內(nèi)蒙古利民煤礦矸石山自燃治理技術(shù)研究

文/李亞斌

煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)廢物，約占我國工業(yè)固體廢物的四分之一。目前針對煤矸石自燃現(xiàn)象，我國普遍運用的是挖掘回填法、黃土覆蓋法等傳統(tǒng)方法，但在實施過程中都會出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。內(nèi)蒙古自治區(qū)利民煤礦為了有效抑制矸石山的自燃現(xiàn)象，提出“以廢治廢”的治理思路，利用煤基固廢制成漿液，采用以“注漿、噴漿、覆漿”為主的治理技術(shù)措施，有效地抑制了矸石山火區(qū)的供氧，取得了良好的矸石山自燃治理效果。

一、利民煤礦矸石山自燃基本情況

利民煤礦坐落于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)。經(jīng)過實際勘探分析，利民煤礦矸石山自燃現(xiàn)象產(chǎn)生的基本原因有以下幾種。

1.煤炭洗選形成的堆矸場矸石自燃

利民煤礦開采的煤含硫量平均達到3.5%，個別達到4.5%～5.0%，屬于國家標(biāo)準所劃定的典型高硫煤。煤炭洗選后會形成矸石類廢渣，且含硫量會比原煤更高，加上堆放時間較長且無人過問，故易引發(fā)嚴重自燃。

2.井工開采排矸形成的矸石山自燃

井工開采量大，排矸量也大，往往堆放的矸石山較高。在粒度偏析效應(yīng)作用下，矸石山容易形成漏風(fēng)通道，且在較高堆放情況下矸石山內(nèi)部會形成“煙囪效應(yīng)”，容易導(dǎo)致自燃。

二、治理范圍

利民煤礦的矸石山坡面面積16.4萬m2、土方量約400萬m3，頂部面積11.57萬m2，平均高差32m，平均坡度為36°，最大坡角為38°。

根據(jù)利民煤礦矸石山的自燃基本情況，確定治理范圍，包括三個區(qū)域：矸石山東邊坡全部，包括第一、第二和第三臺階坡面及平臺；矸石山南邊坡一半（從東南角到南邊坡中間位置），包括第一、第二和第三臺階坡面及平臺；治理范圍內(nèi)矸石山頂部沿坡頂向內(nèi)延伸20m區(qū)域。

一期治理坡面的面積共計為24800m2；頂部平臺面積21000m2，合計治理面積45800m2。

三、治理方案

1.傳統(tǒng)治理方法效果分析

煤矸石內(nèi)部的硫鐵礦在低溫環(huán)境中，會與氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，放出大量熱，同時，在矸石山的內(nèi)部，空氣的流通性較差，不能立即散熱，當(dāng)熱量急劇增加，在某個部位達到一定溫度后會引起矸石中的煤和可燃物燃燒。這是矸石山自燃的主要原因。

近年來，由于矸石山自燃現(xiàn)象日益嚴重，利民煤礦采取了大面積黃土覆蓋的治理方案，黃土覆蓋平均厚度約50cm，同時也在坡面及頂部種植了一些植被進行綠化復(fù)墾。綜合分析治理效果，因矸石山由自然傾倒堆積而成，坡度較大，覆蓋的黃土粘結(jié)性較差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成穩(wěn)固的土層。受雨水沖刷影響，矸石山表面覆蓋的黃土流失嚴重，并形成很深的沖溝，種植的植被成活率很低，矸石山復(fù)燃現(xiàn)象嚴重。受春季西北風(fēng)影響，矸石山西北角自燃現(xiàn)象尤其嚴重。經(jīng)現(xiàn)場考察分析，因矸石山中部土層最薄，且受“煙囪效應(yīng)”影響最大，致使自燃區(qū)域多位于距離坡底15～25m處的位置，表面高溫區(qū)面積很大，內(nèi)部溫度較高，已將表土燒成黑色。

2.治理技術(shù)創(chuàng)新實踐

結(jié)合棋盤井矸石山自燃治理現(xiàn)狀，充分利用周邊現(xiàn)有工業(yè)固廢資源，提出“注漿、噴漿、覆漿”治理法。

（1）“注漿法”滅火。

①治理原理。當(dāng)漿液流入矸石內(nèi)部，漿液中的水分遇高溫矸石發(fā)生汽化，其內(nèi)部熱量由水蒸汽帶走，使矸石溫度下降，同時，由于漿液與矸石接觸后，其材料中的固體成分會將矸石包裹住，產(chǎn)生填充作用，以此起到隔絕空氣的作用，防止矸石與空氣發(fā)生反應(yīng)，從而抑制自燃的發(fā)生。

②漿液制作。注漿材料配方是注漿法的核心部分。由于粉煤灰、脫硫石膏、電石泥、廢棄石灰粉石灰出廠就是粒度比較細的材料，因此原材料運回后可以直接使用，將粉煤灰、脫硫石膏、電石泥、石灰按比例3∶1∶1∶1攪拌均勻，加入5%～8%的復(fù)合添加劑，加入適量水再進行攪拌。

③治理步驟。注漿的前提是確定高溫區(qū)的區(qū)域及范圍，利用紅外成像儀和熱電偶測溫儀等工具確定火區(qū)或高溫區(qū)的面積，要在高溫區(qū)所在的矸石山的頂部和坡面進行注漿，以達到封閉火區(qū)的目的；根據(jù)事先規(guī)劃好的治理面積安排好相應(yīng)數(shù)量的鉆孔；根據(jù)矸石山的特點，運用注漿泵通過相應(yīng)的鉆孔將滅火漿液注入產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的矸石山內(nèi)部。

（2）“覆漿法”封閉。

①治理原理。覆漿法主要針對矸石山頂部進行覆漿封閉處理。注漿滅火后的矸石山頂部孔隙率很大，仍為矸石自燃提供氧氣通道。因此必須對矸石山頂部進行密閉封堵，通過將調(diào)制好的漿液直接攤平到矸石山頂部，并進行機械碾壓，后期可形成具有一定強度的覆蓋層，以達到阻隔氧氣防止自燃的目的。

②具體做法。根據(jù)紅外成像儀和熱電偶測溫儀等工具確定火區(qū)或高溫區(qū)的面積，然后進行覆漿施工，分兩次進行：第一次先配制濃度較低的覆漿液，然后均勻地噴灑在矸石山火區(qū)或高溫區(qū)的頂部；第二次配制濃度較高的覆漿液，同樣噴灑在矸石山火區(qū)或高溫區(qū)的頂部。最后將該覆漿區(qū)域做壓實處理。

（3）“噴漿法”封閉。

①治理原理。噴漿滅火法屬于表面封閉法，通過高壓噴射裝置，將滅火漿液噴射到矸石山坡面，使其滲入矸石裂隙淺部，降低火區(qū)溫度，并通過填堵坡面縫隙來阻止空氣向矸石山內(nèi)部的火區(qū)流通，減少漏風(fēng)供氧，達到控制火區(qū)的目的。

②治理步驟。對矸石山坡面進行平整，在坡面掛金屬網(wǎng)并用錨桿固定；配制原料，采用噴漿機抽取原材料和水，攪拌并噴射到矸石山火區(qū)外部的坡面上（噴射噴漿材料時，在坡面上預(yù)留膨脹縫）；進行人工拍打壓實處理；在施工完成的坡面鋪設(shè)工程養(yǎng)護薄膜進行養(yǎng)護。

四、治理效果

1.“注漿法”治理效果

“注漿法”滅火效果可分為三個區(qū)間：原注漿孔溫度在150℃～250℃左右的，通過注漿滅火，溫度已降至8 0℃以下；原注漿孔溫度在250℃～400℃的，通過注漿滅火，現(xiàn)已降至80℃以下；原注漿孔溫度在400℃～700℃左右的（主要集中在矸石山東南角高溫區(qū)），目前也全部降至80℃以下。

2.“覆漿法”治理效果

矸石山高溫區(qū)覆漿治理后經(jīng)過兩周后檢測、一個月后檢測、三個月后檢測、一年后檢測，坡面均沒有出現(xiàn)通透裂縫。在覆漿后漿液凝固過程中，出現(xiàn)了小的裂縫，在隨后現(xiàn)場檢測中裂縫沒有繼續(xù)擴大，不影響對坡面的封閉。經(jīng)過現(xiàn)場坡面溫度檢測，覆漿兩周后表面溫度降低到179度（覆漿前表面溫度達到400多度），一個月后溫度降低到86度，三個月后溫度降低到55度，一年后溫度降低到正常區(qū)域。

相比較，黃土封閉后經(jīng)過幾次暴雨沖刷，就可能產(chǎn)生裂縫，造成復(fù)燃，覆漿治理后不會產(chǎn)生復(fù)燃現(xiàn)象。

3.“噴漿法”治理效果

邊坡噴漿治理后經(jīng)過兩周后檢測、一個月后檢測、三個月后檢測、一年后檢測，坡面均沒有出現(xiàn)通透裂縫。在噴漿后漿液凝固過程中，出現(xiàn)了小的裂縫，這些裂縫在隨后現(xiàn)場檢測中沒有繼續(xù)擴大，不影響對坡面的封閉。經(jīng)過現(xiàn)場取樣并進行抗壓強度檢測，兩周后抗壓強度可以達到6.5MPa，一個月后抗壓強度可以達到8.9MPa，三個月后抗壓強度可以達到9.3MPa，一年后抗壓強度可以達到10.4MPa。

經(jīng)過與現(xiàn)場使用毛石砌筑坡面封閉相比，噴漿法具有施工速度快、封閉效果好，不怕下暴雨沖刷、不滲水、不透氣等優(yōu)勢，強度完全可以滿足護坡要求。

五、結(jié)語

針對利民煤礦矸石山自燃的特點，有針對性地制定了以“注漿、覆漿、噴漿”為主的綜合治理技術(shù)措施，對矸石山的東邊坡，南邊坡自燃進行了治理和控制，經(jīng)過監(jiān)測，沒有發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象，取得了良好的治理效果，保證了利民煤礦的正常開采。