自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究.pdf
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1、书书书第 卷第 期能源与环保 年月 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧安全科学与环保收稿日期:;责任编辑:陈鑫源 :基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:郑万成(),男,江苏涟水人,正高级工程师,注册安全工程师,安全评价师,注册监理工程师,注册咨询工程师,博士,现任四川省煤炭设计研究院昆明分院院长,主要从事矿山设计及矿山灾害防治等技术工作。引用格式:郑万成,褚廷湘,赵波 自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究 能源与环保,():,():自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究郑万成,褚廷湘,赵波(四川省煤炭设计研究院,四川 成都 ;华北科技学院,河北
2、三河 ;河南省煤炭科学研究院有限公司,河南 郑州 )摘要:针对矸石山自燃产生大量有毒有害的 、以及 等气体,对矿区周围生态及居民健康造成严重威胁的问题,采用先打钻测温确定矸石山自燃区域的火源位置再进行注浆防灭火处理措施,通过分析距边坡不同深度钻孔的温度分布得出矸石山自燃区域火源位于距离边坡 深处,矸石山自燃区域发展规律为由自燃火源处向外侧边坡蔓延。在确定自燃火源位置的基础上,采用注浆防灭火措施对矸石山自燃灾害进行治理,注浆过程中先常压缓慢注入低浓度浆液,再带压注入高浓度浆液,最后对自燃区域表面喷洒浆液隔绝氧气。注浆完成后,矸石山高温区域逐渐降至常温,气体浓度逐渐减小并消失。通过连续的温度和气体
3、监测表明,矸石山注浆能达到长期防灭火的目的,研究可为矸石山的自燃灾害治理提供参考。关键词:矸石山自燃;火源位置;注浆防灭火中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,年第 期能源与环保第 卷 :;在煤炭资源开采利用过程中,伴随产生的废弃物往往会引起一系列的生态环境问题,其中煤矸石是目前矿井中排放量最大的固体废弃物之一 。尽管目前针对煤矸石提出多种利用途径与处理措施,如作为化工产品的原料、生产建筑材料、制造化肥以及煤矸石井下回填等 ,但是目前国内依旧存在大量露天堆积的煤矸石,其中大部分存在自燃隐患或持续发生自燃。煤矸石山不仅容易发生滑坡、坍塌及爆炸等事故,自燃中的煤矸石山持续产生有
4、毒有害气体和重金属化合物,对矿区周围的大气环境和水文地质造成严重污染,危害矿区居民的健康,同时也为矿井增加大量的治理经费 。因此,对发生自燃的矸石山采取防灭火措施具有重要意义。前人通过研究指出,矸石山中主要是采煤与洗煤过程中淘汰的矸石与碎煤,硫化物含量较高。在堆积过程中,硫化物容易被氧化产生热量并不断积蓄,引起周围的碎煤开始发生氧化,矸石山的倾斜堆积且边坡结构松散,底部漏风后沿边坡裂隙进入中高部形成烟囱效应导致自燃氧化加剧,碎煤和煤矸石氧化产生的热量不断增加后形成局部高温点,最终引发矸石山自燃 。国内外常用的矸石山灭火措施包括挖除火源、注浆(水)、黄土覆盖、控制燃烧、注惰性气体等 。挖除火源指
5、在确定火源位置后直接挖除自燃煤矸石使其降温;注浆(水)是指通过钻孔将浆液或者水注入矸石山内部达到冷却降温及灭火的目的;黄土覆盖是指通过在矸石山表面覆盖黄土隔绝氧气,达到抑制自燃的目的;控制燃烧是指让自燃的煤矸石在受控的条件下自燃;而注惰性气体是指向矸石山内部注入 和 等惰性气体,达到防灭火的目的。上述措施有各自的优势以及适用范围,同时存在一定的局限性 。注浆防灭火措施在施工成本与防灭火效果方面与其他措施相比均具有优势,因此被广泛应用于矸石山现场自燃治理中 。而发生自燃的矸石山自燃区域往往面积庞大,在不确定自燃区域火源位置的前提下盲目注浆,不仅浪费注浆材料,而且达不到防灭火的目的。在施工注浆钻孔
6、前,必须先确定矸石山自燃区域的火源位置,再根据自燃情况设计注浆钻孔位置、数量等参数 。前人针对矸石山自燃开展了深入的研究,但各煤矸石山堆积情况复杂、发生自燃的实际情况差异较大,在矸石山治理过程中,应结合现场实际采取相应的治理措施。矸石山自燃火源位置确定四川省某矿区的煤矿矸石山堆积年代久、面积大且自燃严重,产生的烟气严重污染周围空气,对居民生活造成恶劣影响。之前对该自燃矸石山的治理过程中,采取黄土直接覆盖和自燃表面喷水的简单处理方式,在处理后几天内自燃状况有所好转但很快再次复燃,复燃时比第 次自燃情况更加严重。分析认为,覆盖黄土虽然能短时间内降低氧气浓度,但并不能完全隔绝表面氧气进入,同时无法封
7、堵矸石山内部的裂隙,漏风通道依旧存在,反而为内部的矸石氧化自燃提供了更好的蓄热环境。因此,覆盖黄土后很快再次发生复燃。而表面喷水虽然能降低矸石山表面及内部温度,但是并没有隔绝氧气在停止喷水后矸石再次发生蓄热自燃。为有效治理矸石山自燃灾害达到长期防灭火的目的,决定采用注浆防灭火措施对自燃矸石山进行治理。通过对矸石山整体勘测,发现自燃区域主要集中于边坡处,而在顶部及底部较少产生高温烟气,因而将边坡表面的烟气较大处初步判定为自燃区域。矸石自燃受到内部的可燃成分(有机质和硫化物)、漏风(氧气)以及蓄热环境的影响,矸石山表层的孔裂隙较大换热作用明显导致蓄热能力较弱,自燃火源往往不在矸石山表层。与此相反,
8、矸石山内部中心区域由于受到矸石山自重或人为压实作用,导致矸石山内部进入的漏风较少,不足以提供用于持续氧化的氧气浓度,自燃火源位置同样不可能存在于矸石山内部中心区域。在距矸石山边坡一定深度的区域,既满足良好的供氧条件又存在良好的蓄热环境,才可能发展成为自燃火源。为确定自燃区域的火源深度,从矸石山顶部向自燃区域内施工钻孔,钻孔位置分别位于距离边坡不同深度处,成孔后放置花管防止塌孔并用于测温和注浆。测温钻孔布置如图 所示。图 钻孔布置 年第 期郑万成,等:自燃矸石山火源位置确定及注浆防灭火技术应用研究第 卷通过打钻,安装花管、温度探头和采气装置,采集气体样品等一系列操作,完成对矸石山内部温度的测量以
9、及标志性气体的分析。具体操作如下:选用外径为 、内径为 的孔口管,孔口管周边涂上锚固剂,装入打好的钻孔中;利用小于孔口管直径的钻头,顺孔口管方向往下打到预计深度,安装 根长 的花管;花管安装完成后,安装测温取样管;将测温取样管送入钻孔底部,采集底部的温度及气体成分;测温取样完成后,分析每个钻孔的温度和 气体浓度,分析判断不同钻孔的矸石自燃氧化状态。将温度探头和气体采集装置布置在钻孔底部不同位置,测量距边坡不同深度的温度和气体浓度,结果如图 所示。图 距边坡不同深度处的温度、浓度分布 由图 ()可知,从矸石山边坡表面()至内侧 深处的温度分别为 、,从矸石山边坡向矸石山中间区域温度先升高后减小,
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