煤矸石山注浆灭火的实践应用

崔彦鹏

（西山煤电屯兰矿，山西 古交 030200）

随着工业化的发展，煤炭燃烧的副产物煤矸石的数量逐年增加，目前有煤矸石达到7×109t以上，占地面积为70 km2。随着我国经济规模的不断扩大和产业结构升级，煤矸石产量以每年1.5×108 t的量在增长，这将造成我国土地资源的短缺。同时，煤炭工业中固体废物排放量最大的也是煤矸石，它是煤炭一系列生产加工过程中产生的矿业固体废弃物之一，在物理风化和化学淋溶氧化的作用下，生成CO2、SO2、H2S、氮氧化物、烟尘，产生酸雨，造成水体、大气、土壤污染，土地资源和地下水资源破坏，矿区环境恶化，影响农林业生产，还会有山体自燃的问题出现，对生态、环境造成双重破坏，对矿区人民生命财产造成极大威胁。治理煤矸石，将环境保护与煤矿区建设相结合，才能真正将金山银山变为绿水青山，弥补资源不足的现状，保证资源的持续发展，符合经济社会发展与资源环境相协调的可持续发展的战略目标。

1 煤矸石自燃的原因分析

矸石山的自燃包含极其复杂的物理化学过程，主要是矸石的低温氧化，在矸石山所处自然环境与矸石山自身物理化学性质的共同作用下，矸石山的自燃成为可能。下面是矸石山自燃的主要原因：

1）煤矸石内的还原性矿物黄铁矿会在温度较低条件下与环境中的氧气接触发生氧化还原反应，放热反应生成大量的热量，生成的热量不易传播出去，在山体内部聚集，导致山体热量和温度不断上升，达到可燃物及煤的着火点后，矸石山整个山体开始燃烧。

2）矸石山中含有未燃烧的煤和一定量的碳质可燃物，经过风吹日晒后发生缓慢氧化反应应，同时与吸附作用共同作用生成大量的热量，同样，在热量传递不良的情况下，热量不断累积，达到临界点，引起矸石山山体自燃。

3）在矸石山自燃过程的初始阶段，矸石山中含有大量硫杆菌类细菌，促进了矸石山中黄铁矿的低温氧化过程，通过细菌的自热潜伏作用，加速矸石山的自燃过程。

4）矸石山的无序堆放，产生较大的缝隙，形成气体的通道，氧气通过气体通道进入矸石山内部，同时矸石山内的气体通过气体通道排出，形成“烟囱效应”，部分热量能够通过空隙散出，但是大部分留在矸石山内部，为矸石山的自燃准备了充足的热量条件，导致矸石山的自燃。

2 矸石山自燃的治理技术

煤矿区自燃后会产生比自燃前更为严重的环境污染，因此我国将防止煤矿区自燃纳入矿区环境修复的范畴。对于矿区煤矸石山发生的自燃现象，我国采取多种技术手段对煤矸石矿进行治理，例如表面覆盖法、推平压实法、控制燃烧法、深部注浆、喷洒阻化剂、泡沫灭火法、热管深部移热技术、火区温度红外成像探测技术等。其中，表面覆盖法耗资巨大，在缺土地区实施困难，同时还有复燃和滑移问题。推平压实法炽热的矸石会造成施工设备损坏和施工人员受伤等问题，同时还有复燃的可能性。喷洒阻化剂、泡沫灭火法工艺成本太高。控制燃烧法、热管深部移热技术等方法还在试验阶段。因此，目前国内最常用也是最成熟的防灭煤矸石山自燃的方法是注浆法。首先需要将注浆管打入矸石山燃烧部位，将灭火材料高碱性浆液在注浆管作用下打到矸石山燃烧中心，浆液通过填充作用到矸石山的空隙和裂缝中，阻止空气进入矸石山，注浆后矸石山高温区的温度因水分蒸发带走热量而急剧降低，形成稳定封闭层，从而达到较好的深层灭火效果，浆液中的碱性物质还可以起到固硫作用。注浆法灭火效果显著，花费成本低、治理速度快、技术操作安全，在煤矸石灭火技术中拥有广阔前景。

3 屯兰矿矸石山概况

屯兰矿位于山西省古交市西南6 km处，距太原市60 km，地理坐标：经度112°29′26″，纬度37°50′42″。矿井于1988年由山西焦煤有限责任公司开工建设，1997年10月31日建成并开始试生产，2002年10月正式投产，原设计生产400万t/a，核定生产能力为450万t/a。井田面积64.49 km2，主要煤种有焦煤（61.1%）、瘦煤（26.7%）、肥煤（11.1%）和少量贫煤。矿井采用“两斜一立”综合开拓方式，实现了综采综掘，采掘机械化率达到了100%。屯兰矿矸石场分为已封场的南梁矸石山和正在使用的周寨沟矸石山两部分。矸石山治理采取“由内而外、自下而上、分层碾压、黄土覆盖”的方式和“防流失、防扩散、防自燃”的原则堆放矸石，防止出现自燃和爆炸。

4 屯兰矿矸石山注浆灭火材料的选择

为了防止煤矸石发生复燃，需要进行注浆灭火材料的选择。首先，选择的材料需要性能稳定、不包含可燃物、有良好的渗透性和保水性，避免浆液大量流失造成浪费；其次，原材料能够包裹在矸石表面或者填充到矸石空隙中，保证能够隔绝氧气阻止复燃；最后，原材料需要价格低廉、来源广泛。目前，注浆灭火的材料一般为石灰、黄土、烧碱、粉煤灰、凝胶、水泥和一些高分子材料。配浆材料的主要成分为Ca（OH）2，可以与山体燃烧过程中产生的二氧化硫、三氧化硫和二氧化碳发生反应：

反应生成的产物化学性质稳定，在注浆部位生成致密的隔氧层和填充矸石间的空隙，达到灭火的目的。反应有利于减轻酸性气体对环境造成的污染，同时生成的水降低了矸石山的温度。

5 屯兰矿矸石山注浆灭火浆液的配比

在浆液配置过程中，因为浆液容易流失，不易形成柱状体，所以需要考虑浆液的黏度和稳定性，所以浆液配比参数会影响矸石山的注浆效果。灭火浆液的水固比为3∶1，据众多矸石山注浆灭火的实践和实验，该浆液比注浆效果较好。根据其他矸石山采用的注浆压力和考虑施工安全，注浆压力控制在0.9～1.5 MPa,浆液可以与周围土壤颗粒反应形成一定强度并且凝固后不会收缩。

6 屯兰矿矸石山注浆灭火的钻孔成孔率

矸石山松散易破碎不稳定，钻孔困难，不稳定因素较多。自燃后，高温作用下更加不稳定，所以导致钻孔过程中孔洞堵塞坍塌等问题，成孔率十分低下，如果无法有效成孔会导致注浆灭火失败。高温使得钻孔机器温度较高，导致机器故障。孔内蒸汽爆炸给施工带来危险。针对钻孔成孔率低这一难题，设计钻孔深度15～20 m，采用双管同时钻进的办法，同时布设气孔，不会发生塌孔和堵孔问题，防止蒸汽压力过大和不及时排放引发的爆炸等事故，加快成孔速率，节约治理成本，保证工程顺利安全进行。

7 屯兰矿矸石山注浆灭火的效果

灭火前后高温区温度大幅减低到临界温度以下，与外界环境自然温度大致相同，没有浓烟产生和刺激性气味的生成，矸石山自燃现象基本消除，也没有复燃迹象。表明矸石山注浆灭火达到预期目标，取得了一定的成绩和经验。注浆灭火技术消除了屯兰矿生产加工过程的后顾之忧，消除了环境污染，优化了矸石山的生态环境。

8 结语

石灰浆液顺利注入燃烧区吸收矸石山内部热量和酸性污染，隔绝空气，降低了矸石山温度，快捷高效地对矸石山进行有效灭火，同时避免矸石山的重新发生燃烧。煤炭矿区生产加工过程产生的副产物煤矸石虽然造成大规模的环境污染状况，但是如果能够进行生态修复和资源化利用，那么不仅能够实现煤矿区的环境保护和再利用，形成生态良性循环，还能够获得可观的经济效益，实现煤矸石的资源化利用，达到可持续发展的目的。屯兰矿矸石山的治理，将排矸石与生态修复相结合，变废为宝，实现了矸石的综合利用，实现生态、社会、经济效益的统一。