注漿在矸石山降溫中的應用

楊銳

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

矸石山作為煤礦的附產物，多年來一直是困擾企業及周圍居民的難題，尤其近年來隨著國家對生態環境的關注度越來越高，矸石山的綜合治理就重新被放在了工礦企業環保項目的首位。矸石在堆放過程中由于其中的可燃組分緩慢氧化，在適當的溫度和氧氣濃度的條件下就會發生自燃[1]。多年來矸石山的降溫、復燃都是矸石山綠化治理的難點。

結合多年來對煤矸石治理經驗，本地矸石山多采用覆土碾壓配合局部注漿充填煤矸石空隙，漿液包裹矸石體隔絕氧氣，修筑配水系統，植樹種草綜合治理的方法，達到降溫并改善環境的目的[2]。本文對注漿處理部分作簡要分析評價。

1 注漿

注漿作為一種地基處理方式，多適用于建筑地基的局部加固處理，適用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等的地基加固。加固材料可選用水泥漿液、硅化漿液和堿液等固化劑。注漿法也可用于不穩定或相對穩定的采空塌陷區治理，治理的漿液多選用具有大顆粒骨架的型漿液。

注漿用于矸石山降溫已經有一定的實踐經驗，主要作用有兩個方面：一是漿液噴灑入矸石層，降低矸石表面溫度，達到降溫的作用；二是漿液可填充矸石間的空隙，減少空隙間空氣流通的通道，并且具有粘性的漿液在矸石表層可形成薄層膜體包裹矸石，阻斷矸石與空氣的接觸，從而達到降溫的目的。所以注漿降溫在矸石山治理中為比較常見的方式，但根據地域不同、矸石成分的不同，采用的注漿方式及材料也有所區別。

2 實例分析一

2.1 矸石山概況

本矸石山位于平定縣冶西鎮東莊村西南，為仍在排放中的矸石山。現已按照原始的矸石山排放規劃方案，形成了六級坡體及平臺馬道。2019年4月，該矸石山2～5馬道及坡面出現著火跡象，地表溫度升高，表層植被枯死，有刺鼻氣體溢出，部分原始覆土區域出現泛白或泛黃現象。

2019年4月開始，對此矸石山進行降溫處理。

2.2 現場勘測及調查

現場勘測采用人工測繪、調查與鉆機鉆探測溫相結合的方式進行。

人工測繪、調查：工程師現場踏勘，劃分出地熱區域與非地熱區域，確定著火邊界線大致范圍。

踏勘：使用熱電偶及熱成像儀等設備，對擬治理矸石山進行現場踏勘和調查，結合地表溫度變化、表層矸石自燃情況和植被生長情況，初步圈定火區或可能成為火區的范圍。

鉆機鉆探：在已確定的現場著火區域內進行間距50m的鉆探，鉆探深度8m，下放測溫儀器進行溫度勘測。從著火區域邊界線向外以50m間距擴散，并進行溫度勘測，直至溫度勘測小于70℃為止。

內業：根據先期測繪圖及后期鉆探的測溫資料，對矸石山火區圖進行修正及劃分，最終形成精確的火區等溫線分布圖。

根據《煤矸石堆場生態恢復治理技術規范》（DB14/T 1755—2018）區域劃分標準：防控區-溫度＜70℃的區域；臨界區-70℃≤溫度＜90℃的區域；蓄熱區-90℃≤溫度＜230℃；發火區-溫度≥230℃的區域[3]，溫區分布如圖1所示。

圖1 溫區分布

本矸石山發火區表面積約26065m2，經研究確定，對發火區域進行注漿降溫治理。

2.3 注漿方案設計

區域劃分后將治理區域邊界設置帷幕孔，防止注漿漿液流出造成浪費。

治理原則如下：結合本矸石山排放過程中進行了分層碾壓且8m間鋪設了0.5m厚黃土層的特點，預計將矸石山表層8m作為重點治理區域，形成相對穩定的表層硬殼，阻斷內部空氣，達到降溫效果。

注漿同時進行漿后溫度監測，孔內溫度小于100℃，為達標鉆孔，即可灌漿封閉。

注漿方案主要起到降溫、包裹作用，對空隙不需要進行充分填充，所以采用0.15的孔隙比。矸石山放坡每級為8m，所以注漿厚度按8m計，每孔漿液量約計15m3。

式中：V——每孔漿液灌注量，L；n——擬加固土的天然空隙率；r——有效加固半徑，m。

得出設計有效加固半徑為2.12m，設計注漿孔中心距為4m，正三角形布置。帷幕孔中心距為2.0m，兩排交錯布置。

馬道與平臺鉆孔，要求有效孔深為7.5m，鉆孔布置應設置在坡頂線內1.5m處，防止坡面漿液流失。

坡面鉆孔應垂直于坡面施工，要求有效孔深3.5m，鉆孔中心距按照斜坡面距離計算。

鉆孔出現縮孔、塌孔影響鉆孔成型時，坡面鉆孔可采用打入式注漿管，進行直接注漿；平臺與馬道鉆孔可達到設計深度后不起鉆，直接采用鉆孔注漿，待注漿完畢后再拔出鉆桿，對鉆孔進行灌漿處理。

注漿標準：當注漿壓力達到設計要求壓力3MPa，壓力灌入量小于50L/min，且持續時間超過15min；坡面有漿液滲漏或出現冒漿時可停止注漿。

2.4 注漿材料的選擇

我國廣泛使用的灌漿材料為黃泥漿液、石灰漿液及高分子降溫材料漿液等。早期使用較多的是黃泥漿液，此漿液的缺點是析水較多，泥漿容易脫水，對空隙填充效果較差。石灰漿，主要成分為熟石灰，可與矸石燃燒產生的有毒氣體發生一定的化學反應。

從而形成相對穩定的固體物質薄膜，達到封閉作用，且一定程度上減少了有毒氣體的排放，但石灰漿存在不能完全阻隔空氣的問題。

高分子的降溫材料的降溫效果好，例如徐州吉安研發使用的MAG-Ⅰ型復合膠體材料與黃泥漿的配合使用達到了很好的降溫效果，但高分子材料的造價較高，大面積注漿治理成本高。

粉煤灰作為黃土的替代物也是很好的選擇，但原狀的粉煤灰基本沒有粘聚力，對矸石的包裹程度較差。

結合本地區域特點，黃土資源稀缺，石灰及粉煤灰容易購買且價格較高分子材料低廉，為彌補石灰及粉煤灰漿液的不足，添加一定的水泥改善漿液的粘合效果。

漿液材料包括熟石灰、粉煤灰、水泥及清水。其中，熟石灰采用三級或三級以上新鮮消石灰。粉煤灰應符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國家三級質量標準，嚴格控制燒失量不大于15%。水泥應采用32.5級水泥，應符合國標《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》和其他相關國家質量標準的要求。優先選用礦渣水泥，其次是普通硅酸鹽水泥或其他類型的水泥。施工拌制用水應符合《混凝土拌合用水標準》，其pH應大于4。

固體物質重量比為水泥∶熟石灰∶粉煤灰=1∶2∶7。

帷幕孔水固比為1:1.3，注漿孔水固比為1:1.2。

制備漿液要求采用二級攪拌進行制漿，每次攪拌時間不小于10min。

2.5 注漿施工

根據發火區范圍和燃點位置，首先進行帷幕孔的注漿。注漿孔注漿順序為自帷幕孔向內逐步推進。

鉆孔孔徑為73～89，成孔后馬上進行孔口管的澆筑，且孔口管出露于地面以上不小于0.5m。成孔的孔位偏差不得超過0.01m，傾斜偏差小于2°。

注漿前應對孔內先期壓水約1min，以確認管道通暢。注漿應自下而上，緩慢提升。注漿壓力不得過高，須要采用低壓、小泵量注漿，避免“氣爆”。每孔注漿不得一次性注滿，須分三次以上反復注漿。注漿完畢時，須要清水洗孔，并灌漿封閉處理。

注漿完成后應對孔內溫度及氣體進行再次監測，并做好記錄。若監測數據持續24h仍高于230℃，則在原孔間隔2m處再鉆孔注漿，持續監測，直至達到溫度達標為止。

本工程經過35d的施工，共完成馬道與平臺鉆孔684個，坡面鉆孔1198個，發生冒漿及坡面滲漏孔位53個。隨鉆孔完成溫度監測1882孔位。一次注漿完成，鉆孔溫度不達標孔位32個，對其周邊進行重復注漿施工，鉆孔量為64個。

2.6 后期監測

注漿及覆土開始后，隨即在矸山高溫區分散設置溫度監測孔，本次共設置監測孔6個，監測時間約1個月，監測頻率約每周一次，見表1。

表1 監測孔測溫記錄

溫度監測須在降溫治理完工后，持續進行半年以上，以確保在矸山出現大面積復燃之前及時對其進行處理。監測成果顯示，該矸山已成功降溫，目前已無復燃跡象。

3 實例分析二

某矸石山位于山西省盂縣縣城南7.8km處的石坡峪村以北一處自然溝谷中，該矸石山于2020年7月發現自燃現象，相關管理部門隨即對矸石山進行了降溫治理。治理方案同實例一，但該由于該矸石山原有覆土厚度較薄，矸石含硫量較高，導致該矸石山在注漿處理過程中，出現大面積反復升溫、高溫區轉移擴散現象。經反復注漿，高溫區溫度尚未降至理想值，但注漿量及水泥用量已提前達到預計設計用量。

經過大量工程實踐，我方與甲方及施工方溝通后，嘗試采用純粉煤灰漿注漿處理，具體方法如下。

水固比為1:1.2；注漿次序為由外向內；在確保復注孔溫度降至常溫后再依次復注下一注漿孔；在停止注粉煤灰漿后若成片高溫區溫度再未升高，須向該區域再次注入適量水泥粉煤灰漿。

由于粉煤灰單價遠遠低于水泥，復注成本較低，且在注入復燃孔水分迅速蒸發后，粉煤灰對矸石也有一定包裹性，故該方法對降溫處理及控制工程造價均有明顯積極作用。

4 結論及建議

（1）不同漿液的適用性，需考慮矸石山所在區域特點，結合矸石山性質、成本效益等方面進行多方面的綜合考量。

（2）本方案實施過程中，帷幕孔區域未發生漏漿等現象，因此判定帷幕孔阻隔效果良好，但在今后的注漿方案中，因根據實際情況對帷幕孔漿液配比進行合理調配。

（3）注漿降溫在矸石山的治理中不是單獨存在的，必須結合面層的黃土封閉工程一同起作用，且先行對面層封閉覆土之后再行注漿可以大大提高降溫成功率，減少矸石山復燃的可能性，覆土厚度不低于0.5m[4]。

（4）后期監測時長不宜低于半年，評率不宜低于每月一次。出現復燃跡象應及時報告，避免復燃區迅速擴大，造成不必要的經濟損失。

（5）該工藝在陽煤集團（現華陽集團）二礦獅腦山矸石山生態環境恢復治理示范工程等工程中得到成功應用，取得了顯著的社會經濟效益[5]。