煤矸石山注漿滅火治理

劉建明, 李 棚

(山西華冶勘測(cè)工程技術(shù)有限公司,太原 030002)

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中產(chǎn)生的排棄物,一般煤矸石綜合排放量占原煤產(chǎn)量的15%～20%,煤矸石的長(zhǎng)期堆放不僅占地,而且其自燃時(shí)產(chǎn)生的大量CO、H2S、SO2等有害氣體,對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,對(duì)人們身體健康產(chǎn)生極大地危害,雨水季節(jié)時(shí),矸石中的有害成分會(huì)在雨水流經(jīng)矸石山時(shí)隨其一并滲透到地下,污染了當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境和土壤環(huán)境，不僅直接影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境及正常生活,而且嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)的投資環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何高效快捷治理矸石山的自燃,同時(shí)防止滅火不徹底矸石山復(fù)燃情況的發(fā)生,要求治理者必須根據(jù)矸石山的特性選擇最適當(dāng)?shù)臏缁鸺夹g(shù)和最快捷適用的施工工藝[1-2]。

1 煤矸石自燃的危害

山西某煤礦在長(zhǎng)年累月的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的煤矸石,占地面積約38 000 m2,堆放量約340 000 m3。經(jīng)多年的傾倒堆放后,此處矸石山已產(chǎn)生了自燃,堆放場(chǎng)地濃煙密布,并伴隨著大量刺激性有毒氣體的產(chǎn)生,導(dǎo)致周圍經(jīng)常有家畜和野生動(dòng)植物中毒死亡的情況發(fā)生。對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和居民的正常生活產(chǎn)生了極大的危害。

2 矸石的礦物成分特征

1)煤矸石的特性。煤矸石是由多種巖石組成的混合物,主要成分有炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、砂巖等。砂巖類煤矸石質(zhì)地堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)較為致密,呈灰黑色,泥巖類煤矸石性脆,呈黑灰色,結(jié)構(gòu)較疏松。該區(qū)域煤矸石主要以泥巖和砂巖為主,矸石主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、巖屑、黃鐵礦等碎屑礦物,還夾雜有植物根莖化石和菱鐵礦結(jié)核。

2)煤矸石的化學(xué)組成成分。煤矸石的化學(xué)成分隨其地層巖石的種類和礦物組成不同而變化,是由無(wú)機(jī)質(zhì)和少量有機(jī)質(zhì)組成的混合物,煤矸石的主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO及少量FeS2等,因?yàn)樵摰V煤矸石的化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3為主,使得煤矸石的活性很高,加之S元素的存在,加劇了煤矸石的自燃。

3 矸石的自燃原因分析

1)矸石內(nèi)含有自燃物黃鐵礦(FeS2),硫鐵礦氧化理論認(rèn)為煤矸石中的硫鐵礦在與空氣中的 O2接觸后,會(huì)因?yàn)镕eS2的本身化學(xué)特點(diǎn),從而產(chǎn)生氧化還原反應(yīng),同時(shí)釋放出大量的熱量,熱量在矸石山內(nèi)部不易散失,逐漸在累矸石山的內(nèi)部聚集,從而使矸石山的內(nèi)部溫度越來(lái)越高,在溫度上升至煤矸石中煤和可燃性有機(jī)物的燃點(diǎn)后,就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)煤矸石山發(fā)生自燃。

2)矸石中含有一定量的煤,煤氧復(fù)合自燃學(xué)說(shuō)認(rèn)為煤(尤其是鏡煤和絲炭)經(jīng)風(fēng)吹雨淋會(huì)慢慢產(chǎn)生氧化反應(yīng),隨著氧含量增加,多孔的煤炭表面與氧分子在物理吸附和化學(xué)吸附共同作用下產(chǎn)生大量的熱,當(dāng)散熱條件不良的情況下,熱量會(huì)逐漸聚集,使矸石的溫度不斷地升高,在溫度達(dá)到煤的燃點(diǎn)后,煤就會(huì)發(fā)生自燃,整個(gè)煤矸石山也會(huì)隨之而發(fā)生自燃。

3)此礦煤矸石的堆放采用傳統(tǒng)自上而下的自卸式傾倒,矸石體松散,間隙較大,煤矸石在堆放過(guò)程中會(huì)發(fā)生粒度偏析,形成空氣通道,容易進(jìn)入氧氣,形成“煙囪效應(yīng)”,經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,一部分順著矸石之間的空隙隨空氣散出,但還有一大部分會(huì)繼續(xù)留存在矸石山中,日積月累給矸石山自燃提供了充分的自燃條件,加劇了情況的惡化。

4)該礦矸石經(jīng)二次篩選后80%的矸石顆粒直徑為3 mm～20 mm,粒徑小,堆放松散,與空氣接觸面大,反應(yīng)的活性高,發(fā)熱量也大,加之矸石的堆放時(shí),孔隙率較小,使得反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量難以散去,熱量聚集,溫度越來(lái)越高,增加了煤矸石山自燃的可能性[3-4]。

4 矸石自燃的治理

4.1 滅火方法

煤矸石山長(zhǎng)期自燃的存在時(shí)刻危害著周邊的生態(tài)環(huán)境和當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睢ａ槍?duì)此種情況,在對(duì)煤矸石山自燃治理的過(guò)程中我們就必須的采取一定的有效手段與方法進(jìn)行滅火。經(jīng)過(guò)多年的研究和工程實(shí)踐,目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的煤矸石山滅火方法主要有覆蓋法、挖除法、注漿法、注漿密閉和泡沫滅火法、控制燃燒法和低溫惰性氣體法等。

注漿滅火法,因其治理效果理想,經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)適宜,成為目前國(guó)內(nèi)外最為廣泛采用的滅火方法,在國(guó)內(nèi)很多煤礦矸石山滅火的工程實(shí)踐過(guò)程中都取得了良好效果。綜合考慮此矸石山的自燃情況和徹底滅火的目標(biāo),本次滅火治理采用注漿滅火法。

注漿法滅火主要是通過(guò)漿液中的水對(duì)矸石進(jìn)行降溫和在矸石體上形成包裹體隔絕空氣來(lái)達(dá)到治理的目的,治理過(guò)程為:首先根據(jù)治理區(qū)域的面積布置相對(duì)數(shù)量的鉆孔,其次根據(jù)矸石山特點(diǎn),選擇相適應(yīng)的滅火材料按一定比例調(diào)制成滅火漿液,最后用注漿泵將滅火漿液注入到自燃矸石山內(nèi)部。在滅火漿液流經(jīng)矸石內(nèi)部時(shí),漿液中的水分遇到高溫矸石會(huì)急劇的氣化蒸發(fā),矸石內(nèi)部大部分熱量會(huì)隨著水蒸氣被帶走,矸石的溫度就會(huì)迅速下降,同時(shí)漿液中的固體材料還會(huì)在與矸石接觸后將矸石包裹住,也會(huì)在矸石間的空隙中起到填充的作用,從而將矸石體與空氣有效的隔絕開(kāi)來(lái),起到了隔絕封閉氧氣的作用。如果是堿性滅火漿液,還可以將煤矸石燃燒產(chǎn)生的 SO2,H2S等酸性氣體進(jìn)行有效吸收,從而大大減少污染物的排放量,起到保護(hù)環(huán)境的作用,同時(shí)矸石山的內(nèi)部環(huán)境由酸性環(huán)境轉(zhuǎn)換為堿性環(huán)境,從而大大減小了矸石山的復(fù)燃可能性。由此可見(jiàn)注漿滅火是治理煤矸石自燃非常高效、快捷的方法。

4.2 滅火材料的選擇

滅火漿液要有良好的流動(dòng)性和保水性,煤矸石山發(fā)生自燃后,矸石體會(huì)變的非常干燥和酥松,從而導(dǎo)致矸石體的孔隙率和滲透率也隨之變大,合適的流動(dòng)性能保證漿液能滲透到設(shè)計(jì)鉆孔的影響范圍,形成良好的包裹體,避免漿液的大量的流失,造成材料浪費(fèi),讓鉆孔內(nèi)形成柱狀體,確保注漿材料將矸石體充分包裹,同時(shí)為了避免漿液中的水分在遇到高溫矸石后快速蒸發(fā),使?jié){液失去流動(dòng)性,造成漿液的流經(jīng)范圍大打折扣,所以良好的保水性也是注漿材料必須要有的。常用注漿材料有黃土注漿、石灰水注漿,黃土、石灰、粉煤灰,凝膠類材料、泡沫滅火材料、高分子滅火材料等按一定的比例混合加水進(jìn)行注漿。

本次注漿滅火漿液主要材料有膨潤(rùn)土、粉煤灰、生石灰等。水固比3:1,粉煤灰、膨潤(rùn)土、生石灰比例3:1:1。在實(shí)際注漿過(guò)程中根據(jù)漿液易流失,不易形成柱狀體的現(xiàn)狀,及時(shí)將更改水固比,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況適當(dāng)增加膨潤(rùn)土所占比例,添加一定的外加劑,從而解決了前期漿液易流失,不易形成柱狀體的問(wèn)題,使得漿液滿足失流和硬化的時(shí)間,同時(shí)因?yàn)橛袎A性材料(粉煤灰、生石灰)的加入,使得矸石山內(nèi)部環(huán)境由酸性改變成堿性,有效的防止了矸石山的復(fù)燃。

4.3 矸石山鉆進(jìn)成孔問(wèn)題研究

矸石山巖體松散破碎,發(fā)生自燃后,在自燃產(chǎn)生的高溫作用下,矸石變的異常干燥、松散,使情況更加嚴(yán)重,因而在成孔鉆進(jìn)過(guò)程中極易發(fā)生卡鉆、堵孔、塌孔等問(wèn)題,造成鉆孔的成孔率十分低。如果無(wú)法有效成孔的話,漿液將無(wú)法有效地注入矸石山內(nèi)部,導(dǎo)致注漿滅火的不成功。因而解決鉆孔成孔率低成為矸石山注漿滅火工作的一個(gè)主要難題。

4.4 鉆孔成孔率問(wèn)題的解決方法

針對(duì)鉆孔成孔率低的問(wèn)題,在此次注漿滅火治理項(xiàng)目進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度約20 m,注漿孔343個(gè)。

1)單管單動(dòng)鉆進(jìn)法

鉆進(jìn)型號(hào):GK-200，鉆頭:89 mm，套管:127 mm。

套管跟進(jìn)采用錘擊法,因鉆頭直徑小于套管直徑,易出現(xiàn)卡鉆、套管冒落(矸石燃燒灰分較多)、塌孔及套管跟不下去的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度,平均每天成一個(gè)孔。套管跟不下去鉆進(jìn)無(wú)法進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢,造成鉆孔成本的大幅度增加。

預(yù)計(jì)工期:6臺(tái)鉆機(jī),工期70 d。

2)雙管雙動(dòng)鉆進(jìn)法

鉆進(jìn)型號(hào):MGL-150S，鉆頭:外管140 mm、內(nèi)管60 mm，套管:外管133 mm、內(nèi)管50 mm。

外管、內(nèi)管同時(shí)鉆進(jìn),不會(huì)發(fā)生卡鉆、冒落、塌孔及套管跟不進(jìn)去現(xiàn)象,大大加快了成孔的速度,平均一天能成七個(gè)孔,大大的節(jié)約了治理的成本。

實(shí)際工期:2臺(tái)鉆機(jī),工期30 d。

5 治理效果檢測(cè)

滅火之前應(yīng)在治理區(qū)設(shè)置測(cè)溫孔,在治理前和治理后,對(duì)矸石山內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握治理的情況。在注漿剛結(jié)束時(shí),高溫區(qū)注漿孔溫度從原先的630 ℃～960 ℃降到了260 ℃～320 ℃,隨著時(shí)間的推后,高溫區(qū)溫度逐漸下降直至全部降至40 ℃以下,這充分說(shuō)明了只要在漿液能夠滲透到的范圍內(nèi),降溫的效果是非常明顯的,同時(shí)在治理范圍內(nèi)已不再有濃煙產(chǎn)生的現(xiàn)象,空氣也變得清新不再有刺激性,矸石山也沒(méi)有再發(fā)生復(fù)燃的跡象。這些現(xiàn)象都說(shuō)明了矸石山注漿法滅火取得了良好的效果,達(dá)到了矸石山滅火的預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在矸石山滅火施工過(guò)程中,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的前后對(duì)比,解決了鉆孔成孔率低這一影響矸石山滅火效果的主要原因,同時(shí)也加快了成孔的速度,改變注漿漿液的原材,保證包裹體的形成,隔絕矸石體與空氣的接觸,達(dá)到了滅火的效果節(jié)約了原材。采用雙管雙動(dòng)的鉆進(jìn)方式為施工過(guò)程提供了有效保障,確保了滅火漿液的順利和充分注入,有效的堿性漿液配比充分地吸收了矸石山深部熱量,從而高效快捷地對(duì)矸石山進(jìn)行滅火,也有效避免矸石山滅火后的復(fù)燃。

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