煤矸石山自燃治理與滅火工藝

張 偉 鄔劍明 王俊峰

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024）

煤矸石山自燃治理與滅火工藝

張 偉 鄔劍明 王俊峰

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024）

針對曹村礦矸石山自燃火區(qū)特點及現(xiàn)場勘查狀況，結(jié)合以往矸石山滅火經(jīng)驗，提出以注漿法、注膠為主，輔以直接挖除火源、黃土混合碾壓、黃土覆蓋的綜合治理方案，論述了注漿法滅火原理及滅火工程工藝設計的具體措施，該方法在現(xiàn)場實施效果良好。

煤矸石山 自燃 注漿法 鉆孔 滅火工藝

煤矸石是我國堆存量和年排放量最大的固體廢棄物之一，其堆存量已達45億t，且以3～4億t／a的速度增長。煤矸石長期露天堆存，占用土地，會產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，嚴重危及人們的生命與財產(chǎn)安全。本文以霍煤集團曹村礦矸石山治理為實例，研究了一種新的自燃矸石山滅火工藝。

1 矸石山自燃狀況

曹村礦矸石山位于溝壑縱橫的山區(qū)，地形復雜，東南側(cè)和南側(cè)為居民區(qū)，且距離矸石山較近（最近處不足20 m）。從現(xiàn)場勘察可知，矸石山自燃火區(qū)主要集中在矸石山西側(cè)、北側(cè)、南側(cè)，矸石表面有明顯的著火跡象。在矸石山周圍能聞到強烈的H2S氣味，而且由于露天堆放時間較長，煤矸石表面已風化成粉末，在風力的作用下，有害氣體、粉塵會給附近居民的生活帶來危害。因此，非常有必要對矸石山自燃火區(qū)采取有效可行的滅火措施進行治理，以達到徹底根除火區(qū)自燃的目的，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量。

2 滅火方法及材料選擇

2.1 滅火方法的選擇

目前，國內(nèi)外矸石山滅火方法主要有表面封閉法 （覆蓋法）、推平壓實法、泡沫法、控制燃燒法、噴漿法、灌注法、挖掘熄滅法及深部注漿法等。根據(jù)曹村礦矸石山自燃及堆積特征，淺部火源或低溫火區(qū)采用打孔灌注黃土 （粉煤灰、石灰）滅火劑漿液，深部火區(qū)及高溫火區(qū)采用打鉆注新型滅火凝膠材料，輔以一定配比的高效滅火劑漿液，結(jié)合挖掘機直接挖除火源等綜合滅火治理措施，以達到快速治理的目的。

2.2 注漿法滅火原理

注漿法是將滅火材料制成漿液后，再借助機械力量將其壓入矸石山內(nèi)部，讓漿液滲透充填到矸石空隙中，一方面通過漿液水分的蒸發(fā)，帶走部分熱量 （降溫），另一方面利用漿液的滲透作用和黏著力可使?jié){液覆蓋在矸石表面，其中的固體物沉淀后可充填于矸石縫隙之間，包裹矸石，隔絕氧氣供給（隔氧），從而達到滅火的目的。

2.3 注漿材料的選擇

灌漿材料選擇要具有一定保水性，又能起到隔氧降溫作用，且價格經(jīng)濟實惠。根據(jù)現(xiàn)場多次調(diào)試，在低溫區(qū)域選用黃土 （粉煤灰、石灰）與一定配比的高效滅火材料較為合適，黃土 （粉煤灰）與水的配比為0.7∶1～1∶1，膠凝劑高效滅火材料的比例為水溶液的0.1%；在高溫區(qū)域采用新型阻化凝膠滅火材料，其基料為水玻璃 （x Na2O·ySiO2），促凝劑為NH4HCO3，一般基料為6%～8%，促凝劑為10%～13%。

3 滅火工程工藝設計

3.1 注漿工藝

把黃土 （粉煤灰、石灰）、滅火劑材料、水按比例加入攪拌箱，由注漿機的螺桿泵將漿液經(jīng)管路注入到用漿地點。其工藝見圖1。

圖1 注漿工藝示意圖

高溫區(qū)域注新型阻化凝膠，具體工藝見圖2，主要由混合分流器、注膠泵、減速器、攪拌器等組成。

圖2 注阻化凝膠工藝示意圖

3.2 注漿滅火工藝參數(shù)選擇

3.2.1 注漿量計算

注漿量的多少主要取決于火區(qū)溫度，若矸石的平均視比重2.0，空隙率為30%，比熱0.9 kJ／kg·℃，根據(jù)熱力學有關公式，可以計算出矸石從平均溫度500℃降至80℃，需20℃的水0.29 t／m3，若漿液的滲透深度為3 m，則需水量為0.87 t／m2。再根據(jù)漿液濃度，就可折算成相應單位注漿量。一般矸石溫度較高或需增加注漿深度，應相對增加注漿量，大致控制在1～2 t／m2，也可以以矸石不再冒熱氣為限。在溫度較低處，則可減少注漿量。為保證矸石山自燃區(qū)治理后保持較長時間不復燃，必須將治理區(qū)域滅火后注入能將空隙充填密實的漿液。

3.2.2 鉆孔深度

（1）淺部火區(qū)注漿鉆孔布置。鉆孔深度取決于淺部矸石高溫層的厚度?，F(xiàn)場測試表明，若是矸石的燃燒發(fā)生在矸石堆積完成之后，則燃燒的深度較淺，多在距表面2～3 m的范圍內(nèi)，在這樣的區(qū)域采用一定長度的注漿管，基本上一次即可完成滅火工作，所以淺部注漿鉆孔間距設計成3 m，排距均為2.6 m，以菱形方式布置，深度均為5 m，鉆孔直徑均為42 mm。淺部注漿鉆孔布置見圖3。為了加大降溫速度，可在兩排鉆孔之間開槽。

圖3 淺部注漿鉆孔布置示意圖

（2）深部陰燃區(qū)注漿鉆孔布置。如果在燃燒區(qū)上仍不斷傾倒矸石，逐層堆放、逐層燃燒，這種情況下，矸石的高溫區(qū)域很深，若想一次性使整個區(qū)域降溫，則鉆孔需很深，這在技術上有一定難度，同時也不經(jīng)濟。根據(jù)曹村礦矸石山的具體情況，選定合適的鉆孔深度，適當增加注漿量，使?jié){滲透深度在10 m左右 （加黃土層厚度），鉆孔深度平均取9 m，鉆孔實際深度根據(jù)現(xiàn)場揭露矸石山內(nèi)部自燃情況調(diào)整，這樣距表面5～7 m左右的矸石可充分降溫，可視探孔溫度確定孔深。深部注漿鉆孔布置見圖4。

圖4 深部注漿鉆孔布置示意圖

4 治理效果分析

煤矸石的隨意堆放、自燃特性決定了煤矸石危害的嚴重性，為評價注漿滅火的效果，對曹村礦自燃矸石山劃分成3個區(qū)域：1區(qū)是矸石山的西側(cè)，2區(qū)是矸石山的北側(cè)，3區(qū)是矸石山的南側(cè)。在治理前后，選擇每個區(qū)域的溫度最高點作為固定觀測點。治理前，1區(qū)～3區(qū)觀測點的最高平均溫度分別為483℃、336℃、467℃，經(jīng)過20 d注漿后，溫度分別降到34℃、40℃、31℃。經(jīng)實測，CO、SO2、H2S等有毒有害氣體濃度滿足了 《煤礦安全規(guī)程》有關規(guī)定要求，證明滅火效果明顯。

5 結(jié)語

（1）在借鑒以往矸石山滅火經(jīng)驗、滅火方法的基礎上，自燃矸石山注漿滅火中，注漿孔在矸石區(qū)打菱形孔，注漿時設置注漿孔與放氣孔，注漿孔與放氣孔比例1∶10，并根據(jù)現(xiàn)場情況，輔以剝離、碾壓等方法，治理效果顯著。

（2）工程實踐表明，采用注漿法對自燃矸石山進行滅火治理，可獲得較為穩(wěn)定的滅火效果。這種滅火工藝具有設備簡易、操作簡單、施工安全、投資少、見效快等特點。

（3）通過滅火治理，有效改善了礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量，確保附近居民居住安全。自燃治理后，矸石山滿足土地復墾或植樹要求。

［1］李化建 .煤矸石的綜合利用 ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010

［2］岳超平 .我國煤礦自燃矸石山治理技術 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007（1）

［3］賈寶山，韓德義 .紅陽三礦新煤矸石山自燃的預防措施 ［J］.煤礦安全，2004 （6）

［4］吳玉國，鄔劍明等 .煤礦自燃火區(qū)治理溫度檢測技術及裝備的研究應用 ［J］.煤礦安全，2007（9）

［5］裴曉東，張人偉等 .煤矸石的綜合利用技術探討［J］.煤礦安全，2008 （9）

［6］鄔劍明，衛(wèi)鵬宇等 .成莊礦煤矸石特征溫度的熱重實驗研究 ［J］.中國煤炭，2011（12）

［7］張愛青 .大同礦區(qū)煤矸石山自燃防治及高效滅火技術 ［J］.潔凈煤技術，2010 （1）

Study on extinguishing technique of spontaneous combustion of coal gangue dump

Zhang Wei，Wu Jianming，Wang Junfeng
（College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

On the basis of the characteristics of spontaneous fire zone of coal gangue dump in Cao village and the site investigation as well as the previous experience on the fire extinguishment，a comprehensive control program was put forward，namely preferential grouting by aid of excavating fire source directly followed by compacting and covering with the loess.The mechanism of fire extinguishment by grouting and the specific measurement of the process design on the fire extinguishing engineering were also explained.A satisfied field performance was obtained，proving to be a rapid，economic and efficient method to control the spontaneous combustion of coal gangue dump.

coal gangue dump，spontaneous fire，grouting method，drilling，fire extinguishing technique

TD753

A

張偉 （1985-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，太原理工大學在讀碩士研究生，研究方向為礦井火災防治。

（責任編輯 張艷華）