利用粉煤灰治理矸石山自燃技术研究与应用

温 磊，董红娟，武兵兵，王晨阳

(1.国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016100：2.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010；3.山西勤丰基础工程有限公司，山西 晋城 048000)

煤矸石是煤炭开采与加工过程中产生的固体废弃物，长期以来，煤矸石的利用率低下，大多堆积成山，容易引发水体污染、重力灾害和自燃。煤矸石自燃过程中向大气排放大量SO2、CO、H2S和NOx等有害气体，同时伴有大量烟尘，严重损害矿区及周边大气环境。矸石山自燃治理已成为企业可持续发展的头等大事，是防止周边大气和水体污染、生态环境保护的重要环节[1-2]。

国内外常用的矸石山灭火方法主要有：挖除火源法、覆盖法、表面浇灌法和注浆法，其主要原理都是从破坏自然条件的角度达到灭火效果。目前注浆法是应用最广泛的自然矸石山治理方法，其工艺是将灭火材料制成灭火浆液，用注浆泵将灭火浆液通过布置在火区的一系列钻孔注入矸石山内部，灭火浆液在接触高温区后水分迅速蒸发带走热量，使矸石迅速降温的同时，浆液中的固体物质还会包裹在矸石表面，填充在矸石间的缝隙中，起到隔绝空气的作用[3-4]。国内现价段多采用廉价黄土为原料，添加部分石灰制备注浆灭火材料，如河南平顶山煤矿四矿、郭家河煤矿、大同云冈煤矿等。内蒙古中西部地区黄土资源稀缺，照搬其他地区黄土作为注浆料具有一定难度，并且该地区火力发电电厂每年生产的粉煤灰无处堆存，对该地区的可持续发展造成严重影响。基于该地区自身地质条件及工业背景，研制以粉煤灰为主要注浆灭火材料不仅能够保护当地稀缺黄土资源，还能够为大宗固废综合利用找到出路，达到以废治废，保护生态环境，降低注浆成本的目的。

1 棋盘井矸石山治理现状

内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井镇神华蒙西棋盘井洗煤厂矸石山南北长388 m，东西宽558 m，占地面积为167 313 m2，矸石山坡面面积为16.4万m2，顶部面积为11.57万m2，土方量约400万m3，平均高差为32 m，平均坡度为36°，最大坡角为38°。因矸石中含有一定煤，且硫含量较大，露天堆放过程中，常年受到日照、风吹雨淋的影响，在一定的环境条件下自热氧化，导致矸石山内部出现高温而引起自燃。

近年来矸石山自燃现象日益严重，神华蒙西棋盘井洗煤厂采取了大面积黄土覆盖的治理方案，黄土覆盖平均厚度约50 cm，同时也在坡面及顶部种植了一些植被进行绿化复垦。综其治理效果分析，矸石山由自然倾倒堆积而成，坡度角大、覆盖的黄土黏结性较差、松散度高、孔隙率大，不能在矸石山表面形成稳固的土层；受雨水冲刷影响，覆盖的表面黄土流失严重，并形成很深的冲沟，种植的植被成活率很低，矸石山复燃现象严重。

2 注浆治理方案

目前注浆法是应用最广泛的矸石山自燃治理方法，其工艺是将灭火材料制成灭火浆液，用注浆泵将灭火浆液通过布置在火区的一系列钻孔注入矸石山内部 。灭火浆液在接触高温区后水分迅速蒸发带走热量，使矸石迅速降温的同时，浆液中的固体物质还会包裹在矸石表面，填充在矸石间的缝隙中，起到隔绝空气的作用。

2.1 注浆材料的选取

注浆材料是影响灭火效果的关键因素，同时也是决定灭火费用的主体，如何制备一种廉价，高效的注浆灭火材料成为治理矸石山自燃的关键问题。国内现价段多采用廉价黄土为原料，添加部分石灰制备注浆灭火材料，采用黄土为原材料注浆，虽然可以取得一定的治理效果，但黄土胶凝稳定性较差，雨水渗透至矸石山内部，将固结的黄土再次稀释为泥浆流出矸石山，导致周边水体污染，长期循环降水，势必造成矸石山孔隙率增大，稳定性降低，存在复燃及滑坡风险。

矸石中因硫铁矿存在而处于酸性环境，因此采用碱性灭火材料可以吸收SO2、CO2等酸性气体，一方面粉煤灰中具有一定量的CaO、SiO2、Al2O3等氧化物，氧化钙遇水生成的氢氧化钙可以与矸石燃烧放出的SO2、SO3、CO2反应，有效隔绝氧气，灭火降温。另一方面，粉煤灰中的SiO2、Al2O3被激活后生成硅铝酸盐凝胶，可以达到良好的灭火功效[5]。因此选用粉煤灰作为制备注浆材料的主要原料，可以解决粉煤灰固体堆存问题，又可以节约当地黄土资源。

2.2 浆液的制备

2.2.1 注浆液特性要求

(1)注浆材料不可燃，在高温下具有一定的化学稳定性。

(2)注浆液必须具有活性，可以与水成浆，制成的浆液具有用泵送的特性。制成的灭火泥浆黏度不能太高，要有一定的渗透半径。

(3)注浆液要有良好的流动性。煤矸石山发生自燃后，矸石体会变的非常干燥和酥松，从而导致矸石体的孔隙率和渗透率也随之变大，合适的流动性能保证浆液能渗透到设计钻孔的影响范围，形成良好的包裹体，避免浆液的大量流失，造成材料浪费，使钻孔内形成柱状体，确保注浆材料将矸石体充分包裹[6]。

(4)注浆液要有良好的保水性。为了避免浆液中的水分在遇到高温矸石后快速蒸发，浆液失去流动性，可使浆液流经范围减少[7]。

(5) 注浆液稳定性较好，不会出现明显的离析现象，避免造成浆液的胶结性。要求浆液在较低的温度下就有良好的固结性能，最好是与矸石颗粒具有良好的胶结性能[8]。

(6)注浆液的制备工艺简单易操作，制浆设备便于在矸石山灭火现场安装和移动。

2.2.2 注浆浆液配比试验

试验原料：粉煤灰、水泥、外加剂、水、矸石。粉煤灰的物质成分及其含量见表1。

表1 粉煤灰物质成分及含量

试验过程：将上述原料按照不同配比混合，根据每个配方均制成3块7 cm×7 cm×7 cm大小的试块，将这些试块统一进行自然养护28 d，分别测量其抗压强度。试验结果见表2。

表2 浆液配比试块强度测试结果

由表2可知，在实际施工过程当中应选用第二组配比进行浆液制备，既能满足强度的需求，同时所需经济支出更少。

现场注浆过程中，需要考虑浆液扩散半径、流动性、注浆压力等综合因素，同时注浆液配合比需根据火情及矸石山内部孔隙率进行动态调整[9-10]。在火情大、温度高时，需要适当调小水灰比；孔隙率小时需适当增加水灰比，否则浆液不能注入矸石山内部。根据前期实验室试验，结合现场工程实际情况，本次注浆浆液的平均配比为每方浆液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加剂17 kg、水833 kg。

3 注浆钻孔布置

注浆灭火法主要是利用浆液对矸石山进行降温和在矸石体上形成包裹隔绝空气，达到治理的目的[11]。注浆的前提是确定高温区的区域及范围，在高温区所在的矸石山的顶部和坡面进行注浆，以达到封闭火区的目的。

根据矸石地形及现场火情形式分析，在矸石山顶部进行注浆，先打勘探孔划定火区范围，再确定注浆孔的布置方案[12-13]。

3.1 勘察孔布置

距矸石山边坡3.5 m布设勘察孔，勘察孔间距为20 m，孔深为23 m，孔径为108 mm。成孔后采用法兰盘进行焊接封闭，此部分孔钢管外露口用盲板封堵，作为长期留存测温。勘察孔在后期注浆过程中同样可以作为注浆孔来使用。

3.2 注浆孔的布置

(1)勘察孔内温度为80～260 ℃的区域发生轻微自燃，注浆孔布置不需要太过密集，注浆孔距边坡3.5 m布孔，布孔间距为单排6 m即可。

(2) 勘察孔内温度为260～500 ℃的区域发生较为严重的自燃情况，注浆孔布置间隔应当更近一些，注浆孔距边坡3.5 m布孔，布孔间距为单排3 m。

(3)勘察孔内温度在500 ℃以上，根据现场地形条件，设置四排注浆孔，第一排孔间距为3 m，第二排孔间距为4 m，第三排孔间距为5 m，第四排孔间距为6 m，各排间距为2 m。

上述注浆孔的直径均为108 mm。

4 灭火效果分析

对所有注浆孔不同深度进行开孔温度测量，注浆后再对孔内温度进行复测，并与开孔时测温进行对比。从监测数据可以看出，注浆后孔内温度得到大幅度降低[14-15]。

矸石山灭火效果可分为三个区间：

(1)原注浆孔温度在80～260 ℃左右的，温度已降至80 ℃以下。

(2)原注浆孔温度在260～500 ℃的，温度已降至80 ℃以下。

(3)原注浆孔温度在685～700 ℃左右的(主要集中在矸石山东南角高温区)，测温温度也已降至80 ℃左右。

为保证灭火效果，监测火区再次复燃的可能性，每隔三个月再次对火情严重区域进行孔内温度监测，并采取了相应治理措施。

5 结论

(1)为了更好地解决棋盘井地区的矸石山自燃问题，选用粉煤灰作为注浆浆液的主要材料，通过多组试验进行抗压强度的比较以及出于经济成本的考虑选用第二组试验配比。

(2)综合考量现场的实际情况，最终每方浆液含有粉煤灰317 kg、水泥17 kg、外加剂17 kg和水833 kg。

(3)在现场布置勘察孔用于探测火区的温度，根据获取温度来确定注浆孔的分布。注浆后，火区温度均控制在80 ℃以下，地表植被生长状态良好。将粉煤灰变废为宝治理矸石山自燃，做到以废治废减少对环境的危害，具有重大意义。