自燃煤矸石山隔離層空氣阻隔性對時間的響應

胡振琪，鞏玉玲，吳媛婧，杜玉璽，高 楊

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

煤矸石是煤炭開采與加工過程中產生的固體廢棄物，占原煤產量的10%～30%[1]。據不完全統計，目前我國煤矸石累計堆存約46億t，占壓土地1.2萬hm2以上，并繼續以每年1.6億t的速度增加，是我國排放量最大的工業固體廢棄物[2]。煤矸石的堆放不僅壓占大量土地，且易造成大氣、水、土壤等生態環境污染[3]，自燃的煤矸石釋放出大量的CO、SO2、NOX、H2S等有害氣體，破壞生態環境，危害周邊居民身體健康[4]。目前我國煤矸石的綜合利用率在60%以上，雖然利用率在不斷提高，但仍有大量的煤矸石堆積成山[5]。據不完全統計，我國目前約有30%的煤矸石山在自燃[6]，通常采用注漿與黃土覆蓋相結合的方法對已自燃的煤矸石山進行治理，然后實施綠化[7-10]。但實踐證明，通過此方法治理的煤矸石山1年或2年后復燃現象嚴重[1,11-12]，主要原因是黃土覆蓋初期含水率適量，一經壓實空氣滲透率極小，空氣阻隔性較好，但隨著內部黃鐵礦緩慢氧化并釋放熱量，高熱量的氣體與矸石使得覆蓋層的水分逐漸蒸發，尤其是裸露和植被覆蓋率低的覆蓋層逐漸變干并產生裂縫，甚至變成疏松的顆粒狀物質，再加上風化作用與雨水的沖刷，覆蓋層空氣阻隔性變差，失去封閉效果，使得煤矸石山復燃[13]。隔離層的含水率是影響隔離層封閉性的因素之一，空氣滲流速度及滲透率是反映隔離層空氣阻隔性的重要參數[14]。含水率降低，使得隔離層中孔隙率升高，隔離層易產生裂縫，加速空氣的滲入；空氣滲流速度越快，滲透率越高，孔隙輸氧速度越快，煤矸石山自燃時間縮短[15-16]。目前，國內外對自燃煤矸石山的研究主要包括煤矸石中黃鐵礦的氧化、氧氣在煤矸石中的運輸、自燃煤矸石山治理技術、隔離層阻隔效果等[13,17-19]，尚未開展對隔離層含水率、空氣滲流速度及滲透率隨時間變化規律的深入研究。因此本研究通過室內試驗，以土壤試樣為例，分析隔離層的含水率、不同壓差下空氣滲流速度與滲透率隨時間的變化規律，以此來分析隔離層空氣阻隔效果，并進一步提出防止煤矸石山自燃的措施。從而為合理制定自燃煤矸石山覆土碾壓與綠化時間、后期管理與維護，以及防止煤矸石自燃提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 材料的制備

土壤采集后風干碾碎過5 mm篩，測其風干含水率為4.22%。在矸石山治理現場黃土料場取得的土壤質地為粉土，采用馬爾文激光粒度儀測定其顆粒粒徑：黏粒(粒徑<2 μm)占1.73%，粉粒(粒徑2～50 μm)占95.09%，砂粒(粒徑>50 μm)占3.18%。根據高楊[20]研究同等材料的塑限估計最優含水率表明:當試樣含水率為19.5%時，材料壓實性最好，空氣阻隔性最好,因此設置試樣含水率為19.5%。在風干含水率基礎上計算加水量，加水后土樣拌勻，密閉放入塑料桶中，靜置24 h保證土樣中水分的均勻備用,土壤試樣實測含水率為18.56%。

1.2 試樣裝入測試腔

土壤試樣透氣性在室內利用自制設備(自燃煤矸石山隔離層透氣性測試設備，專利號ZL200820123452.9)進行測量[21]，設置試樣厚度為30 cm，分三層裝填，分層擊實，擊實次數設置為每層擊實30次，擊實錘為重型擊實錘(質量為4 500 g，擊實錘的落距為45.7 cm)，每層擊實后高度控制為10 cm，試樣體積為6 028.8 cm3，單位擊實功對應為301.2 kJ/m3。

1.3 測試設備連接

測試設備結構示意圖見圖1。試樣裝入測試腔之后，將測試腔與注氣腔和排氣腔連接，注氣腔及排氣腔上均安有壓力表，注氣腔連接減壓閥，減壓閥連接空氣壓縮機以提供穩定氣壓的氣源，排氣腔連接煤氣表測試氣體流量。測試腔、注氣腔、排氣腔安裝完畢后，啟動空氣壓縮機，對試樣變換不同壓差進行測試。當空氣滲流速度穩定之后開始記錄空氣滲透量數據及單位空氣數量通過該試樣的時間，即可計算試樣透氣量。

圖1 設備結構示意圖Fig.1 Structure of equipment

1.4 測定項目與方法

1) 質量含水率。試樣初始含水率的測定采用烘干法，之后采用稱重計算法測定每天含水率，即裝樣前稱量測試腔的重量，每天稱量試樣與測試腔的重量，以最初烘干土的質量為基數計算后期土壤質量含水率，計算公式見式(1)。

ωi=(mi-me-m)/m×100%

(1)

式中：ωi為第2 d、第3 d、……第10 d、第13 d、第16 d、第19 d的土壤質量含水率，(i=2,3,4,5,6,7,8,9,10,13,16,19)；mi為第i天土樣與測試腔的質量，kg；me為測試腔的質量，kg；m為烘干土的質量，kg。

2) 空氣滲流速度與滲透率。試驗設置研究時間為19 d，其中前10 d選擇每天同一時間測定試樣的空氣滲流速度與滲透率，之后每隔3 d在同一時間進行一次測試。試驗過程中，設置試樣兩側壓差分別為0.01 MPa、0.02 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa。每次測試完畢后，將測試腔取下，與進氣腔連接一側朝上，靜置。試驗過程中，記錄單位空氣流量所需的時間，計算空氣滲流速度與滲透率。一般情況下，矸石堆中氣體的流動速度極為緩慢，屬于層流狀態，在層流狀態，多孔介質內流體流動速度服從達西定律[22]。空氣滲透量與空氣滲流速度的關系見式(2)。

v=Q/A

(2)

式中：v為空氣滲流速度，m/s；Q為試樣透氣量，m3/s；A為試樣斷面面積，m2。

根據達西定律，結合土層中均勻滲透場的假定方法及氣壓的等效水利坡度理論，覆蓋層的滲透率計算見式(3)。

K=vμL/ΔP

(3)

式中：K為空氣滲透率，m2；μ為空氣動力黏度，Pa·s，常溫下取值為1.83×10-5Pa·s；L為試樣長度，m；ΔP為試樣兩側氣壓差，Pa。

2 試樣在不同壓差下隨時間變化規律

2.1 試樣含水率的變化

對自燃煤矸石山采取覆蓋碾壓阻燃措施進行治理，隨著時間推移，覆蓋隔離層的水分散失或蒸發，含水率發生變化，從而導致隔離層的空氣阻隔性發生變化。如圖2所示，試樣含水率隨時間呈直線下降趨勢。時間每推移一天試樣含水率下降約0.59%，與時間有著顯著的相關性，相關系數為0.98，通過了α=0.01的顯著性檢驗。在本試驗條件下，試樣初始含水率為18.56%，受溫度、空氣注入等因素的影響[23-24]，試樣水分的蒸發與散失較大，含水率不斷降低，第19 d時含水率僅為10.98%，明顯低于試樣最優含水率(19.5%)。本文引起試樣含水率變化的原因較為單一，主要是由氣壓差及自然蒸發引起的。而實地野外隔離層含水率的變化比室內試驗劇烈得多，除了因外部環境引起蒸發以外還會因內部黃鐵礦氧化釋放熱量而蒸發[13]。因此，野外隔離層含水率的降低速率遠快于室內試樣含水率的降低速率。

圖2 試樣含水率隨時間的變化Fig.2 Variation of moisture content ofsamples with time

2.2 試樣空氣滲流速度對時間的響應

由圖3可以看出，隨著時間推移，土壤試樣空氣滲流速度呈二次函數式增大，空氣阻隔性能逐漸降低。同時，空氣滲流速度隨著壓差的增大而增大。通過判斷覆蓋層的空氣滲流速度與煤矸石中空氣臨界流速(4.4×10-5m/s)的大小關系來推斷覆蓋阻燃效果[22]。

在0.01 MPa壓差下，第1 d土壤試樣空氣滲流速度為9.20×10-7m/s，第2 d為1.09×10-6m/s，比第一天提高了一個數量級，增速達1.70×10-7m/s。第2～8 d，空氣滲透速度增加緩慢，平均每天增速為1.24×10-6m/s。第9 d時，土壤試樣空氣滲流速度為1.07×10-5m/s，相較于第1 d提高了兩個數量級，提高了10倍多。從第9 d開始，空氣滲流速度以每天1.08×10-5m/s的速度增加，增速相較于之前略有提高。到第19 d時空氣滲流速度提高到6.47×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。這表明，在本試驗條件下，第19 d開始隔離層的空氣阻隔效果無法達到治理要求，對自燃煤矸石山的阻燃效果變差。

在0.02 MPa壓差下，前5 d土壤試樣空氣滲流速度處于同一數量級，增速較緩慢，平均每天1.47×10-6m/s。第6 d時土壤試樣空氣滲流速度增加到1.17×10-5m/s，提高了一個數量級，相較于第1 d提高了7.85倍。第6～19 d，空氣滲流速度處于同一數量級，平均每天增速為8.86×10-6m/s，相較于前5 d的平均增速有所提高。第13 d時土壤試樣空氣滲流速度為4.56×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。表明在0.02 MPa下，第13 d開始隔離層的空氣阻隔效果已達不到治理要求。

圖3 土壤試樣空氣滲流速度隨時間的變化Fig.3 Variation of air seepage velocity with time

在0.03 MPa壓差下，第1 d土壤試樣空氣滲流速度為2.01×10-6m/s，之后到第4 d空氣滲流速度以平均每天1.81×10-6m/s的速度增加。第5 d土壤試樣空氣滲流速度為1.56×10-5m/s，升高了一個數量級。第5～16 d，空氣滲流速度以每天9.65×10-6m/s的速度升高，增速相較于前4 d有所加快。第19 d時空氣滲流速度為1.19×10-4m/s，較第1 d提高了兩個數量級。在第10 d時土壤試樣空氣滲流速度為5.21×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s，這表明在0.03 MPa壓差下，第10 d開始隔離層的空氣阻隔效果已達不到煤矸石山治理要求。

在0.04 MPa壓差下，前3 d的空氣滲流速度處于同一數量級，此時間段內空氣滲流速度平均每天增加9.80×10-7m/s，上升速度較慢。第4 d時土壤試樣空氣滲流速度為1.01×10-5m/s，提高了一個數量級。第4～13 d土壤試樣空氣滲流速度升高較快，每天升高1.02×10-5m/s，比前3 d的上升速度高10倍多。第9 d時土壤試樣空氣滲流速度為5.51×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s，此時隔離層的空氣阻隔效果已不能滿足治理要求。第16 d時空氣滲流速度為1.12×10-4m/s，比第9 d 提高了一個數量級。

在0.05 MPa壓差下，前3 d土壤試樣空氣滲流速度平均每天增長1.50×10-6m/s。第4 d時土壤試樣空氣滲流速度為1.37×10-5m/s，提高了一個數量級。第4～10 d空氣滲流速度處于同一數量級，其平均每天增長速度為1.05×10-5m/s，高出前3 d平均增速近7倍。第6 d時土壤試樣空氣滲流速度為4.50×10-5m/s，略大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。此時隔離層的空氣阻隔效果已達不到自燃煤矸石治理要求。第13～16 d，空氣滲流速度較第1 d提高了兩個數量級，期間其平均增速為3×10-5m/s，高出前3 d平均增速20倍。

2.3 試樣空氣滲透率對時間的響應

滲透率表示的是一個只與多孔介質結構特性相關的物理量，主要取決于介質的孔隙大小及孔隙結構，大小與測試壓力無關[25-26]。因此本文僅分析同一時刻不同壓差下平均空氣滲透率值對時間的響應。從圖4可以看出，空氣滲透率隨時間的變化呈二次函數式上升(R=0.98，α=0.01)。第1 d空氣滲透率為4.10×10-16m2，隨著時間的推移空氣滲透率逐漸增大，第4 d土壤試樣空氣滲透率為1.75×10-15m2，較第1 d提高了一個數量級。從第4 d到第10 d，試樣空氣滲透率增長緩慢且處于同一數量級，到了第13 d，試樣空氣滲透率又提高一個數量級，達到1.29×10-14m2，較第1 d增大了31倍多。第13～19 d試樣空氣滲透率在同一數量級范圍內上升。第19 d時空氣滲透率為2.43×10-14m2，大于矸石山臨界自燃時對應的空氣滲透率(2.0×10-14m2)，空氣阻隔性變差[11]。

2.4 隔離層含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關性

將不同壓差下的土壤試樣空氣滲流速度與空氣滲透率分別求取算數平均值，分析含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關性(圖5)。總體看來，土壤試樣空氣滲流速度與滲透率隨含水率的變化成對數函數式變化，且變化趨勢一致。含水率每降低百分之一，平均空氣滲流速度與平均空氣滲透率分別上升2×10-4m/s、4×10-14m2。當含水率下降到14.32%時，平均空氣滲流速度達到5.14×10-5m/s，超過了煤矸石中空氣臨界流速(4.4×10-5m/s)，當含水率降到10.98%時，平均空氣滲透率達到2.43×10-14m2，超過了矸石山臨界自燃時對應的空氣滲透率(2.0×10-14m2)。當含水率大于17.5%時，平均空氣滲流速度與滲透率上升幅度較小；含水率小于17.5%時，隨著含水率的降低，平均空氣滲流速度與滲透率上升幅度較大。因此表明土壤含水率的變化對空氣滲流速度與滲透率的影響較為顯著。

圖4 土壤試樣空氣滲透率隨時間的變化Fig.4 Variation of air permeability with time

圖5 土壤試樣含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關性Fig.5 Correlation between moisture content of samplesand seepage velocity and permeability of air

3 結論與建議

隨著時間推移，土壤試樣質量含水率呈直線式下降，而空氣滲流速度與滲透率均呈二次函數式上升，且空氣滲流速度增幅越來越大。隨著壓差增大，空氣滲流速度的增長速度呈現數量級變化的時間逐漸縮短，空氣滲流速度超過臨界滲流速度的時間縮短。隨著含水率不斷降低，空氣滲流速度與滲透率呈反方向上升趨勢，而空氣滲流速度與滲透率的提高，為煤矸石氧化提供充足的氧氣和水分，進一步誘發煤矸石山自燃或復燃。

因此，在治理自燃煤矸石山的過程中要充分做好隔離層防裂、防滲工作，為此提出以下建議。

1) 由于自燃煤矸石山內外壓差不穩定，因此為了保證隔離層的阻燃效果，試驗設置的最大壓差為0.05 MPa，根據試驗結果，隔離層構建后表土的覆蓋相隔時間不宜超過5 d，以保證構建的隔離層具有較好的空氣阻隔性。

2) 在實地煤矸石治理過程中，須對煤矸石山隔離層含水率進行實時監測，當隔離層含水率低于14%時，需對治理后的煤矸石山適當澆水、綠化，以降低隔離層的空氣滲流速度與滲透率，防止煤矸石山自燃。