石壕煤矿矸石山防灭火实践

李明

摘要：煤矸石作为煤炭工业的附属产物，绝大多数煤炭企业采用露天堆积的形式，形成矸石山。矸石山不止压占土地，造成大气、水体和景观污染，还会发生自燃、爆炸、垮塌、泥石流等次生灾害，尤其是发生自燃着火的矸石山，释放出SO2、CO、H2S等有毒有害气体，严重污染大气环境，破坏生态：同时自燃着火还影响矸石的排放和安全生产，当自燃区SO2、CO达到一定的浓度，还会对人体造成危害。据不完全统计，我国大型煤炭企业1500多座矿石山中，自燃和曾经发生自燃的矸石山就有380多座，成为各个矿区一大公害。从而防止矸石山自燃成了矿井防火工作和生态环境治理的重中之重。

关键词：煤矿：矸石山：防灭火

国内外对煤矸石自燃机理的研究始于19世纪末期，20世纪末期至21世纪初期，各国学者相继提出了一系列的学说来解释煤矸石的自燃，归纳起来主要有：黄铁矿氧化学说、煤氧复合作用自燃学说、细菌作用学说、晶核理论、自由基作用学说和挥发分学说。黄铁矿氧化学说、细菌作用学说和晶核理论均认为煤矸石自燃与硫铁矿有关，而煤氧复合作用自燃学说和自由基作用学说则脱胎于煤的自然发火机理，认为矸石自燃与其中的煤有关。

对煤矸石自燃的影响因素，国内外学者进行了大量的实验研究。考察的因素主要有：硫的含量及其分布形态、含炭量、水分、挥发分和粒径等，比较一致的观点认为：含硫高特别是含硫铁矿高的矸石更容易自燃。

煤矸石自燃机理的研究，为采取有针对性的治理措施及注浆材料的选择提供了有益的指导。但是，目前的学说尚难解释低硫矸石的自燃，对自燃矸石的喷爆机理及防治技术的研究也不够深入，往往在治理自燃矸石山时造成人员伤亡。

一、石壕煤矿矸石山概况

石壕煤矿于1971年12月开始筹建，1984年12月投产，设计生产能力0.60Mt/a，2018年核定生产能力为1.2Mr/a，矿区面积10.4497km²，低瓦斯矿井，开采深度由+670m至-40m标高，主采二叠系山西组二1煤层，平均煤厚5.05m，所采煤种为主焦煤，自燃倾向等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层。石壕煤矿矸石山位于石壕煤矿南部的沟壑里，矸石山自1984年12月投产以来堆存，主要用于填沟、平整后当做煤场使用。现有的矸石堆存体积约154万m³;上界面面積约2.1万m²;东西长200m，南北宽100m。外界面高程：+599m;外界面至顶界面高差：42m，外界面平均坡面倾角：46°，矸石堆积量约60万m³。该矸石山大部分堆放的是井下开拓巷道的岩石矸、煤巷掘进的煤矸石和少量的洗煤厂洗选矸石。矸石由汽车将矸石运至矸石山，然后向南侧山沟倾倒而成。矸石山自燃火区2016年以来主要集中在矸石山东南侧、南侧、西侧，东南侧、南侧矸石表面有明显的着火迹象。预计矸石山发火高度为15m。通过对矸石山进行现场勘查，矸石共发现冒烟点5处，均分布在矸石山南部斜坡上。两处冒烟点面积为0.5-1m²，另三处冒烟点面积为0.3-0.4m²。冒烟点周围覆盖有燃烧后的黄色物质（硫），烟为白色伴有轻微的刺鼻性气味（H2S）。通过对冒烟点温度、CO、SO2等进行检测，冒烟点最高温度87℃，最低44.8℃。因露天对气体浓度进行检测，检测人员不能近距离靠近冒烟点，靠近地面检测出c0浓度为66PPm，802、H2S气体浓度均为26PPm。矸石山碎煤含量约为6%，矸石碳含量约为5.53%，矿井矸石硫含量约为2.00%，洗矸硫含量约为3.98%。矸石山东侧150m土地归属观音堂后地村;矸石山南侧和西侧150m土地归属观音堂石壕村，附近多是山坡、黄土丘陵地貌，大部分为低矮灌木及耕地，距矸石山东南侧85m处有一个体小型石料厂。鉴于目前严峻的环保形势和安全形势，需要采取针对性的措施对矸石山的着火区进行治理。改善区域生产环境和空气质量、符合环保要求。参照国内外的经验和我矿矸石山实际情况，经研究确定主要采取表面密封和压实法、灌水法、注浆法等主要灭火措施。

二、石壕煤矿矸石山防灭火实践

1.表面密封和压实法

在斜坡位置：一是采用覆盖2-2.5m厚的洗选细碴压实，再覆盖0.5m厚黄土;二是针对矸石山东侧局部坡度大的区域先在着火点下方0.5m-1m位置打设钢钎，钢钎长1.5-2m，外露0.5-1m，外露部分上部铺设木板，阻挡覆盖向下滚动。然后在矸石表面覆盖一层厚1m的细碴，再在上部覆盖一层厚0.5m的黄土。以此类推，直至无烟冒出。

2.灌水法

以间排距2m*2m施工钻孔，钻孔深5-16m（特殊情况可加大钻孔深度），角度以深入火区为准，钻孔直径为94-108mm，并在钻孔口安装1.5m长、φ108mm的套管，利用套管口向里灌水。局部采用挖坑灌注，在斜坡冒烟点正上方挖深度为0.5-1m的坑，在坑内灌水，水沿矸石山缝隙，渗透至高温区域，达到降温灭火效果。

3.注浆法

注浆管采用花管，采用直径25mm，长2m铁管制作。注浆管一端100mm过丝，花孔直径5mm，交叉布置。注浆孔采用ZRS31.5-105380手持式乳化液钻机向里钻进，钻孔长1.8m，注浆管深入钻孔后预留0.2m用于注浆。注浆所使用的浆液，水：黄泥=10：1。所使用的黄土要经过筛子精加工，黄泥与水进行搅拌使其充分混合。注浆施工时，注浆孔采用串联，一台注浆泵可同时注2-4个钻孔。施工过程中根据实际情况对浆液配比进行调整，将浆液注入火区和自热区。

三、结语

石壕煤矿多种措施治理矸石山自燃，其工艺流程所选参数适宜，不仅投资少而且治理后效果显著，鉴于目前严峻的环保形势和安全形势，矸石山灭火后，极大的改善了矿区生态环境和空气质量，符合环保要求;也大大改善了周围的排矸场工作条件，受到了广大职工和周围居民的广泛好评。