内蒙古利民煤矿矸石山自燃治理技术研究

2021-03-31李亚斌

中国煤炭工业 2021年9期

文/李亚斌

煤矸石是我国排放量最大的工业废物，约占我国工业固体废物的四分之一。目前针对煤矸石自燃现象，我国普遍运用的是挖掘回填法、黄土覆盖法等传统方法，但在实施过程中都会出现复燃现象。内蒙古自治区利民煤矿为了有效抑制矸石山的自燃现象，提出“以废治废”的治理思路，利用煤基固废制成浆液，采用以“注浆、喷浆、覆浆”为主的治理技术措施，有效地抑制了矸石山火区的供氧，取得了良好的矸石山自燃治理效果。

一、利民煤矿矸石山自燃基本情况

利民煤矿坐落于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井镇。经过实际勘探分析，利民煤矿矸石山自燃现象产生的基本原因有以下几种。

1.煤炭洗选形成的堆矸场矸石自燃

利民煤矿开采的煤含硫量平均达到3.5%，个别达到4.5%～5.0%，属于国家标准所划定的典型高硫煤。煤炭洗选后会形成矸石类废渣，且含硫量会比原煤更高，加上堆放时间较长且无人过问，故易引发严重自燃。

2.井工开采排矸形成的矸石山自燃

井工开采量大，排矸量也大，往往堆放的矸石山较高。在粒度偏析效应作用下，矸石山容易形成漏风通道，且在较高堆放情况下矸石山内部会形成“烟囱效应”，容易导致自燃。

二、治理范围

利民煤矿的矸石山坡面面积16.4万m2、土方量约400万m3，顶部面积11.57万m2，平均高差32m，平均坡度为36°，最大坡角为38°。

根据利民煤矿矸石山的自燃基本情况，确定治理范围，包括三个区域：矸石山东边坡全部，包括第一、第二和第三台阶坡面及平台；矸石山南边坡一半（从东南角到南边坡中间位置），包括第一、第二和第三台阶坡面及平台；治理范围内矸石山顶部沿坡顶向内延伸20m区域。

一期治理坡面的面积共计为24800m2；顶部平台面积21000m2，合计治理面积45800m2。

三、治理方案

1.传统治理方法效果分析

煤矸石内部的硫铁矿在低温环境中，会与氧气发生氧化还原反应，放出大量热，同时，在矸石山的内部，空气的流通性较差，不能立即散热，当热量急剧增加，在某个部位达到一定温度后会引起矸石中的煤和可燃物燃烧。这是矸石山自燃的主要原因。

近年来，由于矸石山自燃现象日益严重，利民煤矿采取了大面积黄土覆盖的治理方案，黄土覆盖平均厚度约50cm，同时也在坡面及顶部种植了一些植被进行绿化复垦。综合分析治理效果，因矸石山由自然倾倒堆积而成，坡度较大，覆盖的黄土粘结性较差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成稳固的土层。受雨水冲刷影响，矸石山表面覆盖的黄土流失严重，并形成很深的冲沟，种植的植被成活率很低，矸石山复燃现象严重。受春季西北风影响，矸石山西北角自燃现象尤其严重。经现场考察分析，因矸石山中部土层最薄，且受“烟囱效应”影响最大，致使自燃区域多位于距离坡底15～25m处的位置，表面高温区面积很大，内部温度较高，已将表土烧成黑色。

2.治理技术创新实践

结合棋盘井矸石山自燃治理现状，充分利用周边现有工业固废资源，提出“注浆、喷浆、覆浆”治理法。

（1）“注浆法”灭火。

①治理原理。当浆液流入矸石内部，浆液中的水分遇高温矸石发生汽化，其内部热量由水蒸汽带走，使矸石温度下降，同时，由于浆液与矸石接触后，其材料中的固体成分会将矸石包裹住，产生填充作用，以此起到隔绝空气的作用，防止矸石与空气发生反应，从而抑制自燃的发生。

②浆液制作。注浆材料配方是注浆法的核心部分。由于粉煤灰、脱硫石膏、电石泥、废弃石灰粉石灰出厂就是粒度比较细的材料，因此原材料运回后可以直接使用，将粉煤灰、脱硫石膏、电石泥、石灰按比例3∶1∶1∶1搅拌均匀，加入5%～8%的复合添加剂，加入适量水再进行搅拌。

③治理步骤。注浆的前提是确定高温区的区域及范围，利用红外成像仪和热电偶测温仪等工具确定火区或高温区的面积，要在高温区所在的矸石山的顶部和坡面进行注浆，以达到封闭火区的目的；根据事先规划好的治理面积安排好相应数量的钻孔；根据矸石山的特点，运用注浆泵通过相应的钻孔将灭火浆液注入产生自燃现象的矸石山内部。

（2）“覆浆法”封闭。

①治理原理。覆浆法主要针对矸石山顶部进行覆浆封闭处理。注浆灭火后的矸石山顶部孔隙率很大，仍为矸石自燃提供氧气通道。因此必须对矸石山顶部进行密闭封堵，通过将调制好的浆液直接摊平到矸石山顶部，并进行机械碾压，后期可形成具有一定强度的覆盖层，以达到阻隔氧气防止自燃的目的。

②具体做法。根据红外成像仪和热电偶测温仪等工具确定火区或高温区的面积，然后进行覆浆施工，分两次进行：第一次先配制浓度较低的覆浆液，然后均匀地喷洒在矸石山火区或高温区的顶部；第二次配制浓度较高的覆浆液，同样喷洒在矸石山火区或高温区的顶部。最后将该覆浆区域做压实处理。

（3）“喷浆法”封闭。

①治理原理。喷浆灭火法属于表面封闭法，通过高压喷射装置，将灭火浆液喷射到矸石山坡面，使其渗入矸石裂隙浅部，降低火区温度，并通过填堵坡面缝隙来阻止空气向矸石山内部的火区流通，减少漏风供氧，达到控制火区的目的。

②治理步骤。对矸石山坡面进行平整，在坡面挂金属网并用锚杆固定；配制原料，采用喷浆机抽取原材料和水，搅拌并喷射到矸石山火区外部的坡面上（喷射喷浆材料时，在坡面上预留膨胀缝）；进行人工拍打压实处理；在施工完成的坡面铺设工程养护薄膜进行养护。

四、治理效果

1.“注浆法”治理效果

“注浆法”灭火效果可分为三个区间：原注浆孔温度在150℃～250℃左右的，通过注浆灭火，温度已降至8 0℃以下；原注浆孔温度在250℃～400℃的，通过注浆灭火，现已降至80℃以下；原注浆孔温度在400℃～700℃左右的（主要集中在矸石山东南角高温区），目前也全部降至80℃以下。

2.“覆浆法”治理效果

矸石山高温区覆浆治理后经过两周后检测、一个月后检测、三个月后检测、一年后检测，坡面均没有出现通透裂缝。在覆浆后浆液凝固过程中，出现了小的裂缝，在随后现场检测中裂缝没有继续扩大，不影响对坡面的封闭。经过现场坡面温度检测，覆浆两周后表面温度降低到179度（覆浆前表面温度达到400多度），一个月后温度降低到86度，三个月后温度降低到55度，一年后温度降低到正常区域。

相比较，黄土封闭后经过几次暴雨冲刷，就可能产生裂缝，造成复燃，覆浆治理后不会产生复燃现象。

3.“喷浆法”治理效果

边坡喷浆治理后经过两周后检测、一个月后检测、三个月后检测、一年后检测，坡面均没有出现通透裂缝。在喷浆后浆液凝固过程中，出现了小的裂缝，这些裂缝在随后现场检测中没有继续扩大，不影响对坡面的封闭。经过现场取样并进行抗压强度检测，两周后抗压强度可以达到6.5MPa，一个月后抗压强度可以达到8.9MPa，三个月后抗压强度可以达到9.3MPa，一年后抗压强度可以达到10.4MPa。

经过与现场使用毛石砌筑坡面封闭相比，喷浆法具有施工速度快、封闭效果好，不怕下暴雨冲刷、不渗水、不透气等优势，强度完全可以满足护坡要求。