袁伟嘉，易 文，张 建
（中南林业科技大学，湖南 长沙 410000）
煤矸石是煤炭生产及加工过程中产生的固体废物，在各种工业废渣中排放量最大、占地最多、污染环境较严重。中国现有煤矸石堆积量约为40亿t，煤矸石排放后堆积形成大量的煤矸石山，矸石山堆积松散，不仅占用大量土地资源，并且煤矸石中含有黄铁矿，在空气中易燃，会造成煤炭等成分的自燃，在堆积自燃过程中会产生SO2、H2S和CO等有毒气体，严重污染周边空气和水源，影响居民生活与健康。大量堆放的煤矸石会带来严重的社会、环境和经济问题，而且煤矸石的生态自然恢复过程比较缓慢，煤矸石中的重金属元素会向土壤中迁移。为了更好地在边坡中利用煤矸石，需要对煤矸石进行改良，改善煤矸石的不良性质，在煤矸石边坡应用中，对煤矸石的改良主要有煤矸石基质改良和煤矸石边坡改良。
在过去的20年里，各国都在积极治理煤矸石，将煤矸石应用于不同的行业，解决煤矸石堆积导致的环境问题。在不同的国家，煤矸石的治理和利用有很大的差异，在以美国、英国为代表的发达国家中，煤矸石的利用率已达90%。他们专门投入人力物力进行煤矸石的相关研究，并建立相关管理部门和机构。英国每年的煤矸石使用量在600万～700万t之间，其中大部分用于填筑道路、大坝等，制备低标号混凝土；
德国和荷兰在煤矸石堆积处附近建造燃煤电厂和选煤厂，利用煤、煤泥和煤矸石发电；
法国将煤矸石用于建筑材料，进行简单破碎处理后应用于停车场等公共场所的表面铺筑中。但这些方法只能简单处理煤矸石的存量，提高其利用率，不能很好地解决煤矸石污染。目前，国内外的煤矸石基质改良方式主要分为物理方式、化学方式和生物方式，煤矸石边坡的防护措施主要有工程防护、植物防护和综合防护。
物理方式主要是通过覆土、覆泥等改善煤矸石的理化性质；
化学方式主要是通过添加一些溶液与肥料，与煤矸石发生反应，消解煤矸石中不利于植物生长的元素；
生物方式主要是利用植物、土壤微生物等改善煤矸石基质的物理结构和化学性质，提供适宜植物生长的条件。边坡的植被防护技术主要有种子喷播法、客土喷播法、厚层基材喷播法、植生带法、植生网法、肥料带法、植生袋法、开沟植草法、三维植物网等成熟的配套技术[1]。
本文根据不同风化程度煤矸石的性质和特点，针对弱风化煤矸石、中风化煤矸石和强风化煤矸石分别选择了不同的基质改良技术和边坡防护技术，可以提高煤矸石生态边坡的防护功能和植被成活率。
2.1 弱风化煤矸石
弱风化煤矸石属于新排煤矸石，强度极高，难以破碎，受到外力破坏会形成不规则的碎块，大小不一，遇水易崩解，弱风化煤矸石的重金属含量较高，营养物质较少，难以储存水分，不利于植物的生长。对于弱风化煤矸石，若采用单纯覆土的方式进行改良，需要覆土至少50 cm才能改善煤矸石的不良性质，造价较高，因此，可以在煤矸石表面涂抹聚合物固化剂。聚合物固化剂具有一定的流动性、粘结力和防水性，涂抹在煤矸石表面后经过养护可以将小块的煤矸石粘结、包裹起来并形成一层具有防水能力的固结层[2]。具体步骤如下。
制备聚合物固化剂。将纯丙乳液和水泥以1.5∶1的比例进行搅拌，数量较少时使用人工搅拌，数量较多时使用机械搅拌，在搅拌过程中加入纯丙乳液及水泥总量3%的成膜助剂和1%的消泡剂，搅拌至没有颗粒。
涂抹聚合物固化剂。在工程中，一般使用机械进行喷涂，试验室中可以手动涂抹，注意涂抹时应覆盖煤矸石全部表面。
2.2 中风化煤矸石
中风化煤矸石一般为排放1年以上的煤矸石，这时的煤矸石强度降低，碎块较多，但仍然缺少植物生长的营养物质。在煤矸石中混合含有微生物菌剂的保水剂，加入微生物菌剂可以改善煤矸石的微观环境，降低重金属毒性，提高煤矸石的可溶性营养元素含量，促进植物的生长。加入微生物菌剂保水剂后，养护一段时间再进行覆土10 cm处理。具体步骤如下。
制备微生物菌剂溶液。选取枯草芽孢杆菌菌剂，按比例和水进行混合，搅拌均匀直至微生物菌剂全部溶解，注意水温应满足要求。枯草芽孢杆菌是一种植物根基促生细菌，不仅能抑制植物的枯萎病、根腐病，还可以提高植物抗性、促进植物生长、改良土壤和植物品质。
制备保水剂。首先，称取一定质量的腐植酸，加入去离子水，搅拌均匀；
然后，加入适量丙烯酸，采用恒温油水浴锅冰水浴的方式，边搅拌边缓慢逐滴加入2 mol/L的氢氧化钠至所需中和度，再加入适量丙烯酰胺、过硫酸钾，在水浴40℃下搅拌，再加入适量交联剂，反应2 h；
最后，取出溶液，采用电热鼓风干燥箱60℃干燥至恒重，粉碎研磨，即制得腐植酸基的腐植酸钾-丙烯酸-丙烯酰胺保水剂。保水剂除自己制备外，也可选用成品保水剂。
喷洒微生物保水剂。将微生物菌剂溶液和保水剂进行混合，采用机械喷洒在煤矸石边坡表面，注意需将煤矸石浸湿。
2.3 强风化煤矸石
强风化煤矸石一般为排放3年以上的煤矸石，经过长时间风化的煤矸石极易破碎，风化程度更久的煤矸石性状类似于土壤，重金属含量降低，危害较小。将煤矸石进行破碎和土壤混合配置植生基材，植生基材除煤矸石和土壤外一般还需要混合一定量的种子、有机质、粘结剂、胶结剂、保水剂等。将植生基材装入植生袋中，在坡面上进行码放。具体步骤如下。
植生袋准备。将配置好的种子和肥料缝合在植生袋底部，植生袋规格一般选用50 cm×50 cm或60 cm×60 cm，根据框架高度进行选择。
植生基材配置[3]。将强风化煤矸石进行破碎，与种植土混合，加入有机质、保水剂、粘结剂，拌合均匀。将植生基材装入植生袋中，基质装袋时应尽量密实，装至八成满后，扎紧袋口。
3.1 弱风化煤矸石生态边坡
弱风化煤矸石生态边坡施工技术具体如下。
准备工作。清理岩面杂物，清除浮石和松动的碎块，将碎块填补到特别凹陷的地方，陡峭的凹陷处用水泥砂浆抹平，使坡面尽可能平整。
第一次喷涂聚合物固化剂。为了将破碎的煤矸石碎块进行粘结，在煤矸石岩面表层喷涂5～8 mm的聚合物固化剂。先对坡面喷水，使坡面保持湿润，然后试喷聚合物固化剂，调整喷量，确定聚合物固化剂的配合比及施工操作程序再进行大面积的施工。采用湿式喷射机喷涂固化剂，移动式电动空压机供风，施作前先对机械进行技术检查，对水、风、电路进行检查，合格后方可运转。喷涂聚合物固化剂时应分段、分片由上而下进行。作业开始时，先送风，后开机，再给料；
结束时，待料喷完后再关机。向喷射机供料时要连续均匀，机器正常运转时，料斗内保持足够的存料，喷层厚度要均匀。混合料宜随拌随用，不掺速凝剂时，存放时间不超过2 h。混合料在运输、存放过程中，严格防雨淋、滴水及大块石等杂物混入，在装入喷射机前过筛。喷涂完后在薄弱区进行人工补涂，当采用普通硅酸盐水泥时，养护应不少于7 d。
锚杆、挂网。先在坡面上铺镀锌铁丝网或高强塑料加强网，网孔规格为5 cm×5 cm，然后用风钻或电钻按1 m×1 m间距梅花形布置锚杆和锚钉。锚杆长90～100 cm，锚钉长约50～60 cm。应特别注意网与岩石之间的距离约为种植基材厚度的50%。
第二次喷涂聚合物固化剂。为了防止锚杆及挂网施工时对边坡固化剂结构层的破坏和达到固化效果，决定喷涂第二次固化剂。第二次喷涂主要为补喷，固化剂厚度2～3 mm，喷涂工艺与第一次喷涂固化剂工艺相同。
客土喷播。客土喷射分2次，第一次喷射不含种子的混合料（基料），第一次喷射的植生土达到一定的强度后，再接着第二次喷射含有种子的混合材料，喷播时在岩石坚硬、凹凸度大的地段要适当增加喷播厚度，整体喷播厚度约为20 cm，保证绿化效果。
种子混合料喷播。结合当地气温气候条件，拟定植物配比方案。分春秋2季进行喷播，草灌比近似2∶1，在保证植物生长的前提下，降低成本。植物生长前期以草本为主，后期以灌木为主。
覆盖和养生。喷播完成后，立即用无纺布进行覆盖，防止水流对坡面及种子的冲刷，还起到保水、保温作用，盖后用U形钉固定。养护管理工程完工后，定期进行喷水、补种、施肥、病虫害防治养护。草种出芽及幼苗期，浇水时呈雾状喷洒，以“少量多次”的原则，在草逐渐生长过程中，适时施肥和防治病虫害；
喷播完成后20～30 d，对坡面植物进行检查，生长不理想的要补种，后期浇水时要“多量少次”，浇透、浇足；
在苗草高8～10 cm时进行第一次追肥，追肥分春肥（3—4月）和冬肥（10—11月）2次，另外根据实际情况进行叶面追肥，如用0.1%的磷酸二氢钾或0.3%的尿素喷施；
出苗后随时观察有无病虫害，及时喷洒农药，在早春各种植被进入旺盛生长期时，喷适量的波乐多液、甲基托布津或多菌灵1次，以后每隔2周喷1次，连续喷3～4次；
还要注意防除杂草，杂草主要与主栽草类争光、争水、争肥，且有碍草坪美观，防治方法为在播种前使用草甘膦、卡可基酸除灭；
播出前用地散灵等抑制杂草种子发芽；
杂草生长已高出主草丛时，采取人工拔除。
3.2 中风化煤矸石生态边坡
中风化煤矸石生态边坡施工技术具体如下：①准备工作。清除坡面杂物，使坡面尽可能平整。②配置微生物保水剂。取一定量的微生物菌剂与水按比例混合，搅拌使微生物菌剂溶解于水中，然后与成品保水剂进行混合。③第一次喷洒微生物保水剂。将微生物保水剂溶液均匀地喷洒在坡面上，施工时注意喷洒全面。④客土喷播。客土喷播同弱风化煤矸石边坡一样，分2次进行，总厚度约为10 cm。⑤第二次喷洒微生物保水剂。按相同方法配置微生物溶液，与保水剂进行混合，第二次喷播需将客土喷洒至湿润状态。⑥锚杆、挂网。先在坡面上铺镀锌铁丝网或高强塑料加强网，然后用风钻或电钻按1 m×1 m间距梅花形布置锚杆和锚钉。锚杆长90～100 cm，锚钉长约50～60 cm。应特别注意网与岩石之间的距离约为种植基材厚度的50%。⑦种子混合料喷播。结合当地气温气候条件，拟定植物配比方案。分春秋2季进行喷播，草灌比近似2∶1。⑧覆盖和养生。覆盖和养生措施与弱风化煤矸石边坡相同。注意第一次浇水需要浇足浇透。
3.3 强风化煤矸石生态边坡
强风化煤矸石生态边坡施工技术具体如下：①准备工作。清除坡面杂物，使坡面平整。②人字形骨架施工。人字形骨架采用混凝土预制块拼装而成，首先进行刻槽施工，刻槽深度15 cm，将骨架置于边坡内，顶面与坡面平齐，待骨架稳定后挖除拱内15 cm厚填料。注意人字形骨架每隔12 m设置一道伸缩缝，伸缩缝设置在人字顶处，缝内采用沥青麻絮或者沥青木板填塞，深度大于10 cm。③植生袋制备。将风化程度较高的煤矸石进行破碎，混入土壤，加入微生物菌剂溶液、肥料、粘结剂、保水剂，进行充分混合后，进行装袋，扎紧袋口。④码放植生袋。在骨架内部距离骨架10 cm处定点打线，骨架较深的区域可以将打线深度调整为20 cm。在骨架内由下往上按顺序码砌植生袋，注意将植生袋码放平整，每码放一层，需要检查是否平整，及时调整不平整的植生袋。⑤浇水养护。种植完植物后必须马上喷水，喷水需少量多次，防止植生袋坍塌；
还需要定期浇水养护，喷施高效肥，喷施农药，定期清除杂草。⑥二次加固。对于高陡边坡，堆积过高的植生袋容易出现不稳定的装袋，对植生袋进行二次加固处理，可以防止植生袋坍塌、滑落。
分别考虑不同风化程度煤矸石的性质，对不同风化程度的煤矸石确定不同的基质改良措施及施工方式，大大提高了基质改良措施及施工方式的适用性和可操作性，满足了不同风化程度的煤矸石边坡施工需求，提高了煤矸石边坡植被成活率。
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