煤電礦區(qū)矸石山滅火新技術工藝探討

陳 舸 郝 博 葛 佟

（徐州意創(chuàng)化工科技有限公司，江蘇 徐州 221005）

矸石山是由煤電礦區(qū)在開采過程中排出的煤矸堆積形成的一種固廢污染體，含有大量可燃燒的劣質煤、中煤、含硫煤矸，具有很強的自燃隱患和污染性。其產生的大量粉塵、含有重金屬的離子水對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害；同時由于堆積方式和地點的不合理和隨意性，極易引發(fā)矸石山的自燃。煤電礦區(qū)矸石山的燃燒、塌陷和噴爆事故，經(jīng)常造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失，已經(jīng)成為當?shù)丨h(huán)保治理的頑疾[1-2]。

為此，國內外科研工作者目前主要采用的技術方法包括注漿法、覆蓋法、低溫惰性氣體法，其中注漿法、覆蓋法是目前國內煤電礦區(qū)最為主要的處理方式。

注漿法由于矸石山體量較大，內部空間及裂隙較多，普通漿液，比如水、黃泥漿、粉煤灰漿和膠體滅火劑，由于流動性過大，往往從最下部空間流走，漿體流失量巨大，封閉不實，針對火點位置起到的作用較小，且注漿過程易形成拉溝，在矸石山內部形成新的漏風通道，導致火點蔓延；而覆蓋法則是治標不治本的處理方式，目前這種方法主要用于短時控制矸石山火勢，不具備實用價值。

矸石山防滅火理論的最基本關鍵問題是要人為地改變和破壞矸石山重點易自燃區(qū)域的蓄熱環(huán)境和條件，使其緩慢升溫、氧化加速和穩(wěn)定燃燒的某個或多個邊界條件遭到破壞而終止或難以繼續(xù)燃燒。

目前國內煤電礦區(qū)矸石山防滅火技術處于瓶頸狀態(tài)，主要原因是缺乏合適的防滅火材料以及施工工藝不完善，因此國內矸石山防滅火效果很差，復燃現(xiàn)象十分普遍，矸石山防滅火無論從理論和處理材料的角度都需要重新審視和研究。

2 北馬坊矸石山綜合防滅火新材料、新思路

北馬坊煤業(yè)有限責任公司最大的矸石山從五年前開始傾倒至今已形成高50 m、南北長45 m、東西寬50 m、占地約2250 m2、堆積總量約10～12 萬t的矸石山。近幾年煤礦采的4 號煤層偏多，這座矸石山上傾倒的矸石4 號煤層夾矸偏多，4 號煤層含硫較高，隨著新排矸石量逐漸增大，矸石自燃，高溫火點不斷蔓延至矸石山上其他區(qū)域，表層溫度已經(jīng)高達800℃。

矸石堆積后的自然發(fā)火與井下采空區(qū)自然發(fā)火條件類似，同樣存在著散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶等不同的堆積蓄熱環(huán)境。散熱帶是指溝底大塊矸石通風良好的地帶，不具備蓄熱條件，但卻是最主要的漏風匯集區(qū)域；矸石山的氧化升溫帶是指腰線位置大量的小塊煤矸石堆積區(qū)，供氧充足，有良好的蓄熱條件，是最容易自燃和大面積燃燒的區(qū)域；窒息帶是指腰線位置以上為粉狀和細顆粒狀，供氧不充分，氧化反應緩慢。

根據(jù)煤電礦區(qū)矸石山自然發(fā)火數(shù)學模型，結合地面堆積矸石山的結構和堆積方式，矸石山可視為一個由粒度不等的煤矸堆積而成的孔隙、裂隙介質空間。孔隙由不同粒徑的煤矸堆積自然形成，而裂隙則是由煤矸堆積體經(jīng)多次傾倒、沖擊塌陷形成[3-5]。

2.1 綜合防滅火新材料

從防治煤電礦區(qū)矸石山自然發(fā)火的需要出發(fā)，必須采用合適的防滅火材料人為地改變矸石山易自燃區(qū)域內部的孔隙、裂隙結構，人為地改變和封堵其漏風區(qū)域，這樣就可以改變、調整和控制矸石山風流流動狀態(tài)，達到有利于矸石山防止或抑制自然火災的目的。

根據(jù)這個思路，國內外目前常用的水、黃泥漿、粉煤灰漿、石灰水漿液、水泥漿、各種防滅火劑膠體、高水材料（流動性過大，無任何粘附性）都是無能為力的。這種場合，具有降溫、膨脹性、流動性適中、滅火性能優(yōu)良的無機泡沫材料才是煤電礦區(qū)矸石山滅火的最佳選擇。

因此，煤矸石山的自燃防治新思路大致分為三個步驟：主要漏風通道的充填，重點部位空洞和孔隙的挖溝、插管、滅火和充填以及表面明火點的滅火降溫。

首先對矸石山底部的空間使用不燃無機泡沫充填材料進行充填作業(yè)并設置一定高度的擋風墻；同時挖溝打鉆充填隔絕氧化升溫帶與散熱帶之間的溝通，充填封堵相連的裂隙與空間；再用新型防滅火膠體材料（MEA 系列煤礦防滅火劑）對高溫區(qū)域降溫滅火。

LFM 輕型充填材料無毒副作用，不燃燒也不助燃，反應熱不超過60℃，對于矸石山內部縫隙、溝內堵漏、降溫滅火起到至關重要的作用。

2.2 矸石山溝底構筑擋風墻

通過對矸石山全年主導風向分析，選擇主要漏風方向，在矸石山底部迎風面位置砌筑一定高度的擋風墻以期有效地減少向矸石山內部的漏風，如圖1。

圖1 北馬坊矸石山斜坡堵漏風示意圖

具體工藝是使用碎煤矸石摻入徐州意創(chuàng)化工科技有限公司快速壘砌材料，并同時加水攪拌均勻，使用配比為碎煤矸石20 kg+2～3 kgFSA 料+10～15 kg 水。該操作從根本上改變碎煤矸石的屬性，使碎煤矸石形成具有粘彈性、致密性的阻燃材料，既阻燃又堵漏風。將此粘彈性混合料采用蛇皮袋填裝并進行壘砌筑墻，擋風墻的高度設置為1.8～2 m。

2.3 大面積充填溝底區(qū)域

溝底主要以大塊狀矸石為主，內部空間較大，具備良好的通風條件，雖不具備蓄熱條件，但溝底可燃物較多，氧氣充足，一旦火點由腰線向下引燃，會成為產生較大能量且難以控制的火區(qū)。因此可使用LFM 輕型無機泡沫充填材料對溝底區(qū)域進行大面積充填、封堵空洞和裂隙。充填材料的充填比例控制在1:0.5～0.8，在溝底空間和矸石間的縫隙間充填并固化，將溝底區(qū)域形成一個整體的無機泡沫材料和大塊煤矸的膠結體，徹底隔絕漏風。

2.4 阻斷漏風通道-挖槽注漿

用挖掘機或人工挖開腰線區(qū)域砸管充填LFM輕型無機泡沫充填材料，將腰線火區(qū)徹底隔離，阻斷火點向其他區(qū)域蔓延。通過注漿管向矸石山漏風通道空隙內注入具有膨脹性、阻燃耐燒、流動性適中的發(fā)泡型滅火充填材料并使之固結在孔隙、裂隙中，徹底阻斷風流的傳送和滲透。切斷供氧渠道，使矸石山自然火災快速熄滅。

將腰線隔離完成后，可快速處理腰線周邊火點，先用滅火劑降溫，后用挖掘機橫向分割成小的區(qū)域，挖開一處，降溫滅火充填一處，用不燃、具滅火膨脹功能的高泡充填材料徹底分割、充填和隔離，使用LFM 輕型無機泡沫充填材料到內部空間包裹可燃煤體和隔絕漏風通道，將腰線充填成一個整體不燃帶，徹底防止復燃。

3 效益分析與結論

通過向矸石山孔隙、裂隙結構中注入具有膨脹性、阻燃耐燒、流動性適中的無機泡沫滅火充填材料，阻斷了漏風通道，提高了矸石山滅火效率，減少了滅火材料的流失，有效地控制了矸石山自燃并且防止其復燃，具有較高的推廣應用價值。