煤和煤矸石自燃治理与工程实例

2003年增刊深矿工程75煤和煤矸石自燃治理与工程实例杜嘉鸿' ,张振山”,王杰,陈兰云‘, 张学文,陈耕野' ,高兴贵( 1.东北大学辽宁沈阳110004 ;2.抚顺石油二厂辽宁抚顺113004 ;3.沈阳建筑工程学院辽宁沈阳110015 ;4.金华职业技术学院浙江金华321017 ;5. 沈阳药科大学辽宁沈阳110015)摘要:论述了煤和煤矸石自燃的地质灾害并针对抚顺某仓库煤矸石地基自燃情况对防治材料及工艺进行了室内外试验将综合技术研究成果应用于该煤矸石地基的灭火工程中达到了预期的效果。关键词煤煤矸石;自燃注浆灌水.中图分类号:TD75*3文献标识码:A文章编号: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 自燃灾害概况尼亚州附近的一一个矿井到20世纪70年代人们再科学家警告1很多产煤国爆发的重大地下火也无法忍受那里的污染不得不放弃这个城镇,直到灾是鲜为人知的全球性灾难”是空气污染的一个今天煤田还在燃烧。重要源头尤其是在亚洲,它们对全球变暖也有重大在印度尼西亚放火烧林以扩大耕地面积导致影响。世界煤火专家说，来自热敏卫星和地面地质地表附近的煤层燃烧进而引发更多森林火灾。结测量的新数据表明,这-问题比环境科学家此前意果,印尼的一些国家公园特别是用以引进猩猩的自识到的要更为严重。全球数以千计的煤田正在遭受然保护区都受到了威胁。大火侵袭扑灭它们并非易事。在印尼工作的美国专家艾尔弗雷德怀特豪斯我国是世界，上产煤最多的国家之一地下火每说[']，印尼的大多数煤层燃烧相对来说比较容易扑年燃烧的煤达2亿t。大火释放的二氧化碳相当于灭因为它们接近地表。通过钻挖燃烧煤层周围的美国所有公路交通工具每年排放的总量，也即等于地层灌注水的办法,已扑灭了100多处煤层燃烧,全球矿物燃烧排放的二氧化碳总量的2% ~ 3%。但他估计现在还有3000处煤层仍在燃烧。地表附近的煤层和堆积的可燃煤矸石有时会自美国采矿工程师加里.科拉伊奇发明了一种扑燃发火,-定比例的日照和氧会导致自燃闪电引起灭煤层起火的高科技方法。他使用-种能灌注在燃的森林大火也可能使地表煤层受热而燃烧。但多数烧煤层周围的抗热薄胶泥(由沙、水泥、灰、水和泡煤层燃烧都源于人类活动，特别是小型煤矿。- -旦沫组成的混合物) ,切断氧气供应。用这种方法已起火可能会持续几十年甚至几个世纪。成功中国煤化I处煤矿大火。美国最有名的煤田起火发生在1962年宾夕法YHCNMHG战国北方干旱地区煤*煤矸石指抚顺露天煤矿剥离石油蒸馏后的油母页岩矸石含有自燃成分俗称煤矸石或废页岩。收稿日期2003 -04 -30作者简介杜嘉鸿(1923-)浙江东阳人东北大学教授矿山建筑专业研究生从事注浆治水、岩土注浆加固理论与实践的科研与教学工作辽宁省沈阳市望湖路19 -3-211 ( 024 )23912514张振山( 1938- )天津人抚顺石油二厂副总工程师、高级工程师土木工程专业,从事科技开发管理工作,进宁省抚顺市河东新区6方块8号楼2- 101号( 0413 )8209903。76探矿工程2003年增刊田自燃现象比较普遍，分布在新疆等7省(区)的就2工程实例有56处,自燃面积达720km2损失煤炭资源在422.1 工程概况亿t以上。抚顺某大型仓库修建于用煤矸石人工回填地基我国抚顺市由于城市建设及厂矿建设的需要,之上分布面积约34万m2最大厚度17.4 m东西许多建筑物修建在煤矸石地基之上。由于地基中煤长2000m南北宽170m。20世纪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匀沉火将地下煤矸石引燃地下火由西向东蔓延,以每年降而开裂危及建筑物及人身安全煤矸石燃烧所释10 ~20 m的速度向前推进80年代初由于相邻地段放出的有害气体还危害人的健康,污染周围环境。开挖基坑煤矸石地基出现临空面,使地下氧气增因而必须采取有效措施进行处理。加加速了地下火的燃烧。因而先后拆除近1000本文针对抚顺某仓库煤矸石地基自燃情况对m?的房屋数座建筑物墙体开裂,严 重影响整个仓防治自燃的材料及工艺进行了试验,对灭火工程中库的安全因此必须进行地下灭火处理。经研究决的有关技术问题进行了探讨应用该防治措施处理定采用地下注浆灌水帷幕阻火灭火处理。地下火势了地基的自燃取得了良好的处理效果。及注浆、灌水平面布置如图1所示。89. 12m[汕库设备库昌|灌浆熄灭区(未注水)润滑汕车园油豢文又X文对微燃已燃烧区佘热注水熄火区(先灌浆)地卜注浆帷幕防线车军个车---注水线路储水池个网门库)2图汇国门库1可江面门军号a微燃区!办公分析宽73m图1地下火势 及防火帷幕、灌水平面图(据高兴贵的《注水治理东山仓库嫡系废页岩燃烧的报告》1996-07-08)2.2注浆灭火现场注浆试验共钻试验孔2个,计划采用不同的注2.2.1注浆试验浆方式高压喷射与静压注浆)以不同压力、不同流.为保证库区的安全考虑地下火燃烧的具体条量进行试验。经挖坑取样检查发现静压注浆的效果件及世界各国的先进经验经过经济技术指标对比,较好。决定首先采用综合注浆处理的方法。为了得到最恰静压注浆参数如下:注浆压力0.1 ~0.5 MPa ,当的注浆参数,首先在室内进行了浆液配比试验和若供中国煤化工4 ~6 MPa浆液流量现场注浆试验。室内试验选用了镁渣、白灰、水玻40 ~IYHC NM H G段长2~4 m ,可根据煤璃、硫酸铝及碳酸氢纳等十多种材料选出了阻化率矸石层的孔隙率来确定孔隙率大的部位分段较长,最高、无污染、价格低廉、材料易得的注浆材料其配否则分段较小。试验表明:当单位长度钻孔的吸浆比如表1所示。量为1.0~1.2 m'/m时效果较好，开挖检查证实,为了取得恰当的注浆参数在库区南部进行了浆液扩散距离达1.0~1.3 m。2003年增刊深矿工程77表1防火注浆材料配比工顺序是钻孔(2m深)->灌水至饱和->灌氯化液防灭火帷幕挡火区缓冲区灭火区- >再钻至6m-→灌YP型泡沫灭火剂- >灌黄泥浆-→水/mL120080000封孔。土/g4002.2.3注浆效果分析配镁渣/g30水泥/g8自1990年10月开工至1991年7月完工构筑水玻璃/g地下阻火帷幕长490 m ,宽3.5 m深度进入原土层.比白灰/g8C0.5 m。通过向地下燃烧区注浆阻火、灭火,降低了硫酸铝/g1.8-2.0碳酸氢钠/g1.4~1.6燃烧速度,重点注浆区(油漆库、润滑油库、油库)胶结率( 10 min )V%≥9≥90150m阻火帷幕约4000m2注浆阻火获得理想效规粘度/s≥2发泡倍数≥8 ;果。pH值≥8≥18泡沫析出 的液格密度(kg* L-1)1. 27≥10 体pH值呈中性2.3 注水灭火温度/隔天常温* 1.28截止至1993年底,由于种种原因,加之废渣供*当时为72 C。应不足灭火资金短缺注浆工程停工几个月后,由于地下火产生高温积聚不散,使复注量不足部分的2.2.2浆液配比根据煤矸石层的松散程度按照注浆试验结果防火帷幕的温度过高,最终地下火突破部分阻火帷幕而重新自燃。至此库区地下火的总燃烧面积已.配制成不同浓度的浆液,见表2[61。达1.8万m2其中自行熄灭约6000 m’。通过钻探表2浆液配比浆液水土水泥镁渣石灰盐酸碳酸硫酸水玻测定燃烧区地下温度达800 C以上地表温度也在.氢钠铝璃60~80 C整个燃烧区气味熏人，室内已无法工作。名称/m3 /kg /kg /kg /kg /kg/kg /kg /kg经厂方研究决定采用注循环水灭火的方案。其示意镁浆1.0500 100 20图见图2。石灰乳浆1.0 500 100 .5(氯化浆1.050中和至注水前在英城河边建成取水沉淀池--座蓄水量40 m' ,简易水泵房一间,铺设取水管线( 0108黄泥浆1.0 250mm)350m,库区内建成储水池一座,储水量400YP1浆1.014- 16YP2浆1. :18 ~20m3在重燃区的2号阀门库内每隔3 m挖渗水沟水泥土浆1.0 250 100(宽0.5m深0.7 m)纵横交错在1号阀门库外挖水泥浆1.100020 ~50环状渗水沟利用高位储水罐注水在燃烧区上游挖施工顺序是:钻孔- >孔口封闭- >注浆(镁浆、石沟渗水阻止地下火向前蔓延渗水沟全长450 m。灰乳浆)- >灌水泥浆或水泥土浆- >封孔。 深孔的施蓄水池400 m3进自然区分流管r X-取水管线φ 108 mn,350m=(+ X-水泵房25 m'七X-取水沉淀池40m28+英城河中国煤化工图2某仓库注水灭火YHCNMHG(据高兴贵的《注水治理东山仓库嫡系废页岩燃烧的报告》,1996 -07 -08 )1994年开始向重新燃区注水,1 年多以后地下之后 于1995 年8月在库区内地下燃烧区的前方修火势明显减弱,1 号、2号阀门库区地下火已经熄灭。建了固定渗水沟总长260 m ,用一次抽水泵直接将78探矿工程2003年增刊河水注入渗水沟渗水沟渗入地下的水有效地控制-定程度时煤的外在水分可由原来的阻化作用转了地下火的蔓延。截至1996年在蕴藏量为13万t变为催化作用,从而促使煤氧化和自燃。因此在防的煤矸石层中2年多-点的时间内注水约35万治煤与煤矸石自燃技术措施的研究和实施过程中,m3 ,灭火面积约1万m2。钻探结果表明燃烧区大必须考虑水源及水量的可靠性3]。部地温恢复正常个别地点温度为50~60 C ,面积注浆灭火和注水灭火各自有各自的优缺点,若约2000 m2钻探证实仅是余热。为巩固灭火成果,将二者的优点结合起来,可获得良好的灭火效果。又复注1年其注水方式为在固定渗水沟内每隔2如将阻化剂与泥浆结合、注浆阻火与注水灭火结合m钻一渗水孔,孔深1.5 ~2 m ,以加快渗水速度。就会大大加快灭火速度、降低工程费用4。所以在截止到现在3个阀门库( 6000 m2 )已6年未见复具有自燃的煤和煤矸石地基的灭火中应因地制宜地燃经测定地温正常。推广注浆灭火法和注水灭火法。预防或消除地下火的方法有多种实际应用时3结语应充分考虑具有自燃趋势的煤矸石和散煤地^下火的在煤矸石地基.上修建建筑物应注意避免将地表成因、分布范围、火势大小、燃烧的发展趋势等。根.火引入地下,避免地下氧气的聚集,防止煤矸石燃据不同情况采用多种技术合理组合综合治理,可烧。有效地、经济地防治地下火。无论采用哪种灭火方应用泥浆灌注法(包括阻化剂)灭火是防治遗法都应先灭周围逐渐缩小燃烧区域5]。煤(包括煤矸石)自燃的有效方法,美国应用这种方法切断氧气供应成功扑灭了美国西部的多处大火。参考文献:而我国早在20世纪50年代就已纳入《煤矿安全规[1] 克莱夫，库克森.科学家警告全球灾难"[ N]英国金融时报2003 -02 -15.程》中多年的研究应用取得了较大的成果。注水灭火法是-种新的、经济有效的、操作简便[2]谭永杰走向21世纪的中国煤田地质勘探业A ]可持续发展与煤炭工业报告文集C]北京煤炭工业出版社,1998. 27 -的防治煤和煤矸石自燃的技术措施[6]。抚顺煤科院科研人员试验表明;煤的外在水分对其自燃的作[3]李增华周世宁.水系灭火剂的研究与发展[ J]中国安全科学学报197 7(2)#7 -50.用具有两重性。当煤的湿度增加到某一程度其表[4] 徐精彩.内因火灾防治技术新取向[ A ]可持续发展与煤炭工面将形成含水液膜,可起到阻止煤和氧接触即起到业报告文集C]北京煤炭工业出版社1998. 91 -94. .隔氧阻化的作用。同时水受热蒸发时能吸热降温,[5]王玉森.采用帷幕注浆进行地下自燃煤层灭火J]探矿工程,2001 (5)7-8.可消耗煤在氧化时产生的热量,因而热量难以聚积,[6]杜嘉鸿等地下建筑注浆工程简明手删[ M ]北京科学出版避免产生升温现象。但当煤的外在水分蒸发减少到社,1998. 89 -91.中国煤化工MYHCNMHG.