矿井矸石山环境危害与防治措施分析

李国亮

（山西汾西矿业集团环保健康管理部， 山西 介休 032000）

矿井在回采过程中会产生大量的矸石，矸石来源包括有煤层夹矸、岩巷等[1]。矿井生产的矸石除少数矿井用以井下采空区充填外，其余大多数矿井是通过运输系统运送至地表，并在矸石山上堆积[2-3]。堆积的矸石在一定条件下即会发生氧化自燃问题。根据相关研究成果发现，国内矿井矸石山中约有接近20%的矸石山正在氧化自燃。矸石山氧化自燃机理与井下煤层自燃机理类似，主要是由于矸石山中含有的黄铁矿、碳物质等被空气中氧气氧化、蓄热，最后引起自燃[4-6]。由于矸石山中含有的碳物质含量相对较少，同时不燃的矿物质占比较高，矸石山内可燃物质氧化反应较慢，自燃发火短则数年多则需要十几年。矸石山在自燃发火过程中会产生CO2、CO、H2S、NOx、SOx等有害气体以及其他有害物质，会严重影响矿区内的空环境质量[7]。

1 工程概况

山西某矿于2000 年开始投入生产，生产能力为300 万t/年，为高瓦斯矿井。现阶段矿井主采3 号煤层，煤层有自燃发火倾向，自燃发火区介于60～120 d、煤尘爆炸指数为41.6%。矿井开采的3 号煤层厚度达到6.9 m，采用综放开采方式，煤层中夹杂有3～5 层砂质泥岩矸石。截止到2021 年3 月，矿井累积生产原煤约5 800 万t，产生矸石量约29 万t。

井下煤炭开采生产的矸石除部分用以采空区充填外，其余均由运输系统运送至地面矸石山进行堆积。

2 矸石山环境危害分析

矿井煤炭开采时生产的矸石主要通过带式输送机运行至地表，并经由汽车运输方式运输至矸石山堆积。若对矸石山不进行针对性处理，则矸石山内的可燃物在空气中氧气缓慢氧化下出现自燃，从而影响矿区环境质量。矸石山对环境主要威胁体现在以下方面：

1）矸石在运输以及堆放过程中均会产生大量粉尘，会给作业人员身体健康带来危害，并污染矿区环境。

2）矸石山中含有大量的Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO 等成分，一般情况下矸石山采用露天堆放方式，矸石经过雨淋后会产生一些有害物质，一些有害物质会下渗到地下水中，一些会随着地表径流流向河流中，从而污矿区周边居民用水以及农业、畜牧业等用水。

3）矸石山若不针对性进行治理，容易出现自燃。矸石山自燃过程中产生的CO、H2S、NOx、SOx等气体会给附近作业人员身体健康带来威胁，同时污染矿区矿井。根据现场实测发现，矸石山自燃过程中释放的ρ（SO2）可达到0.12～7.05 mg/m3，超过SO2排放标准16 倍以上；ρ（CO）可达到1.95～124.7 mg/m3，超过排放标准20倍以上。预测该矿矸石山由于自燃每年向大气中排放SO2、CO 分别约0.85 t、3.15 t，会严重污染矿区环境。

3 矸石山污染防治

3.1 矸石自燃发火防治

3.1.1 矸石山成分分析

对矿井矸石山成分进行分析，发现矸石山主要有泥质灰岩、黏土岩以及煤层夹矸等构成。可燃物主要为煤层夹矸以及矸石中遗煤，具体化验指标见表1 所示。

表1 矸石山成分化验指标

通过对矸石山现场堆积情况分析以及矸石山成分分析结果，判定该矸石山自燃主要原因：

1）矸石山堆积的矸石呈斜坡状，暴露面积较大，同时矸石堆积疏松、内部有较大孔隙，可给矸石自燃提供较好的氧化条件，满足矸石自燃需要。现场监测发现该矸石山渗透率可达到10～9 m2，在供氧条件充足情况下矸石氧化温度可达到自燃温度之上。

2）矸石堆积过程在重力、倾角等因素影响下，大块矸石一般在矸石山底部堆积，小块的则留在上部。矸石山堆积时自然分级增加矸石山孔隙率，热量高的小颗粒矸石在矸石山上部富集。上述因素共同作用导致矸石山出现自燃。

3.1.2 矸石山自燃发火防治

矸石山自燃与温度、氧气供应条件密切相关，结合矿井矸石山实际情况，采用黄泥灌浆方式隔绝供氧通道，并采取局部浇水方式熄灭矸石山上明火。

3.1.2.1 黄泥将灌浆隔绝供氧

从其他矸石山自燃发火防治经验来看，通过在矸石山上灌注黄泥浆可封堵供氧通道，从而降低矸石山中含炭量较高的矸石或者煤炭氧化，可起到较好的防灭火效果。在矸石山上灌注的黄泥应满足下述要求:加入少量水即可形成泥浆，渗透性强同时易于脱水，浆液胶结后收缩量小；浆液中不应含有催化剂或者可燃物，同时便于运输、现场制备。在黄泥浆灌注时浆液水灰质量比为2∶1。

灌黄泥浆时从矸石山有上而下灌注，具体灌注时应注意下述事项：

1）在黄泥浆灌注前推平矸石山，从而形成四周高、中间低的形状。

2）连续大量灌注黄泥浆3 d 后停止灌注，通过自重让黄泥浆在矸石上缝隙中缓慢沉淀。

3）定期测定浆液水灰比，并根据现场条件调整水灰比，确保浆液具有较好的渗透效果。

3.1.2.2 局部浇水灭火

当发现矸石山局部温度较高或者出现小范围明火时，采用局部浇水方式灭火。水具有较强的渗透性，在自燃发火上风侧10 m 位置采用高压注水管从外围向中部进行灭火，从而达到熄灭局部发火目的。

3.1.3 防治效果分析

对矿井矸石山自燃发火进行防治后，经过施工钻孔探测发现矸石山内部温度控制在70 ℃以内，矸石山自燃问题得以有效控制。

3.2 其他环境污染防治措施

在矸石山堆积过程中采用专用喷雾洒水装置用以降低粉尘产生量，并定期对积尘区进行清洗，降低粉尘给环境影响，同时在长时间堆积且后续不再使用的矸石山区域通过种植地表绿植也可起到降低粉尘、减少矸石山对环境影响目的。

在矸石山周边修筑挡水墙，以便对矸石山受大气降水冲刷后形成的污染进行收集，并采用专用输送管路将污水泵送至污水处理厂，从而减少污染对环境影响。

4 结语

煤炭开采过程中产生的矸石在地面堆积会产生较为显著的环境污染问题。随着对环境保护重视程度的不断增加，应针对矸石山污染产生特点采取针对性的污染防治措施。在矿井后续生产过程中可采用充填开采技术，将井下生产的矸石充填至采空区中，不仅可避免矸石在地面堆积而且可降低采空区地表塌陷量，从而实现煤炭绿色回采并降低矿区环境保护污染。