注漿在矸石山降溫中的應(yīng)用

楊銳

（山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

矸石山作為煤礦的附產(chǎn)物，多年來一直是困擾企業(yè)及周圍居民的難題，尤其近年來隨著國家對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度越來越高，矸石山的綜合治理就重新被放在了工礦企業(yè)環(huán)保項目的首位。矸石在堆放過程中由于其中的可燃組分緩慢氧化，在適當(dāng)?shù)臏囟群脱鯕鉂舛鹊臈l件下就會發(fā)生自燃[1]。多年來矸石山的降溫、復(fù)燃都是矸石山綠化治理的難點。

結(jié)合多年來對煤矸石治理經(jīng)驗，本地矸石山多采用覆土碾壓配合局部注漿充填煤矸石空隙，漿液包裹矸石體隔絕氧氣，修筑配水系統(tǒng)，植樹種草綜合治理的方法，達到降溫并改善環(huán)境的目的[2]。本文對注漿處理部分作簡要分析評價。

1 注漿

注漿作為一種地基處理方式，多適用于建筑地基的局部加固處理，適用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等的地基加固。加固材料可選用水泥漿液、硅化漿液和堿液等固化劑。注漿法也可用于不穩(wěn)定或相對穩(wěn)定的采空塌陷區(qū)治理，治理的漿液多選用具有大顆粒骨架的型漿液。

注漿用于矸石山降溫已經(jīng)有一定的實踐經(jīng)驗，主要作用有兩個方面：一是漿液噴灑入矸石層，降低矸石表面溫度，達到降溫的作用；二是漿液可填充矸石間的空隙，減少空隙間空氣流通的通道，并且具有粘性的漿液在矸石表層可形成薄層膜體包裹矸石，阻斷矸石與空氣的接觸，從而達到降溫的目的。所以注漿降溫在矸石山治理中為比較常見的方式，但根據(jù)地域不同、矸石成分的不同，采用的注漿方式及材料也有所區(qū)別。

2 實例分析一

2.1 矸石山概況

本矸石山位于平定縣冶西鎮(zhèn)東莊村西南，為仍在排放中的矸石山。現(xiàn)已按照原始的矸石山排放規(guī)劃方案，形成了六級坡體及平臺馬道。2019年4月，該矸石山2～5馬道及坡面出現(xiàn)著火跡象，地表溫度升高，表層植被枯死，有刺鼻氣體溢出，部分原始覆土區(qū)域出現(xiàn)泛白或泛黃現(xiàn)象。

2019年4月開始，對此矸石山進行降溫處理。

2.2 現(xiàn)場勘測及調(diào)查

現(xiàn)場勘測采用人工測繪、調(diào)查與鉆機鉆探測溫相結(jié)合的方式進行。

人工測繪、調(diào)查：工程師現(xiàn)場踏勘，劃分出地?zé)釁^(qū)域與非地?zé)釁^(qū)域，確定著火邊界線大致范圍。

踏勘：使用熱電偶及熱成像儀等設(shè)備，對擬治理矸石山進行現(xiàn)場踏勘和調(diào)查，結(jié)合地表溫度變化、表層矸石自燃情況和植被生長情況，初步圈定火區(qū)或可能成為火區(qū)的范圍。

鉆機鉆探：在已確定的現(xiàn)場著火區(qū)域內(nèi)進行間距50m的鉆探，鉆探深度8m，下放測溫儀器進行溫度勘測。從著火區(qū)域邊界線向外以50m間距擴散，并進行溫度勘測，直至溫度勘測小于70℃為止。

內(nèi)業(yè)：根據(jù)先期測繪圖及后期鉆探的測溫資料，對矸石山火區(qū)圖進行修正及劃分，最終形成精確的火區(qū)等溫線分布圖。

根據(jù)《煤矸石堆場生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范》（DB14/T 1755—2018）區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)：防控區(qū)-溫度＜70℃的區(qū)域；臨界區(qū)-70℃≤溫度＜90℃的區(qū)域；蓄熱區(qū)-90℃≤溫度＜230℃；發(fā)火區(qū)-溫度≥230℃的區(qū)域[3]，溫區(qū)分布如圖1所示。

圖1 溫區(qū)分布

本矸石山發(fā)火區(qū)表面積約26065m2，經(jīng)研究確定，對發(fā)火區(qū)域進行注漿降溫治理。

2.3 注漿方案設(shè)計

區(qū)域劃分后將治理區(qū)域邊界設(shè)置帷幕孔，防止注漿漿液流出造成浪費。

治理原則如下：結(jié)合本矸石山排放過程中進行了分層碾壓且8m間鋪設(shè)了0.5m厚黃土層的特點，預(yù)計將矸石山表層8m作為重點治理區(qū)域，形成相對穩(wěn)定的表層硬殼，阻斷內(nèi)部空氣，達到降溫效果。

注漿同時進行漿后溫度監(jiān)測，孔內(nèi)溫度小于100℃，為達標(biāo)鉆孔，即可灌漿封閉。

注漿方案主要起到降溫、包裹作用，對空隙不需要進行充分填充，所以采用0.15的孔隙比。矸石山放坡每級為8m，所以注漿厚度按8m計，每孔漿液量約計15m3。

式中：V——每孔漿液灌注量，L；n——擬加固土的天然空隙率；r——有效加固半徑，m。

得出設(shè)計有效加固半徑為2.12m，設(shè)計注漿孔中心距為4m，正三角形布置。帷幕孔中心距為2.0m，兩排交錯布置。

馬道與平臺鉆孔，要求有效孔深為7.5m，鉆孔布置應(yīng)設(shè)置在坡頂線內(nèi)1.5m處，防止坡面漿液流失。

坡面鉆孔應(yīng)垂直于坡面施工，要求有效孔深3.5m，鉆孔中心距按照斜坡面距離計算。

鉆孔出現(xiàn)縮孔、塌孔影響鉆孔成型時，坡面鉆孔可采用打入式注漿管，進行直接注漿；平臺與馬道鉆孔可達到設(shè)計深度后不起鉆，直接采用鉆孔注漿，待注漿完畢后再拔出鉆桿，對鉆孔進行灌漿處理。

注漿標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注漿壓力達到設(shè)計要求壓力3MPa，壓力灌入量小于50L/min，且持續(xù)時間超過15min；坡面有漿液滲漏或出現(xiàn)冒漿時可停止注漿。

2.4 注漿材料的選擇

我國廣泛使用的灌漿材料為黃泥漿液、石灰漿液及高分子降溫材料漿液等。早期使用較多的是黃泥漿液，此漿液的缺點是析水較多，泥漿容易脫水，對空隙填充效果較差。石灰漿，主要成分為熟石灰，可與矸石燃燒產(chǎn)生的有毒氣體發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)。

從而形成相對穩(wěn)定的固體物質(zhì)薄膜，達到封閉作用，且一定程度上減少了有毒氣體的排放，但石灰漿存在不能完全阻隔空氣的問題。

高分子的降溫材料的降溫效果好，例如徐州吉安研發(fā)使用的MAG-Ⅰ型復(fù)合膠體材料與黃泥漿的配合使用達到了很好的降溫效果，但高分子材料的造價較高，大面積注漿治理成本高。

粉煤灰作為黃土的替代物也是很好的選擇，但原狀的粉煤灰基本沒有粘聚力，對矸石的包裹程度較差。

結(jié)合本地區(qū)域特點，黃土資源稀缺，石灰及粉煤灰容易購買且價格較高分子材料低廉，為彌補石灰及粉煤灰漿液的不足，添加一定的水泥改善漿液的粘合效果。

漿液材料包括熟石灰、粉煤灰、水泥及清水。其中，熟石灰采用三級或三級以上新鮮消石灰。粉煤灰應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國家三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴格控制燒失量不大于15%。水泥應(yīng)采用32.5級水泥，應(yīng)符合國標(biāo)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》和其他相關(guān)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。優(yōu)先選用礦渣水泥，其次是普通硅酸鹽水泥或其他類型的水泥。施工拌制用水應(yīng)符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》，其pH應(yīng)大于4。

固體物質(zhì)重量比為水泥∶熟石灰∶粉煤灰=1∶2∶7。

帷幕孔水固比為1:1.3，注漿孔水固比為1:1.2。

制備漿液要求采用二級攪拌進行制漿，每次攪拌時間不小于10min。

2.5 注漿施工

根據(jù)發(fā)火區(qū)范圍和燃點位置，首先進行帷幕孔的注漿。注漿孔注漿順序為自帷幕孔向內(nèi)逐步推進。

鉆孔孔徑為73～89，成孔后馬上進行孔口管的澆筑，且孔口管出露于地面以上不小于0.5m。成孔的孔位偏差不得超過0.01m，傾斜偏差小于2°。

注漿前應(yīng)對孔內(nèi)先期壓水約1min，以確認管道通暢。注漿應(yīng)自下而上，緩慢提升。注漿壓力不得過高，須要采用低壓、小泵量注漿，避免“氣爆”。每孔注漿不得一次性注滿，須分三次以上反復(fù)注漿。注漿完畢時，須要清水洗孔，并灌漿封閉處理。

注漿完成后應(yīng)對孔內(nèi)溫度及氣體進行再次監(jiān)測，并做好記錄。若監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)24h仍高于230℃，則在原孔間隔2m處再鉆孔注漿，持續(xù)監(jiān)測，直至達到溫度達標(biāo)為止。

本工程經(jīng)過35d的施工，共完成馬道與平臺鉆孔684個，坡面鉆孔1198個，發(fā)生冒漿及坡面滲漏孔位53個。隨鉆孔完成溫度監(jiān)測1882孔位。一次注漿完成，鉆孔溫度不達標(biāo)孔位32個，對其周邊進行重復(fù)注漿施工，鉆孔量為64個。

2.6 后期監(jiān)測

注漿及覆土開始后，隨即在矸山高溫區(qū)分散設(shè)置溫度監(jiān)測孔，本次共設(shè)置監(jiān)測孔6個，監(jiān)測時間約1個月，監(jiān)測頻率約每周一次，見表1。

表1 監(jiān)測孔測溫記錄

溫度監(jiān)測須在降溫治理完工后，持續(xù)進行半年以上，以確保在矸山出現(xiàn)大面積復(fù)燃之前及時對其進行處理。監(jiān)測成果顯示，該矸山已成功降溫，目前已無復(fù)燃跡象。

3 實例分析二

某矸石山位于山西省盂縣縣城南7.8km處的石坡峪村以北一處自然溝谷中，該矸石山于2020年7月發(fā)現(xiàn)自燃現(xiàn)象，相關(guān)管理部門隨即對矸石山進行了降溫治理。治理方案同實例一，但該由于該矸石山原有覆土厚度較薄，矸石含硫量較高，導(dǎo)致該矸石山在注漿處理過程中，出現(xiàn)大面積反復(fù)升溫、高溫區(qū)轉(zhuǎn)移擴散現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)注漿，高溫區(qū)溫度尚未降至理想值，但注漿量及水泥用量已提前達到預(yù)計設(shè)計用量。

經(jīng)過大量工程實踐，我方與甲方及施工方溝通后，嘗試采用純粉煤灰漿注漿處理，具體方法如下。

水固比為1:1.2；注漿次序為由外向內(nèi)；在確保復(fù)注孔溫度降至常溫后再依次復(fù)注下一注漿孔；在停止注粉煤灰漿后若成片高溫區(qū)溫度再未升高，須向該區(qū)域再次注入適量水泥粉煤灰漿。

由于粉煤灰單價遠遠低于水泥，復(fù)注成本較低，且在注入復(fù)燃孔水分迅速蒸發(fā)后，粉煤灰對矸石也有一定包裹性，故該方法對降溫處理及控制工程造價均有明顯積極作用。

4 結(jié)論及建議

（1）不同漿液的適用性，需考慮矸石山所在區(qū)域特點，結(jié)合矸石山性質(zhì)、成本效益等方面進行多方面的綜合考量。

（2）本方案實施過程中，帷幕孔區(qū)域未發(fā)生漏漿等現(xiàn)象，因此判定帷幕孔阻隔效果良好，但在今后的注漿方案中，因根據(jù)實際情況對帷幕孔漿液配比進行合理調(diào)配。

（3）注漿降溫在矸石山的治理中不是單獨存在的，必須結(jié)合面層的黃土封閉工程一同起作用，且先行對面層封閉覆土之后再行注漿可以大大提高降溫成功率，減少矸石山復(fù)燃的可能性，覆土厚度不低于0.5m[4]。

（4）后期監(jiān)測時長不宜低于半年，評率不宜低于每月一次。出現(xiàn)復(fù)燃跡象應(yīng)及時報告，避免復(fù)燃區(qū)迅速擴大，造成不必要的經(jīng)濟損失。

（5）該工藝在陽煤集團（現(xiàn)華陽集團）二礦獅腦山矸石山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理示范工程等工程中得到成功應(yīng)用，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益[5]。