陳 舸 郝 博 葛 佟

（徐州意創(chuàng)化工科技有限公司，江蘇 徐州 221005）

矸石山是由煤電礦區(qū)在開采過程中排出的煤矸堆積形成的一種固廢污染體，含有大量可燃燒的劣質(zhì)煤、中煤、含硫煤矸，具有很強(qiáng)的自燃隱患和污染性。其產(chǎn)生的大量粉塵、含有重金屬的離子水對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害；同時(shí)由于堆積方式和地點(diǎn)的不合理和隨意性，極易引發(fā)矸石山的自燃。煤電礦區(qū)矸石山的燃燒、塌陷和噴爆事故，經(jīng)常造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)丨h(huán)保治理的頑疾[1-2]。

為此，國(guó)內(nèi)外科研工作者目前主要采用的技術(shù)方法包括注漿法、覆蓋法、低溫惰性氣體法，其中注漿法、覆蓋法是目前國(guó)內(nèi)煤電礦區(qū)最為主要的處理方式。

注漿法由于矸石山體量較大，內(nèi)部空間及裂隙較多，普通漿液，比如水、黃泥漿、粉煤灰漿和膠體滅火劑，由于流動(dòng)性過大，往往從最下部空間流走，漿體流失量巨大，封閉不實(shí)，針對(duì)火點(diǎn)位置起到的作用較小，且注漿過程易形成拉溝，在矸石山內(nèi)部形成新的漏風(fēng)通道，導(dǎo)致火點(diǎn)蔓延；而覆蓋法則是治標(biāo)不治本的處理方式，目前這種方法主要用于短時(shí)控制矸石山火勢(shì)，不具備實(shí)用價(jià)值。

矸石山防滅火理論的最基本關(guān)鍵問題是要人為地改變和破壞矸石山重點(diǎn)易自燃區(qū)域的蓄熱環(huán)境和條件，使其緩慢升溫、氧化加速和穩(wěn)定燃燒的某個(gè)或多個(gè)邊界條件遭到破壞而終止或難以繼續(xù)燃燒。

目前國(guó)內(nèi)煤電礦區(qū)矸石山防滅火技術(shù)處于瓶頸狀態(tài)，主要原因是缺乏合適的防滅火材料以及施工工藝不完善，因此國(guó)內(nèi)矸石山防滅火效果很差，復(fù)燃現(xiàn)象十分普遍，矸石山防滅火無論從理論和處理材料的角度都需要重新審視和研究。

2 北馬坊矸石山綜合防滅火新材料、新思路

北馬坊煤業(yè)有限責(zé)任公司最大的矸石山從五年前開始傾倒至今已形成高50 m、南北長(zhǎng)45 m、東西寬50 m、占地約2250 m2、堆積總量約10～12 萬t的矸石山。近幾年煤礦采的4 號(hào)煤層偏多，這座矸石山上傾倒的矸石4 號(hào)煤層夾矸偏多，4 號(hào)煤層含硫較高，隨著新排矸石量逐漸增大，矸石自燃，高溫火點(diǎn)不斷蔓延至矸石山上其他區(qū)域，表層溫度已經(jīng)高達(dá)800℃。

矸石堆積后的自然發(fā)火與井下采空區(qū)自然發(fā)火條件類似，同樣存在著散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶等不同的堆積蓄熱環(huán)境。散熱帶是指溝底大塊矸石通風(fēng)良好的地帶，不具備蓄熱條件，但卻是最主要的漏風(fēng)匯集區(qū)域；矸石山的氧化升溫帶是指腰線位置大量的小塊煤矸石堆積區(qū)，供氧充足，有良好的蓄熱條件，是最容易自燃和大面積燃燒的區(qū)域；窒息帶是指腰線位置以上為粉狀和細(xì)顆粒狀，供氧不充分，氧化反應(yīng)緩慢。

根據(jù)煤電礦區(qū)矸石山自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型，結(jié)合地面堆積矸石山的結(jié)構(gòu)和堆積方式，矸石山可視為一個(gè)由粒度不等的煤矸堆積而成的孔隙、裂隙介質(zhì)空間。孔隙由不同粒徑的煤矸堆積自然形成，而裂隙則是由煤矸堆積體經(jīng)多次傾倒、沖擊塌陷形成[3-5]。

2.1 綜合防滅火新材料

從防治煤電礦區(qū)矸石山自然發(fā)火的需要出發(fā)，必須采用合適的防滅火材料人為地改變矸石山易自燃區(qū)域內(nèi)部的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，人為地改變和封堵其漏風(fēng)區(qū)域，這樣就可以改變、調(diào)整和控制矸石山風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到有利于矸石山防止或抑制自然火災(zāi)的目的。

根據(jù)這個(gè)思路，國(guó)內(nèi)外目前常用的水、黃泥漿、粉煤灰漿、石灰水漿液、水泥漿、各種防滅火劑膠體、高水材料（流動(dòng)性過大，無任何粘附性）都是無能為力的。這種場(chǎng)合，具有降溫、膨脹性、流動(dòng)性適中、滅火性能優(yōu)良的無機(jī)泡沫材料才是煤電礦區(qū)矸石山滅火的最佳選擇。

因此，煤矸石山的自燃防治新思路大致分為三個(gè)步驟：主要漏風(fēng)通道的充填，重點(diǎn)部位空洞和孔隙的挖溝、插管、滅火和充填以及表面明火點(diǎn)的滅火降溫。

首先對(duì)矸石山底部的空間使用不燃無機(jī)泡沫充填材料進(jìn)行充填作業(yè)并設(shè)置一定高度的擋風(fēng)墻；同時(shí)挖溝打鉆充填隔絕氧化升溫帶與散熱帶之間的溝通，充填封堵相連的裂隙與空間；再用新型防滅火膠體材料（MEA 系列煤礦防滅火劑）對(duì)高溫區(qū)域降溫滅火。

LFM 輕型充填材料無毒副作用，不燃燒也不助燃，反應(yīng)熱不超過60℃，對(duì)于矸石山內(nèi)部縫隙、溝內(nèi)堵漏、降溫滅火起到至關(guān)重要的作用。

2.2 矸石山溝底構(gòu)筑擋風(fēng)墻

通過對(duì)矸石山全年主導(dǎo)風(fēng)向分析，選擇主要漏風(fēng)方向，在矸石山底部迎風(fēng)面位置砌筑一定高度的擋風(fēng)墻以期有效地減少向矸石山內(nèi)部的漏風(fēng)，如圖1。

圖1 北馬坊矸石山斜坡堵漏風(fēng)示意圖

具體工藝是使用碎煤矸石摻入徐州意創(chuàng)化工科技有限公司快速壘砌材料，并同時(shí)加水?dāng)嚢杈鶆?，使用配比為碎煤矸?0 kg+2～3 kgFSA 料+10～15 kg 水。該操作從根本上改變碎煤矸石的屬性，使碎煤矸石形成具有粘彈性、致密性的阻燃材料，既阻燃又堵漏風(fēng)。將此粘彈性混合料采用蛇皮袋填裝并進(jìn)行壘砌筑墻，擋風(fēng)墻的高度設(shè)置為1.8～2 m。

2.3 大面積充填溝底區(qū)域

溝底主要以大塊狀矸石為主，內(nèi)部空間較大，具備良好的通風(fēng)條件，雖不具備蓄熱條件，但溝底可燃物較多，氧氣充足，一旦火點(diǎn)由腰線向下引燃，會(huì)成為產(chǎn)生較大能量且難以控制的火區(qū)。因此可使用LFM 輕型無機(jī)泡沫充填材料對(duì)溝底區(qū)域進(jìn)行大面積充填、封堵空洞和裂隙。充填材料的充填比例控制在1:0.5～0.8，在溝底空間和矸石間的縫隙間充填并固化，將溝底區(qū)域形成一個(gè)整體的無機(jī)泡沫材料和大塊煤矸的膠結(jié)體，徹底隔絕漏風(fēng)。

2.4 阻斷漏風(fēng)通道-挖槽注漿

用挖掘機(jī)或人工挖開腰線區(qū)域砸管充填LFM輕型無機(jī)泡沫充填材料，將腰線火區(qū)徹底隔離，阻斷火點(diǎn)向其他區(qū)域蔓延。通過注漿管向矸石山漏風(fēng)通道空隙內(nèi)注入具有膨脹性、阻燃耐燒、流動(dòng)性適中的發(fā)泡型滅火充填材料并使之固結(jié)在孔隙、裂隙中，徹底阻斷風(fēng)流的傳送和滲透。切斷供氧渠道，使矸石山自然火災(zāi)快速熄滅。

將腰線隔離完成后，可快速處理腰線周邊火點(diǎn)，先用滅火劑降溫，后用挖掘機(jī)橫向分割成小的區(qū)域，挖開一處，降溫滅火充填一處，用不燃、具滅火膨脹功能的高泡充填材料徹底分割、充填和隔離，使用LFM 輕型無機(jī)泡沫充填材料到內(nèi)部空間包裹可燃煤體和隔絕漏風(fēng)通道，將腰線充填成一個(gè)整體不燃帶，徹底防止復(fù)燃。

3 效益分析與結(jié)論

通過向矸石山孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)中注入具有膨脹性、阻燃耐燒、流動(dòng)性適中的無機(jī)泡沫滅火充填材料，阻斷了漏風(fēng)通道，提高了矸石山滅火效率，減少了滅火材料的流失，有效地控制了矸石山自燃并且防止其復(fù)燃，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。