石壕煤礦矸石山防滅火實(shí)踐

李明

摘要：煤矸石作為煤炭工業(yè)的附屬產(chǎn)物，絕大多數(shù)煤炭企業(yè)采用露天堆積的形式，形成矸石山。矸石山不止壓占土地，造成大氣、水體和景觀污染，還會發(fā)生自燃、爆炸、垮塌、泥石流等次生災(zāi)害，尤其是發(fā)生自燃著火的矸石山，釋放出SO2、CO、H2S等有毒有害氣體，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，破壞生態(tài)：同時自燃著火還影響矸石的排放和安全生產(chǎn)，當(dāng)自燃區(qū)SO2、CO達(dá)到一定的濃度，還會對人體造成危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大型煤炭企業(yè)1500多座礦石山中，自燃和曾經(jīng)發(fā)生自燃的矸石山就有380多座，成為各個礦區(qū)一大公害。從而防止矸石山自燃成了礦井防火工作和生態(tài)環(huán)境治理的重中之重。

關(guān)鍵詞：煤礦：矸石山：防滅火

國內(nèi)外對煤矸石自燃機(jī)理的研究始于19世紀(jì)末期，20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期，各國學(xué)者相繼提出了一系列的學(xué)說來解釋煤矸石的自燃，歸納起來主要有：黃鐵礦氧化學(xué)說、煤氧復(fù)合作用自燃學(xué)說、細(xì)菌作用學(xué)說、晶核理論、自由基作用學(xué)說和揮發(fā)分學(xué)說。黃鐵礦氧化學(xué)說、細(xì)菌作用學(xué)說和晶核理論均認(rèn)為煤矸石自燃與硫鐵礦有關(guān)，而煤氧復(fù)合作用自燃學(xué)說和自由基作用學(xué)說則脫胎于煤的自然發(fā)火機(jī)理，認(rèn)為矸石自燃與其中的煤有關(guān)。

對煤矸石自燃的影響因素，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。考察的因素主要有：硫的含量及其分布形態(tài)、含炭量、水分、揮發(fā)分和粒徑等，比較一致的觀點(diǎn)認(rèn)為：含硫高特別是含硫鐵礦高的矸石更容易自燃。

煤矸石自燃機(jī)理的研究，為采取有針對性的治理措施及注漿材料的選擇提供了有益的指導(dǎo)。但是，目前的學(xué)說尚難解釋低硫矸石的自燃，對自燃矸石的噴爆機(jī)理及防治技術(shù)的研究也不夠深入，往往在治理自燃矸石山時造成人員傷亡。

一、石壕煤礦矸石山概況

石壕煤礦于1971年12月開始籌建，1984年12月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力0.60Mt/a，2018年核定生產(chǎn)能力為1.2Mr/a，礦區(qū)面積10.4497km²，低瓦斯礦井，開采深度由+670m至-40m標(biāo)高，主采二疊系山西組二1煤層，平均煤厚5.05m，所采煤種為主焦煤，自燃傾向等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層。石壕煤礦矸石山位于石壕煤礦南部的溝壑里，矸石山自1984年12月投產(chǎn)以來堆存，主要用于填溝、平整后當(dāng)做煤場使用?，F(xiàn)有的矸石堆存體積約154萬m³;上界面面積約2.1萬m²;東西長200m，南北寬100m。外界面高程：+599m;外界面至頂界面高差：42m，外界面平均坡面傾角：46°，矸石堆積量約60萬m³。該矸石山大部分堆放的是井下開拓巷道的巖石矸、煤巷掘進(jìn)的煤矸石和少量的洗煤廠洗選矸石。矸石由汽車將矸石運(yùn)至矸石山，然后向南側(cè)山溝傾倒而成。矸石山自燃火區(qū)2016年以來主要集中在矸石山東南側(cè)、南側(cè)、西側(cè)，東南側(cè)、南側(cè)矸石表面有明顯的著火跡象。預(yù)計矸石山發(fā)火高度為15m。通過對矸石山進(jìn)行現(xiàn)場勘查，矸石共發(fā)現(xiàn)冒煙點(diǎn)5處，均分布在矸石山南部斜坡上。兩處冒煙點(diǎn)面積為0.5-1m²，另三處冒煙點(diǎn)面積為0.3-0.4m²。冒煙點(diǎn)周圍覆蓋有燃燒后的黃色物質(zhì)（硫），煙為白色伴有輕微的刺鼻性氣味（H2S）。通過對冒煙點(diǎn)溫度、CO、SO2等進(jìn)行檢測，冒煙點(diǎn)最高溫度87℃，最低44.8℃。因露天對氣體濃度進(jìn)行檢測，檢測人員不能近距離靠近冒煙點(diǎn)，靠近地面檢測出c0濃度為66PPm，802、H2S氣體濃度均為26PPm。矸石山碎煤含量約為6%，矸石碳含量約為5.53%，礦井矸石硫含量約為2.00%，洗矸硫含量約為3.98%。矸石山東側(cè)150m土地歸屬觀音堂后地村;矸石山南側(cè)和西側(cè)150m土地歸屬觀音堂石壕村，附近多是山坡、黃土丘陵地貌，大部分為低矮灌木及耕地，距矸石山東南側(cè)85m處有一個體小型石料廠。鑒于目前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢和安全形勢，需要采取針對性的措施對矸石山的著火區(qū)進(jìn)行治理。改善區(qū)域生產(chǎn)環(huán)境和空氣質(zhì)量、符合環(huán)保要求。參照國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)和我礦矸石山實(shí)際情況，經(jīng)研究確定主要采取表面密封和壓實(shí)法、灌水法、注漿法等主要滅火措施。

二、石壕煤礦矸石山防滅火實(shí)踐

1.表面密封和壓實(shí)法

在斜坡位置：一是采用覆蓋2-2.5m厚的洗選細(xì)碴壓實(shí)，再覆蓋0.5m厚黃土;二是針對矸石山東側(cè)局部坡度大的區(qū)域先在著火點(diǎn)下方0.5m-1m位置打設(shè)鋼釬，鋼釬長1.5-2m，外露0.5-1m，外露部分上部鋪設(shè)木板，阻擋覆蓋向下滾動。然后在矸石表面覆蓋一層厚1m的細(xì)碴，再在上部覆蓋一層厚0.5m的黃土。以此類推，直至無煙冒出。

2.灌水法

以間排距2m*2m施工鉆孔，鉆孔深5-16m（特殊情況可加大鉆孔深度），角度以深入火區(qū)為準(zhǔn)，鉆孔直徑為94-108mm，并在鉆孔口安裝1.5m長、φ108mm的套管，利用套管口向里灌水。局部采用挖坑灌注，在斜坡冒煙點(diǎn)正上方挖深度為0.5-1m的坑，在坑內(nèi)灌水，水沿矸石山縫隙，滲透至高溫區(qū)域，達(dá)到降溫滅火效果。

3.注漿法

注漿管采用花管，采用直徑25mm，長2m鐵管制作。注漿管一端100mm過絲，花孔直徑5mm，交叉布置。注漿孔采用ZRS31.5-105380手持式乳化液鉆機(jī)向里鉆進(jìn)，鉆孔長1.8m，注漿管深入鉆孔后預(yù)留0.2m用于注漿。注漿所使用的漿液，水：黃泥=10：1。所使用的黃土要經(jīng)過篩子精加工，黃泥與水進(jìn)行攪拌使其充分混合。注漿施工時，注漿孔采用串聯(lián)，一臺注漿泵可同時注2-4個鉆孔。施工過程中根據(jù)實(shí)際情況對漿液配比進(jìn)行調(diào)整，將漿液注入火區(qū)和自熱區(qū)。

三、結(jié)語

石壕煤礦多種措施治理矸石山自燃，其工藝流程所選參數(shù)適宜，不僅投資少而且治理后效果顯著，鑒于目前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢和安全形勢，矸石山滅火后，極大的改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量，符合環(huán)保要求;也大大改善了周圍的排矸場工作條件，受到了廣大職工和周圍居民的廣泛好評。