自燃矸石山動態(tài)檢測與監(jiān)測的實踐探討

寧寶貴 白蘇敏 劉 姣 李曉萌 馮鵬飛

(1.山西中能巖土工程有限公司，山西 太原 030000； 2.山西正和熱電工程有限公司，山西 太原 030000)

煤矸石是煤礦行業(yè)采煤和洗煤過程排放的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計存量最大的工業(yè)廢棄物之一。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，堆積而成矸石山越來越多，因煤矸石自燃的特性，自燃矸石山的存在嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。本文通過實踐討論了動態(tài)檢測與監(jiān)測對自燃矸石山治理的重要作用。

1 煤矸石自燃機理

1)矸石山自燃原因。煤矸石的自燃原因，主要有硫鐵礦氧化學(xué)說和煤氧復(fù)合自燃學(xué)說。學(xué)說認(rèn)為煤矸石中的硫鐵礦或煤發(fā)生氧化，放出熱量后在矸石山體內(nèi)不斷聚積，溫度升高引起煤矸石中的可燃物燃燒，從而造成了矸石山自燃[1]。

2)矸石山自燃的發(fā)展階段。矸石山的自燃形成經(jīng)歷了表面吸氧潛伏，緩慢氧化自熱，加速氧化和蓄熱，充分氧化自燃4個階段[2]。

2 自燃矸石山危害

自燃矸石山排放出大量有毒有害氣體，會造成大氣污染，影響生命健康安全；易發(fā)生塌陷、渣石流、滑坡等自然災(zāi)害；受降雨沖刷浸澤，使煤矸石中的有害成分和重金屬進(jìn)入土壤和水體中，造成污染。

3 自燃矸石山的治理

1)治理區(qū)域劃分。根據(jù)矸石山的發(fā)展階段，矸石山按溫度區(qū)間劃分為防控區(qū)、臨界區(qū)、蓄熱區(qū)、發(fā)火區(qū)。在矸石山的治理過程中，通常將防控區(qū)、臨界區(qū)作為重點監(jiān)控范圍，而蓄熱區(qū)和發(fā)火區(qū)作為主要滅火治理范圍[3]。

2)滅火治理方法。常見自燃矸石山治理主要以滅火降溫為主，通常采用的方法：鉆孔注漿法、槽溝灌漿法、挖除滅火法、黃土覆蓋法、其他實踐有效的方法等等。根據(jù)矸石山的規(guī)模、煤矸石成分、自燃程度、場地條件等因素，選取一種或多種方法相結(jié)合的滅火方案。

3)滅火治理方法分析。黃土覆蓋法主要以隔絕空氣為主，主要用于發(fā)展程度較低矸石山，受環(huán)境影響大，須進(jìn)行后期不斷維護(hù)。

槽溝灌漿法、注漿法在地面施工即可，能有效降低矸石山溫度，并起到填充封閉的作用，注漿量現(xiàn)階段不能精準(zhǔn)控制，宜在施工過程中動態(tài)調(diào)整，如著火深度較深，滅火效果難以保證。

挖除滅火法滅火效果可保證，施工工序簡單，但需要開挖量較大，開挖倒運所需場地范圍大，人員操作過程中有毒有害氣體及高溫對操作人員健康危害較大，開挖過程中廢氣煙塵對周邊環(huán)境影響較大。

現(xiàn)階段的治理主要還是針對于進(jìn)入蓄熱區(qū)、發(fā)火區(qū)的矸石山，而蓄熱區(qū)、發(fā)火區(qū)的矸石山自燃發(fā)展程度較高，已經(jīng)對環(huán)境產(chǎn)生較大危害，且滅火治理過程中成本高、難度大、反復(fù)性高，這也直接影響到矸石山的生態(tài)恢復(fù)。

4 自燃矸石山動態(tài)檢測與監(jiān)測的方法與實踐

4.1 檢測與監(jiān)測方法

常用的方法：地表測溫法、鉆孔檢測法、氣體分析法、同位素測氡法、磁法、電法綜合物探法等。

1)地表測溫法，使用紅外地表測溫儀，結(jié)合熱成像儀，按10 m～20 m間距網(wǎng)格布置，對地表溫度、環(huán)境溫度進(jìn)行測量，分析數(shù)據(jù)，初步確定火區(qū)位置。

2)鉆孔檢測法，使用熱電偶對矸石堆體內(nèi)部測溫，鉆孔深度一般為6 m～10 m，鉆孔內(nèi)每1 m測溫一次。若某些區(qū)域在鉆孔底部集中出現(xiàn)高溫或者自燃現(xiàn)象，進(jìn)行加深鉆孔測溫。

3)氣體分析法，通過采用FL-9500氣相色譜儀對現(xiàn)場采集的氣樣進(jìn)行成分與含量檢測，通過一氧化碳、乙烯及乙炔等指標(biāo)，判斷填矸地層是否自燃或所處的自燃階段。

4)同位素測氡法，通過地表測量氡氣濃度的大小，推斷矸石山的燃燒狀況[4]。

5)磁法、電法綜合物探法，通過區(qū)分煤矸石堆場的各種物理性質(zhì)(電性、磁性)差異，確定高溫火區(qū)范圍、埋深等地質(zhì)信息[5]。

4.2 實踐探討

陽泉某礦矸石山，位于一荒溝內(nèi)，2016年全部堆矸完成。作為礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理試點示范工程對該矸石山進(jìn)行綜合治理。

1)項目前期通過踏勘、資料收集，結(jié)合地表紅外測溫儀、紅外熱成像、熱電偶鉆孔測溫多項檢測手段，編制了溫度勘測報告并繪制了溫度等值線圖及溫度分區(qū)。場地勘測總表面積約180 542.23 m2，劃分發(fā)火區(qū)總表面積約62 562.94 m2，地表溫度最高達(dá)到67.8 ℃，發(fā)火區(qū)溫度主要集中在地表以下3 m～6 m，溫度區(qū)間為100 ℃～950 ℃。

2)設(shè)計單位根據(jù)溫度勘測報告采取了注漿滅火法，制漿材料采用水泥、粉煤灰、熟石灰和清水，水固比為1∶1.0～1∶1.2，水泥、熟石灰和粉煤灰的重量比為1∶2∶7。發(fā)火區(qū)范圍內(nèi)均勻布置了深孔和淺孔，淺孔深3.5 m，深孔深7.5 m，孔距6 m。

3)在治理施工過程中，對發(fā)火區(qū)邊界設(shè)置監(jiān)測孔，并對注漿過程中各施工段進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，每天進(jìn)行監(jiān)測記錄。在注漿施工中期，通過監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)矸石山11，12，13平臺及坡面火區(qū)擴散，及時反饋信息，布設(shè)溫度檢測鉆孔，重新劃分了火區(qū)范圍，新增發(fā)火區(qū)總表面積約8 857 m2；同時矸石山9，10，11平臺及坡面出現(xiàn)“頑固區(qū)”，平均溫度700 ℃～800 ℃，最高溫度達(dá)900多攝氏度，易氣爆，注漿滅火效果差，現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，改用溝槽灌漿、加密注漿、反復(fù)注漿、覆土封閉多工藝相結(jié)合的方法，最終取得了良好效果。

4)該矸石山治理結(jié)束后，對治理區(qū)域進(jìn)行了滅火效果檢測。第一步現(xiàn)場踏勘，觀測治理范圍內(nèi)綠化情況、矸石山地表溫度與環(huán)境溫度、有無冒煙開裂等地表特征。第二步使用熱電偶鉆孔測溫，鉆孔深度為10 m，檢測頻率為每30 d不少于一次，觀測時間達(dá)6個月，通過觀測分析矸石體內(nèi)深度方向的溫度變化及隨時間的變化的溫度情況。第三步在鉆孔過程中在鉆孔內(nèi)抽取氣體，通過采用FL-9500氣相色譜儀對現(xiàn)場采集的氣樣進(jìn)行成分與含量檢測，通過標(biāo)志性氣體成分一氧化碳、乙烯、乙炔、氧氣等分析矸石山的封閉情況及矸石自燃情況。

通過6個月的觀測數(shù)據(jù)分析，取每月各檢測孔地表下2 m,4 m,6 m,8 m溫度平均值進(jìn)行趨勢化分析，分析得出檢測孔溫度隨時間呈下降并趨于平穩(wěn)趨勢(見圖1)。

各區(qū)域選取實測溫度最高的檢測鉆孔作為代表性檢測孔，進(jìn)行區(qū)域滅火前后溫度對比分析(見表1)。

表1 代表性檢測孔滅火前后對比分析

綜合分析各項檢測結(jié)果，確定治理區(qū)域地表完整，未發(fā)現(xiàn)覆蓋層被沖刷造成矸石裸露或覆蓋開裂、裂隙冒煙等現(xiàn)象，綠化后植被完好，地表大氣溫度同周邊環(huán)境溫度接近；同時測得監(jiān)測孔內(nèi)最高溫度在23.9 ℃～93.9 ℃(小于100 ℃)，地表下10.0 m范圍內(nèi)溫度均已達(dá)標(biāo)。氣體檢測表明，該地段孔內(nèi)氣體未檢出乙烯、乙炔，且一氧化碳含量低于100 ppm，氧氣濃度低于5%。綜合評估認(rèn)為該治理區(qū)域的自燃煤矸石已達(dá)到治理效果，且在不破壞現(xiàn)有覆蓋層的條件下矸石山不會引起復(fù)燃。

5)后期矸石山生態(tài)恢復(fù)作業(yè)中，定期對留設(shè)的監(jiān)測孔進(jìn)行溫度監(jiān)測，并做詳細(xì)記錄，為后續(xù)生態(tài)恢復(fù)工作植樹、種草等提供保障。

實踐表明：自燃矸石山的動態(tài)檢測與監(jiān)測貫穿治理的全過程，在矸石山自燃判定、火區(qū)劃分、制定治理方案、治理過程把控、治理效果檢驗、生態(tài)恢復(fù)效果監(jiān)控等過程中起到了關(guān)鍵作用。因此不同階段采用相適應(yīng)的檢測與監(jiān)測方法，能為各治理階段實施提供相應(yīng)的依據(jù)和保障。

5 結(jié)論及展望

1)結(jié)論。

在自燃矸石山治理過程中，動態(tài)檢測與監(jiān)測起到不可或缺的作用，對矸石山治理意義重大，社會效益顯著。

2)展望。

對于新近、老舊堆積矸石山，動態(tài)檢測和監(jiān)測應(yīng)更好的運用于矸石山自燃前；通過檢測和監(jiān)測手段，分析矸石山自燃發(fā)展程度，預(yù)測矸石自燃概率和發(fā)展趨勢，可以把防止矸石山進(jìn)入蓄熱、發(fā)火階段作為治理目標(biāo)，拋棄“著一片治一片”的治理思路，將矸石山自燃問題扼殺在萌芽之中，這樣可以降低治理難度、節(jié)約成本、減少環(huán)境污染。