关于对自燃矸石山综合治理的探讨

李永继

(霍州煤电集团公司环保处)

关于对自燃矸石山综合治理的探讨

李永继①

(霍州煤电集团公司环保处)

煤矸石是煤炭企业的主要污染源之一,随着矿井产能规模扩大,机械化程度提高,矸石堆积量仍在持续增加。矸石中含硫量高时,极易引起自燃,自燃煤矸石山不仅污染大气环境,严重损害矿区职工和农民的身体健康,因此,防范与治理矸石山自燃尤为重要。通过分析矸石山自燃和防灭火的反应机理,阐述了综合治理灭火方案及其特点。

自燃矸石山;综合治理;探讨

煤矸石是煤炭企业的主要污染源之一,它是由煤、炭质页岩、页岩、夹矸煤、砂岩、石灰岩和少量的硫铁矿等组成。在矿井生产过程中,矸石排放量约占采煤量的15%,矸石中含硫量高,堆积时间长,自燃条件具备时,极易引起自燃。不仅污染大气环境,抑制周围农作物生长,严重损害矿区职工和农民的身体健康,同时,自燃煤矸石山在雨季还会引起爆炸和酸性淋溶水,对地表水造成污染。因此,随着矸石山的不断形成,防范与治理矸石山自燃显得尤为重要。

近年来,国家采用政策导向和行政管理等措施,倡导循环经济,清洁生产,加大了矸石的治理与综合利用,对矿区生态环境恢复治理意义重大。

1 矸石自燃和防灭火机理

1)矸石山自燃机理。矸石山自燃发火成因的三个条件分别是易自燃的煤矸石、充足的氧气和高温聚集。煤矸石中的硫铁矿是引起矸石山自燃的主要因素。硫铁矿燃点低(约为280℃),属于易燃物。在常温状况下,它发生低温氧化—自燃—燃烧的反应过程,并放出热量,从而引起含碳物质的燃烧,最后导致矸石山由阴燃、自燃到产生明火和大量有毒气体。其反应机理如下:

在供养充足条件下,当空气过剩系数大于1%时,硫铁矿与氧气发生反应,全部生成SO2,约有0.5%～2%的SO2进一步被氧化成SO3,并放出大量的热。

在供养不充足条件下,硫铁矿在氧化过程中析出硫磺,放出热量。

SO3遇水生成H2SO4。H2SO4系不挥发性酸,具有强氧化性,它既可氧化某些金属,也可氧化某些非金属。这时它本身被还原成SO2,形成恶性循环。

硫铁矿在氧化过程中耗氧量很少,每千克硫铁矿在燃烧时需氧量为997.8 g,仅为煤燃烧时需氧量的53.2%。

由此可见,水和氧是矸石山自燃的必要条件,硫铁矿和碳元素是矸石山自燃的物质前提。水是促进硫铁矿氧化反应的条件。水存在,硫铁矿才能产生硫酸水溶液,并伴随放出大量的热,从而促进煤的水解,加速吸氧氧化作用。氧在矸石山自燃过程中,是不可缺少的条件,供养量的多少,直接关系到燃烧程度。如果硫铁矿始终保持缺氧的状态下,储存于煤层中,就不会发生自燃。碳元素是矸石山自燃的物质基础。矸石山没有大量的可燃物碳元素,硫铁矿自燃也不会蔓延扩大,只限于硫铁矿的自燃而已。

2)矸石山防灭火机理。根据矸石山自燃成因的三个条件,实施防灭火措施应从以下几方面入手。

a)切断供氧通道,降低氧气浓度。b)吸热降温,降低危险源温度到自然发火临界值以下。c)包裹易燃煤矸石,形成高分子薄膜,消除自燃隐患。灭火时,使高效防灭火材料与煤矸石燃烧后的焦化物在煤矸石表面形成一层性质稳定的、致密的焦化层,起到“一降、二防、三隔”作用,降温,防止水煤气产生和防止矸石山爆炸,隔热、隔氧和隔气,最终达到防止火势蔓延和快速灭火的目的。

在灭火施工过程中遵循覆(覆盖黄土)、压(碾压黄土防止燃烧引起局部塌陷)、挖(挖除浅部火源)、沉(粉煤灰水局部沉降灭火)、堵(封堵供氧供风通道)、填(充填孔隙)、注(压注阻燃高分子灭火材料)等原则。

2 矸石山综合治理方案

鉴于以往矸石山灭火经验教训,矸石山灭火不能用单一的方法治理,而必须采取新技术、新材料,合理分区,综合治理。在分析调查国内外矸石山灭火成功案例基础上,霍州煤电集团结合自燃矸石山实际情况,对矸石山采取削坡、做平台、沉浆、挖掘、打孔注浆、碾压等方法,在保证安全的技术手段控制下,对自燃矸石山进行了综合治理。即:矸石山实施削坡、做平台,黄土覆盖、碾压消灭明烟明火;敷设管路、构建蓄水池、化学注浆封堵或粉煤灰水浇灌,有效降低自燃矸石山深部温度;覆盖黄土碾压、人工平整等综合治理方案。

1)第一阶段:削坡、做平台、黄土覆盖、碾压消灭明烟和明火。

a)施工前,结合现场实际对矸石山状况整体规划,对矸石山自燃状况进行分析,制定出相应的安全措施或应急预案。

b)对自燃矸石山实施机械削坡、推平台。对于小范围火源,为了防止火势向周围蔓延,实施局部挖除,回填黄土;在矸石山治理其它区域,直接覆土或实施挖沟渗灌高效防灭火材料,一般沟槽深度5～10 m,宽度3 m,渗灌结束后,充填粉煤灰或黄土。

2)第二阶段:敷设管路、构建蓄水池、化学注浆封堵或粉煤灰浇灌。

a)自燃矸石山消灭明烟、明火后,要进行化学注浆,消灭暗火及潜在危险源。根据注浆液渗流和扩散机理,在松散岩体中浆液多为柱面扩散渗流。浆液的扩散半径取决于松散岩体的颗粒度、裂隙和孔隙、注浆压力、浆液的黏度、浆液配比等,因此,对钻孔技术参数的选择很重要。注浆前,必须打孔测温度,划定试验区域,掌握原始技术参数,而后根据区域的不同情况进行注浆,成功后再全面展开(测温孔温度均在80℃以下,一氧化碳质量浓度降至480×10-6以下)。

对于明火区域或阴燃区域,当温度高、有毒气体严重超标时,应先喷洒阻燃降温材料并覆盖黄土碾压,方可实施深孔注浆。

b)矸石山注浆工程要以最安全的方法、最经济的手段、最快捷的时间达到最佳效果,要形成以下4个体系。

(1)技术保障体系。要有完善的技术方案和监测手段。每座矸石山情况不同,技术方案尤为重要,需要对方案内容加以补充、完善,既要保证技术方案的科学性,又要保证其可行性、可操作性;包括全过程压力、温度、CO的观测,药剂、配比、注浆压力、流量等参数的选择,空隙率、扩散半径(水平方向的扩散和纵向渗透)的掌握等,都要整体把握,做到细化、优化、合理化。

(2)管理保障体系。要有严格的管理制度和管理机构。工程管理人员包括安全监督人员、技术人员、现场组织协调人员等要紧盯施工现场和施工过程,要做到每个阶段、每道工序都有人负责、有人把关,同时操作人员要熟练掌握技术要求和操作要领,做到定人、定岗、定责。

(3)施工组织体系。要编制严密的施工组织方案,以加快施工进度。

(4)资金、装备保障体系。要有充足的资金和足够的装备加以保障,才能保证工程的整体进度,在最快的时间内达到预期的最佳效果。尤其是温度、CO等必需的监测仪器和注浆设备的配置,必须满足整个注浆灭火工程的需要。

3)第三阶段:覆土碾压、人工平整、绿化美化。对矸石山采取覆土消灭明烟和明火、化学注浆降温消灭暗火后,使用机械设备规划推压形成梯田平台,实施人工平整、围堰筑坝、打田字格,而后分步植树种草绿化。并配套建成矸石山专用供水加压泵房,利用原注浆管路和蓄水池罐,解决矸石山供水问题,同时着手建筑大容量的高山永久蓄水池,对矸石山实施分区域静压洒水。

成立绿化队伍,对整体绿化方案分步实施和对绿化区域的养护,同时,兼顾对矸石山进行观测,对出现的突发情况进行及时处理和汇报。

2009年,霍州煤电集团已成功地对白龙、辛置、曹村三个煤矿自燃矸石山进行综合治理;白龙矿矸石山治理工作,作为山西省政府汾河流域生态修复与保护工程现场观摩会的示范点。

[1] 荀崇明.自燃矸石山“剥离—注浆”灭火工艺初探[J].山西煤炭管理干部学院学报,2004(2):27-28.

Discussion on Comprehensive Control of Spontaneous Combustion of G angue Hill

Li Yong-ji

The gangue is one of main sources of pollution in coal enterprise,along with production capacity scale expanding in the mine,the mechanized degree enhances,the amount of waste rock heap is still increasing.When thesulfur content in gangue is high,can easily causespontaneous combustion, spontaneous combustion coal gangue hill not only pollutes the atmospheric environment,seriously damage the health of workers and farmers in mining areas,therefore,it is particularly important that prevent and control spontaneous combustion of waste dump.Through analyzing the reaction mechanism of spontaneous combustion and fire extinguishing of gangue hill,elaborates the program of comprehensive control and the characteristic.

Spontaneous combustion gangue hill;Comprehensive control;Discussion

book=3,ebook=61

TD751

B

1672-0652(2010)03-0035-03

2010-01-17

李永继 男 1974年出生 1996年毕业于山西矿业学院 工程师 霍州 031400