高速公路特殊路基煤矸石路段的滅火處理

胡 建 勇

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 大同 037011)

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高速公路特殊路基煤矸石路段的滅火處理

胡 建 勇

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 大同 037011)

分析了煤矸石自燃的必要條件，從去除煤矸石中的煤和黃鐵礦、提供無(wú)氧環(huán)境等方面，探討了煤矸石路段自燃的預(yù)防措施，同時(shí)提出了泡沫法、挖除火源、注水法等治理措施，以減少煤矸石路段自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

煤矸石路段，自燃現(xiàn)象，可燃物，煤炭

由于煤炭堆會(huì)出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象，我們不難發(fā)現(xiàn)，煤矸石路段自燃現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是由于矸石之中含有一定量的煤炭，而且煤炭還是矸石自燃必不可少的部分。由于矸石之中含有大量的硫元素，而這些硫元素是以黃鐵礦的形式在矸石之中出現(xiàn)的。而黃鐵礦這種物質(zhì)在常溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生十分緩慢的氧化反應(yīng)，可是黃鐵礦在氧化反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)釋放出一定的熱量，這從很大程度上促進(jìn)了矸石在常溫狀態(tài)下產(chǎn)生氧化反應(yīng)，并從很大程度上提高了矸石出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的概率[1]。

1 煤矸石自燃的必要條件

煤矸石路段的自燃現(xiàn)象是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，受到多重外在環(huán)境因素以及礦物含量因素的制約，但是總的來(lái)說(shuō)，煤矸石出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的根本原因可以歸結(jié)為以下幾個(gè)：

1)煤矸石之中含有的物質(zhì)導(dǎo)致它比較容易出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象，因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下，煤矸石可以很迅速的與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)并在反應(yīng)中持續(xù)釋放出熱量，從而最終導(dǎo)致溫度達(dá)到煤炭燃點(diǎn)并產(chǎn)生自燃現(xiàn)象。

2)煤矸石的物理結(jié)構(gòu)疏松，而且往往存放條件較為松散，因此有相當(dāng)一部分面積直接暴露于空氣當(dāng)中，這極大的提高了煤矸石和氧氣的接觸面積，由于獲得了足夠的氧氣，所以煤矸石很容易被氧化而放出熱量，最終導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3)煤矸石路段的比熱容相對(duì)較大，所以煤矸石路段可以儲(chǔ)存大量的熱量，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)矸石被氧化而釋放出的熱量都會(huì)聚集在山體之中不會(huì)釋放出去，而熱量的堆積無(wú)疑對(duì)煤矸石路段自燃提供了很大程度上的便利。

處以堆積狀態(tài)的煤矸石在常溫下會(huì)被緩慢的氧化，所產(chǎn)生的熱量確實(shí)并不足以直接導(dǎo)致煤矸石產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，可是由于矸石具有較高的比熱容，因此這些熱量會(huì)被存儲(chǔ)下來(lái)，隨著熱量的不斷堆積，煤矸石被氧化的反應(yīng)速率會(huì)被加快，熱量的產(chǎn)生速率也進(jìn)一步增加，這是一個(gè)螺旋上升的過(guò)程，因此我們可以得出如下結(jié)論，即：只要煤矸石可以與足量的氧氣直接接觸，熱量終究會(huì)堆積到可以使煤矸石自燃的程度。由于煤矸石之中含有較為大量的煤炭，因此一旦開(kāi)始自燃就可以維持長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)燃燒，燃燒時(shí)由于熱空氣的堆積會(huì)出現(xiàn)煙囪效應(yīng)，進(jìn)一步增加煤矸石與氧氣的接觸面積，而且由于溫度的上升以及由于煤炭燃燒使未被氧化的矸石逐漸與氧氣接觸，這會(huì)進(jìn)一步加劇煤矸石的燃燒，這同樣是一種螺旋式上升的過(guò)程。因此如果想要避免煤矸石的自燃，需要在煤矸石儲(chǔ)存熱量的過(guò)程之中嘗試將煤炭與矸石分離，以減少矸石之中可燃物的含量;如果可以將煤矸石堆積地點(diǎn)的氧氣含量降低或者提高煤矸石堆積地點(diǎn)的散熱能力也同樣可以避免煤矸石產(chǎn)生自燃的現(xiàn)象[2]。

2 煤矸石路段自燃防治措施

2.1 預(yù)防煤矸石路段自燃的措施

1)去除煤矸石路段中的煤和黃鐵礦。煤矸石是由非金屬氧化物、金屬氧化物以及稀有金屬組成的，除此之外煤矸石中還含有一定量的煤炭以及木材廢料等易燃物，如果想要從源頭降低煤矸石產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的可能性，可以從去雜質(zhì)的角度入手，采取洗礦的手段，將煤矸石中的黃鐵礦以及可燃物質(zhì)與矸石分離開(kāi)。這樣不但可以從很大程度上降低矸石產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的可能性，還可以將自然資源的利用率最大化。

2)提供無(wú)氧環(huán)境。燃燒必備的兩個(gè)要素是可燃物以及氧氣，因此我們同樣可以從氧氣的角度入手來(lái)盡可能避免矸石自燃，比如我們可以切斷矸石堆積地點(diǎn)與外界的氣體交換，這樣可以大大降低矸石存放地點(diǎn)的氧氣含量，從而進(jìn)一步降低矸石產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的概率。

2.2 煤矸石路段自燃的治理措施

煤矸石出現(xiàn)自燃的情況之后，煤矸石路段內(nèi)部會(huì)積蓄大量的熱能，而且自燃過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生出大量的有害氣體，二氧化硫占據(jù)了很大的比重。煤矸石路段的自燃可以持續(xù)數(shù)十年之久，不斷的產(chǎn)生出有害氣體，這些氣體會(huì)對(duì)周圍環(huán)境、周圍人們的正常生活產(chǎn)生極為嚴(yán)重的影響[3]。治理煤矸石自燃的核心在于切斷燃燒物與氧氣，目前常用的治理方法有以下幾種：

1)泡沫法。泡沫法是向正在燃燒的煤矸石內(nèi)部注入泡沫滅火劑，滅火劑之中含有大量不可燃物，會(huì)附著在煤矸石的表面，隔絕其與空氣的接觸，并最終起到滅火的作用?？墒怯捎诿喉肥范蔚谋砻嫱泻芏嚯s質(zhì)，因此泡沫滅火劑往往難以保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

2)挖除火源法。挖除火源法在滅火方法中是最為直接的一種。將已經(jīng)燃燒的矸石和尚未燃燒的矸石區(qū)分開(kāi)，在已燃燒的矸石可燃物用盡之后火自然就會(huì)熄滅?？墒沁@種滅火方法無(wú)法應(yīng)用于規(guī)模較大的火情，而且由于危險(xiǎn)程度較高因此在實(shí)際情況中幾乎不會(huì)應(yīng)用。

3)覆蓋法。覆蓋法是在煤矸石路段表面上覆蓋可以隔絕空氣的泥土等不可燃物。覆蓋滅火最主要的就是要將土類物質(zhì)盡可能的壓實(shí)，除此之外在使用土類物質(zhì)覆蓋煤矸石路段之前應(yīng)當(dāng)先將矸石中已經(jīng)積蓄的熱量釋放，這種方法往往被應(yīng)用于矸石自燃的預(yù)防工作之中。

4)注水法。這種方法具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)?？墒撬畬?duì)于煤矸石而言是一種有利有弊的物質(zhì)。足量的水可以在煤矸石表面形成一層保護(hù)膜，從而隔絕氧氣?？墒?，水的蒸發(fā)過(guò)程可以吸收熱量，這就導(dǎo)致煤矸石路段的溫度下降，由于黃鐵礦的氧化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，因此在低溫條件下更容易發(fā)生，因此水的蒸發(fā)過(guò)程也會(huì)對(duì)矸石氧化起到催化作用。而且，注水通道也會(huì)將一定量的氧氣攜帶到煤矸石路段之中。

5)深部注漿法。深部注漿法的基本作用原理是：向滅火材料之中加入水制成具有滅火功能的漿液，而后將得到的滅火漿液輸送到正在自燃的煤矸石路段之中，漿液處于較高溫度的矸石之中，漿液中的水會(huì)快速氣化并帶走大量的熱，這可以在較短的時(shí)間之內(nèi)使處于高溫的矸石溫度恢復(fù)正常；而滅火漿液中的其他固態(tài)成分會(huì)充滿矸石之間的空隙并將矸石表面完全包覆起來(lái)，這可以盡可能的隔絕矸石和氧氣，從而起到治理自燃現(xiàn)象的作用。注漿法是從分離矸石與氧氣以及降低溫度2個(gè)方面共同作用，從而實(shí)現(xiàn)滅火的目的。

為了檢測(cè)該處治措施的效果，我們對(duì)煤矸石路基進(jìn)行了溫度測(cè)量。我們?cè)趫?chǎng)地上選取了2處點(diǎn)位，每處點(diǎn)位用鉆機(jī)鉆2個(gè)孔，孔深10 m，共計(jì)4個(gè)孔。對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行溫度測(cè)量，為了更細(xì)致的觀察溫度隨深度的變化，我們每隔1 m深進(jìn)行一次測(cè)量，得到溫度與深度的關(guān)系，數(shù)據(jù)如表 1 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

矸石之中含有一定量的煤炭是導(dǎo)致煤矸石產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的主要原因，而且煤炭是煤矸石中可燃物的主體。矸石之中含有含量較多的含硫化合物，其主要以黃鐵礦的形式存在。這些黃鐵礦在常溫條件下在氧化過(guò)程之中所散發(fā)出的熱量經(jīng)過(guò)囤積，產(chǎn)生了足以引燃煤矸石中可燃物的熱量，這從很大程度上提高了煤矸石出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的可能性。

[1] 孫 鍇,彭 立,杜勇立，等.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降與應(yīng)力分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比研究[J].公路工程,2014(1):83-87.

[2] 李彩惠,張亞鵬,王海燕，等.煤矸石混合料路面基層施工工藝研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,30(3):54-56.

[3] 杜勇立,黃向京,戚芳方，等.煤矸石作路基材料對(duì)地下水硝酸鹽污染的數(shù)值模擬分析[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,43(3):297-303.

Fire-extinguishing treatment of special highway subgrade-coal gangue section

Hu Jianyong

(Shanxi Yuanfang Highway & Bridge(Group) Co., Ltd, Datong 037011, China)

The paper analyzes the necessary spontaneous combustion conditions of coal gangue. Starting from aspects of demolishing coal pyrite of coal gangue and providing with oxygen-free environment, it explores spontaneous combustion preventing measures of coal gangue section, and puts forward treatment measures, such as foaming method, excavating fire origin and water-injection method, with a view to reduce spontaneous combustion at coal gangue section.

coal gangue, spontaneous combustion, combustible, coal

1009-6825(2016)12-0123-03

2016-02-19

胡建勇(1978- )，男，工程師

U416.1

A