煤礦矸石山高溫治理技術研究應用

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［摘要］為了解決煤礦矸石山容易自然發(fā)火的難題，分析了自然發(fā)火的客觀條件及發(fā)火原因，采取表土層淺孔注水、山體表面噴漿覆蓋、內部深孔定向鉆進等“外封內堵”措施，對發(fā)火區(qū)域進行注水降溫。實踐結果證明，注漿充填封堵的綜合治理措施效果顯著，為創(chuàng)建綠色礦山奠定了堅實的基礎。

［關鍵詞］矸石山；滅火；環(huán)保；綠色礦山

1研究背景

煤礦矸石山的自然發(fā)火與綠色環(huán)保治理，對于任何一個礦井而言，都是較難解決的問題。義安礦業(yè)在礦井初期，由于未進行嚴格的煤矸篩分，導致地面排矸中摻雜有部分煤炭資源，以及廢舊生產材料，如坑木、荊芭、串桿等，久而久之，當溫度逐漸升高，在矸石山內部引起煤炭自燃。同時，在供風條件良好的情況下，進一步加劇了內部燃燒。伴隨著煤炭自燃，釋放出的含硫氣體對周邊環(huán)境，尤其是空氣質量造成了一定程度的污染。鑒于此，尋求一條適合該礦矸石山高溫治理與環(huán)保工程相結合的綜合治理措施，顯得尤為重要。

2自然發(fā)火影響因素

物體燃燒離不開可燃物、溫度、充足的氧氣三要素［1］，矸石山自燃也同樣如此。伴隨矸石一同被堆放的煤炭、坑木等作為可燃物，為物體的燃燒提供了足夠的燃料；當內部溫度升高達到燃燒條件，或遇明火時，則造成了可燃物的燃燒。此外，雖然矸石山經(jīng)過層層堆積，沒有明顯的進風通道，但由于內部碎矸堆積羅列的不規(guī)則排布，產生的裂隙仍為新鮮風流補給創(chuàng)造了條件。

3外部治理

3.1噴漿覆蓋

分析矸石山現(xiàn)有地理地形環(huán)境狀況，其邊坡迎風面常年受東北與西北季風的影響，形成了天然的供風條件，風量充沛。在此條件下，內部可燃物持續(xù)燃燒，且通道相對發(fā)育，導致火風壓與新鮮風流充分接觸，更加有助于燃燒；在風壓差的作用下，攜帶高溫與明火的氣流在內部做無規(guī)律流動，使得內部火情難以掌握和控制。鑒于此，利用地面注漿泵站，調制一定比例的黃土漿，對山體表面反復噴漿覆蓋，漿液調制配比在（1∶1.28）～（1∶1.3）效果最好。通過改變普通黃土材料的存在形態(tài)，變固態(tài)為液態(tài)，經(jīng)打漿機破碎后，成品漿液變得粘稠致密，在矸石山體表能夠均勻噴灑，且表層裂隙能夠有效被充填粘合，經(jīng)過反復噴漿，逐層加密加厚，形成較為致密的隔絕層，有效阻斷新鮮風流進入矸石山內，為下一步治理內部高溫創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境與條件［2］。在實際操作過程中，由于初期治理時矸石山體表溫度較高，局部地區(qū)溫度達到190°，在噴灑黃泥漿之后，雖然漿液較為粘稠，在斜坡段能夠減緩流速，成泥糊狀，但經(jīng)過表層和深部溫度的傳導，致使泥漿內的水分在高溫作用下，短時間內便揮發(fā)擴散，使得泥漿呈現(xiàn)龜裂狀。這就需要改進工藝：作業(yè)前，先對山體使用（1∶1.2）～（1∶1.23）的水泥漿進行預噴漿，待水泥漿水分揮發(fā)過半，呈現(xiàn)半干狀態(tài)而未開裂時，再進行黃土漿的二次覆蓋，這樣，水泥漿液就能夠更好地封閉矸石的表土層。同時，利用水泥漿的中間媒介作用，使黃土漿更好地附著在矸石山表土層上，以此持續(xù)噴漿，逐漸加密加厚隔絕層厚度，形成混合漿的隔絕夾層，有效阻斷空氣的流通補給。

3.2淺孔注水

在矸石山上平臺及邊坡地段建立若干個5m×5m治理單元（注水有效擴散半徑在2～3m），并劃分經(jīng)緯網(wǎng)格。使用廢舊鉆桿焊接成長1.5～2m的注水管（表土層較薄，最多2m可到矸石層），為了增強出水效果，在鉆桿上口焊接準25mm直通或三通，鉆桿下口焊接長20cm尖頭釬子，方便向下打設，鉆桿周邊切割大小適中的圓形出水眼，水眼不宜過大過密，否則影響滲透壓力和出水效果，減小滲透半徑。在網(wǎng)格交匯處進行埋設，使用準25mm水管依次連接成排鉆孔，并按照順序注水，使表土層以下一定下滲范圍內高溫點得到全覆蓋滲透降溫，經(jīng)過24h不間斷注水，逐漸形成一個低溫層，同時，在水力作用下，也能阻擋部分空氣內外交流。注水鉆桿如圖1所示。通過鉆桿進行注水，供風裂隙水力脹裂后空間進一步增大，為裂隙內注漿創(chuàng)造了條件；利用預先鋪設好的注漿管向鉆孔內注黃土漿，漿液能夠很好地充填裂隙，當漿液內水分流失，或受高溫影響揮發(fā)后，析出的黃土可有效充填風流通道，形成通道阻隔，從而有效地切斷氧氣的供給來源，干預內部高溫繼續(xù)擴散。

4內部治理

4.1鉆進施工

由于缺乏對矸石山治理的鉆孔施工經(jīng)驗，且對矸石山內部裂隙情況掌握不明，為了確保施工過程中不出現(xiàn)卡鉆、掉桿等情況，擬定采取注漿方法保護管壁，即在鉆進過程中連接水辮軸，利用水辮軸稀釋鉆桿內黃土漿液并注漿，稀釋后的黃土漿液比例為（1∶1.15）～（1∶1.2），此時漿液能夠超前鉆進深度，預充填鉆桿前方裂隙。同時，通過漿液擴散滲透，加固了鉆孔孔壁周圍矸石，為鉆孔營造安全環(huán)境。待漿液析出分離后，黃土漿液及干料都充填在裂隙中，析出的水則流向矸石山深部，起到深部降溫、增加濕度的作用。目前已施工的最深鉆孔95m，經(jīng)過實踐驗證，該方法能夠有效保護鉆孔施工。但要控制好鉆進速度，以降低卡鉆風險。

4.2退鉆施工

由于使用直徑94mm鉆頭開孔，退桿時會留下較大的空間，為風流流動創(chuàng)造了條件。為了解決這一問題，采用調整漿液比例的方法，即把漿液比例上調至（1∶1.25）～（1∶1.28），利用稠漿的重力作用和黃土漿液的良好形變特性，充分鎖住水分，增大重量，在鉆桿退出過程中，邊退邊注，最終漿液完全充填整個鉆孔，并且壓實，待水分揮發(fā)散去，黃土漿的粘著性與山體內碎矸石完全粘結在一起，有效充填了風流通道，隔絕了氧氣供給。同時，也防止因山體滑坡產生新的裂隙，增加了矸石山的整體強度。

5溫度觀察

在矸石山不同高溫區(qū)域設立了16個固定測溫點，分別在采取措施前、只采取外部噴漿方法期間和內外兼治期間進行了溫度觀測，并對不同區(qū)域、不同時期的平均溫度進行了分析。分析結果表明，采用外部噴漿覆蓋、內部深孔鉆進注漿的綜合治理方法效果最為明顯，溫度得到了最大程度地降低，實現(xiàn)了矸石山高溫治理的目標。

6結語

在對矸石山采取“外封內注”的綜合治理措施后，高溫區(qū)域溫度得到有效控制，火區(qū)得到明顯根治，表土層溫度逐步恢復正常，實現(xiàn)了矸石山高溫治理目標，清除了隱患，凈化了環(huán)境。

［參考文獻］

［1］杜帥.沙坪煤礦矸石對環(huán)境的危害及防治措施的研究［J］.山東煤炭科技，2019（1）：207-208.

［2］翟小偉.煤礦矸石山自燃治理技術研究與實踐［J］.煤炭科學技術，2015（4）：56-59.

作者：孔令杰 張帆 單位：河南能源化工集團 洛陽義安礦業(yè)有限公司