劉利紅

1 概況

近年來,隨著煤炭企業(yè)煤炭產(chǎn)量的大幅提升,作為煤炭生產(chǎn)副產(chǎn)品煤矸石的產(chǎn)出量也大幅提高,其煤矸石的堆積量也越來越多。矸石多為自然堆放,堆放坡度大,由于未進(jìn)行封閉,局部已有自燃現(xiàn)象。自燃的矸石嚴(yán)重污染大氣,威脅職工和周邊群眾的身體健康,已成為城市的一個主要污染源。

1.1 矸石山自燃機(jī)理

煤礦生產(chǎn)過程中要排出大量的矸石,其主要成分是煤層頂板及煤層夾層的炭質(zhì)泥巖或含炭泥巖,并含少量黃鐵礦結(jié)構(gòu),炭屑及炭塊。由于黃鐵礦含硫,在常溫條件下,煤矸石與空氣中氧氣具有良好的結(jié)合能力,當(dāng)矸石得到充分的氧氣供應(yīng)后,將產(chǎn)生低溫氧化反應(yīng),如氧氣供應(yīng)充分,則可保證低溫氧化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,如果低溫氧化反應(yīng)放出的熱量不能及時消散于周圍環(huán)境中,就會導(dǎo)致煤矸石局部升溫,若煤矸石中有足夠的可燃物,且能得到充分的氧氣供應(yīng)時,則環(huán)境溫度的升高,又會促使矸石的氧化反應(yīng)加速。在達(dá)到臨界溫度點(diǎn)(80℃～90℃)后,氧化反應(yīng)速度迅速提高,矸石很快自燃,嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。

矸石自燃燃燒過程中會產(chǎn)生大量CO,SO2與H2S等有毒、有害氣體及煙塵,嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。同時煤矸石經(jīng)雨水淋溶形成的酸性水,滲透到地下污染地下水,嚴(yán)重危害人們的身體健康。對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)也帶來嚴(yán)重的不良后果,使農(nóng)作物枯萎或減產(chǎn),甚至可能顆粒無收。

1.2 矸石山治理的措施和目的

探測矸石山內(nèi)部隱蔽火源,制定滅火方案,進(jìn)行滅火降溫。將矸石山坡頂、坡面進(jìn)行削坡整平,達(dá)到山體穩(wěn)定及固土的需要,對其表面覆蓋土層達(dá)到封閉的作用。覆蓋土層后植樹種草,達(dá)到護(hù)坡、綠化、美化改善環(huán)境的效果。在矸石山上設(shè)有完整的排水系統(tǒng),防止雨水沖刷坡面、滲入山體形成泥石流而造成滑坡。

2 矸石山滅火方案的選擇

2.1 目前國內(nèi)外矸石山滅火方法

1)注漿封閉法。該方法通過降溫與隔氧兩方面的共同作用來達(dá)到滅火的目的。通過在火區(qū)和自熱區(qū)布置一系列鉆孔,最后將不燃物(黃土或粉煤灰等)和石灰配成的泥漿灌入火區(qū)和自熱區(qū),以阻斷空氣進(jìn)路,火區(qū)冷卻后將火區(qū)和自熱區(qū)全部填滿漿料。2)表面密封壓實法。該方法是在自燃矸石山表面覆土壓實,以隔絕空氣進(jìn)入,使自燃矸石山內(nèi)部空氣耗盡后熄滅。3)灌水法。水是滅火工程中最常用的滅火介質(zhì),水在高溫下形成水蒸氣吸熱降溫效果顯著,并且水蒸氣能夠阻止空氣接近可燃物。4)直接挖出冷卻法。該法通過直接挖除著火矸石和熱矸石,冷卻后回填或重新堆積。這種方法簡單而成功率高,在現(xiàn)場用的最多。5)低溫惰性氣體法。低溫惰性氣體法是在矸石山火區(qū)或自燃區(qū)注入液氮和固體二氧化碳,不僅能快速降低溫度,而且在相變過程中體積增加500倍,形成冷高壓波,從注入點(diǎn)迅速擴(kuò)散至全區(qū),把低密度熱煙氣排擠上升到地表,隔絕空氣達(dá)到滅火降溫雙重目的。6)灌漿密閉泡沫滅火法。這種方法把灌漿和泡沫結(jié)合起來,先用灌漿把火區(qū)隔離起來,再向火區(qū)注入泡沫滅火劑,加速消滅明火,縮短滅火時間。泡沫滅火劑在矸石空隙中流動比較容易控制,隔離火區(qū)的效果較好,它在矸石表面形成的膜可以保持很長時間。7)燃燒法。在受控條件下讓矸石燃燒,燃燒產(chǎn)物經(jīng)凈化后從煙囪排出,燃燒熱量加以利用,具體方法在矸石山內(nèi)鉆水平通道,矸石山表面鋪土壓實,由鉆孔有控制地向內(nèi)供應(yīng)空氣點(diǎn)燃矸石,用抽氣機(jī)將煙氣抽出并加以凈化,煙氣熱量被利用后,最終從煙囪排出。

2.2 滅火方案的選擇

通過對國內(nèi)外矸石山滅火方法進(jìn)行對比,結(jié)合多年來對煤矸石治理經(jīng)驗,采取碾壓覆蓋為主,配合局部注漿充填煤矸石空隙、漿液包裹矸石體隔絕氧氣,并通過鉆孔放熱,修筑排水系統(tǒng)、植樹種草綜合治理的方法,從而達(dá)到滅火降溫,改善環(huán)境的目的。

2.3 方案的可行性

在自燃矸石山表面鋪土壓實,以隔絕空氣進(jìn)入,使自燃矸石山內(nèi)部空氣耗盡后熄滅。同時通過改變矸石堆積坡度,推散高溫矸石促使降溫,有利于矸石山斜坡覆土與碾壓,火勢能得到有效控制,滅火效果較好。局部灌漿封可使矸石迅速降溫,有較好的隔氧效果,它可以防止因黃土覆蓋不好引起矸石復(fù)燃的可能。

3 矸石山治理設(shè)計技術(shù)

3.1 滅火

1)土層覆蓋。對矸石山坡頂或坡面有明火或溫度較高的部位,采用黃土分層碾壓覆蓋,分層厚度0.2 m～0.3 m,黃土覆蓋碾壓最小厚度1.0 m。使用的黃土要控制粒徑、含水量及有機(jī)物含量。

2)注漿滅火。在坡頂有明火或溫度較高的部位覆蓋黃土后,進(jìn)行鉆孔施工,鉆孔使用鉆機(jī),深度5.0 m,間排距 3.0 m～3.5 m。在成孔后,要進(jìn)行孔內(nèi)測溫,對溫度有異常的鉆孔適當(dāng)加深。

滅火漿液材料應(yīng)因地制宜,采用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過篩配制,配比1∶1,水固比 0.7∶1～0.8∶1,注漿方式采用壓力注漿或蔽口灌注。

3.2 矸石山邊坡削坡整平

一般坡面按高寬比不大于1.5進(jìn)行整平,然后對坡面整平中需要回填部分進(jìn)行夯實,夯實系數(shù)不小于0.85,并在矸石山邊坡坡底設(shè)石砌護(hù)墻,坡底石砌護(hù)墻高1.5 m～2.0 m左右,護(hù)墻背后用1 m黃土分層夯實,夯實系數(shù)不小于0.92,中部用馬道把坡面分成階梯式。

3.3 覆土

矸石山坡面整平至設(shè)計要求后,在坡面上覆蓋1.0 m厚黃土(厚度為垂直坡面尺寸)并分層夯實,夯實系數(shù)不小于 0.85。在平臺上覆蓋1.0 m厚黃土,并用道路及圍堰進(jìn)行分割,馬道上覆黃土同平臺。

3.4 排水及澆灌系統(tǒng)

3.4.1 排水系統(tǒng)

在平臺上用圍堰分割,雨水保持在土壤里,在坡面豎向及馬道均設(shè)排水溝以排除坡面雨水;在坡底設(shè)截洪溝,使坡面的水匯入截洪溝形成完整的排水系統(tǒng)。

3.4.2 澆灌系統(tǒng)

采用拖式噴灌。根據(jù)GB 50013-2006室外給水設(shè)計規(guī)范,結(jié)合山西省用水標(biāo)準(zhǔn)和矸石山的實際情況,設(shè)計原則確定如下:

綠化用水標(biāo)準(zhǔn)為1.5 L/(m2·次),3 d一次。

噴灌管路設(shè)計原則:管路沿矸石山綠化范圍環(huán)狀設(shè)置,間距100 m設(shè)置噴淋檢查井一個,設(shè)置出水短管及閥門。

噴灌用水水池的確定:水池的容積按照矸石山綠化面積噴灌一次總用水量的50%～100%確定,面積較小時按照100%計取,面積較大時按總用水量的50%～80%計取。

根據(jù)以上原則,在矸石山頂建水池及泵房。

3.5 植被

根據(jù)矸石山的氣候、地形條件和土壤成分以及資金投入的情況,對矸石山植被恢復(fù)以因地制宜選樹的原則來實現(xiàn)。針對矸石山的養(yǎng)分貧瘠、高溫、干旱、溫差大等特點(diǎn),結(jié)合植物的生物學(xué)特征,堅持以鄉(xiāng)土樹種為主。

4 治理效果檢測

4.1 溫度檢查孔

矸石山治理施工結(jié)束后,對煤矸石表層按10 m×10 m的網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行紅外線測溫,在坡頂及馬道選擇有代表性的地段設(shè)置檢查孔,檢查孔孔深為堆填矸石厚度,進(jìn)行矸石山溫度觀測,檢查孔按永久性觀測孔施工,孔徑 108 mm,鉆至目的層后終孔,下入φ 89 mm 鋼管,鋼管外露0.5 m,鋼管外層用0.5∶1～0.7∶1水泥漿固管,鋼管內(nèi)下部1.0 m充填水泥,采用熱電歐深層測溫儀進(jìn)行溫度觀測,檢驗滅火效果,分析溫度下降趨勢。

4.2 環(huán)境監(jiān)測

在治理后的矸石山上布置環(huán)境監(jiān)測點(diǎn),每月進(jìn)行兩次環(huán)境監(jiān)測,SO2,NO2用多孔玻板吸收管和大氣采樣器進(jìn)行人工采樣;CO直接采樣,采樣時間不少于30 min。

5 結(jié)語

矸石山經(jīng)過治理后發(fā)現(xiàn),昔日曾經(jīng)濃煙滾滾、寸草不生的煤矸石山已變成碧空下的綠野、開闊平整的靶場、茂盛蔥郁的農(nóng)田。步入平整后的開闊土地,映入眼簾的是滿目青翠,已歸于寂靜的矸山上空,有鳥往來于南北。大氣環(huán)境發(fā)生了顯著變化,空氣質(zhì)量明顯提高。

[1]中華人民共和國主席令第22號,中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法[S].

[2]GB 18599-2001,一般工業(yè)固體廢棄物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].