賀國龍

（中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 611730）

0 引言

煤矸石自燃是一個較為普遍的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，我國大約有三分之一的矸石山發(fā)生過自燃，放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和氮氧化物等有害氣體并伴有大量煙塵，對周圍環(huán)境造成嚴重污染。煤矸石的自燃取決于兩個因素：內因是煤矸石中存在硫鐵礦及碳質可燃物，外因是煤矸石的堆積方式為其自燃提供通風供氧條件。由此可見，預防煤矸石自燃也應針對性的采取措施：一是減少硫鐵礦及碳質可燃物，二是隔絕空氣的流通。怎么能保證棄碴場煤矸石自燃整治快速、有效，在如何選擇合理的處理措施，控制棄碴場煤矸石自燃和預防棄碴場煤矸石自燃等進行介紹。

1 工程概況

屯坡隧道長2322m，最大埋深140m。隧道位于貴州省玉屏縣新店鄉(xiāng)境內，隧區(qū)位于構造剝蝕低山地貌，測區(qū)地形波狀起伏，相對高差約20～150m。測區(qū)溝槽覆蓋第四系坡洪積（Q4dl+pl）粉質黏土、碎石土，厚0～2m，緩坡上多為薄層坡殘積（Q4dl+el）粉質黏土及角礫土所覆蓋，厚0～6m，基巖部分裸露，為寒武系下統(tǒng)杷榔組（∈1p）炭質頁巖夾砂巖、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（∈1n）炭質頁巖夾砂巖，強風化層厚2～10m，局部夾含有有害氣體。牛蹄塘組（∈1n）炭質頁巖含C、H、S、Fe等成分，成煤品質極差。隧道巖性為炭質頁巖，隧道進出口及洞身多見開采煤矸石。

2 隧道棄碴場煤矸石自燃原因分析

2.1 煤田地質局對煤矸石進行化驗分析

2.1.1 礦物成分

煤矸石的礦物成分和化學成分較為復雜，但是能夠構成可燃物的，主要有C、H、S等組成物質，其中硫鐵礦的燃點低、耗氧量小、氧化放熱量大，是煤矸石的主要引燃物。

2.1.2 化學成分工業(yè)分析（見表1）

表1 化學成分工業(yè)分析

煤的自燃傾向性是煤常溫下氧化能力的內在屬性，反應了煤的變質程度、水分、灰分、含硫量、粒度、孔隙度、導熱性，是煤的一種自燃屬性。

煤自燃傾向性等級分為三類：Ⅰ類容易自燃、Ⅱ類自燃和Ⅲ類不易自燃。以每克干煤在常溫（30℃）、常壓（10.133×105Pa）下吸氧量作為分類的主要指標。

表2 煤樣干燥無灰基揮發(fā)分 daf≤18%時自燃傾向性分類

根據(jù)《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》，參照煤樣干燥無灰基揮發(fā)分daf≤18%時自燃傾向性分類標準，煤矸石煤的自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃。但全硫含量（t）達到自燃傾向性條件之一，不排除硫鐵礦引起自燃。

2.2 棄碴場煤矸石自燃原因分析

隧道穿越地層為寒武系下統(tǒng)杷榔組（∈1p）、牛蹄塘組（∈1n）炭質頁巖夾砂巖，炭質頁巖含C、H、S、Fe等成分，成煤品質極差，部分屬煤矸石。經對炭質頁巖取樣進行化學成分分析，硫含量為2.43%，炭質頁巖中含一定的硫化鐵，由于棄碴的堆積方式提供了供氧通風條件，在降雨雨水下滲的促進作用下，硫化鐵經微生物的催化作用率先發(fā)生氧化反應，并釋放巨大熱量，這是煤矸石自燃的內因。硫鐵礦氧化在釋放大量熱量的同時，生成大量的二氧化硫（供氧不足時生成硫磺），這是煤矸石自燃有刺鼻氣味或臭雞蛋味（硫化氫）和析出黃褐色固體硫磺的原因。當煤矸石碴場內部溫度達到300℃，即達到煤的燃點，引燃可燃物，造成煤矸石大面積長期穩(wěn)定的燃燒。

3 隧道棄碴場煤矸石自燃整治技術

3.1 整治總體方案

結合現(xiàn)場實際情況和以往煤矸石自燃的整治經驗，煤矸石自燃整治總體思路，對已經堆放自燃現(xiàn)象嚴重、出現(xiàn)明火的部位進行翻挖，采用鉆孔安裝鋼花管灌注水泥漿至堆砌煤矸石內部，隔絕煤矸石與氧氣的接觸，從而達到滅火和防火的目的。后期煤矸石棄碴采取棄碴堆放降低煤矸石堆填的高度，采取分層堆積（并壓實）的方式堆積。堆填方式的改變，采取“從下向上、縮小凌空、分層壓實、周邊覆蓋”的措施達到防火的目的。

3.2 棄碴場煤矸石自燃整治關鍵技術

3.2.1 已發(fā)生自燃煤矸石棄碴場處理措施

對已經發(fā)生自燃的煤矸石采用翻挖、鉆孔灌注水泥漿至堆砌煤矸石內部，隔絕煤矸石與氧氣的接觸，從而達到滅火的目的。

3.2.2 未發(fā)生自燃煤矸石棄碴場防范措施

盡量減少煤矸石中可燃物的含量。對于碳質頁巖棄碴場而言，因其可燃物分選性差，減少其中的可燃物含量較難控制；

降低煤矸石堆填的高度。煤矸石的堆填高度低于臨界高度則不會發(fā)生自燃；如果采取分層堆積（并壓實）的方式堆積，每層煤矸石的厚度不要超過其臨界高度（5m）。

減少煤矸石的活化性能，降低煤矸石的臨界溫度，采取阻燃劑可以達到此目的。

堆填方式的改變。傳統(tǒng)的排矸方式一般是先將煤矸石拉到煤矸石山頂部，然后傾倒并使其自然滾落；但堆填方法利于煤矸石自燃，應予以廢棄。采取“從下向上、縮小凌空、分層壓實、周邊覆蓋”的措施。從下向上，一層層堆置煤矸石，這樣可以使煤矸石得到一定程度的壓實，減少空隙率，也可以減少煤矸石在斜坡上露面，即“縮小凌空”之意。因為斜坡不易壓實，煤矸石間空隙率大，供氧條件好，自燃最易發(fā)生在這里。因此減少煤矸石在斜坡暴露面就減少了煤矸石自燃的可能性。等到一層煤矸石堆填完成后，再將周邊及頂部覆蓋殘積土壓密隔氧后，再進行下一次的煤矸石堆填，到整個煤矸石堆積完成，形成一個封閉良好、表面覆土的整體[1-5]。

對煤矸石進行地表封閉。采取封層壓實法或溝帶法形成封閉的煤矸石山。

盡量防止水浸入煤矸石山，減少煤矸石間的空隙，使煤矸石對氧的滲透接觸率降到最低限度。

3.2.3 棄碴場已發(fā)生自燃煤矸石處理措施

已發(fā)生自燃的煤矸石采用翻挖熄滅、深層注漿措施。對已經燃燒的煤矸石采用翻挖熄滅，如果不進行翻挖熄滅煤矸石內部溫度高達500℃，注漿會瞬間凝固失去作用，未自燃的煤矸石不需要翻挖。翻挖熄滅后采用鉆孔注漿，未自燃的煤矸石鉆孔間距為3m×3m，自燃后翻挖的煤矸石鉆孔間距為4m×4m，孔位呈梅花形布置，鉆孔深度15.5m～21m。注漿管直徑采用直徑108mm（壁厚3.5mm）的鋼管，每隔15cm在鋼管上鉆直徑10mm的注漿孔，梅花形布置，注漿比例=水：水泥（650∶1051），注漿壓力0.5～0.6MPa。

3.2.4 棄碴場后期煤矸石棄碴防范處理措施

（1）降低煤矸石堆填的高度。采取分層堆積（并壓實）的方式堆積，每層堆碴厚1.5m，采用0.5m粘土層覆蓋隔開并均碾壓密實；碴場坡面、平臺及頂面采用2m厚粘土層覆蓋，并碾壓密實。

（2）堆填方式的改變。采取“從下向上，縮小凌空，分層壓實，周邊覆蓋”的措施。從下向上，一層層堆置煤矸石。等到一層煤矸石堆填完成后，再將周邊及頂部覆蓋殘積土壓密隔氧后，再進行下一次的煤矸石堆填，到整個煤矸石堆積完成，形成一個封閉良好、表面覆土的整體。

（3）做好棄渣場周邊截排水系統(tǒng)，并對煤矸石渣場表面采取粘土覆蓋，壓實封閉。最大限度防止空氣和水浸入煤矸石渣場，使煤矸石對氧的滲透接觸率降到最低限度。

（4）棄碴前，對碴場內地表浮土進行清除，待棄碴完成后棄碴表面進行播草籽綠化。

（5）為避免坡面水流對碴頂面過度沖刷和積水，在碴場頂部修建“井”字型匯水溝，并進行借土回填，分層碾壓。

（6）棄碴場自燃的根治措施主要結合當?shù)孛喉肥瘡S礦對煤矸石進行利用回收，廢物利用，以達到煤矸石堆積體自燃的風險轉移，同時為減少棄碴占地。

3.2.5 棄碴場自燃整治情況及效果照片

屯坡隧道碴場通過以上的綜合處理，均已解決了自燃問題，處理情況良好，效果見圖1。

圖1 棄碴場整治效果

4 結束語

由于當前不當?shù)臈壊攴绞教峁┝嗣喉肥匀妓仨毜难鯕饧捌淅m(xù)溫條件，殘留的煤成分及其他可燃物質，在自然氧化過程中續(xù)集熱量，并最終持續(xù)燃燒。本文通過總結滬昆鐵路屯坡隧道棄碴場煤矸石自燃成因機制及其防治技術成果，提出綜合防治工藝。

屯坡隧道碴場煤矸石自燃通過采用注漿及翻挖，后續(xù)棄碴采用“從下向上、縮小凌空、分層壓實、粘土隔離、周邊覆蓋”的方式綜合治理，已解決了棄碴場煤矸石自燃問題，再沒有發(fā)生自燃現(xiàn)象，處理情況良好。

為了提高治理煤矸石自燃防治的主動性，首先應重視煤矸石的堆放處置方式和預處理，以防為主。其次，加強煤矸石自燃機理、防治技術的研究，以減少自燃危害。從環(huán)保的角度出發(fā)，則應加強煤矸石綜合利用技術研究。廢物利用以達到煤矸石堆積體自燃的風險轉移，這也是治理煤矸石自燃的根本之道。

在具體的煤矸石自燃的防治工程中，根據(jù)矸石山自燃的特性，我們必須按照實際情況，選擇合適的防治技術。從降溫、隔絕氧氣以及減少可燃物成分出發(fā)，綜合的進行防治工程實施。多領域拓展煤矸石自燃防治技術與理論研究的方法與思維，不斷加快煤矸石自燃防治技術與理論的研究進展，加快煤矸石的資源化，科學、合理、經濟、有效的治理煤矸石自燃現(xiàn)象。