溫 磊，董紅娟，武兵兵，王晨陽

(1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100：2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.山西勤豐基礎(chǔ)工程有限公司，山西 晉城 048000)

煤矸石是煤炭開采與加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，長期以來，煤矸石的利用率低下，大多堆積成山，容易引發(fā)水體污染、重力災(zāi)害和自燃。煤矸石自燃過程中向大氣排放大量SO2、CO、H2S和NOx等有害氣體，同時(shí)伴有大量煙塵，嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)及周邊大氣環(huán)境。矸石山自燃治理已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的頭等大事，是防止周邊大氣和水體污染、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

國內(nèi)外常用的矸石山滅火方法主要有：挖除火源法、覆蓋法、表面澆灌法和注漿法，其主要原理都是從破壞自然條件的角度達(dá)到滅火效果。目前注漿法是應(yīng)用最廣泛的自然矸石山治理方法，其工藝是將滅火材料制成滅火漿液，用注漿泵將滅火漿液通過布置在火區(qū)的一系列鉆孔注入矸石山內(nèi)部，滅火漿液在接觸高溫區(qū)后水分迅速蒸發(fā)帶走熱量，使矸石迅速降溫的同時(shí)，漿液中的固體物質(zhì)還會(huì)包裹在矸石表面，填充在矸石間的縫隙中，起到隔絕空氣的作用[3-4]。國內(nèi)現(xiàn)價(jià)段多采用廉價(jià)黃土為原料，添加部分石灰制備注漿滅火材料，如河南平頂山煤礦四礦、郭家河煤礦、大同云岡煤礦等。內(nèi)蒙古中西部地區(qū)黃土資源稀缺，照搬其他地區(qū)黃土作為注漿料具有一定難度，并且該地區(qū)火力發(fā)電電廠每年生產(chǎn)的粉煤灰無處堆存，對該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。基于該地區(qū)自身地質(zhì)條件及工業(yè)背景，研制以粉煤灰為主要注漿滅火材料不僅能夠保護(hù)當(dāng)?shù)叵∪秉S土資源，還能夠?yàn)榇笞诠虖U綜合利用找到出路，達(dá)到以廢治廢，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低注漿成本的目的。

1 棋盤井矸石山治理現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)神華蒙西棋盤井洗煤廠矸石山南北長388 m，東西寬558 m，占地面積為167 313 m2，矸石山坡面面積為16.4萬m2，頂部面積為11.57萬m2，土方量約400萬m3，平均高差為32 m，平均坡度為36°，最大坡角為38°。因矸石中含有一定煤，且硫含量較大，露天堆放過程中，常年受到日照、風(fēng)吹雨淋的影響，在一定的環(huán)境條件下自熱氧化，導(dǎo)致矸石山內(nèi)部出現(xiàn)高溫而引起自燃。

近年來矸石山自燃現(xiàn)象日益嚴(yán)重，神華蒙西棋盤井洗煤廠采取了大面積黃土覆蓋的治理方案，黃土覆蓋平均厚度約50 cm，同時(shí)也在坡面及頂部種植了一些植被進(jìn)行綠化復(fù)墾。綜其治理效果分析，矸石山由自然傾倒堆積而成，坡度角大、覆蓋的黃土黏結(jié)性較差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成穩(wěn)固的土層；受雨水沖刷影響，覆蓋的表面黃土流失嚴(yán)重，并形成很深的沖溝，種植的植被成活率很低，矸石山復(fù)燃現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 注漿治理方案

目前注漿法是應(yīng)用最廣泛的矸石山自燃治理方法，其工藝是將滅火材料制成滅火漿液，用注漿泵將滅火漿液通過布置在火區(qū)的一系列鉆孔注入矸石山內(nèi)部 。滅火漿液在接觸高溫區(qū)后水分迅速蒸發(fā)帶走熱量，使矸石迅速降溫的同時(shí)，漿液中的固體物質(zhì)還會(huì)包裹在矸石表面，填充在矸石間的縫隙中，起到隔絕空氣的作用。

2.1 注漿材料的選取

注漿材料是影響滅火效果的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是決定滅火費(fèi)用的主體，如何制備一種廉價(jià)，高效的注漿滅火材料成為治理矸石山自燃的關(guān)鍵問題。國內(nèi)現(xiàn)價(jià)段多采用廉價(jià)黃土為原料，添加部分石灰制備注漿滅火材料，采用黃土為原材料注漿，雖然可以取得一定的治理效果，但黃土膠凝穩(wěn)定性較差，雨水滲透至矸石山內(nèi)部，將固結(jié)的黃土再次稀釋為泥漿流出矸石山，導(dǎo)致周邊水體污染，長期循環(huán)降水，勢必造成矸石山孔隙率增大，穩(wěn)定性降低，存在復(fù)燃及滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

矸石中因硫鐵礦存在而處于酸性環(huán)境，因此采用堿性滅火材料可以吸收SO2、CO2等酸性氣體，一方面粉煤灰中具有一定量的CaO、SiO2、Al2O3等氧化物，氧化鈣遇水生成的氫氧化鈣可以與矸石燃燒放出的SO2、SO3、CO2反應(yīng)，有效隔絕氧氣，滅火降溫。另一方面，粉煤灰中的SiO2、Al2O3被激活后生成硅鋁酸鹽凝膠，可以達(dá)到良好的滅火功效[5]。因此選用粉煤灰作為制備注漿材料的主要原料，可以解決粉煤灰固體堆存問題，又可以節(jié)約當(dāng)?shù)攸S土資源。

2.2 漿液的制備

2.2.1 注漿液特性要求

(1)注漿材料不可燃，在高溫下具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。

(2)注漿液必須具有活性，可以與水成漿，制成的漿液具有用泵送的特性。制成的滅火泥漿黏度不能太高，要有一定的滲透半徑。

(3)注漿液要有良好的流動(dòng)性。煤矸石山發(fā)生自燃后，矸石體會(huì)變的非常干燥和酥松，從而導(dǎo)致矸石體的孔隙率和滲透率也隨之變大，合適的流動(dòng)性能保證漿液能滲透到設(shè)計(jì)鉆孔的影響范圍，形成良好的包裹體，避免漿液的大量流失，造成材料浪費(fèi)，使鉆孔內(nèi)形成柱狀體，確保注漿材料將矸石體充分包裹[6]。

(4)注漿液要有良好的保水性。為了避免漿液中的水分在遇到高溫矸石后快速蒸發(fā)，漿液失去流動(dòng)性，可使?jié){液流經(jīng)范圍減少[7]。

(5) 注漿液穩(wěn)定性較好，不會(huì)出現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，避免造成漿液的膠結(jié)性。要求漿液在較低的溫度下就有良好的固結(jié)性能，最好是與矸石顆粒具有良好的膠結(jié)性能[8]。

(6)注漿液的制備工藝簡單易操作，制漿設(shè)備便于在矸石山滅火現(xiàn)場安裝和移動(dòng)。

2.2.2 注漿漿液配比試驗(yàn)

試驗(yàn)原料：粉煤灰、水泥、外加劑、水、矸石。粉煤灰的物質(zhì)成分及其含量見表1。

表1 粉煤灰物質(zhì)成分及含量

試驗(yàn)過程：將上述原料按照不同配比混合，根據(jù)每個(gè)配方均制成3塊7 cm×7 cm×7 cm大小的試塊，將這些試塊統(tǒng)一進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)28 d，分別測量其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 漿液配比試塊強(qiáng)度測試結(jié)果

由表2可知，在實(shí)際施工過程當(dāng)中應(yīng)選用第二組配比進(jìn)行漿液制備，既能滿足強(qiáng)度的需求，同時(shí)所需經(jīng)濟(jì)支出更少。

現(xiàn)場注漿過程中，需要考慮漿液擴(kuò)散半徑、流動(dòng)性、注漿壓力等綜合因素，同時(shí)注漿液配合比需根據(jù)火情及矸石山內(nèi)部孔隙率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[9-10]。在火情大、溫度高時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)小水灰比；孔隙率小時(shí)需適當(dāng)增加水灰比，否則漿液不能注入矸石山內(nèi)部。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際情況，本次注漿漿液的平均配比為每方漿液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加劑17 kg、水833 kg。

3 注漿鉆孔布置

注漿滅火法主要是利用漿液對矸石山進(jìn)行降溫和在矸石體上形成包裹隔絕空氣，達(dá)到治理的目的[11]。注漿的前提是確定高溫區(qū)的區(qū)域及范圍，在高溫區(qū)所在的矸石山的頂部和坡面進(jìn)行注漿，以達(dá)到封閉火區(qū)的目的。

根據(jù)矸石地形及現(xiàn)場火情形式分析，在矸石山頂部進(jìn)行注漿，先打勘探孔劃定火區(qū)范圍，再確定注漿孔的布置方案[12-13]。

3.1 勘察孔布置

距矸石山邊坡3.5 m布設(shè)勘察孔，勘察孔間距為20 m，孔深為23 m，孔徑為108 mm。成孔后采用法蘭盤進(jìn)行焊接封閉，此部分孔鋼管外露口用盲板封堵，作為長期留存測溫。勘察孔在后期注漿過程中同樣可以作為注漿孔來使用。

3.2 注漿孔的布置

(1)勘察孔內(nèi)溫度為80～260 ℃的區(qū)域發(fā)生輕微自燃，注漿孔布置不需要太過密集，注漿孔距邊坡3.5 m布孔，布孔間距為單排6 m即可。

(2) 勘察孔內(nèi)溫度為260～500 ℃的區(qū)域發(fā)生較為嚴(yán)重的自燃情況，注漿孔布置間隔應(yīng)當(dāng)更近一些，注漿孔距邊坡3.5 m布孔，布孔間距為單排3 m。

(3)勘察孔內(nèi)溫度在500 ℃以上，根據(jù)現(xiàn)場地形條件，設(shè)置四排注漿孔，第一排孔間距為3 m，第二排孔間距為4 m，第三排孔間距為5 m，第四排孔間距為6 m，各排間距為2 m。

上述注漿孔的直徑均為108 mm。

4 滅火效果分析

對所有注漿孔不同深度進(jìn)行開孔溫度測量，注漿后再對孔內(nèi)溫度進(jìn)行復(fù)測，并與開孔時(shí)測溫進(jìn)行對比。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，注漿后孔內(nèi)溫度得到大幅度降低[14-15]。

矸石山滅火效果可分為三個(gè)區(qū)間：

(1)原注漿孔溫度在80～260 ℃左右的，溫度已降至80 ℃以下。

(2)原注漿孔溫度在260～500 ℃的，溫度已降至80 ℃以下。

(3)原注漿孔溫度在685～700 ℃左右的(主要集中在矸石山東南角高溫區(qū))，測溫溫度也已降至80 ℃左右。

為保證滅火效果，監(jiān)測火區(qū)再次復(fù)燃的可能性，每隔三個(gè)月再次對火情嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行孔內(nèi)溫度監(jiān)測，并采取了相應(yīng)治理措施。

5 結(jié)論

(1)為了更好地解決棋盤井地區(qū)的矸石山自燃問題，選用粉煤灰作為注漿漿液的主要材料，通過多組試驗(yàn)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的比較以及出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮選用第二組試驗(yàn)配比。

(2)綜合考量現(xiàn)場的實(shí)際情況，最終每方漿液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加劑17 kg和水833 kg。

(3)在現(xiàn)場布置勘察孔用于探測火區(qū)的溫度，根據(jù)獲取溫度來確定注漿孔的分布。注漿后，火區(qū)溫度均控制在80 ℃以下，地表植被生長狀態(tài)良好。將粉煤灰變廢為寶治理矸石山自燃，做到以廢治廢減少對環(huán)境的危害，具有重大意義。