煤矿矸石山高温综合治理技术研究与应用

煤矿矸石山的自然发火与绿色环保治理，对于任何一个矿井而言，都是较难解决的问题。义安矿业在矿井初期，由于未进行严格的煤矸筛分，导致地面排矸中掺杂有部分煤炭资源，以及废旧生产材料，如坑木、荆芭、串杆等，久而久之，当温度逐渐升高，在矸石山内部引起煤炭自燃。同时，在供风条件良好的情况下，进一步加剧了内部燃烧。伴随着煤炭自燃，释放出的含硫气体对周边环境，尤其是空气质量造成了一定程度的污染。鉴于此，寻求一条适合该矿矸石山高温治理与环保工程相结合的综合治理措施，显得尤为重要。

2 自然发火影响因素

物体燃烧离不开可燃物、温度、充足的氧气三要素[1]，矸石山自燃也同样如此。伴随矸石一同被堆放的煤炭、坑木等作为可燃物，为物体的燃烧提供了足够的燃料;当内部温度升高达到燃烧条件，或遇明火时，则造成了可燃物的燃烧。此外，虽然矸石山经过层层堆积，没有明显的进风通道，但由于内部碎矸堆积罗列的不规则排布，产生的裂隙仍为新鲜风流补给创造了条件。

3 外部治理

3.1 喷浆覆盖

分析矸石山现有地理地形环境状况，其边坡迎风面常年受东北与西北季风的影响，形成了天然的供风条件，风量充沛。在此条件下，内部可物持续燃烧，且通道相对发育，导致火风压与新鲜风流充分接触，更加有助于燃烧;在风压差的作用下，携带高温与明火的气流在内部做无规律流动，使得内部火情难以掌握和控制。鉴于此，利用地面注浆泵站，调制一定比例的黄土浆，对山体表面反复喷浆覆盖，浆液调制配比在(1∶1.28)～(1∶1.3)效果最好。通过改变普通黄土材料的存在形态，变固态为液态，经打浆机破碎后，成品浆液变得粘稠致密，在矸石山体表能够均匀喷洒，且表层裂隙能够有效被充填粘合，经过反复喷浆，逐层加密加厚，形成较为致密的隔绝层，有效阻断新鲜风流进入矸石山内，为下一步治理内部高温创造了良好的外部环境与条件[2]在实际操作过程中，由于初期治理时矸石山体表温度较高，局部地区温度达到 190°，在喷洒黄泥浆之后，虽然浆液较为粘稠，在斜坡段能够缓流速，成泥糊状，但经过表层和深部温度的传导，致使泥浆内的水分在高温作用下，短时间内便挥发扩散，使得泥浆呈现龟裂状。这就需要改进艺：作业前，先对山体使用(1∶1.2)～(1∶1.23)的水泥浆进行预喷浆，待水泥浆水分挥发过半，呈现半干状态而未开裂时，再进行黄土浆的二次覆盖，这样，水泥浆液就能够更好地封闭矸石的表土层。同时，利用水泥浆的中间媒介作用，使黄土浆更好地附着在矸石山表土层上，以此持续喷浆，逐渐加密加厚隔绝层厚度，形成混合浆的隔绝夹层，有效阻断空气的流通补给。

3.2 浅孔注水

在矸石山上平台及边坡地段建立若干个 5 m×5 m 治理单元(注水有效扩散半径在 2～3 m)，并划分经纬网格。使用废旧钻杆焊接成长 1.5～2 m的注水管(表土层较薄，最多 2 m 可到矸石层)，了增强出水效果，在钻杆上口焊接 准25 mm 直通三通，钻杆下口焊接长 20 cm 尖头钎子，方便向下打设，钻杆周边切割大小适中的圆形出水眼，水眼不宜过大过密，否则影响渗透压力和出水效果，减小渗透半径。在网格交汇处进行埋设，使用 准25 m水管依次连接成排钻孔，并按照顺序注水，使表土层以下一定下渗范围内高温点得到全覆盖渗透降温，经过 24 h 不间断注水，逐渐形成一个低温层，同时，在水力作用下，也能阻挡部分空气内外交流。注水钻杆如图 1 所示通过钻杆进行注水，供风裂隙水力胀裂后空间进一步增大，为裂隙内注浆创造了条件;利用预先铺设好的注浆管向钻孔内注黄土浆，浆液能够很好地充填裂隙，当浆液内水分流失，或受高温影响挥发后，析出的黄土可有效充填风流通道，形成通道阻隔，从而有效地切断氧气的供给来源，干预内部高温继续扩散。

4 内部治理

4.1 钻进施工

由于缺乏对矸石山治理的钻孔施工经验，且对矸石山内部裂隙情况掌握不明，为了确保施过程中不出现卡钻、掉杆等情况，拟定采取注浆方法保护管壁，即在钻进过程中连接水辫轴，利用水辫轴稀释钻杆内黄土浆液并注浆，稀释后的黄土浆液比例为(1∶1.15)～(1∶1.2)，此时浆液能够超前钻进深度，预充填钻杆前方裂隙。同时，通过浆液扩散渗透，加固了钻孔孔壁周围矸石，为钻孔营造安全环境。待浆液析出分离后，黄土浆液及干料都充填在裂隙中，析出的水则流向矸石山深部，起到深部降温、增加湿度的作用。目前已施工的最深钻孔 95 m，经过实践验证，该方法能够有效保护钻孔施工。但要控制好钻进速度，以降低卡钻风险。

4.2 退钻施工

由于使用直径 94 mm 钻头开孔，退杆时会留下较大的空间，为风流流动创造了条件。为了解决这一问题，采用调整浆液比例的方法，即把浆液比例上调至(1∶1.25)～(1∶1.28)，利用稠浆的重力作用和黄土浆液的良好形变特性，充分锁住水分，增大重量，在钻杆退出过程中，边退边注，最终浆液完全充填整个钻孔，并且压实，待水分挥发散去，黄土浆的粘着性与山体内碎矸石完全粘结在一起，有效充填了风流通道，隔绝了氧气供给。同时，也防止因山体滑坡产生新的裂隙，增加了矸石

山的整体强度。

5 温度观察在矸石山不同高温区域设立了 16 个固定测温点，分别在采取措施前、只采取外部喷浆方法期间和内外兼治期间进行了温度观测，并对不同区域、不同时期的平均温度进行了分析。分析结果表明，采用外部喷浆覆盖、内部深孔钻进注浆的综合治理方法效果最为明显，温度得到了大程度地降低，实现了矸石山高温治理的目标。

6 结 语

在对矸石山采取“外封内注”的综合治理措施后，高温区域温度得到有效控制，火区得到明显根治，表土层温度逐步恢复正常，实现了矸石山高温治理目标，清除了隐患，净化了环境。