注漿法在治理自燃矸石山工程中的應用

任思良

(太原東山煤礦有限責任公司，山西太原 030000)

目前，隨著煤炭行業的發展，大量的煤矸石廢棄物在煤炭開采中產生，其產生量約占煤炭產量的20%［1］。長期以來，在礦區形成了大量的矸石山。由于矸石中含有殘煤、炭質泥巖、碎木材等可燃物質，長期露天堆放，會發生自燃現象。矸石自燃會排放出大量的SO2，H2S等有害氣體，造成環境污染［2］。因此，治理自燃矸石山是一項非常艱巨、迫切的任務。

1 工程概況

某工程中填矸區地面標高為+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，填矸區的東北方向形成矸石堆積成的邊坡。據調查，該區域矸石填溝時間在20年～30年前，填矸區域結構松散。該區域填矸已發生多次自燃，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坡的方式對填矸區進行防護、封閉處理，表層明火已經熄滅，但深部著火點仍在燃燒，局部地段已經燒成空洞。在鉆探施工過程中，發現有刺鼻的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。

若在填矸區建設建(構)筑物，填矸區矸石自燃對建筑物地基穩定性有較大的危害。矸石自燃釋放出大量的有毒有害氣體、煙塵，經雨水淋溶形成酸性水，滲透到地下后對建筑物基礎中的鋼筋、混凝土有較大的腐蝕性;矸石燃燒后會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，在適當的溫度和氧氣濃度的條件下就會發生自燃。有關資料研究表明:硫鐵礦結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基礎。煤矸石中的可燃物質在空氣和一定溫度的條件下，會緩慢發生低溫氧化反應，不斷放出熱量，使溫度不斷升高，當熱量不能全部散發于周圍環境中，則矸石升溫，溫度達到矸石自燃臨界點以上，氧化反應迅速加快，矸石很快由自熱狀態進入自燃狀態，直到黃鐵礦和煤燒完為止［3，4］。其自燃過程的主要化學反應有:

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。因為在重力作用下，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:將發生燃燒的局部矸石堆與未發生燃燒的矸石堆劃界，根據實際情況用挖掘機在交錯處開挖適度的溝渠，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，然后用推土機將熄滅層推開，推開后的煤矸石及時覆土，以防復燃。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。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，形成穩定的封閉層，達到降溫隔氧的作用，從而將火熄滅。

由于本場地填矸區中自燃著火點深度較大，處于填矸區的深部，只有采用注漿方法才能達到滅火的目的，同時必須對填矸區的頂部及周邊進行填土覆蓋，隔絕氧氣以起到防止復燃的作用。因此，本工程項目中采用注漿法對填矸石進行滅火。

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，結石率高，漿液進入灌漿區后，可以包裹煤矸石體，堵塞漏風通道，從而起到降溫、隔氧的作用，以達到滅火的目的。同時對未著火區內矸石裂隙起到固化作用，提高矸石地基的強度。因此，本次設計采用水泥、粉煤灰漿液作為注漿材料。

5 檢測標準

據《煤礦安全規程》第二百四十八條規定:封閉的火區，只有經取樣化驗證實火區同時具備下列條件時，方可認為已熄滅:

1)火區內的空氣溫度下降到30℃以下，或與火災發生前該區的日常空氣溫度相同。2)火區內空氣中的氧氣濃度降到5.0%以下。3)火區內空氣中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳濃度在封閉期間內逐漸下降，并穩定在0.001%以下。4)火區的出水溫度低于25℃，或與火災發生前該區的日常出水溫度相同。5)上述4項指標持續穩定的時間在1個月以上。

6 結語

采用注漿法對填矸石滅火工程進行加固設計后，通過現場采集氣樣對填矸區場地氧氣成分進行檢測，發現氧氣成分為0.954%，表明該場地封閉性良好;對填矸區注漿區域的溫度進行測試，發現最高溫度為24℃且保持穩定，小于規范規定的30℃，認為該場地不具備自燃條件。

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研究［J］.煤礦環保，2007(2):95-97.

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

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

［4］姚宇平.自燃矸石山治理對策及實施［A］.煤炭潔凈煤技術國際研討會論文集［C］.1997.