張福新,謝鵬宇

(中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036006)

安家?guī)X露天礦南幫1270原煤運輸干道基樁上部因矸石長期堆積,導(dǎo)致部分基樁在1 m深度左右的溫度高達300℃,表面溫度也超過40℃。為盡快消除安全隱患,礦方技術(shù)部門組織對火區(qū)進行了勘探,并制定了火區(qū)治理技術(shù)方案。綜合優(yōu)選滅火方法和滅火材料,決定采用“施工鉆孔、快速降溫、填充封堵漏風(fēng)通道、黃土覆蓋、帷幕隔離”的整體治理方案。經(jīng)90 d治理,地表著火表征消失,地表煙氣及蒸汽消失,鉆孔溫度在矸石自燃臨界溫度45℃以下,基樁下沉幅度不影響基樁的穩(wěn)定性[1-2]。

1 火區(qū)勘探

采用大疆M210 RTK V2行業(yè)級無人機搭載Zenmuse XT2熱紅外雙光相機對該處火區(qū)開展了熱紅外遙感和傾斜攝影探測。通過對熱紅外圖像的數(shù)據(jù)處理,得知火區(qū)主要分布在運輸干道斜坡中部,且高溫區(qū)連接成片,地表最高溫度達到了150℃以上,火區(qū)面積約為3 800 m2。由鉆孔勘測情況得知,該區(qū)域鉆孔高溫所處深度為0～5 m。

2 方案選擇

2.1 滅火方法選擇

依據(jù)《煤矸石堆場生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范》[3-5],目前主要的滅火方法有覆蓋法、挖除火源法、槽溝灌漿法、鉆孔注漿法。結(jié)合各種滅火方法的適用范圍與當(dāng)前火區(qū)的特殊性,排除覆蓋法、挖出火源法及槽溝灌漿法,最終選擇鉆孔注漿法作為本次火區(qū)治理的滅火方法。具體分析見表1所示。

2.2 滅火材料選擇

傳統(tǒng)的鉆孔注漿法是將黃泥漿液注入燃燒區(qū),利用泥漿中的水分急劇蒸發(fā)帶走大量熱,使巖石迅速降溫,凝固物充填巖石間的孔隙,形成穩(wěn)定的封閉層,達到降溫及隔氧作用。而該火區(qū)所處原煤運輸干道坡面傾角較大,采用傳統(tǒng)注漿法時水的流失較為嚴(yán)重,為達到較好的矸石降溫效果需要大量的黃泥漿液,勢必影響煤矸石體的穩(wěn)定性,進而導(dǎo)致原煤皮帶水泥樁不穩(wěn)定或下沉,易造成原煤皮帶傾斜或下沉。因此,為降低黃泥漿液滅火降溫的用水量,采用灌注阻化泡沫的方式,以泡沫為載體將水帶至高溫區(qū)域,以提高水的利用率,降低用水量。

在采用阻化泡沫對火區(qū)進行滅火降溫后,為防止火區(qū)復(fù)燃需在矸石裂隙間充填凝固物,使形成封閉層達到隔氧作用,而該火區(qū)所處原煤運輸干道坡面傾角較大,采用傳統(tǒng)注漿法時黃泥漿液向下流動,其拉溝流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重,向四周的擴散性較差,無法完成矸石煤巖體裂隙的全方位充填。為提高黃泥漿液的均質(zhì)擴散性,向黃泥漿液中加入少量的復(fù)合膠體,以復(fù)合膠體作為載體將黃泥漿中的凝固物均勻地帶至矸石體裂隙中,以達到充填封堵防止復(fù)燃的作用。

3 治理思路

針對自燃實際情況,治理關(guān)鍵在于對火區(qū)進行全面降溫和防止火區(qū)后期復(fù)燃,結(jié)合以往煤矸石治理經(jīng)驗,決定采用“施工鉆孔、快速降溫、填充封堵漏風(fēng)通道、黃土覆蓋、帷幕隔離”的整體治理思路。

治理流程首先利用鉆機在火區(qū)內(nèi)施工鉆孔,對火源深度、內(nèi)部溫度及發(fā)展趨勢進行評估。其次采用注阻化泡沫技術(shù),對高溫鉆孔進行滅火降溫處理。接著灌注黃泥漿復(fù)合膠體充填材料,充填封堵煤矸石內(nèi)部裂隙,使破碎的煤矸石形成一個整體,徹底杜絕新鮮空氣進入煤矸石內(nèi)部,防止火區(qū)復(fù)燃。之后對火區(qū)表面進行黃土覆蓋,進一步加強漏風(fēng)通道的封堵,確?；饏^(qū)不出現(xiàn)復(fù)燃。最后在治理區(qū)域外側(cè)挖掘隔離條帶,并進行黃土壓實回填,消除外圍火區(qū)的影響。

4 方案實施

4.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)現(xiàn)場實地考察,滅火場地選擇在原煤運輸干道中部北側(cè)。在設(shè)備與材料進場前,需對場地進行清理,以滿足后續(xù)施工要求。供水量不低于40 m3/h,供電量不低于100 kW/h,供氣流量不低于標(biāo)況下100 m3/h?；饏^(qū)治理前,在運輸皮帶基樁位置灌注水泥,對基樁位置的裂隙進行封堵,防止火區(qū)治理過程中基樁下沉。

4.2 鉆孔施工

1)鉆機選型。根據(jù)火區(qū)治理所需滅火鉆孔對于孔徑、深度等要求,同時考慮經(jīng)濟因素及鉆機的實用性,決定選擇采用小型潛孔鉆機進行施工鉆孔。

2)鉆孔布置。根據(jù)滅火材料的流動性及擴散范圍等因素綜合考慮,鉆孔布置形式及相關(guān)參數(shù)確定如下。

布置形式,呈“品”字形布置。滅火材料呈現(xiàn)環(huán)形擴散,與正方形布置形式相比,該種布置形式可降低材料擴散死角。同時,該種布置方式可減少鉆孔施工數(shù)量，孔徑89 mm。本項目選擇采用小型潛孔鉆機進行施工鉆孔,根據(jù)鉆孔施工速度與孔徑的需求綜合考慮,選擇鉆孔直徑89 mm，孔深5 m。根據(jù)前期火區(qū)鉆孔探測結(jié)果可知,該火區(qū)高溫存在于0～5 m位置,孔深設(shè)計為5 m即可滿足要求。依據(jù)《煤矸石堆場生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范》中對于滅火鉆孔間距2～5 m的要求,同時,結(jié)合以往矸石火區(qū)治理的一般經(jīng)驗,此次火區(qū)治理鉆孔施工間距l(xiāng)定為4 m。在火區(qū)治理實施過程中,當(dāng)出現(xiàn)治理盲區(qū)時,需根據(jù)火區(qū)實際情況進行補打加密鉆孔。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 滅火鉆孔布置示意圖

4.3 滅火降溫

在水中加入一定量阻化發(fā)泡劑進行發(fā)泡,使水變成氣液兩相介質(zhì)與高溫煤巖體接觸,從而降低水的用量。制備工藝如下:水經(jīng)加壓后輸入管路中,同時在泵向管路中添加一定比例的阻化發(fā)泡劑,水與阻化發(fā)泡劑在管道中經(jīng)混合器混合均勻后進入發(fā)泡器,在發(fā)泡器中接入氣源,氣體與含有阻化發(fā)泡劑的混合液相互作用產(chǎn)生阻化泡沫,阻化泡沫經(jīng)分流器通過輸送管路注入滅火鉆孔。工藝流程如圖2。

圖2 阻化泡沫灌注工藝流程圖

該工藝具備的特點是:可實現(xiàn)24 h不間斷連續(xù)灌注,可實現(xiàn)多孔同時灌注,對水質(zhì)要求較低,流量大,輸送距離長,自動化程度高,操作簡單。工藝參數(shù)見表2所示。

表2 阻化泡沫產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

4.4 充填封堵

滅火鉆孔注阻化泡沫措施進行滅火降溫后,對已達到降溫滅火要求的鉆孔(100℃以下)進行灌注黃泥漿復(fù)合膠體。利用黃泥漿復(fù)合膠體制備系統(tǒng),制備滿足要求的黃泥漿復(fù)合膠體,并將其加壓輸送到使用地點。工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程示意圖

根據(jù)黃泥漿復(fù)合膠體配比要求,確定灌注漿的各參數(shù)見表3。

表3 灌注漿參數(shù)表

4.5 黃土覆蓋

火區(qū)經(jīng)過滅火降溫與充填封堵后,對治理區(qū)域進行黃土覆蓋。對火區(qū)范圍內(nèi)長72 m，寬24 m的運輸干道覆蓋黃土厚度為0.3 m,其余區(qū)域黃土覆蓋厚度不低于1.5 m?？紤]到邊坡區(qū)域的黃土覆蓋密實性及自然堆積性影響,黃土覆蓋時采用多階梯覆蓋方式進行。同時,考慮到雨季時雨水沖刷對邊坡黃土覆蓋層穩(wěn)定性影響,在皮帶兩側(cè)修筑兩條排水溝,在邊坡位置縱向每間隔20 m修筑一道排水溝,橫向每間隔5 m修筑一道排水溝,排水溝寬50 cm,深20 cm。此外,還需要在運輸干道南側(cè)挖掘1.5 m寬，5 m深的隔離帶并充填黃土進行火區(qū)隔離,防止兩側(cè)高溫向運輸干道蔓延。

5 結(jié)論

通過對火區(qū)的有效治理,不僅在以往治理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上用科學(xué)的手段選取了符合施工實際的安全技術(shù)方案,而且統(tǒng)籌考慮了原煤運輸干道的后期安全運行,相關(guān)技術(shù)具有一定的借鑒與指導(dǎo)意義。火區(qū)的治理,創(chuàng)造了安全生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境,避免了人員傷亡和設(shè)備損毀,保證了安家?guī)X礦煤炭安全高效運輸。同時消除了大氣污染源頭,減輕礦方環(huán)保壓力,減少環(huán)保財務(wù)支出,對該礦具有十分重要的現(xiàn)實意義。