处置过程中，为避免在卸车、摊铺、碾压过程中产生扬尘，应根据气候、温度及风力等因素，使用防尘喷洒水车随时洒水降尘。
3.3 渗滤液处理
该处置场中的煤矸石在消纳过程中的渗滤液来源主要为降水下渗，同时受气候以及周边环境的影响，渗滤液不仅水量变化大，且无规律可循。因此在施工过程中，需要在处置场底部铺设渗滤液导排系统，该系统采用3根50 mm软式透水管组成，渗滤液收集管示意如图4所示。
图4 渗滤液收集管示意
煤矸石处置消纳技术的实施可以防止渗滤液聚集在处置场底部形成水膜后对处置场边坡的稳定性造成影响，作业面以外的雨水由平台排水沟导排至截水沟后排向场外，减少雨水侵蚀排矸场底部，从而最大程度地减少矸石渗滤液的产生，减轻对地下水资源的污染。收集管道将渗滤液安全引流到处置场北部东西两侧的渗滤液收集池。此举可以将渗滤液及时快速地导排到处置场底部，定期通过专门的汲水车将渗滤液回喷至处置场，达到降尘的目的。实际应用中本办法简单、实用且经济。渗滤液收集池位置如图5所示。
图5 渗滤液收集池位置
渗滤液收集池与自然沟槽和其他水系等互不联通，以防污染扩散。将煤矸石处置场底部导排出的渗滤液进行收集和处理，既节约水源，还可以减少对环境的污染，达到废水零排放的目标。通过专用的汲水车再回喷至处置场内的工作面，进行蒸发处理的同时还能起到防尘降尘的作用。
3.4 截、排水工程
该处置场附近整体地形较为平坦，整体地势南高北低，区域内以地表水为主。因此，该处置场不受河流洪水威胁，仅考虑场地内涝影响。本项目区域内的降雨多集中于7～9月，年均降雨量为436.7 mm，年均蒸发量为1 907.2～2 122.7 mm，是降雨量的4～5倍。
场区周围及内部设置截、排水沟，未污染的雨水经截、排沟收集后导排至处置场外低洼处，达到雨污分流的目的。截、排水沟基本构造示意如图6所示。
图6 截/排水沟基本构造示意
在每一级平台内侧设置平台排水沟，平台排水沟汇集水接至消力池。急流槽接至外部导流排水沟，将汇集水导排至排矸场范围外。对现有边坡刷坡完成后，沿现有边坡坡脚及拦矸坝底部设置排水沟，主要用于保护坡脚不受雨水冲刷及收集导排部分坡面汇集水。
排水设施均采用C25混凝土预制块修筑，平台排水沟为0.4 m×0.4 m(高×宽)的矩形沟，底部排水沟为0.5 m×0.5 m(高×宽)的矩形沟，外部排水沟采用1.0 m×0.8 m(高×宽)的梯形沟，斜坡上急流槽釆用1.0 m×0.4 m(高×宽)的矩形沟，平台段釆用1.5 m×1.5 m×1.0 m(长×宽×高)的消力池。
3.5 拦矸坝
从处置场整体稳定性的角度出发，在新建矸石场的周边应修筑拦矸坝。新建拦矸坝坝顶中心线总长度为1 700 m，周边修建截水沟，与现有排矸场周边的截水沟顺接，与排矸场坡面排水沟构成排矸场的截、排水系统。
随着降雨的入渗，边坡材料的含水率逐步上升，这一过程中伴随着煤矸石重度的改变，矸石间的吸附力也发生较大变化。在矸石堆填过程中，虽经过压实作业，但其颗粒间仍保持较为松散的结构，在对煤矸石强度参数进行分析时，需要采用非饱和土强度理论进行分析处理[9]。随着孔隙水压力的不断增大，煤矸石的基质吸力在不断减小，整体的抗剪强度降低，影响到了边坡的稳定及安全。煤矸石堆贮结束后，釆用厚度为0.5 m的黄土覆盖，再用厚度为0.4 m的干砌片石进行坡面防护，黄土覆盖和干砌片石进行坡面防护如图7所示。
图7 黄土覆盖和干砌片石进行坡面防护
采取坡面防护措施可以保证拦矸坝坡面不易受雨水冲刷、大风剥蚀、冻胀干裂等破坏[9]，本着节约材料、就地取材的原则，在煤矸石粒径大小及强度满足填筑要求的前提下，用煤矸石代替以上筑坝材料。拦矸坝的构造示意如图8所示。
图8 拦矸坝构造示意
本工程的最大堆矸高度为60 m。将排矸场周围边坡进行刷坡治理，拦矸坝建设按照每一级水平高度10 m进行，每级台阶设置5 m宽的马道。排矸场外围子坝边坡坡面坡率为 1∶2。
3.6 终场覆盖
终场覆盖是处置场完成局部或全部的煤矸石堆填厚度要求后，进行的煤矸石堆体表层覆盖。对处置场进行最终封场覆盖是在堆放压实的煤矸石表面覆盖40 cm的粘土并压实做为阻隔层，以防止雨水渗入固体废物堆体内。上面再铺一层70 cm的营养土层，以利于植物生长。封场表面应保持5%的坡度，这样即可以保证表面径流的顺利导排，又不至于因为表面坡度太大引起强度较大雨水的冲刷，避免水土的流失。
终场覆盖可以起到减少雨水渗入煤矸石堆体，从而减少渗滤液产生的作用，还可以避免已堆填的煤矸石微粒遇风、雨后四处飞扬等问题。终场覆盖有利于煤矸石堆体表面的植被恢复和绿化，便于煤矸石堆放贮存后土地的再利用[11-12]。
4 施工过程中采取的环保技术措施
4.1 环保措施
本工程中采取煤矸石碾压堆贮处置消纳技术实现了煤矸石无害化处置，能避免产生二次污染。煤矸石作为工业固体废物在处置过程中与处置场周边的大气防护、水资源保护、环境生态保护及生态平衡要求达到了相互协调，不引起空气、水和噪声的污染，无危害公共卫生的情况发生。
为了满足植被恢复和水土保持的要求，增强土地的可利用度，需要对堆贮碾压完成的煤矸石体进行整形整地处理，并在边坡上覆土绿化[3]。需要利用植物来改善边坡岩土层地质状况，减少水土流失，改善生态环境和地区气候[13]。
在煤矸石处置过程中，车辆的出行、材料的运输等已尽量采取减污降噪措施。弃土随挖随清，对干燥弃土做到随时洒水降尘，散落路面泥土及时清理，以减少环境污染。现场不随便乱丢废弃物，及时清理施工现场的生活废弃物，并妥善处理。
处置场渗滤液的收集或处置若不当，会直接或间接对邻近地表水和地下水造成污染，因此必须要采取有效措施最大限度控制渗滤液对环境造成的影响。为了对处置场填埋区清水(降雨)和污水(渗滤液)的排出各自形成独立的系统分别进行控制，有效实施雨污分流，最大限度地减少渗滤液处理量及产生污水的量，采取实时监控渗滤液排放等措施，做到“限时、限量、限值”排放，维持水体水质100%达标。
4.2 防尘措施
煤矸石处置过程中产生的主要大气污染为粉尘污染。本项目处理的固体废物主要为原煤选煤后的煤矸石，煤矸石产生环境污染的主要是粉尘污染和渗滤液污染。为防止粉尘污染，本项目主要依靠专用运输车辆密封覆盖运输、道路洒水降尘、作业面洒水降尘等措施来解决。
从处置场北部东西两侧不远处的渗滤液收集池，抽取大气降雨经处置场渗流到处置场底部的渗滤液，通过污水收集车专门的喷洒系统，将渗滤液回喷至需要降尘的经过堆贮碾压的煤矸石体表面上。道路洒水随季节变化每天不少于2次，干燥多风或蒸发量较大时，增加喷洒降尘的次数。煤矸石卸车、摊铺、碾压等工作区域，则根据气候、温度及风力等因素随时洒水降尘，避免有害灰尘污染空气。
4.3 技术措施
在处置场四周设截水沟拦截雨水，杜绝雨水在煤矸石场范围内长期积存。利用渗滤液导排系统收集渗滤液，并定期通过专门汲水车将渗滤液回喷至处置场，达到降尘的目的。作业面以外的雨水由平台排水沟导排至截水沟后排向场外，减少雨水侵蚀处置场底部，从而最大程度减少煤矸石滤液的产生，减轻对地下水资源的污染。
采用流水作业的方式对运送到处置场的煤矸石进行及时摊铺和碾压，碾压后的煤矸石表面应光滑平整，并尽量减少对压实煤矸石表面的扰动。应该特别注意对煤矸石场内边角处的碾压，喷洒车辆及时跟进进行洒水，保持煤矸石体表面湿润，防止风吹产生的扬尘。洒水作业严禁集中进行冲刷，注意喷洒应适度均匀。
煤矸石表面压实洒水完成后，煤矸石含有的氧化钙在水解胶结作用下，在其表面形成起保护作用的薄壳，能起到增强抗风能力、减少粉尘的作用。建成区域进行黄土覆盖后进行绿化种植，可以保证煤矸石面不裸露，起到改善和美化环境的作用。
4.4 绿化防护措施
煤矸石处置过程中，要按照分层碾压填筑模式压密堆贮。为保持整个处置场坡面防护和绿化与周边环境的协调性和一致性，加强处置场堆填坡面的稳定性，各级堆矸子坝永久坡面应釆取坡面防护和覆土绿化措施。各级子坝永久坡面上覆盖50 cm黄土后，还应设置浆砌块石网格护坡，网格内种植耐寒耐旱植被，同时在护坡面上设置浆砌块石用作上坝台阶踏步。处置场最终堆贮面以黄土覆盖，按照当地优生植被类型进行复垦绿化。例如种植适应于当地环境生长的植被，主要有沙柳、沙蒿、柠条和沙打旺等。
处置场达到使用年限后，关闭或封场时的表面坡度一般不超过3%。台阶坡面的强度要具备能经受暴雨冲刷的强度，且应有不小于2%～3%的坡度。为有利于恢复植被和环境改善，关闭时表面一般应覆一层厚度不小于1 m的天然土壤。 堆矸场治理完成后效果如图9所示。
图9 堆矸场治理完成后效果
矸石堆贮结束后，在达到整体稳定之前仍然需要继续进行维护管理。采取措施防止覆土层下沉及开裂导致的渗滤液量的增加，同时还要防止固体废物堆体失稳造成滑坡等次生灾害。
5 结语
煤矸石作为一般工业固体废弃物，存在占用土地、污染环境的问题，并且容易造成自燃、坍塌等次生灾害，而煤矸石碾压堆贮处置消纳技术采用“从下至上、逐层碾压”的堆贮碾压工艺，设置了有效的渗滤液处理系统，既可以解决煤矸石的堆放和消纳问题，又有利于矿区内的生态环境的保护。本方法在大量消纳矿区产出的煤矸石的同时，还有利于生态环境的恢复，达到经济发展与环境保护的协调统一，可以为同类型固体废物的处置提供借鉴。
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