自燃矸石山動態檢測與監測的實踐探討

寧寶貴 白蘇敏 劉 姣 李曉萌 馮鵬飛

(1.山西中能巖土工程有限公司，山西 太原 030000； 2.山西正和熱電工程有限公司，山西 太原 030000)

煤矸石是煤礦行業采煤和洗煤過程排放的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計存量最大的工業廢棄物之一。隨著煤炭行業的發展，堆積而成矸石山越來越多，因煤矸石自燃的特性，自燃矸石山的存在嚴重破壞了當地的生態環境。本文通過實踐討論了動態檢測與監測對自燃矸石山治理的重要作用。

1 煤矸石自燃機理

1)矸石山自燃原因。煤矸石的自燃原因，主要有硫鐵礦氧化學說和煤氧復合自燃學說。學說認為煤矸石中的硫鐵礦或煤發生氧化，放出熱量后在矸石山體內不斷聚積，溫度升高引起煤矸石中的可燃物燃燒，從而造成了矸石山自燃[1]。

2)矸石山自燃的發展階段。矸石山的自燃形成經歷了表面吸氧潛伏，緩慢氧化自熱，加速氧化和蓄熱，充分氧化自燃4個階段[2]。

2 自燃矸石山危害

自燃矸石山排放出大量有毒有害氣體，會造成大氣污染，影響生命健康安全；易發生塌陷、渣石流、滑坡等自然災害；受降雨沖刷浸澤，使煤矸石中的有害成分和重金屬進入土壤和水體中，造成污染。

3 自燃矸石山的治理

1)治理區域劃分。根據矸石山的發展階段，矸石山按溫度區間劃分為防控區、臨界區、蓄熱區、發火區。在矸石山的治理過程中，通常將防控區、臨界區作為重點監控范圍，而蓄熱區和發火區作為主要滅火治理范圍[3]。

2)滅火治理方法。常見自燃矸石山治理主要以滅火降溫為主，通常采用的方法：鉆孔注漿法、槽溝灌漿法、挖除滅火法、黃土覆蓋法、其他實踐有效的方法等等。根據矸石山的規模、煤矸石成分、自燃程度、場地條件等因素，選取一種或多種方法相結合的滅火方案。

3)滅火治理方法分析。黃土覆蓋法主要以隔絕空氣為主，主要用于發展程度較低矸石山，受環境影響大，須進行后期不斷維護。

槽溝灌漿法、注漿法在地面施工即可，能有效降低矸石山溫度，并起到填充封閉的作用，注漿量現階段不能精準控制，宜在施工過程中動態調整，如著火深度較深，滅火效果難以保證。

挖除滅火法滅火效果可保證，施工工序簡單，但需要開挖量較大，開挖倒運所需場地范圍大，人員操作過程中有毒有害氣體及高溫對操作人員健康危害較大，開挖過程中廢氣煙塵對周邊環境影響較大。

現階段的治理主要還是針對于進入蓄熱區、發火區的矸石山，而蓄熱區、發火區的矸石山自燃發展程度較高，已經對環境產生較大危害，且滅火治理過程中成本高、難度大、反復性高，這也直接影響到矸石山的生態恢復。

4 自燃矸石山動態檢測與監測的方法與實踐

4.1 檢測與監測方法

常用的方法：地表測溫法、鉆孔檢測法、氣體分析法、同位素測氡法、磁法、電法綜合物探法等。

1)地表測溫法，使用紅外地表測溫儀，結合熱成像儀，按10 m～20 m間距網格布置，對地表溫度、環境溫度進行測量，分析數據，初步確定火區位置。

2)鉆孔檢測法，使用熱電偶對矸石堆體內部測溫，鉆孔深度一般為6 m～10 m，鉆孔內每1 m測溫一次。若某些區域在鉆孔底部集中出現高溫或者自燃現象，進行加深鉆孔測溫。

3)氣體分析法，通過采用FL-9500氣相色譜儀對現場采集的氣樣進行成分與含量檢測，通過一氧化碳、乙烯及乙炔等指標，判斷填矸地層是否自燃或所處的自燃階段。

4)同位素測氡法，通過地表測量氡氣濃度的大小，推斷矸石山的燃燒狀況[4]。

5)磁法、電法綜合物探法，通過區分煤矸石堆場的各種物理性質(電性、磁性)差異，確定高溫火區范圍、埋深等地質信息[5]。

4.2 實踐探討

陽泉某礦矸石山，位于一荒溝內，2016年全部堆矸完成。作為礦山生態環境恢復治理試點示范工程對該矸石山進行綜合治理。

1)項目前期通過踏勘、資料收集，結合地表紅外測溫儀、紅外熱成像、熱電偶鉆孔測溫多項檢測手段，編制了溫度勘測報告并繪制了溫度等值線圖及溫度分區。場地勘測總表面積約180 542.23 m2，劃分發火區總表面積約62 562.94 m2，地表溫度最高達到67.8 ℃，發火區溫度主要集中在地表以下3 m～6 m，溫度區間為100 ℃～950 ℃。

2)設計單位根據溫度勘測報告采取了注漿滅火法，制漿材料采用水泥、粉煤灰、熟石灰和清水，水固比為1∶1.0～1∶1.2，水泥、熟石灰和粉煤灰的重量比為1∶2∶7。發火區范圍內均勻布置了深孔和淺孔，淺孔深3.5 m，深孔深7.5 m，孔距6 m。

3)在治理施工過程中，對發火區邊界設置監測孔，并對注漿過程中各施工段進行動態監測，每天進行監測記錄。在注漿施工中期，通過監測，發現矸石山11，12，13平臺及坡面火區擴散，及時反饋信息，布設溫度檢測鉆孔，重新劃分了火區范圍，新增發火區總表面積約8 857 m2；同時矸石山9，10，11平臺及坡面出現“頑固區”，平均溫度700 ℃～800 ℃，最高溫度達900多攝氏度，易氣爆，注漿滅火效果差，現場根據監測數據，改用溝槽灌漿、加密注漿、反復注漿、覆土封閉多工藝相結合的方法，最終取得了良好效果。

4)該矸石山治理結束后，對治理區域進行了滅火效果檢測。第一步現場踏勘，觀測治理范圍內綠化情況、矸石山地表溫度與環境溫度、有無冒煙開裂等地表特征。第二步使用熱電偶鉆孔測溫，鉆孔深度為10 m，檢測頻率為每30 d不少于一次，觀測時間達6個月，通過觀測分析矸石體內深度方向的溫度變化及隨時間的變化的溫度情況。第三步在鉆孔過程中在鉆孔內抽取氣體，通過采用FL-9500氣相色譜儀對現場采集的氣樣進行成分與含量檢測，通過標志性氣體成分一氧化碳、乙烯、乙炔、氧氣等分析矸石山的封閉情況及矸石自燃情況。

通過6個月的觀測數據分析，取每月各檢測孔地表下2 m,4 m,6 m,8 m溫度平均值進行趨勢化分析，分析得出檢測孔溫度隨時間呈下降并趨于平穩趨勢(見圖1)。

各區域選取實測溫度最高的檢測鉆孔作為代表性檢測孔，進行區域滅火前后溫度對比分析(見表1)。

表1 代表性檢測孔滅火前后對比分析

綜合分析各項檢測結果，確定治理區域地表完整，未發現覆蓋層被沖刷造成矸石裸露或覆蓋開裂、裂隙冒煙等現象，綠化后植被完好，地表大氣溫度同周邊環境溫度接近；同時測得監測孔內最高溫度在23.9 ℃～93.9 ℃(小于100 ℃)，地表下10.0 m范圍內溫度均已達標。氣體檢測表明，該地段孔內氣體未檢出乙烯、乙炔，且一氧化碳含量低于100 ppm，氧氣濃度低于5%。綜合評估認為該治理區域的自燃煤矸石已達到治理效果，且在不破壞現有覆蓋層的條件下矸石山不會引起復燃。

5)后期矸石山生態恢復作業中，定期對留設的監測孔進行溫度監測，并做詳細記錄，為后續生態恢復工作植樹、種草等提供保障。

實踐表明：自燃矸石山的動態檢測與監測貫穿治理的全過程，在矸石山自燃判定、火區劃分、制定治理方案、治理過程把控、治理效果檢驗、生態恢復效果監控等過程中起到了關鍵作用。因此不同階段采用相適應的檢測與監測方法，能為各治理階段實施提供相應的依據和保障。

5 結論及展望

1)結論。

在自燃矸石山治理過程中，動態檢測與監測起到不可或缺的作用，對矸石山治理意義重大，社會效益顯著。

2)展望。

對于新近、老舊堆積矸石山，動態檢測和監測應更好的運用于矸石山自燃前；通過檢測和監測手段，分析矸石山自燃發展程度，預測矸石自燃概率和發展趨勢，可以把防止矸石山進入蓄熱、發火階段作為治理目標，拋棄“著一片治一片”的治理思路，將矸石山自燃問題扼殺在萌芽之中，這樣可以降低治理難度、節約成本、減少環境污染。