于桂芬,楊亞平,崔焱森

(潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 林業(yè)處,山西 長(zhǎng)治 046204)

潞安集團(tuán)煤矸石山邊坡生態(tài)治理工程技術(shù)
——以王莊煤礦為例

于桂芬,楊亞平,崔焱森

(潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 林業(yè)處,山西 長(zhǎng)治 046204)

煤矸石山;邊坡;生態(tài)環(huán)境治理;生態(tài)植被毯;王莊煤礦

潞安集團(tuán)王莊煤礦在礦山生態(tài)治理理念的指導(dǎo)下,結(jié)合煤矸石山現(xiàn)狀及邊坡治理的特殊要求,先采取工程措施,將矸石山整形為坡臺(tái)式,用黃土(粉煤灰)分層碾壓覆蓋,繼而采用地表覆蓋法進(jìn)行表面防侵蝕處理、修建排水溝,然后采用鋪設(shè)生態(tài)植被毯的方法恢復(fù)邊坡植被,選擇適宜樹(shù)種進(jìn)行合理配置,并采取了相應(yīng)的撫育管理措施,使矸石山邊坡的治理初見(jiàn)成效。

王莊煤礦位于長(zhǎng)治北郊區(qū),地理坐標(biāo)為東經(jīng) 113°02′19″—113°09′51″、北緯 35°52′45″— 35°57′00″,在我國(guó)規(guī)劃的 13個(gè)大型煤炭基地之一晉東南基地潞安礦區(qū)內(nèi),井田屬沁水煤田東部邊緣中段。該礦的西矸石山是在荒地上堆積而成的,累計(jì)堆積時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 20年,煤矸石的總堆積量約有 156萬(wàn) m3,占地面積約7.67 hm2。矸石山寬約 220 m,長(zhǎng)約 400 m,高約 55 m,坡度在15°～38°之間,至今無(wú)自燃跡象[1]。該礦于 2008年 5— 10月進(jìn)行了地形整理與土石方工程整治,2009年 5—10月進(jìn)行了生態(tài)綠化種植,矸石山邊坡的治理已初見(jiàn)成效。

1 項(xiàng)目區(qū)自然概況

王莊煤礦地處黃土高原東南部的上黨盆地之內(nèi),遠(yuǎn)離海洋,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,一年四季氣候差異較大:冬季受西伯利亞寒流影響,風(fēng)大、溫度低;夏季則氣溫較高,空氣濕度低。一般每年 11月份至次年 5月份為旱季,6—8月份為雨季,7—9月份為暑期。年均氣溫為 9.5℃,極端最高氣溫 37.8℃,極端最低氣溫 -25.3℃。凍土層最大厚度為 42 c m,開(kāi)凍期為 3月下旬。全年無(wú)霜期為 148d。年均降水量 678.65 m m,但多集中在夏季(6—9月份),降水量為 386.6 mm,占全年降水量的57%;年降雪量為 30.3 m m,占全年降水量的 4.5%。每年的春秋冬季西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,年均風(fēng)速為 3.5 m/s,冬季疾風(fēng)時(shí)風(fēng)速達(dá) 20.6 m/s,偶有龍卷風(fēng),風(fēng)速可達(dá) 230 m/s,具有極大的破壞力。王莊礦區(qū)位于太行山中段西側(cè),屬漳河流域,海拔約為917 m,高出漳河河床 12～15 m。

2 治理目標(biāo)

2.1 消除邊坡隱患

王莊煤礦排矸場(chǎng)目前的排放均采用“由上向下,自然堆積,平整頂部,不斷延伸”的方式,未分層碾壓,煤矸石堆放時(shí)的自然安息角較大,有可能發(fā)生坍塌、滑坡等自然災(zāi)害,對(duì)周圍環(huán)境影響較大,并危及周圍居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。所以,煤矸石山治理的首要目標(biāo)就是消除邊坡隱患。

2.2 恢復(fù)邊坡植被

煤矸石山堆放在自然環(huán)境中,不僅占用大量的土地資源,而且破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,同時(shí)其緊鄰公路,還影響煤炭企業(yè)的環(huán)境形象。建立穩(wěn)定的人工植物群落,可有效遏制煤矸石對(duì)環(huán)境的污染,涵養(yǎng)水源,抑制揚(yáng)塵,減少淋溶水,為草本植物和菌類的成活創(chuàng)造較好的微生態(tài)環(huán)境,改善礦區(qū)及其周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量和水環(huán)境質(zhì)量。因此,恢復(fù)邊坡植被是煤矸石山治理的又一目標(biāo)。

3 治理思路

由于以往排矸采用的是由上到下自然傾倒的工藝,邊坡坡度較大,無(wú)法直接覆土夯實(shí),因此必須進(jìn)行人工削坡。在治理過(guò)程中,盡量因地制宜,利用現(xiàn)有地形削坡平整,確保治理后的矸石山邊坡穩(wěn)定。在植被恢復(fù)方面,按照生態(tài)學(xué)原理,實(shí)地調(diào)查,選擇優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,培育良種壯苗,認(rèn)真栽植,精細(xì)管護(hù)。在生態(tài)理念為主導(dǎo)的基礎(chǔ)上,采用生物與工程相結(jié)合的綜合技術(shù)措施進(jìn)行矸石山邊坡治理,按照適地適樹(shù)原則,因地制宜建設(shè)特色景觀。

4 煤矸石山邊坡治理工程技術(shù)

為節(jié)約用地,王莊煤礦煤矸石以堆積高度過(guò)高、坡度過(guò)大的錐形為主,表面積的 90%以上由坡面組成,排矸過(guò)程沒(méi)有經(jīng)過(guò)碾壓、整形處理,如遇特大暴雨、洪水、地震等自然災(zāi)害極易造成山體失穩(wěn)、滑坡或泥石流現(xiàn)象。所以,山體整形穩(wěn)定是工程治理的重點(diǎn),要因地制宜,充分利用現(xiàn)有地形、地貌,就近挖、填調(diào)運(yùn)矸石(不外運(yùn)也不內(nèi)調(diào)),做到挖矸量與填矸量基本平衡。

4.1 整形工程

4.1.1 整形削坡,增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性

結(jié)合煤矸石山現(xiàn)狀及邊坡治理的特殊要求,將矸石山整形為坡臺(tái)式。按《礦井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的要求,根據(jù)覆土、固土的需要,坡面按高寬比≤1∶1.5(坡度為 33.7°)進(jìn)行整平。

矸石山整個(gè)地形為北部、東南部高,南部、西北部低,坡頂最高點(diǎn)高程為 977.4 m,坡底最低點(diǎn)高程為 920.3 m,西北部高差 56m,東南部高差 40m。本設(shè)計(jì)根據(jù)地形把矸石山分為 1個(gè)平臺(tái)、2個(gè)馬道、3個(gè)坡面。平臺(tái)高程為 968～970 m,北部坡面按高寬比 1∶1.6進(jìn)行削坡、整平,東南部坡面按高寬比 1∶1.8進(jìn)行削坡、整平,南部及西南部坡面按高寬比 1∶1.5進(jìn)行削坡、整平,各個(gè)坡面坡度均能滿足設(shè)計(jì)要求(高寬比≤1∶1.5)。

經(jīng)過(guò)土方平衡計(jì)算,可以做到就近挖、填調(diào)運(yùn)矸石(不外運(yùn)也不內(nèi)調(diào))。平臺(tái)上,中部向東南部調(diào)運(yùn),西北部向北部坡面上調(diào)運(yùn)。坡面上,西北部向西南和東北部調(diào)運(yùn),東南部向西南和東北部調(diào)運(yùn)。挖矸量與填矸量基本平衡。

4.1.2 覆土夯實(shí)

通過(guò)調(diào)查了解、現(xiàn)場(chǎng)踏勘,矸石山坡面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明火。為了保證治理效果,達(dá)到防火和植被永久恢復(fù)的目的,矸石山坡面整平至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,需用黃土、粉煤灰分層碾壓覆蓋(具體操作見(jiàn)圖 1)。首先在整形后的煤矸石表層鋪設(shè) 0.3 m厚的粉煤灰、黏土混合物(體積比為 3∶7),壓實(shí)系數(shù)不得小于 0.85,該層起到隔絕空氣的作用;然后再覆蓋 0.7 m厚的種植土層,分層碾壓厚度 0.2～0.3 m,壓實(shí)系數(shù)不得小于 0.85。施工過(guò)程中應(yīng)注意:①使用的黃土所含碎石最大粒徑不得超過(guò)10m m,含水量要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定,含水量高時(shí)要進(jìn)行晾曬,含水量低時(shí)要灑水增濕;②黃土分層厚度控制在 0.3 m以內(nèi),每一分層應(yīng)檢測(cè)壓實(shí)系數(shù),并符合設(shè)計(jì)要求;③大型機(jī)械無(wú)法施工的死角,采用打夯機(jī)夯實(shí);④坡面碾壓使用斜坡震動(dòng)碾壓機(jī)。

圖 1 黃土、粉煤灰覆蓋碾壓法覆蓋工程示意

4.2 邊坡防侵蝕措施

煤矸石山整形覆土后表面防侵蝕采用地表覆蓋法。地表覆蓋是在復(fù)墾土壤表面覆蓋一層材料來(lái)增加土壤水分、減輕土壤侵蝕、增加土壤營(yíng)養(yǎng)成分,達(dá)到改良土壤促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的。地表覆蓋材料對(duì)防止土壤風(fēng)蝕和水蝕是非常重要的。王莊西矸石山邊坡治理所用的覆蓋材料有干草、麥稈和侵蝕被。侵蝕被是由可完全降解的脫水植物纖維編織而成,這種侵蝕被在6～12個(gè)月的時(shí)間內(nèi)可降解掉。最后修建排水溝,匯集雨水,以避免雨水在沿坡面流淌過(guò)程中沖刷覆土使矸石外露。

5 煤矸石山邊坡治理生態(tài)恢復(fù)技術(shù)

5.1 植被毯護(hù)坡

根據(jù)坡面的具體特點(diǎn),在保證坡體穩(wěn)定的前提下因地制宜、科學(xué)合理地采用相應(yīng)的坡面植被恢復(fù)措施十分重要。我們主要采用的方法是鋪設(shè)生態(tài)植被毯。生態(tài)植被毯主要是以稻草、麥稈等植物纖維為原料生產(chǎn)出來(lái)的,載體層內(nèi)添加草種、保水劑、營(yíng)養(yǎng)土等材料,是國(guó)際上常用的簡(jiǎn)便有效的水土保持植被恢復(fù)措施。生態(tài)植被毯可以增加土壤水分和養(yǎng)分,減輕土壤侵蝕,達(dá)到改良土壤、促成植物生長(zhǎng)的目的,對(duì)保護(hù)種子、加速種子萌發(fā)、迅速建立植被是非常重要的。

5.2 邊坡綠化植物的選擇

植物種類選擇的適當(dāng)與否是煤矸石山植被恢復(fù)成敗的關(guān)鍵,樹(shù)種的組成以及植被群落的組成和密度是創(chuàng)造良好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ),因此煤矸石山的植被規(guī)劃主要包括植物品種選擇和植物配置兩個(gè)方面。

5.2.1 植物品種選擇

植物種類的選擇要有利于煤矸石山的水土保持和土壤的改良,要堅(jiān)持“適地適樹(shù)”的原則,以鄉(xiāng)土樹(shù)種為主,并適當(dāng)選用經(jīng)過(guò)多年引種和馴化的外來(lái)植物品種,以增加生物多樣性和景觀的多樣性[2]。王莊煤礦煤矸石山在綠化造林前,只有風(fēng)化程度好的部位有一些野生植物如椿樹(shù)、榆樹(shù)、柳樹(shù),數(shù)量最多的也不超過(guò) 3株,高度在 1 m左右,其最大的特點(diǎn)是分枝多,呈叢生狀。

根據(jù)綠化前的植物調(diào)查和煤矸石山的特性,矸石山植被恢復(fù)應(yīng)選擇抗旱、耐瘠薄、萌發(fā)力強(qiáng)、生長(zhǎng)快、成活率高的植物品種。王莊矸石山選擇的主要樹(shù)種有刺槐、香花槐、火炬樹(shù)、側(cè)柏、山桃、油松、丁香、紫穗槐、連翹等;同時(shí)為獲取經(jīng)驗(yàn),我們?cè)嚪N了較多的品種以便優(yōu)選,試種的主要有白蠟、椿樹(shù)、合歡、珍珠梅、榆葉梅、木槿、紅瑞木等。種植后發(fā)現(xiàn)刺槐、火炬樹(shù)、白蠟、側(cè)柏、山桃以及紫穗槐、連翹等的生長(zhǎng)表現(xiàn)優(yōu)于別的樹(shù)種。研究表明,苗木應(yīng)選擇主干粗壯通直、根系發(fā)達(dá)而完整、主側(cè)枝分布均勻、無(wú)病蟲(chóng)害和機(jī)械損傷的優(yōu)質(zhì)苗木,針葉樹(shù)高度不超過(guò) 1.5m,闊葉樹(shù)胸徑不超過(guò) 3 c m。在矸石山陽(yáng)面的配置是:側(cè)柏、刺槐針闊混交,針闊比為 1∶2,主要灌木品種為連翹、丁香、紫穗槐等,主要草本植物品種為本地的蜀葵、野菊花、百日草、蒼耳、狗尾草和波斯菊等。

5.2.2 植物配置

植物配置就是運(yùn)用恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和植被群落理論等原理,對(duì)煤矸石山植被群落的組成、結(jié)構(gòu)和密度等進(jìn)行設(shè)計(jì),創(chuàng)造適宜的植物生存空間,避免種間競(jìng)爭(zhēng)[3]。植被的群落組成根據(jù)多樣性促進(jìn)穩(wěn)定性的原理,煤矸石山造林應(yīng)盡量配置成混交林,以增加植物生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和層次結(jié)構(gòu),增強(qiáng)改善生態(tài)環(huán)境的功能;植被的群落結(jié)構(gòu)應(yīng)該模擬天然植被結(jié)構(gòu),實(shí)行喬灌草復(fù)層混交。

5.3 植被恢復(fù)栽植技術(shù)

由于所栽樹(shù)種多,因此種植技術(shù)上也各有其特點(diǎn),但基本原則是一致的。種植時(shí)間以早春為最好,落葉苗木必須在 3～4個(gè)月種植完畢,花草可在 5～6月種植,春季大面積綠化,兩季(秋季、雨季)補(bǔ)植補(bǔ)種,秋季霜凍后進(jìn)行少量常綠樹(shù)種植。

王莊煤礦煤矸石山地溫高,最高溫度達(dá) 54℃,覆土緩苗是必要的,為此,喬木大都在梯田面上采用穴狀種植方法,穴坑規(guī)格一般為 0.7 m×0.7 m×0.7m,保證苗木根系的舒展,每穴填土量不少于 20k g。種植時(shí)應(yīng)先澆水降溫,然后再栽植與覆土,種植后再澆定根苗水。在王莊煤矸石山邊坡植物栽植時(shí),采用了樹(shù)穴內(nèi)鋪膜保水的綠化新技術(shù),而且在施工中我們選用了保水劑、生根粉、植物抗蒸騰劑、土壤調(diào)理劑等現(xiàn)代園林材料。

栽植時(shí)應(yīng)注意苗根的舒展,應(yīng)采用“三埋兩踩一提苗”的方法,即在栽植時(shí),把苗木放在坑正中,先填進(jìn)黃土約 20 k g,然后填進(jìn)表層的風(fēng)化矸石碎粒,填到一半時(shí),把苗木輕輕提一下,以便根系舒展開(kāi),再用腳輕輕踏實(shí),使苗木根和土壤充分結(jié)合,最后把其余的表層風(fēng)化矸石填進(jìn)坑內(nèi),用腳踏實(shí)。還采用了“深坑淺栽”方法。栽植完后最好在樹(shù)坑上面覆蓋一層疏松土,以防苗木坑中的水分蒸發(fā)過(guò)快。常綠樹(shù)全部采用帶土球栽植,土球直徑與樹(shù)徑比為 8∶1,并采用橘子包扎法;落葉喬木應(yīng)選用胸徑 3c m以下的幼樹(shù);花灌木則采用蘸泥漿移植。喬木和灌木移植前應(yīng)短截、強(qiáng)剪和截干,株行距為 1.5m×4m,成“品”字形排列,對(duì)刺槐還進(jìn)行了覆黃土栽培和不覆黃土栽培對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,覆黃土栽培成活率可達(dá)到 100%,而不覆黃土存活率極低;對(duì)花草一般是將種子與土混合后直播于梯田臺(tái)階之間的緩坡上和上山道兩側(cè)。

5.4 植被撫育管理技術(shù)

撫育管理是植物栽培工作中非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié),俗語(yǔ)有“三分栽植、七分管理”之說(shuō)。煤矸石山造林撫育管理的目的是通過(guò)對(duì)林地、植被的管理與保護(hù),為植物的成活、生長(zhǎng)、繁殖、更新創(chuàng)造良好的環(huán)境條件,使之迅速成林。

王莊煤礦煤矸石山有其獨(dú)特特征,煤矸石山綠化造林的撫育管理工作尤為重要,為此我們采用全面質(zhì)量管理的方法對(duì)苗木進(jìn)行綜合管理。主要技術(shù)措施如下:第一步是苗木成活。我們從人、機(jī)器設(shè)備、種植方法、山上條件和苗木狀況 5個(gè)方面分析主要的影響因素,通過(guò)分析,影響苗木成活率的主要因素是運(yùn)土不及時(shí)、地溫高、蒸發(fā)快和人員業(yè)務(wù)素質(zhì)差,為此,我們制定了相應(yīng)的對(duì)策。第二步是安裝水管,解決水問(wèn)題,為此我們鋪設(shè)管線 700余 m引排出的礦井水上山。澆灌方法以膠管噴水為主,應(yīng)該次多量少,切忌大水漫灌,以免浪費(fèi)水又沖走泥土。由于煤矸石山滲水性強(qiáng),因此種植后應(yīng)經(jīng)常澆水,以保持“土壤”濕潤(rùn)。一般春季每周澆一次;夏季平均 5天循環(huán)澆灌一遍,高溫時(shí)要噴水降溫;秋季 10～30天澆一次;冬季在上凍前普遍灌足過(guò)冬水。最后是綜合管理,組織專人護(hù)理樹(shù)木。在樹(shù)木栽植以后,澆水 l～2天后必須檢查有無(wú)裂縫、塌陷現(xiàn)象,一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)培土踏實(shí)。特別應(yīng)預(yù)防 4月份干熱風(fēng)及冬季西北風(fēng)的襲擊,在越冬前對(duì)樹(shù)木要進(jìn)行整形修剪,每季還應(yīng)記錄物候以便總結(jié)經(jīng)驗(yàn),并對(duì)病蟲(chóng)害及缺肥癥狀注意觀察,一旦發(fā)現(xiàn),立即采取噴藥或施肥等相應(yīng)措施。

6 治理經(jīng)驗(yàn)

(1)結(jié)合煤矸石山現(xiàn)狀及邊坡治理的特殊要求,將矸石山整形為坡臺(tái)式,并根據(jù)《礦井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,因地制宜,充分利用現(xiàn)有地形地貌進(jìn)行整形削坡,從而增加了坡面穩(wěn)定性。

(2)為了保證治理效果,矸石山坡面整平至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,需用黃土(粉煤灰)分層碾壓覆蓋。矸石山整形覆土后,需在矸石表面進(jìn)行防侵蝕處理,這樣有利于植被恢復(fù),加快生態(tài)重建進(jìn)程。同時(shí)還要修建排水溝,以匯集雨水,避免雨水在沿坡面流淌的過(guò)程中沖刷覆土使矸石外露。

(3)鋪設(shè)生態(tài)植被毯是簡(jiǎn)便有效的水土保持植被恢復(fù)措施,對(duì)迅速建立植被非常重要;根據(jù)適地適樹(shù)原則和恢復(fù)生態(tài)學(xué)等原理選擇適宜樹(shù)種進(jìn)行了合理配置,并采取了相應(yīng)的撫育管理措施。

(4)在王莊煤礦煤矸石山邊坡植物栽植中,除了常用技術(shù)外,我們還采用了樹(shù)穴內(nèi)鋪膜保水的綠化新技術(shù),而且在施工中選用了保水劑、生根粉、植物抗蒸騰劑、土壤調(diào)理劑等現(xiàn)代園林材料,恢復(fù)效果明顯。

[1]馮國(guó)寶.煤礦廢棄地的治理與生態(tài)恢復(fù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2009.

[2]胡振琪.矸石山綠化造林的基本技術(shù)模式[J].煤礦環(huán)境保護(hù),1995(6):35-37.

[3]李鵬波,胡振琪,吳軍,等.煤矸石山植被恢復(fù)技術(shù)模式的研究[J].山東林業(yè)科技,2006(4):13-15.

S 157

B

1000-0941(2010)10-0066-03

于桂芬(1966-),女,山西長(zhǎng)治市人,高級(jí)工程師,碩士,從事礦區(qū)園林綠化工作。

2010-08-05

(責(zé)任編輯 徐素霞)