粉煤灰灌漿技術在煤矸石自燃治理中運用分析

盧 璐

（山西交控生態(tài)環(huán)境股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在我國采煤行業(yè)中，向外運輸的煤矸石可能會隨著時間累積在采煤場附近堆積成煤矸石山，導致其內部熱量無法得到有效擴散，存在于煤矸石山表面和內部縫隙的氧氣會在此種環(huán)境在加快對煤矸石的氧化，從而導致自燃現象的發(fā)生。煤矸石在自燃過程中所釋放的氣體具有嚴重污染性質，會對當地周圍空氣造成污染。因此對該問題的研究對現實生活具有重要意義。

1 煤矸石自燃原因分析

煤矸石是在煤炭開采與清洗過程中產生的，一種堅硬度較高的灰黑色固體物質，由于目前我國絕大多數情況下均采用機械化的工藝和手段進行煤炭開采，因此在長時期運作過程中難免會有大量煤矸石堆積到開采地周圍，不僅污染了周邊環(huán)境，還帶來了極大的安全隱患。

造成煤矸石自燃的原因有很多，其中最常見的就是其內部自身所含元素的影響。具體來說，煤矸石內部的可燃物質含量較多，比如不完全開采導致的殘余煤渣、硫鐵礦等，此外還包括一定量的煤矸聯合體。其中，各種含有硫元素的物質是引發(fā)煤矸石自燃的最重要原因，以單質硫和硫體礦為主的可燃物在長時間累積下提升了自然發(fā)生概率。

此外，除了各種可燃物質之外，若煤矸石內部的低溫氧化物、熱量物質含量較多，也可能引發(fā)自燃現象的產生。不僅如此，氧氣流通通道也會為自燃現象的發(fā)生提供一個機會，再加上表現形式為-SH、-S-S-的有機硫本身就具有較高的可燃性，因此在多種因素的共同作用下，煤矸石殘余煤基分子可能會出現異常溫度波動，導致自燃現象的發(fā)生[1]。

2 煤矸石自燃治理工作中粉煤灰灌漿技術的具體應用分析

2.1 粉煤灰灌漿技術的使用前準備

2.1.1 具體治理方法的確定

就目前粉煤灰灌漿技術在煤矸石自燃治理工作中的實際使用情況來看，除了可以采用灌注漿體的方法以外，該技術還能支撐起剝離火源和封堵縫隙兩大治理方法。通常情況下急需進行治理的煤矸石火山都認識在服務期之內的，因此該區(qū)域內的人員流動較多，若采用封堵縫隙的治理方法則會阻礙相關人員對煤矸石的搬入或搬出工作，導致防火和滅火作業(yè)的失??；此外，剝離火源的自燃治理方式有應用條件限制，比如該方法不適用于煤業(yè)新的煤矸石場地或是覆蓋面積較大的煤矸石山。因此，對于煤矸石自燃治理來說，在粉煤灰灌漿技術的支撐下，目前更容易被相關從業(yè)者所接受的治理方式仍為灌注漿體法，該方法也被稱為注漿滅火法。

為了能在盡可能短的時間里降低目標區(qū)域內煤矸石的自由溫度，在實現氧氣隔絕和疏漏封堵的同時，達到良好的治理效果，通常會采用粉煤灰、黃泥等作為灌注材料，必要時還可使用膠凝劑加以補助。由于粉煤灰的主要成分為CaO，且CaO 能夠與水發(fā)生反應變?yōu)镃a（OH）2，然后進一步與自燃中的煤矸石所生成的氣體進行化學反應，從而形成一個有效的氧氣隔絕層，達到對煤矸石自燃問題的有效治理[2]。

灰水質量比為1∶1 或1∶2 的粉煤灰漿液都屬于高濃度灌漿材料，在膠凝劑的配合下，這種含有較高濃度的灌漿材料能夠增強對自燃煤矸石的整體治理效果。首先，應先通過原有管道將此次所使用的粉煤灰漿液安全運輸到目標煤矸石區(qū)域內，然后再使用同種方法完成對膠凝劑的安全運輸。這樣一來，粉煤灰漿液和膠凝劑就會在一段時間過后形成一種含有大量粉煤灰的復合膠體，其自身功能性也會得到大大增強，在達到對煤矸石山前處裂縫封堵要求的同時，盡可能減少或避免煙囪效應的出現。

2.1.2 相關系統(tǒng)設備的合理選擇

目前常見于煤矸石自燃治理的系統(tǒng)設備有型號為ZMJ-15 的井下移動式自燃治理系統(tǒng)設備、型號為MYZ-30 的地面移動式自燃治理系統(tǒng)設備和型號為MDZ-60 的地面固定式自燃治理系統(tǒng)設備。

這三者的優(yōu)缺點分別為：對于井下移動式自燃治理設備，其在正常投入使用過程中所消耗的成本較少，且系統(tǒng)設備本身的占地空間較小，防火滅火速度快且效果較好，但對于所用高濃度粉煤灰灌漿材料的需求量較大，運輸工作較為復雜；地面移動式自燃治理系統(tǒng)設備不需要治理人員對其進行固定操作，因此可以滿足不同環(huán)境下的煤矸石自燃治理需求，且在一些特殊條件下，還能滿足對灌漿站位置的靈活選擇與移動，該系統(tǒng)設備與井下移動式自燃治理設備的缺點一樣，對高濃度粉煤灰灌漿材料的需求量較大，因此在運輸工作上會消耗一定的時間。除此之外，地面移動式自燃治理設備在灌漿位置的選擇與確定上有特殊要求，會在一定程度上影響最終呈現結果；而地面固定式自燃治理系統(tǒng)設備的系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且能夠在不依靠過多人力的情況下實現一次性灌注大量注漿材料。此外，該系統(tǒng)設備對所用灌漿材料的運輸需求較小，可控范圍較大。但其缺點較多，一是運行和維護成本較高，二是具有較高的技術性要求，對操控水平也有著特殊標準要求，三是運輸高濃度灌漿材料的管道要足夠長，這也是成本提升的一個體現[3]。

以型號為MDZ-60 的地面固定式自燃治理系統(tǒng)設備的實際運行為例，該系統(tǒng)設備在煤矸石自燃治理工作中的實際運用流程為：先將緩沖池分別與濾漿機、渣濾泵相連，緩沖池內的物質在經過處理后通過濾漿機傳輸到注漿膠體制備機當中，然后在通過皮帶傳輸機和定量送料機將所用高濃度粉煤灰灌漿材料運輸土場當中。為了保證灌漿材料中不含或少含雜質，還應將清水灌注到清水泵中，并與膠體制備機相連，此外在運輸過程中還需要借助以推土機、裝載機和汽車等為主的大型機械設備。而在渣漿泵這一端，是使用的設備為采礦行業(yè)專用的煤礦用注漿機，并利用該注漿機實現對灌漿注膠地點的灌漿工作。

2.2 對于軌道附近的火山治理

對于運矸軌道附近所堆積的煤矸石山燃燒來說，首先要根據燃燒程度和煤矸石山的占地面積大小來鋪設相應的灌漿管道。除了要保證灌漿管道的位置具有較高精確度和準確性以外，還要保證該灌漿管道能夠沿著地面一直持續(xù)鋪設到目標煤矸石山山頂處。其次，應盡快制作好自燃治理工作所需的灌注鉆孔，這一工作所采用的主要工具為鋼管，具體操作方法就是在實際勘查現場和參數計算的基礎上確定鉆孔位置，然后將事先預備好的鋼管插入目標煤矸石山的相應位置內，插入深度大約維持在1～2 m 之間。最后，在將凝膠劑灌入到灌注鉆孔中時，應先將高濃度粉煤灰材料與凝膠劑進行混合，先使二者生成相應的膠體物體，然后再采用自下而上的方法將該膠體物質填充到煤矸石的淺層縫隙中去。

對于軌道附近的火山處理來說，整個工作有三方面的注意事項：在滅火工作中，首先要對燃燒區(qū)域的邊緣位置進行處理，并盡可能地降低煤矸石邊緣位置的溫度，然后在逐步對上層區(qū)域燃燒的煤矸石區(qū)域進行治理；要根據實際情況對所用粉煤灰的濃度和凝膠劑的劑量進行把控，杜絕治理失敗或爆炸現象的發(fā)生；在必要時還可以向所用粉煤灰灌漿材料中加入適量的草籽，草籽的作用是對目標煤矸石進行綠化，減少其對周邊環(huán)境的污染。

2.3 對于距離運矸軌道較遠的燃燒區(qū)域治理

對于距離運矸軌道較遠的燃燒區(qū)域來說，首先人是要確定注漿管道的位置，為了在保質保量完成滅火處理任務的同時，為操作人員和治理人員的人身安全提供保障和支撐，應盡可能將注漿管道的位置選擇在地勢較為平緩的區(qū)域內，且還要在注漿管道上找尋適當的位置，將金屬梯固定在該位置上。這樣一來，即便是在實際治理過程中發(fā)生了再次自燃或爆炸事故，工作人員也能夠在第一時間利用安全梯撤離此區(qū)域，為其通行提供了方便。通常情況下，在對距離運矸軌道較遠的燃燒區(qū)域進行滅火處理時，相應的注漿管道一次安裝長度大約在5 m 左右，且該管道向起火煤矸石山的延伸方式為間斷性延伸[4]。

與在軌道附近的火山燃燒治理不同，此種環(huán)境下的治理工作展開較為復雜，且實施難度較大，因此通常情況下為了能夠保證灌漿管道能夠在維持長時間穩(wěn)定運行狀態(tài)，還應對其加裝灌漿套管。灌漿套管保護作用在此處的體現為：能夠抑制火勢的繼續(xù)蔓延和擴張，同時還能在一定程度上降低煤矸石山發(fā)生爆炸的可能性，一般作用于燃燒程度較高的煤矸石中。另外，為了保證灌漿操作的連續(xù)性，管道與管道之間還應做好相應的連接處理。在延伸過程中，首先要對原有管道在現階段的溫度情況進行有效測量，其中最主要的是明確10 m 范圍內的溫度數值大小，并在此基礎上完成灌漿管道向目標煤矸石內部的延伸工作。

其他的注意事項和操作方法均與對軌道附近的火山滅火治理完全相同，但由于此項工作的操作危險系數較高，為了能夠從極大程度上保證人身安全，在對灌漿管道進行鋪設作業(yè)時，還應在一定范圍之內拉好警戒線，并派專人定期在治理區(qū)域內進行巡邏走訪，杜絕一切可能會對治理工作造成干擾的行為，比如非工作人員隨意進出工作現場、在未經允許下私自靠近煤矸石自燃區(qū)域等。與此同時，還應先對通行通道等重要部位的火源進行加急處理，盡最大可能保護人員安全，然后再對煤矸石山其他著火區(qū)域進行滅火治理。

2.4 與其他技術的融合運用

1）若單獨使用粉煤灰灌漿技術展開治理工作，治理人員能夠提前采集到此項工作中所需的各種基礎性尺寸，包括發(fā)生自燃問題煤矸石山的直徑、邊緣自燃點與著火中心的距離等，此外還包括一些其他預期信息和尺寸信息。

2）粉煤灰灌漿技術能夠與自動割煤技術進行有效融合，從而使所作用煤層的采高數值能夠準確展現出來。此外，為了確保數值精確性，在設定采煤機采高的區(qū)間范圍，即采高最大值和最小值時，還應根據其內部滾筒位置的實際高度來確定，盡可能避免滾筒位置不當。另外，在自動化割煤機的運行過程中有時會發(fā)生設備自動運行故障，這是因為其內部滾筒超出了預設范圍值，正常的位置限定應保證滾筒的上下邊緣均在采煤機預設位置范圍之內[5]。

3）粉煤灰灌漿技術與SIPSA 參數調查技術的有效融合能夠加強自動割煤技術的實際應用功能。這一目標的實現主要是對自動采煤機在各個階段和各個部分的位置確定，最主要的是其內部支架以及暫?；蛲Ｖ惯\行時的位置。

4）粉煤灰灌漿技術作用的完全發(fā)揮還離不開傳感器的支撐。具體來說，傳感器能夠對目標自動采煤機在實際運作過程中所產生的各類數據信息進行調查研究，比如階段性變化規(guī)律、工作面波動情況等，然后在對其進行分析的基礎上調整原有補償數值和高度值，并以此實現對自動采煤機的有效補償，增強粉煤灰灌漿技術的精確性和可靠性。

3 結語

目前粉煤灰灌漿技術在煤矸石自燃治理中的應用已經取得了不錯的成效，但還存在一定的上升空間。為此，相關治理人員應盡快轉變自身傳統(tǒng)觀念，加深對粉煤灰灌漿技術的認識和了解，明確該技術的應用原理和實際操作方法，并站在全局視角下重新審視整個自燃治理工作。這樣才能有效提升煤矸石自燃治理的能力和水平，為我國煤炭行業(yè)的發(fā)展贏得更多經濟效益、社會效益和生態(tài)效益。