沙坪煤矿矸石对环境的危害及防治措施的研究

杜 帅

（霍州煤电集团乡宁沙坪煤业有限公司，山西 霍州 031400）

煤矿在生产和经营过程中会产生大量的煤矸石，主要包括剥离矸、煤巷矸、岩巷矸、选煤厂尾矿等。堆置矸石的矸石山在一定条件下会发生氧化发热反应，达到一定条件就会发生自然发火现象。煤矸石山自燃非常普遍。霍州煤电集团共有矸石山31座，其中正在燃烧的矸石山7座，若按此比例计算，全国可能有300多座矸石山正在燃烧。

煤矸石山自燃机理与煤层自燃基本相似，是煤矸石山中含碳物质、黄铁矿等可燃物在空气中氧化、蓄热直至燃烧的过程。与煤层自燃有所不同的是，煤矸石中不燃的矿物质较多，一座大中型煤矸石山要经10～18年的氧化过程才发生自燃，至少要几年。煤层的发火期要短得多，最少的只有几天。在自然的过程中会产生CO、CO2、SOx、NOx及H2S等有毒气体和相应的致癌物，严重污染矿区的大气环境。随着国家对环境保护工作的力度加强，煤矿必须对矸石山的自然发火导致的环境污染问题进行治理，降低矸石对生态环境的破坏。

1 矿井概况

霍州煤电集团沙坪煤矿三号井于2000年投产，设计年生产能力为65万t。2015年经检测该矿属于高瓦斯矿井，煤尘爆炸指数为41.70%，煤层具有自燃倾向，但发火期未经鉴定。该矿当前主采3#煤层，煤层含矸率约为0.16%，采用倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法进行开采，能有效地解决缓倾斜及倾斜厚煤层开采时的顶板支护和采空区处理问题，有利于在此类煤层条件下实现安全生产，提高资源采出率及获取较好的技术经济指标。共计开采煤炭资源700多万t，共产生矸石尾矿约2万多t，运输到地面至矸石山进行堆置处理。

2 矸石产生的危害分析

沙坪煤矿在煤炭开采当中产生的矸石主要是通过皮带输送机系统+汽车运输至矸石山进行堆放，如果长期不进行治理，就会慢慢因自然发火产生各种危害，严重污染环境。主要表现为：（1）矸石在运输和堆放过程中产生的大量粉尘，会对职工造成人体伤害，并污染周边环境。（2）矸石露天堆放，经雨淋溶而析出一些有害物质，伴随着排入到河道污染河水环境，给周边的居民用水和农作物灌溉带来危害。（3）矸石山不加以治理，容易自然发火。产生煤气、二氧化硫、一氧化碳、硫化氢、水蒸气等多种气体的混合物对现场生产工人构成威胁，对周围环境造成严重危害。据实测，矸石释放的二氧化硫浓度高达0.12～7.02mg/m3，超过排放标准的16倍；一氧化碳浓度达1.90～123.17mg/m3，超过排放标准的20倍。预测矸石山每年向大气中排放一氧化碳3.15t，二氧化硫0.85t，对沙坪煤矿仅有10km2的矿区范围危害十分严重。

3 矸石山自然发火的成因及治理措施

3.1 矸石山发火成因分析

3.1.1 矸石山的组成成分

对沙坪煤矿所产生的矸石进行分析，主要是由泥灰岩、粘土岩和煤层夹矸油页岩及少量的煤组成。可燃成分主要是位于上层煤的直接顶的油页岩，其油率较高，容易自燃。对其进行理化分析得化验指标如表1所示。

表1 沙坪煤矿矸石山中油页岩的化验指标分析

3.1.2 矸石山自然发火的原因

通过对该矿矸石山的实况分析，结合矸石自燃的理论基础，对该矿矸石山自然发火的原因分析如下：（1）矸石山的矸石呈斜坡堆放，因此暴露面积大，堆积疏松，空隙率大，给矸石提供了非常好的供氧条件，为自燃提供了基础。检测分析结果表明：该矸石山矸石的渗透率为10-9m2，分子扩散供氧条件下就可让矸石温度达到自燃临界温度以上。（2）矸石在堆放过程中，在重力作用下，大块矸石都滚落到矸石山底部，小的留在上部，这种自然分级导致了空隙率增大，热量高的小粒径矸石富集。这些都成为了导致矸石山自然发火的原因。

3.2 矸石山自然发火的防治措施

基于矸石山自然发火的条件，结合沙坪煤矿矸石山的具体情况，制定了沙坪煤矿矸石山自然发火的防治措施。

3.2.1 使用黄土灌浆隔绝供氧

从其他煤矿矸石山治理的经验来看，采用黄土灌浆隔绝供氧的技术措施是非常有效果的。黄土灌浆的泥浆中固体材料应满足以下要求：加入少量水即可制成泥浆；渗入性强，易脱水；收缩量尽可能的小；不含可燃物和催化剂，便于制备和运输等。制作浆液时，浆中水的体积与固体材料的体积比确定为2:l。浆液通过管路自上而下灌向矸石山。

灌浆作业注意事项：（1）灌浆前对矸石山进行推平作业，形成周边隆起中间低洼的形状；（2）连续大量灌浆3d后停止作业，让浆液慢慢地进行沉淀。（3）每天定时测量水土比，并进行适当调整，保证其渗透效果。

灌浆作业使用黄土将矸石与氧气进行隔绝，达到阻燃、降温和隔热的目的。

3.2.2 局部浇水熄灭明火措施

当矸石山出现小面积明火时，一般采用局部浇水熄灭明火措施。水的渗透性非常强，在火源的上风侧10m的位置，采用高压水管按“先外围、后中心”的灭火原则，进行直接浇水熄灭明火，可以达到治理的目的。

3.2.3 控制燃烧法

使矸石山中的燃料全部燃尽，同时可控制燃烧产生的热量和烟尘，以熄灭矸石山的火灾。其工艺是：将带有透气孔的耐高温管道置入矸石山内部，用抽风机使矸石山内部形成负压状态，空气从其表面吸入矸石山内，加速矸石的燃烧。该法可使矸石中的可燃物在比正常燃烧要短的时间内完全燃尽。与常规法相比，控制燃烧法有以下优点：符合环境保护要求，使矸石山燃烧的最终排放气体为CO2和水蒸气；设置的煤气洗涤塔可除去烟气中的SOx和烟尘；完全燃烧后的矸石形成红色岩体，可产生有商业价值的砾石的替代材料；熄灭的矸石山排除了重新自燃的危险，同时又根治了产生酸性水的根源。

3.3 治理效果分析

对矸石山自然发火问题进行综合治理后，经数据检测表明该矸石山钻控温度均降到了80℃以下，由此可见，自然发火得到了有效的控制，同时满足《煤矿研石山灾害防范与治理规范》的要求。沙坪煤矿对于矸石山自然发火的综合治理过程是合理的切实有效的。

4 矸石对环境危害的其他治理方法

针对矸石造成的危害，其他治理措施为：在堆放时安装专用的喷雾洒水装置，用来减少岩尘飞扬，定期清洗积尘区，基本解决了岩尘危害；在矸石山周边修筑坚固的挡水围墙，使大气降水冲刷形成的污水得到有效控制。

5 结语

沙坪煤矿矸石所产生的危害是多方面的，除了技术上的防治对策外，还应该加以下几方面的技术管理办法。（1）提高认识，重视环保。把环境保护同资源开发相提并论，才能彻底消除尾矿产生的危害。（2）及早着手防治并举。尾矿危害不是偶然的特殊现象，只要肯于发现，及早行动，采取必要的措施，预防为主，综合治理，是可防患于未然的。（3）善于创新，变废为宝。回收矸石中的劣质煤，矸石中含煤10%～20%，可以每年从排矸中拣出矸石煤，供家属区用；矸石中含硫铁矿3%以上，可以对硫铁矿进行回收；矸石山中拣选可制建筑材料的白矸和可作陶瓷原釉子的黑矸。全面的对矸石进行综合利用。