煤矸石山環(huán)境治理工程中自燃火災(zāi)治理施工

韓 永 凱

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046000)

1 概述

煤矸石山是煤矸石日積月累形成的像山丘一樣的堆場，煤矸石山由于夾雜未清理干凈的煤炭、煤粉導(dǎo)致的自燃、本身構(gòu)造的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的滑坡及煤矸石山的淋溶水等對自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，在環(huán)境安全要求越來越嚴(yán)格的今天，為了消除煤矸石山自燃、滑坡等產(chǎn)生的污染和不安全因素，需將現(xiàn)有煤矸石山滅火、整形，修整馬道，黃土覆蓋，綠化美化。同時為了保護(hù)好覆蓋封閉效果，在矸石山底部修建擋土墻，在馬道與斜坡上修筑防洪排水等設(shè)施，最終達(dá)到煤矸石山和礦區(qū)與自然環(huán)境和諧一體的良好效果。

2 工程概況

本工程的煤矸石山位于山西省長治市某村東北沖溝中，堆積高度最大達(dá)72.72 m，矸石成分主要為炭質(zhì)泥巖、含炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等，塊度大部分10 cm～50 cm，最大大于1.0 m，最小僅幾厘米，矸石內(nèi)含少量的煤、砂巖等，大小不一的混雜堆積在一起，結(jié)構(gòu)疏松，空隙十分發(fā)育。矸石內(nèi)含自然物黃鐵礦，矸石中的黃鐵礦由原來的不穩(wěn)定還原狀態(tài)變成穩(wěn)定的氧化狀態(tài)過程中釋放出大量的熱量，如遇通風(fēng)不良，熱量就會積聚導(dǎo)致矸石山內(nèi)部的溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到可燃點280 ℃時便引起煤矸石山自燃；自下而上沿山溝傾倒的方法，在煤矸石山前沿形成了扇面，這種堆放方法，底部和坡面極易進(jìn)入氧氣，使煤矸石山自燃有了充分的供氧條件；由于煤矸石山內(nèi)部含有一定的煤炭，煤經(jīng)風(fēng)雨淋濾氧化后，其含氧量增加，當(dāng)達(dá)到著火點時，煤也發(fā)生自燃。而且煤矸石山本身的結(jié)構(gòu)松散，空隙十分發(fā)育，透氣性較好，也為矸石自燃的擴(kuò)散提供了必要的條件。煤矸石山火區(qū)(治理范圍)面積約28 489 m2，占整個煤矸石山總面積的43.03%；治理范圍內(nèi)高溫異常區(qū)和著火區(qū)位于煤矸石山頂部，面積約17 431 m2，占劃定治理區(qū)范圍的61.2%，其余為低溫區(qū)。

3 煤矸石山治理工程部署原則

矸石挖運按照“就近平衡、運距最短”的原則，共分為2個平臺、2個區(qū)域。每個工作面矸石挖填就近平衡，組織機(jī)械進(jìn)場，分段流水作業(yè)，首先按原有地貌進(jìn)行矸石初步平整，其次進(jìn)行注漿滅火、馬道平臺修整、矸石山覆土，再進(jìn)行底部擋土墻砌筑、馬道排水渠砌筑、豎向排水渠砌筑，最后進(jìn)行道路、綠化植樹施工。

4 施工重點、難點及處置方案

4.1 現(xiàn)場情況

煤矸石山堆積高程最高達(dá)996.27 m，地面最低標(biāo)高924 m，堆積相對高差最高達(dá)72.27 m。煤矸石山由于長時間的堆積，現(xiàn)已燃燒至地表，并擴(kuò)散至煤矸石山頂大部分區(qū)域，在煤矸石山北部形成了老火區(qū)，向南延伸形成新火區(qū)。在頂部已出現(xiàn)多處可見冒熱氣現(xiàn)象，可嗅到刺鼻難聞的煤矸石山著火的氣味，煤矸石山環(huán)境治理工程的施工重點、難點是對自燃火災(zāi)的治理。

4.2 主要施工方案

國家和相關(guān)部門也沒有制定相關(guān)的規(guī)范和制度，主要是根據(jù)以往滅火經(jīng)驗和有關(guān)原理來制定滅火方案。國內(nèi)自燃煤矸石山滅火方法普遍采用注漿法。此法是將注漿管打入煤矸石山中，通過泥漿泵將配制好的高堿性泥漿經(jīng)注漿管壓入燃燒區(qū)，利用泥漿中的水分急劇蒸發(fā)帶走大量熱量，使矸石迅速降溫，凝固物充填矸石間的孔隙，形成穩(wěn)定的封閉層，達(dá)到降溫及隔氧作用，同時泥漿中的堿性物質(zhì)還起到固硫的作用。在圈定的火區(qū)范圍進(jìn)行覆蓋式注漿滅火，采用煤矸石山地表下5 m注漿隔斷的方法進(jìn)行，隔斷層厚度按4 m～5 m，對局部地表著火區(qū)，地表覆蓋黃土后，采用全孔注漿進(jìn)行治理，利用漿液及滅火石灰等材料，達(dá)到滅火的目的。

4.2.1滅火孔的布設(shè)

根據(jù)以往煤矸石山治理工程的成功經(jīng)驗，進(jìn)行鉆孔布置方案，共布設(shè)滅火孔59排，排距5 m，孔距5 m，呈網(wǎng)格狀布置，共布設(shè)滅火孔1 707個，設(shè)計深度為8 m～12 m，平均為10 m，設(shè)計總進(jìn)尺約17 070 m。

4.2.2煤矸石山孔隙體積和注漿量

根據(jù)試驗及計算，此工程的煤矸石山未經(jīng)過壓實處理，空隙率為15%，隔斷層面積為43 600 m2，隔斷層厚度為5 m，經(jīng)核算，本次滅火工程需要充填的隔斷層空隙總體積為32 700 m3。漿液消耗率取值為15%，注漿漿液的結(jié)石率為80%，空隙充填率為80%，注漿量為30 084 m3。

4.2.3注漿材料及漿液配比

主要有水、土、熟石灰等。

1)水：準(zhǔn)備兩個6 m3的水罐為注漿提供用水，水源來自煤矸石山附近的消防水源中。

2)水、土、熟石灰用量：土采用當(dāng)?shù)攸S土(配標(biāo)準(zhǔn)膨潤土)，石灰采用生石灰煉制后的熟石灰。

3)根據(jù)之前治理的實踐經(jīng)驗，注漿漿液為石灰泥漿，其水固比為2.0∶1.0～1.5∶1.0，固相比為(土∶熟石灰)為1∶1～4∶1(重量比)，漿液配比按水固比2∶1，石灰土比例1∶4(重量比)計算：需要水27 617 t，土10 950 t(其中黃土7 950 t，膨潤土3 000 t)，熟石灰2 738 t，在實際施工工程中，根據(jù)實際鉆孔的注漿情況對配比進(jìn)行調(diào)整。

在施工前，要首先進(jìn)行漿液配比試驗，以準(zhǔn)確掌握不同配比漿液的干料含量、濃度、比重、結(jié)石率等參數(shù)。

4.2.4注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由料場、一級攪拌池、二級攪拌池，供水池、注漿泵、注漿管道、連接裝置等組成，按一般采空治理要求即可。

4.2.5滅火孔位放樣

設(shè)計鉆孔1 707個。用全站儀、經(jīng)緯儀結(jié)合鋼尺，根據(jù)圖解坐標(biāo)放在實地位置，在實際的孔位處用紅色的木樁做標(biāo)記。煤礦運輸矸石設(shè)備壓覆的鉆孔位置可根據(jù)實地情況調(diào)整，其他鉆孔誤差小于0.5 m。

煤矸石山滅火項目孔位測量采用1954年北京坐標(biāo)系3°帶投影，中央子午線為114°，高程系統(tǒng)采用1954年高程基準(zhǔn)。執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》。填寫注漿孔放樣驗收書，放樣后，經(jīng)驗收合格，可進(jìn)行下一道工序。

4.2.6成孔工藝及技術(shù)要求

1)鉆孔孔位及終孔深度。

平整場地后，鉆機(jī)進(jìn)入孔位放樣后的位置，嚴(yán)格按測量所放孔位打孔，由于條件限制，必須經(jīng)技術(shù)部研究后方可移孔。取得注漿孔施工通知書后方可開鉆，所有鉆孔開孔口徑不得小于50 mm，施工至指定深度后，經(jīng)項目部驗收合格，準(zhǔn)備下一步工作，以滿足注漿的需要。

2)鉆進(jìn)方法。

鉆進(jìn)時采用干鉆或沖擊鉆進(jìn)。把花管(帶孔的鉆桿)送入孔底指定部位，利用自身坍塌封閉，不再進(jìn)行澆筑，以便進(jìn)行分層注漿。

3)鉆孔質(zhì)量要求。

滅火孔不取芯，但應(yīng)做好鉆探原始記錄，包括進(jìn)尺、鉆進(jìn)日期、時間、機(jī)長及技術(shù)員簽字、孔內(nèi)地層情況；施工中要記錄好著火層位深度、火情等；由于矸石山堆積物為松散層，要防止孔內(nèi)坍塌、卡鉆事故的發(fā)生。

4)原始記錄質(zhì)量要求。

原始資料記錄及時、正確、整潔、字跡清楚、端正、無涂改。

5)驗收。

在鉆探成孔后，經(jīng)項目部技術(shù)員簽字方可終孔。接受甲方及監(jiān)理的監(jiān)督檢查。

4.2.7注漿工藝及技術(shù)要求

1)注漿材料配制。

a.漿液配比按設(shè)計漿液配比進(jìn)行，并隨機(jī)抽查漿液的各項指標(biāo)。

b.原材料：水用水表或定量容器計量，膨潤土按袋計量，黃土和熟石灰按重量計，并要求抽查土和熟石灰的重量。

c.攪拌時間每次不得少于10 min。

d.單孔平均設(shè)計注漿量約為17.6 m3。

2)注漿工藝。

a.施工順序：先施工煤矸石山山頂中間鉆孔，以確保熱量和水蒸氣向煤矸石山周圍發(fā)散。設(shè)計深度為8 m～12 m，平均為10 m，地表下5 m注漿隔斷的方法進(jìn)行，隔斷層厚度按4 m～5 m計算，對局部地表著火區(qū)，地表覆蓋黃土后，采用全孔注漿的方法進(jìn)行治理。

b.對受注孔的鉆探資料查閱分析，做出注漿情況的初步判斷。

c.若某一濃度漿液的注入量已達(dá)設(shè)計量的20%以上，而注漿壓力和單位吸漿量無明顯變化時，應(yīng)調(diào)濃一級或兩級灌注，在注漿后期泵壓逐漸升高或吸漿量逐漸減小的情況下，不應(yīng)改變其水固比。

d.滅火孔注漿的質(zhì)量是滅火工程材料消耗大小的關(guān)鍵，在注漿過程中要采用定量定壓，孔口壓力要小，每個孔每次注漿量要小于5 m3，并且隨時觀測孔口情況，避免出現(xiàn)水蒸氣爆炸現(xiàn)象。

e.當(dāng)注漿量超過設(shè)計平均漿量的50%時，暫停注漿，先施工該注漿孔周圍的孔，待該注漿孔周圍鉆孔注漿完成后，再對該注漿孔進(jìn)行注漿。

3)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

a.單孔設(shè)計注漿壓力應(yīng)通過現(xiàn)場灌注試驗確定，初步設(shè)計控制在0.2 MPa～0.3 MPa左右。

b.在單孔注漿末期，泵壓達(dá)到0.2 MPa～0.3 MPa時，可結(jié)束該孔的注漿施工。

c.當(dāng)注入一定漿量，若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時，也可結(jié)束該孔的注漿施工。

d.單孔注漿量超過50 m3時，可停止注漿。

4.2.8滅火效果監(jiān)(檢)測

滅火過程中和滅火工程結(jié)束后6個月內(nèi)需要滅火效果監(jiān)(檢)測。根據(jù)監(jiān)(檢)測結(jié)果分析判斷滅火效果，及時調(diào)整施工方案。

1)滅火過程中在高溫區(qū)中間選擇1條米測溫線，每5 d測量一次，觀察其變化，測量方法同米測溫。

2)對施工的每個鉆孔在注漿前和終孔時進(jìn)行兩次檢測，內(nèi)容包括孔口溫度及CO,H2S,CO2,O2等氣體含量。

3)對留設(shè)的觀察孔施工過程中，每5 d進(jìn)行一次檢測，施工結(jié)束后6個月內(nèi)10 d進(jìn)行一次，內(nèi)容包括孔底、孔口溫度及CO,CO2,H2S,O2等氣體含量。

4)滅火工程結(jié)束6個月，進(jìn)行火區(qū)復(fù)測，仍然采用米測溫法，分析是否存在火情。

5)檢測儀器。米測溫、孔口、孔底溫度檢測，使用中國地質(zhì)大學(xué)研制生產(chǎn)的ⅠD590溫度傳感器。

5 結(jié)語

煤矸石山環(huán)境治理工程施工中的安全問題必須要引起高度重視，自燃火災(zāi)治理施工專項方案要經(jīng)過專家論證，各項工序嚴(yán)格按照方案要求組織實施，同時建立應(yīng)急處置方案，確保安全施工。