注浆在矸石山降温中的应用

杨锐

（山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000）

0 引言

矸石山作为煤矿的附产物，多年来一直是困扰企业及周围居民的难题，尤其近年来随着国家对生态环境的关注度越来越高，矸石山的综合治理就重新被放在了工矿企业环保项目的首位。矸石在堆放过程中由于其中的可燃组分缓慢氧化，在适当的温度和氧气浓度的条件下就会发生自燃[1]。多年来矸石山的降温、复燃都是矸石山绿化治理的难点。

结合多年来对煤矸石治理经验，本地矸石山多采用覆土碾压配合局部注浆充填煤矸石空隙，浆液包裹矸石体隔绝氧气，修筑配水系统，植树种草综合治理的方法，达到降温并改善环境的目的[2]。本文对注浆处理部分作简要分析评价。

1 注浆

注浆作为一种地基处理方式，多适用于建筑地基的局部加固处理，适用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等的地基加固。加固材料可选用水泥浆液、硅化浆液和碱液等固化剂。注浆法也可用于不稳定或相对稳定的采空塌陷区治理，治理的浆液多选用具有大颗粒骨架的型浆液。

注浆用于矸石山降温已经有一定的实践经验，主要作用有两个方面：一是浆液喷洒入矸石层，降低矸石表面温度，达到降温的作用；二是浆液可填充矸石间的空隙，减少空隙间空气流通的通道，并且具有粘性的浆液在矸石表层可形成薄层膜体包裹矸石，阻断矸石与空气的接触，从而达到降温的目的。所以注浆降温在矸石山治理中为比较常见的方式，但根据地域不同、矸石成分的不同，采用的注浆方式及材料也有所区别。

2 实例分析一

2.1 矸石山概况

本矸石山位于平定县冶西镇东庄村西南，为仍在排放中的矸石山。现已按照原始的矸石山排放规划方案，形成了六级坡体及平台马道。2019年4月，该矸石山2～5马道及坡面出现着火迹象，地表温度升高，表层植被枯死，有刺鼻气体溢出，部分原始覆土区域出现泛白或泛黄现象。

2019年4月开始，对此矸石山进行降温处理。

2.2 现场勘测及调查

现场勘测采用人工测绘、调查与钻机钻探测温相结合的方式进行。

人工测绘、调查：工程师现场踏勘，划分出地热区域与非地热区域，确定着火边界线大致范围。

踏勘：使用热电偶及热成像仪等设备，对拟治理矸石山进行现场踏勘和调查，结合地表温度变化、表层矸石自燃情况和植被生长情况，初步圈定火区或可能成为火区的范围。

钻机钻探：在已确定的现场着火区域内进行间距50m的钻探，钻探深度8m，下放测温仪器进行温度勘测。从着火区域边界线向外以50m间距扩散，并进行温度勘测，直至温度勘测小于70℃为止。

内业：根据先期测绘图及后期钻探的测温资料，对矸石山火区图进行修正及划分，最终形成精确的火区等温线分布图。

根据《煤矸石堆场生态恢复治理技术规范》（DB14/T 1755—2018）区域划分标准：防控区-温度＜70℃的区域；临界区-70℃≤温度＜90℃的区域；蓄热区-90℃≤温度＜230℃；发火区-温度≥230℃的区域[3]，温区分布如图1所示。

图1 温区分布

本矸石山发火区表面积约26065m2，经研究确定，对发火区域进行注浆降温治理。

2.3 注浆方案设计

区域划分后将治理区域边界设置帷幕孔，防止注浆浆液流出造成浪费。

治理原则如下：结合本矸石山排放过程中进行了分层碾压且8m间铺设了0.5m厚黄土层的特点，预计将矸石山表层8m作为重点治理区域，形成相对稳定的表层硬壳，阻断内部空气，达到降温效果。

注浆同时进行浆后温度监测，孔内温度小于100℃，为达标钻孔，即可灌浆封闭。

注浆方案主要起到降温、包裹作用，对空隙不需要进行充分填充，所以采用0.15的孔隙比。矸石山放坡每级为8m，所以注浆厚度按8m计，每孔浆液量约计15m3。

式中：V——每孔浆液灌注量，L；n——拟加固土的天然空隙率；r——有效加固半径，m。

得出设计有效加固半径为2.12m，设计注浆孔中心距为4m，正三角形布置。帷幕孔中心距为2.0m，两排交错布置。

马道与平台钻孔，要求有效孔深为7.5m，钻孔布置应设置在坡顶线内1.5m处，防止坡面浆液流失。

坡面钻孔应垂直于坡面施工，要求有效孔深3.5m，钻孔中心距按照斜坡面距离计算。

钻孔出现缩孔、塌孔影响钻孔成型时，坡面钻孔可采用打入式注浆管，进行直接注浆；平台与马道钻孔可达到设计深度后不起钻，直接采用钻孔注浆，待注浆完毕后再拔出钻杆，对钻孔进行灌浆处理。

注浆标准：当注浆压力达到设计要求压力3MPa，压力灌入量小于50L/min，且持续时间超过15min；坡面有浆液渗漏或出现冒浆时可停止注浆。

2.4 注浆材料的选择

我国广泛使用的灌浆材料为黄泥浆液、石灰浆液及高分子降温材料浆液等。早期使用较多的是黄泥浆液，此浆液的缺点是析水较多，泥浆容易脱水，对空隙填充效果较差。石灰浆，主要成分为熟石灰，可与矸石燃烧产生的有毒气体发生一定的化学反应。

从而形成相对稳定的固体物质薄膜，达到封闭作用，且一定程度上减少了有毒气体的排放，但石灰浆存在不能完全阻隔空气的问题。

高分子的降温材料的降温效果好，例如徐州吉安研发使用的MAG-Ⅰ型复合胶体材料与黄泥浆的配合使用达到了很好的降温效果，但高分子材料的造价较高，大面积注浆治理成本高。

粉煤灰作为黄土的替代物也是很好的选择，但原状的粉煤灰基本没有粘聚力，对矸石的包裹程度较差。

结合本地区域特点，黄土资源稀缺，石灰及粉煤灰容易购买且价格较高分子材料低廉，为弥补石灰及粉煤灰浆液的不足，添加一定的水泥改善浆液的粘合效果。

浆液材料包括熟石灰、粉煤灰、水泥及清水。其中，熟石灰采用三级或三级以上新鲜消石灰。粉煤灰应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》国家三级质量标准，严格控制烧失量不大于15%。水泥应采用32.5级水泥，应符合国标《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》和其他相关国家质量标准的要求。优先选用矿渣水泥，其次是普通硅酸盐水泥或其他类型的水泥。施工拌制用水应符合《混凝土拌合用水标准》，其pH应大于4。

固体物质重量比为水泥∶熟石灰∶粉煤灰=1∶2∶7。

帷幕孔水固比为1:1.3，注浆孔水固比为1:1.2。

制备浆液要求采用二级搅拌进行制浆，每次搅拌时间不小于10min。

2.5 注浆施工

根据发火区范围和燃点位置，首先进行帷幕孔的注浆。注浆孔注浆顺序为自帷幕孔向内逐步推进。

钻孔孔径为73～89，成孔后马上进行孔口管的浇筑，且孔口管出露于地面以上不小于0.5m。成孔的孔位偏差不得超过0.01m，倾斜偏差小于2°。

注浆前应对孔内先期压水约1min，以确认管道通畅。注浆应自下而上，缓慢提升。注浆压力不得过高，须要采用低压、小泵量注浆，避免“气爆”。每孔注浆不得一次性注满，须分三次以上反复注浆。注浆完毕时，须要清水洗孔，并灌浆封闭处理。

注浆完成后应对孔内温度及气体进行再次监测，并做好记录。若监测数据持续24h仍高于230℃，则在原孔间隔2m处再钻孔注浆，持续监测，直至达到温度达标为止。

本工程经过35d的施工，共完成马道与平台钻孔684个，坡面钻孔1198个，发生冒浆及坡面渗漏孔位53个。随钻孔完成温度监测1882孔位。一次注浆完成，钻孔温度不达标孔位32个，对其周边进行重复注浆施工，钻孔量为64个。

2.6 后期监测

注浆及覆土开始后，随即在矸山高温区分散设置温度监测孔，本次共设置监测孔6个，监测时间约1个月，监测频率约每周一次，见表1。

表1 监测孔测温记录

温度监测须在降温治理完工后，持续进行半年以上，以确保在矸山出现大面积复燃之前及时对其进行处理。监测成果显示，该矸山已成功降温，目前已无复燃迹象。

3 实例分析二

某矸石山位于山西省盂县县城南7.8km处的石坡峪村以北一处自然沟谷中，该矸石山于2020年7月发现自燃现象，相关管理部门随即对矸石山进行了降温治理。治理方案同实例一，但该由于该矸石山原有覆土厚度较薄，矸石含硫量较高，导致该矸石山在注浆处理过程中，出现大面积反复升温、高温区转移扩散现象。经反复注浆，高温区温度尚未降至理想值，但注浆量及水泥用量已提前达到预计设计用量。

经过大量工程实践，我方与甲方及施工方沟通后，尝试采用纯粉煤灰浆注浆处理，具体方法如下。

水固比为1:1.2；注浆次序为由外向内；在确保复注孔温度降至常温后再依次复注下一注浆孔；在停止注粉煤灰浆后若成片高温区温度再未升高，须向该区域再次注入适量水泥粉煤灰浆。

由于粉煤灰单价远远低于水泥，复注成本较低，且在注入复燃孔水分迅速蒸发后，粉煤灰对矸石也有一定包裹性，故该方法对降温处理及控制工程造价均有明显积极作用。

4 结论及建议

（1）不同浆液的适用性，需考虑矸石山所在区域特点，结合矸石山性质、成本效益等方面进行多方面的综合考量。

（2）本方案实施过程中，帷幕孔区域未发生漏浆等现象，因此判定帷幕孔阻隔效果良好，但在今后的注浆方案中，因根据实际情况对帷幕孔浆液配比进行合理调配。

（3）注浆降温在矸石山的治理中不是单独存在的，必须结合面层的黄土封闭工程一同起作用，且先行对面层封闭覆土之后再行注浆可以大大提高降温成功率，减少矸石山复燃的可能性，覆土厚度不低于0.5m[4]。

（4）后期监测时长不宜低于半年，评率不宜低于每月一次。出现复燃迹象应及时报告，避免复燃区迅速扩大，造成不必要的经济损失。

（5）该工艺在阳煤集团（现华阳集团）二矿狮脑山矸石山生态环境恢复治理示范工程等工程中得到成功应用，取得了显著的社会经济效益[5]。