基于温度场分布规律的矸石山注浆钻孔布置方案研究

董红娟，卢 悦，袁治国，温 磊，卢宪路，王晨阳，熊青青

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010； 2.包钢勘察测绘研究院,内蒙古 包头 014000；3.国能蒙西煤化工股份有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 016062)

0 引 言

煤矸石是煤炭开采伴生的大量固体废弃物，占据煤炭开采总量的15%～20%[1-3]。矸石山长期的露天堆放，极易导致煤矸石中的硫铁矿氧化放热，导致矸石山发生氧化自燃，目前我国大约有30%堆积的矸石山正在自燃或存在自燃倾向[4-5]。自燃矸石山不断向空气中释放SO2、H2S、CO、CO2等气体，严重破坏矿区周边的大气环境，影响周边居民的身体健康[6-7]。目前多家矿山企业采用注浆灭火法进行矸石山自燃治理，取得了一定效果。但在治理前，对矸石山内部温度分布情况和火区范围分布情况缺乏详细判定，导致施工期间注浆孔位置和钻孔深度缺乏科学指导，布置注浆孔较为盲目，导致治理后矸石山发生不同程度的复燃，使注浆灭火的效果大打折扣。

本文以内蒙古鄂尔多斯地区某矸石山东北角第一台阶的自燃区域为对象，采用Fluent模拟软件，对煤矸石山内部自燃区域温度场分布进行数值模拟分析，并且制定详细注浆孔布置方案，提高矸石山注浆灭火的治理效果。

1 实验区域概况

内蒙古自治区鄂尔多斯棋盘井镇某矸石山由洗煤厂排矸经平地堆积而成，空间上分台阶呈梯形体状态。该矸石山的土方量约400万m3，底部占地面积16.67万m2，平均高差32 m，矸石山顶部面积为11.57万m2，坡面面积16.4万m2，平均坡度36°，最大坡角38°。

该矸石山堆放过程中受到外界环境的直接作用，内部逐渐出现高温区域并且引发自燃，虽然矸石山表面进行了黄土覆盖，但表面高温区超过100 ℃，植被难以成活，矸石山附近SO2浓度严重超标。进现场勘察，矸石山东北角自燃现象较为严重，现以矸石山的东北角第一台阶为对象，进行矸石山内部温度场数值模拟计算，具体位置如图1矸石山三维模型图所示。

图1 矸石山三维模型图Fig.1 3D model of the gangue hill

2 温度场模型建立

2.1 建立几何模型

根据矸石山东北角第一台阶的实际情况，建立三维模型如图2所示，模型总体积为1.14万m3，顶部边长15.5 m，面积240.25 m2，底部边长36.14 m，面积1 306 m2，高20.79 m，边坡斜长33.53 m，倾角38°。

图2 矸石山东北角第一台阶几何模型Fig.2 Geometric model of the first step in the northeast corner of gangue hill

2.2 建立温度场数学模型

2.2.1 网格划分

为使Fluent模拟结果准确，需保证矸石山网格划分的质量，在模拟计算中发现，采用六面体网格会提高计算效率和准确度，网格数量为285 000。经检验，网格质量符合模拟要求。

2.2.2 确定关键参数及边界条件

矸石山内部产生的温度场的变化处于瞬时变化状态，且矸石山内部的孔隙形成良好的空气渗流通道，因此将煤矸石山的自燃视为多孔介质的非稳态导热过程。为简化模型，提出3点假设：

(1)煤矸石密度、热容等物性为定值，不随温度变化，矸石山内部气流速度很小；

(2)忽略风流所受重力，以及风流在煤矸石山内部摩擦产热对氧化升温的影响；

(3)矸石山对流换热系数为常数，环境温度为26 ℃不变，不随时间变化而改变。

根据能量守恒方程，可将矸石山氧化放热的热量Q1看作是矸石山向周围空气的散热量Q2、矸石山含水的吸热量Q3和矸石山的吸热量Q4的总和，其余边界视为绝热边界，无对流换热：

Q1=Q2+Q3+Q4

(1)

矸石山氧化放热量：

(2)

式(2)中:qs——矸石表面的放热量，W/m2；

V——为矸石山体积，m3；

n——矸石山孔隙率，%；

D——为矸石的平均粒径，m。

矸石山向周围空气的散热量:

Q2=KA1(t0-tf)

(3)

式(3)中:K——矸石山的对流给热系数，W/(m2·℃)；

A1——矸石山与空气接触面的面积，m2；

t0——为矸石山表面的温度，℃；

tf——环境温度，℃。

矸石山含水吸热量:

(4)

式(4)中:Kw——矸石的含水率，%；

ρw——水的密度，1 000 kg/m3；

C0——煤矸石的比热容，J/(kg·℃)；

K0——矸石山的松散系数；

τ——矸石山的平均温度，℃；

tw——矸石山吸热过程中的温度，℃。

矸石山的吸热量：

(5)

式(5)中:v——单位体积矸石山上升的温度，m3·℃；

ρ0——矸石的密度，kg/m3；

由于矸石山中的水分在燃烧阶段不会有持续的补充，当温度上升至水的燃点，矸石山中原有的水分基本蒸发，空气中水分不再凝结，所以此时矸石山的含水量很低，Kw为0，即Q3为0，矸石中水分的吸热量忽略不计，热平衡方程最终简化为：

(6)

自燃煤矸石山及环境的物性参数如表1所示。

表1 自燃矸石山模拟的主要物性参数

2.3 模拟结果分析

利用Fluent软件，根据矸石山模型和边界条件，对矸石山内部温度场进行数值模拟，得到随矸石山堆积时间增加，内部温度场变化的情况。模拟图为矸石山几何模型正视图，剖面位于矸石山几何模型顶板边长7.75 m处，即顶面的中心位置，如图3所示。

图3 矸石山堆积不同天数时温度分布图Fig.3 Temperature distribution map of gangue hill accumulation for different days

图4为矸石山内部不同高度处，平均温度随矸石山堆积时间的变化，曲线显示，随着矸石山的高度增加，矸石山内部温度呈现先升高后降低的趋势，且高温点出现的高度在矸石山的上半部10.4 m左右，更靠近矸石山的表面。

图4 矸石山内部不同高度处平均温度随堆积时间变化曲线图Fig.4 The curve diagram of the average temperature at different heights inside the gangue hill with the accumulation time

从图3(a)可知，在矸石山堆积60 d后，煤矸石处于氧化燃烧初期阶段，矸石山边坡下方出现高温区，结合图4曲线可知，矸石山内部的高温区域出现在矸石山的上半部，由此判定矸石山内的温度上升，使矸石山内外形成温差，产生了烟囱效应，并且在热风压的共同作用下，空气由矸石山底部进入，并不断向上部移动，最终从边坡两侧流出，故矸石山的边坡位置的氧气供应充足，是主要的风流活动区，矸石自燃的多发区域。

从图3(b)可知，矸石山堆积120 d后，高温区域的温度持续上升，此时的矸石正在缓慢氧化，矸石山内部的最高温度达到356.3 ℃，并且图中明显显示，随着矸石山内部的燃烧升温，矸石山顶部和坡面表面出现高于环境温度的表面高温区。

从图3(c)可知，矸石山堆积180 d时，矸石山内部的温度局部可达到438.7 ℃，矸石山表面高温区域不断扩大。煤矸石山在持续堆积210 d时，如图3(d)所示，矸石山内部高温区的矸石全面进入燃烧阶段，此时矸石山内部的着火点位于垂直于矸石山坡面向下7～10 m，顶面正下方9～11 m的区域内，矸石山表面由坡面顶部沿坡面向下25 m，坡面顶部沿顶面向内15 m的范围内均为矸石山的表面高温区，矸石山内部着火点位置与表面高温区范围如图5所示。

图5 矸石山内部着火点位置与表面高温区范围示意图Fig.5 Schematic diagram of the location of the ignition point inside the gangue hill and the scope of the high temperature area on the surface

确定注浆孔的深度主要以着火点深度为依据，以达到精准扑灭着火点的目的。根据矸石山内部温度场分布的模拟结果显示，着火点位于矸石山顶部垂直向下9～11 m的位置，故将注浆孔的深度设置为10 m。

3 现场工程应用

3.1 注浆区域概况

矸石山坡面和顶部已覆土，坡面顶部土层50 cm，坡面土层30 cm左右，土质为沙土和沙粒混合物，土质较差，无养分。由于坡面无被植物覆盖，造成水土流失，矸石山的部分表土已经烧成黑色，如图6所示，内部自燃现象严重。

图6 矸石山治理前现状Fig.6 Status of gangue hill before treatment

为了解矸石山内部温度及分布规律，首先利用红外热像仪测得矸石山表面红外辐射的热像分布图，初步定位矸石山表面高温区域，再在圈定的高温区域的矸石山顶部钻取勘测孔进行内部的温度测量[8]。勘测孔布置间距为20 m，孔深18 m，采用热电偶分别对勘测孔内部距顶面3、6、9、12 m的位置测温并记录，得到矸石山东南角第一台阶内部温度分布的特征，矸石山内部的着火点集中于边坡下方的矸石山中部，距顶面3 m处的平均温度为304 ℃，6 m处平均温度442 ℃，距顶面9 m 的温度高达454 ℃，距顶面12 m的平均温度为412 ℃，勘测孔内部的温度超过12 m后开始逐渐下降。由测温结果可知，矸石山内部的高温区域较大，且最高温度位于垂直于顶面约9 m深的位置，矸石山的表面温度较高。矸石山现场的自燃区域温度分布特点与模拟结果基本相符，故采用对于模型模拟结果为对象制定的钻孔方案，进行矸石山现场的注浆灭火工作。

3.2 灭火浆液选取与注浆施工关键参数

注浆灭火技术的工艺，是将灭火浆液通过在矸石山上钻取的注浆孔注入矸石山内部孔隙中，形成包裹体，在降低高温区域温度的同时，阻断氧气输送通道，抑制氧化反应，达到彻底根治矸石山自燃的效果。选取当地电厂大量废弃，利用率低下的粉煤灰、水泥等外加剂制备注浆浆液，浆液具有内聚粘结力强、包裹力强、结实率高等特点。在进入矸石山内部着火点后可以有效包裹煤矸石，封堵漏风通道，迅速降低着火点温度，并且凝固后的浆液固化体性能够达到灭火要求[9]。综合考虑浆液的化学稳定性、流动性和保水性等性能，确定注浆孔径108 mm，每孔平均注浆量40 m3，注浆压强2.5 MPa，灭火浆液的扩散半径2 m，在矸石山顶部梅花形布置4排注浆孔，排间距3 m，孔深10 m(图7～8)，保证各钻孔之间的注浆浆液可以相互连接，达到有效充填矸石间的空隙，充分包裹自燃矸石的目的[10]。

图8 注浆孔深度布置示意图Fig.8 Schematic diagram of grouting hole depth layout

3.3 注浆效果检验

矸石山注浆作业完成后，利用热电偶测温装置测量勘测孔内温度参数，以监测注浆治理效果[11]。对于温度复测结果高于80 ℃的注浆孔进行多次注浆处理和温度复测，直至测温孔内温度小于80 ℃，视为注浆治理取得成效。

在自燃矸石山注浆治理1年后，检验注浆灭火方案的治理效果，通过在矸石山表面和勘测孔内温度测量进行对比，表2为随机抽取的注浆孔的测温结果。

表2 矸石山注浆治理前后温度监测记录

测温结果显示，矸石山表面温度接近于正常地表温度，内部最低温为21 ℃，最高为54 ℃，所有测温孔内温度都小于规范要求的不高于80 ℃的标准。现场的烟尘和刺激性气味大大减小，矸石山的自燃治理取得了较好的效果。

4 结 论

(1)利用Fluent软件对矸石山东北角第一台阶温度场分布进行模拟，结果显示高温区域位于矸石山边坡下方，着火点位于垂直于坡面以下7～10 m处，温度为438.7 ℃；坡面顶部沿坡面向下25 m，坡面顶部沿顶面向内15 m的范围，均为矸石山模型的表面高温区域。

(2)对自燃矸石山温度场分布模拟结果进行注浆灭火的钻孔布置，在矸石山顶部梅花形布置4排注浆孔，排间距3 m，孔深10 m。矸石山东北角第一台阶现场测温结果与Fluent软件模拟结果相吻合，并采取模拟钻孔方案对矸石山进行注浆钻孔治理，取得良好的治理成果。

(3)准确测定自燃矸石山内部温度场分布规律，对矸石山内部高温区域进行准确判定并制定钻孔布置方案，可以有效避免盲目注浆造成的危害，对提高钻孔注浆灭火工作的效率和治理效果具有实践指导意义。