自燃煤矸石山隔離層空氣阻隔性對(duì)時(shí)間的響應(yīng)

胡振琪，鞏玉玲，吳媛婧，杜玉璽，高 楊

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

煤矸石是煤炭開(kāi)采與加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，占原煤產(chǎn)量的10%～30%[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存約46億t，占?jí)和恋?.2萬(wàn)hm2以上，并繼續(xù)以每年1.6億t的速度增加，是我國(guó)排放量最大的工業(yè)固體廢棄物[2]。煤矸石的堆放不僅壓占大量土地，且易造成大氣、水、土壤等生態(tài)環(huán)境污染[3]，自燃的煤矸石釋放出大量的CO、SO2、NOX、H2S等有害氣體，破壞生態(tài)環(huán)境，危害周邊居民身體健康[4]。目前我國(guó)煤矸石的綜合利用率在60%以上，雖然利用率在不斷提高，但仍有大量的煤矸石堆積成山[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前約有30%的煤矸石山在自燃[6]，通常采用注漿與黃土覆蓋相結(jié)合的方法對(duì)已自燃的煤矸石山進(jìn)行治理，然后實(shí)施綠化[7-10]。但實(shí)踐證明，通過(guò)此方法治理的煤矸石山1年或2年后復(fù)燃現(xiàn)象嚴(yán)重[1,11-12]，主要原因是黃土覆蓋初期含水率適量，一經(jīng)壓實(shí)空氣滲透率極小，空氣阻隔性較好，但隨著內(nèi)部黃鐵礦緩慢氧化并釋放熱量，高熱量的氣體與矸石使得覆蓋層的水分逐漸蒸發(fā)，尤其是裸露和植被覆蓋率低的覆蓋層逐漸變干并產(chǎn)生裂縫，甚至變成疏松的顆粒狀物質(zhì)，再加上風(fēng)化作用與雨水的沖刷，覆蓋層空氣阻隔性變差，失去封閉效果，使得煤矸石山復(fù)燃[13]。隔離層的含水率是影響隔離層封閉性的因素之一，空氣滲流速度及滲透率是反映隔離層空氣阻隔性的重要參數(shù)[14]。含水率降低，使得隔離層中孔隙率升高，隔離層易產(chǎn)生裂縫，加速空氣的滲入；空氣滲流速度越快，滲透率越高，孔隙輸氧速度越快，煤矸石山自燃時(shí)間縮短[15-16]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)自燃煤矸石山的研究主要包括煤矸石中黃鐵礦的氧化、氧氣在煤矸石中的運(yùn)輸、自燃煤矸石山治理技術(shù)、隔離層阻隔效果等[13,17-19]，尚未開(kāi)展對(duì)隔離層含水率、空氣滲流速度及滲透率隨時(shí)間變化規(guī)律的深入研究。因此本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，以土壤試樣為例，分析隔離層的含水率、不同壓差下空氣滲流速度與滲透率隨時(shí)間的變化規(guī)律，以此來(lái)分析隔離層空氣阻隔效果，并進(jìn)一步提出防止煤矸石山自燃的措施。從而為合理制定自燃煤矸石山覆土碾壓與綠化時(shí)間、后期管理與維護(hù)，以及防止煤矸石自燃提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料的制備

土壤采集后風(fēng)干碾碎過(guò)5 mm篩，測(cè)其風(fēng)干含水率為4.22%。在矸石山治理現(xiàn)場(chǎng)黃土料場(chǎng)取得的土壤質(zhì)地為粉土，采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定其顆粒粒徑：黏粒(粒徑<2 μm)占1.73%，粉粒(粒徑2～50 μm)占95.09%，砂粒(粒徑>50 μm)占3.18%。根據(jù)高楊[20]研究同等材料的塑限估計(jì)最優(yōu)含水率表明:當(dāng)試樣含水率為19.5%時(shí)，材料壓實(shí)性最好，空氣阻隔性最好,因此設(shè)置試樣含水率為19.5%。在風(fēng)干含水率基礎(chǔ)上計(jì)算加水量，加水后土樣拌勻，密閉放入塑料桶中，靜置24 h保證土樣中水分的均勻備用,土壤試樣實(shí)測(cè)含水率為18.56%。

1.2 試樣裝入測(cè)試腔

土壤試樣透氣性在室內(nèi)利用自制設(shè)備(自燃煤矸石山隔離層透氣性測(cè)試設(shè)備，專利號(hào)ZL200820123452.9)進(jìn)行測(cè)量[21]，設(shè)置試樣厚度為30 cm，分三層裝填，分層擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)設(shè)置為每層擊實(shí)30次，擊實(shí)錘為重型擊實(shí)錘(質(zhì)量為4 500 g，擊實(shí)錘的落距為45.7 cm)，每層擊實(shí)后高度控制為10 cm，試樣體積為6 028.8 cm3，單位擊實(shí)功對(duì)應(yīng)為301.2 kJ/m3。

1.3 測(cè)試設(shè)備連接

測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。試樣裝入測(cè)試腔之后，將測(cè)試腔與注氣腔和排氣腔連接，注氣腔及排氣腔上均安有壓力表，注氣腔連接減壓閥，減壓閥連接空氣壓縮機(jī)以提供穩(wěn)定氣壓的氣源，排氣腔連接煤氣表測(cè)試氣體流量。測(cè)試腔、注氣腔、排氣腔安裝完畢后，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，對(duì)試樣變換不同壓差進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)空氣滲流速度穩(wěn)定之后開(kāi)始記錄空氣滲透量數(shù)據(jù)及單位空氣數(shù)量通過(guò)該試樣的時(shí)間，即可計(jì)算試樣透氣量。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of equipment

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1) 質(zhì)量含水率。試樣初始含水率的測(cè)定采用烘干法，之后采用稱重計(jì)算法測(cè)定每天含水率，即裝樣前稱量測(cè)試腔的重量，每天稱量試樣與測(cè)試腔的重量，以最初烘干土的質(zhì)量為基數(shù)計(jì)算后期土壤質(zhì)量含水率，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

ωi=(mi-me-m)/m×100%

(1)

式中：ωi為第2 d、第3 d、……第10 d、第13 d、第16 d、第19 d的土壤質(zhì)量含水率，(i=2,3,4,5,6,7,8,9,10,13,16,19)；mi為第i天土樣與測(cè)試腔的質(zhì)量，kg；me為測(cè)試腔的質(zhì)量，kg；m為烘干土的質(zhì)量，kg。

2) 空氣滲流速度與滲透率。試驗(yàn)設(shè)置研究時(shí)間為19 d，其中前10 d選擇每天同一時(shí)間測(cè)定試樣的空氣滲流速度與滲透率，之后每隔3 d在同一時(shí)間進(jìn)行一次測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置試樣兩側(cè)壓差分別為0.01 MPa、0.02 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa。每次測(cè)試完畢后，將測(cè)試腔取下，與進(jìn)氣腔連接一側(cè)朝上，靜置。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄單位空氣流量所需的時(shí)間，計(jì)算空氣滲流速度與滲透率。一般情況下，矸石堆中氣體的流動(dòng)速度極為緩慢，屬于層流狀態(tài)，在層流狀態(tài)，多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動(dòng)速度服從達(dá)西定律[22]。空氣滲透量與空氣滲流速度的關(guān)系見(jiàn)式(2)。

v=Q/A

(2)

式中：v為空氣滲流速度，m/s；Q為試樣透氣量，m3/s；A為試樣斷面面積，m2。

根據(jù)達(dá)西定律，結(jié)合土層中均勻滲透場(chǎng)的假定方法及氣壓的等效水利坡度理論，覆蓋層的滲透率計(jì)算見(jiàn)式(3)。

K=vμL/ΔP

(3)

式中：K為空氣滲透率，m2；μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s，常溫下取值為1.83×10-5Pa·s；L為試樣長(zhǎng)度，m；ΔP為試樣兩側(cè)氣壓差，Pa。

2 試樣在不同壓差下隨時(shí)間變化規(guī)律

2.1 試樣含水率的變化

對(duì)自燃煤矸石山采取覆蓋碾壓阻燃措施進(jìn)行治理，隨著時(shí)間推移，覆蓋隔離層的水分散失或蒸發(fā)，含水率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致隔離層的空氣阻隔性發(fā)生變化。如圖2所示，試樣含水率隨時(shí)間呈直線下降趨勢(shì)。時(shí)間每推移一天試樣含水率下降約0.59%，與時(shí)間有著顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.98，通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。在本試驗(yàn)條件下，試樣初始含水率為18.56%，受溫度、空氣注入等因素的影響[23-24]，試樣水分的蒸發(fā)與散失較大，含水率不斷降低，第19 d時(shí)含水率僅為10.98%，明顯低于試樣最優(yōu)含水率(19.5%)。本文引起試樣含水率變化的原因較為單一，主要是由氣壓差及自然蒸發(fā)引起的。而實(shí)地野外隔離層含水率的變化比室內(nèi)試驗(yàn)劇烈得多，除了因外部環(huán)境引起蒸發(fā)以外還會(huì)因內(nèi)部黃鐵礦氧化釋放熱量而蒸發(fā)[13]。因此，野外隔離層含水率的降低速率遠(yuǎn)快于室內(nèi)試樣含水率的降低速率。

圖2 試樣含水率隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of moisture content ofsamples with time

2.2 試樣空氣滲流速度對(duì)時(shí)間的響應(yīng)

由圖3可以看出，隨著時(shí)間推移，土壤試樣空氣滲流速度呈二次函數(shù)式增大，空氣阻隔性能逐漸降低。同時(shí)，空氣滲流速度隨著壓差的增大而增大。通過(guò)判斷覆蓋層的空氣滲流速度與煤矸石中空氣臨界流速(4.4×10-5m/s)的大小關(guān)系來(lái)推斷覆蓋阻燃效果[22]。

在0.01 MPa壓差下，第1 d土壤試樣空氣滲流速度為9.20×10-7m/s，第2 d為1.09×10-6m/s，比第一天提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，增速達(dá)1.70×10-7m/s。第2～8 d，空氣滲透速度增加緩慢，平均每天增速為1.24×10-6m/s。第9 d時(shí)，土壤試樣空氣滲流速度為1.07×10-5m/s，相較于第1 d提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了10倍多。從第9 d開(kāi)始，空氣滲流速度以每天1.08×10-5m/s的速度增加，增速相較于之前略有提高。到第19 d時(shí)空氣滲流速度提高到6.47×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。這表明，在本試驗(yàn)條件下，第19 d開(kāi)始隔離層的空氣阻隔效果無(wú)法達(dá)到治理要求，對(duì)自燃煤矸石山的阻燃效果變差。

在0.02 MPa壓差下，前5 d土壤試樣空氣滲流速度處于同一數(shù)量級(jí)，增速較緩慢，平均每天1.47×10-6m/s。第6 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度增加到1.17×10-5m/s，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，相較于第1 d提高了7.85倍。第6～19 d，空氣滲流速度處于同一數(shù)量級(jí)，平均每天增速為8.86×10-6m/s，相較于前5 d的平均增速有所提高。第13 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為4.56×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。表明在0.02 MPa下，第13 d開(kāi)始隔離層的空氣阻隔效果已達(dá)不到治理要求。

圖3 土壤試樣空氣滲流速度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of air seepage velocity with time

在0.03 MPa壓差下，第1 d土壤試樣空氣滲流速度為2.01×10-6m/s，之后到第4 d空氣滲流速度以平均每天1.81×10-6m/s的速度增加。第5 d土壤試樣空氣滲流速度為1.56×10-5m/s，升高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。第5～16 d，空氣滲流速度以每天9.65×10-6m/s的速度升高，增速相較于前4 d有所加快。第19 d時(shí)空氣滲流速度為1.19×10-4m/s，較第1 d提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在第10 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為5.21×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s，這表明在0.03 MPa壓差下，第10 d開(kāi)始隔離層的空氣阻隔效果已達(dá)不到煤矸石山治理要求。

在0.04 MPa壓差下，前3 d的空氣滲流速度處于同一數(shù)量級(jí)，此時(shí)間段內(nèi)空氣滲流速度平均每天增加9.80×10-7m/s，上升速度較慢。第4 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為1.01×10-5m/s，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。第4～13 d土壤試樣空氣滲流速度升高較快，每天升高1.02×10-5m/s，比前3 d的上升速度高10倍多。第9 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為5.51×10-5m/s，大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s，此時(shí)隔離層的空氣阻隔效果已不能滿足治理要求。第16 d時(shí)空氣滲流速度為1.12×10-4m/s，比第9 d 提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在0.05 MPa壓差下，前3 d土壤試樣空氣滲流速度平均每天增長(zhǎng)1.50×10-6m/s。第4 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為1.37×10-5m/s，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。第4～10 d空氣滲流速度處于同一數(shù)量級(jí)，其平均每天增長(zhǎng)速度為1.05×10-5m/s，高出前3 d平均增速近7倍。第6 d時(shí)土壤試樣空氣滲流速度為4.50×10-5m/s，略大于臨界滲流速度4.4×10-5m/s。此時(shí)隔離層的空氣阻隔效果已達(dá)不到自燃煤矸石治理要求。第13～16 d，空氣滲流速度較第1 d提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，期間其平均增速為3×10-5m/s，高出前3 d平均增速20倍。

2.3 試樣空氣滲透率對(duì)時(shí)間的響應(yīng)

滲透率表示的是一個(gè)只與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的物理量，主要取決于介質(zhì)的孔隙大小及孔隙結(jié)構(gòu)，大小與測(cè)試壓力無(wú)關(guān)[25-26]。因此本文僅分析同一時(shí)刻不同壓差下平均空氣滲透率值對(duì)時(shí)間的響應(yīng)。從圖4可以看出，空氣滲透率隨時(shí)間的變化呈二次函數(shù)式上升(R=0.98，α=0.01)。第1 d空氣滲透率為4.10×10-16m2，隨著時(shí)間的推移空氣滲透率逐漸增大，第4 d土壤試樣空氣滲透率為1.75×10-15m2，較第1 d提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。從第4 d到第10 d，試樣空氣滲透率增長(zhǎng)緩慢且處于同一數(shù)量級(jí)，到了第13 d，試樣空氣滲透率又提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1.29×10-14m2，較第1 d增大了31倍多。第13～19 d試樣空氣滲透率在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)上升。第19 d時(shí)空氣滲透率為2.43×10-14m2，大于矸石山臨界自燃時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣滲透率(2.0×10-14m2)，空氣阻隔性變差[11]。

2.4 隔離層含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關(guān)性

將不同壓差下的土壤試樣空氣滲流速度與空氣滲透率分別求取算數(shù)平均值，分析含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關(guān)性(圖5)?？傮w看來(lái)，土壤試樣空氣滲流速度與滲透率隨含水率的變化成對(duì)數(shù)函數(shù)式變化，且變化趨勢(shì)一致。含水率每降低百分之一，平均空氣滲流速度與平均空氣滲透率分別上升2×10-4m/s、4×10-14m2。當(dāng)含水率下降到14.32%時(shí)，平均空氣滲流速度達(dá)到5.14×10-5m/s，超過(guò)了煤矸石中空氣臨界流速(4.4×10-5m/s)，當(dāng)含水率降到10.98%時(shí)，平均空氣滲透率達(dá)到2.43×10-14m2，超過(guò)了矸石山臨界自燃時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣滲透率(2.0×10-14m2)。當(dāng)含水率大于17.5%時(shí)，平均空氣滲流速度與滲透率上升幅度較小；含水率小于17.5%時(shí)，隨著含水率的降低，平均空氣滲流速度與滲透率上升幅度較大。因此表明土壤含水率的變化對(duì)空氣滲流速度與滲透率的影響較為顯著。

圖4 土壤試樣空氣滲透率隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of air permeability with time

圖5 土壤試樣含水率與空氣滲流速度、滲透率的相關(guān)性Fig.5 Correlation between moisture content of samplesand seepage velocity and permeability of air

3 結(jié)論與建議

隨著時(shí)間推移，土壤試樣質(zhì)量含水率呈直線式下降，而空氣滲流速度與滲透率均呈二次函數(shù)式上升，且空氣滲流速度增幅越來(lái)越大。隨著壓差增大，空氣滲流速度的增長(zhǎng)速度呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)變化的時(shí)間逐漸縮短，空氣滲流速度超過(guò)臨界滲流速度的時(shí)間縮短。隨著含水率不斷降低，空氣滲流速度與滲透率呈反方向上升趨勢(shì)，而空氣滲流速度與滲透率的提高，為煤矸石氧化提供充足的氧氣和水分，進(jìn)一步誘發(fā)煤矸石山自燃或復(fù)燃。

因此，在治理自燃煤矸石山的過(guò)程中要充分做好隔離層防裂、防滲工作，為此提出以下建議。

1) 由于自燃煤矸石山內(nèi)外壓差不穩(wěn)定，因此為了保證隔離層的阻燃效果，試驗(yàn)設(shè)置的最大壓差為0.05 MPa，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隔離層構(gòu)建后表土的覆蓋相隔時(shí)間不宜超過(guò)5 d，以保證構(gòu)建的隔離層具有較好的空氣阻隔性。

2) 在實(shí)地煤矸石治理過(guò)程中，須對(duì)煤矸石山隔離層含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)隔離層含水率低于14%時(shí)，需對(duì)治理后的煤矸石山適當(dāng)澆水、綠化，以降低隔離層的空氣滲流速度與滲透率，防止煤矸石山自燃。