郭家河煤礦矸石山自燃形成機(jī)理及治理方案研究

侯懷勇，楊 朋

(陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤矸石是煤礦在開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。近年來，伴隨著采掘機(jī)械化的發(fā)展和煤層開采條件的逐漸惡化，煤礦多年開采之后，排出的矸石堆積如山，不但占用了大量土地，而且其中所含的硫化物散發(fā)后會(huì)污染大氣和水源，造成嚴(yán)重的后果。煤矸石中所含的黃鐵礦易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風(fēng)化以至自燃。煤矸石燃燒時(shí)散發(fā)出的有毒有害氣體嚴(yán)重危害礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及人民群眾的健康，急需治理。

1 矸石山概況及自燃機(jī)理研究

1.1 矸石山概況

陜西郭家河煤礦矸石排放量約80萬t/a，目前矸石堆放量約為520萬t，隨著矸石的不斷堆積，矸石山相對(duì)高差最高達(dá)81 m，總體占地面積約4.67 ha。矸石山由于長(zhǎng)時(shí)間的堆積，內(nèi)部溫度積聚，于2017年12月在二、三平臺(tái)中上部產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，2018年1月開始加劇，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的燃燒及發(fā)展，現(xiàn)已擴(kuò)散至矸石山頂大部分區(qū)域，在矸石山堆積中前部扇形區(qū)形成了老火區(qū)(一、二平臺(tái))，向南延伸形成三平臺(tái)新火區(qū)，如圖1所示。

圖1 矸石山自燃隱患分區(qū)Fig.1 Hidden danger division of gangue hill spontaneous combustion

矸石山中部山體自燃比較嚴(yán)重，頂部局部位置及坡面大部已出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，可嗅到刺鼻難聞的氣味，如圖2所示。矸石山自燃對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，對(duì)周圍居民健康造成了威脅。

圖2 矸石山自燃隱患現(xiàn)狀Fig.2 Status of the hidden danger of spontaneous combustion in the gangue hill

通過對(duì)該煤礦矸石山使用高精度磁法進(jìn)行物化探測(cè)，結(jié)果表明：一平臺(tái)磁法探測(cè)ΔT的中高值面積約2 950 m2，二平臺(tái)磁法探測(cè)ΔT的中高值面積約3 844 m2，三平臺(tái)磁法探測(cè)ΔT的中高值面積約25 700 m2，共計(jì)32 494 m2，如圖3所示。

圖3 各平臺(tái)高精度磁測(cè)ΔT等值線Fig.3 High-precision magnetic measurement ΔT contour of each platform

1.2 自燃機(jī)理分析

1.2.1 黃鐵礦氧化

煤矸石中的黃鐵礦在低溫下發(fā)生氧化，產(chǎn)生熱量并不斷聚集，使矸石內(nèi)部溫度升高，在郭家河煤礦局部達(dá)到一定的溫度后，引起矸石中的煤和可燃物燃燒，形成中心火區(qū)并向周邊擴(kuò)散。

該煤礦煤矸石一般都利用當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，先將矸石拉到排矸場(chǎng)的最高處，再將其推至坡面自由滾落到山溝中，這種堆積方式矸石堆積疏松，空隙率大。同時(shí)堆存過程中未與黃土間隔分層碾壓導(dǎo)致矸石空隙率較大，矸石山具備良好的供氧條件。在供氧充足的區(qū)域，煤矸石中黃鐵礦發(fā)生如下反應(yīng)，并產(chǎn)生SO2氣體

供氧不足區(qū)域，煤矸石中黃鐵礦發(fā)生如下發(fā)應(yīng)，并產(chǎn)生硫磺

當(dāng)有水分參與反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生硫酸，進(jìn)一步加劇氧化反應(yīng)

以上反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量聚集在矸石堆內(nèi)不易擴(kuò)散，最終導(dǎo)致矸石自燃。

1.2.2 水分的影響

該煤礦所在地區(qū)年降雨量較為充沛，矸石山順坡堆積，降雨及地表徑流直接滲入矸石堆內(nèi)部，加劇了矸石的氧化反應(yīng)。而在一定的含水量范圍內(nèi)，煤的著火溫度隨水分含量的增加而逐步降低(圖4)，從而使煤矸石更易自燃。

圖4 水分與矸石的自燃溫度關(guān)系示意Fig.4 Relationship between moisture and spontaneous combustion temperature of gangue

1.2.3 粒徑的影響

該煤礦煤矸石的堆積方法導(dǎo)致大粒度的矸石順坡而下，在下部坡面堆積形成空隙較為疏松的矸石平臺(tái)。而粒度較小的矸石在坡體中上部停留，形成空隙較小、較為致密的矸石平臺(tái)。當(dāng)矸石空隙較小時(shí)，氧氣難以進(jìn)入煤矸石山的深部，僅在矸石堆表面就被消耗掉了，不易形成自燃。反之，氧氣可達(dá)矸石山深部，易形成中心火區(qū)。

2 治理方案選擇

2.1 注漿滅火+邊坡防護(hù)綜合治理

針對(duì)該礦矸石山火災(zāi)隱患現(xiàn)狀，采用注漿滅火+邊坡防護(hù)綜合治理方案。首先用注漿法對(duì)矸石山進(jìn)行滅火，然后對(duì)矸石山邊坡進(jìn)行邊坡防護(hù)。

注漿法是目前國(guó)內(nèi)外都廣泛采用的滅火技術(shù)。工藝工程為先將滅火材料制成一定濃度的漿液，再在火區(qū)布設(shè)一系列鉆孔，用注漿泵將漿液注入矸石山內(nèi)部。漿液對(duì)矸石山火區(qū)進(jìn)行降溫，并充填于矸石間隙，阻斷氧氣，達(dá)到滅火的目的。

該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是可以使矸石迅速降溫，同時(shí)也有較好的隔氧效果，治理效果明顯，復(fù)燃可能性較低。但同時(shí)存在矸石山注漿鉆孔施工環(huán)境惡劣、施工條件較差的問題。

2.2 表面封閉法

該方法一般是在矸石山表層覆蓋黃土等惰性物質(zhì)，來隔絕空氣防止自燃。該礦矸石山發(fā)生自燃隱患早期時(shí)，已采用此方法對(duì)矸石山進(jìn)行治理，但矸石山一次性堆積高度較大，最大約81 m，坡度35°～45°左右，存在坡面覆土難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)厚度，且難以壓實(shí)，伴隨著雨水的沖刷作用及坡面滑落情況發(fā)生，供氧通道重新形成，矸石山矸石復(fù)燃。

2.3 露天剝挖治理

露天剝挖治理，即對(duì)矸石山內(nèi)部火源及著火點(diǎn)進(jìn)行挖除，是一種直接且相當(dāng)有效的辦法。在確定燃燒范圍后，挖出著火矸石，使其自然冷卻。當(dāng)著火范圍不大、火源深度較淺時(shí)采用此方法最有效。但該礦矸石山火區(qū)面積大、火源深度較深，采用此法挖方量巨大，且開挖過程中有毒有害氣體大量釋放，火區(qū)高溫威脅施工安全，加之邊坡較陡，不利于施工安全。

通過以上3種方案比選，注漿滅火+邊坡防護(hù)綜合治理方案具有較大的優(yōu)越性，只要做好注漿鉆孔施工安全管理，則治理效果徹底且風(fēng)險(xiǎn)小，最終的邊坡防護(hù)既增加了坡體穩(wěn)定性，又可在后續(xù)進(jìn)行邊坡覆土綠植，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，符合綠色礦山建設(shè)理念。因此采用第1種治理方案。

3 治理工程設(shè)計(jì)

3.1 治理范圍

一期進(jìn)行注漿滅火工程，鉆孔布設(shè)于劃定治理區(qū)范圍各平臺(tái)頂面之上，其中一平臺(tái)4 203 m2，二平臺(tái)4 070 m2，三平臺(tái)下部9 768 m2，三平臺(tái)上部16 341 m2。共計(jì)面積約34 382 m2。

3.2 鉆孔布設(shè)

依據(jù)矸石山各平臺(tái)矸石厚度探查結(jié)果及各平臺(tái)面積，最終確定各平臺(tái)鉆孔布置，注漿滅火工程鉆孔布置如圖5所示。

圖5 注漿滅火工程鉆孔布置Fig.5 Drilling arrangement of grouting for fire extinguishing works

一平臺(tái)自燃區(qū)面積4 203 m2，布設(shè)鉆孔26個(gè)(24個(gè)注漿孔+2個(gè)監(jiān)測(cè)孔)，單孔平均深10 m，鉆孔孔徑φ133 mm，工程量共計(jì)260 m。

二平臺(tái)自燃區(qū)面積4 070 m2，布設(shè)鉆孔26個(gè)(24個(gè)注漿孔+2個(gè)監(jiān)測(cè)孔)，單孔平均深20 m，鉆孔孔徑φ133 mm，工程量共計(jì)520 m。

三平臺(tái)自燃區(qū)面積26 109 m2，布設(shè)鉆孔171個(gè)(167個(gè)注漿孔+4個(gè)監(jiān)測(cè)孔)，單孔平均深30 m，鉆孔孔徑φ133 mm，工程量共計(jì)5 130 m。

3.3 注漿材料

根據(jù)以往矸石山滅火治理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及就地取材原則，滅火漿液為石灰泥漿，滅火材料主要有水、黃土、石灰等。漿液水固比為2∶1～1.5∶1，泥漿密度為1.25～1.35 t/m3。

3.4 滅火流程

作業(yè)流程(圖6)為物化探測(cè)→平整場(chǎng)地→鉆孔測(cè)量定位→鉆孔施工→下放花管→注漿→滅火效果檢測(cè)。

圖6 滅火工程施工流程Fig.6 Construction process of fire extinguishing project

3.5 滅火效果監(jiān)測(cè)

滅火過程中和滅火工程結(jié)束后1 a需要滅火效果監(jiān)(檢)測(cè)。滅火過程中在高溫區(qū)中間選擇1條米測(cè)溫測(cè)線，每5 d測(cè)量一次，觀察其變化，測(cè)量方法同米測(cè)溫法。對(duì)施工的每個(gè)鉆孔在終孔時(shí)和注漿前進(jìn)行2次檢測(cè)，內(nèi)容包括孔口溫度及CO、H2S、CO2、O2等氣體含量。對(duì)留設(shè)的觀察孔施工過程中，每5天進(jìn)行一次檢測(cè)，施工結(jié)束后6個(gè)月內(nèi)10 d進(jìn)行一次，內(nèi)容包括孔底、孔口溫度及CO、CO2、H2S、O2等氣體含量。滅火工程結(jié)束后1 a，進(jìn)行火區(qū)復(fù)測(cè)，仍然采用直感測(cè)溫法，分析是否存在火情。

3.6 邊坡防護(hù)

矸石山坡面設(shè)計(jì)形成七級(jí)平臺(tái)，邊坡采用坡比1∶1.6進(jìn)行放坡，考慮到方便后期矸石山服務(wù)年限到期后綠化養(yǎng)護(hù)，各平臺(tái)寬為10 m。臺(tái)階式坡面整治完成后，在坡面及平臺(tái)覆土70 cm分層夯實(shí)，每次夯實(shí)厚度不超過30 cm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.93。

各級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)及坡底設(shè)置一排尺寸為0.5 m×0.5 m的C30砼排水溝，排水溝底部鋪設(shè)厚度為0.3 m的夯實(shí)黏土；并在坡面設(shè)置多排寬度為0.5 m截水溝，相鄰截水溝的間距為40 m。

4 預(yù)期效果

(1)矸石山火災(zāi)隱患被徹底消除，矸石山冒煙、有毒有害氣體排放等污染環(huán)境的問題從根本上得到解決，礦區(qū)環(huán)境日益好轉(zhuǎn)。

(2)對(duì)滅火后的矸石山進(jìn)行邊坡防護(hù)，在增加坡體穩(wěn)定性的同時(shí)，采用覆土綠化，邊坡綠植，形成綠色、環(huán)保的礦區(qū)環(huán)境，為綠色礦山建設(shè)的實(shí)施提供保障。

5 結(jié)論

(1)該煤礦矸石山自燃主要原因?yàn)椴缓侠淼亩逊?，形成的矸石堆具有較大空隙，使矸石堆充氧條件較好；區(qū)內(nèi)降雨滲入矸石堆，既加劇了矸石中黃鐵礦的氧化，又降低了矸石著火點(diǎn)，使矸石更容易自燃。

(2)高精度磁法是煤礦矸石山滅火工程一種有效的勘察手段，對(duì)于探查矸石山溫度異常區(qū)，確定火區(qū)有重要的幫助。

(3)注漿滅火+邊坡防護(hù)綜合治理方案治理效果徹底，最終的邊坡防護(hù)既增加了坡體穩(wěn)定性，又可在后續(xù)進(jìn)行邊坡覆土綠植，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，符合綠色礦山建設(shè)理念。

(4)煤礦矸石山滅火工程的實(shí)施能從根本上消除火區(qū)險(xiǎn)情，保護(hù)礦區(qū)環(huán)境及人民群眾健康。