注漿在矸石山降溫中的應(yīng)用

楊銳

（山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

矸石山作為煤礦的附產(chǎn)物，多年來一直是困擾企業(yè)及周圍居民的難題，尤其近年來隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度越來越高，矸石山的綜合治理就重新被放在了工礦企業(yè)環(huán)保項(xiàng)目的首位。矸石在堆放過程中由于其中的可燃組分緩慢氧化，在適當(dāng)?shù)臏囟群脱鯕鉂舛鹊臈l件下就會(huì)發(fā)生自燃[1]。多年來矸石山的降溫、復(fù)燃都是矸石山綠化治理的難點(diǎn)。

結(jié)合多年來對(duì)煤矸石治理經(jīng)驗(yàn)，本地矸石山多采用覆土碾壓配合局部注漿充填煤矸石空隙，漿液包裹矸石體隔絕氧氣，修筑配水系統(tǒng)，植樹種草綜合治理的方法，達(dá)到降溫并改善環(huán)境的目的[2]。本文對(duì)注漿處理部分作簡要分析評(píng)價(jià)。

1 注漿

注漿作為一種地基處理方式，多適用于建筑地基的局部加固處理，適用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等的地基加固。加固材料可選用水泥漿液、硅化漿液和堿液等固化劑。注漿法也可用于不穩(wěn)定或相對(duì)穩(wěn)定的采空塌陷區(qū)治理，治理的漿液多選用具有大顆粒骨架的型漿液。

注漿用于矸石山降溫已經(jīng)有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要作用有兩個(gè)方面：一是漿液噴灑入矸石層，降低矸石表面溫度，達(dá)到降溫的作用；二是漿液可填充矸石間的空隙，減少空隙間空氣流通的通道，并且具有粘性的漿液在矸石表層可形成薄層膜體包裹矸石，阻斷矸石與空氣的接觸，從而達(dá)到降溫的目的。所以注漿降溫在矸石山治理中為比較常見的方式，但根據(jù)地域不同、矸石成分的不同，采用的注漿方式及材料也有所區(qū)別。

2 實(shí)例分析一

2.1 矸石山概況

本矸石山位于平定縣冶西鎮(zhèn)東莊村西南，為仍在排放中的矸石山?，F(xiàn)已按照原始的矸石山排放規(guī)劃方案，形成了六級(jí)坡體及平臺(tái)馬道。2019年4月，該矸石山2～5馬道及坡面出現(xiàn)著火跡象，地表溫度升高，表層植被枯死，有刺鼻氣體溢出，部分原始覆土區(qū)域出現(xiàn)泛白或泛黃現(xiàn)象。

2019年4月開始，對(duì)此矸石山進(jìn)行降溫處理。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)采用人工測(cè)繪、調(diào)查與鉆機(jī)鉆探測(cè)溫相結(jié)合的方式進(jìn)行。

人工測(cè)繪、調(diào)查：工程師現(xiàn)場(chǎng)踏勘，劃分出地?zé)釁^(qū)域與非地?zé)釁^(qū)域，確定著火邊界線大致范圍。

踏勘：使用熱電偶及熱成像儀等設(shè)備，對(duì)擬治理矸石山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和調(diào)查，結(jié)合地表溫度變化、表層矸石自燃情況和植被生長情況，初步圈定火區(qū)或可能成為火區(qū)的范圍。

鉆機(jī)鉆探：在已確定的現(xiàn)場(chǎng)著火區(qū)域內(nèi)進(jìn)行間距50m的鉆探，鉆探深度8m，下放測(cè)溫儀器進(jìn)行溫度勘測(cè)。從著火區(qū)域邊界線向外以50m間距擴(kuò)散，并進(jìn)行溫度勘測(cè)，直至溫度勘測(cè)小于70℃為止。

內(nèi)業(yè)：根據(jù)先期測(cè)繪圖及后期鉆探的測(cè)溫資料，對(duì)矸石山火區(qū)圖進(jìn)行修正及劃分，最終形成精確的火區(qū)等溫線分布圖。

根據(jù)《煤矸石堆場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范》（DB14/T 1755—2018）區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)：防控區(qū)-溫度＜70℃的區(qū)域；臨界區(qū)-70℃≤溫度＜90℃的區(qū)域；蓄熱區(qū)-90℃≤溫度＜230℃；發(fā)火區(qū)-溫度≥230℃的區(qū)域[3]，溫區(qū)分布如圖1所示。

圖1 溫區(qū)分布

本矸石山發(fā)火區(qū)表面積約26065m2，經(jīng)研究確定，對(duì)發(fā)火區(qū)域進(jìn)行注漿降溫治理。

2.3 注漿方案設(shè)計(jì)

區(qū)域劃分后將治理區(qū)域邊界設(shè)置帷幕孔，防止注漿漿液流出造成浪費(fèi)。

治理原則如下：結(jié)合本矸石山排放過程中進(jìn)行了分層碾壓且8m間鋪設(shè)了0.5m厚黃土層的特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將矸石山表層8m作為重點(diǎn)治理區(qū)域，形成相對(duì)穩(wěn)定的表層硬殼，阻斷內(nèi)部空氣，達(dá)到降溫效果。

注漿同時(shí)進(jìn)行漿后溫度監(jiān)測(cè)，孔內(nèi)溫度小于100℃，為達(dá)標(biāo)鉆孔，即可灌漿封閉。

注漿方案主要起到降溫、包裹作用，對(duì)空隙不需要進(jìn)行充分填充，所以采用0.15的孔隙比。矸石山放坡每級(jí)為8m，所以注漿厚度按8m計(jì)，每孔漿液量約計(jì)15m3。

式中：V——每孔漿液灌注量，L；n——擬加固土的天然空隙率；r——有效加固半徑，m。

得出設(shè)計(jì)有效加固半徑為2.12m，設(shè)計(jì)注漿孔中心距為4m，正三角形布置。帷幕孔中心距為2.0m，兩排交錯(cuò)布置。

馬道與平臺(tái)鉆孔，要求有效孔深為7.5m，鉆孔布置應(yīng)設(shè)置在坡頂線內(nèi)1.5m處，防止坡面漿液流失。

坡面鉆孔應(yīng)垂直于坡面施工，要求有效孔深3.5m，鉆孔中心距按照斜坡面距離計(jì)算。

鉆孔出現(xiàn)縮孔、塌孔影響鉆孔成型時(shí)，坡面鉆孔可采用打入式注漿管，進(jìn)行直接注漿；平臺(tái)與馬道鉆孔可達(dá)到設(shè)計(jì)深度后不起鉆，直接采用鉆孔注漿，待注漿完畢后再拔出鉆桿，對(duì)鉆孔進(jìn)行灌漿處理。

注漿標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓力3MPa，壓力灌入量小于50L/min，且持續(xù)時(shí)間超過15min；坡面有漿液滲漏或出現(xiàn)冒漿時(shí)可停止注漿。

2.4 注漿材料的選擇

我國廣泛使用的灌漿材料為黃泥漿液、石灰漿液及高分子降溫材料漿液等。早期使用較多的是黃泥漿液，此漿液的缺點(diǎn)是析水較多，泥漿容易脫水，對(duì)空隙填充效果較差。石灰漿，主要成分為熟石灰，可與矸石燃燒產(chǎn)生的有毒氣體發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)。

從而形成相對(duì)穩(wěn)定的固體物質(zhì)薄膜，達(dá)到封閉作用，且一定程度上減少了有毒氣體的排放，但石灰漿存在不能完全阻隔空氣的問題。

高分子的降溫材料的降溫效果好，例如徐州吉安研發(fā)使用的MAG-Ⅰ型復(fù)合膠體材料與黃泥漿的配合使用達(dá)到了很好的降溫效果，但高分子材料的造價(jià)較高，大面積注漿治理成本高。

粉煤灰作為黃土的替代物也是很好的選擇，但原狀的粉煤灰基本沒有粘聚力，對(duì)矸石的包裹程度較差。

結(jié)合本地區(qū)域特點(diǎn)，黃土資源稀缺，石灰及粉煤灰容易購買且價(jià)格較高分子材料低廉，為彌補(bǔ)石灰及粉煤灰漿液的不足，添加一定的水泥改善漿液的粘合效果。

漿液材料包括熟石灰、粉煤灰、水泥及清水。其中，熟石灰采用三級(jí)或三級(jí)以上新鮮消石灰。粉煤灰應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國家三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制燒失量不大于15%。水泥應(yīng)采用32.5級(jí)水泥，應(yīng)符合國標(biāo)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》和其他相關(guān)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。優(yōu)先選用礦渣水泥，其次是普通硅酸鹽水泥或其他類型的水泥。施工拌制用水應(yīng)符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》，其pH應(yīng)大于4。

固體物質(zhì)重量比為水泥∶熟石灰∶粉煤灰=1∶2∶7。

帷幕孔水固比為1:1.3，注漿孔水固比為1:1.2。

制備漿液要求采用二級(jí)攪拌進(jìn)行制漿，每次攪拌時(shí)間不小于10min。

2.5 注漿施工

根據(jù)發(fā)火區(qū)范圍和燃點(diǎn)位置，首先進(jìn)行帷幕孔的注漿。注漿孔注漿順序?yàn)樽葬∧豢紫騼?nèi)逐步推進(jìn)。

鉆孔孔徑為73～89，成孔后馬上進(jìn)行孔口管的澆筑，且孔口管出露于地面以上不小于0.5m。成孔的孔位偏差不得超過0.01m，傾斜偏差小于2°。

注漿前應(yīng)對(duì)孔內(nèi)先期壓水約1min，以確認(rèn)管道通暢。注漿應(yīng)自下而上，緩慢提升。注漿壓力不得過高，須要采用低壓、小泵量注漿，避免“氣爆”。每孔注漿不得一次性注滿，須分三次以上反復(fù)注漿。注漿完畢時(shí)，須要清水洗孔，并灌漿封閉處理。

注漿完成后應(yīng)對(duì)孔內(nèi)溫度及氣體進(jìn)行再次監(jiān)測(cè)，并做好記錄。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)24h仍高于230℃，則在原孔間隔2m處再鉆孔注漿，持續(xù)監(jiān)測(cè)，直至達(dá)到溫度達(dá)標(biāo)為止。

本工程經(jīng)過35d的施工，共完成馬道與平臺(tái)鉆孔684個(gè)，坡面鉆孔1198個(gè)，發(fā)生冒漿及坡面滲漏孔位53個(gè)。隨鉆孔完成溫度監(jiān)測(cè)1882孔位。一次注漿完成，鉆孔溫度不達(dá)標(biāo)孔位32個(gè)，對(duì)其周邊進(jìn)行重復(fù)注漿施工，鉆孔量為64個(gè)。

2.6 后期監(jiān)測(cè)

注漿及覆土開始后，隨即在矸山高溫區(qū)分散設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)孔，本次共設(shè)置監(jiān)測(cè)孔6個(gè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間約1個(gè)月，監(jiān)測(cè)頻率約每周一次，見表1。

表1 監(jiān)測(cè)孔測(cè)溫記錄

溫度監(jiān)測(cè)須在降溫治理完工后，持續(xù)進(jìn)行半年以上，以確保在矸山出現(xiàn)大面積復(fù)燃之前及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)成果顯示，該矸山已成功降溫，目前已無復(fù)燃跡象。

3 實(shí)例分析二

某矸石山位于山西省盂縣縣城南7.8km處的石坡峪村以北一處自然溝谷中，該矸石山于2020年7月發(fā)現(xiàn)自燃現(xiàn)象，相關(guān)管理部門隨即對(duì)矸石山進(jìn)行了降溫治理。治理方案同實(shí)例一，但該由于該矸石山原有覆土厚度較薄，矸石含硫量較高，導(dǎo)致該矸石山在注漿處理過程中，出現(xiàn)大面積反復(fù)升溫、高溫區(qū)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)注漿，高溫區(qū)溫度尚未降至理想值，但注漿量及水泥用量已提前達(dá)到預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)用量。

經(jīng)過大量工程實(shí)踐，我方與甲方及施工方溝通后，嘗試采用純粉煤灰漿注漿處理，具體方法如下。

水固比為1:1.2；注漿次序?yàn)橛赏庀騼?nèi)；在確保復(fù)注孔溫度降至常溫后再依次復(fù)注下一注漿孔；在停止注粉煤灰漿后若成片高溫區(qū)溫度再未升高，須向該區(qū)域再次注入適量水泥粉煤灰漿。

由于粉煤灰單價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥，復(fù)注成本較低，且在注入復(fù)燃孔水分迅速蒸發(fā)后，粉煤灰對(duì)矸石也有一定包裹性，故該方法對(duì)降溫處理及控制工程造價(jià)均有明顯積極作用。

4 結(jié)論及建議

（1）不同漿液的適用性，需考慮矸石山所在區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合矸石山性質(zhì)、成本效益等方面進(jìn)行多方面的綜合考量。

（2）本方案實(shí)施過程中，帷幕孔區(qū)域未發(fā)生漏漿等現(xiàn)象，因此判定帷幕孔阻隔效果良好，但在今后的注漿方案中，因根據(jù)實(shí)際情況對(duì)帷幕孔漿液配比進(jìn)行合理調(diào)配。

（3）注漿降溫在矸石山的治理中不是單獨(dú)存在的，必須結(jié)合面層的黃土封閉工程一同起作用，且先行對(duì)面層封閉覆土之后再行注漿可以大大提高降溫成功率，減少矸石山復(fù)燃的可能性，覆土厚度不低于0.5m[4]。

（4）后期監(jiān)測(cè)時(shí)長不宜低于半年，評(píng)率不宜低于每月一次。出現(xiàn)復(fù)燃跡象應(yīng)及時(shí)報(bào)告，避免復(fù)燃區(qū)迅速擴(kuò)大，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

（5）該工藝在陽煤集團(tuán)（現(xiàn)華陽集團(tuán)）二礦獅腦山矸石山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理示范工程等工程中得到成功應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[5]。