煤矸石山环境治理工程中自燃火灾治理施工

韩 永 凯

(山西潞安工程有限公司，山西 长治 046000)

1 概述

煤矸石山是煤矸石日积月累形成的像山丘一样的堆场，煤矸石山由于夹杂未清理干净的煤炭、煤粉导致的自燃、本身构造的不稳定性导致的滑坡及煤矸石山的淋溶水等对自然环境产生严重污染，在环境安全要求越来越严格的今天，为了消除煤矸石山自燃、滑坡等产生的污染和不安全因素，需将现有煤矸石山灭火、整形，修整马道，黄土覆盖，绿化美化。同时为了保护好覆盖封闭效果，在矸石山底部修建挡土墙，在马道与斜坡上修筑防洪排水等设施，最终达到煤矸石山和矿区与自然环境和谐一体的良好效果。

2 工程概况

本工程的煤矸石山位于山西省长治市某村东北冲沟中，堆积高度最大达72.72 m，矸石成分主要为炭质泥岩、含炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩等，块度大部分10 cm～50 cm，最大大于1.0 m，最小仅几厘米，矸石内含少量的煤、砂岩等，大小不一的混杂堆积在一起，结构疏松，空隙十分发育。矸石内含自然物黄铁矿，矸石中的黄铁矿由原来的不稳定还原状态变成稳定的氧化状态过程中释放出大量的热量，如遇通风不良，热量就会积聚导致矸石山内部的温度不断升高，当温度达到可燃点280 ℃时便引起煤矸石山自燃；自下而上沿山沟倾倒的方法，在煤矸石山前沿形成了扇面，这种堆放方法，底部和坡面极易进入氧气，使煤矸石山自燃有了充分的供氧条件；由于煤矸石山内部含有一定的煤炭，煤经风雨淋滤氧化后，其含氧量增加，当达到着火点时，煤也发生自燃。而且煤矸石山本身的结构松散，空隙十分发育，透气性较好，也为矸石自燃的扩散提供了必要的条件。煤矸石山火区(治理范围)面积约28 489 m2，占整个煤矸石山总面积的43.03%；治理范围内高温异常区和着火区位于煤矸石山顶部，面积约17 431 m2，占划定治理区范围的61.2%，其余为低温区。

3 煤矸石山治理工程部署原则

矸石挖运按照“就近平衡、运距最短”的原则，共分为2个平台、2个区域。每个工作面矸石挖填就近平衡，组织机械进场，分段流水作业，首先按原有地貌进行矸石初步平整，其次进行注浆灭火、马道平台修整、矸石山覆土，再进行底部挡土墙砌筑、马道排水渠砌筑、竖向排水渠砌筑，最后进行道路、绿化植树施工。

4 施工重点、难点及处置方案

4.1 现场情况

煤矸石山堆积高程最高达996.27 m，地面最低标高924 m，堆积相对高差最高达72.27 m。煤矸石山由于长时间的堆积，现已燃烧至地表，并扩散至煤矸石山顶大部分区域，在煤矸石山北部形成了老火区，向南延伸形成新火区。在顶部已出现多处可见冒热气现象，可嗅到刺鼻难闻的煤矸石山着火的气味，煤矸石山环境治理工程的施工重点、难点是对自燃火灾的治理。

4.2 主要施工方案

国家和相关部门也没有制定相关的规范和制度，主要是根据以往灭火经验和有关原理来制定灭火方案。国内自燃煤矸石山灭火方法普遍采用注浆法。此法是将注浆管打入煤矸石山中，通过泥浆泵将配制好的高碱性泥浆经注浆管压入燃烧区，利用泥浆中的水分急剧蒸发带走大量热量，使矸石迅速降温，凝固物充填矸石间的孔隙，形成稳定的封闭层，达到降温及隔氧作用，同时泥浆中的碱性物质还起到固硫的作用。在圈定的火区范围进行覆盖式注浆灭火，采用煤矸石山地表下5 m注浆隔断的方法进行，隔断层厚度按4 m～5 m，对局部地表着火区，地表覆盖黄土后，采用全孔注浆进行治理，利用浆液及灭火石灰等材料，达到灭火的目的。

4.2.1灭火孔的布设

根据以往煤矸石山治理工程的成功经验，进行钻孔布置方案，共布设灭火孔59排，排距5 m，孔距5 m，呈网格状布置，共布设灭火孔1 707个，设计深度为8 m～12 m，平均为10 m，设计总进尺约17 070 m。

4.2.2煤矸石山孔隙体积和注浆量

根据试验及计算，此工程的煤矸石山未经过压实处理，空隙率为15%，隔断层面积为43 600 m2，隔断层厚度为5 m，经核算，本次灭火工程需要充填的隔断层空隙总体积为32 700 m3。浆液消耗率取值为15%，注浆浆液的结石率为80%，空隙充填率为80%，注浆量为30 084 m3。

4.2.3注浆材料及浆液配比

主要有水、土、熟石灰等。

1)水：准备两个6 m3的水罐为注浆提供用水，水源来自煤矸石山附近的消防水源中。

2)水、土、熟石灰用量：土采用当地黄土(配标准膨润土)，石灰采用生石灰炼制后的熟石灰。

3)根据之前治理的实践经验，注浆浆液为石灰泥浆，其水固比为2.0∶1.0～1.5∶1.0，固相比为(土∶熟石灰)为1∶1～4∶1(重量比)，浆液配比按水固比2∶1，石灰土比例1∶4(重量比)计算：需要水27 617 t，土10 950 t(其中黄土7 950 t，膨润土3 000 t)，熟石灰2 738 t，在实际施工工程中，根据实际钻孔的注浆情况对配比进行调整。

在施工前，要首先进行浆液配比试验，以准确掌握不同配比浆液的干料含量、浓度、比重、结石率等参数。

4.2.4注浆系统

注浆系统由料场、一级搅拌池、二级搅拌池，供水池、注浆泵、注浆管道、连接装置等组成，按一般采空治理要求即可。

4.2.5灭火孔位放样

设计钻孔1 707个。用全站仪、经纬仪结合钢尺，根据图解坐标放在实地位置，在实际的孔位处用红色的木桩做标记。煤矿运输矸石设备压覆的钻孔位置可根据实地情况调整，其他钻孔误差小于0.5 m。

煤矸石山灭火项目孔位测量采用1954年北京坐标系3°带投影，中央子午线为114°，高程系统采用1954年高程基准。执行国家标准《地质矿产勘查测量规范》。填写注浆孔放样验收书，放样后，经验收合格，可进行下一道工序。

4.2.6成孔工艺及技术要求

1)钻孔孔位及终孔深度。

平整场地后，钻机进入孔位放样后的位置，严格按测量所放孔位打孔，由于条件限制，必须经技术部研究后方可移孔。取得注浆孔施工通知书后方可开钻，所有钻孔开孔口径不得小于50 mm，施工至指定深度后，经项目部验收合格，准备下一步工作，以满足注浆的需要。

2)钻进方法。

钻进时采用干钻或冲击钻进。把花管(带孔的钻杆)送入孔底指定部位，利用自身坍塌封闭，不再进行浇筑，以便进行分层注浆。

3)钻孔质量要求。

灭火孔不取芯，但应做好钻探原始记录，包括进尺、钻进日期、时间、机长及技术员签字、孔内地层情况；施工中要记录好着火层位深度、火情等；由于矸石山堆积物为松散层，要防止孔内坍塌、卡钻事故的发生。

4)原始记录质量要求。

原始资料记录及时、正确、整洁、字迹清楚、端正、无涂改。

5)验收。

在钻探成孔后，经项目部技术员签字方可终孔。接受甲方及监理的监督检查。

4.2.7注浆工艺及技术要求

1)注浆材料配制。

a.浆液配比按设计浆液配比进行，并随机抽查浆液的各项指标。

b.原材料：水用水表或定量容器计量，膨润土按袋计量，黄土和熟石灰按重量计，并要求抽查土和熟石灰的重量。

c.搅拌时间每次不得少于10 min。

d.单孔平均设计注浆量约为17.6 m3。

2)注浆工艺。

a.施工顺序：先施工煤矸石山山顶中间钻孔，以确保热量和水蒸气向煤矸石山周围发散。设计深度为8 m～12 m，平均为10 m，地表下5 m注浆隔断的方法进行，隔断层厚度按4 m～5 m计算，对局部地表着火区，地表覆盖黄土后，采用全孔注浆的方法进行治理。

b.对受注孔的钻探资料查阅分析，做出注浆情况的初步判断。

c.若某一浓度浆液的注入量已达设计量的20%以上，而注浆压力和单位吸浆量无明显变化时，应调浓一级或两级灌注，在注浆后期泵压逐渐升高或吸浆量逐渐减小的情况下，不应改变其水固比。

d.灭火孔注浆的质量是灭火工程材料消耗大小的关键，在注浆过程中要采用定量定压，孔口压力要小，每个孔每次注浆量要小于5 m3，并且随时观测孔口情况，避免出现水蒸气爆炸现象。

e.当注浆量超过设计平均浆量的50%时，暂停注浆，先施工该注浆孔周围的孔，待该注浆孔周围钻孔注浆完成后，再对该注浆孔进行注浆。

3)单孔注浆结束标准。

a.单孔设计注浆压力应通过现场灌注试验确定，初步设计控制在0.2 MPa～0.3 MPa左右。

b.在单孔注浆末期，泵压达到0.2 MPa～0.3 MPa时，可结束该孔的注浆施工。

c.当注入一定浆量，若出现地表裂隙大量跑浆时，也可结束该孔的注浆施工。

d.单孔注浆量超过50 m3时，可停止注浆。

4.2.8灭火效果监(检)测

灭火过程中和灭火工程结束后6个月内需要灭火效果监(检)测。根据监(检)测结果分析判断灭火效果，及时调整施工方案。

1)灭火过程中在高温区中间选择1条米测温线，每5 d测量一次，观察其变化，测量方法同米测温。

2)对施工的每个钻孔在注浆前和终孔时进行两次检测，内容包括孔口温度及CO,H2S,CO2,O2等气体含量。

3)对留设的观察孔施工过程中，每5 d进行一次检测，施工结束后6个月内10 d进行一次，内容包括孔底、孔口温度及CO,CO2,H2S,O2等气体含量。

4)灭火工程结束6个月，进行火区复测，仍然采用米测温法，分析是否存在火情。

5)检测仪器。米测温、孔口、孔底温度检测，使用中国地质大学研制生产的ⅠD590温度传感器。

5 结语

煤矸石山环境治理工程施工中的安全问题必须要引起高度重视，自燃火灾治理施工专项方案要经过专家论证，各项工序严格按照方案要求组织实施，同时建立应急处置方案，确保安全施工。