郭家河煤矿矸石山自燃形成机理及治理方案研究

侯怀勇，杨 朋

(陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

煤矸石是煤矿在开采过程中产生的固体废弃物。近年来，伴随着采掘机械化的发展和煤层开采条件的逐渐恶化，煤矿多年开采之后，排出的矸石堆积如山，不但占用了大量土地，而且其中所含的硫化物散发后会污染大气和水源，造成严重的后果。煤矸石中所含的黄铁矿易被空气氧化，放出的热量可以促使煤矸石中所含煤炭风化以至自燃。煤矸石燃烧时散发出的有毒有害气体严重危害矿区生态环境及人民群众的健康，急需治理。

1 矸石山概况及自燃机理研究

1.1 矸石山概况

陕西郭家河煤矿矸石排放量约80万t/a，目前矸石堆放量约为520万t，随着矸石的不断堆积，矸石山相对高差最高达81 m，总体占地面积约4.67 ha。矸石山由于长时间的堆积，内部温度积聚，于2017年12月在二、三平台中上部产生自燃现象，2018年1月开始加剧，经过长时间的燃烧及发展，现已扩散至矸石山顶大部分区域，在矸石山堆积中前部扇形区形成了老火区(一、二平台)，向南延伸形成三平台新火区，如图1所示。

图1 矸石山自燃隐患分区Fig.1 Hidden danger division of gangue hill spontaneous combustion

矸石山中部山体自燃比较严重，顶部局部位置及坡面大部已出现冒烟现象，可嗅到刺鼻难闻的气味，如图2所示。矸石山自燃对周边环境造成严重污染，对周围居民健康造成了威胁。

图2 矸石山自燃隐患现状Fig.2 Status of the hidden danger of spontaneous combustion in the gangue hill

通过对该煤矿矸石山使用高精度磁法进行物化探测，结果表明：一平台磁法探测ΔT的中高值面积约2 950 m2，二平台磁法探测ΔT的中高值面积约3 844 m2，三平台磁法探测ΔT的中高值面积约25 700 m2，共计32 494 m2，如图3所示。

图3 各平台高精度磁测ΔT等值线Fig.3 High-precision magnetic measurement ΔT contour of each platform

1.2 自燃机理分析

1.2.1 黄铁矿氧化

煤矸石中的黄铁矿在低温下发生氧化，产生热量并不断聚集，使矸石内部温度升高，在郭家河煤矿局部达到一定的温度后，引起矸石中的煤和可燃物燃烧，形成中心火区并向周边扩散。

该煤矿煤矸石一般都利用当地的地形特点，先将矸石拉到排矸场的最高处，再将其推至坡面自由滚落到山沟中，这种堆积方式矸石堆积疏松，空隙率大。同时堆存过程中未与黄土间隔分层碾压导致矸石空隙率较大，矸石山具备良好的供氧条件。在供氧充足的区域，煤矸石中黄铁矿发生如下反应，并产生SO2气体

供氧不足区域，煤矸石中黄铁矿发生如下发应，并产生硫磺

当有水分参与反应时，产生硫酸，进一步加剧氧化反应

以上反应均为放热反应，产生的热量聚集在矸石堆内不易扩散，最终导致矸石自燃。

1.2.2 水分的影响

该煤矿所在地区年降雨量较为充沛，矸石山顺坡堆积，降雨及地表径流直接渗入矸石堆内部，加剧了矸石的氧化反应。而在一定的含水量范围内，煤的着火温度随水分含量的增加而逐步降低(图4)，从而使煤矸石更易自燃。

图4 水分与矸石的自燃温度关系示意Fig.4 Relationship between moisture and spontaneous combustion temperature of gangue

1.2.3 粒径的影响

该煤矿煤矸石的堆积方法导致大粒度的矸石顺坡而下，在下部坡面堆积形成空隙较为疏松的矸石平台。而粒度较小的矸石在坡体中上部停留，形成空隙较小、较为致密的矸石平台。当矸石空隙较小时，氧气难以进入煤矸石山的深部，仅在矸石堆表面就被消耗掉了，不易形成自燃。反之，氧气可达矸石山深部，易形成中心火区。

2 治理方案选择

2.1 注浆灭火+边坡防护综合治理

针对该矿矸石山火灾隐患现状，采用注浆灭火+边坡防护综合治理方案。首先用注浆法对矸石山进行灭火，然后对矸石山边坡进行边坡防护。

注浆法是目前国内外都广泛采用的灭火技术。工艺工程为先将灭火材料制成一定浓度的浆液，再在火区布设一系列钻孔，用注浆泵将浆液注入矸石山内部。浆液对矸石山火区进行降温，并充填于矸石间隙，阻断氧气，达到灭火的目的。

该方案最大的优点是可以使矸石迅速降温，同时也有较好的隔氧效果，治理效果明显，复燃可能性较低。但同时存在矸石山注浆钻孔施工环境恶劣、施工条件较差的问题。

2.2 表面封闭法

该方法一般是在矸石山表层覆盖黄土等惰性物质，来隔绝空气防止自燃。该矿矸石山发生自燃隐患早期时，已采用此方法对矸石山进行治理，但矸石山一次性堆积高度较大，最大约81 m，坡度35°～45°左右，存在坡面覆土难以达到标准厚度，且难以压实，伴随着雨水的冲刷作用及坡面滑落情况发生，供氧通道重新形成，矸石山矸石复燃。

2.3 露天剥挖治理

露天剥挖治理，即对矸石山内部火源及着火点进行挖除，是一种直接且相当有效的办法。在确定燃烧范围后，挖出着火矸石，使其自然冷却。当着火范围不大、火源深度较浅时采用此方法最有效。但该矿矸石山火区面积大、火源深度较深，采用此法挖方量巨大，且开挖过程中有毒有害气体大量释放，火区高温威胁施工安全，加之边坡较陡，不利于施工安全。

通过以上3种方案比选，注浆灭火+边坡防护综合治理方案具有较大的优越性，只要做好注浆钻孔施工安全管理，则治理效果彻底且风险小，最终的边坡防护既增加了坡体稳定性，又可在后续进行边坡覆土绿植，经济又环保，符合绿色矿山建设理念。因此采用第1种治理方案。

3 治理工程设计

3.1 治理范围

一期进行注浆灭火工程，钻孔布设于划定治理区范围各平台顶面之上，其中一平台4 203 m2，二平台4 070 m2，三平台下部9 768 m2，三平台上部16 341 m2。共计面积约34 382 m2。

3.2 钻孔布设

依据矸石山各平台矸石厚度探查结果及各平台面积，最终确定各平台钻孔布置，注浆灭火工程钻孔布置如图5所示。

图5 注浆灭火工程钻孔布置Fig.5 Drilling arrangement of grouting for fire extinguishing works

一平台自燃区面积4 203 m2，布设钻孔26个(24个注浆孔+2个监测孔)，单孔平均深10 m，钻孔孔径φ133 mm，工程量共计260 m。

二平台自燃区面积4 070 m2，布设钻孔26个(24个注浆孔+2个监测孔)，单孔平均深20 m，钻孔孔径φ133 mm，工程量共计520 m。

三平台自燃区面积26 109 m2，布设钻孔171个(167个注浆孔+4个监测孔)，单孔平均深30 m，钻孔孔径φ133 mm，工程量共计5 130 m。

3.3 注浆材料

根据以往矸石山灭火治理的实践经验以及就地取材原则，灭火浆液为石灰泥浆，灭火材料主要有水、黄土、石灰等。浆液水固比为2∶1～1.5∶1，泥浆密度为1.25～1.35 t/m3。

3.4 灭火流程

作业流程(图6)为物化探测→平整场地→钻孔测量定位→钻孔施工→下放花管→注浆→灭火效果检测。

图6 灭火工程施工流程Fig.6 Construction process of fire extinguishing project

3.5 灭火效果监测

灭火过程中和灭火工程结束后1 a需要灭火效果监(检)测。灭火过程中在高温区中间选择1条米测温测线，每5 d测量一次，观察其变化，测量方法同米测温法。对施工的每个钻孔在终孔时和注浆前进行2次检测，内容包括孔口温度及CO、H2S、CO2、O2等气体含量。对留设的观察孔施工过程中，每5天进行一次检测，施工结束后6个月内10 d进行一次，内容包括孔底、孔口温度及CO、CO2、H2S、O2等气体含量。灭火工程结束后1 a，进行火区复测，仍然采用直感测温法，分析是否存在火情。

3.6 边坡防护

矸石山坡面设计形成七级平台，边坡采用坡比1∶1.6进行放坡，考虑到方便后期矸石山服务年限到期后绿化养护，各平台宽为10 m。台阶式坡面整治完成后，在坡面及平台覆土70 cm分层夯实，每次夯实厚度不超过30 cm，压实系数不小于0.93。

各级平台内侧及坡底设置一排尺寸为0.5 m×0.5 m的C30砼排水沟，排水沟底部铺设厚度为0.3 m的夯实黏土；并在坡面设置多排宽度为0.5 m截水沟，相邻截水沟的间距为40 m。

4 预期效果

(1)矸石山火灾隐患被彻底消除，矸石山冒烟、有毒有害气体排放等污染环境的问题从根本上得到解决，矿区环境日益好转。

(2)对灭火后的矸石山进行边坡防护，在增加坡体稳定性的同时，采用覆土绿化，边坡绿植，形成绿色、环保的矿区环境，为绿色矿山建设的实施提供保障。

5 结论

(1)该煤矿矸石山自燃主要原因为不合理的堆放，形成的矸石堆具有较大空隙，使矸石堆充氧条件较好；区内降雨渗入矸石堆，既加剧了矸石中黄铁矿的氧化，又降低了矸石着火点，使矸石更容易自燃。

(2)高精度磁法是煤矿矸石山灭火工程一种有效的勘察手段，对于探查矸石山温度异常区，确定火区有重要的帮助。

(3)注浆灭火+边坡防护综合治理方案治理效果彻底，最终的边坡防护既增加了坡体稳定性，又可在后续进行边坡覆土绿植，经济又环保，符合绿色矿山建设理念。

(4)煤矿矸石山灭火工程的实施能从根本上消除火区险情，保护矿区环境及人民群众健康。