第1章 煤矸石概述
　　煤矸石是煤炭开采过程中产生的固体废弃物，其排放量*大，占我国工业固体废弃物的1/3，且存在分布面广、难处理、对矿区生态环境危害大等问题。十八大以来，我国又进一步对生态环境的改善、治理提出新要求，煤矸石的排放和治理成为矿区环境治理的重要内容。要治理煤矸石堆积产生的问题，首先要了解煤矸石的产生、分布、分类和利用，以及由煤矸石造成的环境污染和生态环境危害等，使煤矸石及其堆体的治理研究有的放矢，为矿区的生态环境治理研究提供方向和着力点。
　　1.1 煤矸石的定义、产生与分类
　　1.1.1 煤矸石的定义
　　煤矸石是采煤和洗选过程中的必然产物，是大宗固体废物。它既包括煤层中的夹矸、混在采出煤炭中的煤层顶底板，同时也包括掘进岩石巷道的岩石等。
　　1.1.2 煤矸石的产生
　　当聚煤盆地发生沉降运动变化时，沼泽环境发生变化，泥炭的作用也随之发生变化，之后在地质作用下形成煤层，由于沉积环境的变化，可能在煤层中存在岩石，称为夹矸。
　　一般煤矸石是指在煤炭开采和洗选过程中夹杂的泥岩和砂岩。但是在煤矿实际生产时，煤矸石指的是煤矿的建井过程、生产过程中夹杂的混合岩体，包括建井掘进时夹杂的矸石、开采过程中排出的矸石及在洗选时产生的矸石。
　　1.1.3 煤矸石的分类
　　煤矸石有多种分类方法，可以按照煤矸石的来源、岩性、风化程度、堆放时间、酸碱性等进行分类。
　　（1）按照煤矸石来源可以分为白矸和黑矸。白矸主要是掘进巷道排放的不含煤的岩石。黑矸是煤层的夹矸、顶底板、掘进煤巷等排出的含有炭的岩石。
　　（2）按照煤矸石岩性可以分为砂岩、页岩等。
　　（3）按照煤矸石风化程度可以分为易风化矸石和不易风化矸石。
　　（4）按照煤矸石堆放时间区分为四类，见表1.1（刘青柏等，2003）。
　　（5）按照煤矸石山酸碱性可以分为酸性煤矸石山和非酸性煤矸石山。划分酸碱性对治理煤矸石山具有重要作用。酸性煤矸石山不仅污染严重，而且易氧化产酸，极易引发自燃，治理难度*大，需要采用覆盖、中和、压实等特殊措施进行治理。非酸性煤矸石山（碱性煤矸石山）不容易自燃和产酸污染，治理的方法相对容易，甚至可以采用无覆盖土壤的植被恢复方法（胡振琪，1995）。
　　表1.1 按堆放时间区分的煤矸石种类
　　1.2 我国煤矸石基本情况
　　1.2.1 煤矸石的分布及排放量
　　从全国煤矸石产量的分布及其质量情况[表1.2（关欣杰等，2017）]可以看出我国华北地区、东北地区、华东地区的煤矸石排放量较多，山西、河北、河南和大多数西部矿区存在酸性、自燃煤矸石山问题。
　　表1.2 全国煤矸石产量分布及其质量情况
　　1.2.2 煤矸石的综合利用情况
　　自“八五”以来，我国煤矸石的利用迅猛发展，利用率逐渐上升，煤矸石综合利用的方法越来越多，技术水平也不断提高。根据生态环境部公布的数据显示，2019 年煤矸石的年产量为3.2 亿t，综合利用率为52%。针对煤矸石资源的综合化利用方法可以分为回收利用、复垦利用和工程利用三类。
　　（1）利用煤矸石发电。以煤矸石作为燃料进行供热和发电，减少煤炭的使用。
　　（2）生产铝和硅酸盐产品。煤矸石中Al2O3 的含量较多，部分含量大于30%。用煤矸石作为原材料生产铝和硅酸盐产品，*大程度地利用煤矸石中的金属氧化物，是绿色有效的回收再利用途径。
　　（3）生产植物肥料。植物生长所需的Zn、Cu、Mn、B 等微量元素，在煤矸石中占15%～20%。析出煤矸石中的微量元素，加工成植物所需要的肥料，将煤矸石变废为宝，增加微量元素，改善土壤环境（王鹏涛，2019）。
　　（4）制砖。以煤矸石为原材料，或添加少量的黏土，经过简单的加工制成煤矸石砖，其性能及加工过程同普通砖基本相同。
　　（5）生产轻骨料。高温条件下煤矸石中的金属氧化物及碳酸钙等将会发生分解，溢出的气体使原料形成空隙结构，体积增大。因此，煤矸石可以通过加工工艺制成轻骨料。
　　（6）生产空心砌块。空心砌块以煤矸石为原料，掺以磨细的生石灰和石膏等，通过振动成型和蒸汽养护工艺制成。
　　（7）生产水泥。用煤矸石替代部分或全部的黏土，生产的水泥质量高且稳定。根据不同类型的煤矸石可以生产出性能不同的水泥。
　　（8）生产石棉。以煤矸石、石灰石、萤石等为原材料，通过不同的比例配比，经高温熔化、喷吹而成的一种建筑材料（雷建红，2017）。
　　（9）生产净水剂（AlCl3 6H2O）。利用含铝量高且含铁量少的煤矸石，经过焙烧、酸浸等工艺使晶体结构发生变化（雷建红，2017）。
　　（10）生产水玻璃。利用煤矸石中含有的Si2O 与液化烧碱进行反应可制成水玻璃。
　　（11）充填复垦材料。煤矸石充当填埋的材料，用于充填塌陷地、天然沟壑及坑塘洼地等的复田。
　　已堆存的煤矸石山通过改善矿区的自然环境条件、土壤条件、选择适宜的植被材料及绿化、美化煤矸石山，达到优化生态环境、防治环境污染的目的，增加社会、生态、经济综合效益。
　　1.3 煤矸石的危害
　　（1）对矿区大气环境的污染。煤矸石在挖掘、运输及堆放过程中，会有大量的粉尘悬浮在大气中，粉尘中有害的元素随着人们的呼吸进入体内，危害身体健康。空气指数降低，温室效应加剧，容易形成气候异常。另外，煤矸石山的自燃过程也产生大量有害气体，污染大气环境。
　　（2）对矿区水体的影响。下雨时空气中及煤矸石山中的有害元素和水一起渗透到地下，污染地下水。若周围的居民食用被污染的水，会导致人体免疫力下降，引发疾病，甚至危害生命健康。
　　（3）对矿区土壤的损害。煤矸石对土壤的危害可以分为两个方面。一方面是大量煤矸石的堆积侵占较大的土地面积，使绿化面积减少。另一方面，由于煤矸石中含有大量有害金属元素，有害元素通过降雨、降尘渗入土壤中，破坏土壤环境，使一些微生物无法生存，造成生态失衡；土壤的养分受到破坏，农作物中也含有有害重金属，不仅影响农作物的产量，而且直接影响食用者的健康。
　　（4）对矿区景观的破坏。煤矸石多为黑色，自然景观效果差；严重破坏空气环境及土壤环境，不利于植物的生长。
　　（5）对生命财产的危害。煤矸石山坡度较大，极易发生滑坡，形成泥石流。煤矸石山自燃发生爆炸，也会对周边居民的生命财产安全造成极大危害。
　　（6）放射性污染。煤矸石与空气接触后，在空气中析出岩体内的放射性元素，这些放射性元素一旦超过本底值，将会造成辐射污染（李鹏波，2006）。

目录
第一篇 理论技术篇
第1章 煤矸石概述 3
1.1 煤矸石的定义、产生与分类 3
1.1.1 煤矸石的定义 3
1.1.2 煤矸石的产生 3
1.1.3 煤矸石的分类 3
1.2 我国煤矸石基本情况 4
1.2.1 煤矸石的分布及排放量 4
1.2.2 煤矸石的综合利用情况 5
1.3 煤矸石的危害 6
第2章 煤矸石山自燃机理及生态修复原理 7
2.1 煤矸石山自燃机理 7
2.1.1 煤矸石山的空气吸附 7
2.1.2 煤矸石山自燃过程的发生与临界温度 8
2.1.3 煤矸石山自燃过程中氧气传递原理 9
2.1.4 煤矸石山中残煤的复合氧化原理 10
2.1.5 煤矸石山中硫化亚铁（黄铁矿水解）的氧化原理 10
2.2 煤矸石山自燃规律 11
2.2.1 自燃孕育期 11
2.2.2 自燃发生期 11
2.2.3 自燃发展期 12
2.2.4 自燃衰退期 12
2.3 煤矸石山自燃的产生条件 12
2.3.1 气候和水 12
2.3.2 组成成分 13
2.3.3 残存煤 13
2.3.4 堆体堆积成分 14
2.3.5 堆体堆积年限及内部压力 14
2.3.6 堆积形式 14
2.4 煤矸石山自燃特征 14
2.4.1 热量聚散均衡理论 14
2.4.2 煤矸石山自燃一般特征 16
2.5 煤矸石山生态修复基本原理 18
2.5.1 生态系统定位与优化 18
2.5.2 立地条件 19
2.5.3 煤矸石山防灭火 20
2.5.4 煤矸石山植物筛选与种植 21
第3章 煤矸石山生态修复技术模式 25
3.1 非酸性煤矸石山绿化技术模式 25
3.1.1 立地条件分析与评价 26
3.1.2 整形和整地 26
3.1.3 植物种类筛选 30
3.1.4 种植 31
3.1.5 抚育管理 34
3.2 酸性/自燃煤矸石山生态修复技术模式 36
3.2.1 立地条件调查及诊断 36
3.2.2 防灭火措施 38
3.2.3 植被恢复 42
第4章 煤矸石山立地条件调查 43
4.1 煤矸石山堆体调查的主要内容 43
4.1.1 排矸场历史资料收集 43
4.1.2 排矸场现场踏勘 44
4.1.3 分析监测 46
4.2 煤矸石山堆体温度场的建立 47
4.2.1 火情勘察方法 47
4.2.2 煤矸石山深部着火点的诊断与探测 49
4.3 煤矸石山火情勘察与温度场空间分布特征分析 51
4.3.1 火情勘察 51
4.3.2 火情的空间分布特征 51
4.3.3 煤矸石粒径分布与孔隙率分析 53
4.3.4 灭火关键因子分析 55
4.3.5 自燃煤矸石山火情评估 55
4.4 自燃煤矸石山表面温度场测量技术 56
4.4.1 测量的基本原理 56
4.4.2 测量的方法 57
第5章 煤矸石山整形、整地技术 59
5.1 煤矸石山堆体整形、整地的必要性 59
5.1.1 煤矸石山堆体整形、整地问题分析 59
5.1.2 煤矸石山堆体整形、整地基本原则 64
5.2 煤矸石山堆体稳定性影响机制分析 64
5.2.1 沉降、变形影响因素及机制 64
5.2.2 滑坡影响因素及机制 66
5.3 煤矸石山多级隔坡反台山体整形、整地的原则与关键技术 67
5.3.1 整形、整地的原则 67
5.3.2 整形、整地的关键技术 68
第6章 煤矸石山灭火技术 78
6.1 概述 78
6.1.1 国内外主要灭火技术 78
6.1.2 煤矸石山灭火与防复燃问题分析 80
6.1.3 自燃煤矸石山堆体治理的难点 81
6.1.4 自燃煤矸石山堆体治理的误区 82
6.2 煤矸石山灭火防复燃技术体系 83
6.2.1 煤矸石山灭火防复燃技术体系基础 83
6.2.2 动态开放适应性管理理论体系 84
6.3 系统灭火技术 85
6.3.1 改良挖除技术 85
6.3.2 喷浆与注浆相结合的灭火技术 87
第7章 煤矸石山防火技术 90
7.1 防火技术原理 90
7.1.1 自燃的原因 90
7.1.2 煤矸石山抑制氧化原理 90
7.1.3 煤矸石山覆盖阻隔原理 91
7.1.4 煤矸石山防火管理 93
7.2 抑制氧化防火技术 93
7.2.1 杀菌剂的筛选 93
7.2.2 还原菌的筛选 96
7.2.3 杀菌剂与还原菌的耦合及其施用 99
7.3 隔氧防火技术 101
7.3.1 概述 101
7.3.2 覆盖阻燃技术 104
7.4 抑氧隔氧耦合防火技术 109
第8章 煤矸石山植被重建技术 110
8.1 煤矸石山植被重建问题分析 110
8.1.1 煤矸石山植被重建问题树 110
8.1.2 煤矸石山植被重建的关键因子分析 111
8.1.3 煤矸石山植被重建关键技术 112
8.2 煤矸石山基质层土壤改良与重构技术 113
8.2.1 近自然生态系统重建技术方法与步骤 113
8.2.2 土壤基质改良 114
8.3 植物物种筛选与配置 116
8.3.1 植被筛选原则 116
8.3.2 植物物种种群配置 116
8.3.3 不同部位植物配置 117
8.4 植被种植与抚育技术 118
8.4.1 植被种植基本原则 118
8.4.2 植被层种植施工技术 118
8.4.3 植被抚育与管理技术 122
8.5 煤矸石山生态系统监测与评价 125
8.5.1 生态环境变化监测 126
8.5.2 煤矸石山的土壤状况 127
8.5.3 煤矸石山物种多样性监测 129
8.5.4 煤矸石山温度与复燃监测 131
第9章 煤矸石山边堆边治技术 133
9.1 边堆边治的必要性 133
9.2 边堆边治技术方法 134
第二篇 应用实践篇
第10章 海美斯矿煤矸石山生态修复实践 139
10.1 基本情况 139
10.1.1 内蒙古煤矿开采情况 139
10.1.2 乌海矿区煤矿开采情况 139
10.1.3 乌海市煤炭资源开采带来的环境资源影响 140
10.1.4 乌海市矿区治理情况 140
10.1.5 项目区概况 141
10.1.6 火情勘测及煤矸石采样测定 143
10.2 案例典型性分析 151
10.2.1 煤矸石自燃典型特征 151
10.2.2 典型特征 151
10.3 治理思路与方法 153
10.3.1 治理原则与技术路线 153
10.3.2 治理目标 154
10.3.3 工程进度计划 154
10.3.4 煤矸石堆积区灭火防复燃施工技术 155
10.3.5 渣石堆积区灭火防复燃施工技术 158
10.3.6 土石堆积区施工技术 160
10.3.7 混合堆积区施工技术 160
10.4 防复燃监测 160
10.5 经验分享 161
第11章 白羊岭煤矿矸石山生态修复实践 162
11.1 基本情况 162
11.1.1 矸石场基本情况 162
11.1.2 煤矸石堆放方式和年限 164
11.1.3 煤矸石成分分析 166
11.1.4 煤矸石自燃状况 167
11.1.5 矸石场渗滤液现状 168
11.1.6 矸石场对周围环境带来的危害 170
11.2 案例典型性分析 174
11.2.1 煤矸石主要成分 174
11.2.2 煤矸石堆积方式 175
11.2.3 矸石场底部涵洞 176
11.2.4 原有治理模式不足 177
11.3 治理思路与方法 178
11.3.1 治理目标 178
11.3.2 治理技术路线 178
11.3.3 治理工程 179
11.4 治理效果 193
11.4.1 总体效果 193
11.4.2 生态效益 194
11.4.3 经济效益 194
11.4.4 社会效益 194
11.5 经验分享 194
第12章 西铭矿煤矸石山生态修复实践 196
12.1 基本情况 196
12.1.1 西铭矿沟西湾矸石场基本情况 196
12.1.2 西铭矿堆矸情况 196
12.1.3 西铭矿煤矸石成分 197
12.1.4 西铭矿沟西湾矸石场自燃现状 198
12.1.5 西铭矿沟西湾矸石场产生的环境问题 199
12.2 案例典型性分析 201
12.2.1 西铭矿沟西湾矸石场的典型性分析 201
12.2.2 西铭矿沟西湾矸石场治理关键问题分析 204
12.2.3 西铭矿沟西湾矸石场存在的具体问题 205
12.3 治理思路与方法 206
12.3.1 西铭矿沟西湾矸石场治理目标 206
12.3.2 西铭矿沟西湾矸石场治理工程 206
12.4 治理效果 220
12.5 经验分享 223
第13章 王庄煤矿西矸石山生态修复实践 224
13.1 基本情况 224
13.1.1 自然地理条件 224
13.1.2 王庄煤矿矸石山概况 225
13.2 治理思路与方法 225
13.2.1 立地条件分析 226
13.2.2 煤矸石山生态恢复适宜微生物筛选及施用方法 226
13.2.3 整形整地 233
13.2.4 植被重建技术 234
13.3 治理效果 237
13.4 经验分享 241
第14章 漳村煤矿矸石山生态修复实践 242
14.1 基本情况 242
14.1.1 自然地理条件 242
14.1.2 漳村煤矸石山概况 242
14.2 治理思路与方法 242
14.2.1 煤矸石山防火工程 243
14.2.2 煤矸石山灭火工程 244
14.2.3 煤矸石山防滑坡措施 244
14.2.4 排水系统设计工程 246
14.2.5 植被构建工程 247
14.2.6 自燃处置和复燃治理 249
14.3 治理效果 249
14.4 经验分享 251
第15章 屯兰煤矿矸石山生态修复实践 252
15.1 基本情况 252
15.1.1 地理位置 252
15.1.2 交通 252
15.1.3 煤矸石山现状 252
15.1.4 自然状况 252
15.1.5 排矸场自燃情况 253
15.2 治理思路与方法 255
15.2.1 系统灭火防复燃工程 255
15.2.2 稳定山体工程 260
15.2.3 道路工程 264
15.2.4 生态系统重建工程 265
15.2.5 配套工程 267
15.3 治理效果 268
15.4 经验分享 270
第16章 常村煤矿矸石山生态修复实践 271
16.1 基本情况 271
16.1.1 自然地理条件 271
16.