煤矸石山注漿滅火的實踐應用

崔彥鵬

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200）

隨著工業化的發展，煤炭燃燒的副產物煤矸石的數量逐年增加，目前有煤矸石達到7×109t以上，占地面積為70 km2。隨著我國經濟規模的不斷擴大和產業結構升級，煤矸石產量以每年1.5×108 t的量在增長，這將造成我國土地資源的短缺。同時，煤炭工業中固體廢物排放量最大的也是煤矸石，它是煤炭一系列生產加工過程中產生的礦業固體廢棄物之一，在物理風化和化學淋溶氧化的作用下，生成CO2、SO2、H2S、氮氧化物、煙塵，產生酸雨，造成水體、大氣、土壤污染，土地資源和地下水資源破壞，礦區環境惡化，影響農林業生產，還會有山體自燃的問題出現，對生態、環境造成雙重破壞，對礦區人民生命財產造成極大威脅。治理煤矸石，將環境保護與煤礦區建設相結合，才能真正將金山銀山變為綠水青山，彌補資源不足的現狀，保證資源的持續發展，符合經濟社會發展與資源環境相協調的可持續發展的戰略目標。

1 煤矸石自燃的原因分析

矸石山的自燃包含極其復雜的物理化學過程，主要是矸石的低溫氧化，在矸石山所處自然環境與矸石山自身物理化學性質的共同作用下，矸石山的自燃成為可能。下面是矸石山自燃的主要原因：

1）煤矸石內的還原性礦物黃鐵礦會在溫度較低條件下與環境中的氧氣接觸發生氧化還原反應，放熱反應生成大量的熱量，生成的熱量不易傳播出去，在山體內部聚集，導致山體熱量和溫度不斷上升，達到可燃物及煤的著火點后，矸石山整個山體開始燃燒。

2）矸石山中含有未燃燒的煤和一定量的碳質可燃物，經過風吹日曬后發生緩慢氧化反應應，同時與吸附作用共同作用生成大量的熱量，同樣，在熱量傳遞不良的情況下，熱量不斷累積，達到臨界點，引起矸石山山體自燃。

3）在矸石山自燃過程的初始階段，矸石山中含有大量硫桿菌類細菌，促進了矸石山中黃鐵礦的低溫氧化過程，通過細菌的自熱潛伏作用，加速矸石山的自燃過程。

4）矸石山的無序堆放，產生較大的縫隙，形成氣體的通道，氧氣通過氣體通道進入矸石山內部，同時矸石山內的氣體通過氣體通道排出，形成“煙囪效應”，部分熱量能夠通過空隙散出，但是大部分留在矸石山內部，為矸石山的自燃準備了充足的熱量條件，導致矸石山的自燃。

2 矸石山自燃的治理技術

煤礦區自燃后會產生比自燃前更為嚴重的環境污染，因此我國將防止煤礦區自燃納入礦區環境修復的范疇。對于礦區煤矸石山發生的自燃現象，我國采取多種技術手段對煤矸石礦進行治理，例如表面覆蓋法、推平壓實法、控制燃燒法、深部注漿、噴灑阻化劑、泡沫滅火法、熱管深部移熱技術、火區溫度紅外成像探測技術等。其中，表面覆蓋法耗資巨大，在缺土地區實施困難，同時還有復燃和滑移問題。推平壓實法熾熱的矸石會造成施工設備損壞和施工人員受傷等問題，同時還有復燃的可能性。噴灑阻化劑、泡沫滅火法工藝成本太高。控制燃燒法、熱管深部移熱技術等方法還在試驗階段。因此，目前國內最常用也是最成熟的防滅煤矸石山自燃的方法是注漿法。首先需要將注漿管打入矸石山燃燒部位，將滅火材料高堿性漿液在注漿管作用下打到矸石山燃燒中心，漿液通過填充作用到矸石山的空隙和裂縫中，阻止空氣進入矸石山，注漿后矸石山高溫區的溫度因水分蒸發帶走熱量而急劇降低，形成穩定封閉層，從而達到較好的深層滅火效果，漿液中的堿性物質還可以起到固硫作用。注漿法滅火效果顯著，花費成本低、治理速度快、技術操作安全，在煤矸石滅火技術中擁有廣闊前景。

3 屯蘭礦矸石山概況

屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km處，距太原市60 km，地理坐標：經度112°29′26″，緯度37°50′42″。礦井于1988年由山西焦煤有限責任公司開工建設，1997年10月31日建成并開始試生產，2002年10月正式投產，原設計生產400萬t/a，核定生產能力為450萬t/a。井田面積64.49 km2，主要煤種有焦煤（61.1%）、瘦煤（26.7%）、肥煤（11.1%）和少量貧煤。礦井采用“兩斜一立”綜合開拓方式，實現了綜采綜掘，采掘機械化率達到了100%。屯蘭礦矸石場分為已封場的南梁矸石山和正在使用的周寨溝矸石山兩部分。矸石山治理采取“由內而外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防擴散、防自燃”的原則堆放矸石，防止出現自燃和爆炸。

4 屯蘭礦矸石山注漿滅火材料的選擇

為了防止煤矸石發生復燃，需要進行注漿滅火材料的選擇。首先，選擇的材料需要性能穩定、不包含可燃物、有良好的滲透性和保水性，避免漿液大量流失造成浪費；其次，原材料能夠包裹在矸石表面或者填充到矸石空隙中，保證能夠隔絕氧氣阻止復燃；最后，原材料需要價格低廉、來源廣泛。目前，注漿滅火的材料一般為石灰、黃土、燒堿、粉煤灰、凝膠、水泥和一些高分子材料。配漿材料的主要成分為Ca（OH）2，可以與山體燃燒過程中產生的二氧化硫、三氧化硫和二氧化碳發生反應：

反應生成的產物化學性質穩定，在注漿部位生成致密的隔氧層和填充矸石間的空隙，達到滅火的目的。反應有利于減輕酸性氣體對環境造成的污染，同時生成的水降低了矸石山的溫度。

5 屯蘭礦矸石山注漿滅火漿液的配比

在漿液配置過程中，因為漿液容易流失，不易形成柱狀體，所以需要考慮漿液的黏度和穩定性，所以漿液配比參數會影響矸石山的注漿效果。滅火漿液的水固比為3∶1，據眾多矸石山注漿滅火的實踐和實驗，該漿液比注漿效果較好。根據其他矸石山采用的注漿壓力和考慮施工安全，注漿壓力控制在0.9～1.5 MPa,漿液可以與周圍土壤顆粒反應形成一定強度并且凝固后不會收縮。

6 屯蘭礦矸石山注漿滅火的鉆孔成孔率

矸石山松散易破碎不穩定，鉆孔困難，不穩定因素較多。自燃后，高溫作用下更加不穩定，所以導致鉆孔過程中孔洞堵塞坍塌等問題，成孔率十分低下，如果無法有效成孔會導致注漿滅火失敗。高溫使得鉆孔機器溫度較高，導致機器故障。孔內蒸汽爆炸給施工帶來危險。針對鉆孔成孔率低這一難題，設計鉆孔深度15～20 m，采用雙管同時鉆進的辦法，同時布設氣孔，不會發生塌孔和堵孔問題，防止蒸汽壓力過大和不及時排放引發的爆炸等事故，加快成孔速率，節約治理成本，保證工程順利安全進行。

7 屯蘭礦矸石山注漿滅火的效果

滅火前后高溫區溫度大幅減低到臨界溫度以下，與外界環境自然溫度大致相同，沒有濃煙產生和刺激性氣味的生成，矸石山自燃現象基本消除，也沒有復燃跡象。表明矸石山注漿滅火達到預期目標，取得了一定的成績和經驗。注漿滅火技術消除了屯蘭礦生產加工過程的后顧之憂，消除了環境污染，優化了矸石山的生態環境。

8 結語

石灰漿液順利注入燃燒區吸收矸石山內部熱量和酸性污染，隔絕空氣，降低了矸石山溫度，快捷高效地對矸石山進行有效滅火，同時避免矸石山的重新發生燃燒。煤炭礦區生產加工過程產生的副產物煤矸石雖然造成大規模的環境污染狀況，但是如果能夠進行生態修復和資源化利用，那么不僅能夠實現煤礦區的環境保護和再利用，形成生態良性循環，還能夠獲得可觀的經濟效益，實現煤矸石的資源化利用，達到可持續發展的目的。屯蘭礦矸石山的治理，將排矸石與生態修復相結合，變廢為寶，實現了矸石的綜合利用，實現生態、社會、經濟效益的統一。