沙坪煤礦矸石對環(huán)境的危害及防治措施的研究

杜 帥

（霍州煤電集團鄉(xiāng)寧沙坪煤業(yè)有限公司，山西 霍州 031400）

煤礦在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中會產(chǎn)生大量的煤矸石，主要包括剝離矸、煤巷矸、巖巷矸、選煤廠尾礦等。堆置矸石的矸石山在一定條件下會發(fā)生氧化發(fā)熱反應，達到一定條件就會發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象。煤矸石山自燃非常普遍?；糁菝弘娂瘓F共有矸石山31座，其中正在燃燒的矸石山7座，若按此比例計算，全國可能有300多座矸石山正在燃燒。

煤矸石山自燃機理與煤層自燃基本相似，是煤矸石山中含碳物質、黃鐵礦等可燃物在空氣中氧化、蓄熱直至燃燒的過程。與煤層自燃有所不同的是，煤矸石中不燃的礦物質較多，一座大中型煤矸石山要經(jīng)10～18年的氧化過程才發(fā)生自燃，至少要幾年。煤層的發(fā)火期要短得多，最少的只有幾天。在自然的過程中會產(chǎn)生CO、CO2、SOx、NOx及H2S等有毒氣體和相應的致癌物，嚴重污染礦區(qū)的大氣環(huán)境。隨著國家對環(huán)境保護工作的力度加強，煤礦必須對矸石山的自然發(fā)火導致的環(huán)境污染問題進行治理，降低矸石對生態(tài)環(huán)境的破壞。

1 礦井概況

霍州煤電集團沙坪煤礦三號井于2000年投產(chǎn)，設計年生產(chǎn)能力為65萬t。2015年經(jīng)檢測該礦屬于高瓦斯礦井，煤塵爆炸指數(shù)為41.70%，煤層具有自燃傾向，但發(fā)火期未經(jīng)鑒定。該礦當前主采3#煤層，煤層含矸率約為0.16%，采用傾斜分層走向長壁下行垮落采煤法進行開采，能有效地解決緩傾斜及傾斜厚煤層開采時的頂板支護和采空區(qū)處理問題，有利于在此類煤層條件下實現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高資源采出率及獲取較好的技術經(jīng)濟指標。共計開采煤炭資源700多萬t，共產(chǎn)生矸石尾礦約2萬多t，運輸?shù)降孛嬷另肥竭M行堆置處理。

2 矸石產(chǎn)生的危害分析

沙坪煤礦在煤炭開采當中產(chǎn)生的矸石主要是通過皮帶輸送機系統(tǒng)+汽車運輸至矸石山進行堆放，如果長期不進行治理，就會慢慢因自然發(fā)火產(chǎn)生各種危害，嚴重污染環(huán)境。主要表現(xiàn)為：（1）矸石在運輸和堆放過程中產(chǎn)生的大量粉塵，會對職工造成人體傷害，并污染周邊環(huán)境。（2）矸石露天堆放，經(jīng)雨淋溶而析出一些有害物質，伴隨著排入到河道污染河水環(huán)境，給周邊的居民用水和農(nóng)作物灌溉帶來危害。（3）矸石山不加以治理，容易自然發(fā)火。產(chǎn)生煤氣、二氧化硫、一氧化碳、硫化氫、水蒸氣等多種氣體的混合物對現(xiàn)場生產(chǎn)工人構成威脅，對周圍環(huán)境造成嚴重危害。據(jù)實測，矸石釋放的二氧化硫濃度高達0.12～7.02mg/m3，超過排放標準的16倍；一氧化碳濃度達1.90～123.17mg/m3，超過排放標準的20倍。預測矸石山每年向大氣中排放一氧化碳3.15t，二氧化硫0.85t，對沙坪煤礦僅有10km2的礦區(qū)范圍危害十分嚴重。

3 矸石山自然發(fā)火的成因及治理措施

3.1 矸石山發(fā)火成因分析

3.1.1 矸石山的組成成分

對沙坪煤礦所產(chǎn)生的矸石進行分析，主要是由泥灰?guī)r、粘土巖和煤層夾矸油頁巖及少量的煤組成?？扇汲煞种饕俏挥谏蠈用旱闹苯禹?shù)挠晚搸r，其油率較高，容易自燃。對其進行理化分析得化驗指標如表1所示。

表1 沙坪煤礦矸石山中油頁巖的化驗指標分析

3.1.2 矸石山自然發(fā)火的原因

通過對該礦矸石山的實況分析，結合矸石自燃的理論基礎，對該礦矸石山自然發(fā)火的原因分析如下：（1）矸石山的矸石呈斜坡堆放，因此暴露面積大，堆積疏松，空隙率大，給矸石提供了非常好的供氧條件，為自燃提供了基礎。檢測分析結果表明：該矸石山矸石的滲透率為10-9m2，分子擴散供氧條件下就可讓矸石溫度達到自燃臨界溫度以上。（2）矸石在堆放過程中，在重力作用下，大塊矸石都滾落到矸石山底部，小的留在上部，這種自然分級導致了空隙率增大，熱量高的小粒徑矸石富集。這些都成為了導致矸石山自然發(fā)火的原因。

3.2 矸石山自然發(fā)火的防治措施

基于矸石山自然發(fā)火的條件，結合沙坪煤礦矸石山的具體情況，制定了沙坪煤礦矸石山自然發(fā)火的防治措施。

3.2.1 使用黃土灌漿隔絕供氧

從其他煤礦矸石山治理的經(jīng)驗來看，采用黃土灌漿隔絕供氧的技術措施是非常有效果的。黃土灌漿的泥漿中固體材料應滿足以下要求：加入少量水即可制成泥漿；滲入性強，易脫水；收縮量盡可能的?。徊缓扇嘉锖痛呋瘎?，便于制備和運輸?shù)?。制作漿液時，漿中水的體積與固體材料的體積比確定為2:l。漿液通過管路自上而下灌向矸石山。

灌漿作業(yè)注意事項：（1）灌漿前對矸石山進行推平作業(yè)，形成周邊隆起中間低洼的形狀；（2）連續(xù)大量灌漿3d后停止作業(yè)，讓漿液慢慢地進行沉淀。（3）每天定時測量水土比，并進行適當調整，保證其滲透效果。

灌漿作業(yè)使用黃土將矸石與氧氣進行隔絕，達到阻燃、降溫和隔熱的目的。

3.2.2 局部澆水熄滅明火措施

當矸石山出現(xiàn)小面積明火時，一般采用局部澆水熄滅明火措施。水的滲透性非常強，在火源的上風側10m的位置，采用高壓水管按“先外圍、后中心”的滅火原則，進行直接澆水熄滅明火，可以達到治理的目的。

3.2.3 控制燃燒法

使矸石山中的燃料全部燃盡，同時可控制燃燒產(chǎn)生的熱量和煙塵，以熄滅矸石山的火災。其工藝是：將帶有透氣孔的耐高溫管道置入矸石山內(nèi)部，用抽風機使矸石山內(nèi)部形成負壓狀態(tài)，空氣從其表面吸入矸石山內(nèi)，加速矸石的燃燒。該法可使矸石中的可燃物在比正常燃燒要短的時間內(nèi)完全燃盡。與常規(guī)法相比，控制燃燒法有以下優(yōu)點：符合環(huán)境保護要求，使矸石山燃燒的最終排放氣體為CO2和水蒸氣；設置的煤氣洗滌塔可除去煙氣中的SOx和煙塵；完全燃燒后的矸石形成紅色巖體，可產(chǎn)生有商業(yè)價值的礫石的替代材料；熄滅的矸石山排除了重新自燃的危險，同時又根治了產(chǎn)生酸性水的根源。

3.3 治理效果分析

對矸石山自然發(fā)火問題進行綜合治理后，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測表明該矸石山鉆控溫度均降到了80℃以下，由此可見，自然發(fā)火得到了有效的控制，同時滿足《煤礦研石山災害防范與治理規(guī)范》的要求。沙坪煤礦對于矸石山自然發(fā)火的綜合治理過程是合理的切實有效的。

4 矸石對環(huán)境危害的其他治理方法

針對矸石造成的危害，其他治理措施為：在堆放時安裝專用的噴霧灑水裝置，用來減少巖塵飛揚，定期清洗積塵區(qū)，基本解決了巖塵危害；在矸石山周邊修筑堅固的擋水圍墻，使大氣降水沖刷形成的污水得到有效控制。

5 結語

沙坪煤礦矸石所產(chǎn)生的危害是多方面的，除了技術上的防治對策外，還應該加以下幾方面的技術管理辦法。（1）提高認識，重視環(huán)保。把環(huán)境保護同資源開發(fā)相提并論，才能徹底消除尾礦產(chǎn)生的危害。（2）及早著手防治并舉。尾礦危害不是偶然的特殊現(xiàn)象，只要肯于發(fā)現(xiàn)，及早行動，采取必要的措施，預防為主，綜合治理，是可防患于未然的。（3）善于創(chuàng)新，變廢為寶?；厥枕肥械牧淤|煤，矸石中含煤10%～20%，可以每年從排矸中揀出矸石煤，供家屬區(qū)用；矸石中含硫鐵礦3%以上，可以對硫鐵礦進行回收；矸石山中揀選可制建筑材料的白矸和可作陶瓷原釉子的黑矸。全面的對矸石進行綜合利用。