董紅娟，盧 悅，袁治國(guó)，溫 磊，盧憲路，王晨陽(yáng)，熊青青

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.包鋼勘察測(cè)繪研究院,內(nèi)蒙古 包頭 014000；3.國(guó)能蒙西煤化工股份有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016062)

0 引 言

煤矸石是煤炭開(kāi)采伴生的大量固體廢棄物，占據(jù)煤炭開(kāi)采總量的15%～20%[1-3]。矸石山長(zhǎng)期的露天堆放，極易導(dǎo)致煤矸石中的硫鐵礦氧化放熱，導(dǎo)致矸石山發(fā)生氧化自燃，目前我國(guó)大約有30%堆積的矸石山正在自燃或存在自燃傾向[4-5]。自燃矸石山不斷向空氣中釋放SO2、H2S、CO、CO2等氣體，嚴(yán)重破壞礦區(qū)周邊的大氣環(huán)境，影響周邊居民的身體健康[6-7]。目前多家礦山企業(yè)采用注漿滅火法進(jìn)行矸石山自燃治理，取得了一定效果。但在治理前，對(duì)矸石山內(nèi)部溫度分布情況和火區(qū)范圍分布情況缺乏詳細(xì)判定，導(dǎo)致施工期間注漿孔位置和鉆孔深度缺乏科學(xué)指導(dǎo)，布置注漿孔較為盲目，導(dǎo)致治理后矸石山發(fā)生不同程度的復(fù)燃，使注漿滅火的效果大打折扣。

本文以?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)某矸石山東北角第一臺(tái)階的自燃區(qū)域?yàn)閷?duì)象，采用Fluent模擬軟件，對(duì)煤矸石山內(nèi)部自燃區(qū)域溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并且制定詳細(xì)注漿孔布置方案，提高矸石山注漿滅火的治理效果。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯棋盤(pán)井鎮(zhèn)某矸石山由洗煤廠排矸經(jīng)平地堆積而成，空間上分臺(tái)階呈梯形體狀態(tài)。該矸石山的土方量約400萬(wàn)m3，底部占地面積16.67萬(wàn)m2，平均高差32 m，矸石山頂部面積為11.57萬(wàn)m2，坡面面積16.4萬(wàn)m2，平均坡度36°，最大坡角38°。

該矸石山堆放過(guò)程中受到外界環(huán)境的直接作用，內(nèi)部逐漸出現(xiàn)高溫區(qū)域并且引發(fā)自燃，雖然矸石山表面進(jìn)行了黃土覆蓋，但表面高溫區(qū)超過(guò)100 ℃，植被難以成活，矸石山附近SO2濃度嚴(yán)重超標(biāo)。進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)勘察，矸石山東北角自燃現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)以矸石山的東北角第一臺(tái)階為對(duì)象，進(jìn)行矸石山內(nèi)部溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，具體位置如圖1矸石山三維模型圖所示。

圖1 矸石山三維模型圖Fig.1 3D model of the gangue hill

2 溫度場(chǎng)模型建立

2.1 建立幾何模型

根據(jù)矸石山東北角第一臺(tái)階的實(shí)際情況，建立三維模型如圖2所示，模型總體積為1.14萬(wàn)m3，頂部邊長(zhǎng)15.5 m，面積240.25 m2，底部邊長(zhǎng)36.14 m，面積1 306 m2，高20.79 m，邊坡斜長(zhǎng)33.53 m，傾角38°。

圖2 矸石山東北角第一臺(tái)階幾何模型Fig.2 Geometric model of the first step in the northeast corner of gangue hill

2.2 建立溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

2.2.1 網(wǎng)格劃分

為使Fluent模擬結(jié)果準(zhǔn)確，需保證矸石山網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，在模擬計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，采用六面體網(wǎng)格會(huì)提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確度，網(wǎng)格數(shù)量為285 000。經(jīng)檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量符合模擬要求。

2.2.2 確定關(guān)鍵參數(shù)及邊界條件

矸石山內(nèi)部產(chǎn)生的溫度場(chǎng)的變化處于瞬時(shí)變化狀態(tài)，且矸石山內(nèi)部的孔隙形成良好的空氣滲流通道，因此將煤矸石山的自燃視為多孔介質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程。為簡(jiǎn)化模型，提出3點(diǎn)假設(shè)：

(1)煤矸石密度、熱容等物性為定值，不隨溫度變化，矸石山內(nèi)部氣流速度很小；

(2)忽略風(fēng)流所受重力，以及風(fēng)流在煤矸石山內(nèi)部摩擦產(chǎn)熱對(duì)氧化升溫的影響；

(3)矸石山對(duì)流換熱系數(shù)為常數(shù)，環(huán)境溫度為26 ℃不變，不隨時(shí)間變化而改變。

根據(jù)能量守恒方程，可將矸石山氧化放熱的熱量Q1看作是矸石山向周?chē)諝獾纳崃縌2、矸石山含水的吸熱量Q3和矸石山的吸熱量Q4的總和，其余邊界視為絕熱邊界，無(wú)對(duì)流換熱：

Q1=Q2+Q3+Q4

(1)

矸石山氧化放熱量：

(2)

式(2)中:qs——矸石表面的放熱量，W/m2；

V——為矸石山體積，m3；

n——矸石山孔隙率，%；

D——為矸石的平均粒徑，m。

矸石山向周?chē)諝獾纳崃?

Q2=KA1(t0-tf)

(3)

式(3)中:K——矸石山的對(duì)流給熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A1——矸石山與空氣接觸面的面積，m2；

t0——為矸石山表面的溫度，℃；

tf——環(huán)境溫度，℃。

矸石山含水吸熱量:

(4)

式(4)中:Kw——矸石的含水率，%；

ρw——水的密度，1 000 kg/m3；

C0——煤矸石的比熱容，J/(kg·℃)；

K0——矸石山的松散系數(shù)；

τ——矸石山的平均溫度，℃；

tw——矸石山吸熱過(guò)程中的溫度，℃。

矸石山的吸熱量：

(5)

式(5)中:v——單位體積矸石山上升的溫度，m3·℃；

ρ0——矸石的密度，kg/m3；

由于矸石山中的水分在燃燒階段不會(huì)有持續(xù)的補(bǔ)充，當(dāng)溫度上升至水的燃點(diǎn)，矸石山中原有的水分基本蒸發(fā)，空氣中水分不再凝結(jié)，所以此時(shí)矸石山的含水量很低，Kw為0，即Q3為0，矸石中水分的吸熱量忽略不計(jì)，熱平衡方程最終簡(jiǎn)化為：

(6)

自燃煤矸石山及環(huán)境的物性參數(shù)如表1所示。

表1 自燃矸石山模擬的主要物性參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果分析

利用Fluent軟件，根據(jù)矸石山模型和邊界條件，對(duì)矸石山內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到隨矸石山堆積時(shí)間增加，內(nèi)部溫度場(chǎng)變化的情況。模擬圖為矸石山幾何模型正視圖，剖面位于矸石山幾何模型頂板邊長(zhǎng)7.75 m處，即頂面的中心位置，如圖3所示。

圖3 矸石山堆積不同天數(shù)時(shí)溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution map of gangue hill accumulation for different days

圖4為矸石山內(nèi)部不同高度處，平均溫度隨矸石山堆積時(shí)間的變化，曲線(xiàn)顯示，隨著矸石山的高度增加，矸石山內(nèi)部溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且高溫點(diǎn)出現(xiàn)的高度在矸石山的上半部10.4 m左右，更靠近矸石山的表面。

圖4 矸石山內(nèi)部不同高度處平均溫度隨堆積時(shí)間變化曲線(xiàn)圖Fig.4 The curve diagram of the average temperature at different heights inside the gangue hill with the accumulation time

從圖3(a)可知，在矸石山堆積60 d后，煤矸石處于氧化燃燒初期階段，矸石山邊坡下方出現(xiàn)高溫區(qū)，結(jié)合圖4曲線(xiàn)可知，矸石山內(nèi)部的高溫區(qū)域出現(xiàn)在矸石山的上半部，由此判定矸石山內(nèi)的溫度上升，使矸石山內(nèi)外形成溫差，產(chǎn)生了煙囪效應(yīng)，并且在熱風(fēng)壓的共同作用下，空氣由矸石山底部進(jìn)入，并不斷向上部移動(dòng)，最終從邊坡兩側(cè)流出，故矸石山的邊坡位置的氧氣供應(yīng)充足，是主要的風(fēng)流活動(dòng)區(qū)，矸石自燃的多發(fā)區(qū)域。

從圖3(b)可知，矸石山堆積120 d后，高溫區(qū)域的溫度持續(xù)上升，此時(shí)的矸石正在緩慢氧化，矸石山內(nèi)部的最高溫度達(dá)到356.3 ℃，并且圖中明顯顯示，隨著矸石山內(nèi)部的燃燒升溫，矸石山頂部和坡面表面出現(xiàn)高于環(huán)境溫度的表面高溫區(qū)。

從圖3(c)可知，矸石山堆積180 d時(shí)，矸石山內(nèi)部的溫度局部可達(dá)到438.7 ℃，矸石山表面高溫區(qū)域不斷擴(kuò)大。煤矸石山在持續(xù)堆積210 d時(shí)，如圖3(d)所示，矸石山內(nèi)部高溫區(qū)的矸石全面進(jìn)入燃燒階段，此時(shí)矸石山內(nèi)部的著火點(diǎn)位于垂直于矸石山坡面向下7～10 m，頂面正下方9～11 m的區(qū)域內(nèi)，矸石山表面由坡面頂部沿坡面向下25 m，坡面頂部沿頂面向內(nèi)15 m的范圍內(nèi)均為矸石山的表面高溫區(qū)，矸石山內(nèi)部著火點(diǎn)位置與表面高溫區(qū)范圍如圖5所示。

圖5 矸石山內(nèi)部著火點(diǎn)位置與表面高溫區(qū)范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of the location of the ignition point inside the gangue hill and the scope of the high temperature area on the surface

確定注漿孔的深度主要以著火點(diǎn)深度為依據(jù)，以達(dá)到精準(zhǔn)撲滅著火點(diǎn)的目的。根據(jù)矸石山內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的模擬結(jié)果顯示，著火點(diǎn)位于矸石山頂部垂直向下9～11 m的位置，故將注漿孔的深度設(shè)置為10 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

3.1 注漿區(qū)域概況

矸石山坡面和頂部已覆土，坡面頂部土層50 cm，坡面土層30 cm左右，土質(zhì)為沙土和沙?；旌衔?，土質(zhì)較差，無(wú)養(yǎng)分。由于坡面無(wú)被植物覆蓋，造成水土流失，矸石山的部分表土已經(jīng)燒成黑色，如圖6所示，內(nèi)部自燃現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖6 矸石山治理前現(xiàn)狀Fig.6 Status of gangue hill before treatment

為了解矸石山內(nèi)部溫度及分布規(guī)律，首先利用紅外熱像儀測(cè)得矸石山表面紅外輻射的熱像分布圖，初步定位矸石山表面高溫區(qū)域，再在圈定的高溫區(qū)域的矸石山頂部鉆取勘測(cè)孔進(jìn)行內(nèi)部的溫度測(cè)量[8]?？睖y(cè)孔布置間距為20 m，孔深18 m，采用熱電偶分別對(duì)勘測(cè)孔內(nèi)部距頂面3、6、9、12 m的位置測(cè)溫并記錄，得到矸石山東南角第一臺(tái)階內(nèi)部溫度分布的特征，矸石山內(nèi)部的著火點(diǎn)集中于邊坡下方的矸石山中部，距頂面3 m處的平均溫度為304 ℃，6 m處平均溫度442 ℃，距頂面9 m 的溫度高達(dá)454 ℃，距頂面12 m的平均溫度為412 ℃，勘測(cè)孔內(nèi)部的溫度超過(guò)12 m后開(kāi)始逐漸下降。由測(cè)溫結(jié)果可知，矸石山內(nèi)部的高溫區(qū)域較大，且最高溫度位于垂直于頂面約9 m深的位置，矸石山的表面溫度較高。矸石山現(xiàn)場(chǎng)的自燃區(qū)域溫度分布特點(diǎn)與模擬結(jié)果基本相符，故采用對(duì)于模型模擬結(jié)果為對(duì)象制定的鉆孔方案，進(jìn)行矸石山現(xiàn)場(chǎng)的注漿滅火工作。

3.2 滅火漿液選取與注漿施工關(guān)鍵參數(shù)

注漿滅火技術(shù)的工藝，是將滅火漿液通過(guò)在矸石山上鉆取的注漿孔注入矸石山內(nèi)部孔隙中，形成包裹體，在降低高溫區(qū)域溫度的同時(shí)，阻斷氧氣輸送通道，抑制氧化反應(yīng)，達(dá)到徹底根治矸石山自燃的效果。選取當(dāng)?shù)仉姀S大量廢棄，利用率低下的粉煤灰、水泥等外加劑制備注漿漿液，漿液具有內(nèi)聚粘結(jié)力強(qiáng)、包裹力強(qiáng)、結(jié)實(shí)率高等特點(diǎn)。在進(jìn)入矸石山內(nèi)部著火點(diǎn)后可以有效包裹煤矸石，封堵漏風(fēng)通道，迅速降低著火點(diǎn)溫度，并且凝固后的漿液固化體性能夠達(dá)到滅火要求[9]。綜合考慮漿液的化學(xué)穩(wěn)定性、流動(dòng)性和保水性等性能，確定注漿孔徑108 mm，每孔平均注漿量40 m3，注漿壓強(qiáng)2.5 MPa，滅火漿液的擴(kuò)散半徑2 m，在矸石山頂部梅花形布置4排注漿孔，排間距3 m，孔深10 m(圖7～8)，保證各鉆孔之間的注漿漿液可以相互連接，達(dá)到有效充填矸石間的空隙，充分包裹自燃矸石的目的[10]。

圖8 注漿孔深度布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of grouting hole depth layout

3.3 注漿效果檢驗(yàn)

矸石山注漿作業(yè)完成后，利用熱電偶測(cè)溫裝置測(cè)量勘測(cè)孔內(nèi)溫度參數(shù)，以監(jiān)測(cè)注漿治理效果[11]。對(duì)于溫度復(fù)測(cè)結(jié)果高于80 ℃的注漿孔進(jìn)行多次注漿處理和溫度復(fù)測(cè)，直至測(cè)溫孔內(nèi)溫度小于80 ℃，視為注漿治理取得成效。

在自燃矸石山注漿治理1年后，檢驗(yàn)注漿滅火方案的治理效果，通過(guò)在矸石山表面和勘測(cè)孔內(nèi)溫度測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，表2為隨機(jī)抽取的注漿孔的測(cè)溫結(jié)果。

表2 矸石山注漿治理前后溫度監(jiān)測(cè)記錄

測(cè)溫結(jié)果顯示，矸石山表面溫度接近于正常地表溫度，內(nèi)部最低溫為21 ℃，最高為54 ℃，所有測(cè)溫孔內(nèi)溫度都小于規(guī)范要求的不高于80 ℃的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)的煙塵和刺激性氣味大大減小，矸石山的自燃治理取得了較好的效果。

4 結(jié) 論

(1)利用Fluent軟件對(duì)矸石山東北角第一臺(tái)階溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示高溫區(qū)域位于矸石山邊坡下方，著火點(diǎn)位于垂直于坡面以下7～10 m處，溫度為438.7 ℃；坡面頂部沿坡面向下25 m，坡面頂部沿頂面向內(nèi)15 m的范圍，均為矸石山模型的表面高溫區(qū)域。

(2)對(duì)自燃矸石山溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果進(jìn)行注漿滅火的鉆孔布置，在矸石山頂部梅花形布置4排注漿孔，排間距3 m，孔深10 m。矸石山東北角第一臺(tái)階現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫結(jié)果與Fluent軟件模擬結(jié)果相吻合，并采取模擬鉆孔方案對(duì)矸石山進(jìn)行注漿鉆孔治理，取得良好的治理成果。

(3)準(zhǔn)確測(cè)定自燃矸石山內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)矸石山內(nèi)部高溫區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確判定并制定鉆孔布置方案，可以有效避免盲目注漿造成的危害，對(duì)提高鉆孔注漿滅火工作的效率和治理效果具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。