隧道弃碴场煤矸石自燃整治和预防技术

贺国龙

（中国水利水电第七工程局有限公司， 四川 成都 611730）

0 引言

煤矸石自燃是一个较为普遍的现象。据统计，我国大约有三分之一的矸石山发生过自燃，放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和氮氧化物等有害气体并伴有大量烟尘，对周围环境造成严重污染。煤矸石的自燃取决于两个因素：内因是煤矸石中存在硫铁矿及碳质可燃物，外因是煤矸石的堆积方式为其自燃提供通风供氧条件。由此可见，预防煤矸石自燃也应针对性的采取措施：一是减少硫铁矿及碳质可燃物，二是隔绝空气的流通。怎么能保证弃碴场煤矸石自燃整治快速、有效，在如何选择合理的处理措施，控制弃碴场煤矸石自燃和预防弃碴场煤矸石自燃等进行介绍。

1 工程概况

屯坡隧道长2322m，最大埋深140m。隧道位于贵州省玉屏县新店乡境内，隧区位于构造剥蚀低山地貌，测区地形波状起伏，相对高差约20～150m。测区沟槽覆盖第四系坡洪积（Q4dl+pl）粉质黏土、碎石土，厚0～2m，缓坡上多为薄层坡残积（Q4dl+el）粉质黏土及角砾土所覆盖，厚0～6m，基岩部分裸露，为寒武系下统杷榔组（∈1p）炭质页岩夹砂岩、寒武系下统牛蹄塘组（∈1n）炭质页岩夹砂岩，强风化层厚2～10m，局部夹含有有害气体。牛蹄塘组（∈1n）炭质页岩含C、H、S、Fe等成分，成煤品质极差。隧道岩性为炭质页岩，隧道进出口及洞身多见开采煤矸石。

2 隧道弃碴场煤矸石自燃原因分析

2.1 煤田地质局对煤矸石进行化验分析

2.1.1 矿物成分

煤矸石的矿物成分和化学成分较为复杂，但是能够构成可燃物的，主要有C、H、S等组成物质，其中硫铁矿的燃点低、耗氧量小、氧化放热量大，是煤矸石的主要引燃物。

2.1.2 化学成分工业分析（见表1）

表1 化学成分工业分析

煤的自燃倾向性是煤常温下氧化能力的内在属性，反应了煤的变质程度、水分、灰分、含硫量、粒度、孔隙度、导热性，是煤的一种自燃属性。

煤自燃倾向性等级分为三类：Ⅰ类容易自燃、Ⅱ类自燃和Ⅲ类不易自燃。以每克干煤在常温（30℃）、常压（10.133×105Pa）下吸氧量作为分类的主要指标。

表2 煤样干燥无灰基挥发分 daf≤18%时自燃倾向性分类

根据《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》，参照煤样干燥无灰基挥发分daf≤18%时自燃倾向性分类标准，煤矸石煤的自燃倾向性等级为Ⅲ类，属不易自燃。但全硫含量（t）达到自燃倾向性条件之一，不排除硫铁矿引起自燃。

2.2 弃碴场煤矸石自燃原因分析

隧道穿越地层为寒武系下统杷榔组（∈1p）、牛蹄塘组（∈1n）炭质页岩夹砂岩，炭质页岩含C、H、S、Fe等成分，成煤品质极差，部分属煤矸石。经对炭质页岩取样进行化学成分分析，硫含量为2.43%，炭质页岩中含一定的硫化铁，由于弃碴的堆积方式提供了供氧通风条件，在降雨雨水下渗的促进作用下，硫化铁经微生物的催化作用率先发生氧化反应，并释放巨大热量，这是煤矸石自燃的内因。硫铁矿氧化在释放大量热量的同时，生成大量的二氧化硫（供氧不足时生成硫磺），这是煤矸石自燃有刺鼻气味或臭鸡蛋味（硫化氢）和析出黄褐色固体硫磺的原因。当煤矸石碴场内部温度达到300℃，即达到煤的燃点，引燃可燃物，造成煤矸石大面积长期稳定的燃烧。

3 隧道弃碴场煤矸石自燃整治技术

3.1 整治总体方案

结合现场实际情况和以往煤矸石自燃的整治经验，煤矸石自燃整治总体思路，对已经堆放自燃现象严重、出现明火的部位进行翻挖，采用钻孔安装钢花管灌注水泥浆至堆砌煤矸石内部，隔绝煤矸石与氧气的接触，从而达到灭火和防火的目的。后期煤矸石弃碴采取弃碴堆放降低煤矸石堆填的高度，采取分层堆积（并压实）的方式堆积。堆填方式的改变，采取“从下向上、缩小凌空、分层压实、周边覆盖”的措施达到防火的目的。

3.2 弃碴场煤矸石自燃整治关键技术

3.2.1 已发生自燃煤矸石弃碴场处理措施

对已经发生自燃的煤矸石采用翻挖、钻孔灌注水泥浆至堆砌煤矸石内部，隔绝煤矸石与氧气的接触，从而达到灭火的目的。

3.2.2 未发生自燃煤矸石弃碴场防范措施

尽量减少煤矸石中可燃物的含量。对于碳质页岩弃碴场而言，因其可燃物分选性差，减少其中的可燃物含量较难控制；

降低煤矸石堆填的高度。煤矸石的堆填高度低于临界高度则不会发生自燃；如果采取分层堆积（并压实）的方式堆积，每层煤矸石的厚度不要超过其临界高度（5m）。

减少煤矸石的活化性能，降低煤矸石的临界温度，采取阻燃剂可以达到此目的。

堆填方式的改变。传统的排矸方式一般是先将煤矸石拉到煤矸石山顶部，然后倾倒并使其自然滚落；但堆填方法利于煤矸石自燃，应予以废弃。采取“从下向上、缩小凌空、分层压实、周边覆盖”的措施。从下向上，一层层堆置煤矸石，这样可以使煤矸石得到一定程度的压实，减少空隙率，也可以减少煤矸石在斜坡上露面，即“缩小凌空”之意。因为斜坡不易压实，煤矸石间空隙率大，供氧条件好，自燃最易发生在这里。因此减少煤矸石在斜坡暴露面就减少了煤矸石自燃的可能性。等到一层煤矸石堆填完成后，再将周边及顶部覆盖残积土压密隔氧后，再进行下一次的煤矸石堆填，到整个煤矸石堆积完成，形成一个封闭良好、表面覆土的整体[1-5]。

对煤矸石进行地表封闭。采取封层压实法或沟带法形成封闭的煤矸石山。

尽量防止水浸入煤矸石山，减少煤矸石间的空隙，使煤矸石对氧的渗透接触率降到最低限度。

3.2.3 弃碴场已发生自燃煤矸石处理措施

已发生自燃的煤矸石采用翻挖熄灭、深层注浆措施。对已经燃烧的煤矸石采用翻挖熄灭，如果不进行翻挖熄灭煤矸石内部温度高达500℃，注浆会瞬间凝固失去作用，未自燃的煤矸石不需要翻挖。翻挖熄灭后采用钻孔注浆，未自燃的煤矸石钻孔间距为3m×3m，自燃后翻挖的煤矸石钻孔间距为4m×4m，孔位呈梅花形布置，钻孔深度15.5m～21m。注浆管直径采用直径108mm（壁厚3.5mm）的钢管，每隔15cm在钢管上钻直径10mm的注浆孔，梅花形布置，注浆比例=水：水泥（650∶1051），注浆压力0.5～0.6MPa。

3.2.4 弃碴场后期煤矸石弃碴防范处理措施

（1）降低煤矸石堆填的高度。采取分层堆积（并压实）的方式堆积，每层堆碴厚1.5m，采用0.5m粘土层覆盖隔开并均碾压密实；碴场坡面、平台及顶面采用2m厚粘土层覆盖，并碾压密实。

（2）堆填方式的改变。采取“从下向上，缩小凌空，分层压实，周边覆盖”的措施。从下向上，一层层堆置煤矸石。等到一层煤矸石堆填完成后，再将周边及顶部覆盖残积土压密隔氧后，再进行下一次的煤矸石堆填，到整个煤矸石堆积完成，形成一个封闭良好、表面覆土的整体。

（3）做好弃渣场周边截排水系统，并对煤矸石渣场表面采取粘土覆盖，压实封闭。最大限度防止空气和水浸入煤矸石渣场，使煤矸石对氧的渗透接触率降到最低限度。

（4）弃碴前，对碴场内地表浮土进行清除，待弃碴完成后弃碴表面进行播草籽绿化。

（5）为避免坡面水流对碴顶面过度冲刷和积水，在碴场顶部修建“井”字型汇水沟，并进行借土回填，分层碾压。

（6）弃碴场自燃的根治措施主要结合当地煤矸石厂矿对煤矸石进行利用回收，废物利用，以达到煤矸石堆积体自燃的风险转移，同时为减少弃碴占地。

3.2.5 弃碴场自燃整治情况及效果照片

屯坡隧道碴场通过以上的综合处理，均已解决了自燃问题，处理情况良好，效果见图1。

图1 弃碴场整治效果

4 结束语

由于当前不当的弃碴方式提供了煤矸石自燃所必须的氧气及其续温条件，残留的煤成分及其他可燃物质，在自然氧化过程中续集热量，并最终持续燃烧。本文通过总结沪昆铁路屯坡隧道弃碴场煤矸石自燃成因机制及其防治技术成果，提出综合防治工艺。

屯坡隧道碴场煤矸石自燃通过采用注浆及翻挖，后续弃碴采用“从下向上、缩小凌空、分层压实、粘土隔离、周边覆盖”的方式综合治理，已解决了弃碴场煤矸石自燃问题，再没有发生自燃现象，处理情况良好。

为了提高治理煤矸石自燃防治的主动性，首先应重视煤矸石的堆放处置方式和预处理，以防为主。其次，加强煤矸石自燃机理、防治技术的研究，以减少自燃危害。从环保的角度出发，则应加强煤矸石综合利用技术研究。废物利用以达到煤矸石堆积体自燃的风险转移，这也是治理煤矸石自燃的根本之道。

在具体的煤矸石自燃的防治工程中，根据矸石山自燃的特性，我们必须按照实际情况，选择合适的防治技术。从降温、隔绝氧气以及减少可燃物成分出发，综合的进行防治工程实施。多领域拓展煤矸石自燃防治技术与理论研究的方法与思维，不断加快煤矸石自燃防治技术与理论的研究进展，加快煤矸石的资源化，科学、合理、经济、有效的治理煤矸石自燃现象。