煤礦矸石山自燃綜合治理技術應用

自 衛 倪 萌 王興華

（山東萬祥礦業有限公司，山東 濟南 271107）

1 矸石山自燃危害

1.1 污染空氣

煤矸石含硫量較高，極易發生自燃，散發一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等氣體。風化的矸石粉屑在大風天氣里極易揚塵，污染空氣。

1.2 污染水源

雨水滲透矸石山滲到地表下，形成淋溶水，污染周邊水源，危害周邊居民身體健康。

1.3 破壞生態

矸石山風化的碎屑碎粉侵蝕周圍土地，雨水沖刷部分矸石流到周圍田地，惡化區域生態環境。

2 矸石山自燃機理分析

矸石山殘留碎煤，含碳量20%～25%，矸石山富含硫磺石，含硫量3%～4%，為矸石自燃提供了物質條件。雨水沿著裂隙進入到松散的矸石堆中，雨過天晴，在陽光照射下，水分蒸發，矸石山表面及內部溫度上升，造成矸石氧化生熱。隨著時間的延長，在碎煤及硫磺石堆放集中的部位儲熱升溫，形成高溫點，直至自燃冒煙。

3 矸石山自燃綜合治理技術

矸石山自燃綜合治理技術主要是：紅外熱像儀探測表面溫度、測溫鉆孔探測深部溫度及孔內采取氣體化驗分析、分析判識自燃區域范圍及自燃深度、淺孔注漿控火、深孔灌漿滅火、充填夯實隔氧及局部封閉處理等。

3.1 施工注水注漿鉆孔注無機防滅火材料治理

3.1.1 紅外熱像儀探測矸石山表面高溫點

利用紅外熱像儀測得矸石山表面紅外輻射的熱像分布圖，判斷矸石山的紅外熱分布場，探測矸石山表面高溫點。

3.1.2 施工測溫鉆孔探測矸石山深部自燃狀況

在自燃高溫區域施工測溫鉆孔，對鉆孔進行測溫，采取鉆孔內氣樣，分析一氧化碳、氧氣等氣體濃度，分析矸石山內部不同位置不同深度的自燃狀況，為矸石山自燃治理提供數據支持。

3.1.3 劃分滅火單元

根據矸石山表面自燃分布情況和測溫鉆孔的數據，將矸石山自燃區域劃分為五個滅火單元。根據不同滅火單元的自燃情況來確定注水注漿鉆孔的施工位置。在每個滅火單元內進行打鉆、注水、注漿作業。

3.1.4 注水注漿鉆孔布置

根據矸石山自燃區域劃分的五個滅火單元的自燃情況來確定注水注漿鉆孔的施工位置，注水注漿鉆孔打到矸石山內部高溫處，利于漿液盡可能多且均勻地滲透到破碎矸石中。根據注水注漿鉆孔周圍矸石自燃氧化程度及面積，確定鉆孔的數量和深度。經現場測算，五個滅火單元共計施工85 個鉆孔。注水注漿鉆孔數量及深度如表1 所示。

表1 注水注漿鉆孔數量及深度

3.1.5 注漿泵及注漿管

選用ZBYSB140/6-7.5 型煤礦用雙液注漿泵。注漿管采用DN65、長度4 m 鋼管加工制作，鋼管的一端加工長度50 mm 的外螺紋。在鋼管長度的1/2 至末端鉆出12 個直徑6 mm 的小孔作為出漿孔。注漿管伸入注漿鉆孔后使用水泥砂漿封孔，封孔長度1950 mm。如圖1 所示。

圖1 注漿管示意圖

3.1.6 注漿材料的選用

注漿材料選用在高水灰比條件(W/C=8～10:1)下快速凝結的新型充填無機防滅火材料。一方面可吸收矸石自燃釋放出的SO2、SO3等氣體，減輕污染，防止硫化物逸出，起到了消煙固硫作用；另一方面覆蓋浮煤堵塞裂隙隔離空氣，起到阻化滅火作用。

3.1.7 注漿參數

（1）水灰比

根據試驗結果，綜合考慮施工條件、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比8:1。

（2）注漿壓力

鉆孔注漿要考慮到對更細小裂隙的充填，采用2 MPa 的注漿壓力有利于漿液滲透。當達到設計終孔壓力值后，關閉注漿泵10 min，當注漿壓力明顯下降時，再開啟注漿泵，直至注漿壓力穩定在注漿設計終孔壓力值不再下降。

3.1.8 鉆孔注水降溫注漿滅火

（1）注水降溫

鉆孔施工完成后，先進行注水，注水過程中不斷產生水蒸氣帶走熱量，起到降溫作用。當鉆孔水蒸氣的產生量下降，溫度下降到60～70 ℃，停止注水，改為注漿。

（2）注漿滅火

無機防滅火材料注漿系統包括制漿系統、輸送系統兩部分。制漿系統由4 個攪拌桶組成，兩個攪拌甲料漿，兩個攪拌乙料漿。漿液攪拌好后，雙液注漿泵同時吸取甲料漿和乙料漿，再通過兩路高壓膠管輸送給混合器，混合器將甲料漿和乙料漿混合后注入注漿鉆孔。先注入稀薄的無機防滅火材料漿液，再將漿液慢慢變濃稠，形成無機防滅火材料固結體，起到抑燃滅火、凝固堵漏的作用。無機防滅火材料注漿示意圖如圖2 所示。

圖2 無機防滅火材料注漿示意圖

3.2 矸石山自燃治理的其它技術

（1）點狀燃燒區域挖除刨平壓實阻氧隔氧

矸石山頂部點狀、穴狀燃燒區域采用坑洞挖除法挖除，開挖深度根據燃燒中心的深度確定。開挖完成后用液力噴射機將無機防滅火漿液噴射到挖出的坑洞及周圍，減少有害氣體逸出。冷卻后，黃土回填，分層碾壓夯實。火源點處理后，使用推土機將矸石山頂部刨平、壓實，噴涂阻燃材料持續性地阻氧和隔氧。

（2）帶狀燃燒區域挖溝槽注無機防滅火材料回填壓實

矸石山帶狀分布的燃燒區域采用溝槽挖除法挖除，開挖溝槽后注入無機防滅火材料，抑制火情蔓延，降低燃燒區溫度。溝槽冷卻且注入的無機防滅火材料漿液不再滲漏后，將黃土、矸石、阻燃劑按比例混合，分層回填壓實。

（3）斜坡自燃區域噴射無機防滅火漿液隔水斷氧

矸石自然垂落堆積形成的錐形山體斜坡自燃區域，采用噴射無機防滅火材料漿液，一方面封堵矸石間隙，局部封閉，減少透氣通道，隔絕間隙的氧氣供應，另一方面減少雨水滲漏，起到隔水斷氧滅火的作用。

（4）自燃區域滅火后防復燃

矸石山自燃區域經人工滅火處理后，進行后期處理防止復燃。進一步夯實自燃區域，提高山體的密實度，降低山體的透水性。對矸石山頂部、斜坡進行適度整形，保持適宜的排水坡度，防止雨水滲漏。

4 結論

潘西煤礦矸石山采用防自燃綜合治理技術后，消除了矸石山氧化自燃現象，解決了自燃造成的空氣、水源等生態環境污染，改善了周邊居民居住環境，實現了煤礦生產和生態環境的和諧共存。