利用粉煤灰治理矸石山自燃技術(shù)研究與應(yīng)用

溫 磊，董紅娟，武兵兵，王晨陽

(1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100：2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.山西勤豐基礎(chǔ)工程有限公司，山西 晉城 048000)

煤矸石是煤炭開采與加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，長期以來，煤矸石的利用率低下，大多堆積成山，容易引發(fā)水體污染、重力災(zāi)害和自燃。煤矸石自燃過程中向大氣排放大量SO2、CO、H2S和NOx等有害氣體，同時伴有大量煙塵，嚴重損害礦區(qū)及周邊大氣環(huán)境。矸石山自燃治理已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的頭等大事，是防止周邊大氣和水體污染、生態(tài)環(huán)境保護的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

國內(nèi)外常用的矸石山滅火方法主要有：挖除火源法、覆蓋法、表面澆灌法和注漿法，其主要原理都是從破壞自然條件的角度達到滅火效果。目前注漿法是應(yīng)用最廣泛的自然矸石山治理方法，其工藝是將滅火材料制成滅火漿液，用注漿泵將滅火漿液通過布置在火區(qū)的一系列鉆孔注入矸石山內(nèi)部，滅火漿液在接觸高溫區(qū)后水分迅速蒸發(fā)帶走熱量，使矸石迅速降溫的同時，漿液中的固體物質(zhì)還會包裹在矸石表面，填充在矸石間的縫隙中，起到隔絕空氣的作用[3-4]。國內(nèi)現(xiàn)價段多采用廉價黃土為原料，添加部分石灰制備注漿滅火材料，如河南平頂山煤礦四礦、郭家河煤礦、大同云岡煤礦等。內(nèi)蒙古中西部地區(qū)黃土資源稀缺，照搬其他地區(qū)黃土作為注漿料具有一定難度，并且該地區(qū)火力發(fā)電電廠每年生產(chǎn)的粉煤灰無處堆存，對該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重影響。基于該地區(qū)自身地質(zhì)條件及工業(yè)背景，研制以粉煤灰為主要注漿滅火材料不僅能夠保護當?shù)叵∪秉S土資源，還能夠為大宗固廢綜合利用找到出路，達到以廢治廢，保護生態(tài)環(huán)境，降低注漿成本的目的。

1 棋盤井矸石山治理現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)神華蒙西棋盤井洗煤廠矸石山南北長388 m，東西寬558 m，占地面積為167 313 m2，矸石山坡面面積為16.4萬m2，頂部面積為11.57萬m2，土方量約400萬m3，平均高差為32 m，平均坡度為36°，最大坡角為38°。因矸石中含有一定煤，且硫含量較大，露天堆放過程中，常年受到日照、風(fēng)吹雨淋的影響，在一定的環(huán)境條件下自熱氧化，導(dǎo)致矸石山內(nèi)部出現(xiàn)高溫而引起自燃。

近年來矸石山自燃現(xiàn)象日益嚴重，神華蒙西棋盤井洗煤廠采取了大面積黃土覆蓋的治理方案，黃土覆蓋平均厚度約50 cm，同時也在坡面及頂部種植了一些植被進行綠化復(fù)墾。綜其治理效果分析，矸石山由自然傾倒堆積而成，坡度角大、覆蓋的黃土黏結(jié)性較差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成穩(wěn)固的土層；受雨水沖刷影響，覆蓋的表面黃土流失嚴重，并形成很深的沖溝，種植的植被成活率很低，矸石山復(fù)燃現(xiàn)象嚴重。

2 注漿治理方案

目前注漿法是應(yīng)用最廣泛的矸石山自燃治理方法，其工藝是將滅火材料制成滅火漿液，用注漿泵將滅火漿液通過布置在火區(qū)的一系列鉆孔注入矸石山內(nèi)部 。滅火漿液在接觸高溫區(qū)后水分迅速蒸發(fā)帶走熱量，使矸石迅速降溫的同時，漿液中的固體物質(zhì)還會包裹在矸石表面，填充在矸石間的縫隙中，起到隔絕空氣的作用。

2.1 注漿材料的選取

注漿材料是影響滅火效果的關(guān)鍵因素，同時也是決定滅火費用的主體，如何制備一種廉價，高效的注漿滅火材料成為治理矸石山自燃的關(guān)鍵問題。國內(nèi)現(xiàn)價段多采用廉價黃土為原料，添加部分石灰制備注漿滅火材料，采用黃土為原材料注漿，雖然可以取得一定的治理效果，但黃土膠凝穩(wěn)定性較差，雨水滲透至矸石山內(nèi)部，將固結(jié)的黃土再次稀釋為泥漿流出矸石山，導(dǎo)致周邊水體污染，長期循環(huán)降水，勢必造成矸石山孔隙率增大，穩(wěn)定性降低，存在復(fù)燃及滑坡風(fēng)險。

矸石中因硫鐵礦存在而處于酸性環(huán)境，因此采用堿性滅火材料可以吸收SO2、CO2等酸性氣體，一方面粉煤灰中具有一定量的CaO、SiO2、Al2O3等氧化物，氧化鈣遇水生成的氫氧化鈣可以與矸石燃燒放出的SO2、SO3、CO2反應(yīng)，有效隔絕氧氣，滅火降溫。另一方面，粉煤灰中的SiO2、Al2O3被激活后生成硅鋁酸鹽凝膠，可以達到良好的滅火功效[5]。因此選用粉煤灰作為制備注漿材料的主要原料，可以解決粉煤灰固體堆存問題，又可以節(jié)約當?shù)攸S土資源。

2.2 漿液的制備

2.2.1 注漿液特性要求

(1)注漿材料不可燃，在高溫下具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。

(2)注漿液必須具有活性，可以與水成漿，制成的漿液具有用泵送的特性。制成的滅火泥漿黏度不能太高，要有一定的滲透半徑。

(3)注漿液要有良好的流動性。煤矸石山發(fā)生自燃后，矸石體會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，合適的流動性能保證漿液能滲透到設(shè)計鉆孔的影響范圍，形成良好的包裹體，避免漿液的大量流失，造成材料浪費，使鉆孔內(nèi)形成柱狀體，確保注漿材料將矸石體充分包裹[6]。

(4)注漿液要有良好的保水性。為了避免漿液中的水分在遇到高溫矸石后快速蒸發(fā)，漿液失去流動性，可使?jié){液流經(jīng)范圍減少[7]。

(5) 注漿液穩(wěn)定性較好，不會出現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，避免造成漿液的膠結(jié)性。要求漿液在較低的溫度下就有良好的固結(jié)性能，最好是與矸石顆粒具有良好的膠結(jié)性能[8]。

(6)注漿液的制備工藝簡單易操作，制漿設(shè)備便于在矸石山滅火現(xiàn)場安裝和移動。

2.2.2 注漿漿液配比試驗

試驗原料：粉煤灰、水泥、外加劑、水、矸石。粉煤灰的物質(zhì)成分及其含量見表1。

表1 粉煤灰物質(zhì)成分及含量

試驗過程：將上述原料按照不同配比混合，根據(jù)每個配方均制成3塊7 cm×7 cm×7 cm大小的試塊，將這些試塊統(tǒng)一進行自然養(yǎng)護28 d，分別測量其抗壓強度。試驗結(jié)果見表2。

表2 漿液配比試塊強度測試結(jié)果

由表2可知，在實際施工過程當中應(yīng)選用第二組配比進行漿液制備，既能滿足強度的需求，同時所需經(jīng)濟支出更少。

現(xiàn)場注漿過程中，需要考慮漿液擴散半徑、流動性、注漿壓力等綜合因素，同時注漿液配合比需根據(jù)火情及矸石山內(nèi)部孔隙率進行動態(tài)調(diào)整[9-10]。在火情大、溫度高時，需要適當調(diào)小水灰比；孔隙率小時需適當增加水灰比，否則漿液不能注入矸石山內(nèi)部。根據(jù)前期實驗室試驗，結(jié)合現(xiàn)場工程實際情況，本次注漿漿液的平均配比為每方漿液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加劑17 kg、水833 kg。

3 注漿鉆孔布置

注漿滅火法主要是利用漿液對矸石山進行降溫和在矸石體上形成包裹隔絕空氣，達到治理的目的[11]。注漿的前提是確定高溫區(qū)的區(qū)域及范圍，在高溫區(qū)所在的矸石山的頂部和坡面進行注漿，以達到封閉火區(qū)的目的。

根據(jù)矸石地形及現(xiàn)場火情形式分析，在矸石山頂部進行注漿，先打勘探孔劃定火區(qū)范圍，再確定注漿孔的布置方案[12-13]。

3.1 勘察孔布置

距矸石山邊坡3.5 m布設(shè)勘察孔，勘察孔間距為20 m，孔深為23 m，孔徑為108 mm。成孔后采用法蘭盤進行焊接封閉，此部分孔鋼管外露口用盲板封堵，作為長期留存測溫。勘察孔在后期注漿過程中同樣可以作為注漿孔來使用。

3.2 注漿孔的布置

(1)勘察孔內(nèi)溫度為80～260 ℃的區(qū)域發(fā)生輕微自燃，注漿孔布置不需要太過密集，注漿孔距邊坡3.5 m布孔，布孔間距為單排6 m即可。

(2) 勘察孔內(nèi)溫度為260～500 ℃的區(qū)域發(fā)生較為嚴重的自燃情況，注漿孔布置間隔應(yīng)當更近一些，注漿孔距邊坡3.5 m布孔，布孔間距為單排3 m。

(3)勘察孔內(nèi)溫度在500 ℃以上，根據(jù)現(xiàn)場地形條件，設(shè)置四排注漿孔，第一排孔間距為3 m，第二排孔間距為4 m，第三排孔間距為5 m，第四排孔間距為6 m，各排間距為2 m。

上述注漿孔的直徑均為108 mm。

4 滅火效果分析

對所有注漿孔不同深度進行開孔溫度測量，注漿后再對孔內(nèi)溫度進行復(fù)測，并與開孔時測溫進行對比。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，注漿后孔內(nèi)溫度得到大幅度降低[14-15]。

矸石山滅火效果可分為三個區(qū)間：

(1)原注漿孔溫度在80～260 ℃左右的，溫度已降至80 ℃以下。

(2)原注漿孔溫度在260～500 ℃的，溫度已降至80 ℃以下。

(3)原注漿孔溫度在685～700 ℃左右的(主要集中在矸石山東南角高溫區(qū))，測溫溫度也已降至80 ℃左右。

為保證滅火效果，監(jiān)測火區(qū)再次復(fù)燃的可能性，每隔三個月再次對火情嚴重區(qū)域進行孔內(nèi)溫度監(jiān)測，并采取了相應(yīng)治理措施。

5 結(jié)論

(1)為了更好地解決棋盤井地區(qū)的矸石山自燃問題，選用粉煤灰作為注漿漿液的主要材料，通過多組試驗進行抗壓強度的比較以及出于經(jīng)濟成本的考慮選用第二組試驗配比。

(2)綜合考量現(xiàn)場的實際情況，最終每方漿液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加劑17 kg和水833 kg。

(3)在現(xiàn)場布置勘察孔用于探測火區(qū)的溫度，根據(jù)獲取溫度來確定注漿孔的分布。注漿后，火區(qū)溫度均控制在80 ℃以下，地表植被生長狀態(tài)良好。將粉煤灰變廢為寶治理矸石山自燃，做到以廢治廢減少對環(huán)境的危害，具有重大意義。