礦井矸石山環(huán)境危害與防治措施分析

李國亮

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)環(huán)保健康管理部， 山西 介休 032000）

礦井在回采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的矸石，矸石來源包括有煤層夾矸、巖巷等[1]。礦井生產(chǎn)的矸石除少數(shù)礦井用以井下采空區(qū)充填外，其余大多數(shù)礦井是通過運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送至地表，并在矸石山上堆積[2-3]。堆積的矸石在一定條件下即會(huì)發(fā)生氧化自燃問題。根據(jù)相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)礦井矸石山中約有接近20%的矸石山正在氧化自燃。矸石山氧化自燃機(jī)理與井下煤層自燃機(jī)理類似，主要是由于矸石山中含有的黃鐵礦、碳物質(zhì)等被空氣中氧氣氧化、蓄熱，最后引起自燃[4-6]。由于矸石山中含有的碳物質(zhì)含量相對(duì)較少，同時(shí)不燃的礦物質(zhì)占比較高，矸石山內(nèi)可燃物質(zhì)氧化反應(yīng)較慢，自燃發(fā)火短則數(shù)年多則需要十幾年。矸石山在自燃發(fā)火過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO、H2S、NOx、SOx等有害氣體以及其他有害物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重影響礦區(qū)內(nèi)的空環(huán)境質(zhì)量[7]。

1 工程概況

山西某礦于2000 年開始投入生產(chǎn)，生產(chǎn)能力為300 萬t/年，為高瓦斯礦井?，F(xiàn)階段礦井主采3 號(hào)煤層，煤層有自燃發(fā)火傾向，自燃發(fā)火區(qū)介于60～120 d、煤塵爆炸指數(shù)為41.6%。礦井開采的3 號(hào)煤層厚度達(dá)到6.9 m，采用綜放開采方式，煤層中夾雜有3～5 層砂質(zhì)泥巖矸石。截止到2021 年3 月，礦井累積生產(chǎn)原煤約5 800 萬t，產(chǎn)生矸石量約29 萬t。

井下煤炭開采生產(chǎn)的矸石除部分用以采空區(qū)充填外，其余均由運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送至地面矸石山進(jìn)行堆積。

2 矸石山環(huán)境危害分析

礦井煤炭開采時(shí)生產(chǎn)的矸石主要通過帶式輸送機(jī)運(yùn)行至地表，并經(jīng)由汽車運(yùn)輸方式運(yùn)輸至矸石山堆積。若對(duì)矸石山不進(jìn)行針對(duì)性處理，則矸石山內(nèi)的可燃物在空氣中氧氣緩慢氧化下出現(xiàn)自燃，從而影響礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量。矸石山對(duì)環(huán)境主要威脅體現(xiàn)在以下方面：

1）矸石在運(yùn)輸以及堆放過程中均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，會(huì)給作業(yè)人員身體健康帶來危害，并污染礦區(qū)環(huán)境。

2）矸石山中含有大量的Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO 等成分，一般情況下矸石山采用露天堆放方式，矸石經(jīng)過雨淋后會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，一些有害物質(zhì)會(huì)下滲到地下水中，一些會(huì)隨著地表徑流流向河流中，從而污礦區(qū)周邊居民用水以及農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等用水。

3）矸石山若不針對(duì)性進(jìn)行治理，容易出現(xiàn)自燃。矸石山自燃過程中產(chǎn)生的CO、H2S、NOx、SOx等氣體會(huì)給附近作業(yè)人員身體健康帶來威脅，同時(shí)污染礦區(qū)礦井。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，矸石山自燃過程中釋放的ρ（SO2）可達(dá)到0.12～7.05 mg/m3，超過SO2排放標(biāo)準(zhǔn)16 倍以上；ρ（CO）可達(dá)到1.95～124.7 mg/m3，超過排放標(biāo)準(zhǔn)20倍以上。預(yù)測(cè)該礦矸石山由于自燃每年向大氣中排放SO2、CO 分別約0.85 t、3.15 t，會(huì)嚴(yán)重污染礦區(qū)環(huán)境。

3 矸石山污染防治

3.1 矸石自燃發(fā)火防治

3.1.1 矸石山成分分析

對(duì)礦井矸石山成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)矸石山主要有泥質(zhì)灰?guī)r、黏土巖以及煤層夾矸等構(gòu)成?？扇嘉镏饕獮槊簩訆A矸以及矸石中遺煤，具體化驗(yàn)指標(biāo)見表1 所示。

表1 矸石山成分化驗(yàn)指標(biāo)

通過對(duì)矸石山現(xiàn)場(chǎng)堆積情況分析以及矸石山成分分析結(jié)果，判定該矸石山自燃主要原因：

1）矸石山堆積的矸石呈斜坡狀，暴露面積較大，同時(shí)矸石堆積疏松、內(nèi)部有較大孔隙，可給矸石自燃提供較好的氧化條件，滿足矸石自燃需要?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該矸石山滲透率可達(dá)到10～9 m2，在供氧條件充足情況下矸石氧化溫度可達(dá)到自燃溫度之上。

2）矸石堆積過程在重力、傾角等因素影響下，大塊矸石一般在矸石山底部堆積，小塊的則留在上部。矸石山堆積時(shí)自然分級(jí)增加矸石山孔隙率，熱量高的小顆粒矸石在矸石山上部富集。上述因素共同作用導(dǎo)致矸石山出現(xiàn)自燃。

3.1.2 矸石山自燃發(fā)火防治

矸石山自燃與溫度、氧氣供應(yīng)條件密切相關(guān)，結(jié)合礦井矸石山實(shí)際情況，采用黃泥灌漿方式隔絕供氧通道，并采取局部澆水方式熄滅矸石山上明火。

3.1.2.1 黃泥將灌漿隔絕供氧

從其他矸石山自燃發(fā)火防治經(jīng)驗(yàn)來看，通過在矸石山上灌注黃泥漿可封堵供氧通道，從而降低矸石山中含炭量較高的矸石或者煤炭氧化，可起到較好的防滅火效果。在矸石山上灌注的黃泥應(yīng)滿足下述要求:加入少量水即可形成泥漿，滲透性強(qiáng)同時(shí)易于脫水，漿液膠結(jié)后收縮量小；漿液中不應(yīng)含有催化劑或者可燃物，同時(shí)便于運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)制備。在黃泥漿灌注時(shí)漿液水灰質(zhì)量比為2∶1。

灌黃泥漿時(shí)從矸石山有上而下灌注，具體灌注時(shí)應(yīng)注意下述事項(xiàng)：

1）在黃泥漿灌注前推平矸石山，從而形成四周高、中間低的形狀。

2）連續(xù)大量灌注黃泥漿3 d 后停止灌注，通過自重讓黃泥漿在矸石上縫隙中緩慢沉淀。

3）定期測(cè)定漿液水灰比，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整水灰比，確保漿液具有較好的滲透效果。

3.1.2.2 局部澆水滅火

當(dāng)發(fā)現(xiàn)矸石山局部溫度較高或者出現(xiàn)小范圍明火時(shí)，采用局部澆水方式滅火。水具有較強(qiáng)的滲透性，在自燃發(fā)火上風(fēng)側(cè)10 m 位置采用高壓注水管從外圍向中部進(jìn)行滅火，從而達(dá)到熄滅局部發(fā)火目的。

3.1.3 防治效果分析

對(duì)礦井矸石山自燃發(fā)火進(jìn)行防治后，經(jīng)過施工鉆孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)矸石山內(nèi)部溫度控制在70 ℃以內(nèi)，矸石山自燃問題得以有效控制。

3.2 其他環(huán)境污染防治措施

在矸石山堆積過程中采用專用噴霧灑水裝置用以降低粉塵產(chǎn)生量，并定期對(duì)積塵區(qū)進(jìn)行清洗，降低粉塵給環(huán)境影響，同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間堆積且后續(xù)不再使用的矸石山區(qū)域通過種植地表綠植也可起到降低粉塵、減少矸石山對(duì)環(huán)境影響目的。

在矸石山周邊修筑擋水墻，以便對(duì)矸石山受大氣降水沖刷后形成的污染進(jìn)行收集，并采用專用輸送管路將污水泵送至污水處理廠，從而減少污染對(duì)環(huán)境影響。

4 結(jié)語

煤炭開采過程中產(chǎn)生的矸石在地面堆積會(huì)產(chǎn)生較為顯著的環(huán)境污染問題。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷增加，應(yīng)針對(duì)矸石山污染產(chǎn)生特點(diǎn)采取針對(duì)性的污染防治措施。在礦井后續(xù)生產(chǎn)過程中可采用充填開采技術(shù)，將井下生產(chǎn)的矸石充填至采空區(qū)中，不僅可避免矸石在地面堆積而且可降低采空區(qū)地表塌陷量，從而實(shí)現(xiàn)煤炭綠色回采并降低礦區(qū)環(huán)境保護(hù)污染。