1概況
沈陽煤業(yè)集團(tuán)紅陽三礦位于紅陽煤田西部，地質(zhì)儲量1.58億t，煤種主要是貧煤、瘦煤和貧瘦煤。紅陽三礦為低瓦斯礦井。礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力150萬t，服務(wù)年限55.6a。礦井排矸量為87萬t/a，以1999年產(chǎn)矸量為110萬t2000年產(chǎn)矸量87萬t的實(shí)際情況，現(xiàn)產(chǎn)矸量大約2 500t/d。2001年的產(chǎn)矸量預(yù)計(jì)為91.25萬t。對原矸石山測定，山類高度62m，面積為79.762m2。如果按垂直高度100m計(jì)算，能存300萬t矸石，實(shí)際還能儲存125萬t，服務(wù)礦井生產(chǎn)能力年限太短，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求，需要另建一座300萬t儲量的矸石山。新建矸石山在原矸石山北側(cè)，在選煤廠手選膠帶排矸倉半中心線以北，傾角41.2°。緊靠原矸石山，占地面積78畝；其南側(cè)為礦區(qū)工礦區(qū)域，另外三側(cè)界面為附近農(nóng)田，地屬平原特征。
2 自燃原因分析
紅陽三礦排矸方式，采用雙向索道排矸，這種工藝排矸形成的煤矸石山為圓錐形。因矸石自上而下自然滾落形成坡度較大，往往可達(dá)到數(shù)十米乃至上百米。因煤矸石的偏析作用，大塊的矸石滾落到矸石山底層，較細(xì)顆粒的矸石則留在矸石山的頂部，中等粒度的煤矸石則分布在矸石山的中部層，形成邊坡安息角為40°左右的斜面。
這種排矸方式暴露面積極大，非常疏松并且斜坡進(jìn)速度慢。所以錐形矸石山空氣滲透性最好，很容易為矸石山的自燃創(chuàng)造必要的條件。因此表層矸石可以在較長的時(shí)間內(nèi)不被新傾斜的矸石掩埋，基一，保持較好的供氧條件，其二、一旦超過矸石自燃臨界滲透風(fēng)速懷臨界溫度，引起矸石的物理化學(xué)反應(yīng)加速自燃。傾倒的薄薄一層矸石正好為添加燃料，形成不斷燃燒的惡性循環(huán)，加地上處常年主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)，四季氣候變化明顯，很容易形成“因囪效應(yīng)”。因此提示我們對排矸方式及堆積方式貫穿施工工藝方案中，重點(diǎn)放在預(yù)防矸石山自燃。
紅陽三礦原矸石山已燃燒多年，目前因生產(chǎn)環(huán)節(jié)不能影響采煤，現(xiàn)仍繼續(xù)排矸，燃燒點(diǎn)主要分布在斜坡部分及頂部卸矸區(qū)。燃燒區(qū)內(nèi)煙霧彌漫，釋放出大量的有毒氣體，嚴(yán)重污染礦區(qū)周圍的大氣環(huán)境，惡化排矸場區(qū)作業(yè)條作，影響生態(tài)景觀。
3 煤矸石山自燃預(yù)防方案的確定原則
矸石山自燃是一種比較特殊的燃燒系統(tǒng)，它的起燃和維持燃燒，火區(qū)的轉(zhuǎn)移同一般滅火有很大差別。在采取措施進(jìn)行預(yù)防自燃時(shí)，不僅需要考慮常規(guī)滅火的一般規(guī)律，還要考慮矸石山的特殊規(guī)律。由于影響矸石山自燃的因素比較多，所以在實(shí)施預(yù)防工程之前，必須先了解矸石山的自燃條件、特征及燃燒的特殊因素，確保預(yù)防工程的可靠性。
3.1 煤矸石自燃的條件
分析煤矸石自燃的條件是為了能有針對性地采取措施進(jìn)行防治。煤矸石山要生自燃，必須具國備4個(gè)條件：①含有能夠在常溫下氧化的物質(zhì)或可燃物即煤矸石具有自燃八傾向性；②有氧氣存在；③有使熱量積聚的環(huán)境；④上述條件應(yīng)維持足夠的時(shí)間以達(dá)到自燃點(diǎn)。其中條件①為煤矸石自燃的內(nèi)部特征，②③為其自燃的外部條件。對于某一確定的煤矸石山（即其組成、含量及分布情況已確定），當(dāng)分析其自燃時(shí)，可著重分析煤矸石山自燃的外部條件。
3.2煤矸石自燃的特征
矸石山是大量顆粒矸石堆積形成的，具有大體積多孔介質(zhì)的特性。由于煤矸石組成比較復(fù)雜，可燃物質(zhì)和惰性物南的分布、粒度大小等不均勻，造成自燃后燃燒強(qiáng)度不均勻，自熱和自燃的不均勻反過來又加強(qiáng)了溫度和空氣流動(dòng)分布的不均勻，而且由于氧氣供應(yīng)不足，具有不完全燃燒的特點(diǎn)。燃燒發(fā)展過程十分緩慢而隱蔽，在自燃的初期階段，一般從內(nèi)部先燃燒，燃燒涉及的矸石數(shù)量很少，燃燒強(qiáng)度不大，釋放熱量很少，自燃區(qū)溫度也不高，處于緩慢引燃狀態(tài)時(shí)間較長。因此，矸石山自燃的早期發(fā)現(xiàn)和自燃區(qū)的準(zhǔn)確定位都很困難。預(yù)防矸石山的自燃是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)工程，從方案設(shè)計(jì)到工程實(shí)施的每一個(gè)環(huán)節(jié)，需十分緊密才能確保施工質(zhì)量。
3.3 煤矸石自燃預(yù)防遵循原則
煤矸石山自燃預(yù)防就是通過某種手段，消除自燃的條件，使煤矸石山自燃的各條件之間不能連續(xù)做出反應(yīng)，達(dá)到阻斷煤矸石自燃的目的。而且煤矸石山的自燃還與矸石山的堆積形式、黃鐵礦的含量、水分 的存在、矸石山的透氣性、氧化時(shí)間等因素有關(guān)。歸納起來，預(yù)防煤矸石山自燃可參遵循以下的原則：
?。?）減少矸石中可燃物的含量。
?。?）減少矸石的活化能，即提高矸石的臨界溫度，采取阻燃劑可以達(dá)到此目的。
?。?）降低矸石山堆積高度。矸石山高度低于臨界高則不會發(fā)生自燃。如采用分層堆積（并壓實(shí)）的方式，每層矸石的層厚亦不要超過其臨界高度（即5m）。
?。?）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原來的40°降至15°。
（5）對矸石山表面進(jìn)行封閉，采用分層壓實(shí)或溝帶法建造全封閉的煤矸石山。
?。?）盡量防止水浸入矸石山、
?。?）建立溫度測試點(diǎn)，以判斷該地段是否有自燃的傾向。
對于紅陽三礦新建的矸石山，上述（1）、（3）、（4）項(xiàng)難以執(zhí)行，主要是由于紅陽三礦的排矸量很大，矸石占地堆積量降低就不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要，從而增加投資費(fèi)用。在確?？茖W(xué)預(yù)防矸石山自燃的同時(shí)也考慮與生產(chǎn)相適應(yīng)的原則。
3.4 預(yù)防矸石山自燃工程方案原則
預(yù)防矸石山自燃是一項(xiàng)長期的戰(zhàn)略任務(wù)，應(yīng)具有一套科學(xué)的施工工藝，同時(shí)為更經(jīng)濟(jì)有效地搞好矸石山自燃預(yù)防與治理工程能擴(kuò)大可供選擇的范圍，滿足技術(shù)的需要。
指導(dǎo)預(yù)防矸石山自燃工程方案的原則：
?。?）方案的合理性。根據(jù)矸石山的特性，并借鑒以往治理矸石山自燃的經(jīng)驗(yàn)，通過對紅陽三礦實(shí)地考察，并與原矸石山自燃的實(shí)際情況相結(jié)合，使矸石中的酸性物質(zhì)溶合成一種堿性環(huán)境，有一定的阻化作用和穩(wěn)定性，減少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
?。?）施工的嚴(yán)密性。由于紅陽三礦新排矸系統(tǒng)座落在原矸石山北側(cè)，距離短，在實(shí)施預(yù)防工程中，要保持正常的生產(chǎn)能力，施工中相互之間的工藝都要求流暢，形成動(dòng)態(tài)的工作方式。
?。?）工程的經(jīng)濟(jì)性。在預(yù)防矸石山自燃工程中，適合科學(xué)實(shí)施方案對于經(jīng)濟(jì)投入合理，選材得當(dāng)，配置合理，效果明顯，因地制宜，降低投資費(fèi)用。
（4）工藝的科學(xué)性。通過檢索國內(nèi)外各種相關(guān)資料，借鑒治理煤矸石山自燃的經(jīng)驗(yàn)，分析研究各頂測試數(shù)據(jù)，引進(jìn)較成功的預(yù)防和治理煤矸石山自燃的技術(shù)，并結(jié)合紅陽三礦矸石山面貌和現(xiàn)狀，制定預(yù)防矸石山自燃施工方案，形成整套較先進(jìn)的工藝流程。
?。?）實(shí)施效果。環(huán)境保護(hù)是我國的一項(xiàng)基本國策，良好的生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本條件，改變矸石山的生態(tài)環(huán)境，有利于生產(chǎn)發(fā)展。抑制煤矸石自燃主要產(chǎn)生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等釋放的有毒有害氣體。
4 新矸石山自燃預(yù)防措施
根據(jù)預(yù)防矸石山自燃遵循原則和預(yù)防矸石山自燃工程方案原則，結(jié)合紅陽三礦的矸石山的預(yù)算和實(shí)地規(guī)劃，并滿足排矸量為300萬t的堆積能力。通過大量的文獻(xiàn)資料及實(shí)驗(yàn)室研究工和，實(shí)事求是，行之有效地綜合性以預(yù)防為主，治理為輔，一種科學(xué)的經(jīng)濟(jì)的預(yù)防矸石的自燃，并在預(yù)防矸石山自燃的工作中，逐漸建立矸山生態(tài)環(huán)境的綜合措施如下。
?。?）將陳舊自燃堆積方式改變成推進(jìn)傾倒矸石平整層，使排矸面保持一定主度，采用黃土覆蓋碾壓工藝。
?。?）建立固定注漿整套設(shè)置，注漿工藝具備施工速度快，機(jī)械化程度高，效果明顯。
（3）矸石山邊超植被生物化，做到逐步還原生態(tài)平衡環(huán)境。
5 新矸石山自燃預(yù)防工程實(shí)施
工程實(shí)施方案：在了解矸石山自然狀態(tài)條件下，首選阻礙矸石山自燃最基本條件，并結(jié)合紅陽三礦的排矸工藝，依操作可行，施工簡單，施工成本控制在最低限度，動(dòng)態(tài)流動(dòng)作業(yè)，滿足排矸要求，實(shí)施矸石山堆積分層，動(dòng)態(tài)流動(dòng)長期作業(yè)方法。矸石邊界平面區(qū)域（寬5m）碾壓為主，邊界區(qū)域注漿，澆灌為輔；矸石山底部三層斜坡黃土覆蓋，振動(dòng)壓實(shí)的綜合性預(yù)防治理目的，隔離“空氣呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反應(yīng)作用。
從儲藏煤矸石倉（20t）的膠帶中心線，用推土機(jī)推出寬10m、深1.5m的抗，用黃土堆積高度6m，兩側(cè)黃土壩為自然堆積（取出部分黃土用于注漿材料）；其后繼續(xù)用推土機(jī)推出寬20m、深1.5m的坑，坑內(nèi)堆積矸石高5.5m，矸石的輸送采取可移動(dòng)伸縮性運(yùn)輸膠帶，然后用推土機(jī)推平，直到矸石山邊界止。并盡可能把矸石兩 側(cè)黃土壩的黃土推入矸石層平面上振動(dòng)碾壓（一般碾壓7遍），矸石山底部一層邊界斜坡30°，采取黃土覆蓋碾壓，矸石外側(cè)邊界為黃土圍墻。應(yīng)盡可能多推出黃土來，以儲存上部幾層矸石層斜坡用黃土。新矸石山施工平面圖如圖1所示；施工剖面圖如圖2所示。
圖1 施工平面圖
1- 黃土圍墻；2-覆蓋300～500mm厚 3-預(yù)埋直徑50mm無縫鋼管（注漿孔口管）
4-同時(shí)注入黃土、生石灰、阻燃劑混合漿液
圖2 施工剖面圖
6 結(jié)論
本方案引進(jìn)其他煤礦的實(shí)施工程碾壓覆蓋法和注漿法相結(jié)合，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合紅陽三礦現(xiàn)場排矸方式實(shí)際，而使方案完整具有更經(jīng)濟(jì)的預(yù)防煤矸石山自燃的方法。這種方法的特點(diǎn)是：底層分隔斷區(qū)域推進(jìn)，可用就地黃土隔離（黃土壩），底三層矸石堆積邊界限區(qū)域平面、斜坡面黃土覆蓋碾壓，后期施工矸石邊界注漿、碾壓工藝綜合處理煤矸石山自燃預(yù)防措施。具有良好機(jī)械作業(yè)配置，施工方法較為靈活，適合動(dòng)態(tài)作業(yè)，根據(jù)原理能解決預(yù)防自燃的目的，并設(shè)立溫度臨界點(diǎn)檢測，預(yù)防矸石山自燃的目標(biāo)，出現(xiàn)問題可以得到及時(shí)處理的靈活性，為防止礦區(qū)大氣環(huán)境污染的有效手段。
?。?）減少矸石中可燃物的含量。
?。?）減少矸石的活化能，即提高矸石的臨界溫度，采取阻燃劑可以達(dá)到此目的。
（3）降低矸石山堆積高度。矸石山高度低于臨界高則不會發(fā)生自燃。如采用分層堆積（并壓實(shí)）的方式，每層矸石的層厚亦不要超過其臨界高度（即5m）。
?。?）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原來的40°降至15°。
?。?）對矸石山表面進(jìn)行封閉，采用分層壓實(shí)或溝帶法建造全封閉的煤矸石山。
?。?）盡量防止水浸入矸石山、
?。?）建立溫度測試點(diǎn)，以判斷該地段是否有自燃的傾向。
對于紅陽三礦新建的矸石山，上述（1）、（3）、（4）項(xiàng)難以執(zhí)行，主要是由于紅陽三礦的排矸量很大，矸石占地堆積量降低就不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要，從而增加投資費(fèi)用。在確?？茖W(xué)預(yù)防矸石山自燃的同時(shí)也考慮與生產(chǎn)相適應(yīng)的原則。
3.4 預(yù)防矸石山自燃工程方案原則
預(yù)防矸石山自燃是一項(xiàng)長期的戰(zhàn)略任務(wù)，應(yīng)具有一套科學(xué)的施工工藝，同時(shí)為更經(jīng)濟(jì)有效地搞好矸石山自燃預(yù)防與治理工程能擴(kuò)大可供選擇的范圍，滿足技術(shù)的需要。
指導(dǎo)預(yù)防矸石
山自燃工程方案的原則：
?。?）方案的合理性。根據(jù)矸石山的特性，并借鑒以往治理矸石山自燃的經(jīng)驗(yàn)，通過對紅陽三礦實(shí)地考察，并與原矸石山自燃的實(shí)際情況相結(jié)合，使矸石中的酸性物質(zhì)溶合成一種堿性環(huán)境，有一定的阻化作用和穩(wěn)定性，減少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
?。?）施工的嚴(yán)密性。由于紅陽三礦新排矸系統(tǒng)座落在原矸石山北側(cè)，距離短，在實(shí)施預(yù)防工程中，要保持正常的生產(chǎn)能力，施工中相互之間的工藝都要求流暢，形成動(dòng)態(tài)的工作方式。
?。?）工程的經(jīng)濟(jì)性。在預(yù)防矸石山自燃工程中，適合科學(xué)實(shí)施方案對于經(jīng)濟(jì)投入合理，選材得當(dāng)，配置合理，效果明顯，因地制宜，降低投資費(fèi)用。
（4）工藝的科學(xué)性。通過檢索國內(nèi)外各種相關(guān)資料，借鑒治理煤矸石山自燃的經(jīng)驗(yàn)，分析研究各頂測試數(shù)據(jù)，引進(jìn)較成功的預(yù)防和治理煤矸石山自燃的技術(shù)，并結(jié)合紅陽三礦矸石山面貌和現(xiàn)狀，制定預(yù)防矸石山自燃施工方案，形成整套較先進(jìn)的工藝流程。
?。?）實(shí)施效果。環(huán)境保護(hù)是我國的一項(xiàng)基本國策，良好的生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本條件，改變矸石山的生態(tài)環(huán)境，有利于生產(chǎn)發(fā)展。抑制煤矸石自燃主要產(chǎn)生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等釋放的有毒有害氣體。
4 新矸石山自燃預(yù)防措施
根據(jù)預(yù)防矸石山自燃遵循原則和預(yù)防矸石山自燃工程方案原則，結(jié)合紅陽三礦的矸石山的預(yù)算和實(shí)地規(guī)劃，并滿足排矸量為300萬t的堆積能力。通過大量的文獻(xiàn)資料及實(shí)驗(yàn)室研究工和，實(shí)事求是，行之有效地綜合性以預(yù)防為主，治理為輔，一種科學(xué)的經(jīng)濟(jì)的預(yù)防矸石的自燃，并在預(yù)防矸石山自燃的工作中，逐漸建立矸山生態(tài)環(huán)境的綜合措施如下。
?。?）將陳舊自燃堆積方式改變成推進(jìn)傾倒矸石平整層，使排矸面保持一定主度，采用黃土覆蓋碾壓工藝。
（2）建立固定注漿整套設(shè)置，注漿工藝具備施工速度快，機(jī)械化程度高，效果明顯。
?。?）矸石山邊超植被生物化，做到逐步還原生態(tài)平衡環(huán)境。
5 新矸石山自燃預(yù)防工程實(shí)施
工程實(shí)施方案：在了解矸石山自然狀態(tài)條件下，首選阻礙矸石山自燃最基本條件，并結(jié)合紅陽三礦的排矸工藝，依操作可行，施工簡單，施工成本控制在最低限度，動(dòng)態(tài)流動(dòng)作業(yè)，滿足排矸要求，實(shí)施矸石山堆積分層，動(dòng)態(tài)流動(dòng)長期作業(yè)方法。矸石邊界平面區(qū)域（寬5m）碾壓為主，邊界區(qū)域注漿，澆灌為輔；矸石山底部三層斜坡黃土覆蓋，振動(dòng)壓實(shí)的綜合性預(yù)防治理目的，隔離“空氣呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反應(yīng)作用。
從儲藏煤矸石倉（20t）的膠帶中心線，用推土機(jī)推出寬10m、深1.5m的抗，用黃土堆積高度6m，兩側(cè)黃土壩為自然堆積（取出部分黃土用于注漿材料）；其后繼續(xù)用推土機(jī)推出寬20m、深1.5m的坑，坑內(nèi)堆積矸石高5.5m，矸石的輸送采取可移動(dòng)伸縮性運(yùn)輸膠帶，然后用推土機(jī)推平，直到矸石山邊界止。并盡可能把矸石兩 側(cè)黃土壩的黃土推入矸石層平面上振動(dòng)碾壓（一般碾壓7遍），矸石山底部一層邊界斜坡30°，采取黃土覆蓋碾壓，矸石外側(cè)邊界為黃土圍墻。應(yīng)盡可能多推出黃土來，以儲存上部幾層矸石層斜坡用黃土。新矸石山施工平面圖如圖1所示；施工剖面圖如圖2所示。
圖1 施工平面圖
1- 黃土圍墻；2-覆蓋300～500mm厚 3-預(yù)埋直徑50mm無縫鋼管（注漿孔口管）
4-同時(shí)注入黃土、生石灰、阻燃劑混合漿液
圖2 施工剖面圖
6 結(jié)論
本方案引進(jìn)
其他煤礦的實(shí)施工程碾壓覆蓋法和注漿法相結(jié)合，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合紅陽三礦現(xiàn)場排矸方式實(shí)際，而使方案完整具有更經(jīng)濟(jì)的預(yù)防煤矸石山自燃的方法。這種方法的特點(diǎn)是：底層分隔斷區(qū)域推進(jìn)，可用就地黃土隔離（黃土壩），底三層矸石堆積邊界限區(qū)域平面、斜坡面黃土覆蓋碾壓，后期施工矸石邊界注漿、碾壓工藝綜合處理煤矸石山自燃預(yù)防措施。具有良好機(jī)械作業(yè)配置，施工方法較為靈活，適合動(dòng)態(tài)作業(yè)，根據(jù)原理能解決預(yù)防自燃的目的，并設(shè)立溫度臨界點(diǎn)檢測，預(yù)防矸石山自燃的目標(biāo)，出現(xiàn)問題可以得到及時(shí)處理的靈活性，為防止礦區(qū)大氣環(huán)境污染的有效手段。
