煤礦矸石山自燃綜合治理技術(shù)應(yīng)用

自 衛(wèi) 倪 萌 王興華

（山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271107）

1 矸石山自燃危害

1.1 污染空氣

煤矸石含硫量較高，極易發(fā)生自燃，散發(fā)一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等氣體。風(fēng)化的矸石粉屑在大風(fēng)天氣里極易揚(yáng)塵，污染空氣。

1.2 污染水源

雨水滲透矸石山滲到地表下，形成淋溶水，污染周邊水源，危害周邊居民身體健康。

1.3 破壞生態(tài)

矸石山風(fēng)化的碎屑碎粉侵蝕周圍土地，雨水沖刷部分矸石流到周圍田地，惡化區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

2 矸石山自燃機(jī)理分析

矸石山殘留碎煤，含碳量20%～25%，矸石山富含硫磺石，含硫量3%～4%，為矸石自燃提供了物質(zhì)條件。雨水沿著裂隙進(jìn)入到松散的矸石堆中，雨過天晴，在陽光照射下，水分蒸發(fā)，矸石山表面及內(nèi)部溫度上升，造成矸石氧化生熱。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在碎煤及硫磺石堆放集中的部位儲(chǔ)熱升溫，形成高溫點(diǎn)，直至自燃冒煙。

3 矸石山自燃綜合治理技術(shù)

矸石山自燃綜合治理技術(shù)主要是：紅外熱像儀探測(cè)表面溫度、測(cè)溫鉆孔探測(cè)深部溫度及孔內(nèi)采取氣體化驗(yàn)分析、分析判識(shí)自燃區(qū)域范圍及自燃深度、淺孔注漿控火、深孔灌漿滅火、充填夯實(shí)隔氧及局部封閉處理等。

3.1 施工注水注漿鉆孔注無機(jī)防滅火材料治理

3.1.1 紅外熱像儀探測(cè)矸石山表面高溫點(diǎn)

利用紅外熱像儀測(cè)得矸石山表面紅外輻射的熱像分布圖，判斷矸石山的紅外熱分布場(chǎng)，探測(cè)矸石山表面高溫點(diǎn)。

3.1.2 施工測(cè)溫鉆孔探測(cè)矸石山深部自燃狀況

在自燃高溫區(qū)域施工測(cè)溫鉆孔，對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)溫，采取鉆孔內(nèi)氣樣，分析一氧化碳、氧氣等氣體濃度，分析矸石山內(nèi)部不同位置不同深度的自燃狀況，為矸石山自燃治理提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.3 劃分滅火單元

根據(jù)矸石山表面自燃分布情況和測(cè)溫鉆孔的數(shù)據(jù)，將矸石山自燃區(qū)域劃分為五個(gè)滅火單元。根據(jù)不同滅火單元的自燃情況來確定注水注漿鉆孔的施工位置。在每個(gè)滅火單元內(nèi)進(jìn)行打鉆、注水、注漿作業(yè)。

3.1.4 注水注漿鉆孔布置

根據(jù)矸石山自燃區(qū)域劃分的五個(gè)滅火單元的自燃情況來確定注水注漿鉆孔的施工位置，注水注漿鉆孔打到矸石山內(nèi)部高溫處，利于漿液盡可能多且均勻地滲透到破碎矸石中。根據(jù)注水注漿鉆孔周圍矸石自燃氧化程度及面積，確定鉆孔的數(shù)量和深度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，五個(gè)滅火單元共計(jì)施工85 個(gè)鉆孔。注水注漿鉆孔數(shù)量及深度如表1 所示。

表1 注水注漿鉆孔數(shù)量及深度

3.1.5 注漿泵及注漿管

選用ZBYSB140/6-7.5 型煤礦用雙液注漿泵。注漿管采用DN65、長(zhǎng)度4 m 鋼管加工制作，鋼管的一端加工長(zhǎng)度50 mm 的外螺紋。在鋼管長(zhǎng)度的1/2 至末端鉆出12 個(gè)直徑6 mm 的小孔作為出漿孔。注漿管伸入注漿鉆孔后使用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度1950 mm。如圖1 所示。

圖1 注漿管示意圖

3.1.6 注漿材料的選用

注漿材料選用在高水灰比條件(W/C=8～10:1)下快速凝結(jié)的新型充填無機(jī)防滅火材料。一方面可吸收矸石自燃釋放出的SO2、SO3等氣體，減輕污染，防止硫化物逸出，起到了消煙固硫作用；另一方面覆蓋浮煤堵塞裂隙隔離空氣，起到阻化滅火作用。

3.1.7 注漿參數(shù)

（1）水灰比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮施工條件、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比8:1。

（2）注漿壓力

鉆孔注漿要考慮到對(duì)更細(xì)小裂隙的充填，采用2 MPa 的注漿壓力有利于漿液滲透。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終孔壓力值后，關(guān)閉注漿泵10 min，當(dāng)注漿壓力明顯下降時(shí)，再開啟注漿泵，直至注漿壓力穩(wěn)定在注漿設(shè)計(jì)終孔壓力值不再下降。

3.1.8 鉆孔注水降溫注漿滅火

（1）注水降溫

鉆孔施工完成后，先進(jìn)行注水，注水過程中不斷產(chǎn)生水蒸氣帶走熱量，起到降溫作用。當(dāng)鉆孔水蒸氣的產(chǎn)生量下降，溫度下降到60～70 ℃，停止注水，改為注漿。

（2）注漿滅火

無機(jī)防滅火材料注漿系統(tǒng)包括制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)兩部分。制漿系統(tǒng)由4 個(gè)攪拌桶組成，兩個(gè)攪拌甲料漿，兩個(gè)攪拌乙料漿。漿液攪拌好后，雙液注漿泵同時(shí)吸取甲料漿和乙料漿，再通過兩路高壓膠管輸送給混合器，混合器將甲料漿和乙料漿混合后注入注漿鉆孔。先注入稀薄的無機(jī)防滅火材料漿液，再將漿液慢慢變濃稠，形成無機(jī)防滅火材料固結(jié)體，起到抑燃滅火、凝固堵漏的作用。無機(jī)防滅火材料注漿示意圖如圖2 所示。

圖2 無機(jī)防滅火材料注漿示意圖

3.2 矸石山自燃治理的其它技術(shù)

（1）點(diǎn)狀燃燒區(qū)域挖除刨平壓實(shí)阻氧隔氧

矸石山頂部點(diǎn)狀、穴狀燃燒區(qū)域采用坑洞挖除法挖除，開挖深度根據(jù)燃燒中心的深度確定。開挖完成后用液力噴射機(jī)將無機(jī)防滅火漿液噴射到挖出的坑洞及周圍，減少有害氣體逸出。冷卻后，黃土回填，分層碾壓夯實(shí)?；鹪袋c(diǎn)處理后，使用推土機(jī)將矸石山頂部刨平、壓實(shí)，噴涂阻燃材料持續(xù)性地阻氧和隔氧。

（2）帶狀燃燒區(qū)域挖溝槽注無機(jī)防滅火材料回填壓實(shí)

矸石山帶狀分布的燃燒區(qū)域采用溝槽挖除法挖除，開挖溝槽后注入無機(jī)防滅火材料，抑制火情蔓延，降低燃燒區(qū)溫度。溝槽冷卻且注入的無機(jī)防滅火材料漿液不再滲漏后，將黃土、矸石、阻燃劑按比例混合，分層回填壓實(shí)。

（3）斜坡自燃區(qū)域噴射無機(jī)防滅火漿液隔水?dāng)嘌?/p>

矸石自然垂落堆積形成的錐形山體斜坡自燃區(qū)域，采用噴射無機(jī)防滅火材料漿液，一方面封堵矸石間隙，局部封閉，減少透氣通道，隔絕間隙的氧氣供應(yīng)，另一方面減少雨水滲漏，起到隔水?dāng)嘌鯗缁鸬淖饔谩?/p>

（4）自燃區(qū)域滅火后防復(fù)燃

矸石山自燃區(qū)域經(jīng)人工滅火處理后，進(jìn)行后期處理防止復(fù)燃。進(jìn)一步夯實(shí)自燃區(qū)域，提高山體的密實(shí)度，降低山體的透水性。對(duì)矸石山頂部、斜坡進(jìn)行適度整形，保持適宜的排水坡度，防止雨水滲漏。

4 結(jié)論

潘西煤礦矸石山采用防自燃綜合治理技術(shù)后，消除了矸石山氧化自燃現(xiàn)象，解決了自燃造成的空氣、水源等生態(tài)環(huán)境污染，改善了周邊居民居住環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的和諧共存。