煤矸石山高溫自燃機理與治理技術研究

耿 正，姚興柏，李小剛，丁小強

(陜西天地地質有限責任公司，陜西 西安 710054)

某煤礦矸石場的煤礦矸石堆放量為520萬 t左右，堆積層厚度為81 m，地面標高為1 224 m。受到地面溫度以及通風等因素影響，矸石場內存在溫度積聚迅速上升的狀況，多處發生了自燃現象。經現場實際勘測顯示，中部矸石山體的自燃情況最為嚴重，坡面以及頂部位置已經發展有冒煙現象，散發刺鼻氣味，對周邊環境形成了一定污染，對周邊居民居住安全造成了一定威脅，需要進行及時控制。

1 自燃機理分析

煤矸石自燃的條件是氧氣通道暢通，供氧充足；存在可燃物質易發生氧化反應；有良好的儲熱條件，促進熱量聚集溫度上升。通過對現場勘查發現，本工程煤矸石自燃同時滿足以上條件，因此發生自燃現場，現具體分析如下：

1.1 煤矸石自燃的化學條件充足

煤矸石中存有大量黃鐵礦，并且夾雜少量煤炭，為矸石自燃提供良好的著火介質；排矸初期未對沖溝原始坡面進行清理整平，排矸場坡面原有灌木及草本植物也為矸石山著火提供可燃物。

1.2 煤矸石自燃的物理條件滿足

首先，矸石山堆積形成后，呈現出不自燃區、可能自燃區(一般自燃區和高溫自燃區)、窒息區三大層結構(如圖1)。在堆積過程中，三大結構區域隨著堆積時間變化而逐步演變，一般自燃區演變為高溫自燃區的幾率增加。其次，矸石山斜坡暴露面積大，矸石堆積疏松，堆存過程中未使用黃土間隔分層碾壓，導致矸石間空隙率大，矸石供氧條件好。再者，矸石在重力作用下，大粒徑矸石滾落到矸石山底部，小粒徑矸石多數留在上部，形成了矸石的自然分級。分級的結果導致空隙率進一步增大，并使發熱量高的小粒徑矸石產生了富集。另外，洗矸粒度相對較小，矸石本體的暴露面積較多。

圖1 煤矸石山自燃區分層結構

1.3 煤矸石自燃的環境條件符合

本工程煤矸石山所處位置常年潮濕，空氣流通較好，在此條件下，黃鐵礦加速發生氧化反應，釋放出大量熱能，進而加快煤低溫氧化進程，造成著火現象。

2 治理技術方法

2.1 常規治理方法

根據煤矸石山著火機理，需要解決自燃三要素：易燃介質、供氧充足、溫度聚集，在防治矸石山自燃實踐中，通常采取推平壓實法、挖掘熄滅法、覆蓋法、噴漿法、注漿法等。本工程選用邊坡封堵結合常規注漿滅火法，同時選用黃土(增加密實度)、石灰(吸附二氧化硫及水分)、粉煤灰(就地取材)、水泥(加快凝固)等經濟滅火材料，按照一定比例配置滅火漿液。

2.2 治理原則

工程按照“整體控制、封堵通風、消除高溫、防止復燃”的原則，對高溫異常區域以及著火區域展開妥善處理，并對邊坡范圍通道進行封堵，確保自燃以及復燃概率被有效控制。

本工程設計治理方法為邊坡防護結合鉆孔注漿滅火的綜合治理方案，構建了四個平臺(如圖2)，其中第3平臺設置上下兩部分，各平臺以梅花樁式分布鉆孔，并制作特殊旋噴式注漿管。本工程鉆孔深度和注漿量與滅火成本及滅火質量有著高度聯系，因此判斷著火點，確定鉆孔深度及注漿量是本工程的防治關鍵。

圖2 某煤礦矸石山治理平臺圖

2.3 判斷著火點

為做好著火位置規律判斷以及起火點位置推斷，技術人員對本次工程高溫燃燒區域進行鉆孔測溫操作，測溫后選擇部分鉆孔數據模擬溫度與孔深變化曲線圖(如圖3)。

圖3 某煤礦矸石山部分鉆孔孔深與溫度曲線圖

實驗室研究表明，煤矸石經過氧化和蓄熱后在300℃左右開始自燃，本工程區域經過實際探測，正在燃燒區溫度高于280℃。通過三平臺部分鉆孔測溫數據得出：

(1)在鉆孔深度為20 m左右時，孔內溫度達280℃以上，達到自燃著火點，此位置粉塵灰分較大，存在燃燒之后的矸石碎屑。

(2)孔深6～20 m之間，鉆孔溫度分布不均勻，分析結果為部分位置已經燃燒擴散。

(3)孔深20～25 m處，溫度隨深度加深而降低，25～30 m溫度隨深度加深而略有升高，分析結果是，25～30 m處熱量逐步聚集，不斷向上傳導至20～25 m擴散至高溫燃燒區域。

(4)著火深度主要集中在各平臺地表30 m之內，除坡面附近鉆孔外，超過30 m位置并沒有發現著火狀況。

綜合可知，孔深0～6 m左右為不自燃區；孔深6～20 m左右為一般自燃區，其中15～20 m左右逐步演變為高溫自燃區；孔深20～30 m左右為高溫自燃區；孔深30 m以下為窒息區。

2.4 針對性治理方案

(1)按照所獲得的溫度數據，本工程在高溫著火區域，鉆探至高溫區即展開注漿滅火處理，高溫燃燒區鉆孔深淺交錯分布，深孔孔深為25～30 m左右，淺孔孔深為6～15 m左右，更有效地將自燃著火點上部和下部進行封堵，深孔淺孔布置比例根據現場探測溫度情況而定。

(2)在非著火區域20 m下延伸5 m位置，實施注漿施工，確保達到預期防火效果。

(3)邊坡附近的著火區較為復雜，因坡面難以覆土壓實，并且常年臨風，因此火勢旺盛，燃燒面積大，且接近表面，滅火難度大。現場采用加修馬道，表面噴漿后鉆探注漿進行滅火的方案，避免了泥漿順坡面流淌至坡地而失去滅火作用。

3 結論及建議

3.1 結論

本文對某煤礦矸石自燃相關工作進行介紹，并結合現場施工經驗，通過分析自燃機理和相關數據，建立了燃燒分層模型及溫度和孔深曲線關系圖，使我們對煤礦矸石自燃及其處理方式有了更加清晰的認知。并且在對自燃問題展開實際勘察與研究的基礎上，制定出針對性較強的處理方案，從而實現對自燃問題的有效處理，確保治理效果達到預期標準要求，并獲得良好的社會效益以及經濟效益，以便為礦山開采創造出更多有利條件。

3.2 建議

在分析和實踐過程中，總結以下建議：

(1)煤矸石注漿滅火切勿使用注水方式滅火，水經高溫反應，產生易燃物質氫氣和助燃介質氧氣，加劇矸石燃燒。

(2)結合矸石山的堆積方式、時間、當地氣候條件、矸石所含物質成分，系統分析，利用科學手段判斷煤矸石自燃的著火點。不同區域矸石山著火點不盡相同，需結合實際勘探判斷，同一矸石山因所處位置不同，著火點也存在差異。

(3)煤矸石山滅火切忌盲目施工，注漿滅火鉆孔切勿穿透矸石山體，以防漏失致使注漿液無法有效覆蓋，導致人工、材料、物力大量浪費和消耗，使得治標不治本。

(4)根據工程實際，構建矸石山著火模型及著火點軌跡圖，以方便科學決策。

(5)煤矸石山要注重做好預防措施，消除自燃隱患；排矸要選擇分層排放，分層覆土振動壓實，斜坡封閉隔離；要設置臺階平臺，構筑排水溝。

(6)選用注漿方式滅火時，要科學配置注漿材料，保證其良好的攜帶能力和合適的流變性能。