高速公路特殊路基煤矸石路段的滅火處理

胡 建 勇

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司，山西 大同 037011)

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高速公路特殊路基煤矸石路段的滅火處理

胡 建 勇

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司，山西 大同 037011)

分析了煤矸石自燃的必要條件，從去除煤矸石中的煤和黃鐵礦、提供無氧環境等方面，探討了煤矸石路段自燃的預防措施，同時提出了泡沫法、挖除火源、注水法等治理措施，以減少煤矸石路段自燃現象的發生。

煤矸石路段，自燃現象，可燃物，煤炭

由于煤炭堆會出現自燃的現象，我們不難發現，煤矸石路段自燃現象產生的根本原因是由于矸石之中含有一定量的煤炭，而且煤炭還是矸石自燃必不可少的部分。由于矸石之中含有大量的硫元素，而這些硫元素是以黃鐵礦的形式在矸石之中出現的。而黃鐵礦這種物質在常溫環境下會發生十分緩慢的氧化反應，可是黃鐵礦在氧化反應的過程中會釋放出一定的熱量，這從很大程度上促進了矸石在常溫狀態下產生氧化反應，并從很大程度上提高了矸石出現自燃現象的概率[1]。

1 煤矸石自燃的必要條件

煤矸石路段的自燃現象是一個相當復雜的化學反應，受到多重外在環境因素以及礦物含量因素的制約，但是總的來說，煤矸石出現自燃現象的根本原因可以歸結為以下幾個：

1)煤矸石之中含有的物質導致它比較容易出現自燃的現象，因為在絕大多數情況下，煤矸石可以很迅速的與氧氣發生氧化反應并在反應中持續釋放出熱量，從而最終導致溫度達到煤炭燃點并產生自燃現象。

2)煤矸石的物理結構疏松，而且往往存放條件較為松散，因此有相當一部分面積直接暴露于空氣當中，這極大的提高了煤矸石和氧氣的接觸面積，由于獲得了足夠的氧氣，所以煤矸石很容易被氧化而放出熱量，最終導致自燃現象的產生。

3)煤矸石路段的比熱容相對較大，所以煤矸石路段可以儲存大量的熱量，因此很長一段時間之內矸石被氧化而釋放出的熱量都會聚集在山體之中不會釋放出去，而熱量的堆積無疑對煤矸石路段自燃提供了很大程度上的便利。

處以堆積狀態的煤矸石在常溫下會被緩慢的氧化，所產生的熱量確實并不足以直接導致煤矸石產生自燃現象，可是由于矸石具有較高的比熱容，因此這些熱量會被存儲下來，隨著熱量的不斷堆積，煤矸石被氧化的反應速率會被加快，熱量的產生速率也進一步增加，這是一個螺旋上升的過程，因此我們可以得出如下結論，即：只要煤矸石可以與足量的氧氣直接接觸，熱量終究會堆積到可以使煤矸石自燃的程度。由于煤矸石之中含有較為大量的煤炭，因此一旦開始自燃就可以維持長時間的持續燃燒，燃燒時由于熱空氣的堆積會出現煙囪效應，進一步增加煤矸石與氧氣的接觸面積，而且由于溫度的上升以及由于煤炭燃燒使未被氧化的矸石逐漸與氧氣接觸，這會進一步加劇煤矸石的燃燒，這同樣是一種螺旋式上升的過程。因此如果想要避免煤矸石的自燃，需要在煤矸石儲存熱量的過程之中嘗試將煤炭與矸石分離，以減少矸石之中可燃物的含量;如果可以將煤矸石堆積地點的氧氣含量降低或者提高煤矸石堆積地點的散熱能力也同樣可以避免煤矸石產生自燃的現象[2]。

2 煤矸石路段自燃防治措施

2.1 預防煤矸石路段自燃的措施

1)去除煤矸石路段中的煤和黃鐵礦。煤矸石是由非金屬氧化物、金屬氧化物以及稀有金屬組成的，除此之外煤矸石中還含有一定量的煤炭以及木材廢料等易燃物，如果想要從源頭降低煤矸石產生自燃現象的可能性，可以從去雜質的角度入手，采取洗礦的手段，將煤矸石中的黃鐵礦以及可燃物質與矸石分離開。這樣不但可以從很大程度上降低矸石產生自燃現象的可能性，還可以將自然資源的利用率最大化。

2)提供無氧環境。燃燒必備的兩個要素是可燃物以及氧氣，因此我們同樣可以從氧氣的角度入手來盡可能避免矸石自燃，比如我們可以切斷矸石堆積地點與外界的氣體交換，這樣可以大大降低矸石存放地點的氧氣含量，從而進一步降低矸石產生自燃現象的概率。

2.2 煤矸石路段自燃的治理措施

煤矸石出現自燃的情況之后，煤矸石路段內部會積蓄大量的熱能，而且自燃過程還會產生出大量的有害氣體，二氧化硫占據了很大的比重。煤矸石路段的自燃可以持續數十年之久，不斷的產生出有害氣體，這些氣體會對周圍環境、周圍人們的正常生活產生極為嚴重的影響[3]。治理煤矸石自燃的核心在于切斷燃燒物與氧氣，目前常用的治理方法有以下幾種：

1)泡沫法。泡沫法是向正在燃燒的煤矸石內部注入泡沫滅火劑，滅火劑之中含有大量不可燃物，會附著在煤矸石的表面，隔絕其與空氣的接觸，并最終起到滅火的作用。可是由于煤矸石路段的表面往往有很多雜質，因此泡沫滅火劑往往難以保持穩定的狀態。

2)挖除火源法。挖除火源法在滅火方法中是最為直接的一種。將已經燃燒的矸石和尚未燃燒的矸石區分開，在已燃燒的矸石可燃物用盡之后火自然就會熄滅。可是這種滅火方法無法應用于規模較大的火情，而且由于危險程度較高因此在實際情況中幾乎不會應用。

3)覆蓋法。覆蓋法是在煤矸石路段表面上覆蓋可以隔絕空氣的泥土等不可燃物。覆蓋滅火最主要的就是要將土類物質盡可能的壓實，除此之外在使用土類物質覆蓋煤矸石路段之前應當先將矸石中已經積蓄的熱量釋放，這種方法往往被應用于矸石自燃的預防工作之中。

4)注水法。這種方法具有成本低廉、操作簡單的特點。可是水對于煤矸石而言是一種有利有弊的物質。足量的水可以在煤矸石表面形成一層保護膜，從而隔絕氧氣。可是，水的蒸發過程可以吸收熱量，這就導致煤矸石路段的溫度下降，由于黃鐵礦的氧化反應是一個吸熱反應，因此在低溫條件下更容易發生，因此水的蒸發過程也會對矸石氧化起到催化作用。而且，注水通道也會將一定量的氧氣攜帶到煤矸石路段之中。

5)深部注漿法。深部注漿法的基本作用原理是：向滅火材料之中加入水制成具有滅火功能的漿液，而后將得到的滅火漿液輸送到正在自燃的煤矸石路段之中，漿液處于較高溫度的矸石之中，漿液中的水會快速氣化并帶走大量的熱，這可以在較短的時間之內使處于高溫的矸石溫度恢復正常；而滅火漿液中的其他固態成分會充滿矸石之間的空隙并將矸石表面完全包覆起來，這可以盡可能的隔絕矸石和氧氣，從而起到治理自燃現象的作用。注漿法是從分離矸石與氧氣以及降低溫度2個方面共同作用，從而實現滅火的目的。

為了檢測該處治措施的效果，我們對煤矸石路基進行了溫度測量。我們在場地上選取了2處點位，每處點位用鉆機鉆2個孔，孔深10 m，共計4個孔。對每個孔進行溫度測量，為了更細致的觀察溫度隨深度的變化，我們每隔1 m深進行一次測量，得到溫度與深度的關系，數據如表 1 所示。

3 結語

矸石之中含有一定量的煤炭是導致煤矸石產生自燃現象的主要原因，而且煤炭是煤矸石中可燃物的主體。矸石之中含有含量較多的含硫化合物，其主要以黃鐵礦的形式存在。這些黃鐵礦在常溫條件下在氧化過程之中所散發出的熱量經過囤積，產生了足以引燃煤矸石中可燃物的熱量，這從很大程度上提高了煤矸石出現自燃現象的可能性。

[1] 孫 鍇,彭 立,杜勇立，等.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降與應力分析與現場測試對比研究[J].公路工程,2014(1):83-87.

[2] 李彩惠,張亞鵬,王海燕，等.煤矸石混合料路面基層施工工藝研究[J].河北工程大學學報(自然科學版),2013,30(3):54-56.

[3] 杜勇立,黃向京,戚芳方，等.煤矸石作路基材料對地下水硝酸鹽污染的數值模擬分析[J].上海師范大學學報(自然科學版),2014,43(3):297-303.

Fire-extinguishing treatment of special highway subgrade-coal gangue section

Hu Jianyong

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge(Group) Co., Ltd, Datong 037011, China)

The paper analyzes the necessary spontaneous combustion conditions of coal gangue. Starting from aspects of demolishing coal pyrite of coal gangue and providing with oxygen-free environment, it explores spontaneous combustion preventing measures of coal gangue section, and puts forward treatment measures, such as foaming method, excavating fire origin and water-injection method, with a view to reduce spontaneous combustion at coal gangue section.

coal gangue, spontaneous combustion, combustible, coal

1009-6825(2016)12-0123-03

2016-02-19

胡建勇(1978- )，男，工程師

U416.1

A