煤礦矸石山高溫治理技術(shù)研究應(yīng)用

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［摘要］為了解決煤礦矸石山容易自然發(fā)火的難題，分析了自然發(fā)火的客觀條件及發(fā)火原因，采取表土層淺孔注水、山體表面噴漿覆蓋、內(nèi)部深孔定向鉆進(jìn)等“外封內(nèi)堵”措施，對(duì)發(fā)火區(qū)域進(jìn)行注水降溫。實(shí)踐結(jié)果證明，注漿充填封堵的綜合治理措施效果顯著，為創(chuàng)建綠色礦山奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］矸石山；滅火；環(huán)保；綠色礦山

1研究背景

煤礦矸石山的自然發(fā)火與綠色環(huán)保治理，對(duì)于任何一個(gè)礦井而言，都是較難解決的問(wèn)題。義安礦業(yè)在礦井初期，由于未進(jìn)行嚴(yán)格的煤矸篩分，導(dǎo)致地面排矸中摻雜有部分煤炭資源，以及廢舊生產(chǎn)材料，如坑木、荊芭、串桿等，久而久之，當(dāng)溫度逐漸升高，在矸石山內(nèi)部引起煤炭自燃。同時(shí)，在供風(fēng)條件良好的情況下，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部燃燒。伴隨著煤炭自燃，釋放出的含硫氣體對(duì)周邊環(huán)境，尤其是空氣質(zhì)量造成了一定程度的污染。鑒于此，尋求一條適合該礦矸石山高溫治理與環(huán)保工程相結(jié)合的綜合治理措施，顯得尤為重要。

2自然發(fā)火影響因素

物體燃燒離不開(kāi)可燃物、溫度、充足的氧氣三要素［1］，矸石山自燃也同樣如此。伴隨矸石一同被堆放的煤炭、坑木等作為可燃物，為物體的燃燒提供了足夠的燃料；當(dāng)內(nèi)部溫度升高達(dá)到燃燒條件，或遇明火時(shí)，則造成了可燃物的燃燒。此外，雖然矸石山經(jīng)過(guò)層層堆積，沒(méi)有明顯的進(jìn)風(fēng)通道，但由于內(nèi)部碎矸堆積羅列的不規(guī)則排布，產(chǎn)生的裂隙仍為新鮮風(fēng)流補(bǔ)給創(chuàng)造了條件。

3外部治理

3.1噴漿覆蓋

分析矸石山現(xiàn)有地理地形環(huán)境狀況，其邊坡迎風(fēng)面常年受東北與西北季風(fēng)的影響，形成了天然的供風(fēng)條件，風(fēng)量充沛。在此條件下，內(nèi)部可燃物持續(xù)燃燒，且通道相對(duì)發(fā)育，導(dǎo)致火風(fēng)壓與新鮮風(fēng)流充分接觸，更加有助于燃燒；在風(fēng)壓差的作用下，攜帶高溫與明火的氣流在內(nèi)部做無(wú)規(guī)律流動(dòng)，使得內(nèi)部火情難以掌握和控制。鑒于此，利用地面注漿泵站，調(diào)制一定比例的黃土漿，對(duì)山體表面反復(fù)噴漿覆蓋，漿液調(diào)制配比在（1∶1.28）～（1∶1.3）效果最好。通過(guò)改變普通黃土材料的存在形態(tài)，變固態(tài)為液態(tài)，經(jīng)打漿機(jī)破碎后，成品漿液變得粘稠致密，在矸石山體表能夠均勻噴灑，且表層裂隙能夠有效被充填粘合，經(jīng)過(guò)反復(fù)噴漿，逐層加密加厚，形成較為致密的隔絕層，有效阻斷新鮮風(fēng)流進(jìn)入矸石山內(nèi)，為下一步治理內(nèi)部高溫創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境與條件［2］。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于初期治理時(shí)矸石山體表溫度較高，局部地區(qū)溫度達(dá)到190°，在噴灑黃泥漿之后，雖然漿液較為粘稠，在斜坡段能夠減緩流速，成泥糊狀，但經(jīng)過(guò)表層和深部溫度的傳導(dǎo)，致使泥漿內(nèi)的水分在高溫作用下，短時(shí)間內(nèi)便揮發(fā)擴(kuò)散，使得泥漿呈現(xiàn)龜裂狀。這就需要改進(jìn)工藝：作業(yè)前，先對(duì)山體使用（1∶1.2）～（1∶1.23）的水泥漿進(jìn)行預(yù)噴漿，待水泥漿水分揮發(fā)過(guò)半，呈現(xiàn)半干狀態(tài)而未開(kāi)裂時(shí)，再進(jìn)行黃土漿的二次覆蓋，這樣，水泥漿液就能夠更好地封閉矸石的表土層。同時(shí)，利用水泥漿的中間媒介作用，使黃土漿更好地附著在矸石山表土層上，以此持續(xù)噴漿，逐漸加密加厚隔絕層厚度，形成混合漿的隔絕夾層，有效阻斷空氣的流通補(bǔ)給。

3.2淺孔注水

在矸石山上平臺(tái)及邊坡地段建立若干個(gè)5m×5m治理單元（注水有效擴(kuò)散半徑在2～3m），并劃分經(jīng)緯網(wǎng)格。使用廢舊鉆桿焊接成長(zhǎng)1.5～2m的注水管（表土層較薄，最多2m可到矸石層），為了增強(qiáng)出水效果，在鉆桿上口焊接準(zhǔn)25mm直通或三通，鉆桿下口焊接長(zhǎng)20cm尖頭釬子，方便向下打設(shè)，鉆桿周邊切割大小適中的圓形出水眼，水眼不宜過(guò)大過(guò)密，否則影響滲透壓力和出水效果，減小滲透半徑。在網(wǎng)格交匯處進(jìn)行埋設(shè)，使用準(zhǔn)25mm水管依次連接成排鉆孔，并按照順序注水，使表土層以下一定下滲范圍內(nèi)高溫點(diǎn)得到全覆蓋滲透降溫，經(jīng)過(guò)24h不間斷注水，逐漸形成一個(gè)低溫層，同時(shí)，在水力作用下，也能阻擋部分空氣內(nèi)外交流。注水鉆桿如圖1所示。通過(guò)鉆桿進(jìn)行注水，供風(fēng)裂隙水力脹裂后空間進(jìn)一步增大，為裂隙內(nèi)注漿創(chuàng)造了條件；利用預(yù)先鋪設(shè)好的注漿管向鉆孔內(nèi)注黃土漿，漿液能夠很好地充填裂隙，當(dāng)漿液內(nèi)水分流失，或受高溫影響揮發(fā)后，析出的黃土可有效充填風(fēng)流通道，形成通道阻隔，從而有效地切斷氧氣的供給來(lái)源，干預(yù)內(nèi)部高溫繼續(xù)擴(kuò)散。

4內(nèi)部治理

4.1鉆進(jìn)施工

由于缺乏對(duì)矸石山治理的鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，且對(duì)矸石山內(nèi)部裂隙情況掌握不明，為了確保施工過(guò)程中不出現(xiàn)卡鉆、掉桿等情況，擬定采取注漿方法保護(hù)管壁，即在鉆進(jìn)過(guò)程中連接水辮軸，利用水辮軸稀釋鉆桿內(nèi)黃土漿液并注漿，稀釋后的黃土漿液比例為（1∶1.15）～（1∶1.2），此時(shí)漿液能夠超前鉆進(jìn)深度，預(yù)充填鉆桿前方裂隙。同時(shí)，通過(guò)漿液擴(kuò)散滲透，加固了鉆孔孔壁周圍矸石，為鉆孔營(yíng)造安全環(huán)境。待漿液析出分離后，黃土漿液及干料都充填在裂隙中，析出的水則流向矸石山深部，起到深部降溫、增加濕度的作用。目前已施工的最深鉆孔95m，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法能夠有效保護(hù)鉆孔施工。但要控制好鉆進(jìn)速度，以降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

4.2退鉆施工

由于使用直徑94mm鉆頭開(kāi)孔，退桿時(shí)會(huì)留下較大的空間，為風(fēng)流流動(dòng)創(chuàng)造了條件。為了解決這一問(wèn)題，采用調(diào)整漿液比例的方法，即把漿液比例上調(diào)至（1∶1.25）～（1∶1.28），利用稠漿的重力作用和黃土漿液的良好形變特性，充分鎖住水分，增大重量，在鉆桿退出過(guò)程中，邊退邊注，最終漿液完全充填整個(gè)鉆孔，并且壓實(shí)，待水分揮發(fā)散去，黃土漿的粘著性與山體內(nèi)碎矸石完全粘結(jié)在一起，有效充填了風(fēng)流通道，隔絕了氧氣供給。同時(shí)，也防止因山體滑坡產(chǎn)生新的裂隙，增加了矸石山的整體強(qiáng)度。

5溫度觀察

在矸石山不同高溫區(qū)域設(shè)立了16個(gè)固定測(cè)溫點(diǎn)，分別在采取措施前、只采取外部噴漿方法期間和內(nèi)外兼治期間進(jìn)行了溫度觀測(cè)，并對(duì)不同區(qū)域、不同時(shí)期的平均溫度進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，采用外部噴漿覆蓋、內(nèi)部深孔鉆進(jìn)注漿的綜合治理方法效果最為明顯，溫度得到了最大程度地降低，實(shí)現(xiàn)了矸石山高溫治理的目標(biāo)。

6結(jié)語(yǔ)

在對(duì)矸石山采取“外封內(nèi)注”的綜合治理措施后，高溫區(qū)域溫度得到有效控制，火區(qū)得到明顯根治，表土層溫度逐步恢復(fù)正常，實(shí)現(xiàn)了矸石山高溫治理目標(biāo)，清除了隱患，凈化了環(huán)境。

［參考文獻(xiàn)］

［1］杜帥.沙坪煤礦矸石對(duì)環(huán)境的危害及防治措施的研究［J］.山東煤炭科技，2019（1）：207-208.

［2］翟小偉.煤礦矸石山自燃治理技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（4）：56-59.

作者：孔令杰 張帆 單位：河南能源化工集團(tuán) 洛陽(yáng)義安礦業(yè)有限公司