自燃煤矸石山隔离层空气阻隔性对时间的响应

胡振琪，巩玉玲，吴媛婧，杜玉玺，高 杨

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

煤矸石是煤炭开采与加工过程中产生的固体废弃物，占原煤产量的10%～30%[1]。据不完全统计，目前我国煤矸石累计堆存约46亿t，占压土地1.2万hm2以上，并继续以每年1.6亿t的速度增加，是我国排放量最大的工业固体废弃物[2]。煤矸石的堆放不仅压占大量土地，且易造成大气、水、土壤等生态环境污染[3]，自燃的煤矸石释放出大量的CO、SO2、NOX、H2S等有害气体，破坏生态环境，危害周边居民身体健康[4]。目前我国煤矸石的综合利用率在60%以上，虽然利用率在不断提高，但仍有大量的煤矸石堆积成山[5]。据不完全统计，我国目前约有30%的煤矸石山在自燃[6]，通常采用注浆与黄土覆盖相结合的方法对已自燃的煤矸石山进行治理，然后实施绿化[7-10]。但实践证明，通过此方法治理的煤矸石山1年或2年后复燃现象严重[1,11-12]，主要原因是黄土覆盖初期含水率适量，一经压实空气渗透率极小，空气阻隔性较好，但随着内部黄铁矿缓慢氧化并释放热量，高热量的气体与矸石使得覆盖层的水分逐渐蒸发，尤其是裸露和植被覆盖率低的覆盖层逐渐变干并产生裂缝，甚至变成疏松的颗粒状物质，再加上风化作用与雨水的冲刷，覆盖层空气阻隔性变差，失去封闭效果，使得煤矸石山复燃[13]。隔离层的含水率是影响隔离层封闭性的因素之一，空气渗流速度及渗透率是反映隔离层空气阻隔性的重要参数[14]。含水率降低，使得隔离层中孔隙率升高，隔离层易产生裂缝，加速空气的渗入；空气渗流速度越快，渗透率越高，孔隙输氧速度越快，煤矸石山自燃时间缩短[15-16]。目前，国内外对自燃煤矸石山的研究主要包括煤矸石中黄铁矿的氧化、氧气在煤矸石中的运输、自燃煤矸石山治理技术、隔离层阻隔效果等[13,17-19]，尚未开展对隔离层含水率、空气渗流速度及渗透率随时间变化规律的深入研究。因此本研究通过室内试验，以土壤试样为例，分析隔离层的含水率、不同压差下空气渗流速度与渗透率随时间的变化规律，以此来分析隔离层空气阻隔效果，并进一步提出防止煤矸石山自燃的措施。从而为合理制定自燃煤矸石山覆土碾压与绿化时间、后期管理与维护，以及防止煤矸石自燃提供理论依据。

1 试验设计

1.1 材料的制备

土壤采集后风干碾碎过5 mm筛，测其风干含水率为4.22%。在矸石山治理现场黄土料场取得的土壤质地为粉土，采用马尔文激光粒度仪测定其颗粒粒径：黏粒(粒径<2 μm)占1.73%，粉粒(粒径2～50 μm)占95.09%，砂粒(粒径>50 μm)占3.18%。根据高杨[20]研究同等材料的塑限估计最优含水率表明:当试样含水率为19.5%时，材料压实性最好，空气阻隔性最好,因此设置试样含水率为19.5%。在风干含水率基础上计算加水量，加水后土样拌匀，密闭放入塑料桶中，静置24 h保证土样中水分的均匀备用,土壤试样实测含水率为18.56%。

1.2 试样装入测试腔

土壤试样透气性在室内利用自制设备(自燃煤矸石山隔离层透气性测试设备，专利号ZL200820123452.9)进行测量[21]，设置试样厚度为30 cm，分三层装填，分层击实，击实次数设置为每层击实30次，击实锤为重型击实锤(质量为4 500 g，击实锤的落距为45.7 cm)，每层击实后高度控制为10 cm，试样体积为6 028.8 cm3，单位击实功对应为301.2 kJ/m3。

1.3 测试设备连接

测试设备结构示意图见图1。试样装入测试腔之后，将测试腔与注气腔和排气腔连接，注气腔及排气腔上均安有压力表，注气腔连接减压阀，减压阀连接空气压缩机以提供稳定气压的气源，排气腔连接煤气表测试气体流量。测试腔、注气腔、排气腔安装完毕后，启动空气压缩机，对试样变换不同压差进行测试。当空气渗流速度稳定之后开始记录空气渗透量数据及单位空气数量通过该试样的时间，即可计算试样透气量。

图1 设备结构示意图Fig.1 Structure of equipment

1.4 测定项目与方法

1) 质量含水率。试样初始含水率的测定采用烘干法，之后采用称重计算法测定每天含水率，即装样前称量测试腔的重量，每天称量试样与测试腔的重量，以最初烘干土的质量为基数计算后期土壤质量含水率，计算公式见式(1)。

ωi=(mi-me-m)/m×100%

(1)

式中：ωi为第2 d、第3 d、……第10 d、第13 d、第16 d、第19 d的土壤质量含水率，(i=2,3,4,5,6,7,8,9,10,13,16,19)；mi为第i天土样与测试腔的质量，kg；me为测试腔的质量，kg；m为烘干土的质量，kg。

2) 空气渗流速度与渗透率。试验设置研究时间为19 d，其中前10 d选择每天同一时间测定试样的空气渗流速度与渗透率，之后每隔3 d在同一时间进行一次测试。试验过程中，设置试样两侧压差分别为0.01 MPa、0.02 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa。每次测试完毕后，将测试腔取下，与进气腔连接一侧朝上，静置。试验过程中，记录单位空气流量所需的时间，计算空气渗流速度与渗透率。一般情况下，矸石堆中气体的流动速度极为缓慢，属于层流状态，在层流状态，多孔介质内流体流动速度服从达西定律[22]。空气渗透量与空气渗流速度的关系见式(2)。

v=Q/A

(2)

式中：v为空气渗流速度，m/s；Q为试样透气量，m3/s；A为试样断面面积，m2。

根据达西定律，结合土层中均匀渗透场的假定方法及气压的等效水利坡度理论，覆盖层的渗透率计算见式(3)。

K=vμL/ΔP

(3)

式中：K为空气渗透率，m2；μ为空气动力黏度，Pa·s，常温下取值为1.83×10-5Pa·s；L为试样长度，m；ΔP为试样两侧气压差，Pa。

2 试样在不同压差下随时间变化规律

2.1 试样含水率的变化

对自燃煤矸石山采取覆盖碾压阻燃措施进行治理，随着时间推移，覆盖隔离层的水分散失或蒸发，含水率发生变化，从而导致隔离层的空气阻隔性发生变化。如图2所示，试样含水率随时间呈直线下降趋势。时间每推移一天试样含水率下降约0.59%，与时间有着显著的相关性，相关系数为0.98，通过了α=0.01的显著性检验。在本试验条件下，试样初始含水率为18.56%，受温度、空气注入等因素的影响[23-24]，试样水分的蒸发与散失较大，含水率不断降低，第19 d时含水率仅为10.98%，明显低于试样最优含水率(19.5%)。本文引起试样含水率变化的原因较为单一，主要是由气压差及自然蒸发引起的。而实地野外隔离层含水率的变化比室内试验剧烈得多，除了因外部环境引起蒸发以外还会因内部黄铁矿氧化释放热量而蒸发[13]。因此，野外隔离层含水率的降低速率远快于室内试样含水率的降低速率。

图2 试样含水率随时间的变化Fig.2 Variation of moisture content ofsamples with time

2.2 试样空气渗流速度对时间的响应

由图3可以看出，随着时间推移，土壤试样空气渗流速度呈二次函数式增大，空气阻隔性能逐渐降低。同时，空气渗流速度随着压差的增大而增大。通过判断覆盖层的空气渗流速度与煤矸石中空气临界流速(4.4×10-5m/s)的大小关系来推断覆盖阻燃效果[22]。

在0.01 MPa压差下，第1 d土壤试样空气渗流速度为9.20×10-7m/s，第2 d为1.09×10-6m/s，比第一天提高了一个数量级，增速达1.70×10-7m/s。第2～8 d，空气渗透速度增加缓慢，平均每天增速为1.24×10-6m/s。第9 d时，土壤试样空气渗流速度为1.07×10-5m/s，相较于第1 d提高了两个数量级，提高了10倍多。从第9 d开始，空气渗流速度以每天1.08×10-5m/s的速度增加，增速相较于之前略有提高。到第19 d时空气渗流速度提高到6.47×10-5m/s，大于临界渗流速度4.4×10-5m/s。这表明，在本试验条件下，第19 d开始隔离层的空气阻隔效果无法达到治理要求，对自燃煤矸石山的阻燃效果变差。

在0.02 MPa压差下，前5 d土壤试样空气渗流速度处于同一数量级，增速较缓慢，平均每天1.47×10-6m/s。第6 d时土壤试样空气渗流速度增加到1.17×10-5m/s，提高了一个数量级，相较于第1 d提高了7.85倍。第6～19 d，空气渗流速度处于同一数量级，平均每天增速为8.86×10-6m/s，相较于前5 d的平均增速有所提高。第13 d时土壤试样空气渗流速度为4.56×10-5m/s，大于临界渗流速度4.4×10-5m/s。表明在0.02 MPa下，第13 d开始隔离层的空气阻隔效果已达不到治理要求。

图3 土壤试样空气渗流速度随时间的变化Fig.3 Variation of air seepage velocity with time

在0.03 MPa压差下，第1 d土壤试样空气渗流速度为2.01×10-6m/s，之后到第4 d空气渗流速度以平均每天1.81×10-6m/s的速度增加。第5 d土壤试样空气渗流速度为1.56×10-5m/s，升高了一个数量级。第5～16 d，空气渗流速度以每天9.65×10-6m/s的速度升高，增速相较于前4 d有所加快。第19 d时空气渗流速度为1.19×10-4m/s，较第1 d提高了两个数量级。在第10 d时土壤试样空气渗流速度为5.21×10-5m/s，大于临界渗流速度4.4×10-5m/s，这表明在0.03 MPa压差下，第10 d开始隔离层的空气阻隔效果已达不到煤矸石山治理要求。

在0.04 MPa压差下，前3 d的空气渗流速度处于同一数量级，此时间段内空气渗流速度平均每天增加9.80×10-7m/s，上升速度较慢。第4 d时土壤试样空气渗流速度为1.01×10-5m/s，提高了一个数量级。第4～13 d土壤试样空气渗流速度升高较快，每天升高1.02×10-5m/s，比前3 d的上升速度高10倍多。第9 d时土壤试样空气渗流速度为5.51×10-5m/s，大于临界渗流速度4.4×10-5m/s，此时隔离层的空气阻隔效果已不能满足治理要求。第16 d时空气渗流速度为1.12×10-4m/s，比第9 d 提高了一个数量级。

在0.05 MPa压差下，前3 d土壤试样空气渗流速度平均每天增长1.50×10-6m/s。第4 d时土壤试样空气渗流速度为1.37×10-5m/s，提高了一个数量级。第4～10 d空气渗流速度处于同一数量级，其平均每天增长速度为1.05×10-5m/s，高出前3 d平均增速近7倍。第6 d时土壤试样空气渗流速度为4.50×10-5m/s，略大于临界渗流速度4.4×10-5m/s。此时隔离层的空气阻隔效果已达不到自燃煤矸石治理要求。第13～16 d，空气渗流速度较第1 d提高了两个数量级，期间其平均增速为3×10-5m/s，高出前3 d平均增速20倍。

2.3 试样空气渗透率对时间的响应

渗透率表示的是一个只与多孔介质结构特性相关的物理量，主要取决于介质的孔隙大小及孔隙结构，大小与测试压力无关[25-26]。因此本文仅分析同一时刻不同压差下平均空气渗透率值对时间的响应。从图4可以看出，空气渗透率随时间的变化呈二次函数式上升(R=0.98，α=0.01)。第1 d空气渗透率为4.10×10-16m2，随着时间的推移空气渗透率逐渐增大，第4 d土壤试样空气渗透率为1.75×10-15m2，较第1 d提高了一个数量级。从第4 d到第10 d，试样空气渗透率增长缓慢且处于同一数量级，到了第13 d，试样空气渗透率又提高一个数量级，达到1.29×10-14m2，较第1 d增大了31倍多。第13～19 d试样空气渗透率在同一数量级范围内上升。第19 d时空气渗透率为2.43×10-14m2，大于矸石山临界自燃时对应的空气渗透率(2.0×10-14m2)，空气阻隔性变差[11]。

2.4 隔离层含水率与空气渗流速度、渗透率的相关性

将不同压差下的土壤试样空气渗流速度与空气渗透率分别求取算数平均值，分析含水率与空气渗流速度、渗透率的相关性(图5)。总体看来，土壤试样空气渗流速度与渗透率随含水率的变化成对数函数式变化，且变化趋势一致。含水率每降低百分之一，平均空气渗流速度与平均空气渗透率分别上升2×10-4m/s、4×10-14m2。当含水率下降到14.32%时，平均空气渗流速度达到5.14×10-5m/s，超过了煤矸石中空气临界流速(4.4×10-5m/s)，当含水率降到10.98%时，平均空气渗透率达到2.43×10-14m2，超过了矸石山临界自燃时对应的空气渗透率(2.0×10-14m2)。当含水率大于17.5%时，平均空气渗流速度与渗透率上升幅度较小；含水率小于17.5%时，随着含水率的降低，平均空气渗流速度与渗透率上升幅度较大。因此表明土壤含水率的变化对空气渗流速度与渗透率的影响较为显著。

图4 土壤试样空气渗透率随时间的变化Fig.4 Variation of air permeability with time

图5 土壤试样含水率与空气渗流速度、渗透率的相关性Fig.5 Correlation between moisture content of samplesand seepage velocity and permeability of air

3 结论与建议

随着时间推移，土壤试样质量含水率呈直线式下降，而空气渗流速度与渗透率均呈二次函数式上升，且空气渗流速度增幅越来越大。随着压差增大，空气渗流速度的增长速度呈现数量级变化的时间逐渐缩短，空气渗流速度超过临界渗流速度的时间缩短。随着含水率不断降低，空气渗流速度与渗透率呈反方向上升趋势，而空气渗流速度与渗透率的提高，为煤矸石氧化提供充足的氧气和水分，进一步诱发煤矸石山自燃或复燃。

因此，在治理自燃煤矸石山的过程中要充分做好隔离层防裂、防渗工作，为此提出以下建议。

1) 由于自燃煤矸石山内外压差不稳定，因此为了保证隔离层的阻燃效果，试验设置的最大压差为0.05 MPa，根据试验结果，隔离层构建后表土的覆盖相隔时间不宜超过5 d，以保证构建的隔离层具有较好的空气阻隔性。

2) 在实地煤矸石治理过程中，须对煤矸石山隔离层含水率进行实时监测，当隔离层含水率低于14%时，需对治理后的煤矸石山适当浇水、绿化，以降低隔离层的空气渗流速度与渗透率，防止煤矸石山自燃。