刘建明, 李 棚

(山西华冶勘测工程技术有限公司,太原 030002)

煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的排弃物,一般煤矸石综合排放量占原煤产量的15%～20%,煤矸石的长期堆放不仅占地,而且其自燃时产生的大量CO、H2S、SO2等有害气体,对周围的生态环境造成严重污染,对人们身体健康产生极大地危害,雨水季节时,矸石中的有害成分会在雨水流经矸石山时随其一并渗透到地下,污染了当地的水环境和土壤环境，不仅直接影响到当地居民的生活环境及正常生活,而且严重影响了当地社会的投资环境及经济发展。如何高效快捷治理矸石山的自燃,同时防止灭火不彻底矸石山复燃情况的发生,要求治理者必须根据矸石山的特性选择最适当的灭火技术和最快捷适用的施工工艺[1-2]。

1 煤矸石自燃的危害

山西某煤矿在长年累月的生产过程中产生大量的煤矸石,占地面积约38 000 m2,堆放量约340 000 m3。经多年的倾倒堆放后,此处矸石山已产生了自燃,堆放场地浓烟密布,并伴随着大量刺激性有毒气体的产生,导致周围经常有家畜和野生动植物中毒死亡的情况发生。对当地的生态环境和居民的正常生活产生了极大的危害。

2 矸石的矿物成分特征

1)煤矸石的特性。煤矸石是由多种岩石组成的混合物,主要成分有炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等。砂岩类煤矸石质地坚硬,结构较为致密,呈灰黑色,泥岩类煤矸石性脆,呈黑灰色,结构较疏松。该区域煤矸石主要以泥岩和砂岩为主,矸石主要矿物成分为石英、长石、岩屑、黄铁矿等碎屑矿物,还夹杂有植物根茎化石和菱铁矿结核。

2)煤矸石的化学组成成分。煤矸石的化学成分随其地层岩石的种类和矿物组成不同而变化,是由无机质和少量有机质组成的混合物,煤矸石的主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO及少量FeS2等,因为该矿煤矸石的化学成分主要以SiO2、Al2O3为主,使得煤矸石的活性很高,加之S元素的存在,加剧了煤矸石的自燃。

3 矸石的自燃原因分析

1)矸石内含有自燃物黄铁矿(FeS2),硫铁矿氧化理论认为煤矸石中的硫铁矿在与空气中的 O2接触后,会因为FeS2的本身化学特点,从而产生氧化还原反应,同时释放出大量的热量,热量在矸石山内部不易散失,逐渐在累矸石山的内部聚集,从而使矸石山的内部温度越来越高,在温度上升至煤矸石中煤和可燃性有机物的燃点后,就会导致整个煤矸石山发生自燃。

2)矸石中含有一定量的煤,煤氧复合自燃学说认为煤(尤其是镜煤和丝炭)经风吹雨淋会慢慢产生氧化反应,随着氧含量增加,多孔的煤炭表面与氧分子在物理吸附和化学吸附共同作用下产生大量的热,当散热条件不良的情况下,热量会逐渐聚集,使矸石的温度不断地升高,在温度达到煤的燃点后,煤就会发生自燃,整个煤矸石山也会随之而发生自燃。

3)此矿煤矸石的堆放采用传统自上而下的自卸式倾倒,矸石体松散,间隙较大,煤矸石在堆放过程中会发生粒度偏析,形成空气通道,容易进入氧气,形成“烟囱效应”,经过氧化反应产生的热量,一部分顺着矸石之间的空隙随空气散出,但还有一大部分会继续留存在矸石山中,日积月累给矸石山自燃提供了充分的自燃条件,加剧了情况的恶化。

4)该矿矸石经二次筛选后80%的矸石颗粒直径为3 mm～20 mm,粒径小,堆放松散,与空气接触面大,反应的活性高,发热量也大,加之矸石的堆放时,孔隙率较小,使得反应时产生的热量难以散去,热量聚集,温度越来越高,增加了煤矸石山自燃的可能性[3-4]。

4 矸石自燃的治理

4.1 灭火方法

煤矸石山长期自燃的存在时刻危害着周边的生态环境和当地居民的正常生活。针对此种情况,在对煤矸石山自燃治理的过程中我们就必须的采取一定的有效手段与方法进行灭火。经过多年的研究和工程实践,目前国内外常见的煤矸石山灭火方法主要有覆盖法、挖除法、注浆法、注浆密闭和泡沫灭火法、控制燃烧法和低温惰性气体法等。

注浆灭火法,因其治理效果理想,经济投入相对适宜,成为目前国内外最为广泛采用的灭火方法,在国内很多煤矿矸石山灭火的工程实践过程中都取得了良好效果。综合考虑此矸石山的自燃情况和彻底灭火的目标,本次灭火治理采用注浆灭火法。

注浆法灭火主要是通过浆液中的水对矸石进行降温和在矸石体上形成包裹体隔绝空气来达到治理的目的,治理过程为:首先根据治理区域的面积布置相对数量的钻孔,其次根据矸石山特点,选择相适应的灭火材料按一定比例调制成灭火浆液,最后用注浆泵将灭火浆液注入到自燃矸石山内部。在灭火浆液流经矸石内部时,浆液中的水分遇到高温矸石会急剧的气化蒸发,矸石内部大部分热量会随着水蒸气被带走,矸石的温度就会迅速下降,同时浆液中的固体材料还会在与矸石接触后将矸石包裹住,也会在矸石间的空隙中起到填充的作用,从而将矸石体与空气有效的隔绝开来,起到了隔绝封闭氧气的作用。如果是碱性灭火浆液,还可以将煤矸石燃烧产生的 SO2,H2S等酸性气体进行有效吸收,从而大大减少污染物的排放量,起到保护环境的作用,同时矸石山的内部环境由酸性环境转换为碱性环境,从而大大减小了矸石山的复燃可能性。由此可见注浆灭火是治理煤矸石自燃非常高效、快捷的方法。

4.2 灭火材料的选择

灭火浆液要有良好的流动性和保水性,煤矸石山发生自燃后,矸石体会变的非常干燥和酥松,从而导致矸石体的孔隙率和渗透率也随之变大,合适的流动性能保证浆液能渗透到设计钻孔的影响范围,形成良好的包裹体,避免浆液的大量的流失,造成材料浪费,让钻孔内形成柱状体,确保注浆材料将矸石体充分包裹,同时为了避免浆液中的水分在遇到高温矸石后快速蒸发,使浆液失去流动性,造成浆液的流经范围大打折扣,所以良好的保水性也是注浆材料必须要有的。常用注浆材料有黄土注浆、石灰水注浆,黄土、石灰、粉煤灰,凝胶类材料、泡沫灭火材料、高分子灭火材料等按一定的比例混合加水进行注浆。

本次注浆灭火浆液主要材料有膨润土、粉煤灰、生石灰等。水固比3:1,粉煤灰、膨润土、生石灰比例3:1:1。在实际注浆过程中根据浆液易流失,不易形成柱状体的现状,及时将更改水固比,根据现场注浆情况适当增加膨润土所占比例,添加一定的外加剂,从而解决了前期浆液易流失,不易形成柱状体的问题,使得浆液满足失流和硬化的时间,同时因为有碱性材料(粉煤灰、生石灰)的加入,使得矸石山内部环境由酸性改变成碱性,有效的防止了矸石山的复燃。

4.3 矸石山钻进成孔问题研究

矸石山岩体松散破碎,发生自燃后,在自燃产生的高温作用下,矸石变的异常干燥、松散,使情况更加严重,因而在成孔钻进过程中极易发生卡钻、堵孔、塌孔等问题,造成钻孔的成孔率十分低。如果无法有效成孔的话,浆液将无法有效地注入矸石山内部,导致注浆灭火的不成功。因而解决钻孔成孔率低成为矸石山注浆灭火工作的一个主要难题。

4.4 钻孔成孔率问题的解决方法

针对钻孔成孔率低的问题,在此次注浆灭火治理项目进行了对比试验,设计钻进深度约20 m,注浆孔343个。

1)单管单动钻进法

钻进型号:GK-200，钻头:89 mm，套管:127 mm。

套管跟进采用锤击法,因钻头直径小于套管直径,易出现卡钻、套管冒落(矸石燃烧灰分较多)、塌孔及套管跟不下去的现象,严重影响钻进速度,平均每天成一个孔。套管跟不下去钻进无法进行会导致钻孔报废,造成钻孔成本的大幅度增加。

预计工期:6台钻机,工期70 d。

2)双管双动钻进法

钻进型号:MGL-150S，钻头:外管140 mm、内管60 mm，套管:外管133 mm、内管50 mm。

外管、内管同时钻进,不会发生卡钻、冒落、塌孔及套管跟不进去现象,大大加快了成孔的速度,平均一天能成七个孔,大大的节约了治理的成本。

实际工期:2台钻机,工期30 d。

5 治理效果检测

灭火之前应在治理区设置测温孔,在治理前和治理后,对矸石山内部温度进行监测,实时掌握治理的情况。在注浆刚结束时,高温区注浆孔温度从原先的630 ℃～960 ℃降到了260 ℃～320 ℃,随着时间的推后,高温区温度逐渐下降直至全部降至40 ℃以下,这充分说明了只要在浆液能够渗透到的范围内,降温的效果是非常明显的,同时在治理范围内已不再有浓烟产生的现象,空气也变得清新不再有刺激性,矸石山也没有再发生复燃的迹象。这些现象都说明了矸石山注浆法灭火取得了良好的效果,达到了矸石山灭火的预期目标。

6 结束语

在矸石山灭火施工过程中,通过现场施工工艺的前后对比,解决了钻孔成孔率低这一影响矸石山灭火效果的主要原因,同时也加快了成孔的速度,改变注浆浆液的原材,保证包裹体的形成,隔绝矸石体与空气的接触,达到了灭火的效果节约了原材。采用双管双动的钻进方式为施工过程提供了有效保障,确保了灭火浆液的顺利和充分注入,有效的碱性浆液配比充分地吸收了矸石山深部热量,从而高效快捷地对矸石山进行灭火,也有效避免矸石山灭火后的复燃。

[1] 陈永峰.煤矿自燃火灾防治[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2] 张振文,宋志,李阿红.煤矿矸石山自燃机理及影响因素分析[J].黑龙江科技学院学报,2001,11(2):12-14. ZHANG Zhenwen,SONG Zhi,LI Ahong.Analysis of Gangue Hill Spontaneous Combustion and Its Affecting Factors[J].Journal of Heilongjiang InstituteI of Science& Technology,2001,11(2):12-14.

[3] 王恩.煤矸石山深孔注浆灭火的研究[J].洁净煤技术,2011,17(6):86-88. WANG En.Research on Extinguishing Fire on Coal Gangue by Deep-hole Grouting[J].Clean Coal Technology, 2011,17(6):86-88.

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