耿 正，姚兴柏，李小刚，丁小强

(陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安 710054)

某煤矿矸石场的煤矿矸石堆放量为520万 t左右，堆积层厚度为81 m，地面标高为1 224 m。受到地面温度以及通风等因素影响，矸石场内存在温度积聚迅速上升的状况，多处发生了自燃现象。经现场实际勘测显示，中部矸石山体的自燃情况最为严重，坡面以及顶部位置已经发展有冒烟现象，散发刺鼻气味，对周边环境形成了一定污染，对周边居民居住安全造成了一定威胁，需要进行及时控制。

1 自燃机理分析

煤矸石自燃的条件是氧气通道畅通，供氧充足；存在可燃物质易发生氧化反应；有良好的储热条件，促进热量聚集温度上升。通过对现场勘查发现，本工程煤矸石自燃同时满足以上条件，因此发生自燃现场，现具体分析如下：

1.1 煤矸石自燃的化学条件充足

煤矸石中存有大量黄铁矿，并且夹杂少量煤炭，为矸石自燃提供良好的着火介质；排矸初期未对冲沟原始坡面进行清理整平，排矸场坡面原有灌木及草本植物也为矸石山着火提供可燃物。

1.2 煤矸石自燃的物理条件满足

首先，矸石山堆积形成后，呈现出不自燃区、可能自燃区(一般自燃区和高温自燃区)、窒息区三大层结构(如图1)。在堆积过程中，三大结构区域随着堆积时间变化而逐步演变，一般自燃区演变为高温自燃区的几率增加。其次，矸石山斜坡暴露面积大，矸石堆积疏松，堆存过程中未使用黄土间隔分层碾压，导致矸石间空隙率大，矸石供氧条件好。再者，矸石在重力作用下，大粒径矸石滚落到矸石山底部，小粒径矸石多数留在上部，形成了矸石的自然分级。分级的结果导致空隙率进一步增大，并使发热量高的小粒径矸石产生了富集。另外，洗矸粒度相对较小，矸石本体的暴露面积较多。

图1 煤矸石山自燃区分层结构

1.3 煤矸石自燃的环境条件符合

本工程煤矸石山所处位置常年潮湿，空气流通较好，在此条件下，黄铁矿加速发生氧化反应，释放出大量热能，进而加快煤低温氧化进程，造成着火现象。

2 治理技术方法

2.1 常规治理方法

根据煤矸石山着火机理，需要解决自燃三要素：易燃介质、供氧充足、温度聚集，在防治矸石山自燃实践中，通常采取推平压实法、挖掘熄灭法、覆盖法、喷浆法、注浆法等。本工程选用边坡封堵结合常规注浆灭火法，同时选用黄土(增加密实度)、石灰(吸附二氧化硫及水分)、粉煤灰(就地取材)、水泥(加快凝固)等经济灭火材料，按照一定比例配置灭火浆液。

2.2 治理原则

工程按照“整体控制、封堵通风、消除高温、防止复燃”的原则，对高温异常区域以及着火区域展开妥善处理，并对边坡范围通道进行封堵，确保自燃以及复燃概率被有效控制。

本工程设计治理方法为边坡防护结合钻孔注浆灭火的综合治理方案，构建了四个平台(如图2)，其中第3平台设置上下两部分，各平台以梅花桩式分布钻孔，并制作特殊旋喷式注浆管。本工程钻孔深度和注浆量与灭火成本及灭火质量有着高度联系，因此判断着火点，确定钻孔深度及注浆量是本工程的防治关键。

图2 某煤矿矸石山治理平台图

2.3 判断着火点

为做好着火位置规律判断以及起火点位置推断，技术人员对本次工程高温燃烧区域进行钻孔测温操作，测温后选择部分钻孔数据模拟温度与孔深变化曲线图(如图3)。

图3 某煤矿矸石山部分钻孔孔深与温度曲线图

实验室研究表明，煤矸石经过氧化和蓄热后在300℃左右开始自燃，本工程区域经过实际探测，正在燃烧区温度高于280℃。通过三平台部分钻孔测温数据得出：

(1)在钻孔深度为20 m左右时，孔内温度达280℃以上，达到自燃着火点，此位置粉尘灰分较大，存在燃烧之后的矸石碎屑。

(2)孔深6～20 m之间，钻孔温度分布不均匀，分析结果为部分位置已经燃烧扩散。

(3)孔深20～25 m处，温度随深度加深而降低，25～30 m温度随深度加深而略有升高，分析结果是，25～30 m处热量逐步聚集，不断向上传导至20～25 m扩散至高温燃烧区域。

(4)着火深度主要集中在各平台地表30 m之内，除坡面附近钻孔外，超过30 m位置并没有发现着火状况。

综合可知，孔深0～6 m左右为不自燃区；孔深6～20 m左右为一般自燃区，其中15～20 m左右逐步演变为高温自燃区；孔深20～30 m左右为高温自燃区；孔深30 m以下为窒息区。

2.4 针对性治理方案

(1)按照所获得的温度数据，本工程在高温着火区域，钻探至高温区即展开注浆灭火处理，高温燃烧区钻孔深浅交错分布，深孔孔深为25～30 m左右，浅孔孔深为6～15 m左右，更有效地将自燃着火点上部和下部进行封堵，深孔浅孔布置比例根据现场探测温度情况而定。

(2)在非着火区域20 m下延伸5 m位置，实施注浆施工，确保达到预期防火效果。

(3)边坡附近的着火区较为复杂，因坡面难以覆土压实，并且常年临风，因此火势旺盛，燃烧面积大，且接近表面，灭火难度大。现场采用加修马道，表面喷浆后钻探注浆进行灭火的方案，避免了泥浆顺坡面流淌至坡地而失去灭火作用。

3 结论及建议

3.1 结论

本文对某煤矿矸石自燃相关工作进行介绍，并结合现场施工经验，通过分析自燃机理和相关数据，建立了燃烧分层模型及温度和孔深曲线关系图，使我们对煤矿矸石自燃及其处理方式有了更加清晰的认知。并且在对自燃问题展开实际勘察与研究的基础上，制定出针对性较强的处理方案，从而实现对自燃问题的有效处理，确保治理效果达到预期标准要求，并获得良好的社会效益以及经济效益，以便为矿山开采创造出更多有利条件。

3.2 建议

在分析和实践过程中，总结以下建议：

(1)煤矸石注浆灭火切勿使用注水方式灭火，水经高温反应，产生易燃物质氢气和助燃介质氧气，加剧矸石燃烧。

(2)结合矸石山的堆积方式、时间、当地气候条件、矸石所含物质成分，系统分析，利用科学手段判断煤矸石自燃的着火点。不同区域矸石山着火点不尽相同，需结合实际勘探判断，同一矸石山因所处位置不同，着火点也存在差异。

(3)煤矸石山灭火切忌盲目施工，注浆灭火钻孔切勿穿透矸石山体，以防漏失致使注浆液无法有效覆盖，导致人工、材料、物力大量浪费和消耗，使得治标不治本。

(4)根据工程实际，构建矸石山着火模型及着火点轨迹图，以方便科学决策。

(5)煤矸石山要注重做好预防措施，消除自燃隐患；排矸要选择分层排放，分层覆土振动压实，斜坡封闭隔离；要设置台阶平台，构筑排水沟。

(6)选用注浆方式灭火时，要科学配置注浆材料，保证其良好的携带能力和合适的流变性能。