浅谈矸石山治理

刘利红

1 概况

近年来,随着煤炭企业煤炭产量的大幅提升,作为煤炭生产副产品煤矸石的产出量也大幅提高,其煤矸石的堆积量也越来越多。矸石多为自然堆放,堆放坡度大,由于未进行封闭,局部已有自燃现象。自燃的矸石严重污染大气,威胁职工和周边群众的身体健康,已成为城市的一个主要污染源。

1.1 矸石山自燃机理

煤矿生产过程中要排出大量的矸石,其主要成分是煤层顶板及煤层夹层的炭质泥岩或含炭泥岩,并含少量黄铁矿结构,炭屑及炭块。由于黄铁矿含硫,在常温条件下,煤矸石与空气中氧气具有良好的结合能力,当矸石得到充分的氧气供应后,将产生低温氧化反应,如氧气供应充分,则可保证低温氧化反应持续进行,如果低温氧化反应放出的热量不能及时消散于周围环境中,就会导致煤矸石局部升温,若煤矸石中有足够的可燃物,且能得到充分的氧气供应时,则环境温度的升高,又会促使矸石的氧化反应加速。在达到临界温度点(80℃～90℃)后,氧化反应速度迅速提高,矸石很快自燃,严重污染大气环境。

矸石自燃燃烧过程中会产生大量CO,SO2与H2S等有毒、有害气体及烟尘,严重污染大气环境。同时煤矸石经雨水淋溶形成的酸性水,渗透到地下污染地下水,严重危害人们的身体健康。对农业、畜牧业也带来严重的不良后果,使农作物枯萎或减产,甚至可能颗粒无收。

1.2 矸石山治理的措施和目的

探测矸石山内部隐蔽火源,制定灭火方案,进行灭火降温。将矸石山坡顶、坡面进行削坡整平,达到山体稳定及固土的需要,对其表面覆盖土层达到封闭的作用。覆盖土层后植树种草,达到护坡、绿化、美化改善环境的效果。在矸石山上设有完整的排水系统,防止雨水冲刷坡面、渗入山体形成泥石流而造成滑坡。

2 矸石山灭火方案的选择

2.1 目前国内外矸石山灭火方法

1)注浆封闭法。该方法通过降温与隔氧两方面的共同作用来达到灭火的目的。通过在火区和自热区布置一系列钻孔,最后将不燃物(黄土或粉煤灰等)和石灰配成的泥浆灌入火区和自热区,以阻断空气进路,火区冷却后将火区和自热区全部填满浆料。2)表面密封压实法。该方法是在自燃矸石山表面覆土压实,以隔绝空气进入,使自燃矸石山内部空气耗尽后熄灭。3)灌水法。水是灭火工程中最常用的灭火介质,水在高温下形成水蒸气吸热降温效果显著,并且水蒸气能够阻止空气接近可燃物。4)直接挖出冷却法。该法通过直接挖除着火矸石和热矸石,冷却后回填或重新堆积。这种方法简单而成功率高,在现场用的最多。5)低温惰性气体法。低温惰性气体法是在矸石山火区或自燃区注入液氮和固体二氧化碳,不仅能快速降低温度,而且在相变过程中体积增加500倍,形成冷高压波,从注入点迅速扩散至全区,把低密度热烟气排挤上升到地表,隔绝空气达到灭火降温双重目的。6)灌浆密闭泡沫灭火法。这种方法把灌浆和泡沫结合起来,先用灌浆把火区隔离起来,再向火区注入泡沫灭火剂,加速消灭明火,缩短灭火时间。泡沫灭火剂在矸石空隙中流动比较容易控制,隔离火区的效果较好,它在矸石表面形成的膜可以保持很长时间。7)燃烧法。在受控条件下让矸石燃烧,燃烧产物经净化后从烟囱排出,燃烧热量加以利用,具体方法在矸石山内钻水平通道,矸石山表面铺土压实,由钻孔有控制地向内供应空气点燃矸石,用抽气机将烟气抽出并加以净化,烟气热量被利用后,最终从烟囱排出。

2.2 灭火方案的选择

通过对国内外矸石山灭火方法进行对比,结合多年来对煤矸石治理经验,采取碾压覆盖为主,配合局部注浆充填煤矸石空隙、浆液包裹矸石体隔绝氧气,并通过钻孔放热,修筑排水系统、植树种草综合治理的方法,从而达到灭火降温,改善环境的目的。

2.3 方案的可行性

在自燃矸石山表面铺土压实,以隔绝空气进入,使自燃矸石山内部空气耗尽后熄灭。同时通过改变矸石堆积坡度,推散高温矸石促使降温,有利于矸石山斜坡覆土与碾压,火势能得到有效控制,灭火效果较好。局部灌浆封可使矸石迅速降温,有较好的隔氧效果,它可以防止因黄土覆盖不好引起矸石复燃的可能。

3 矸石山治理设计技术

3.1 灭火

1)土层覆盖。对矸石山坡顶或坡面有明火或温度较高的部位,采用黄土分层碾压覆盖,分层厚度0.2 m～0.3 m,黄土覆盖碾压最小厚度1.0 m。使用的黄土要控制粒径、含水量及有机物含量。

2)注浆灭火。在坡顶有明火或温度较高的部位覆盖黄土后,进行钻孔施工,钻孔使用钻机,深度5.0 m,间排距 3.0 m～3.5 m。在成孔后,要进行孔内测温,对温度有异常的钻孔适当加深。

灭火浆液材料应因地制宜,采用黄土(或粉煤灰)与熟石灰过筛配制,配比1∶1,水固比 0.7∶1～0.8∶1,注浆方式采用压力注浆或蔽口灌注。

3.2 矸石山边坡削坡整平

一般坡面按高宽比不大于1.5进行整平,然后对坡面整平中需要回填部分进行夯实,夯实系数不小于0.85,并在矸石山边坡坡底设石砌护墙,坡底石砌护墙高1.5 m～2.0 m左右,护墙背后用1 m黄土分层夯实,夯实系数不小于0.92,中部用马道把坡面分成阶梯式。

3.3 覆土

矸石山坡面整平至设计要求后,在坡面上覆盖1.0 m厚黄土(厚度为垂直坡面尺寸)并分层夯实,夯实系数不小于 0.85。在平台上覆盖1.0 m厚黄土,并用道路及围堰进行分割,马道上覆黄土同平台。

3.4 排水及浇灌系统

3.4.1 排水系统

在平台上用围堰分割,雨水保持在土壤里,在坡面竖向及马道均设排水沟以排除坡面雨水;在坡底设截洪沟,使坡面的水汇入截洪沟形成完整的排水系统。

3.4.2 浇灌系统

采用拖式喷灌。根据GB 50013-2006室外给水设计规范,结合山西省用水标准和矸石山的实际情况,设计原则确定如下:

绿化用水标准为1.5 L/(m2·次),3 d一次。

喷灌管路设计原则:管路沿矸石山绿化范围环状设置,间距100 m设置喷淋检查井一个,设置出水短管及阀门。

喷灌用水水池的确定:水池的容积按照矸石山绿化面积喷灌一次总用水量的50%～100%确定,面积较小时按照100%计取,面积较大时按总用水量的50%～80%计取。

根据以上原则,在矸石山顶建水池及泵房。

3.5 植被

根据矸石山的气候、地形条件和土壤成分以及资金投入的情况,对矸石山植被恢复以因地制宜选树的原则来实现。针对矸石山的养分贫瘠、高温、干旱、温差大等特点,结合植物的生物学特征,坚持以乡土树种为主。

4 治理效果检测

4.1 温度检查孔

矸石山治理施工结束后,对煤矸石表层按10 m×10 m的网点进行红外线测温,在坡顶及马道选择有代表性的地段设置检查孔,检查孔孔深为堆填矸石厚度,进行矸石山温度观测,检查孔按永久性观测孔施工,孔径 108 mm,钻至目的层后终孔,下入φ 89 mm 钢管,钢管外露0.5 m,钢管外层用0.5∶1～0.7∶1水泥浆固管,钢管内下部1.0 m充填水泥,采用热电欧深层测温仪进行温度观测,检验灭火效果,分析温度下降趋势。

4.2 环境监测

在治理后的矸石山上布置环境监测点,每月进行两次环境监测,SO2,NO2用多孔玻板吸收管和大气采样器进行人工采样;CO直接采样,采样时间不少于30 min。

5 结语

矸石山经过治理后发现,昔日曾经浓烟滚滚、寸草不生的煤矸石山已变成碧空下的绿野、开阔平整的靶场、茂盛葱郁的农田。步入平整后的开阔土地,映入眼帘的是满目青翠,已归于寂静的矸山上空,有鸟往来于南北。大气环境发生了显著变化,空气质量明显提高。

[1]中华人民共和国主席令第22号,中华人民共和国环境保护法[S].

[2]GB 18599-2001,一般工业固体废弃物贮存、处置场污染控制标准[S].