李國亮

（山西汾西礦業(yè)集團環(huán)保健康管理部， 山西 介休 032000）

礦井在回采過程中會產生大量的矸石，矸石來源包括有煤層夾矸、巖巷等[1]。礦井生產的矸石除少數礦井用以井下采空區(qū)充填外，其余大多數礦井是通過運輸系統(tǒng)運送至地表，并在矸石山上堆積[2-3]。堆積的矸石在一定條件下即會發(fā)生氧化自燃問題。根據相關研究成果發(fā)現，國內礦井矸石山中約有接近20%的矸石山正在氧化自燃。矸石山氧化自燃機理與井下煤層自燃機理類似，主要是由于矸石山中含有的黃鐵礦、碳物質等被空氣中氧氣氧化、蓄熱，最后引起自燃[4-6]。由于矸石山中含有的碳物質含量相對較少，同時不燃的礦物質占比較高，矸石山內可燃物質氧化反應較慢，自燃發(fā)火短則數年多則需要十幾年。矸石山在自燃發(fā)火過程中會產生CO2、CO、H2S、NOx、SOx等有害氣體以及其他有害物質，會嚴重影響礦區(qū)內的空環(huán)境質量[7]。

1 工程概況

山西某礦于2000 年開始投入生產，生產能力為300 萬t/年，為高瓦斯礦井?，F階段礦井主采3 號煤層，煤層有自燃發(fā)火傾向，自燃發(fā)火區(qū)介于60～120 d、煤塵爆炸指數為41.6%。礦井開采的3 號煤層厚度達到6.9 m，采用綜放開采方式，煤層中夾雜有3～5 層砂質泥巖矸石。截止到2021 年3 月，礦井累積生產原煤約5 800 萬t，產生矸石量約29 萬t。

井下煤炭開采生產的矸石除部分用以采空區(qū)充填外，其余均由運輸系統(tǒng)運送至地面矸石山進行堆積。

2 矸石山環(huán)境危害分析

礦井煤炭開采時生產的矸石主要通過帶式輸送機運行至地表，并經由汽車運輸方式運輸至矸石山堆積。若對矸石山不進行針對性處理，則矸石山內的可燃物在空氣中氧氣緩慢氧化下出現自燃，從而影響礦區(qū)環(huán)境質量。矸石山對環(huán)境主要威脅體現在以下方面：

1）矸石在運輸以及堆放過程中均會產生大量粉塵，會給作業(yè)人員身體健康帶來危害，并污染礦區(qū)環(huán)境。

2）矸石山中含有大量的Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO 等成分，一般情況下矸石山采用露天堆放方式，矸石經過雨淋后會產生一些有害物質，一些有害物質會下滲到地下水中，一些會隨著地表徑流流向河流中，從而污礦區(qū)周邊居民用水以及農業(yè)、畜牧業(yè)等用水。

3）矸石山若不針對性進行治理，容易出現自燃。矸石山自燃過程中產生的CO、H2S、NOx、SOx等氣體會給附近作業(yè)人員身體健康帶來威脅，同時污染礦區(qū)礦井。根據現場實測發(fā)現，矸石山自燃過程中釋放的ρ（SO2）可達到0.12～7.05 mg/m3，超過SO2排放標準16 倍以上；ρ（CO）可達到1.95～124.7 mg/m3，超過排放標準20倍以上。預測該礦矸石山由于自燃每年向大氣中排放SO2、CO 分別約0.85 t、3.15 t，會嚴重污染礦區(qū)環(huán)境。

3 矸石山污染防治

3.1 矸石自燃發(fā)火防治

3.1.1 矸石山成分分析

對礦井矸石山成分進行分析，發(fā)現矸石山主要有泥質灰?guī)r、黏土巖以及煤層夾矸等構成。可燃物主要為煤層夾矸以及矸石中遺煤，具體化驗指標見表1 所示。

表1 矸石山成分化驗指標

通過對矸石山現場堆積情況分析以及矸石山成分分析結果，判定該矸石山自燃主要原因：

1）矸石山堆積的矸石呈斜坡狀，暴露面積較大，同時矸石堆積疏松、內部有較大孔隙，可給矸石自燃提供較好的氧化條件，滿足矸石自燃需要?，F場監(jiān)測發(fā)現該矸石山滲透率可達到10～9 m2，在供氧條件充足情況下矸石氧化溫度可達到自燃溫度之上。

2）矸石堆積過程在重力、傾角等因素影響下，大塊矸石一般在矸石山底部堆積，小塊的則留在上部。矸石山堆積時自然分級增加矸石山孔隙率，熱量高的小顆粒矸石在矸石山上部富集。上述因素共同作用導致矸石山出現自燃。

3.1.2 矸石山自燃發(fā)火防治

矸石山自燃與溫度、氧氣供應條件密切相關，結合礦井矸石山實際情況，采用黃泥灌漿方式隔絕供氧通道，并采取局部澆水方式熄滅矸石山上明火。

3.1.2.1 黃泥將灌漿隔絕供氧

從其他矸石山自燃發(fā)火防治經驗來看，通過在矸石山上灌注黃泥漿可封堵供氧通道，從而降低矸石山中含炭量較高的矸石或者煤炭氧化，可起到較好的防滅火效果。在矸石山上灌注的黃泥應滿足下述要求:加入少量水即可形成泥漿，滲透性強同時易于脫水，漿液膠結后收縮量??；漿液中不應含有催化劑或者可燃物，同時便于運輸、現場制備。在黃泥漿灌注時漿液水灰質量比為2∶1。

灌黃泥漿時從矸石山有上而下灌注，具體灌注時應注意下述事項：

1）在黃泥漿灌注前推平矸石山，從而形成四周高、中間低的形狀。

2）連續(xù)大量灌注黃泥漿3 d 后停止灌注，通過自重讓黃泥漿在矸石上縫隙中緩慢沉淀。

3）定期測定漿液水灰比，并根據現場條件調整水灰比，確保漿液具有較好的滲透效果。

3.1.2.2 局部澆水滅火

當發(fā)現矸石山局部溫度較高或者出現小范圍明火時，采用局部澆水方式滅火。水具有較強的滲透性，在自燃發(fā)火上風側10 m 位置采用高壓注水管從外圍向中部進行滅火，從而達到熄滅局部發(fā)火目的。

3.1.3 防治效果分析

對礦井矸石山自燃發(fā)火進行防治后，經過施工鉆孔探測發(fā)現矸石山內部溫度控制在70 ℃以內，矸石山自燃問題得以有效控制。

3.2 其他環(huán)境污染防治措施

在矸石山堆積過程中采用專用噴霧灑水裝置用以降低粉塵產生量，并定期對積塵區(qū)進行清洗，降低粉塵給環(huán)境影響，同時在長時間堆積且后續(xù)不再使用的矸石山區(qū)域通過種植地表綠植也可起到降低粉塵、減少矸石山對環(huán)境影響目的。

在矸石山周邊修筑擋水墻，以便對矸石山受大氣降水沖刷后形成的污染進行收集，并采用專用輸送管路將污水泵送至污水處理廠，從而減少污染對環(huán)境影響。

4 結語

煤炭開采過程中產生的矸石在地面堆積會產生較為顯著的環(huán)境污染問題。隨著對環(huán)境保護重視程度的不斷增加，應針對矸石山污染產生特點采取針對性的污染防治措施。在礦井后續(xù)生產過程中可采用充填開采技術，將井下生產的矸石充填至采空區(qū)中，不僅可避免矸石在地面堆積而且可降低采空區(qū)地表塌陷量，從而實現煤炭綠色回采并降低礦區(qū)環(huán)境保護污染。