自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究.pdf

书书书第 卷第 期能源与环保 年月 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧安全科学与环保收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：郑万成（），男，江苏涟水人，正高级工程师，注册安全工程师，安全评价师，注册监理工程师，注册咨询工程师，博士，现任四川省煤炭设计研究院昆明分院院长，主要从事矿山设计及矿山灾害防治等技术工作。引用格式：郑万成，褚廷湘，赵波 自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究 能源与环保，（）：，（）：自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究郑万成，褚廷湘，赵波（四川省煤炭设计研究院，四川 成都 ；华北科技学院，河北 三河 ；河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 ）摘要：针对矸石山自燃产生大量有毒有害的 、以及 等气体，对矿区周围生态及居民健康造成严重威胁的问题，采用先打钻测温确定矸石山自燃区域的火源位置再进行注浆防灭火处理措施，通过分析距边坡不同深度钻孔的温度分布得出矸石山自燃区域火源位于距离边坡 深处，矸石山自燃区域发展规律为由自燃火源处向外侧边坡蔓延。在确定自燃火源位置的基础上，采用注浆防灭火措施对矸石山自燃灾害进行治理，注浆过程中先常压缓慢注入低浓度浆液，再带压注入高浓度浆液，最后对自燃区域表面喷洒浆液隔绝氧气。注浆完成后，矸石山高温区域逐渐降至常温，气体浓度逐渐减小并消失。通过连续的温度和气体监测表明，矸石山注浆能达到长期防灭火的目的，研究可为矸石山的自燃灾害治理提供参考。关键词：矸石山自燃；火源位置；注浆防灭火中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，年第 期能源与环保第 卷 ：；在煤炭资源开采利用过程中，伴随产生的废弃物往往会引起一系列的生态环境问题，其中煤矸石是目前矿井中排放量最大的固体废弃物之一 。尽管目前针对煤矸石提出多种利用途径与处理措施，如作为化工产品的原料、生产建筑材料、制造化肥以及煤矸石井下回填等 ，但是目前国内依旧存在大量露天堆积的煤矸石，其中大部分存在自燃隐患或持续发生自燃。煤矸石山不仅容易发生滑坡、坍塌及爆炸等事故，自燃中的煤矸石山持续产生有毒有害气体和重金属化合物，对矿区周围的大气环境和水文地质造成严重污染，危害矿区居民的健康，同时也为矿井增加大量的治理经费 。因此，对发生自燃的矸石山采取防灭火措施具有重要意义。前人通过研究指出，矸石山中主要是采煤与洗煤过程中淘汰的矸石与碎煤，硫化物含量较高。在堆积过程中，硫化物容易被氧化产生热量并不断积蓄，引起周围的碎煤开始发生氧化，矸石山的倾斜堆积且边坡结构松散，底部漏风后沿边坡裂隙进入中高部形成烟囱效应导致自燃氧化加剧，碎煤和煤矸石氧化产生的热量不断增加后形成局部高温点，最终引发矸石山自燃 。国内外常用的矸石山灭火措施包括挖除火源、注浆（水）、黄土覆盖、控制燃烧、注惰性气体等 。挖除火源指在确定火源位置后直接挖除自燃煤矸石使其降温；注浆（水）是指通过钻孔将浆液或者水注入矸石山内部达到冷却降温及灭火的目的；黄土覆盖是指通过在矸石山表面覆盖黄土隔绝氧气，达到抑制自燃的目的；控制燃烧是指让自燃的煤矸石在受控的条件下自燃；而注惰性气体是指向矸石山内部注入 和 等惰性气体，达到防灭火的目的。上述措施有各自的优势以及适用范围，同时存在一定的局限性 。注浆防灭火措施在施工成本与防灭火效果方面与其他措施相比均具有优势，因此被广泛应用于矸石山现场自燃治理中 。而发生自燃的矸石山自燃区域往往面积庞大，在不确定自燃区域火源位置的前提下盲目注浆，不仅浪费注浆材料，而且达不到防灭火的目的。在施工注浆钻孔前，必须先确定矸石山自燃区域的火源位置，再根据自燃情况设计注浆钻孔位置、数量等参数 。前人针对矸石山自燃开展了深入的研究，但各煤矸石山堆积情况复杂、发生自燃的实际情况差异较大，在矸石山治理过程中，应结合现场实际采取相应的治理措施。矸石山自燃火源位置确定四川省某矿区的煤矿矸石山堆积年代久、面积大且自燃严重，产生的烟气严重污染周围空气，对居民生活造成恶劣影响。之前对该自燃矸石山的治理过程中，采取黄土直接覆盖和自燃表面喷水的简单处理方式，在处理后几天内自燃状况有所好转但很快再次复燃，复燃时比第 次自燃情况更加严重。分析认为，覆盖黄土虽然能短时间内降低氧气浓度，但并不能完全隔绝表面氧气进入，同时无法封堵矸石山内部的裂隙，漏风通道依旧存在，反而为内部的矸石氧化自燃提供了更好的蓄热环境。因此，覆盖黄土后很快再次发生复燃。而表面喷水虽然能降低矸石山表面及内部温度，但是并没有隔绝氧气在停止喷水后矸石再次发生蓄热自燃。为有效治理矸石山自燃灾害达到长期防灭火的目的，决定采用注浆防灭火措施对自燃矸石山进行治理。通过对矸石山整体勘测，发现自燃区域主要集中于边坡处，而在顶部及底部较少产生高温烟气，因而将边坡表面的烟气较大处初步判定为自燃区域。矸石自燃受到内部的可燃成分（有机质和硫化物）、漏风（氧气）以及蓄热环境的影响，矸石山表层的孔裂隙较大换热作用明显导致蓄热能力较弱，自燃火源往往不在矸石山表层。与此相反，矸石山内部中心区域由于受到矸石山自重或人为压实作用，导致矸石山内部进入的漏风较少，不足以提供用于持续氧化的氧气浓度，自燃火源位置同样不可能存在于矸石山内部中心区域。在距矸石山边坡一定深度的区域，既满足良好的供氧条件又存在良好的蓄热环境，才可能发展成为自燃火源。为确定自燃区域的火源深度，从矸石山顶部向自燃区域内施工钻孔，钻孔位置分别位于距离边坡不同深度处，成孔后放置花管防止塌孔并用于测温和注浆。测温钻孔布置如图 所示。图 钻孔布置 年第 期郑万成，等：自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究第 卷通过打钻，安装花管、温度探头和采气装置，采集气体样品等一系列操作，完成对矸石山内部温度的测量以及标志性气体的分析。具体操作如下：选用外径为 、内径为 的孔口管，孔口管周边涂上锚固剂，装入打好的钻孔中；利用小于孔口管直径的钻头，顺孔口管方向往下打到预计深度，安装 根长 的花管；花管安装完成后，安装测温取样管；将测温取样管送入钻孔底部，采集底部的温度及气体成分；测温取样完成后，分析每个钻孔的温度和 气体浓度，分析判断不同钻孔的矸石自燃氧化状态。将温度探头和气体采集装置布置在钻孔底部不同位置，测量距边坡不同深度的温度和气体浓度，结果如图 所示。图 距边坡不同深度处的温度、浓度分布 由图 （）可知，从矸石山边坡表面（）至内侧 深处的温度分别为 、，从矸石山边坡向矸石山中间区域温度先升高后减小，最高温度位置在距矸石山边坡 处，达到了 ；由图 （）可知，从矸石山边坡表面（）至内侧 深处的 含量分别为 、，浓度在距边坡 附近含量较高，达到了 ，矸石山外侧 含量明显高于内侧。综合分析温度和 浓度分布可知，矸石山自燃火源位于距离边坡 处附近，且从自燃火源位置外侧矸石山边坡表面的温度和 浓度明显比内侧矸石山中心区域高，这表明形成的自燃火源更容易向靠近边坡侧蔓延而非向内侧中心区域发展。这是因为在煤矸石山堆积形成过程中，在自重及人工的作用下，被压实的煤矸石山中间区域裂隙较小，而处于自然堆积状态的煤矸石山边坡表层裂隙较大，外部漏风只能够通过边坡表层进入浅部而无法进入深部区域。浅部煤矸石在漏风的作用下开始发生氧化，氧化产生的热量大于热量散失的地方开始出现热量积聚，并逐步发展为自燃火源。由于外侧边坡处漏风通道较大容易带入氧气，而内侧结构紧密且自燃的煤矸石燃尽后形成粉末，覆盖在内侧煤矸石表面阻隔氧气，形成的自燃火源更容易向外侧发展，导致外侧温度明显高于内侧。注浆防灭火根据矸石山自燃区域的分布规律，利用距离矸石山边坡 的测温钻孔进行注浆，同时将距离矸石山边坡 的注浆钻孔封孔避免形成漏风通道。注浆如图 所示。图 注浆示意 防灭火浆液用黄土、粉煤灰和水配制而成。由于黄土主要组成为石英、方解石，其主要成分为 和 ，粉煤灰中含有 、等碱性物质，其中 和 能够与碱性物质 （）反应生成硅酸钙和硅酸铝等水凝胶覆盖在矸石表面，在隔绝氧气进入的同时对矸石山裂隙进行封堵。而粉煤灰中含有的碱性物质 的浆液能够中和 年第 期能源与环保第 卷煤矸石中的硫化物和燃烧生成的 、和 等，主要发生反应见式（）（）：（）（）（）（）（）（）（）（）（）在矸石山注浆过程中，将粉煤灰、黄泥和水按一定比例混合并搅拌均匀，混合液中的黄泥和粉煤灰很快发生沉降，且浆液浓度较高时容易堵塞注浆管。为此，向混合液中添加悬浮剂，并在注浆过程中，不断搅拌混合液，注浆浆液配置如图 所示。现场注浆过程中选用 型煤矿用液压注浆泵，注浆工艺参数主要包括：水灰比、注浆压力、注浆量和注浆钻孔布置方式等。其中，水灰比根据实验测试结果和矸石山现场施工条件，分别配置低浓度防灭火浆液（粉煤灰、黄泥、悬浮剂及水按 配比）和高浓度防灭火浆液（粉煤灰、黄泥、悬浮剂及水按 配比）；注浆压力越高越有利于防灭火浆液渗透入矸石山内部裂隙，减少注浆孔等工程量。矸石山堆放体裂隙发育严重破碎，则一般注浆压力不超过 ；矸石山裂隙较小时可采用 。注浆中，当注浆孔达到设计终压后，关闭注浆泵 ，当注浆压力明显下降时，再点动开启注浆泵，直至注浆压力稳定在注浆设计终孔压力值不再下降，即可停机。图 注浆浆液配置 由于矸石山自燃区域温度较高，直接注浆可能导致防灭火浆液水分快速蒸发，在注浆管路或钻孔中凝固而堵塞，这直接导致了现场注浆过程中出现的刚注浆便堵孔的“被动封孔”现象。因此，在注浆之前先通过注浆钻孔向矸石山内部缓慢注入清水，注水过程中保持低流量、常压力、长时间。目的是为了利用水的渗透性充分润湿矸石山自燃区域，降低矸石山温度。同时，低流量和长时间能保证矸石山内部的自燃区域不会接触大量水产生氢气等发生爆炸危险，确保了施工安全。在注水 时，矸石山边坡自燃区域已经基本熄灭，此时开始利用注浆设备向矸石内部注入防灭火浆液。注浆过程中，先常压缓慢注入浓度较低的浆液，既保证了浆液充分渗透入矸石山内部裂隙中，填充漏风通道，又能充分使矸石山自燃区域降温，避免注浆管路堵塞。当矸石山边坡有水渗出或者矸石山表面烟气逐渐减少且烟气颜色为白色无明显刺激性气味时，提高浆液浓度，并逐渐升高注浆压力，最后完成注浆钻孔的封孔。由于矸石山内部孔裂隙较大，漏风通道复杂，即便注浆后对自燃区域内的裂隙进行了填充，漏风依旧可能通过附近的通道带入氧气。为防止氧气再次进入矸石山体，注浆完成后在矸石山边坡自燃区域及其附近区域表面喷洒高浓度的防灭火浆液，在边坡表面形成一层保护层，隔绝外部氧气进入，构成“表面隔绝氧气内部填充裂隙”的矸石山防灭火体系。注浆效果考察经过治理后，矸石山自燃状况总体得到明显改善。治理前，矸石山上自燃烟气量大、刺激性气味浓烈；治理后，表面基本没有气体产生或者仅有少量轻烟、不含刺激性气味的水蒸气产生。为进一步考察注浆后的长期防灭火效果，在原自燃区域内部不同深度处埋设测温探头和气体采集装置，连续考察在注浆后 中的温度及气体含量变化。注浆期间及注浆后的温度和 含量变化如图 所示。图 注浆前后温度和 含量变化 在治理前的煤矸石山内部最高温度达 年第 期郑万成，等：自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究第 卷，治理后温度稳定在 附近，治理后温度大幅度降低，且在连续 的观测过程中温度一直处于较低水平，没有发生温度异常升高现象。通过内部测温结果可知，治理区域内的煤矸石山内部火源基本被熄灭，能够起到长期防灭火的效果。治理前自燃区域内部的 含量最大值达到 ，治理后 含量在 左右（受周围其他自燃区域影响），治理后各处 含量均保持较低水平，可见自燃区域内部煤矸石氧化反应极为微弱，氧化产生的热量小于向周围环境中散失的热量，不会引起自燃，防灭火效果较好。结论（）通过测温确定矸石山自燃火源处于距离矸石山边坡 处附近，并通过分析不同深度的温度分布得出矸石山自燃区域由火源处向矸石山外侧边坡发展的趋势。（）对矸石山自燃区域进行打钻注浆，先常压缓慢注低浓度浆液，再带压注高浓度浆液并完成注浆钻孔封孔，最后对自燃区域表面喷洒高浓度防灭火材料，形成保护层隔绝氧气。（）注浆完成后，对矸石山内部的温度和 含量进行连续监测结果表明，矸石山温度基本稳定在常温附近，含量处于正常范围内，矸石山注浆后能达到长期防灭火的目的。参考文献（）：张震，周少玺，乔伟 煤矿矸石山自燃防治技术研究 内蒙古煤炭经济，（）：，（）：自卫，倪萌，王兴华 煤矿矸石山自燃综合治理技术应用 山东煤炭科技，（）：，（）：朱闰勤，刘永团 煤矸石自燃机理及防治 能源与节能，（）：，（）：赵慧 矸石山自燃治理研究 能源与节能，（）：，（）：位蓓蕾，胡振琪，王晓军，等 煤矸石山的自燃规律与综合治理工程措施研究 矿业安全与环保，（）：，（）：任思良 注浆法在治理自燃矸石山工程中的应用 山西建筑，（）：，（）：何骞，肖旸，杨蒙，等 矸石山自燃防治技术及综合治理模式发展趋势 煤矿安全，（）：，（）：朱留生 煤矿矸石山灭火治理与自燃预警技术研究 煤炭科学技术，（）：，（）：贺春玲 矸石山自燃的灭火技术及预防措施 煤炭技术，（）：，（）：翟小伟，马灵军，朱国忠，等 煤矿矸石山自燃治理技术研究与实践 煤炭科学技术，（）：，（）：温磊，董红娟，武兵兵，等 利用粉煤灰治理矸石山自燃技术研究与应用 选煤技术，（）：，（）：王亚文，王晓军，王兵，等 基于系统测温的矸石山自燃状况评估方法 煤矿安全，（）：，（）：董红娟，卢悦，袁治国，等 基于温度场分布规律的矸石山注浆钻孔布置方案研究 能源环境保护，（）：，（）：薛可沁 矸石山治理方案的探索与实践 煤炭技术，（）：，（）：