矸石山自燃防治的技术

摘 要：煤矸石由于长时间堆积经常发生自燃现象，影响了矿井周边的生态环境及生活环境，更
甚者引起矸石山爆炸事故。结合当前安全、生态及技术发展的需要，提出矸石治理技术进一步发
展的理念: 应把煤矸石山自燃的预防和治理提到一个更高的认识层次，必须从大系统原理出发，
综合考虑安全、资源浪费、环保与节能、生态平衡及经济等因素，必须依靠现代技术手段，形成以
分析·探讨
DOI： 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2014． 12． 056
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我国矸石山自燃防治技术发展趋势
翟小伟1，2 ，赵彦辉1，2
( 1． 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054; 2． 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)
21 世纪后，随着国家对环保、安全问题的重视， 在矸石自 燃、爆 炸 机 理 等 方 面 取 得 了 很 大 的 进 展。 梁军等［8］通过大试样量自燃倾向性实验装置，得出 除了硫铁矿含量影响矸石山自燃以外，孔隙率也是 一个很重要的因素，煤矸石孔隙率与升温速率存在 着一个平衡点（ 或范围） ，使足够的氧气和煤矸石发 生氧化，又有较好的蓄热环境使煤矸石能够升温直 至自燃。李 舒 伶［9］ 等 利 用 宏 观 的 连 续 介 质 研 究 方 法，以多孔介质流体动力学理论为指导，建立了煤矿 矸石山自然发火数学模型，从数学上揭示了矸石山 自燃的动态 演 变 过 程。 盛 耀 彬 等［10］ 利 用 煤 矸 石 山 内部产热、散热平衡方程解算出矸石山自燃深度，用 该方法测算矸石山自燃深度是可行的。段玉龙、余 明高等［11 － 12］通过数值模拟研究表明： 自燃矸石山的 温度从外到内先升高后降低，最高温大约在距矸石 山表面 6 m 附近； 雨水充足且达到一定自燃程度条 件下，煤矸石山与雨水作用会发生物理和化学爆炸。 1． 2 预测预报
“合理堆积、公正评价、超前预防、有效监测和高效治理”为原则的防治技术体系。
关键词：煤矸石; 自燃机理; 预测预报; 预防与治理; 危险性评价
中图分类号：TD75 + 2． 2
文献标志码：B
文章编号：1003 － 496X( 2014) 12 － 0193 － 04
Analysis on Development and Trends of Spontaneous Combustion Prevention and Control Technology for Gangue Dump
ZHAI Xiaowei1，2 ，ZHAO Yanhui1，2 ( 1． School of Energy，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an 710054，China; 2． Key Laboratory of Western
Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education，Xi＇an 710054，China) Abstract: Coal gangue spontaneous combustion occurs frequently due to long time accumulation，which affects ecological environment and living environment around the mines，even causes the gangue dump explosion accident． According to the current need of safety， ecological and technological development，it puts forward the further development concept of gangue governance technology． The prevention and control of spontaneous combustion of coal gangue should be referreBaidu Nhomakorabea to a higher cognition level，it must start from the principle of large system，considering safety，resources waste，environmental protection and energy conservation，ecological balance and economic factors，and rely on modern technology，to form the prevention technology system，which took " reasonable accumulation，fair evaluation，prevention in advance，effective monitoring and efficient governance" as the principle． Key words: coal gangue; spontaneous combustion mechanism; prediction and forecast; prevention and control; hazard evaluation
进入 21 世纪第 1 个 10 年，常规的矸石山治理 技术主要还是以分层压实、注浆、覆盖和挖掘等方法 为主［25］，技术发展的重点是灌注浆液和覆盖的材料 有所不同，例如： 5% 石灰、15% 黏土及 80% 水的阻 化泥浆［26］、以 1 ∶ 2 的 比 例 混 合 的 粉 煤 灰 和 黄 土 泥 浆［27］等。该年代 后 期 也 实 现 了 矸 石 山 自 燃 治 理 技 术的突破，如黄文章等［28］研究了带有吸附基团的高 聚物和表面活性剂组成的聚合物乳液，对煤矸石自 燃具有较好的阻化作用。谢陆海等［29］利用 CO2 灭 火降温与灌浆法相结合对平煤四矿矸石山自燃进行
2000 年前，很少有学者对矸石山自燃预测预报 进行研究，但随着安全预防越来越受重视，监测预报 研究也得到 很 大 的 发 展。 吴 京 杨 等［13］ 研 究 了 煤 矿 矸石山自燃监测预警系统，可以通过对矸石温度的 在线监测从而预测矸石的自燃趋势，判断自燃区域 位置。张继华 等［14］ 研 究 了 矸 石 自 燃 信 息 数 据 的 无 线传输技术，并采用遗传算法对无线传感器网络问 题进行了优 化 设 计。 盛 耀 彬 等［15］ 研 究 采 用 了 红 外 成像设备对矸石山温度进行监测，并建立矸石山表 面与热像的对应关系，采用插值来提取红外热像中 的空间信息。 曾 凡 宇 等［16］ 针 对 西 曲 煤 矿 矸 石 自 燃 的特点，采用红外测温、多参数气体检测和钻孔测温 相结合的综 合 探 测 技 术 进 行 探 测。 高 峰 等［17］ 研 发 了一种基于无线传感网络的矸石山自燃监测系统， 该系统可以实现有线系统无法实施的特殊区域温度 的监测功能。 1． 3 危险性评价
据统计在煤矿开采过程中，煤矸石排放量约占 煤炭产量的 15% ，近年来我国平均年产煤炭约 30 亿 t 以上，则每年排放煤矸石约为 4． 5 亿 t 左右，严 重的影响了矿区生态环境及安全。还有资料显示， 国有重点煤矿堆积矸石山 1 500 多座，其中有 389 座长期自燃［1］，不 仅 产 生 大 量 有 毒 有 害 气 体，而 且 容易频发矸石山坍塌、喷爆及爆炸事故，甚至酿成人 员伤亡［2］。我国的矸石山自燃治理工作主要从 20 世纪 80 年代开始实施，刚开始的研究工作主要集中 在矸石山自燃火区治理工程应用方面，在此基础上 围绕火区治理的需要逐渐拓宽了研究的内容。以时 间为横坐标，分别对矸石山自燃预防控制技术、自燃
1． 1 自燃机理 20 世纪 80 年代是我国矸石山自燃火灾治理的
起步阶段，主要集中于解决实际灭火工程问题，对矸 石山自燃机理的深入研究较少。汾西矿务局李仁杰 等［3］在掌握 了 两 渡 煤 矿 河 溪 沟 矸 石 山 物 理 特 性 参 数基础之上，认为硫铁矿结核体是引起矸石山自燃 的主要因素，水和氧是矸石山自燃的必要条件。
矸石山危险性评价研究始于 20 世纪 80 年代，
但长期以来 发 展 缓 慢。 张 荣 弟 等［18］ 总 结 了 煤 矸 石 山自燃的 4 个特点，并提出采用“等效点源”法推算 煤矸石山自燃的年排污量，该方法优点是反映煤矸 石燃烧排污的实际情况，作为现状评价提供数据较 准确，并参照国外的经验提出一种煤矸石山自然发 火危险度评估分析和发火危险指标值，认为防止煤 矸石山自燃的关键在于科学管理。20 世纪 90 年代 初，刘相国等［19］还从经济方面对矸石山自燃经济损 失进行了评价，认为矸石山自燃带来的经济损失包 括污染环境、运输设备寿命降低、浪费资源、治理费 用、处理社会纠纷 5 个方面，并提出了相应的对策。 近几年，吴海 军 等［20］ 以 白 家 庄 矿 矸 石 山 为 例，建 立 了矸石山自燃危险性评价指标体系，并对该矿矸石 山进行了自燃危险性评价。 1． 4 预防控制技术
我国矸石山自燃火灾预防控制技术始于 20 世 纪 80 年代，并且发展迅速。枣庄矿务局黄贝井煤矿 采用水力冲洗矸石的方法，将矸石中的煤炭和硫化 铁矿石进行回收，从源头上预防了矸石自燃事故的 发生［21］。此外主要的 控 制 技 术 是 使 用 碱 性 浆 液 进 行灭火，例如汾西矿务局李仁杰等［3］采用 1 ∶ 2 的石 灰浆中和法熄灭矸石自燃火区。四川华釜山矿务 局［22］提出了用石灰水和 Na（ OH） 作灭火剂，解决了 向燃烧层自由渗透的问题。
基金项目：陕西省教育厅专项科研计划资助项目（ 12JK0784） ； 国家 自然科学基金资助 项目 （ 51404192 ） ； 国家 自然 科 学 基 金 资 助项目 （ 51404195）
机理、预测预报及危险性评价的发展过程进行总结， 并分析其发展特点以及未来发展趋势。
1 煤矸石自燃火灾防治技术的发展
分析·探讨
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了综合治理。 董 现 锋［30］ 等 将 热 管 深 部 移 热 技 术 应 用到矸石山自燃治理技术中，提出了运用该技术治 理自燃矸石山的工程设计方法，并进行了技术经济 分析及可行性研究，对矸石山灭火热管研制与实验 方案提出了建议。
进入 20 世纪 90 年代，矸石山自燃机理的研究 得到进一步发展。陈海峰等［4 － 5］通过模拟实验得出 氧化升温速率和试样中硫铁矿含量、粒度、堆积氧化 时间等因素有关，认为硫铁矿首先氧化自燃，进一步
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分析·探讨
引起周围煤矸石自燃； 通过程序升温实验和现场工 业实验研究，发现电石渣类浆液均可有效地延缓、抑 制煤矸石 的 氧 化 自 燃。 顾 强［6］ 认 为 矸 石 自 燃 具 有 一般大体积多孔床燃烧的特性，但又不同于其它多 孔床的一些燃烧特点。提出火区治理除必须熄灭明 火外，还必须把自热和自燃区的温度降至某临界温 度下，这个 观 点 和 黄 晓 三 等［7］ 的 比 较 相 同，认 为 熄 灭自燃矸石山的关键是对燃烧区进行降温和隔氧。
到了 20 世纪 90 年代，进一步发展治理方法。 黄晓三等［7］采用以深部注浆法为主，结合表面喷浆 法或挖掘喷浆法等对火区进行了综合治理。翟和 明［23］提出治理矸石自燃重点是控制硫化铁的氧化， 从灭火效果和成本方面综合考虑确定浓度为 10% 的石灰浆对 矸 石 火 区 治 理 较 为 合 理。 刘 守 维［24］ 则 提出应在排矸方式的选择方面就要考虑矸石自燃的 预防，并采用分层排矸、复土压实排矸工艺，成功预 防了阳泉 矿 务 局 二 矿 矸 石 山 的 自 燃，逐 渐 实 现 了 “预防为主”的安全方针。