煤和煤矸石自燃治理與工程實(shí)例

2003年增刊深礦工程75煤和煤矸石自燃治理與工程實(shí)例杜嘉鴻' ,張振山”,王杰,陳蘭云‘, 張學(xué)文,陳耕野' ,高興貴( 1.東北大學(xué)遼寧沈陽(yáng)110004 ;2.撫順石油二廠(chǎng)遼寧撫順113004 ;3.沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院遼寧沈陽(yáng)110015 ;4.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江金華321017 ;5. 沈陽(yáng)藥科大學(xué)遼寧沈陽(yáng)110015)摘要:論述了煤和煤矸石自燃的地質(zhì)災害并針對撫順某倉庫煤矸石地基自燃情況對防治材料及工藝進(jìn)行了室內外試驗將綜合技術(shù)研究成果應用于該煤矸石地基的滅火工程中達到了預期的效果。關(guān)鍵詞煤煤矸石;自燃注漿灌水.中圖分類(lèi)號:TD75*3文獻標識碼:A文章編號:1000 -3746( 2003 )S1 -0075 -04Engineering Example and the Control of Spontaneous Combustion of Coalfield and Gangue/ DU Jia-hong' , ZHANGZhen-shan2 , WANG Jie' , CHEN Lan-yun' ,ZHANG Xue- wven' , CHEN Geng-ye' , GAO Xing -gui'( 1. Northeastern Universi-ty ,Shenyang Liaoning 1 10004 , China ;2. Fushun the Second Petrochemicol W orks , Fushun Liaoning 113004 , China ;3.Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute , Shenyang Liaoning 110015 , China ;4. Jinhua College of Professionand Technology , Jinhua Zhejiang 321017 , China ; 5. Shenyang Pharmaceutical University , Shenyang Liaoning 110015 ,Abstract : This paper introduce spontaneous combustion calamity of coalfield and gangue. Indoor test and outdoor test weremade on the preventive material and the technology in view of spontaneous combustion of gangue foundation of the ware-house in Fushun. Achievement of indoor test and outdoor test has been adopted in fire extinguishing engineering of thespontaneous combustion of gangue foundation. It is proven successful.Key words : coal ; gangue ; spontaneous combustion ; grouting ; water flooding1煤和煤矸石 自燃災害概況尼亞州附近的一一個(gè)礦井到20世紀70年代人們再科學(xué)家警告1很多產(chǎn)煤國爆發(fā)的重大地下火也無(wú)法忍受那里的污染不得不放棄這個(gè)城鎮,直到災是鮮為人知的全球性災難”是空氣污染的一個(gè)今天煤田還在燃燒。重要源頭尤其是在亞洲,它們對全球變暖也有重大在印度尼西亞放火燒林以擴大耕地面積導致影響。世界煤火專(zhuān)家說(shuō)，來(lái)自熱敏衛星和地面地質(zhì)地表附近的煤層燃燒進(jìn)而引發(fā)更多森林火災。結測量的新數據表明,這-問(wèn)題比環(huán)境科學(xué)家此前意果,印尼的一些國家公園特別是用以引進(jìn)猩猩的自識到的要更為嚴重。全球數以千計的煤田正在遭受然保護區都受到了威脅。大火侵襲撲滅它們并非易事。在印尼工作的美國專(zhuān)家艾爾弗雷德懷特豪斯我國是世界，上產(chǎn)煤最多的國家之一地下火每說(shuō)[']，印尼的大多數煤層燃燒相對來(lái)說(shuō)比較容易撲年燃燒的煤達2億t。大火釋放的二氧化碳相當于滅因為它們接近地表。通過(guò)鉆挖燃燒煤層周?chē)拿绹泄方煌üぞ呙磕昱欧诺目偭?，也即等于地層灌注水的辦法,已撲滅了100多處煤層燃燒,全球礦物燃燒排放的二氧化碳總量的2% ~ 3%。但他估計現在還有3000處煤層仍在燃燒。地表附近的煤層和堆積的可燃煤矸石有時(shí)會(huì )自美國采礦工程師加里.科拉伊奇發(fā)明了一種撲燃發(fā)火,-定比例的日照和氧會(huì )導致自燃閃電引起滅煤層起火的高科技方法。他使用-種能灌注在燃的森林大火也可能使地表煤層受熱而燃燒。但多數燒煤層周?chē)目篃岜∧z泥(由沙、水泥、灰、水和泡煤層燃燒都源于人類(lèi)活動(dòng)，特別是小型煤礦。- -旦沫組成的混合物) ,切斷氧氣供應。用這種方法已起火可能會(huì )持續幾十年甚至幾個(gè)世紀。成功中國煤化I處煤礦大火。美國最有名的煤田起火發(fā)生在1962年賓夕法YHCNMHG戰國北方干旱地區煤*煤矸石指撫順露天煤礦剝離石油蒸餾后的油母頁(yè)巖矸石含有自燃成分俗稱(chēng)煤矸石或廢頁(yè)巖。收稿日期2003 -04 -30作者簡(jiǎn)介杜嘉鴻(1923-)浙江東陽(yáng)人東北大學(xué)教授礦山建筑專(zhuān)業(yè)研究生從事注漿治水、巖土注漿加固理論與實(shí)踐的科研與教學(xué)工作遼寧省沈陽(yáng)市望湖路19 -3-211 ( 024 )23912514張振山( 1938- )天津人撫順石油二廠(chǎng)副總工程師、高級工程師土木工程專(zhuān)業(yè),從事科技開(kāi)發(fā)管理工作,進(jìn)寧省撫順市河東新區6方塊8號樓2- 101號( 0413 )8209903。76探礦工程2003年增刊田自燃現象比較普遍，分布在新疆等7省(區)的就2工程實(shí)例有56處,自燃面積達720km2損失煤炭資源在422.1 工程概況億t以上。撫順某大型倉庫修建于用煤矸石人工回填地基我國撫順市由于城市建設及廠(chǎng)礦建設的需要,之上分布面積約34萬(wàn)m2最大厚度17.4 m東西許多建筑物修建在煤矸石地基之上。由于地基中煤長(cháng)2000m南北寬170m。20世紀50年代末地表矸石的自燃使地面的草木枯死建筑物因不均勻沉火將地下煤矸石引燃地下火由西向東蔓延,以每年降而開(kāi)裂危及建筑物及人身安全煤矸石燃燒所釋10 ~20 m的速度向前推進(jìn)80年代初由于相鄰地段放出的有害氣體還危害人的健康,污染周?chē)h(huán)境。開(kāi)挖基坑煤矸石地基出現臨空面,使地下氧氣增因而必須采取有效措施進(jìn)行處理。加加速了地下火的燃燒。因而先后拆除近1000本文針對撫順某倉庫煤矸石地基自燃情況對m?的房屋數座建筑物墻體開(kāi)裂,嚴 重影響整個(gè)倉防治自燃的材料及工藝進(jìn)行了試驗,對滅火工程中庫的安全因此必須進(jìn)行地下滅火處理。經(jīng)研究決的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討應用該防治措施處理定采用地下注漿灌水帷幕阻火滅火處理。地下火勢了地基的自燃取得了良好的處理效果。及注漿、灌水平面布置如圖1所示。89. 12m[汕庫設備庫昌|灌漿熄滅區(未注水)潤滑汕車(chē)園油豢文又X文對微燃已燃燒區佘熱注水熄火區(先灌漿)地卜注漿帷幕防線(xiàn)車(chē)軍個(gè)車(chē)---注水線(xiàn)路儲水池個(gè)網(wǎng)門(mén)庫)2圖匯國門(mén)庫1可江面門(mén)軍號a微燃區!辦公分析寬73m圖1地下火勢 及防火帷幕、灌水平面圖(據高興貴的《注水治理東山倉庫嫡系廢頁(yè)巖燃燒的報告》1996-07-08)2.2注漿滅火現場(chǎng)注漿試驗共鉆試驗孔2個(gè),計劃采用不同的注2.2.1注漿試驗漿方式高壓噴射與靜壓注漿)以不同壓力、不同流.為保證庫區的安全考慮地下火燃燒的具體條量進(jìn)行試驗。經(jīng)挖坑取樣檢查發(fā)現靜壓注漿的效果件及世界各國的先進(jìn)經(jīng)驗經(jīng)過(guò)經(jīng)濟技術(shù)指標對比,較好。決定首先采用綜合注漿處理的方法。為了得到最恰靜壓注漿參數如下:注漿壓力0.1 ~0.5 MPa ,當的注漿參數,首先在室內進(jìn)行了漿液配比試驗和若供中國煤化工4 ~6 MPa漿液流量現場(chǎng)注漿試驗。室內試驗選用了鎂渣、白灰、水玻40 ~IYHC NM H G段長(cháng)2~4 m ,可根據煤璃、硫酸鋁及碳酸氫納等十多種材料選出了阻化率矸石層的孔隙率來(lái)確定孔隙率大的部位分段較長(cháng),最高、無(wú)污染、價(jià)格低廉、材料易得的注漿材料其配否則分段較小。試驗表明:當單位長(cháng)度鉆孔的吸漿比如表1所示。量為1.0~1.2 m'/m時(shí)效果較好，開(kāi)挖檢查證實(shí),為了取得恰當的注漿參數在庫區南部進(jìn)行了漿液擴散距離達1.0~1.3 m。2003年增刊深礦工程77表1防火注漿材料配比工順序是鉆孔(2m深)->灌水至飽和->灌氯化液防滅火帷幕擋火區緩沖區滅火區- >再鉆至6m-→灌YP型泡沫滅火劑- >灌黃泥漿-→水/mL120080000封孔。土/g4002.2.3注漿效果分析配鎂渣/g30水泥/g8自1990年10月開(kāi)工至1991年7月完工構筑水玻璃/g地下阻火帷幕長(cháng)490 m ,寬3.5 m深度進(jìn)入原土層.比白灰/g8C0.5 m。通過(guò)向地下燃燒區注漿阻火、滅火,降低了硫酸鋁/g1.8-2.0碳酸氫鈉/g1.4~1.6燃燒速度,重點(diǎn)注漿區(油漆庫、潤滑油庫、油庫)膠結率( 10 min )V%≥9≥90150m阻火帷幕約4000m2注漿阻火獲得理想效規粘度/s≥2發(fā)泡倍數≥8 ;果。pH值≥8≥18泡沫析出 的液格密度(kg* L-1)1. 27≥10 體pH值呈中性2.3 注水滅火溫度/隔天常溫* 1.28截止至1993年底,由于種種原因,加之廢渣供*當時(shí)為72 C。應不足滅火資金短缺注漿工程停工幾個(gè)月后,由于地下火產(chǎn)生高溫積聚不散,使復注量不足部分的2.2.2漿液配比根據煤矸石層的松散程度按照注漿試驗結果防火帷幕的溫度過(guò)高,最終地下火突破部分阻火帷幕而重新自燃。至此庫區地下火的總燃燒面積已.配制成不同濃度的漿液,見(jiàn)表2[61。達1.8萬(wàn)m2其中自行熄滅約6000 m’。通過(guò)鉆探表2漿液配比漿液水土水泥鎂渣石灰鹽酸碳酸硫酸水玻測定燃燒區地下溫度達800 C以上地表溫度也在.氫鈉鋁璃60~80 C整個(gè)燃燒區氣味熏人，室內已無(wú)法工作。名稱(chēng)/m3 /kg /kg /kg /kg /kg/kg /kg /kg經(jīng)廠(chǎng)方研究決定采用注循環(huán)水滅火的方案。其示意鎂漿1.0500 100 20圖見(jiàn)圖2。石灰乳漿1.0 500 100 .5(氯化漿1.050中和至注水前在英城河邊建成取水沉淀池--座蓄水量40 m' ,簡(jiǎn)易水泵房一間,鋪設取水管線(xiàn)( 0108黃泥漿1.0 250mm)350m,庫區內建成儲水池一座,儲水量400YP1漿1.014- 16YP2漿1. :18 ~20m3在重燃區的2號閥門(mén)庫內每隔3 m挖滲水溝水泥土漿1.0 250 100(寬0.5m深0.7 m)縱橫交錯在1號閥門(mén)庫外挖水泥漿1.100020 ~50環(huán)狀滲水溝利用高位儲水罐注水在燃燒區上游挖施工順序是:鉆孔- >孔口封閉- >注漿(鎂漿、石溝滲水阻止地下火向前蔓延滲水溝全長(cháng)450 m?；胰闈{)- >灌水泥漿或水泥土漿- >封孔。 深孔的施蓄水池400 m3進(jìn)自然區分流管r X-取水管線(xiàn)φ 108 mn,350m=(+ X-水泵房25 m'七X-取水沉淀池40m28+英城河中國煤化工圖2某倉庫注水滅火YHCNMHG(據高興貴的《注水治理東山倉庫嫡系廢頁(yè)巖燃燒的報告》,1996 -07 -08 )1994年開(kāi)始向重新燃區注水,1 年多以后地下之后 于1995 年8月在庫區內地下燃燒區的前方修火勢明顯減弱,1 號、2號閥門(mén)庫區地下火已經(jīng)熄滅。建了固定滲水溝總長(cháng)260 m ,用一次抽水泵直接將78探礦工程2003年增刊河水注入滲水溝滲水溝滲入地下的水有效地控制-定程度時(shí)煤的外在水分可由原來(lái)的阻化作用轉了地下火的蔓延。截至1996年在蘊藏量為13萬(wàn)t變?yōu)榇呋饔?從而促使煤氧化和自燃。因此在防的煤矸石層中2年多-點(diǎn)的時(shí)間內注水約35萬(wàn)治煤與煤矸石自燃技術(shù)措施的研究和實(shí)施過(guò)程中,m3 ,滅火面積約1萬(wàn)m2。鉆探結果表明燃燒區大必須考慮水源及水量的可靠性3]。部地溫恢復正常個(gè)別地點(diǎn)溫度為50~60 C ,面積注漿滅火和注水滅火各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn),若約2000 m2鉆探證實(shí)僅是余熱。為鞏固滅火成果,將二者的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái),可獲得良好的滅火效果。又復注1年其注水方式為在固定滲水溝內每隔2如將阻化劑與泥漿結合、注漿阻火與注水滅火結合m鉆一滲水孔,孔深1.5 ~2 m ,以加快滲水速度。就會(huì )大大加快滅火速度、降低工程費用4。所以在截止到現在3個(gè)閥門(mén)庫( 6000 m2 )已6年未見(jiàn)復具有自燃的煤和煤矸石地基的滅火中應因地制宜地燃經(jīng)測定地溫正常。推廣注漿滅火法和注水滅火法。預防或消除地下火的方法有多種實(shí)際應用時(shí)3結語(yǔ)應充分考慮具有自燃趨勢的煤矸石和散煤地^下火的在煤矸石地基.上修建建筑物應注意避免將地表成因、分布范圍、火勢大小、燃燒的發(fā)展趨勢等。根.火引入地下,避免地下氧氣的聚集,防止煤矸石燃據不同情況采用多種技術(shù)合理組合綜合治理,可燒。有效地、經(jīng)濟地防治地下火。無(wú)論采用哪種滅火方應用泥漿灌注法(包括阻化劑)滅火是防治遺法都應先滅周?chē)饾u縮小燃燒區域5]。煤(包括煤矸石)自燃的有效方法,美國應用這種方法切斷氧氣供應成功撲滅了美國西部的多處大火。參考文獻:而我國早在20世紀50年代就已納入《煤礦安全規[1] 克萊夫，庫克森.科學(xué)家警告全球災難"[ N]英國金融時(shí)報2003 -02 -15.程》中多年的研究應用取得了較大的成果。注水滅火法是-種新的、經(jīng)濟有效的、操作簡(jiǎn)便[2]譚永杰走向21世紀的中國煤田地質(zhì)勘探業(yè)A ]可持續發(fā)展與煤炭工業(yè)報告文集C]北京煤炭工業(yè)出版社,1998. 27 -的防治煤和煤矸石自燃的技術(shù)措施[6]。撫順煤科院科研人員試驗表明;煤的外在水分對其自燃的作[3]李增華周世寧.水系滅火劑的研究與發(fā)展[ J]中國安全科學(xué)學(xué)報197 7(2)#7 -50.用具有兩重性。當煤的濕度增加到某一程度其表[4] 徐精彩.內因火災防治技術(shù)新取向[ A ]可持續發(fā)展與煤炭工面將形成含水液膜,可起到阻止煤和氧接觸即起到業(yè)報告文集C]北京煤炭工業(yè)出版社1998. 91 -94. .隔氧阻化的作用。同時(shí)水受熱蒸發(fā)時(shí)能吸熱降溫,[5]王玉森.采用帷幕注漿進(jìn)行地下自燃煤層滅火J]探礦工程,2001 (5)7-8.可消耗煤在氧化時(shí)產(chǎn)生的熱量,因而熱量難以聚積,[6]杜嘉鴻等地下建筑注漿工程簡(jiǎn)明手刪[ M ]北京科學(xué)出版避免產(chǎn)生升溫現象。但當煤的外在水分蒸發(fā)減少到社,1998. 89 -91.中國煤化工MYHCNMHG.