內蒙古利民煤礦矸石山自燃治理技術研究

文/李亞斌

煤矸石是我國排放量最大的工業廢物，約占我國工業固體廢物的四分之一。目前針對煤矸石自燃現象，我國普遍運用的是挖掘回填法、黃土覆蓋法等傳統方法，但在實施過程中都會出現復燃現象。內蒙古自治區利民煤礦為了有效抑制矸石山的自燃現象，提出“以廢治廢”的治理思路，利用煤基固廢制成漿液，采用以“注漿、噴漿、覆漿”為主的治理技術措施，有效地抑制了矸石山火區的供氧，取得了良好的矸石山自燃治理效果。

一、利民煤礦矸石山自燃基本情況

利民煤礦坐落于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮。經過實際勘探分析，利民煤礦矸石山自燃現象產生的基本原因有以下幾種。

1.煤炭洗選形成的堆矸場矸石自燃

利民煤礦開采的煤含硫量平均達到3.5%，個別達到4.5%～5.0%，屬于國家標準所劃定的典型高硫煤。煤炭洗選后會形成矸石類廢渣，且含硫量會比原煤更高，加上堆放時間較長且無人過問，故易引發嚴重自燃。

2.井工開采排矸形成的矸石山自燃

井工開采量大，排矸量也大，往往堆放的矸石山較高。在粒度偏析效應作用下，矸石山容易形成漏風通道，且在較高堆放情況下矸石山內部會形成“煙囪效應”，容易導致自燃。

二、治理范圍

利民煤礦的矸石山坡面面積16.4萬m2、土方量約400萬m3，頂部面積11.57萬m2，平均高差32m，平均坡度為36°，最大坡角為38°。

根據利民煤礦矸石山的自燃基本情況，確定治理范圍，包括三個區域：矸石山東邊坡全部，包括第一、第二和第三臺階坡面及平臺；矸石山南邊坡一半（從東南角到南邊坡中間位置），包括第一、第二和第三臺階坡面及平臺；治理范圍內矸石山頂部沿坡頂向內延伸20m區域。

一期治理坡面的面積共計為24800m2；頂部平臺面積21000m2，合計治理面積45800m2。

三、治理方案

1.傳統治理方法效果分析

煤矸石內部的硫鐵礦在低溫環境中，會與氧氣發生氧化還原反應，放出大量熱，同時，在矸石山的內部，空氣的流通性較差，不能立即散熱，當熱量急劇增加，在某個部位達到一定溫度后會引起矸石中的煤和可燃物燃燒。這是矸石山自燃的主要原因。

近年來，由于矸石山自燃現象日益嚴重，利民煤礦采取了大面積黃土覆蓋的治理方案，黃土覆蓋平均厚度約50cm，同時也在坡面及頂部種植了一些植被進行綠化復墾。綜合分析治理效果，因矸石山由自然傾倒堆積而成，坡度較大，覆蓋的黃土粘結性較差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成穩固的土層。受雨水沖刷影響，矸石山表面覆蓋的黃土流失嚴重，并形成很深的沖溝，種植的植被成活率很低，矸石山復燃現象嚴重。受春季西北風影響，矸石山西北角自燃現象尤其嚴重。經現場考察分析，因矸石山中部土層最薄，且受“煙囪效應”影響最大，致使自燃區域多位于距離坡底15～25m處的位置，表面高溫區面積很大，內部溫度較高，已將表土燒成黑色。

2.治理技術創新實踐

結合棋盤井矸石山自燃治理現狀，充分利用周邊現有工業固廢資源，提出“注漿、噴漿、覆漿”治理法。

（1）“注漿法”滅火。

①治理原理。當漿液流入矸石內部，漿液中的水分遇高溫矸石發生汽化，其內部熱量由水蒸汽帶走，使矸石溫度下降，同時，由于漿液與矸石接觸后，其材料中的固體成分會將矸石包裹住，產生填充作用，以此起到隔絕空氣的作用，防止矸石與空氣發生反應，從而抑制自燃的發生。

②漿液制作。注漿材料配方是注漿法的核心部分。由于粉煤灰、脫硫石膏、電石泥、廢棄石灰粉石灰出廠就是粒度比較細的材料，因此原材料運回后可以直接使用，將粉煤灰、脫硫石膏、電石泥、石灰按比例3∶1∶1∶1攪拌均勻，加入5%～8%的復合添加劑，加入適量水再進行攪拌。

③治理步驟。注漿的前提是確定高溫區的區域及范圍，利用紅外成像儀和熱電偶測溫儀等工具確定火區或高溫區的面積，要在高溫區所在的矸石山的頂部和坡面進行注漿，以達到封閉火區的目的；根據事先規劃好的治理面積安排好相應數量的鉆孔；根據矸石山的特點，運用注漿泵通過相應的鉆孔將滅火漿液注入產生自燃現象的矸石山內部。

（2）“覆漿法”封閉。

①治理原理。覆漿法主要針對矸石山頂部進行覆漿封閉處理。注漿滅火后的矸石山頂部孔隙率很大，仍為矸石自燃提供氧氣通道。因此必須對矸石山頂部進行密閉封堵，通過將調制好的漿液直接攤平到矸石山頂部，并進行機械碾壓，后期可形成具有一定強度的覆蓋層，以達到阻隔氧氣防止自燃的目的。

②具體做法。根據紅外成像儀和熱電偶測溫儀等工具確定火區或高溫區的面積，然后進行覆漿施工，分兩次進行：第一次先配制濃度較低的覆漿液，然后均勻地噴灑在矸石山火區或高溫區的頂部；第二次配制濃度較高的覆漿液，同樣噴灑在矸石山火區或高溫區的頂部。最后將該覆漿區域做壓實處理。

（3）“噴漿法”封閉。

①治理原理。噴漿滅火法屬于表面封閉法，通過高壓噴射裝置，將滅火漿液噴射到矸石山坡面，使其滲入矸石裂隙淺部，降低火區溫度，并通過填堵坡面縫隙來阻止空氣向矸石山內部的火區流通，減少漏風供氧，達到控制火區的目的。

②治理步驟。對矸石山坡面進行平整，在坡面掛金屬網并用錨桿固定；配制原料，采用噴漿機抽取原材料和水，攪拌并噴射到矸石山火區外部的坡面上（噴射噴漿材料時，在坡面上預留膨脹縫）；進行人工拍打壓實處理；在施工完成的坡面鋪設工程養護薄膜進行養護。

四、治理效果

1.“注漿法”治理效果

“注漿法”滅火效果可分為三個區間：原注漿孔溫度在150℃～250℃左右的，通過注漿滅火，溫度已降至8 0℃以下；原注漿孔溫度在250℃～400℃的，通過注漿滅火，現已降至80℃以下；原注漿孔溫度在400℃～700℃左右的（主要集中在矸石山東南角高溫區），目前也全部降至80℃以下。

2.“覆漿法”治理效果

矸石山高溫區覆漿治理后經過兩周后檢測、一個月后檢測、三個月后檢測、一年后檢測，坡面均沒有出現通透裂縫。在覆漿后漿液凝固過程中，出現了小的裂縫，在隨后現場檢測中裂縫沒有繼續擴大，不影響對坡面的封閉。經過現場坡面溫度檢測，覆漿兩周后表面溫度降低到179度（覆漿前表面溫度達到400多度），一個月后溫度降低到86度，三個月后溫度降低到55度，一年后溫度降低到正常區域。

相比較，黃土封閉后經過幾次暴雨沖刷，就可能產生裂縫，造成復燃，覆漿治理后不會產生復燃現象。

3.“噴漿法”治理效果

邊坡噴漿治理后經過兩周后檢測、一個月后檢測、三個月后檢測、一年后檢測，坡面均沒有出現通透裂縫。在噴漿后漿液凝固過程中，出現了小的裂縫，這些裂縫在隨后現場檢測中沒有繼續擴大，不影響對坡面的封閉。經過現場取樣并進行抗壓強度檢測，兩周后抗壓強度可以達到6.5MPa，一個月后抗壓強度可以達到8.9MPa，三個月后抗壓強度可以達到9.3MPa，一年后抗壓強度可以達到10.4MPa。

經過與現場使用毛石砌筑坡面封閉相比，噴漿法具有施工速度快、封閉效果好，不怕下暴雨沖刷、不滲水、不透氣等優勢，強度完全可以滿足護坡要求。

五、結語

針對利民煤礦矸石山自燃的特點，有針對性地制定了以“注漿、覆漿、噴漿”為主的綜合治理技術措施，對矸石山的東邊坡，南邊坡自燃進行了治理和控制，經過監測，沒有發生復燃現象，取得了良好的治理效果，保證了利民煤礦的正常開采。