煤矸石山自燃治理与灭火工艺

张 伟 邬剑明 王俊峰

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

煤矸石山自燃治理与灭火工艺

张 伟 邬剑明 王俊峰

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

针对曹村矿矸石山自燃火区特点及现场勘查状况，结合以往矸石山灭火经验，提出以注浆法、注胶为主，辅以直接挖除火源、黄土混合碾压、黄土覆盖的综合治理方案，论述了注浆法灭火原理及灭火工程工艺设计的具体措施，该方法在现场实施效果良好。

煤矸石山 自燃 注浆法 钻孔 灭火工艺

煤矸石是我国堆存量和年排放量最大的固体废弃物之一，其堆存量已达45亿t，且以3～4亿t／a的速度增长。煤矸石长期露天堆存，占用土地，会产生自燃现象，严重危及人们的生命与财产安全。本文以霍煤集团曹村矿矸石山治理为实例，研究了一种新的自燃矸石山灭火工艺。

1 矸石山自燃状况

曹村矿矸石山位于沟壑纵横的山区，地形复杂，东南侧和南侧为居民区，且距离矸石山较近（最近处不足20 m）。从现场勘察可知，矸石山自燃火区主要集中在矸石山西侧、北侧、南侧，矸石表面有明显的着火迹象。在矸石山周围能闻到强烈的H2S气味，而且由于露天堆放时间较长，煤矸石表面已风化成粉末，在风力的作用下，有害气体、粉尘会给附近居民的生活带来危害。因此，非常有必要对矸石山自燃火区采取有效可行的灭火措施进行治理，以达到彻底根除火区自燃的目的，改善区域生态环境和空气质量。

2 灭火方法及材料选择

2.1 灭火方法的选择

目前，国内外矸石山灭火方法主要有表面封闭法 （覆盖法）、推平压实法、泡沫法、控制燃烧法、喷浆法、灌注法、挖掘熄灭法及深部注浆法等。根据曹村矿矸石山自燃及堆积特征，浅部火源或低温火区采用打孔灌注黄土 （粉煤灰、石灰）灭火剂浆液，深部火区及高温火区采用打钻注新型灭火凝胶材料，辅以一定配比的高效灭火剂浆液，结合挖掘机直接挖除火源等综合灭火治理措施，以达到快速治理的目的。

2.2 注浆法灭火原理

注浆法是将灭火材料制成浆液后，再借助机械力量将其压入矸石山内部，让浆液渗透充填到矸石空隙中，一方面通过浆液水分的蒸发，带走部分热量 （降温），另一方面利用浆液的渗透作用和黏着力可使浆液覆盖在矸石表面，其中的固体物沉淀后可充填于矸石缝隙之间，包裹矸石，隔绝氧气供给（隔氧），从而达到灭火的目的。

2.3 注浆材料的选择

灌浆材料选择要具有一定保水性，又能起到隔氧降温作用，且价格经济实惠。根据现场多次调试，在低温区域选用黄土 （粉煤灰、石灰）与一定配比的高效灭火材料较为合适，黄土 （粉煤灰）与水的配比为0.7∶1～1∶1，胶凝剂高效灭火材料的比例为水溶液的0.1%；在高温区域采用新型阻化凝胶灭火材料，其基料为水玻璃 （x Na2O·ySiO2），促凝剂为NH4HCO3，一般基料为6%～8%，促凝剂为10%～13%。

3 灭火工程工艺设计

3.1 注浆工艺

把黄土 （粉煤灰、石灰）、灭火剂材料、水按比例加入搅拌箱，由注浆机的螺杆泵将浆液经管路注入到用浆地点。其工艺见图1。

图1 注浆工艺示意图

高温区域注新型阻化凝胶，具体工艺见图2，主要由混合分流器、注胶泵、减速器、搅拌器等组成。

图2 注阻化凝胶工艺示意图

3.2 注浆灭火工艺参数选择

3.2.1 注浆量计算

注浆量的多少主要取决于火区温度，若矸石的平均视比重2.0，空隙率为30%，比热0.9 kJ／kg·℃，根据热力学有关公式，可以计算出矸石从平均温度500℃降至80℃，需20℃的水0.29 t／m3，若浆液的渗透深度为3 m，则需水量为0.87 t／m2。再根据浆液浓度，就可折算成相应单位注浆量。一般矸石温度较高或需增加注浆深度，应相对增加注浆量，大致控制在1～2 t／m2，也可以以矸石不再冒热气为限。在温度较低处，则可减少注浆量。为保证矸石山自燃区治理后保持较长时间不复燃，必须将治理区域灭火后注入能将空隙充填密实的浆液。

3.2.2 钻孔深度

（1）浅部火区注浆钻孔布置。钻孔深度取决于浅部矸石高温层的厚度。现场测试表明，若是矸石的燃烧发生在矸石堆积完成之后，则燃烧的深度较浅，多在距表面2～3 m的范围内，在这样的区域采用一定长度的注浆管，基本上一次即可完成灭火工作，所以浅部注浆钻孔间距设计成3 m，排距均为2.6 m，以菱形方式布置，深度均为5 m，钻孔直径均为42 mm。浅部注浆钻孔布置见图3。为了加大降温速度，可在两排钻孔之间开槽。

图3 浅部注浆钻孔布置示意图

（2）深部阴燃区注浆钻孔布置。如果在燃烧区上仍不断倾倒矸石，逐层堆放、逐层燃烧，这种情况下，矸石的高温区域很深，若想一次性使整个区域降温，则钻孔需很深，这在技术上有一定难度，同时也不经济。根据曹村矿矸石山的具体情况，选定合适的钻孔深度，适当增加注浆量，使浆渗透深度在10 m左右 （加黄土层厚度），钻孔深度平均取9 m，钻孔实际深度根据现场揭露矸石山内部自燃情况调整，这样距表面5～7 m左右的矸石可充分降温，可视探孔温度确定孔深。深部注浆钻孔布置见图4。

图4 深部注浆钻孔布置示意图

4 治理效果分析

煤矸石的随意堆放、自燃特性决定了煤矸石危害的严重性，为评价注浆灭火的效果，对曹村矿自燃矸石山划分成3个区域：1区是矸石山的西侧，2区是矸石山的北侧，3区是矸石山的南侧。在治理前后，选择每个区域的温度最高点作为固定观测点。治理前，1区～3区观测点的最高平均温度分别为483℃、336℃、467℃，经过20 d注浆后，温度分别降到34℃、40℃、31℃。经实测，CO、SO2、H2S等有毒有害气体浓度满足了 《煤矿安全规程》有关规定要求，证明灭火效果明显。

5 结语

（1）在借鉴以往矸石山灭火经验、灭火方法的基础上，自燃矸石山注浆灭火中，注浆孔在矸石区打菱形孔，注浆时设置注浆孔与放气孔，注浆孔与放气孔比例1∶10，并根据现场情况，辅以剥离、碾压等方法，治理效果显著。

（2）工程实践表明，采用注浆法对自燃矸石山进行灭火治理，可获得较为稳定的灭火效果。这种灭火工艺具有设备简易、操作简单、施工安全、投资少、见效快等特点。

（3）通过灭火治理，有效改善了矿区环境质量，确保附近居民居住安全。自燃治理后，矸石山满足土地复垦或植树要求。

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Study on extinguishing technique of spontaneous combustion of coal gangue dump

Zhang Wei，Wu Jianming，Wang Junfeng
（College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

On the basis of the characteristics of spontaneous fire zone of coal gangue dump in Cao village and the site investigation as well as the previous experience on the fire extinguishment，a comprehensive control program was put forward，namely preferential grouting by aid of excavating fire source directly followed by compacting and covering with the loess.The mechanism of fire extinguishment by grouting and the specific measurement of the process design on the fire extinguishing engineering were also explained.A satisfied field performance was obtained，proving to be a rapid，economic and efficient method to control the spontaneous combustion of coal gangue dump.

coal gangue dump，spontaneous fire，grouting method，drilling，fire extinguishing technique

TD753

A

张伟 （1985-），男，内蒙古赤峰人，太原理工大学在读硕士研究生，研究方向为矿井火灾防治。

（责任编辑 张艳华）