高速公路特殊路基煤矸石路段的灭火处理

胡 建 勇

(山西远方路桥(集团)有限责任公司，山西 大同 037011)



高速公路特殊路基煤矸石路段的灭火处理

胡 建 勇

(山西远方路桥(集团)有限责任公司，山西 大同 037011)

分析了煤矸石自燃的必要条件，从去除煤矸石中的煤和黄铁矿、提供无氧环境等方面，探讨了煤矸石路段自燃的预防措施，同时提出了泡沫法、挖除火源、注水法等治理措施，以减少煤矸石路段自燃现象的发生。

煤矸石路段，自燃现象，可燃物，煤炭

由于煤炭堆会出现自燃的现象，我们不难发现，煤矸石路段自燃现象产生的根本原因是由于矸石之中含有一定量的煤炭，而且煤炭还是矸石自燃必不可少的部分。由于矸石之中含有大量的硫元素，而这些硫元素是以黄铁矿的形式在矸石之中出现的。而黄铁矿这种物质在常温环境下会发生十分缓慢的氧化反应，可是黄铁矿在氧化反应的过程中会释放出一定的热量，这从很大程度上促进了矸石在常温状态下产生氧化反应，并从很大程度上提高了矸石出现自燃现象的概率[1]。

1 煤矸石自燃的必要条件

煤矸石路段的自燃现象是一个相当复杂的化学反应，受到多重外在环境因素以及矿物含量因素的制约，但是总的来说，煤矸石出现自燃现象的根本原因可以归结为以下几个：

1)煤矸石之中含有的物质导致它比较容易出现自燃的现象，因为在绝大多数情况下，煤矸石可以很迅速的与氧气发生氧化反应并在反应中持续释放出热量，从而最终导致温度达到煤炭燃点并产生自燃现象。

2)煤矸石的物理结构疏松，而且往往存放条件较为松散，因此有相当一部分面积直接暴露于空气当中，这极大的提高了煤矸石和氧气的接触面积，由于获得了足够的氧气，所以煤矸石很容易被氧化而放出热量，最终导致自燃现象的产生。

3)煤矸石路段的比热容相对较大，所以煤矸石路段可以储存大量的热量，因此很长一段时间之内矸石被氧化而释放出的热量都会聚集在山体之中不会释放出去，而热量的堆积无疑对煤矸石路段自燃提供了很大程度上的便利。

处以堆积状态的煤矸石在常温下会被缓慢的氧化，所产生的热量确实并不足以直接导致煤矸石产生自燃现象，可是由于矸石具有较高的比热容，因此这些热量会被存储下来，随着热量的不断堆积，煤矸石被氧化的反应速率会被加快，热量的产生速率也进一步增加，这是一个螺旋上升的过程，因此我们可以得出如下结论，即：只要煤矸石可以与足量的氧气直接接触，热量终究会堆积到可以使煤矸石自燃的程度。由于煤矸石之中含有较为大量的煤炭，因此一旦开始自燃就可以维持长时间的持续燃烧，燃烧时由于热空气的堆积会出现烟囱效应，进一步增加煤矸石与氧气的接触面积，而且由于温度的上升以及由于煤炭燃烧使未被氧化的矸石逐渐与氧气接触，这会进一步加剧煤矸石的燃烧，这同样是一种螺旋式上升的过程。因此如果想要避免煤矸石的自燃，需要在煤矸石储存热量的过程之中尝试将煤炭与矸石分离，以减少矸石之中可燃物的含量;如果可以将煤矸石堆积地点的氧气含量降低或者提高煤矸石堆积地点的散热能力也同样可以避免煤矸石产生自燃的现象[2]。

2 煤矸石路段自燃防治措施

2.1 预防煤矸石路段自燃的措施

1)去除煤矸石路段中的煤和黄铁矿。煤矸石是由非金属氧化物、金属氧化物以及稀有金属组成的，除此之外煤矸石中还含有一定量的煤炭以及木材废料等易燃物，如果想要从源头降低煤矸石产生自燃现象的可能性，可以从去杂质的角度入手，采取洗矿的手段，将煤矸石中的黄铁矿以及可燃物质与矸石分离开。这样不但可以从很大程度上降低矸石产生自燃现象的可能性，还可以将自然资源的利用率最大化。

2)提供无氧环境。燃烧必备的两个要素是可燃物以及氧气，因此我们同样可以从氧气的角度入手来尽可能避免矸石自燃，比如我们可以切断矸石堆积地点与外界的气体交换，这样可以大大降低矸石存放地点的氧气含量，从而进一步降低矸石产生自燃现象的概率。

2.2 煤矸石路段自燃的治理措施

煤矸石出现自燃的情况之后，煤矸石路段内部会积蓄大量的热能，而且自燃过程还会产生出大量的有害气体，二氧化硫占据了很大的比重。煤矸石路段的自燃可以持续数十年之久，不断的产生出有害气体，这些气体会对周围环境、周围人们的正常生活产生极为严重的影响[3]。治理煤矸石自燃的核心在于切断燃烧物与氧气，目前常用的治理方法有以下几种：

1)泡沫法。泡沫法是向正在燃烧的煤矸石内部注入泡沫灭火剂，灭火剂之中含有大量不可燃物，会附着在煤矸石的表面，隔绝其与空气的接触，并最终起到灭火的作用。可是由于煤矸石路段的表面往往有很多杂质，因此泡沫灭火剂往往难以保持稳定的状态。

2)挖除火源法。挖除火源法在灭火方法中是最为直接的一种。将已经燃烧的矸石和尚未燃烧的矸石区分开，在已燃烧的矸石可燃物用尽之后火自然就会熄灭。可是这种灭火方法无法应用于规模较大的火情，而且由于危险程度较高因此在实际情况中几乎不会应用。

3)覆盖法。覆盖法是在煤矸石路段表面上覆盖可以隔绝空气的泥土等不可燃物。覆盖灭火最主要的就是要将土类物质尽可能的压实，除此之外在使用土类物质覆盖煤矸石路段之前应当先将矸石中已经积蓄的热量释放，这种方法往往被应用于矸石自燃的预防工作之中。

4)注水法。这种方法具有成本低廉、操作简单的特点。可是水对于煤矸石而言是一种有利有弊的物质。足量的水可以在煤矸石表面形成一层保护膜，从而隔绝氧气。可是，水的蒸发过程可以吸收热量，这就导致煤矸石路段的温度下降，由于黄铁矿的氧化反应是一个吸热反应，因此在低温条件下更容易发生，因此水的蒸发过程也会对矸石氧化起到催化作用。而且，注水通道也会将一定量的氧气携带到煤矸石路段之中。

5)深部注浆法。深部注浆法的基本作用原理是：向灭火材料之中加入水制成具有灭火功能的浆液，而后将得到的灭火浆液输送到正在自燃的煤矸石路段之中，浆液处于较高温度的矸石之中，浆液中的水会快速气化并带走大量的热，这可以在较短的时间之内使处于高温的矸石温度恢复正常；而灭火浆液中的其他固态成分会充满矸石之间的空隙并将矸石表面完全包覆起来，这可以尽可能的隔绝矸石和氧气，从而起到治理自燃现象的作用。注浆法是从分离矸石与氧气以及降低温度2个方面共同作用，从而实现灭火的目的。

为了检测该处治措施的效果，我们对煤矸石路基进行了温度测量。我们在场地上选取了2处点位，每处点位用钻机钻2个孔，孔深10 m，共计4个孔。对每个孔进行温度测量，为了更细致的观察温度随深度的变化，我们每隔1 m深进行一次测量，得到温度与深度的关系，数据如表 1 所示。

3 结语

矸石之中含有一定量的煤炭是导致煤矸石产生自燃现象的主要原因，而且煤炭是煤矸石中可燃物的主体。矸石之中含有含量较多的含硫化合物，其主要以黄铁矿的形式存在。这些黄铁矿在常温条件下在氧化过程之中所散发出的热量经过囤积，产生了足以引燃煤矸石中可燃物的热量，这从很大程度上提高了煤矸石出现自燃现象的可能性。

[1] 孙 锴,彭 立,杜勇立，等.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降与应力分析与现场测试对比研究[J].公路工程,2014(1):83-87.

[2] 李彩惠,张亚鹏,王海燕，等.煤矸石混合料路面基层施工工艺研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2013,30(3):54-56.

[3] 杜勇立,黄向京,戚芳方，等.煤矸石作路基材料对地下水硝酸盐污染的数值模拟分析[J].上海师范大学学报(自然科学版),2014,43(3):297-303.

Fire-extinguishing treatment of special highway subgrade-coal gangue section

Hu Jianyong

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge(Group) Co., Ltd, Datong 037011, China)

The paper analyzes the necessary spontaneous combustion conditions of coal gangue. Starting from aspects of demolishing coal pyrite of coal gangue and providing with oxygen-free environment, it explores spontaneous combustion preventing measures of coal gangue section, and puts forward treatment measures, such as foaming method, excavating fire origin and water-injection method, with a view to reduce spontaneous combustion at coal gangue section.

coal gangue, spontaneous combustion, combustible, coal

1009-6825(2016)12-0123-03

2016-02-19

胡建勇(1978- )，男，工程师

U416.1

A