基于溫度場分布規律的矸石山注漿鉆孔布置方案研究

董紅娟，盧 悅，袁治國，溫 磊，盧憲路，王晨陽，熊青青

(1.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010； 2.包鋼勘察測繪研究院,內蒙古 包頭 014000；3.國能蒙西煤化工股份有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 016062)

0 引 言

煤矸石是煤炭開采伴生的大量固體廢棄物，占據煤炭開采總量的15%～20%[1-3]。矸石山長期的露天堆放，極易導致煤矸石中的硫鐵礦氧化放熱，導致矸石山發生氧化自燃，目前我國大約有30%堆積的矸石山正在自燃或存在自燃傾向[4-5]。自燃矸石山不斷向空氣中釋放SO2、H2S、CO、CO2等氣體，嚴重破壞礦區周邊的大氣環境，影響周邊居民的身體健康[6-7]。目前多家礦山企業采用注漿滅火法進行矸石山自燃治理，取得了一定效果。但在治理前，對矸石山內部溫度分布情況和火區范圍分布情況缺乏詳細判定，導致施工期間注漿孔位置和鉆孔深度缺乏科學指導，布置注漿孔較為盲目，導致治理后矸石山發生不同程度的復燃，使注漿滅火的效果大打折扣。

本文以內蒙古鄂爾多斯地區某矸石山東北角第一臺階的自燃區域為對象，采用Fluent模擬軟件，對煤矸石山內部自燃區域溫度場分布進行數值模擬分析，并且制定詳細注漿孔布置方案，提高矸石山注漿滅火的治理效果。

1 實驗區域概況

內蒙古自治區鄂爾多斯棋盤井鎮某矸石山由洗煤廠排矸經平地堆積而成，空間上分臺階呈梯形體狀態。該矸石山的土方量約400萬m3，底部占地面積16.67萬m2，平均高差32 m，矸石山頂部面積為11.57萬m2，坡面面積16.4萬m2，平均坡度36°，最大坡角38°。

該矸石山堆放過程中受到外界環境的直接作用，內部逐漸出現高溫區域并且引發自燃，雖然矸石山表面進行了黃土覆蓋，但表面高溫區超過100 ℃，植被難以成活，矸石山附近SO2濃度嚴重超標。進現場勘察，矸石山東北角自燃現象較為嚴重，現以矸石山的東北角第一臺階為對象，進行矸石山內部溫度場數值模擬計算，具體位置如圖1矸石山三維模型圖所示。

圖1 矸石山三維模型圖Fig.1 3D model of the gangue hill

2 溫度場模型建立

2.1 建立幾何模型

根據矸石山東北角第一臺階的實際情況，建立三維模型如圖2所示，模型總體積為1.14萬m3，頂部邊長15.5 m，面積240.25 m2，底部邊長36.14 m，面積1 306 m2，高20.79 m，邊坡斜長33.53 m，傾角38°。

圖2 矸石山東北角第一臺階幾何模型Fig.2 Geometric model of the first step in the northeast corner of gangue hill

2.2 建立溫度場數學模型

2.2.1 網格劃分

為使Fluent模擬結果準確，需保證矸石山網格劃分的質量，在模擬計算中發現，采用六面體網格會提高計算效率和準確度，網格數量為285 000。經檢驗，網格質量符合模擬要求。

2.2.2 確定關鍵參數及邊界條件

矸石山內部產生的溫度場的變化處于瞬時變化狀態，且矸石山內部的孔隙形成良好的空氣滲流通道，因此將煤矸石山的自燃視為多孔介質的非穩態導熱過程。為簡化模型，提出3點假設：

(1)煤矸石密度、熱容等物性為定值，不隨溫度變化，矸石山內部氣流速度很?。?/p>

(2)忽略風流所受重力，以及風流在煤矸石山內部摩擦產熱對氧化升溫的影響；

(3)矸石山對流換熱系數為常數，環境溫度為26 ℃不變，不隨時間變化而改變。

根據能量守恒方程，可將矸石山氧化放熱的熱量Q1看作是矸石山向周圍空氣的散熱量Q2、矸石山含水的吸熱量Q3和矸石山的吸熱量Q4的總和，其余邊界視為絕熱邊界，無對流換熱：

Q1=Q2+Q3+Q4

(1)

矸石山氧化放熱量：

(2)

式(2)中:qs——矸石表面的放熱量，W/m2；

V——為矸石山體積，m3；

n——矸石山孔隙率，%；

D——為矸石的平均粒徑，m。

矸石山向周圍空氣的散熱量:

Q2=KA1(t0-tf)

(3)

式(3)中:K——矸石山的對流給熱系數，W/(m2·℃)；

A1——矸石山與空氣接觸面的面積，m2；

t0——為矸石山表面的溫度，℃；

tf——環境溫度，℃。

矸石山含水吸熱量:

(4)

式(4)中:Kw——矸石的含水率，%；

ρw——水的密度，1 000 kg/m3；

C0——煤矸石的比熱容，J/(kg·℃)；

K0——矸石山的松散系數；

τ——矸石山的平均溫度，℃；

tw——矸石山吸熱過程中的溫度，℃。

矸石山的吸熱量：

(5)

式(5)中:v——單位體積矸石山上升的溫度，m3·℃；

ρ0——矸石的密度，kg/m3；

由于矸石山中的水分在燃燒階段不會有持續的補充，當溫度上升至水的燃點，矸石山中原有的水分基本蒸發，空氣中水分不再凝結，所以此時矸石山的含水量很低，Kw為0，即Q3為0，矸石中水分的吸熱量忽略不計，熱平衡方程最終簡化為：

(6)

自燃煤矸石山及環境的物性參數如表1所示。

表1 自燃矸石山模擬的主要物性參數

2.3 模擬結果分析

利用Fluent軟件，根據矸石山模型和邊界條件，對矸石山內部溫度場進行數值模擬，得到隨矸石山堆積時間增加，內部溫度場變化的情況。模擬圖為矸石山幾何模型正視圖，剖面位于矸石山幾何模型頂板邊長7.75 m處，即頂面的中心位置，如圖3所示。

圖3 矸石山堆積不同天數時溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution map of gangue hill accumulation for different days

圖4為矸石山內部不同高度處，平均溫度隨矸石山堆積時間的變化，曲線顯示，隨著矸石山的高度增加，矸石山內部溫度呈現先升高后降低的趨勢，且高溫點出現的高度在矸石山的上半部10.4 m左右，更靠近矸石山的表面。

圖4 矸石山內部不同高度處平均溫度隨堆積時間變化曲線圖Fig.4 The curve diagram of the average temperature at different heights inside the gangue hill with the accumulation time

從圖3(a)可知，在矸石山堆積60 d后，煤矸石處于氧化燃燒初期階段，矸石山邊坡下方出現高溫區，結合圖4曲線可知，矸石山內部的高溫區域出現在矸石山的上半部，由此判定矸石山內的溫度上升，使矸石山內外形成溫差，產生了煙囪效應，并且在熱風壓的共同作用下，空氣由矸石山底部進入，并不斷向上部移動，最終從邊坡兩側流出，故矸石山的邊坡位置的氧氣供應充足，是主要的風流活動區，矸石自燃的多發區域。

從圖3(b)可知，矸石山堆積120 d后，高溫區域的溫度持續上升，此時的矸石正在緩慢氧化，矸石山內部的最高溫度達到356.3 ℃，并且圖中明顯顯示，隨著矸石山內部的燃燒升溫，矸石山頂部和坡面表面出現高于環境溫度的表面高溫區。

從圖3(c)可知，矸石山堆積180 d時，矸石山內部的溫度局部可達到438.7 ℃，矸石山表面高溫區域不斷擴大。煤矸石山在持續堆積210 d時，如圖3(d)所示，矸石山內部高溫區的矸石全面進入燃燒階段，此時矸石山內部的著火點位于垂直于矸石山坡面向下7～10 m，頂面正下方9～11 m的區域內，矸石山表面由坡面頂部沿坡面向下25 m，坡面頂部沿頂面向內15 m的范圍內均為矸石山的表面高溫區，矸石山內部著火點位置與表面高溫區范圍如圖5所示。

圖5 矸石山內部著火點位置與表面高溫區范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of the location of the ignition point inside the gangue hill and the scope of the high temperature area on the surface

確定注漿孔的深度主要以著火點深度為依據，以達到精準撲滅著火點的目的。根據矸石山內部溫度場分布的模擬結果顯示，著火點位于矸石山頂部垂直向下9～11 m的位置，故將注漿孔的深度設置為10 m。

3 現場工程應用

3.1 注漿區域概況

矸石山坡面和頂部已覆土，坡面頂部土層50 cm，坡面土層30 cm左右，土質為沙土和沙粒混合物，土質較差，無養分。由于坡面無被植物覆蓋，造成水土流失，矸石山的部分表土已經燒成黑色，如圖6所示，內部自燃現象嚴重。

圖6 矸石山治理前現狀Fig.6 Status of gangue hill before treatment

為了解矸石山內部溫度及分布規律，首先利用紅外熱像儀測得矸石山表面紅外輻射的熱像分布圖，初步定位矸石山表面高溫區域，再在圈定的高溫區域的矸石山頂部鉆取勘測孔進行內部的溫度測量[8]。勘測孔布置間距為20 m，孔深18 m，采用熱電偶分別對勘測孔內部距頂面3、6、9、12 m的位置測溫并記錄，得到矸石山東南角第一臺階內部溫度分布的特征，矸石山內部的著火點集中于邊坡下方的矸石山中部，距頂面3 m處的平均溫度為304 ℃，6 m處平均溫度442 ℃，距頂面9 m 的溫度高達454 ℃，距頂面12 m的平均溫度為412 ℃，勘測孔內部的溫度超過12 m后開始逐漸下降。由測溫結果可知，矸石山內部的高溫區域較大，且最高溫度位于垂直于頂面約9 m深的位置，矸石山的表面溫度較高。矸石山現場的自燃區域溫度分布特點與模擬結果基本相符，故采用對于模型模擬結果為對象制定的鉆孔方案，進行矸石山現場的注漿滅火工作。

3.2 滅火漿液選取與注漿施工關鍵參數

注漿滅火技術的工藝，是將滅火漿液通過在矸石山上鉆取的注漿孔注入矸石山內部孔隙中，形成包裹體，在降低高溫區域溫度的同時，阻斷氧氣輸送通道，抑制氧化反應，達到徹底根治矸石山自燃的效果。選取當地電廠大量廢棄，利用率低下的粉煤灰、水泥等外加劑制備注漿漿液，漿液具有內聚粘結力強、包裹力強、結實率高等特點。在進入矸石山內部著火點后可以有效包裹煤矸石，封堵漏風通道，迅速降低著火點溫度，并且凝固后的漿液固化體性能夠達到滅火要求[9]。綜合考慮漿液的化學穩定性、流動性和保水性等性能，確定注漿孔徑108 mm，每孔平均注漿量40 m3，注漿壓強2.5 MPa，滅火漿液的擴散半徑2 m，在矸石山頂部梅花形布置4排注漿孔，排間距3 m，孔深10 m(圖7～8)，保證各鉆孔之間的注漿漿液可以相互連接，達到有效充填矸石間的空隙，充分包裹自燃矸石的目的[10]。

圖8 注漿孔深度布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of grouting hole depth layout

3.3 注漿效果檢驗

矸石山注漿作業完成后，利用熱電偶測溫裝置測量勘測孔內溫度參數，以監測注漿治理效果[11]。對于溫度復測結果高于80 ℃的注漿孔進行多次注漿處理和溫度復測，直至測溫孔內溫度小于80 ℃，視為注漿治理取得成效。

在自燃矸石山注漿治理1年后，檢驗注漿滅火方案的治理效果，通過在矸石山表面和勘測孔內溫度測量進行對比，表2為隨機抽取的注漿孔的測溫結果。

表2 矸石山注漿治理前后溫度監測記錄

測溫結果顯示，矸石山表面溫度接近于正常地表溫度，內部最低溫為21 ℃，最高為54 ℃，所有測溫孔內溫度都小于規范要求的不高于80 ℃的標準。現場的煙塵和刺激性氣味大大減小，矸石山的自燃治理取得了較好的效果。

4 結 論

(1)利用Fluent軟件對矸石山東北角第一臺階溫度場分布進行模擬，結果顯示高溫區域位于矸石山邊坡下方，著火點位于垂直于坡面以下7～10 m處，溫度為438.7 ℃；坡面頂部沿坡面向下25 m，坡面頂部沿頂面向內15 m的范圍，均為矸石山模型的表面高溫區域。

(2)對自燃矸石山溫度場分布模擬結果進行注漿滅火的鉆孔布置，在矸石山頂部梅花形布置4排注漿孔，排間距3 m，孔深10 m。矸石山東北角第一臺階現場測溫結果與Fluent軟件模擬結果相吻合，并采取模擬鉆孔方案對矸石山進行注漿鉆孔治理，取得良好的治理成果。

(3)準確測定自燃矸石山內部溫度場分布規律，對矸石山內部高溫區域進行準確判定并制定鉆孔布置方案，可以有效避免盲目注漿造成的危害，對提高鉆孔注漿滅火工作的效率和治理效果具有實踐指導意義。