李永繼

(霍州煤電集團(tuán)公司環(huán)保處)

關(guān)于對自燃矸石山綜合治理的探討

李永繼①

(霍州煤電集團(tuán)公司環(huán)保處)

煤矸石是煤炭企業(yè)的主要污染源之一,隨著礦井產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)大,機(jī)械化程度提高,矸石堆積量仍在持續(xù)增加。矸石中含硫量高時(shí),極易引起自燃,自燃煤矸石山不僅污染大氣環(huán)境,嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)職工和農(nóng)民的身體健康,因此,防范與治理矸石山自燃尤為重要。通過分析矸石山自燃和防滅火的反應(yīng)機(jī)理,闡述了綜合治理滅火方案及其特點(diǎn)。

自燃矸石山;綜合治理;探討

煤矸石是煤炭企業(yè)的主要污染源之一,它是由煤、炭質(zhì)頁巖、頁巖、夾矸煤、砂巖、石灰?guī)r和少量的硫鐵礦等組成。在礦井生產(chǎn)過程中,矸石排放量約占采煤量的15%,矸石中含硫量高,堆積時(shí)間長,自燃條件具備時(shí),極易引起自燃。不僅污染大氣環(huán)境,抑制周圍農(nóng)作物生長,嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)職工和農(nóng)民的身體健康,同時(shí),自燃煤矸石山在雨季還會引起爆炸和酸性淋溶水,對地表水造成污染。因此,隨著矸石山的不斷形成,防范與治理矸石山自燃顯得尤為重要。

近年來,國家采用政策導(dǎo)向和行政管理等措施,倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì),清潔生產(chǎn),加大了矸石的治理與綜合利用,對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理意義重大。

1 矸石自燃和防滅火機(jī)理

1)矸石山自燃機(jī)理。矸石山自燃發(fā)火成因的三個條件分別是易自燃的煤矸石、充足的氧氣和高溫聚集。煤矸石中的硫鐵礦是引起矸石山自燃的主要因素。硫鐵礦燃點(diǎn)低(約為280℃),屬于易燃物。在常溫狀況下,它發(fā)生低溫氧化—自燃—燃燒的反應(yīng)過程,并放出熱量,從而引起含碳物質(zhì)的燃燒,最后導(dǎo)致矸石山由陰燃、自燃到產(chǎn)生明火和大量有毒氣體。其反應(yīng)機(jī)理如下:

在供養(yǎng)充足條件下,當(dāng)空氣過剩系數(shù)大于1%時(shí),硫鐵礦與氧氣發(fā)生反應(yīng),全部生成SO2,約有0.5%～2%的SO2進(jìn)一步被氧化成SO3,并放出大量的熱。

在供養(yǎng)不充足條件下,硫鐵礦在氧化過程中析出硫磺,放出熱量。

SO3遇水生成H2SO4。H2SO4系不揮發(fā)性酸,具有強(qiáng)氧化性,它既可氧化某些金屬,也可氧化某些非金屬。這時(shí)它本身被還原成SO2,形成惡性循環(huán)。

硫鐵礦在氧化過程中耗氧量很少,每千克硫鐵礦在燃燒時(shí)需氧量為997.8 g,僅為煤燃燒時(shí)需氧量的53.2%。

由此可見,水和氧是矸石山自燃的必要條件,硫鐵礦和碳元素是矸石山自燃的物質(zhì)前提。水是促進(jìn)硫鐵礦氧化反應(yīng)的條件。水存在,硫鐵礦才能產(chǎn)生硫酸水溶液,并伴隨放出大量的熱,從而促進(jìn)煤的水解,加速吸氧氧化作用。氧在矸石山自燃過程中,是不可缺少的條件,供養(yǎng)量的多少,直接關(guān)系到燃燒程度。如果硫鐵礦始終保持缺氧的狀態(tài)下,儲存于煤層中,就不會發(fā)生自燃。碳元素是矸石山自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)。矸石山?jīng)]有大量的可燃物碳元素,硫鐵礦自燃也不會蔓延擴(kuò)大,只限于硫鐵礦的自燃而已。

2)矸石山防滅火機(jī)理。根據(jù)矸石山自燃成因的三個條件,實(shí)施防滅火措施應(yīng)從以下幾方面入手。

a)切斷供氧通道,降低氧氣濃度。b)吸熱降溫,降低危險(xiǎn)源溫度到自然發(fā)火臨界值以下。c)包裹易燃煤矸石,形成高分子薄膜,消除自燃隱患。滅火時(shí),使高效防滅火材料與煤矸石燃燒后的焦化物在煤矸石表面形成一層性質(zhì)穩(wěn)定的、致密的焦化層,起到“一降、二防、三隔”作用,降溫,防止水煤氣產(chǎn)生和防止矸石山爆炸,隔熱、隔氧和隔氣,最終達(dá)到防止火勢蔓延和快速滅火的目的。

在滅火施工過程中遵循覆(覆蓋黃土)、壓(碾壓黃土防止燃燒引起局部塌陷)、挖(挖除淺部火源)、沉(粉煤灰水局部沉降滅火)、堵(封堵供氧供風(fēng)通道)、填(充填孔隙)、注(壓注阻燃高分子滅火材料)等原則。

2 矸石山綜合治理方案

鑒于以往矸石山滅火經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),矸石山滅火不能用單一的方法治理,而必須采取新技術(shù)、新材料,合理分區(qū),綜合治理。在分析調(diào)查國內(nèi)外矸石山滅火成功案例基礎(chǔ)上,霍州煤電集團(tuán)結(jié)合自燃矸石山實(shí)際情況,對矸石山采取削坡、做平臺、沉漿、挖掘、打孔注漿、碾壓等方法,在保證安全的技術(shù)手段控制下,對自燃矸石山進(jìn)行了綜合治理。即:矸石山實(shí)施削坡、做平臺,黃土覆蓋、碾壓消滅明煙明火;敷設(shè)管路、構(gòu)建蓄水池、化學(xué)注漿封堵或粉煤灰水澆灌,有效降低自燃矸石山深部溫度;覆蓋黃土碾壓、人工平整等綜合治理方案。

1)第一階段:削坡、做平臺、黃土覆蓋、碾壓消滅明煙和明火。

a)施工前,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際對矸石山狀況整體規(guī)劃,對矸石山自燃狀況進(jìn)行分析,制定出相應(yīng)的安全措施或應(yīng)急預(yù)案。

b)對自燃矸石山實(shí)施機(jī)械削坡、推平臺。對于小范圍火源,為了防止火勢向周圍蔓延,實(shí)施局部挖除,回填黃土;在矸石山治理其它區(qū)域,直接覆土或?qū)嵤┩跍蠞B灌高效防滅火材料,一般溝槽深度5～10 m,寬度3 m,滲灌結(jié)束后,充填粉煤灰或黃土。

2)第二階段:敷設(shè)管路、構(gòu)建蓄水池、化學(xué)注漿封堵或粉煤灰澆灌。

a)自燃矸石山消滅明煙、明火后,要進(jìn)行化學(xué)注漿,消滅暗火及潛在危險(xiǎn)源。根據(jù)注漿液滲流和擴(kuò)散機(jī)理,在松散巖體中漿液多為柱面擴(kuò)散滲流。漿液的擴(kuò)散半徑取決于松散巖體的顆粒度、裂隙和孔隙、注漿壓力、漿液的黏度、漿液配比等,因此,對鉆孔技術(shù)參數(shù)的選擇很重要。注漿前,必須打孔測溫度,劃定試驗(yàn)區(qū)域,掌握原始技術(shù)參數(shù),而后根據(jù)區(qū)域的不同情況進(jìn)行注漿,成功后再全面展開(測溫孔溫度均在80℃以下,一氧化碳質(zhì)量濃度降至480×10-6以下)。

對于明火區(qū)域或陰燃區(qū)域,當(dāng)溫度高、有毒氣體嚴(yán)重超標(biāo)時(shí),應(yīng)先噴灑阻燃降溫材料并覆蓋黃土碾壓,方可實(shí)施深孔注漿。

b)矸石山注漿工程要以最安全的方法、最經(jīng)濟(jì)的手段、最快捷的時(shí)間達(dá)到最佳效果,要形成以下4個體系。

(1)技術(shù)保障體系。要有完善的技術(shù)方案和監(jiān)測手段。每座矸石山情況不同,技術(shù)方案尤為重要,需要對方案內(nèi)容加以補(bǔ)充、完善,既要保證技術(shù)方案的科學(xué)性,又要保證其可行性、可操作性;包括全過程壓力、溫度、CO的觀測,藥劑、配比、注漿壓力、流量等參數(shù)的選擇,空隙率、擴(kuò)散半徑(水平方向的擴(kuò)散和縱向滲透)的掌握等,都要整體把握,做到細(xì)化、優(yōu)化、合理化。

(2)管理保障體系。要有嚴(yán)格的管理制度和管理機(jī)構(gòu)。工程管理人員包括安全監(jiān)督人員、技術(shù)人員、現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)人員等要緊盯施工現(xiàn)場和施工過程,要做到每個階段、每道工序都有人負(fù)責(zé)、有人把關(guān),同時(shí)操作人員要熟練掌握技術(shù)要求和操作要領(lǐng),做到定人、定崗、定責(zé)。

(3)施工組織體系。要編制嚴(yán)密的施工組織方案,以加快施工進(jìn)度。

(4)資金、裝備保障體系。要有充足的資金和足夠的裝備加以保障,才能保證工程的整體進(jìn)度,在最快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的最佳效果。尤其是溫度、CO等必需的監(jiān)測儀器和注漿設(shè)備的配置,必須滿足整個注漿滅火工程的需要。

3)第三階段:覆土碾壓、人工平整、綠化美化。對矸石山采取覆土消滅明煙和明火、化學(xué)注漿降溫消滅暗火后,使用機(jī)械設(shè)備規(guī)劃推壓形成梯田平臺,實(shí)施人工平整、圍堰筑壩、打田字格,而后分步植樹種草綠化。并配套建成矸石山專用供水加壓泵房,利用原注漿管路和蓄水池罐,解決矸石山供水問題,同時(shí)著手建筑大容量的高山永久蓄水池,對矸石山實(shí)施分區(qū)域靜壓灑水。

成立綠化隊(duì)伍,對整體綠化方案分步實(shí)施和對綠化區(qū)域的養(yǎng)護(hù),同時(shí),兼顧對矸石山進(jìn)行觀測,對出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行及時(shí)處理和匯報(bào)。

2009年,霍州煤電集團(tuán)已成功地對白龍、辛置、曹村三個煤礦自燃矸石山進(jìn)行綜合治理;白龍礦矸石山治理工作,作為山西省政府汾河流域生態(tài)修復(fù)與保護(hù)工程現(xiàn)場觀摩會的示范點(diǎn)。

[1] 荀崇明.自燃矸石山“剝離—注漿”滅火工藝初探[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2004(2):27-28.

Discussion on Comprehensive Control of Spontaneous Combustion of G angue Hill

Li Yong-ji

The gangue is one of main sources of pollution in coal enterprise,along with production capacity scale expanding in the mine,the mechanized degree enhances,the amount of waste rock heap is still increasing.When thesulfur content in gangue is high,can easily causespontaneous combustion, spontaneous combustion coal gangue hill not only pollutes the atmospheric environment,seriously damage the health of workers and farmers in mining areas,therefore,it is particularly important that prevent and control spontaneous combustion of waste dump.Through analyzing the reaction mechanism of spontaneous combustion and fire extinguishing of gangue hill,elaborates the program of comprehensive control and the characteristic.

Spontaneous combustion gangue hill;Comprehensive control;Discussion

book=3,ebook=61

TD751

B

1672-0652(2010)03-0035-03

2010-01-17

李永繼 男 1974年出生 1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院 工程師 霍州 031400