注漿法在治理自燃矸石山工程中的應(yīng)用

任思良

(太原東山煤礦有限責(zé)任公司，山西太原 030000)

目前，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，大量的煤矸石廢棄物在煤炭開采中產(chǎn)生，其產(chǎn)生量約占煤炭產(chǎn)量的20%［1］。長期以來，在礦區(qū)形成了大量的矸石山。由于矸石中含有殘煤、炭質(zhì)泥巖、碎木材等可燃物質(zhì)，長期露天堆放，會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象。矸石自燃會(huì)排放出大量的SO2，H2S等有害氣體，造成環(huán)境污染［2］。因此，治理自燃矸石山是一項(xiàng)非常艱巨、迫切的任務(wù)。

1 工程概況

某工程中填矸區(qū)地面標(biāo)高為+944.50 m，由南向北、由西向東填矸層逐漸變厚，厚度在0.7 m～26.4 m范圍，填矸區(qū)的東北方向形成矸石堆積成的邊坡。據(jù)調(diào)查，該區(qū)域矸石填溝時(shí)間在20年～30年前，填矸區(qū)域結(jié)構(gòu)松散。該區(qū)域填矸已發(fā)生多次自燃，采取滅火措施未徹底解決矸石自燃問題。最后一次采用頂面覆蓋0.5 m～1.0 m厚的黃土、坡面砌筑漿砌片石護(hù)坡的方式對(duì)填矸區(qū)進(jìn)行防護(hù)、封閉處理，表層明火已經(jīng)熄滅，但深部著火點(diǎn)仍在燃燒，局部地段已經(jīng)燒成空洞。在鉆探施工過程中，發(fā)現(xiàn)有刺鼻的SO2，H2S氣體從鉆孔中溢出，深部矸石仍然在燃燒，局部已燒成1.0 m3左右的空洞。

若在填矸區(qū)建設(shè)建(構(gòu))筑物，填矸區(qū)矸石自燃對(duì)建筑物地基穩(wěn)定性有較大的危害。矸石自燃釋放出大量的有毒有害氣體、煙塵，經(jīng)雨水淋溶形成酸性水，滲透到地下后對(duì)建筑物基礎(chǔ)中的鋼筋、混凝土有較大的腐蝕性;矸石燃燒后會(huì)在填矸地層中形成空洞，造成地面塌陷，影響建筑物的安全使用。

2 矸石自燃原理

1)矸石在堆放過程中由于其中的可燃組分緩慢氧化，在適當(dāng)?shù)臏囟群脱鯕鉂舛鹊臈l件下就會(huì)發(fā)生自燃。有關(guān)資料研究表明:硫鐵礦結(jié)合體是引起煤矸石自燃的決定因素，溫度和氧氣是煤矸石自燃的必要條件，碳元素是煤矸石自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤矸石中的可燃物質(zhì)在空氣和一定溫度的條件下，會(huì)緩慢發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，不斷放出熱量，使溫度不斷升高，當(dāng)熱量不能全部散發(fā)于周圍環(huán)境中，則矸石升溫，溫度達(dá)到矸石自燃臨界點(diǎn)以上，氧化反應(yīng)迅速加快，矸石很快由自熱狀態(tài)進(jìn)入自燃狀態(tài)，直到黃鐵礦和煤燒完為止［3，4］。其自燃過程的主要化學(xué)反應(yīng)有:

2)本工程煤矸石在堆放過程中是拉至矸石山頂端朝下翻矸，形成“倒坡式”排放，這也是造成煤矸石自燃的重要原因。因?yàn)樵谥亓ψ饔孟?，滑落堆積的矸石具有明顯的分選性，堆積的煤矸石自燃安息角約40°，在煤矸石山臨空形成的邊坡段上，細(xì)小粉碎狀煤矸石靠近邊坡坡頂，越往坡底端煤矸石塊度越大。自燃點(diǎn)一般在邊坡靠近坡底端的1/3處，該處橫向上往往形成了一條燃燒帶，并不斷向坡頂延伸。

3 治理自燃矸石的方法

目前，治理自然矸石的方法主要有:隔離法、冷卻法、注漿法。

1)隔離法。

隔離法主要適用于人為因素引起的、燃燒面積小、燃燒深度淺、燃燒部位在矸石堆的邊沿、有利于施工開挖隔斷的情況。具體的施工措施是:將發(fā)生燃燒的局部矸石堆與未發(fā)生燃燒的矸石堆劃界，根據(jù)實(shí)際情況用挖掘機(jī)在交錯(cuò)處開挖適度的溝渠，在溝渠中回填黃土筑壩，其長度、寬度和深度視具體情況而定。

2)冷卻法。

冷卻法主要適用于著火部位在矸石堆邊沿、著火面積比較小、深度比較淺、工程量較小的情況。具體操作方法是:將矸石堆的著火部位用灑水車噴水冷卻，然后用推土機(jī)將熄滅層推開，推開后的煤矸石及時(shí)覆土，以防復(fù)燃。然后逐層向下滅火，直到燃燒部分全部熄滅。

3)注漿法。

注漿法主要適用于著火面積大、著火部位比較深的矸石自燃引起的火災(zāi)。漿液直接注入到燃燒部位，利用漿液中的水分冷卻矸石，利用凝固物充填矸石間的孔隙，形成穩(wěn)定的封閉層，達(dá)到降溫隔氧的作用，從而將火熄滅。

由于本場(chǎng)地填矸區(qū)中自燃著火點(diǎn)深度較大，處于填矸區(qū)的深部，只有采用注漿方法才能達(dá)到滅火的目的，同時(shí)必須對(duì)填矸區(qū)的頂部及周邊進(jìn)行填土覆蓋，隔絕氧氣以起到防止復(fù)燃的作用。因此，本工程項(xiàng)目中采用注漿法對(duì)填矸石進(jìn)行滅火。

4 注漿滅火材料的選取

由于水泥粉煤灰漿液有很好的穩(wěn)定性，可小水灰比灌漿，不堵管、適合長距離輸送，而且包裹力強(qiáng)，結(jié)石率高，漿液進(jìn)入灌漿區(qū)后，可以包裹煤矸石體，堵塞漏風(fēng)通道，從而起到降溫、隔氧的作用，以達(dá)到滅火的目的。同時(shí)對(duì)未著火區(qū)內(nèi)矸石裂隙起到固化作用，提高矸石地基的強(qiáng)度。因此，本次設(shè)計(jì)采用水泥、粉煤灰漿液作為注漿材料。

5 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百四十八條規(guī)定:封閉的火區(qū)，只有經(jīng)取樣化驗(yàn)證實(shí)火區(qū)同時(shí)具備下列條件時(shí)，方可認(rèn)為已熄滅:

1)火區(qū)內(nèi)的空氣溫度下降到30℃以下，或與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤?)火區(qū)內(nèi)空氣中的氧氣濃度降到5.0%以下。3)火區(qū)內(nèi)空氣中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳濃度在封閉期間內(nèi)逐漸下降，并穩(wěn)定在0.001%以下。4)火區(qū)的出水溫度低于25℃，或與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日常出水溫度相同。5)上述4項(xiàng)指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定的時(shí)間在1個(gè)月以上。

6 結(jié)語

采用注漿法對(duì)填矸石滅火工程進(jìn)行加固設(shè)計(jì)后，通過現(xiàn)場(chǎng)采集氣樣對(duì)填矸區(qū)場(chǎng)地氧氣成分進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氧氣成分為0.954%，表明該場(chǎng)地封閉性良好;對(duì)填矸區(qū)注漿區(qū)域的溫度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)最高溫度為24℃且保持穩(wěn)定，小于規(guī)范規(guī)定的30℃，認(rèn)為該場(chǎng)地不具備自燃條件。

由此可見，采用注漿法治理自燃矸石山后，矸石山區(qū)域的溫度與氧氣成分均不具備自燃條件，證明注漿法能夠有效防止填矸石自燃。

［1］程建光，劉志鈞，房建國.汶南煤礦矸石山滅火技術(shù)研究［J］.煤礦環(huán)保，2007(2):95-97.

［2］吳京楊.煤礦矸石山的自燃及其控制［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2008(4):22.

［3］黃曉三.自燃矸石山滅火工程中應(yīng)注意的兩個(gè)問題［J］.煤礦環(huán)境保護(hù)，1999(1):53-55.

［4］姚宇平.自燃矸石山治理對(duì)策及實(shí)施［A］.煤炭潔凈煤技術(shù)國際研討會(huì)論文集［C］.1997.