隧道棄碴場(chǎng)煤矸石自燃整治和預(yù)防技術(shù)

賀國(guó)龍

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 611730）

0 引言

煤矸石自燃是一個(gè)較為普遍的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大約有三分之一的矸石山發(fā)生過(guò)自燃，放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和氮氧化物等有害氣體并伴有大量煙塵，對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。煤矸石的自燃取決于兩個(gè)因素：內(nèi)因是煤矸石中存在硫鐵礦及碳質(zhì)可燃物，外因是煤矸石的堆積方式為其自燃提供通風(fēng)供氧條件。由此可見，預(yù)防煤矸石自燃也應(yīng)針對(duì)性的采取措施：一是減少硫鐵礦及碳質(zhì)可燃物，二是隔絕空氣的流通。怎么能保證棄碴場(chǎng)煤矸石自燃整治快速、有效，在如何選擇合理的處理措施，控制棄碴場(chǎng)煤矸石自燃和預(yù)防棄碴場(chǎng)煤矸石自燃等進(jìn)行介紹。

1 工程概況

屯坡隧道長(zhǎng)2322m，最大埋深140m。隧道位于貴州省玉屏縣新店鄉(xiāng)境內(nèi)，隧區(qū)位于構(gòu)造剝蝕低山地貌，測(cè)區(qū)地形波狀起伏，相對(duì)高差約20～150m。測(cè)區(qū)溝槽覆蓋第四系坡洪積（Q4dl+pl）粉質(zhì)黏土、碎石土，厚0～2m，緩坡上多為薄層坡殘積（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土及角礫土所覆蓋，厚0～6m，基巖部分裸露，為寒武系下統(tǒng)杷榔組（∈1p）炭質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（∈1n）炭質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～10m，局部夾含有有害氣體。牛蹄塘組（∈1n）炭質(zhì)頁(yè)巖含C、H、S、Fe等成分，成煤品質(zhì)極差。隧道巖性為炭質(zhì)頁(yè)巖，隧道進(jìn)出口及洞身多見開采煤矸石。

2 隧道棄碴場(chǎng)煤矸石自燃原因分析

2.1 煤田地質(zhì)局對(duì)煤矸石進(jìn)行化驗(yàn)分析

2.1.1 礦物成分

煤矸石的礦物成分和化學(xué)成分較為復(fù)雜，但是能夠構(gòu)成可燃物的，主要有C、H、S等組成物質(zhì)，其中硫鐵礦的燃點(diǎn)低、耗氧量小、氧化放熱量大，是煤矸石的主要引燃物。

2.1.2 化學(xué)成分工業(yè)分析（見表1）

表1 化學(xué)成分工業(yè)分析

煤的自燃傾向性是煤常溫下氧化能力的內(nèi)在屬性，反應(yīng)了煤的變質(zhì)程度、水分、灰分、含硫量、粒度、孔隙度、導(dǎo)熱性，是煤的一種自燃屬性。

煤自燃傾向性等級(jí)分為三類：Ⅰ類容易自燃、Ⅱ類自燃和Ⅲ類不易自燃。以每克干煤在常溫（30℃）、常壓（10.133×105Pa）下吸氧量作為分類的主要指標(biāo)。

表2 煤樣干燥無(wú)灰基揮發(fā)分 daf≤18%時(shí)自燃傾向性分類

根據(jù)《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》，參照煤樣干燥無(wú)灰基揮發(fā)分daf≤18%時(shí)自燃傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)，煤矸石煤的自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ類，屬不易自燃。但全硫含量（t）達(dá)到自燃傾向性條件之一，不排除硫鐵礦引起自燃。

2.2 棄碴場(chǎng)煤矸石自燃原因分析

隧道穿越地層為寒武系下統(tǒng)杷榔組（∈1p）、牛蹄塘組（∈1n）炭質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖，炭質(zhì)頁(yè)巖含C、H、S、Fe等成分，成煤品質(zhì)極差，部分屬煤矸石。經(jīng)對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，硫含量為2.43%，炭質(zhì)頁(yè)巖中含一定的硫化鐵，由于棄碴的堆積方式提供了供氧通風(fēng)條件，在降雨雨水下滲的促進(jìn)作用下，硫化鐵經(jīng)微生物的催化作用率先發(fā)生氧化反應(yīng)，并釋放巨大熱量，這是煤矸石自燃的內(nèi)因。硫鐵礦氧化在釋放大量熱量的同時(shí)，生成大量的二氧化硫（供氧不足時(shí)生成硫磺），這是煤矸石自燃有刺鼻氣味或臭雞蛋味（硫化氫）和析出黃褐色固體硫磺的原因。當(dāng)煤矸石碴場(chǎng)內(nèi)部溫度達(dá)到300℃，即達(dá)到煤的燃點(diǎn)，引燃可燃物，造成煤矸石大面積長(zhǎng)期穩(wěn)定的燃燒。

3 隧道棄碴場(chǎng)煤矸石自燃整治技術(shù)

3.1 整治總體方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和以往煤矸石自燃的整治經(jīng)驗(yàn)，煤矸石自燃整治總體思路，對(duì)已經(jīng)堆放自燃現(xiàn)象嚴(yán)重、出現(xiàn)明火的部位進(jìn)行翻挖，采用鉆孔安裝鋼花管灌注水泥漿至堆砌煤矸石內(nèi)部，隔絕煤矸石與氧氣的接觸，從而達(dá)到滅火和防火的目的。后期煤矸石棄碴采取棄碴堆放降低煤矸石堆填的高度，采取分層堆積（并壓實(shí)）的方式堆積。堆填方式的改變，采取“從下向上、縮小凌空、分層壓實(shí)、周邊覆蓋”的措施達(dá)到防火的目的。

3.2 棄碴場(chǎng)煤矸石自燃整治關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 已發(fā)生自燃煤矸石棄碴場(chǎng)處理措施

對(duì)已經(jīng)發(fā)生自燃的煤矸石采用翻挖、鉆孔灌注水泥漿至堆砌煤矸石內(nèi)部，隔絕煤矸石與氧氣的接觸，從而達(dá)到滅火的目的。

3.2.2 未發(fā)生自燃煤矸石棄碴場(chǎng)防范措施

盡量減少煤矸石中可燃物的含量。對(duì)于碳質(zhì)頁(yè)巖棄碴場(chǎng)而言，因其可燃物分選性差，減少其中的可燃物含量較難控制；

降低煤矸石堆填的高度。煤矸石的堆填高度低于臨界高度則不會(huì)發(fā)生自燃；如果采取分層堆積（并壓實(shí)）的方式堆積，每層煤矸石的厚度不要超過(guò)其臨界高度（5m）。

減少煤矸石的活化性能，降低煤矸石的臨界溫度，采取阻燃劑可以達(dá)到此目的。

堆填方式的改變。傳統(tǒng)的排矸方式一般是先將煤矸石拉到煤矸石山頂部，然后傾倒并使其自然滾落；但堆填方法利于煤矸石自燃，應(yīng)予以廢棄。采取“從下向上、縮小凌空、分層壓實(shí)、周邊覆蓋”的措施。從下向上，一層層堆置煤矸石，這樣可以使煤矸石得到一定程度的壓實(shí)，減少空隙率，也可以減少煤矸石在斜坡上露面，即“縮小凌空”之意。因?yàn)樾逼虏灰讐簩?shí)，煤矸石間空隙率大，供氧條件好，自燃最易發(fā)生在這里。因此減少煤矸石在斜坡暴露面就減少了煤矸石自燃的可能性。等到一層煤矸石堆填完成后，再將周邊及頂部覆蓋殘積土壓密隔氧后，再進(jìn)行下一次的煤矸石堆填，到整個(gè)煤矸石堆積完成，形成一個(gè)封閉良好、表面覆土的整體[1-5]。

對(duì)煤矸石進(jìn)行地表封閉。采取封層壓實(shí)法或溝帶法形成封閉的煤矸石山。

盡量防止水浸入煤矸石山，減少煤矸石間的空隙，使煤矸石對(duì)氧的滲透接觸率降到最低限度。

3.2.3 棄碴場(chǎng)已發(fā)生自燃煤矸石處理措施

已發(fā)生自燃的煤矸石采用翻挖熄滅、深層注漿措施。對(duì)已經(jīng)燃燒的煤矸石采用翻挖熄滅，如果不進(jìn)行翻挖熄滅煤矸石內(nèi)部溫度高達(dá)500℃，注漿會(huì)瞬間凝固失去作用，未自燃的煤矸石不需要翻挖。翻挖熄滅后采用鉆孔注漿，未自燃的煤矸石鉆孔間距為3m×3m，自燃后翻挖的煤矸石鉆孔間距為4m×4m，孔位呈梅花形布置，鉆孔深度15.5m～21m。注漿管直徑采用直徑108mm（壁厚3.5mm）的鋼管，每隔15cm在鋼管上鉆直徑10mm的注漿孔，梅花形布置，注漿比例=水：水泥（650∶1051），注漿壓力0.5～0.6MPa。

3.2.4 棄碴場(chǎng)后期煤矸石棄碴防范處理措施

（1）降低煤矸石堆填的高度。采取分層堆積（并壓實(shí)）的方式堆積，每層堆碴厚1.5m，采用0.5m粘土層覆蓋隔開并均碾壓密實(shí)；碴場(chǎng)坡面、平臺(tái)及頂面采用2m厚粘土層覆蓋，并碾壓密實(shí)。

（2）堆填方式的改變。采取“從下向上，縮小凌空，分層壓實(shí)，周邊覆蓋”的措施。從下向上，一層層堆置煤矸石。等到一層煤矸石堆填完成后，再將周邊及頂部覆蓋殘積土壓密隔氧后，再進(jìn)行下一次的煤矸石堆填，到整個(gè)煤矸石堆積完成，形成一個(gè)封閉良好、表面覆土的整體。

（3）做好棄渣場(chǎng)周邊截排水系統(tǒng)，并對(duì)煤矸石渣場(chǎng)表面采取粘土覆蓋，壓實(shí)封閉。最大限度防止空氣和水浸入煤矸石渣場(chǎng)，使煤矸石對(duì)氧的滲透接觸率降到最低限度。

（4）棄碴前，對(duì)碴場(chǎng)內(nèi)地表浮土進(jìn)行清除，待棄碴完成后棄碴表面進(jìn)行播草籽綠化。

（5）為避免坡面水流對(duì)碴頂面過(guò)度沖刷和積水，在碴場(chǎng)頂部修建“井”字型匯水溝，并進(jìn)行借土回填，分層碾壓。

（6）棄碴場(chǎng)自燃的根治措施主要結(jié)合當(dāng)?shù)孛喉肥瘡S礦對(duì)煤矸石進(jìn)行利用回收，廢物利用，以達(dá)到煤矸石堆積體自燃的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，同時(shí)為減少棄碴占地。

3.2.5 棄碴場(chǎng)自燃整治情況及效果照片

屯坡隧道碴場(chǎng)通過(guò)以上的綜合處理，均已解決了自燃問(wèn)題，處理情況良好，效果見圖1。

圖1 棄碴場(chǎng)整治效果

4 結(jié)束語(yǔ)

由于當(dāng)前不當(dāng)?shù)臈壊攴绞教峁┝嗣喉肥匀妓仨毜难鯕饧捌淅m(xù)溫條件，殘留的煤成分及其他可燃物質(zhì)，在自然氧化過(guò)程中續(xù)集熱量，并最終持續(xù)燃燒。本文通過(guò)總結(jié)滬昆鐵路屯坡隧道棄碴場(chǎng)煤矸石自燃成因機(jī)制及其防治技術(shù)成果，提出綜合防治工藝。

屯坡隧道碴場(chǎng)煤矸石自燃通過(guò)采用注漿及翻挖，后續(xù)棄碴采用“從下向上、縮小凌空、分層壓實(shí)、粘土隔離、周邊覆蓋”的方式綜合治理，已解決了棄碴場(chǎng)煤矸石自燃問(wèn)題，再?zèng)]有發(fā)生自燃現(xiàn)象，處理情況良好。

為了提高治理煤矸石自燃防治的主動(dòng)性，首先應(yīng)重視煤矸石的堆放處置方式和預(yù)處理，以防為主。其次，加強(qiáng)煤矸石自燃機(jī)理、防治技術(shù)的研究，以減少自燃危害。從環(huán)保的角度出發(fā)，則應(yīng)加強(qiáng)煤矸石綜合利用技術(shù)研究。廢物利用以達(dá)到煤矸石堆積體自燃的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，這也是治理煤矸石自燃的根本之道。

在具體的煤矸石自燃的防治工程中，根據(jù)矸石山自燃的特性，我們必須按照實(shí)際情況，選擇合適的防治技術(shù)。從降溫、隔絕氧氣以及減少可燃物成分出發(fā)，綜合的進(jìn)行防治工程實(shí)施。多領(lǐng)域拓展煤矸石自燃防治技術(shù)與理論研究的方法與思維，不斷加快煤矸石自燃防治技術(shù)與理論的研究進(jìn)展，加快煤矸石的資源化，科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、有效的治理煤矸石自燃現(xiàn)象。