煤矸石山注漿滅火治理

劉建明, 李 棚

(山西華冶勘測工程技術(shù)有限公司,太原 030002)

煤矸石是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的排棄物,一般煤矸石綜合排放量占原煤產(chǎn)量的15%～20%,煤矸石的長期堆放不僅占地,而且其自燃時產(chǎn)生的大量CO、H2S、SO2等有害氣體,對周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染,對人們身體健康產(chǎn)生極大地危害,雨水季節(jié)時,矸石中的有害成分會在雨水流經(jīng)矸石山時隨其一并滲透到地下,污染了當?shù)氐乃h(huán)境和土壤環(huán)境，不僅直接影響到當?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境及正常生活,而且嚴重影響了當?shù)厣鐣耐顿Y環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展。如何高效快捷治理矸石山的自燃,同時防止滅火不徹底矸石山復燃情況的發(fā)生,要求治理者必須根據(jù)矸石山的特性選擇最適當?shù)臏缁鸺夹g(shù)和最快捷適用的施工工藝[1-2]。

1 煤矸石自燃的危害

山西某煤礦在長年累月的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的煤矸石,占地面積約38 000 m2,堆放量約340 000 m3。經(jīng)多年的傾倒堆放后,此處矸石山已產(chǎn)生了自燃,堆放場地濃煙密布,并伴隨著大量刺激性有毒氣體的產(chǎn)生,導致周圍經(jīng)常有家畜和野生動植物中毒死亡的情況發(fā)生。對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和居民的正常生活產(chǎn)生了極大的危害。

2 矸石的礦物成分特征

1)煤矸石的特性。煤矸石是由多種巖石組成的混合物,主要成分有炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、砂巖等。砂巖類煤矸石質(zhì)地堅硬,結(jié)構(gòu)較為致密,呈灰黑色,泥巖類煤矸石性脆,呈黑灰色,結(jié)構(gòu)較疏松。該區(qū)域煤矸石主要以泥巖和砂巖為主,矸石主要礦物成分為石英、長石、巖屑、黃鐵礦等碎屑礦物,還夾雜有植物根莖化石和菱鐵礦結(jié)核。

2)煤矸石的化學組成成分。煤矸石的化學成分隨其地層巖石的種類和礦物組成不同而變化,是由無機質(zhì)和少量有機質(zhì)組成的混合物,煤矸石的主要化學成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO及少量FeS2等,因為該礦煤矸石的化學成分主要以SiO2、Al2O3為主,使得煤矸石的活性很高,加之S元素的存在,加劇了煤矸石的自燃。

3 矸石的自燃原因分析

1)矸石內(nèi)含有自燃物黃鐵礦(FeS2),硫鐵礦氧化理論認為煤矸石中的硫鐵礦在與空氣中的 O2接觸后,會因為FeS2的本身化學特點,從而產(chǎn)生氧化還原反應,同時釋放出大量的熱量,熱量在矸石山內(nèi)部不易散失,逐漸在累矸石山的內(nèi)部聚集,從而使矸石山的內(nèi)部溫度越來越高,在溫度上升至煤矸石中煤和可燃性有機物的燃點后,就會導致整個煤矸石山發(fā)生自燃。

2)矸石中含有一定量的煤,煤氧復合自燃學說認為煤(尤其是鏡煤和絲炭)經(jīng)風吹雨淋會慢慢產(chǎn)生氧化反應,隨著氧含量增加,多孔的煤炭表面與氧分子在物理吸附和化學吸附共同作用下產(chǎn)生大量的熱,當散熱條件不良的情況下,熱量會逐漸聚集,使矸石的溫度不斷地升高,在溫度達到煤的燃點后,煤就會發(fā)生自燃,整個煤矸石山也會隨之而發(fā)生自燃。

3)此礦煤矸石的堆放采用傳統(tǒng)自上而下的自卸式傾倒,矸石體松散,間隙較大,煤矸石在堆放過程中會發(fā)生粒度偏析,形成空氣通道,容易進入氧氣,形成“煙囪效應”,經(jīng)過氧化反應產(chǎn)生的熱量,一部分順著矸石之間的空隙隨空氣散出,但還有一大部分會繼續(xù)留存在矸石山中,日積月累給矸石山自燃提供了充分的自燃條件,加劇了情況的惡化。

4)該礦矸石經(jīng)二次篩選后80%的矸石顆粒直徑為3 mm～20 mm,粒徑小,堆放松散,與空氣接觸面大,反應的活性高,發(fā)熱量也大,加之矸石的堆放時,孔隙率較小,使得反應時產(chǎn)生的熱量難以散去,熱量聚集,溫度越來越高,增加了煤矸石山自燃的可能性[3-4]。

4 矸石自燃的治理

4.1 滅火方法

煤矸石山長期自燃的存在時刻危害著周邊的生態(tài)環(huán)境和當?shù)鼐用竦恼Ｉ?。針對此種情況,在對煤矸石山自燃治理的過程中我們就必須的采取一定的有效手段與方法進行滅火。經(jīng)過多年的研究和工程實踐,目前國內(nèi)外常見的煤矸石山滅火方法主要有覆蓋法、挖除法、注漿法、注漿密閉和泡沫滅火法、控制燃燒法和低溫惰性氣體法等。

注漿滅火法,因其治理效果理想,經(jīng)濟投入相對適宜,成為目前國內(nèi)外最為廣泛采用的滅火方法,在國內(nèi)很多煤礦矸石山滅火的工程實踐過程中都取得了良好效果。綜合考慮此矸石山的自燃情況和徹底滅火的目標,本次滅火治理采用注漿滅火法。

注漿法滅火主要是通過漿液中的水對矸石進行降溫和在矸石體上形成包裹體隔絕空氣來達到治理的目的,治理過程為:首先根據(jù)治理區(qū)域的面積布置相對數(shù)量的鉆孔,其次根據(jù)矸石山特點,選擇相適應的滅火材料按一定比例調(diào)制成滅火漿液,最后用注漿泵將滅火漿液注入到自燃矸石山內(nèi)部。在滅火漿液流經(jīng)矸石內(nèi)部時,漿液中的水分遇到高溫矸石會急劇的氣化蒸發(fā),矸石內(nèi)部大部分熱量會隨著水蒸氣被帶走,矸石的溫度就會迅速下降,同時漿液中的固體材料還會在與矸石接觸后將矸石包裹住,也會在矸石間的空隙中起到填充的作用,從而將矸石體與空氣有效的隔絕開來,起到了隔絕封閉氧氣的作用。如果是堿性滅火漿液,還可以將煤矸石燃燒產(chǎn)生的 SO2,H2S等酸性氣體進行有效吸收,從而大大減少污染物的排放量,起到保護環(huán)境的作用,同時矸石山的內(nèi)部環(huán)境由酸性環(huán)境轉(zhuǎn)換為堿性環(huán)境,從而大大減小了矸石山的復燃可能性。由此可見注漿滅火是治理煤矸石自燃非常高效、快捷的方法。

4.2 滅火材料的選擇

滅火漿液要有良好的流動性和保水性,煤矸石山發(fā)生自燃后,矸石體會變的非常干燥和酥松,從而導致矸石體的孔隙率和滲透率也隨之變大,合適的流動性能保證漿液能滲透到設計鉆孔的影響范圍,形成良好的包裹體,避免漿液的大量的流失,造成材料浪費,讓鉆孔內(nèi)形成柱狀體,確保注漿材料將矸石體充分包裹,同時為了避免漿液中的水分在遇到高溫矸石后快速蒸發(fā),使?jié){液失去流動性,造成漿液的流經(jīng)范圍大打折扣,所以良好的保水性也是注漿材料必須要有的。常用注漿材料有黃土注漿、石灰水注漿,黃土、石灰、粉煤灰,凝膠類材料、泡沫滅火材料、高分子滅火材料等按一定的比例混合加水進行注漿。

本次注漿滅火漿液主要材料有膨潤土、粉煤灰、生石灰等。水固比3:1,粉煤灰、膨潤土、生石灰比例3:1:1。在實際注漿過程中根據(jù)漿液易流失,不易形成柱狀體的現(xiàn)狀,及時將更改水固比,根據(jù)現(xiàn)場注漿情況適當增加膨潤土所占比例,添加一定的外加劑,從而解決了前期漿液易流失,不易形成柱狀體的問題,使得漿液滿足失流和硬化的時間,同時因為有堿性材料(粉煤灰、生石灰)的加入,使得矸石山內(nèi)部環(huán)境由酸性改變成堿性,有效的防止了矸石山的復燃。

4.3 矸石山鉆進成孔問題研究

矸石山巖體松散破碎,發(fā)生自燃后,在自燃產(chǎn)生的高溫作用下,矸石變的異常干燥、松散,使情況更加嚴重,因而在成孔鉆進過程中極易發(fā)生卡鉆、堵孔、塌孔等問題,造成鉆孔的成孔率十分低。如果無法有效成孔的話,漿液將無法有效地注入矸石山內(nèi)部,導致注漿滅火的不成功。因而解決鉆孔成孔率低成為矸石山注漿滅火工作的一個主要難題。

4.4 鉆孔成孔率問題的解決方法

針對鉆孔成孔率低的問題,在此次注漿滅火治理項目進行了對比試驗,設計鉆進深度約20 m,注漿孔343個。

1)單管單動鉆進法

鉆進型號:GK-200，鉆頭:89 mm，套管:127 mm。

套管跟進采用錘擊法,因鉆頭直徑小于套管直徑,易出現(xiàn)卡鉆、套管冒落(矸石燃燒灰分較多)、塌孔及套管跟不下去的現(xiàn)象,嚴重影響鉆進速度,平均每天成一個孔。套管跟不下去鉆進無法進行會導致鉆孔報廢,造成鉆孔成本的大幅度增加。

預計工期:6臺鉆機,工期70 d。

2)雙管雙動鉆進法

鉆進型號:MGL-150S，鉆頭:外管140 mm、內(nèi)管60 mm，套管:外管133 mm、內(nèi)管50 mm。

外管、內(nèi)管同時鉆進,不會發(fā)生卡鉆、冒落、塌孔及套管跟不進去現(xiàn)象,大大加快了成孔的速度,平均一天能成七個孔,大大的節(jié)約了治理的成本。

實際工期:2臺鉆機,工期30 d。

5 治理效果檢測

滅火之前應在治理區(qū)設置測溫孔,在治理前和治理后,對矸石山內(nèi)部溫度進行監(jiān)測,實時掌握治理的情況。在注漿剛結(jié)束時,高溫區(qū)注漿孔溫度從原先的630 ℃～960 ℃降到了260 ℃～320 ℃,隨著時間的推后,高溫區(qū)溫度逐漸下降直至全部降至40 ℃以下,這充分說明了只要在漿液能夠滲透到的范圍內(nèi),降溫的效果是非常明顯的,同時在治理范圍內(nèi)已不再有濃煙產(chǎn)生的現(xiàn)象,空氣也變得清新不再有刺激性,矸石山也沒有再發(fā)生復燃的跡象。這些現(xiàn)象都說明了矸石山注漿法滅火取得了良好的效果,達到了矸石山滅火的預期目標。

6 結(jié)束語

在矸石山滅火施工過程中,通過現(xiàn)場施工工藝的前后對比,解決了鉆孔成孔率低這一影響矸石山滅火效果的主要原因,同時也加快了成孔的速度,改變注漿漿液的原材,保證包裹體的形成,隔絕矸石體與空氣的接觸,達到了滅火的效果節(jié)約了原材。采用雙管雙動的鉆進方式為施工過程提供了有效保障,確保了滅火漿液的順利和充分注入,有效的堿性漿液配比充分地吸收了矸石山深部熱量,從而高效快捷地對矸石山進行滅火,也有效避免矸石山滅火后的復燃。

[1] 陳永峰.煤礦自燃火災防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

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