煤电矿区矸石山灭火新技术工艺探讨

陈 舸 郝 博 葛 佟

（徐州意创化工科技有限公司，江苏 徐州 221005）

矸石山是由煤电矿区在开采过程中排出的煤矸堆积形成的一种固废污染体，含有大量可燃烧的劣质煤、中煤、含硫煤矸，具有很强的自燃隐患和污染性。其产生的大量粉尘、含有重金属的离子水对当地的生态环境造成了严重的危害；同时由于堆积方式和地点的不合理和随意性，极易引发矸石山的自燃。煤电矿区矸石山的燃烧、塌陷和喷爆事故，经常造成人员伤亡和重大经济损失，已经成为当地环保治理的顽疾[1-2]。

为此，国内外科研工作者目前主要采用的技术方法包括注浆法、覆盖法、低温惰性气体法，其中注浆法、覆盖法是目前国内煤电矿区最为主要的处理方式。

注浆法由于矸石山体量较大，内部空间及裂隙较多，普通浆液，比如水、黄泥浆、粉煤灰浆和胶体灭火剂，由于流动性过大，往往从最下部空间流走，浆体流失量巨大，封闭不实，针对火点位置起到的作用较小，且注浆过程易形成拉沟，在矸石山内部形成新的漏风通道，导致火点蔓延；而覆盖法则是治标不治本的处理方式，目前这种方法主要用于短时控制矸石山火势，不具备实用价值。

矸石山防灭火理论的最基本关键问题是要人为地改变和破坏矸石山重点易自燃区域的蓄热环境和条件，使其缓慢升温、氧化加速和稳定燃烧的某个或多个边界条件遭到破坏而终止或难以继续燃烧。

目前国内煤电矿区矸石山防灭火技术处于瓶颈状态，主要原因是缺乏合适的防灭火材料以及施工工艺不完善，因此国内矸石山防灭火效果很差，复燃现象十分普遍，矸石山防灭火无论从理论和处理材料的角度都需要重新审视和研究。

2 北马坊矸石山综合防灭火新材料、新思路

北马坊煤业有限责任公司最大的矸石山从五年前开始倾倒至今已形成高50 m、南北长45 m、东西宽50 m、占地约2250 m2、堆积总量约10～12 万t的矸石山。近几年煤矿采的4 号煤层偏多，这座矸石山上倾倒的矸石4 号煤层夹矸偏多，4 号煤层含硫较高，随着新排矸石量逐渐增大，矸石自燃，高温火点不断蔓延至矸石山上其他区域，表层温度已经高达800℃。

矸石堆积后的自然发火与井下采空区自然发火条件类似，同样存在着散热带、氧化升温带和窒息带等不同的堆积蓄热环境。散热带是指沟底大块矸石通风良好的地带，不具备蓄热条件，但却是最主要的漏风汇集区域；矸石山的氧化升温带是指腰线位置大量的小块煤矸石堆积区，供氧充足，有良好的蓄热条件，是最容易自燃和大面积燃烧的区域；窒息带是指腰线位置以上为粉状和细颗粒状，供氧不充分，氧化反应缓慢。

根据煤电矿区矸石山自然发火数学模型，结合地面堆积矸石山的结构和堆积方式，矸石山可视为一个由粒度不等的煤矸堆积而成的孔隙、裂隙介质空间。孔隙由不同粒径的煤矸堆积自然形成，而裂隙则是由煤矸堆积体经多次倾倒、冲击塌陷形成[3-5]。

2.1 综合防灭火新材料

从防治煤电矿区矸石山自然发火的需要出发，必须采用合适的防灭火材料人为地改变矸石山易自燃区域内部的孔隙、裂隙结构，人为地改变和封堵其漏风区域，这样就可以改变、调整和控制矸石山风流流动状态，达到有利于矸石山防止或抑制自然火灾的目的。

根据这个思路，国内外目前常用的水、黄泥浆、粉煤灰浆、石灰水浆液、水泥浆、各种防灭火剂胶体、高水材料（流动性过大，无任何粘附性）都是无能为力的。这种场合，具有降温、膨胀性、流动性适中、灭火性能优良的无机泡沫材料才是煤电矿区矸石山灭火的最佳选择。

因此，煤矸石山的自燃防治新思路大致分为三个步骤：主要漏风通道的充填，重点部位空洞和孔隙的挖沟、插管、灭火和充填以及表面明火点的灭火降温。

首先对矸石山底部的空间使用不燃无机泡沫充填材料进行充填作业并设置一定高度的挡风墙；同时挖沟打钻充填隔绝氧化升温带与散热带之间的沟通，充填封堵相连的裂隙与空间；再用新型防灭火胶体材料（MEA 系列煤矿防灭火剂）对高温区域降温灭火。

LFM 轻型充填材料无毒副作用，不燃烧也不助燃，反应热不超过60℃，对于矸石山内部缝隙、沟内堵漏、降温灭火起到至关重要的作用。

2.2 矸石山沟底构筑挡风墙

通过对矸石山全年主导风向分析，选择主要漏风方向，在矸石山底部迎风面位置砌筑一定高度的挡风墙以期有效地减少向矸石山内部的漏风，如图1。

图1 北马坊矸石山斜坡堵漏风示意图

具体工艺是使用碎煤矸石掺入徐州意创化工科技有限公司快速垒砌材料，并同时加水搅拌均匀，使用配比为碎煤矸石20 kg+2～3 kgFSA 料+10～15 kg 水。该操作从根本上改变碎煤矸石的属性，使碎煤矸石形成具有粘弹性、致密性的阻燃材料，既阻燃又堵漏风。将此粘弹性混合料采用蛇皮袋填装并进行垒砌筑墙，挡风墙的高度设置为1.8～2 m。

2.3 大面积充填沟底区域

沟底主要以大块状矸石为主，内部空间较大，具备良好的通风条件，虽不具备蓄热条件，但沟底可燃物较多，氧气充足，一旦火点由腰线向下引燃，会成为产生较大能量且难以控制的火区。因此可使用LFM 轻型无机泡沫充填材料对沟底区域进行大面积充填、封堵空洞和裂隙。充填材料的充填比例控制在1:0.5～0.8，在沟底空间和矸石间的缝隙间充填并固化，将沟底区域形成一个整体的无机泡沫材料和大块煤矸的胶结体，彻底隔绝漏风。

2.4 阻断漏风通道-挖槽注浆

用挖掘机或人工挖开腰线区域砸管充填LFM轻型无机泡沫充填材料，将腰线火区彻底隔离，阻断火点向其他区域蔓延。通过注浆管向矸石山漏风通道空隙内注入具有膨胀性、阻燃耐烧、流动性适中的发泡型灭火充填材料并使之固结在孔隙、裂隙中，彻底阻断风流的传送和渗透。切断供氧渠道，使矸石山自然火灾快速熄灭。

将腰线隔离完成后，可快速处理腰线周边火点，先用灭火剂降温，后用挖掘机横向分割成小的区域，挖开一处，降温灭火充填一处，用不燃、具灭火膨胀功能的高泡充填材料彻底分割、充填和隔离，使用LFM 轻型无机泡沫充填材料到内部空间包裹可燃煤体和隔绝漏风通道，将腰线充填成一个整体不燃带，彻底防止复燃。

3 效益分析与结论

通过向矸石山孔隙、裂隙结构中注入具有膨胀性、阻燃耐烧、流动性适中的无机泡沫灭火充填材料，阻断了漏风通道，提高了矸石山灭火效率，减少了灭火材料的流失，有效地控制了矸石山自燃并且防止其复燃，具有较高的推广应用价值。