淺談矸石山治理

劉利紅

1 概況

近年來,隨著煤炭企業煤炭產量的大幅提升,作為煤炭生產副產品煤矸石的產出量也大幅提高,其煤矸石的堆積量也越來越多。矸石多為自然堆放,堆放坡度大,由于未進行封閉,局部已有自燃現象。自燃的矸石嚴重污染大氣,威脅職工和周邊群眾的身體健康,已成為城市的一個主要污染源。

1.1 矸石山自燃機理

煤礦生產過程中要排出大量的矸石,其主要成分是煤層頂板及煤層夾層的炭質泥巖或含炭泥巖,并含少量黃鐵礦結構,炭屑及炭塊。由于黃鐵礦含硫,在常溫條件下,煤矸石與空氣中氧氣具有良好的結合能力,當矸石得到充分的氧氣供應后,將產生低溫氧化反應,如氧氣供應充分,則可保證低溫氧化反應持續進行,如果低溫氧化反應放出的熱量不能及時消散于周圍環境中,就會導致煤矸石局部升溫,若煤矸石中有足夠的可燃物,且能得到充分的氧氣供應時,則環境溫度的升高,又會促使矸石的氧化反應加速。在達到臨界溫度點(80℃～90℃)后,氧化反應速度迅速提高,矸石很快自燃,嚴重污染大氣環境。

矸石自燃燃燒過程中會產生大量CO,SO2與H2S等有毒、有害氣體及煙塵,嚴重污染大氣環境。同時煤矸石經雨水淋溶形成的酸性水,滲透到地下污染地下水,嚴重危害人們的身體健康。對農業、畜牧業也帶來嚴重的不良后果,使農作物枯萎或減產,甚至可能顆粒無收。

1.2 矸石山治理的措施和目的

探測矸石山內部隱蔽火源,制定滅火方案,進行滅火降溫。將矸石山坡頂、坡面進行削坡整平,達到山體穩定及固土的需要,對其表面覆蓋土層達到封閉的作用。覆蓋土層后植樹種草,達到護坡、綠化、美化改善環境的效果。在矸石山上設有完整的排水系統,防止雨水沖刷坡面、滲入山體形成泥石流而造成滑坡。

2 矸石山滅火方案的選擇

2.1 目前國內外矸石山滅火方法

1)注漿封閉法。該方法通過降溫與隔氧兩方面的共同作用來達到滅火的目的。通過在火區和自熱區布置一系列鉆孔,最后將不燃物(黃土或粉煤灰等)和石灰配成的泥漿灌入火區和自熱區,以阻斷空氣進路,火區冷卻后將火區和自熱區全部填滿漿料。2)表面密封壓實法。該方法是在自燃矸石山表面覆土壓實,以隔絕空氣進入,使自燃矸石山內部空氣耗盡后熄滅。3)灌水法。水是滅火工程中最常用的滅火介質,水在高溫下形成水蒸氣吸熱降溫效果顯著,并且水蒸氣能夠阻止空氣接近可燃物。4)直接挖出冷卻法。該法通過直接挖除著火矸石和熱矸石,冷卻后回填或重新堆積。這種方法簡單而成功率高,在現場用的最多。5)低溫惰性氣體法。低溫惰性氣體法是在矸石山火區或自燃區注入液氮和固體二氧化碳,不僅能快速降低溫度,而且在相變過程中體積增加500倍,形成冷高壓波,從注入點迅速擴散至全區,把低密度熱煙氣排擠上升到地表,隔絕空氣達到滅火降溫雙重目的。6)灌漿密閉泡沫滅火法。這種方法把灌漿和泡沫結合起來,先用灌漿把火區隔離起來,再向火區注入泡沫滅火劑,加速消滅明火,縮短滅火時間。泡沫滅火劑在矸石空隙中流動比較容易控制,隔離火區的效果較好,它在矸石表面形成的膜可以保持很長時間。7)燃燒法。在受控條件下讓矸石燃燒,燃燒產物經凈化后從煙囪排出,燃燒熱量加以利用,具體方法在矸石山內鉆水平通道,矸石山表面鋪土壓實,由鉆孔有控制地向內供應空氣點燃矸石,用抽氣機將煙氣抽出并加以凈化,煙氣熱量被利用后,最終從煙囪排出。

2.2 滅火方案的選擇

通過對國內外矸石山滅火方法進行對比,結合多年來對煤矸石治理經驗,采取碾壓覆蓋為主,配合局部注漿充填煤矸石空隙、漿液包裹矸石體隔絕氧氣,并通過鉆孔放熱,修筑排水系統、植樹種草綜合治理的方法,從而達到滅火降溫,改善環境的目的。

2.3 方案的可行性

在自燃矸石山表面鋪土壓實,以隔絕空氣進入,使自燃矸石山內部空氣耗盡后熄滅。同時通過改變矸石堆積坡度,推散高溫矸石促使降溫,有利于矸石山斜坡覆土與碾壓,火勢能得到有效控制,滅火效果較好。局部灌漿封可使矸石迅速降溫,有較好的隔氧效果,它可以防止因黃土覆蓋不好引起矸石復燃的可能。

3 矸石山治理設計技術

3.1 滅火

1)土層覆蓋。對矸石山坡頂或坡面有明火或溫度較高的部位,采用黃土分層碾壓覆蓋,分層厚度0.2 m～0.3 m,黃土覆蓋碾壓最小厚度1.0 m。使用的黃土要控制粒徑、含水量及有機物含量。

2)注漿滅火。在坡頂有明火或溫度較高的部位覆蓋黃土后,進行鉆孔施工,鉆孔使用鉆機,深度5.0 m,間排距 3.0 m～3.5 m。在成孔后,要進行孔內測溫,對溫度有異常的鉆孔適當加深。

滅火漿液材料應因地制宜,采用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過篩配制,配比1∶1,水固比 0.7∶1～0.8∶1,注漿方式采用壓力注漿或蔽口灌注。

3.2 矸石山邊坡削坡整平

一般坡面按高寬比不大于1.5進行整平,然后對坡面整平中需要回填部分進行夯實,夯實系數不小于0.85,并在矸石山邊坡坡底設石砌護墻,坡底石砌護墻高1.5 m～2.0 m左右,護墻背后用1 m黃土分層夯實,夯實系數不小于0.92,中部用馬道把坡面分成階梯式。

3.3 覆土

矸石山坡面整平至設計要求后,在坡面上覆蓋1.0 m厚黃土(厚度為垂直坡面尺寸)并分層夯實,夯實系數不小于 0.85。在平臺上覆蓋1.0 m厚黃土,并用道路及圍堰進行分割,馬道上覆黃土同平臺。

3.4 排水及澆灌系統

3.4.1 排水系統

在平臺上用圍堰分割,雨水保持在土壤里,在坡面豎向及馬道均設排水溝以排除坡面雨水;在坡底設截洪溝,使坡面的水匯入截洪溝形成完整的排水系統。

3.4.2 澆灌系統

采用拖式噴灌。根據GB 50013-2006室外給水設計規范,結合山西省用水標準和矸石山的實際情況,設計原則確定如下:

綠化用水標準為1.5 L/(m2·次),3 d一次。

噴灌管路設計原則:管路沿矸石山綠化范圍環狀設置,間距100 m設置噴淋檢查井一個,設置出水短管及閥門。

噴灌用水水池的確定:水池的容積按照矸石山綠化面積噴灌一次總用水量的50%～100%確定,面積較小時按照100%計取,面積較大時按總用水量的50%～80%計取。

根據以上原則,在矸石山頂建水池及泵房。

3.5 植被

根據矸石山的氣候、地形條件和土壤成分以及資金投入的情況,對矸石山植被恢復以因地制宜選樹的原則來實現。針對矸石山的養分貧瘠、高溫、干旱、溫差大等特點,結合植物的生物學特征,堅持以鄉土樹種為主。

4 治理效果檢測

4.1 溫度檢查孔

矸石山治理施工結束后,對煤矸石表層按10 m×10 m的網點進行紅外線測溫,在坡頂及馬道選擇有代表性的地段設置檢查孔,檢查孔孔深為堆填矸石厚度,進行矸石山溫度觀測,檢查孔按永久性觀測孔施工,孔徑 108 mm,鉆至目的層后終孔,下入φ 89 mm 鋼管,鋼管外露0.5 m,鋼管外層用0.5∶1～0.7∶1水泥漿固管,鋼管內下部1.0 m充填水泥,采用熱電歐深層測溫儀進行溫度觀測,檢驗滅火效果,分析溫度下降趨勢。

4.2 環境監測

在治理后的矸石山上布置環境監測點,每月進行兩次環境監測,SO2,NO2用多孔玻板吸收管和大氣采樣器進行人工采樣;CO直接采樣,采樣時間不少于30 min。

5 結語

矸石山經過治理后發現,昔日曾經濃煙滾滾、寸草不生的煤矸石山已變成碧空下的綠野、開闊平整的靶場、茂盛蔥郁的農田。步入平整后的開闊土地,映入眼簾的是滿目青翠,已歸于寂靜的矸山上空,有鳥往來于南北。大氣環境發生了顯著變化,空氣質量明顯提高。

[1]中華人民共和國主席令第22號,中華人民共和國環境保護法[S].

[2]GB 18599-2001,一般工業固體廢棄物貯存、處置場污染控制標準[S].