粉煤灰灌浆技术在煤矸石自燃治理中运用分析

卢 璐

（山西交控生态环境股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在我国采煤行业中，向外运输的煤矸石可能会随着时间累积在采煤场附近堆积成煤矸石山，导致其内部热量无法得到有效扩散，存在于煤矸石山表面和内部缝隙的氧气会在此种环境在加快对煤矸石的氧化，从而导致自燃现象的发生。煤矸石在自燃过程中所释放的气体具有严重污染性质，会对当地周围空气造成污染。因此对该问题的研究对现实生活具有重要意义。

1 煤矸石自燃原因分析

煤矸石是在煤炭开采与清洗过程中产生的，一种坚硬度较高的灰黑色固体物质，由于目前我国绝大多数情况下均采用机械化的工艺和手段进行煤炭开采，因此在长时期运作过程中难免会有大量煤矸石堆积到开采地周围，不仅污染了周边环境，还带来了极大的安全隐患。

造成煤矸石自燃的原因有很多，其中最常见的就是其内部自身所含元素的影响。具体来说，煤矸石内部的可燃物质含量较多，比如不完全开采导致的残余煤渣、硫铁矿等，此外还包括一定量的煤矸联合体。其中，各种含有硫元素的物质是引发煤矸石自燃的最重要原因，以单质硫和硫体矿为主的可燃物在长时间累积下提升了自然发生概率。

此外，除了各种可燃物质之外，若煤矸石内部的低温氧化物、热量物质含量较多，也可能引发自燃现象的产生。不仅如此，氧气流通通道也会为自燃现象的发生提供一个机会，再加上表现形式为-SH、-S-S-的有机硫本身就具有较高的可燃性，因此在多种因素的共同作用下，煤矸石残余煤基分子可能会出现异常温度波动，导致自燃现象的发生[1]。

2 煤矸石自燃治理工作中粉煤灰灌浆技术的具体应用分析

2.1 粉煤灰灌浆技术的使用前准备

2.1.1 具体治理方法的确定

就目前粉煤灰灌浆技术在煤矸石自燃治理工作中的实际使用情况来看，除了可以采用灌注浆体的方法以外，该技术还能支撑起剥离火源和封堵缝隙两大治理方法。通常情况下急需进行治理的煤矸石火山都认识在服务期之内的，因此该区域内的人员流动较多，若采用封堵缝隙的治理方法则会阻碍相关人员对煤矸石的搬入或搬出工作，导致防火和灭火作业的失败；此外，剥离火源的自燃治理方式有应用条件限制，比如该方法不适用于煤业新的煤矸石场地或是覆盖面积较大的煤矸石山。因此，对于煤矸石自燃治理来说，在粉煤灰灌浆技术的支撑下，目前更容易被相关从业者所接受的治理方式仍为灌注浆体法，该方法也被称为注浆灭火法。

为了能在尽可能短的时间里降低目标区域内煤矸石的自由温度，在实现氧气隔绝和疏漏封堵的同时，达到良好的治理效果，通常会采用粉煤灰、黄泥等作为灌注材料，必要时还可使用胶凝剂加以补助。由于粉煤灰的主要成分为CaO，且CaO 能够与水发生反应变为Ca（OH）2，然后进一步与自燃中的煤矸石所生成的气体进行化学反应，从而形成一个有效的氧气隔绝层，达到对煤矸石自燃问题的有效治理[2]。

灰水质量比为1∶1 或1∶2 的粉煤灰浆液都属于高浓度灌浆材料，在胶凝剂的配合下，这种含有较高浓度的灌浆材料能够增强对自燃煤矸石的整体治理效果。首先，应先通过原有管道将此次所使用的粉煤灰浆液安全运输到目标煤矸石区域内，然后再使用同种方法完成对胶凝剂的安全运输。这样一来，粉煤灰浆液和胶凝剂就会在一段时间过后形成一种含有大量粉煤灰的复合胶体，其自身功能性也会得到大大增强，在达到对煤矸石山前处裂缝封堵要求的同时，尽可能减少或避免烟囱效应的出现。

2.1.2 相关系统设备的合理选择

目前常见于煤矸石自燃治理的系统设备有型号为ZMJ-15 的井下移动式自燃治理系统设备、型号为MYZ-30 的地面移动式自燃治理系统设备和型号为MDZ-60 的地面固定式自燃治理系统设备。

这三者的优缺点分别为：对于井下移动式自燃治理设备，其在正常投入使用过程中所消耗的成本较少，且系统设备本身的占地空间较小，防火灭火速度快且效果较好，但对于所用高浓度粉煤灰灌浆材料的需求量较大，运输工作较为复杂；地面移动式自燃治理系统设备不需要治理人员对其进行固定操作，因此可以满足不同环境下的煤矸石自燃治理需求，且在一些特殊条件下，还能满足对灌浆站位置的灵活选择与移动，该系统设备与井下移动式自燃治理设备的缺点一样，对高浓度粉煤灰灌浆材料的需求量较大，因此在运输工作上会消耗一定的时间。除此之外，地面移动式自燃治理设备在灌浆位置的选择与确定上有特殊要求，会在一定程度上影响最终呈现结果；而地面固定式自燃治理系统设备的系统稳定性较高，且能够在不依靠过多人力的情况下实现一次性灌注大量注浆材料。此外，该系统设备对所用灌浆材料的运输需求较小，可控范围较大。但其缺点较多，一是运行和维护成本较高，二是具有较高的技术性要求，对操控水平也有着特殊标准要求，三是运输高浓度灌浆材料的管道要足够长，这也是成本提升的一个体现[3]。

以型号为MDZ-60 的地面固定式自燃治理系统设备的实际运行为例，该系统设备在煤矸石自燃治理工作中的实际运用流程为：先将缓冲池分别与滤浆机、渣滤泵相连，缓冲池内的物质在经过处理后通过滤浆机传输到注浆胶体制备机当中，然后在通过皮带传输机和定量送料机将所用高浓度粉煤灰灌浆材料运输土场当中。为了保证灌浆材料中不含或少含杂质，还应将清水灌注到清水泵中，并与胶体制备机相连，此外在运输过程中还需要借助以推土机、装载机和汽车等为主的大型机械设备。而在渣浆泵这一端，是使用的设备为采矿行业专用的煤矿用注浆机，并利用该注浆机实现对灌浆注胶地点的灌浆工作。

2.2 对于轨道附近的火山治理

对于运矸轨道附近所堆积的煤矸石山燃烧来说，首先要根据燃烧程度和煤矸石山的占地面积大小来铺设相应的灌浆管道。除了要保证灌浆管道的位置具有较高精确度和准确性以外，还要保证该灌浆管道能够沿着地面一直持续铺设到目标煤矸石山山顶处。其次，应尽快制作好自燃治理工作所需的灌注钻孔，这一工作所采用的主要工具为钢管，具体操作方法就是在实际勘查现场和参数计算的基础上确定钻孔位置，然后将事先预备好的钢管插入目标煤矸石山的相应位置内，插入深度大约维持在1～2 m 之间。最后，在将凝胶剂灌入到灌注钻孔中时，应先将高浓度粉煤灰材料与凝胶剂进行混合，先使二者生成相应的胶体物体，然后再采用自下而上的方法将该胶体物质填充到煤矸石的浅层缝隙中去。

对于轨道附近的火山处理来说，整个工作有三方面的注意事项：在灭火工作中，首先要对燃烧区域的边缘位置进行处理，并尽可能地降低煤矸石边缘位置的温度，然后在逐步对上层区域燃烧的煤矸石区域进行治理；要根据实际情况对所用粉煤灰的浓度和凝胶剂的剂量进行把控，杜绝治理失败或爆炸现象的发生；在必要时还可以向所用粉煤灰灌浆材料中加入适量的草籽，草籽的作用是对目标煤矸石进行绿化，减少其对周边环境的污染。

2.3 对于距离运矸轨道较远的燃烧区域治理

对于距离运矸轨道较远的燃烧区域来说，首先人是要确定注浆管道的位置，为了在保质保量完成灭火处理任务的同时，为操作人员和治理人员的人身安全提供保障和支撑，应尽可能将注浆管道的位置选择在地势较为平缓的区域内，且还要在注浆管道上找寻适当的位置，将金属梯固定在该位置上。这样一来，即便是在实际治理过程中发生了再次自燃或爆炸事故，工作人员也能够在第一时间利用安全梯撤离此区域，为其通行提供了方便。通常情况下，在对距离运矸轨道较远的燃烧区域进行灭火处理时，相应的注浆管道一次安装长度大约在5 m 左右，且该管道向起火煤矸石山的延伸方式为间断性延伸[4]。

与在轨道附近的火山燃烧治理不同，此种环境下的治理工作展开较为复杂，且实施难度较大，因此通常情况下为了能够保证灌浆管道能够在维持长时间稳定运行状态，还应对其加装灌浆套管。灌浆套管保护作用在此处的体现为：能够抑制火势的继续蔓延和扩张，同时还能在一定程度上降低煤矸石山发生爆炸的可能性，一般作用于燃烧程度较高的煤矸石中。另外，为了保证灌浆操作的连续性，管道与管道之间还应做好相应的连接处理。在延伸过程中，首先要对原有管道在现阶段的温度情况进行有效测量，其中最主要的是明确10 m 范围内的温度数值大小，并在此基础上完成灌浆管道向目标煤矸石内部的延伸工作。

其他的注意事项和操作方法均与对轨道附近的火山灭火治理完全相同，但由于此项工作的操作危险系数较高，为了能够从极大程度上保证人身安全，在对灌浆管道进行铺设作业时，还应在一定范围之内拉好警戒线，并派专人定期在治理区域内进行巡逻走访，杜绝一切可能会对治理工作造成干扰的行为，比如非工作人员随意进出工作现场、在未经允许下私自靠近煤矸石自燃区域等。与此同时，还应先对通行通道等重要部位的火源进行加急处理，尽最大可能保护人员安全，然后再对煤矸石山其他着火区域进行灭火治理。

2.4 与其他技术的融合运用

1）若单独使用粉煤灰灌浆技术展开治理工作，治理人员能够提前采集到此项工作中所需的各种基础性尺寸，包括发生自燃问题煤矸石山的直径、边缘自燃点与着火中心的距离等，此外还包括一些其他预期信息和尺寸信息。

2）粉煤灰灌浆技术能够与自动割煤技术进行有效融合，从而使所作用煤层的采高数值能够准确展现出来。此外，为了确保数值精确性，在设定采煤机采高的区间范围，即采高最大值和最小值时，还应根据其内部滚筒位置的实际高度来确定，尽可能避免滚筒位置不当。另外，在自动化割煤机的运行过程中有时会发生设备自动运行故障，这是因为其内部滚筒超出了预设范围值，正常的位置限定应保证滚筒的上下边缘均在采煤机预设位置范围之内[5]。

3）粉煤灰灌浆技术与SIPSA 参数调查技术的有效融合能够加强自动割煤技术的实际应用功能。这一目标的实现主要是对自动采煤机在各个阶段和各个部分的位置确定，最主要的是其内部支架以及暂停或停止运行时的位置。

4）粉煤灰灌浆技术作用的完全发挥还离不开传感器的支撑。具体来说，传感器能够对目标自动采煤机在实际运作过程中所产生的各类数据信息进行调查研究，比如阶段性变化规律、工作面波动情况等，然后在对其进行分析的基础上调整原有补偿数值和高度值，并以此实现对自动采煤机的有效补偿，增强粉煤灰灌浆技术的精确性和可靠性。

3 结语

目前粉煤灰灌浆技术在煤矸石自燃治理中的应用已经取得了不错的成效，但还存在一定的上升空间。为此，相关治理人员应尽快转变自身传统观念，加深对粉煤灰灌浆技术的认识和了解，明确该技术的应用原理和实际操作方法，并站在全局视角下重新审视整个自燃治理工作。这样才能有效提升煤矸石自燃治理的能力和水平，为我国煤炭行业的发展赢得更多经济效益、社会效益和生态效益。