沙坪煤礦矸石對環境的危害及防治措施的研究

杜 帥

（霍州煤電集團鄉寧沙坪煤業有限公司，山西 霍州 031400）

煤礦在生產和經營過程中會產生大量的煤矸石，主要包括剝離矸、煤巷矸、巖巷矸、選煤廠尾礦等。堆置矸石的矸石山在一定條件下會發生氧化發熱反應，達到一定條件就會發生自然發火現象。煤矸石山自燃非常普遍。霍州煤電集團共有矸石山31座，其中正在燃燒的矸石山7座，若按此比例計算，全國可能有300多座矸石山正在燃燒。

煤矸石山自燃機理與煤層自燃基本相似，是煤矸石山中含碳物質、黃鐵礦等可燃物在空氣中氧化、蓄熱直至燃燒的過程。與煤層自燃有所不同的是，煤矸石中不燃的礦物質較多，一座大中型煤矸石山要經10～18年的氧化過程才發生自燃，至少要幾年。煤層的發火期要短得多，最少的只有幾天。在自然的過程中會產生CO、CO2、SOx、NOx及H2S等有毒氣體和相應的致癌物，嚴重污染礦區的大氣環境。隨著國家對環境保護工作的力度加強，煤礦必須對矸石山的自然發火導致的環境污染問題進行治理，降低矸石對生態環境的破壞。

1 礦井概況

霍州煤電集團沙坪煤礦三號井于2000年投產，設計年生產能力為65萬t。2015年經檢測該礦屬于高瓦斯礦井，煤塵爆炸指數為41.70%，煤層具有自燃傾向，但發火期未經鑒定。該礦當前主采3#煤層，煤層含矸率約為0.16%，采用傾斜分層走向長壁下行垮落采煤法進行開采，能有效地解決緩傾斜及傾斜厚煤層開采時的頂板支護和采空區處理問題，有利于在此類煤層條件下實現安全生產，提高資源采出率及獲取較好的技術經濟指標。共計開采煤炭資源700多萬t，共產生矸石尾礦約2萬多t，運輸到地面至矸石山進行堆置處理。

2 矸石產生的危害分析

沙坪煤礦在煤炭開采當中產生的矸石主要是通過皮帶輸送機系統+汽車運輸至矸石山進行堆放，如果長期不進行治理，就會慢慢因自然發火產生各種危害，嚴重污染環境。主要表現為：（1）矸石在運輸和堆放過程中產生的大量粉塵，會對職工造成人體傷害，并污染周邊環境。（2）矸石露天堆放，經雨淋溶而析出一些有害物質，伴隨著排入到河道污染河水環境，給周邊的居民用水和農作物灌溉帶來危害。（3）矸石山不加以治理，容易自然發火。產生煤氣、二氧化硫、一氧化碳、硫化氫、水蒸氣等多種氣體的混合物對現場生產工人構成威脅，對周圍環境造成嚴重危害。據實測，矸石釋放的二氧化硫濃度高達0.12～7.02mg/m3，超過排放標準的16倍；一氧化碳濃度達1.90～123.17mg/m3，超過排放標準的20倍。預測矸石山每年向大氣中排放一氧化碳3.15t，二氧化硫0.85t，對沙坪煤礦僅有10km2的礦區范圍危害十分嚴重。

3 矸石山自然發火的成因及治理措施

3.1 矸石山發火成因分析

3.1.1 矸石山的組成成分

對沙坪煤礦所產生的矸石進行分析，主要是由泥灰巖、粘土巖和煤層夾矸油頁巖及少量的煤組成。可燃成分主要是位于上層煤的直接頂的油頁巖，其油率較高，容易自燃。對其進行理化分析得化驗指標如表1所示。

表1 沙坪煤礦矸石山中油頁巖的化驗指標分析

3.1.2 矸石山自然發火的原因

通過對該礦矸石山的實況分析，結合矸石自燃的理論基礎，對該礦矸石山自然發火的原因分析如下：（1）矸石山的矸石呈斜坡堆放，因此暴露面積大，堆積疏松，空隙率大，給矸石提供了非常好的供氧條件，為自燃提供了基礎。檢測分析結果表明：該矸石山矸石的滲透率為10-9m2，分子擴散供氧條件下就可讓矸石溫度達到自燃臨界溫度以上。（2）矸石在堆放過程中，在重力作用下，大塊矸石都滾落到矸石山底部，小的留在上部，這種自然分級導致了空隙率增大，熱量高的小粒徑矸石富集。這些都成為了導致矸石山自然發火的原因。

3.2 矸石山自然發火的防治措施

基于矸石山自然發火的條件，結合沙坪煤礦矸石山的具體情況，制定了沙坪煤礦矸石山自然發火的防治措施。

3.2.1 使用黃土灌漿隔絕供氧

從其他煤礦矸石山治理的經驗來看，采用黃土灌漿隔絕供氧的技術措施是非常有效果的。黃土灌漿的泥漿中固體材料應滿足以下要求：加入少量水即可制成泥漿；滲入性強，易脫水；收縮量盡可能的小；不含可燃物和催化劑，便于制備和運輸等。制作漿液時，漿中水的體積與固體材料的體積比確定為2:l。漿液通過管路自上而下灌向矸石山。

灌漿作業注意事項：（1）灌漿前對矸石山進行推平作業，形成周邊隆起中間低洼的形狀；（2）連續大量灌漿3d后停止作業，讓漿液慢慢地進行沉淀。（3）每天定時測量水土比，并進行適當調整，保證其滲透效果。

灌漿作業使用黃土將矸石與氧氣進行隔絕，達到阻燃、降溫和隔熱的目的。

3.2.2 局部澆水熄滅明火措施

當矸石山出現小面積明火時，一般采用局部澆水熄滅明火措施。水的滲透性非常強，在火源的上風側10m的位置，采用高壓水管按“先外圍、后中心”的滅火原則，進行直接澆水熄滅明火，可以達到治理的目的。

3.2.3 控制燃燒法

使矸石山中的燃料全部燃盡，同時可控制燃燒產生的熱量和煙塵，以熄滅矸石山的火災。其工藝是：將帶有透氣孔的耐高溫管道置入矸石山內部，用抽風機使矸石山內部形成負壓狀態，空氣從其表面吸入矸石山內，加速矸石的燃燒。該法可使矸石中的可燃物在比正常燃燒要短的時間內完全燃盡。與常規法相比，控制燃燒法有以下優點：符合環境保護要求，使矸石山燃燒的最終排放氣體為CO2和水蒸氣；設置的煤氣洗滌塔可除去煙氣中的SOx和煙塵；完全燃燒后的矸石形成紅色巖體，可產生有商業價值的礫石的替代材料；熄滅的矸石山排除了重新自燃的危險，同時又根治了產生酸性水的根源。

3.3 治理效果分析

對矸石山自然發火問題進行綜合治理后，經數據檢測表明該矸石山鉆控溫度均降到了80℃以下，由此可見，自然發火得到了有效的控制，同時滿足《煤礦研石山災害防范與治理規范》的要求。沙坪煤礦對于矸石山自然發火的綜合治理過程是合理的切實有效的。

4 矸石對環境危害的其他治理方法

針對矸石造成的危害，其他治理措施為：在堆放時安裝專用的噴霧灑水裝置，用來減少巖塵飛揚，定期清洗積塵區，基本解決了巖塵危害；在矸石山周邊修筑堅固的擋水圍墻，使大氣降水沖刷形成的污水得到有效控制。

5 結語

沙坪煤礦矸石所產生的危害是多方面的，除了技術上的防治對策外，還應該加以下幾方面的技術管理辦法。（1）提高認識，重視環保。把環境保護同資源開發相提并論，才能徹底消除尾礦產生的危害。（2）及早著手防治并舉。尾礦危害不是偶然的特殊現象，只要肯于發現，及早行動，采取必要的措施，預防為主，綜合治理，是可防患于未然的。（3）善于創新，變廢為寶。回收矸石中的劣質煤，矸石中含煤10%～20%，可以每年從排矸中揀出矸石煤，供家屬區用；矸石中含硫鐵礦3%以上，可以對硫鐵礦進行回收；矸石山中揀選可制建筑材料的白矸和可作陶瓷原釉子的黑矸。全面的對矸石進行綜合利用。