自燃矸石山动态检测与监测的实践探讨

宁宝贵 白苏敏 刘 姣 李晓萌 冯鹏飞

(1.山西中能岩土工程有限公司，山西 太原 030000； 2.山西正和热电工程有限公司，山西 太原 030000)

煤矸石是煤矿行业采煤和洗煤过程排放的固体废弃物，是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物之一。随着煤炭行业的发展，堆积而成矸石山越来越多，因煤矸石自燃的特性，自燃矸石山的存在严重破坏了当地的生态环境。本文通过实践讨论了动态检测与监测对自燃矸石山治理的重要作用。

1 煤矸石自燃机理

1)矸石山自燃原因。煤矸石的自燃原因，主要有硫铁矿氧化学说和煤氧复合自燃学说。学说认为煤矸石中的硫铁矿或煤发生氧化，放出热量后在矸石山体内不断聚积，温度升高引起煤矸石中的可燃物燃烧，从而造成了矸石山自燃[1]。

2)矸石山自燃的发展阶段。矸石山的自燃形成经历了表面吸氧潜伏，缓慢氧化自热，加速氧化和蓄热，充分氧化自燃4个阶段[2]。

2 自燃矸石山危害

自燃矸石山排放出大量有毒有害气体，会造成大气污染，影响生命健康安全；易发生塌陷、渣石流、滑坡等自然灾害；受降雨冲刷浸泽，使煤矸石中的有害成分和重金属进入土壤和水体中，造成污染。

3 自燃矸石山的治理

1)治理区域划分。根据矸石山的发展阶段，矸石山按温度区间划分为防控区、临界区、蓄热区、发火区。在矸石山的治理过程中，通常将防控区、临界区作为重点监控范围，而蓄热区和发火区作为主要灭火治理范围[3]。

2)灭火治理方法。常见自燃矸石山治理主要以灭火降温为主，通常采用的方法：钻孔注浆法、槽沟灌浆法、挖除灭火法、黄土覆盖法、其他实践有效的方法等等。根据矸石山的规模、煤矸石成分、自燃程度、场地条件等因素，选取一种或多种方法相结合的灭火方案。

3)灭火治理方法分析。黄土覆盖法主要以隔绝空气为主，主要用于发展程度较低矸石山，受环境影响大，须进行后期不断维护。

槽沟灌浆法、注浆法在地面施工即可，能有效降低矸石山温度，并起到填充封闭的作用，注浆量现阶段不能精准控制，宜在施工过程中动态调整，如着火深度较深，灭火效果难以保证。

挖除灭火法灭火效果可保证，施工工序简单，但需要开挖量较大，开挖倒运所需场地范围大，人员操作过程中有毒有害气体及高温对操作人员健康危害较大，开挖过程中废气烟尘对周边环境影响较大。

现阶段的治理主要还是针对于进入蓄热区、发火区的矸石山，而蓄热区、发火区的矸石山自燃发展程度较高，已经对环境产生较大危害，且灭火治理过程中成本高、难度大、反复性高，这也直接影响到矸石山的生态恢复。

4 自燃矸石山动态检测与监测的方法与实践

4.1 检测与监测方法

常用的方法：地表测温法、钻孔检测法、气体分析法、同位素测氡法、磁法、电法综合物探法等。

1)地表测温法，使用红外地表测温仪，结合热成像仪，按10 m～20 m间距网格布置，对地表温度、环境温度进行测量，分析数据，初步确定火区位置。

2)钻孔检测法，使用热电偶对矸石堆体内部测温，钻孔深度一般为6 m～10 m，钻孔内每1 m测温一次。若某些区域在钻孔底部集中出现高温或者自燃现象，进行加深钻孔测温。

3)气体分析法，通过采用FL-9500气相色谱仪对现场采集的气样进行成分与含量检测，通过一氧化碳、乙烯及乙炔等指标，判断填矸地层是否自燃或所处的自燃阶段。

4)同位素测氡法，通过地表测量氡气浓度的大小，推断矸石山的燃烧状况[4]。

5)磁法、电法综合物探法，通过区分煤矸石堆场的各种物理性质(电性、磁性)差异，确定高温火区范围、埋深等地质信息[5]。

4.2 实践探讨

阳泉某矿矸石山，位于一荒沟内，2016年全部堆矸完成。作为矿山生态环境恢复治理试点示范工程对该矸石山进行综合治理。

1)项目前期通过踏勘、资料收集，结合地表红外测温仪、红外热成像、热电偶钻孔测温多项检测手段，编制了温度勘测报告并绘制了温度等值线图及温度分区。场地勘测总表面积约180 542.23 m2，划分发火区总表面积约62 562.94 m2，地表温度最高达到67.8 ℃，发火区温度主要集中在地表以下3 m～6 m，温度区间为100 ℃～950 ℃。

2)设计单位根据温度勘测报告采取了注浆灭火法，制浆材料采用水泥、粉煤灰、熟石灰和清水，水固比为1∶1.0～1∶1.2，水泥、熟石灰和粉煤灰的重量比为1∶2∶7。发火区范围内均匀布置了深孔和浅孔，浅孔深3.5 m，深孔深7.5 m，孔距6 m。

3)在治理施工过程中，对发火区边界设置监测孔，并对注浆过程中各施工段进行动态监测，每天进行监测记录。在注浆施工中期，通过监测，发现矸石山11，12，13平台及坡面火区扩散，及时反馈信息，布设温度检测钻孔，重新划分了火区范围，新增发火区总表面积约8 857 m2；同时矸石山9，10，11平台及坡面出现“顽固区”，平均温度700 ℃～800 ℃，最高温度达900多摄氏度，易气爆，注浆灭火效果差，现场根据监测数据，改用沟槽灌浆、加密注浆、反复注浆、覆土封闭多工艺相结合的方法，最终取得了良好效果。

4)该矸石山治理结束后，对治理区域进行了灭火效果检测。第一步现场踏勘，观测治理范围内绿化情况、矸石山地表温度与环境温度、有无冒烟开裂等地表特征。第二步使用热电偶钻孔测温，钻孔深度为10 m，检测频率为每30 d不少于一次，观测时间达6个月，通过观测分析矸石体内深度方向的温度变化及随时间的变化的温度情况。第三步在钻孔过程中在钻孔内抽取气体，通过采用FL-9500气相色谱仪对现场采集的气样进行成分与含量检测，通过标志性气体成分一氧化碳、乙烯、乙炔、氧气等分析矸石山的封闭情况及矸石自燃情况。

通过6个月的观测数据分析，取每月各检测孔地表下2 m,4 m,6 m,8 m温度平均值进行趋势化分析，分析得出检测孔温度随时间呈下降并趋于平稳趋势(见图1)。

各区域选取实测温度最高的检测钻孔作为代表性检测孔，进行区域灭火前后温度对比分析(见表1)。

表1 代表性检测孔灭火前后对比分析

综合分析各项检测结果，确定治理区域地表完整，未发现覆盖层被冲刷造成矸石裸露或覆盖开裂、裂隙冒烟等现象，绿化后植被完好，地表大气温度同周边环境温度接近；同时测得监测孔内最高温度在23.9 ℃～93.9 ℃(小于100 ℃)，地表下10.0 m范围内温度均已达标。气体检测表明，该地段孔内气体未检出乙烯、乙炔，且一氧化碳含量低于100 ppm，氧气浓度低于5%。综合评估认为该治理区域的自燃煤矸石已达到治理效果，且在不破坏现有覆盖层的条件下矸石山不会引起复燃。

5)后期矸石山生态恢复作业中，定期对留设的监测孔进行温度监测，并做详细记录，为后续生态恢复工作植树、种草等提供保障。

实践表明：自燃矸石山的动态检测与监测贯穿治理的全过程，在矸石山自燃判定、火区划分、制定治理方案、治理过程把控、治理效果检验、生态恢复效果监控等过程中起到了关键作用。因此不同阶段采用相适应的检测与监测方法，能为各治理阶段实施提供相应的依据和保障。

5 结论及展望

1)结论。

在自燃矸石山治理过程中，动态检测与监测起到不可或缺的作用，对矸石山治理意义重大，社会效益显著。

2)展望。

对于新近、老旧堆积矸石山，动态检测和监测应更好的运用于矸石山自燃前；通过检测和监测手段，分析矸石山自燃发展程度，预测矸石自燃概率和发展趋势，可以把防止矸石山进入蓄热、发火阶段作为治理目标，抛弃“着一片治一片”的治理思路，将矸石山自燃问题扼杀在萌芽之中，这样可以降低治理难度、节约成本、减少环境污染。