煤矸石山高溫自燃機(jī)理與治理技術(shù)研究

耿 正，姚興柏，李小剛，丁小強(qiáng)

(陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

某煤礦矸石場的煤礦矸石堆放量為520萬 t左右，堆積層厚度為81 m，地面標(biāo)高為1 224 m。受到地面溫度以及通風(fēng)等因素影響，矸石場內(nèi)存在溫度積聚迅速上升的狀況，多處發(fā)生了自燃現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場實際勘測顯示，中部矸石山體的自燃情況最為嚴(yán)重，坡面以及頂部位置已經(jīng)發(fā)展有冒煙現(xiàn)象，散發(fā)刺鼻氣味，對周邊環(huán)境形成了一定污染，對周邊居民居住安全造成了一定威脅，需要進(jìn)行及時控制。

1 自燃機(jī)理分析

煤矸石自燃的條件是氧氣通道暢通，供氧充足；存在可燃物質(zhì)易發(fā)生氧化反應(yīng)；有良好的儲熱條件，促進(jìn)熱量聚集溫度上升。通過對現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，本工程煤矸石自燃同時滿足以上條件，因此發(fā)生自燃現(xiàn)場，現(xiàn)具體分析如下：

1.1 煤矸石自燃的化學(xué)條件充足

煤矸石中存有大量黃鐵礦，并且夾雜少量煤炭，為矸石自燃提供良好的著火介質(zhì)；排矸初期未對沖溝原始坡面進(jìn)行清理整平，排矸場坡面原有灌木及草本植物也為矸石山著火提供可燃物。

1.2 煤矸石自燃的物理條件滿足

首先，矸石山堆積形成后，呈現(xiàn)出不自燃區(qū)、可能自燃區(qū)(一般自燃區(qū)和高溫自燃區(qū))、窒息區(qū)三大層結(jié)構(gòu)(如圖1)。在堆積過程中，三大結(jié)構(gòu)區(qū)域隨著堆積時間變化而逐步演變，一般自燃區(qū)演變?yōu)楦邷刈匀紖^(qū)的幾率增加。其次，矸石山斜坡暴露面積大，矸石堆積疏松，堆存過程中未使用黃土間隔分層碾壓，導(dǎo)致矸石間空隙率大，矸石供氧條件好。再者，矸石在重力作用下，大粒徑矸石滾落到矸石山底部，小粒徑矸石多數(shù)留在上部，形成了矸石的自然分級。分級的結(jié)果導(dǎo)致空隙率進(jìn)一步增大，并使發(fā)熱量高的小粒徑矸石產(chǎn)生了富集。另外，洗矸粒度相對較小，矸石本體的暴露面積較多。

圖1 煤矸石山自燃區(qū)分層結(jié)構(gòu)

1.3 煤矸石自燃的環(huán)境條件符合

本工程煤矸石山所處位置常年潮濕，空氣流通較好，在此條件下，黃鐵礦加速發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出大量熱能，進(jìn)而加快煤低溫氧化進(jìn)程，造成著火現(xiàn)象。

2 治理技術(shù)方法

2.1 常規(guī)治理方法

根據(jù)煤矸石山著火機(jī)理，需要解決自燃三要素：易燃介質(zhì)、供氧充足、溫度聚集，在防治矸石山自燃實踐中，通常采取推平壓實法、挖掘熄滅法、覆蓋法、噴漿法、注漿法等。本工程選用邊坡封堵結(jié)合常規(guī)注漿滅火法，同時選用黃土(增加密實度)、石灰(吸附二氧化硫及水分)、粉煤灰(就地取材)、水泥(加快凝固)等經(jīng)濟(jì)滅火材料，按照一定比例配置滅火漿液。

2.2 治理原則

工程按照“整體控制、封堵通風(fēng)、消除高溫、防止復(fù)燃”的原則，對高溫異常區(qū)域以及著火區(qū)域展開妥善處理，并對邊坡范圍通道進(jìn)行封堵，確保自燃以及復(fù)燃概率被有效控制。

本工程設(shè)計治理方法為邊坡防護(hù)結(jié)合鉆孔注漿滅火的綜合治理方案，構(gòu)建了四個平臺(如圖2)，其中第3平臺設(shè)置上下兩部分，各平臺以梅花樁式分布鉆孔，并制作特殊旋噴式注漿管。本工程鉆孔深度和注漿量與滅火成本及滅火質(zhì)量有著高度聯(lián)系，因此判斷著火點，確定鉆孔深度及注漿量是本工程的防治關(guān)鍵。

圖2 某煤礦矸石山治理平臺圖

2.3 判斷著火點

為做好著火位置規(guī)律判斷以及起火點位置推斷，技術(shù)人員對本次工程高溫燃燒區(qū)域進(jìn)行鉆孔測溫操作，測溫后選擇部分鉆孔數(shù)據(jù)模擬溫度與孔深變化曲線圖(如圖3)。

圖3 某煤礦矸石山部分鉆孔孔深與溫度曲線圖

實驗室研究表明，煤矸石經(jīng)過氧化和蓄熱后在300℃左右開始自燃，本工程區(qū)域經(jīng)過實際探測，正在燃燒區(qū)溫度高于280℃。通過三平臺部分鉆孔測溫數(shù)據(jù)得出：

(1)在鉆孔深度為20 m左右時，孔內(nèi)溫度達(dá)280℃以上，達(dá)到自燃著火點，此位置粉塵灰分較大，存在燃燒之后的矸石碎屑。

(2)孔深6～20 m之間，鉆孔溫度分布不均勻，分析結(jié)果為部分位置已經(jīng)燃燒擴(kuò)散。

(3)孔深20～25 m處，溫度隨深度加深而降低，25～30 m溫度隨深度加深而略有升高，分析結(jié)果是，25～30 m處熱量逐步聚集，不斷向上傳導(dǎo)至20～25 m擴(kuò)散至高溫燃燒區(qū)域。

(4)著火深度主要集中在各平臺地表30 m之內(nèi)，除坡面附近鉆孔外，超過30 m位置并沒有發(fā)現(xiàn)著火狀況。

綜合可知，孔深0～6 m左右為不自燃區(qū)；孔深6～20 m左右為一般自燃區(qū)，其中15～20 m左右逐步演變?yōu)楦邷刈匀紖^(qū)；孔深20～30 m左右為高溫自燃區(qū)；孔深30 m以下為窒息區(qū)。

2.4 針對性治理方案

(1)按照所獲得的溫度數(shù)據(jù)，本工程在高溫著火區(qū)域，鉆探至高溫區(qū)即展開注漿滅火處理，高溫燃燒區(qū)鉆孔深淺交錯分布，深孔孔深為25～30 m左右，淺孔孔深為6～15 m左右，更有效地將自燃著火點上部和下部進(jìn)行封堵，深孔淺孔布置比例根據(jù)現(xiàn)場探測溫度情況而定。

(2)在非著火區(qū)域20 m下延伸5 m位置，實施注漿施工，確保達(dá)到預(yù)期防火效果。

(3)邊坡附近的著火區(qū)較為復(fù)雜，因坡面難以覆土壓實，并且常年臨風(fēng)，因此火勢旺盛，燃燒面積大，且接近表面，滅火難度大。現(xiàn)場采用加修馬道，表面噴漿后鉆探注漿進(jìn)行滅火的方案，避免了泥漿順坡面流淌至坡地而失去滅火作用。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

本文對某煤礦矸石自燃相關(guān)工作進(jìn)行介紹，并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，通過分析自燃機(jī)理和相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了燃燒分層模型及溫度和孔深曲線關(guān)系圖，使我們對煤礦矸石自燃及其處理方式有了更加清晰的認(rèn)知。并且在對自燃問題展開實際勘察與研究的基礎(chǔ)上，制定出針對性較強(qiáng)的處理方案，從而實現(xiàn)對自燃問題的有效處理，確保治理效果達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)要求，并獲得良好的社會效益以及經(jīng)濟(jì)效益，以便為礦山開采創(chuàng)造出更多有利條件。

3.2 建議

在分析和實踐過程中，總結(jié)以下建議：

(1)煤矸石注漿滅火切勿使用注水方式滅火，水經(jīng)高溫反應(yīng)，產(chǎn)生易燃物質(zhì)氫氣和助燃介質(zhì)氧氣，加劇矸石燃燒。

(2)結(jié)合矸石山的堆積方式、時間、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、矸石所含物質(zhì)成分，系統(tǒng)分析，利用科學(xué)手段判斷煤矸石自燃的著火點。不同區(qū)域矸石山著火點不盡相同，需結(jié)合實際勘探判斷，同一矸石山因所處位置不同，著火點也存在差異。

(3)煤矸石山滅火切忌盲目施工，注漿滅火鉆孔切勿穿透矸石山體，以防漏失致使注漿液無法有效覆蓋，導(dǎo)致人工、材料、物力大量浪費(fèi)和消耗，使得治標(biāo)不治本。

(4)根據(jù)工程實際，構(gòu)建矸石山著火模型及著火點軌跡圖，以方便科學(xué)決策。

(5)煤矸石山要注重做好預(yù)防措施，消除自燃隱患；排矸要選擇分層排放，分層覆土振動壓實，斜坡封閉隔離；要設(shè)置臺階平臺，構(gòu)筑排水溝。

(6)選用注漿方式滅火時，要科學(xué)配置注漿材料，保證其良好的攜帶能力和合適的流變性能。