盧 璐

（山西交控生態(tài)環(huán)境股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在我國采煤行業(yè)中，向外運(yùn)輸?shù)拿喉肥赡軙?huì)隨著時(shí)間累積在采煤場附近堆積成煤矸石山，導(dǎo)致其內(nèi)部熱量無法得到有效擴(kuò)散，存在于煤矸石山表面和內(nèi)部縫隙的氧氣會(huì)在此種環(huán)境在加快對(duì)煤矸石的氧化，從而導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的發(fā)生。煤矸石在自燃過程中所釋放的氣體具有嚴(yán)重污染性質(zhì)，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)刂車諝庠斐晌廴?。因此?duì)該問題的研究對(duì)現(xiàn)實(shí)生活具有重要意義。

1 煤矸石自燃原因分析

煤矸石是在煤炭開采與清洗過程中產(chǎn)生的，一種堅(jiān)硬度較高的灰黑色固體物質(zhì)，由于目前我國絕大多數(shù)情況下均采用機(jī)械化的工藝和手段進(jìn)行煤炭開采，因此在長時(shí)期運(yùn)作過程中難免會(huì)有大量煤矸石堆積到開采地周圍，不僅污染了周邊環(huán)境，還帶來了極大的安全隱患。

造成煤矸石自燃的原因有很多，其中最常見的就是其內(nèi)部自身所含元素的影響。具體來說，煤矸石內(nèi)部的可燃物質(zhì)含量較多，比如不完全開采導(dǎo)致的殘余煤渣、硫鐵礦等，此外還包括一定量的煤矸聯(lián)合體。其中，各種含有硫元素的物質(zhì)是引發(fā)煤矸石自燃的最重要原因，以單質(zhì)硫和硫體礦為主的可燃物在長時(shí)間累積下提升了自然發(fā)生概率。

此外，除了各種可燃物質(zhì)之外，若煤矸石內(nèi)部的低溫氧化物、熱量物質(zhì)含量較多，也可能引發(fā)自燃現(xiàn)象的產(chǎn)生。不僅如此，氧氣流通通道也會(huì)為自燃現(xiàn)象的發(fā)生提供一個(gè)機(jī)會(huì)，再加上表現(xiàn)形式為-SH、-S-S-的有機(jī)硫本身就具有較高的可燃性，因此在多種因素的共同作用下，煤矸石殘余煤基分子可能會(huì)出現(xiàn)異常溫度波動(dòng)，導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

2 煤矸石自燃治理工作中粉煤灰灌漿技術(shù)的具體應(yīng)用分析

2.1 粉煤灰灌漿技術(shù)的使用前準(zhǔn)備

2.1.1 具體治理方法的確定

就目前粉煤灰灌漿技術(shù)在煤矸石自燃治理工作中的實(shí)際使用情況來看，除了可以采用灌注漿體的方法以外，該技術(shù)還能支撐起剝離火源和封堵縫隙兩大治理方法。通常情況下急需進(jìn)行治理的煤矸石火山都認(rèn)識(shí)在服務(wù)期之內(nèi)的，因此該區(qū)域內(nèi)的人員流動(dòng)較多，若采用封堵縫隙的治理方法則會(huì)阻礙相關(guān)人員對(duì)煤矸石的搬入或搬出工作，導(dǎo)致防火和滅火作業(yè)的失敗；此外，剝離火源的自燃治理方式有應(yīng)用條件限制，比如該方法不適用于煤業(yè)新的煤矸石場地或是覆蓋面積較大的煤矸石山。因此，對(duì)于煤矸石自燃治理來說，在粉煤灰灌漿技術(shù)的支撐下，目前更容易被相關(guān)從業(yè)者所接受的治理方式仍為灌注漿體法，該方法也被稱為注漿滅火法。

為了能在盡可能短的時(shí)間里降低目標(biāo)區(qū)域內(nèi)煤矸石的自由溫度，在實(shí)現(xiàn)氧氣隔絕和疏漏封堵的同時(shí)，達(dá)到良好的治理效果，通常會(huì)采用粉煤灰、黃泥等作為灌注材料，必要時(shí)還可使用膠凝劑加以補(bǔ)助。由于粉煤灰的主要成分為CaO，且CaO 能夠與水發(fā)生反應(yīng)變?yōu)镃a（OH）2，然后進(jìn)一步與自燃中的煤矸石所生成的氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成一個(gè)有效的氧氣隔絕層，達(dá)到對(duì)煤矸石自燃問題的有效治理[2]。

灰水質(zhì)量比為1∶1 或1∶2 的粉煤灰漿液都屬于高濃度灌漿材料，在膠凝劑的配合下，這種含有較高濃度的灌漿材料能夠增強(qiáng)對(duì)自燃煤矸石的整體治理效果。首先，應(yīng)先通過原有管道將此次所使用的粉煤灰漿液安全運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)煤矸石區(qū)域內(nèi)，然后再使用同種方法完成對(duì)膠凝劑的安全運(yùn)輸。這樣一來，粉煤灰漿液和膠凝劑就會(huì)在一段時(shí)間過后形成一種含有大量粉煤灰的復(fù)合膠體，其自身功能性也會(huì)得到大大增強(qiáng)，在達(dá)到對(duì)煤矸石山前處裂縫封堵要求的同時(shí)，盡可能減少或避免煙囪效應(yīng)的出現(xiàn)。

2.1.2 相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的合理選擇

目前常見于煤矸石自燃治理的系統(tǒng)設(shè)備有型號(hào)為ZMJ-15 的井下移動(dòng)式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備、型號(hào)為MYZ-30 的地面移動(dòng)式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備和型號(hào)為MDZ-60 的地面固定式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備。

這三者的優(yōu)缺點(diǎn)分別為：對(duì)于井下移動(dòng)式自燃治理設(shè)備，其在正常投入使用過程中所消耗的成本較少，且系統(tǒng)設(shè)備本身的占地空間較小，防火滅火速度快且效果較好，但對(duì)于所用高濃度粉煤灰灌漿材料的需求量較大，運(yùn)輸工作較為復(fù)雜；地面移動(dòng)式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備不需要治理人員對(duì)其進(jìn)行固定操作，因此可以滿足不同環(huán)境下的煤矸石自燃治理需求，且在一些特殊條件下，還能滿足對(duì)灌漿站位置的靈活選擇與移動(dòng)，該系統(tǒng)設(shè)備與井下移動(dòng)式自燃治理設(shè)備的缺點(diǎn)一樣，對(duì)高濃度粉煤灰灌漿材料的需求量較大，因此在運(yùn)輸工作上會(huì)消耗一定的時(shí)間。除此之外，地面移動(dòng)式自燃治理設(shè)備在灌漿位置的選擇與確定上有特殊要求，會(huì)在一定程度上影響最終呈現(xiàn)結(jié)果；而地面固定式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備的系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且能夠在不依靠過多人力的情況下實(shí)現(xiàn)一次性灌注大量注漿材料。此外，該系統(tǒng)設(shè)備對(duì)所用灌漿材料的運(yùn)輸需求較小，可控范圍較大。但其缺點(diǎn)較多，一是運(yùn)行和維護(hù)成本較高，二是具有較高的技術(shù)性要求，對(duì)操控水平也有著特殊標(biāo)準(zhǔn)要求，三是運(yùn)輸高濃度灌漿材料的管道要足夠長，這也是成本提升的一個(gè)體現(xiàn)[3]。

以型號(hào)為MDZ-60 的地面固定式自燃治理系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行為例，該系統(tǒng)設(shè)備在煤矸石自燃治理工作中的實(shí)際運(yùn)用流程為：先將緩沖池分別與濾漿機(jī)、渣濾泵相連，緩沖池內(nèi)的物質(zhì)在經(jīng)過處理后通過濾漿機(jī)傳輸?shù)阶{膠體制備機(jī)當(dāng)中，然后在通過皮帶傳輸機(jī)和定量送料機(jī)將所用高濃度粉煤灰灌漿材料運(yùn)輸土場當(dāng)中。為了保證灌漿材料中不含或少含雜質(zhì)，還應(yīng)將清水灌注到清水泵中，并與膠體制備機(jī)相連，此外在運(yùn)輸過程中還需要借助以推土機(jī)、裝載機(jī)和汽車等為主的大型機(jī)械設(shè)備。而在渣漿泵這一端，是使用的設(shè)備為采礦行業(yè)專用的煤礦用注漿機(jī)，并利用該注漿機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌漿注膠地點(diǎn)的灌漿工作。

2.2 對(duì)于軌道附近的火山治理

對(duì)于運(yùn)矸軌道附近所堆積的煤矸石山燃燒來說，首先要根據(jù)燃燒程度和煤矸石山的占地面積大小來鋪設(shè)相應(yīng)的灌漿管道。除了要保證灌漿管道的位置具有較高精確度和準(zhǔn)確性以外，還要保證該灌漿管道能夠沿著地面一直持續(xù)鋪設(shè)到目標(biāo)煤矸石山山頂處。其次，應(yīng)盡快制作好自燃治理工作所需的灌注鉆孔，這一工作所采用的主要工具為鋼管，具體操作方法就是在實(shí)際勘查現(xiàn)場和參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上確定鉆孔位置，然后將事先預(yù)備好的鋼管插入目標(biāo)煤矸石山的相應(yīng)位置內(nèi)，插入深度大約維持在1～2 m 之間。最后，在將凝膠劑灌入到灌注鉆孔中時(shí)，應(yīng)先將高濃度粉煤灰材料與凝膠劑進(jìn)行混合，先使二者生成相應(yīng)的膠體物體，然后再采用自下而上的方法將該膠體物質(zhì)填充到煤矸石的淺層縫隙中去。

對(duì)于軌道附近的火山處理來說，整個(gè)工作有三方面的注意事項(xiàng)：在滅火工作中，首先要對(duì)燃燒區(qū)域的邊緣位置進(jìn)行處理，并盡可能地降低煤矸石邊緣位置的溫度，然后在逐步對(duì)上層區(qū)域燃燒的煤矸石區(qū)域進(jìn)行治理；要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所用粉煤灰的濃度和凝膠劑的劑量進(jìn)行把控，杜絕治理失敗或爆炸現(xiàn)象的發(fā)生；在必要時(shí)還可以向所用粉煤灰灌漿材料中加入適量的草籽，草籽的作用是對(duì)目標(biāo)煤矸石進(jìn)行綠化，減少其對(duì)周邊環(huán)境的污染。

2.3 對(duì)于距離運(yùn)矸軌道較遠(yuǎn)的燃燒區(qū)域治理

對(duì)于距離運(yùn)矸軌道較遠(yuǎn)的燃燒區(qū)域來說，首先人是要確定注漿管道的位置，為了在保質(zhì)保量完成滅火處理任務(wù)的同時(shí)，為操作人員和治理人員的人身安全提供保障和支撐，應(yīng)盡可能將注漿管道的位置選擇在地勢較為平緩的區(qū)域內(nèi)，且還要在注漿管道上找尋適當(dāng)?shù)奈恢?，將金屬梯固定在該位置上。這樣一來，即便是在實(shí)際治理過程中發(fā)生了再次自燃或爆炸事故，工作人員也能夠在第一時(shí)間利用安全梯撤離此區(qū)域，為其通行提供了方便。通常情況下，在對(duì)距離運(yùn)矸軌道較遠(yuǎn)的燃燒區(qū)域進(jìn)行滅火處理時(shí)，相應(yīng)的注漿管道一次安裝長度大約在5 m 左右，且該管道向起火煤矸石山的延伸方式為間斷性延伸[4]。

與在軌道附近的火山燃燒治理不同，此種環(huán)境下的治理工作展開較為復(fù)雜，且實(shí)施難度較大，因此通常情況下為了能夠保證灌漿管道能夠在維持長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，還應(yīng)對(duì)其加裝灌漿套管。灌漿套管保護(hù)作用在此處的體現(xiàn)為：能夠抑制火勢的繼續(xù)蔓延和擴(kuò)張，同時(shí)還能在一定程度上降低煤矸石山發(fā)生爆炸的可能性，一般作用于燃燒程度較高的煤矸石中。另外，為了保證灌漿操作的連續(xù)性，管道與管道之間還應(yīng)做好相應(yīng)的連接處理。在延伸過程中，首先要對(duì)原有管道在現(xiàn)階段的溫度情況進(jìn)行有效測量，其中最主要的是明確10 m 范圍內(nèi)的溫度數(shù)值大小，并在此基礎(chǔ)上完成灌漿管道向目標(biāo)煤矸石內(nèi)部的延伸工作。

其他的注意事項(xiàng)和操作方法均與對(duì)軌道附近的火山滅火治理完全相同，但由于此項(xiàng)工作的操作危險(xiǎn)系數(shù)較高，為了能夠從極大程度上保證人身安全，在對(duì)灌漿管道進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，還應(yīng)在一定范圍之內(nèi)拉好警戒線，并派專人定期在治理區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡邏走訪，杜絕一切可能會(huì)對(duì)治理工作造成干擾的行為，比如非工作人員隨意進(jìn)出工作現(xiàn)場、在未經(jīng)允許下私自靠近煤矸石自燃區(qū)域等。與此同時(shí)，還應(yīng)先對(duì)通行通道等重要部位的火源進(jìn)行加急處理，盡最大可能保護(hù)人員安全，然后再對(duì)煤矸石山其他著火區(qū)域進(jìn)行滅火治理。

2.4 與其他技術(shù)的融合運(yùn)用

1）若單獨(dú)使用粉煤灰灌漿技術(shù)展開治理工作，治理人員能夠提前采集到此項(xiàng)工作中所需的各種基礎(chǔ)性尺寸，包括發(fā)生自燃問題煤矸石山的直徑、邊緣自燃點(diǎn)與著火中心的距離等，此外還包括一些其他預(yù)期信息和尺寸信息。

2）粉煤灰灌漿技術(shù)能夠與自動(dòng)割煤技術(shù)進(jìn)行有效融合，從而使所作用煤層的采高數(shù)值能夠準(zhǔn)確展現(xiàn)出來。此外，為了確保數(shù)值精確性，在設(shè)定采煤機(jī)采高的區(qū)間范圍，即采高最大值和最小值時(shí)，還應(yīng)根據(jù)其內(nèi)部滾筒位置的實(shí)際高度來確定，盡可能避免滾筒位置不當(dāng)。另外，在自動(dòng)化割煤機(jī)的運(yùn)行過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行故障，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部滾筒超出了預(yù)設(shè)范圍值，正常的位置限定應(yīng)保證滾筒的上下邊緣均在采煤機(jī)預(yù)設(shè)位置范圍之內(nèi)[5]。

3）粉煤灰灌漿技術(shù)與SIPSA 參數(shù)調(diào)查技術(shù)的有效融合能夠加強(qiáng)自動(dòng)割煤技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用功能。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)自動(dòng)采煤機(jī)在各個(gè)階段和各個(gè)部分的位置確定，最主要的是其內(nèi)部支架以及暫?；蛲Ｖ惯\(yùn)行時(shí)的位置。

4）粉煤灰灌漿技術(shù)作用的完全發(fā)揮還離不開傳感器的支撐。具體來說，傳感器能夠?qū)δ繕?biāo)自動(dòng)采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)作過程中所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)查研究，比如階段性變化規(guī)律、工作面波動(dòng)情況等，然后在對(duì)其進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上調(diào)整原有補(bǔ)償數(shù)值和高度值，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)采煤機(jī)的有效補(bǔ)償，增強(qiáng)粉煤灰灌漿技術(shù)的精確性和可靠性。

3 結(jié)語

目前粉煤灰灌漿技術(shù)在煤矸石自燃治理中的應(yīng)用已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成效，但還存在一定的上升空間。為此，相關(guān)治理人員應(yīng)盡快轉(zhuǎn)變自身傳統(tǒng)觀念，加深對(duì)粉煤灰灌漿技術(shù)的認(rèn)識(shí)和了解，明確該技術(shù)的應(yīng)用原理和實(shí)際操作方法，并站在全局視角下重新審視整個(gè)自燃治理工作。這樣才能有效提升煤矸石自燃治理的能力和水平，為我國煤炭行業(yè)的發(fā)展贏得更多經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。