CN103410140B - 一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法 - Google Patents

Abstract

一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，属于矿产废弃物的治理及生态环境恢复领域；采用浅孔帷幕注灌，预设定的专用注浆管(4)规则植入煤矸石流坡的坡体中并注浆后，以钢丝绳(9)将注浆管(4)的地表节点(5)进行网状连接；能形成并起到钢骨排桩及格网联排桩效应，并能起到固结注浆或帷幕注浆效应，有效阻断煤矸石流坡的坡体中的空气、水的流动，消除“烟囱效应”，收到水分蒸发优先降温灭火，帷幕固结阻气防火，兼顾防止顺向滑坡的效果，并为后期表层喷射注浆封堵、客土植被恢复奠定基础；可实施性强、易于操作，能保障从根本上并较快的实现煤矸石流坡的生态环境综合治理，造福于人类和社会。

Description

一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法

技术领域

本发明属于矿产废弃物的治理及生态环境恢复领域，涉及一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法。

背景技术

我国煤炭井工采掘所产生的煤矸石的排放，大体有两种方式，大多数采取皮带输送机沿堆积角递增延伸输送的方式排放，形成锥状岩屑堆矸石山(以下简称矸石山)，部分地处山区的企业采用车辆运输将煤矸石顺着自然山体边坡翻倒进山沟，填满沟谷形成典型的石流坡地貌形态(以下简称煤矸石流坡)，其很多基本特征、特性类同锥状矸石山，其堆积结果形成休止角约36度的叠加边坡，具有最大的侧翼面积，其堆积特性与岩屑堆相似，节理与边坡方向一致；滚落筛选作用形成坡上部及表面以细颗粒为主，坡中部以粗颗粒为主，坡下部以大块砾石为主，空隙度下大上小，底部透气性好，利于水和空气流动，中上部能透水，但透气性差，易积蓄热量；由于翻倒的间歇性和矸石表面易风化的原因，又具有细颗粒(乃至粉状)层、粗颗粒层及结皮层叠加的分层结构，而层间孔隙度沿各个层面自下而上逐渐降低，因此，煤矸石流坡的剖面呈现粗、细颗粒交替的层状结构，粗颗粒层孔隙度大利于水和空气流动，细颗粒层能透水、抗剪切能力弱，失稳隐患很大，各层面利于渗水、持水是滑坡的危险面，而水的流动有助于降低层面阻力，因此，遇坡底脚开挖或持续降雨容易产生滑坡，存在极大的顺向滑坡危险性。对于煤矸石流坡而言，由于含碳的煤矸石一般具有800～1500卡/克的发热量，因此在诱发因素作用下，易于氧化增温产生热量聚集点，长期蓄热不断增温，温升达着火点即自燃，而细颗粒的流失暴露出来的孔隙可以在任何热量聚集点上、下开出“天窗”或“风门”，在其层状结构中形成上、下贯通的供氧通道，产生“烟囱效应”，成为燃烧的充分条件，这与矸石山自燃，并且大部分发火点或自燃较严重的部位均在矸石山的中上部的现象相吻合，并且多数煤矸石流坡的发火点距坡表面2.5～3.5m深左右，此外，煤矸石流坡与锥状矸石山一样，同样存在严重的视觉污染、扬尘污染、有害气体污染及有害水污染。

目前，通常借用水利工程技术增强边坡稳定性以防止滑坡，采用栏矸坝与格构加固技术治理煤矸石流坡。其结果，一是造价高，二是格构加固会增加煤矸石流坡的叠加边坡的渗水性、通风性，为煤矸石自燃及后续植被恢复治理埋下隐患。不能兼顾防止自燃，就不可能从根本、长远上解决易滑坡问题及污染问题，而且一旦发生自燃，其后果是将损毁格构加固结构，造成边坡不稳而前功尽弃。

深孔注浆灭火技术是目前国内公认最为安全有效的矸石山灭火技术，但只是简单移植地质工程技术，其实施方法及指标要求均存在明显不足，如，需要修筑钻机平台，垂直钻孔注浆，局限性大，范围有限，钻孔深度大从十几米乃至几十米，注浆管内径小(25mm)、排浆孔数少(2～30个)，注浆压力高达数兆帕，注浆速度慢、流量小(2m³/小时)，钻孔机配套柱塞泵的高压与灭火非正相关，灭火效率低，实施难度大，且成本高，因此不完全适用于煤矸石流坡不稳定、易自燃的综合治理。

发明内容

解决的技术问题：

以防治煤矸石流坡自燃为首要目标，兼顾防治其顺向滑坡；从自燃起因的源头入手，改进深孔注浆灭火技术，并与水利建设中的坝基、边坡稳固的固结注浆、帷幕注浆技术相结合；通过浅孔帷幕注浆，构筑灭火、抗滑封堵墙，改变潜在滑动带的煤矸石岩屑的结构性质，封堵间隙，阻断水、空气在层间的流动，能兼收灭火、防滑坡双重效果；能克服现有技术中存在的不足，并能降低治理成本，提高治理效率，同时为后期表层封堵和客土植被奠定基础。整体方案易于操作实施，行之有效。

采用的技术方案：

一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，包括如下步骤：

第一，首先对煤矸石流坡进行现场勘查，一要了解其地形地貌及坡体结构状况，特别是其表层颗粒的分布及物化性质，二要明确其所处状态，三要掌握其温度及燃烧区分布情况；

第二，依据现场勘查制定具体的施工技术方案及作业计划，主要内容包括浅孔帷幕注浆、后期表层喷射注浆封堵和客土植被恢复，以及相应材料和机具准备；

第三、浅孔帷幕注浆

浅孔帷幕注浆，根据勘查的等温图制定注浆管布设方案，注浆管依等温线水平成排、相邻两排注浆管相间错位布设；在燃烧区范围内注浆管的布设原则为，以燃烧区为中心，向外分布由密渐疏，同排布设间距1.8～2.2m，相邻两排之间布设间距1.5～1.8m；对于燃烧区外围同排及相邻两排布设间距均为2.0～2.5m；依据注浆管布设方案，以专用机械将长度为2.5～3.5m并具有排浆孔的注浆管垂直于坡表面植入煤矸石流坡的坡体中，形成穿插坡面分层结构的成排钢骨桩，各注浆管于坡体表面外留长度为20～30cm的露头——或者称地表节点；注浆管的植入及注浆应本着先燃烧区后其他区的原则进行；对燃烧区内的注浆管内注浆，需依燃烧区中心自下而上、自外向内并左、右交替式进行，各注浆管内注浆应保持连续性，直至注满。注浆原则是下部注浆时，上排注浆管必须保持空管排气状，并且始终保持排气注浆管的数量多于被注浆的注浆管的数量，而燃烧区中心部位的注浆管最后进行注浆，以满足燃烧热造成的大量废气及蒸汽排放的需要，避免发生爆炸；燃烧区以外地区的注浆管注浆需按照自下而上，并且先低(洼)后高(垄)、左右平衡式进行；注浆结束后，用钢丝绳将注浆管的地表节点进行网状连接，使注浆管形成格网联排桩效应；注浆管内注浆后，浆液通过排浆孔排出并渗透至坡体中，浆液固结，起到固结注浆或帷幕注浆效应；

有益效果：

本发明是从以防治煤矸石流坡自燃为首要目标，兼顾防治其顺向滑坡，从自燃起因的源头入手，改进深孔注浆灭火技术，并参照其他领域的相关技术而公开的一套完整的技术方案；试用结果表明，易实施性强，全程易操作，效果好，成本低；浅孔帷幕注浆，预设定的专用注浆管规则植入煤矸石流坡的坡体中，注浆速度快、效率高(可达20m³/时以上)注浆后，用钢丝绳将注浆管的地表节点进行网状连接，从而形成绳网相连、成排钢桩穿插骨架，注浆后环钢骨架固结矸石、强化结构，达到固结注浆效应，钢骨石柱紧密相连达到帷幕注浆效应，能可靠实现稳固边坡、有火灭火、无火防火，灭火与防火兼顾。新技术在灭火、防火优先的前提下兼顾了防止煤矸石流坡顺向滑坡，并为后期表层喷射注浆封堵及客土植被恢复奠定基础，能保障从根本上并较快的实现煤矸石流坡的生态环境综合治理，造福于人类和社会。

附图说明

图1、已植入注浆管4的煤矸石流坡剖面图；

图2、按图1中所示A向局部放大视图；

图3、注浆管4的结构示意图；

图4、按图3中所示B向视图；

具体实施方式

结合附图进一步详加说明；

如图1中所示，煤矸石流坡是煤矸石1被顺着自然山体7的边坡翻倒进山沟而形成的叠加边坡2，滚落筛选作用形成坡上部及表面以细颗粒为主，坡中部以粗颗粒为主，坡下部以大块砾石为主，孔隙度下大上小，底部透气性好，又利于水和空气流动，中上部能透水，但透气性差，易积蓄热量；由于翻倒的间歇性和表面风化的原因，又具有细颗粒(乃至粉状)层、粗颗粒层及结皮层叠加的分层结构，而层间孔隙度沿各个层面3自下而上逐渐降低，因此，煤矸石流坡的剖面呈现粗、细颗粒交替的层状结构，粗颗粒层孔隙度大利于水和空气流动，细颗粒层能透水、抗剪切能力弱，失稳隐患很大，各层面3利于渗水、持水是滑坡的危险面，而水的流动有助于降低层面3所受的滑动阻力，因此，在外因作用下，极易产生顺向滑坡；另方面，由于煤矸石固有一定的发热量，在诱因作用下易于氧化增温产生热量聚集点，长期蓄热不断增温，会发生自燃，并多发生于坡体的中上部，且发火点距坡表面2.5～3.5m深左右，并发“烟囱效应”，这与锥状矸石山类似，并且其所处状况也有如下三类：自燃孕育期、自燃发展期及自燃衰退期。

本发明以防治煤矸石流坡自燃为首要目标，兼顾防治其顺向滑坡；从自燃起因的源头入手，有火灭火、无火防火、灭火与防火兼顾，在灭火、防火优先的前提下兼顾防止煤矸石流坡顺向滑坡，并为后期表面喷射注浆封堵及客土植被恢复奠定基础。

一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，包括如下步骤：

第一，首先对煤矸石流坡进行现场勘查，一要了解其地形地貌及拦矸坝状况，特别是表层颗粒的分布及物化性质，二要明确其所处自燃状况，是孕育期、或者是自燃发展期，或者是自燃衰退期，三要掌握其温度场格局及燃烧区分布情况；

第二，依据现场勘查制定具体的施工技术方案及作业计划，主要包括浅孔帷幕注浆、后期表层喷射注浆封堵和客土植被恢复，以及相应材料及专业机具设备的准备；

第三，浅孔帷幕注浆

根据勘查的等温图制定注浆管4的布设方案，如图1～4所示，注浆管4依等温线8水平成排、相邻两排之间相间布设；燃烧区大多为直径两米以上的范围，并且自燃发火点多在煤矸石流坡的中上部距坡体表面2.5～3.5m深，在燃烧区范围内，注浆管4的布设原则为，以燃烧区中心向外扩散，由密渐疏，同排布设间距1.8～2.2m，相邻两排之间布设间距1.5～1.8m；对于燃烧区外围同排及相邻两排布设间距均为2.0～2.5m；依据注浆管4的布设，以潜孔钻或锤式凿岩机6将长度为2.5～3.5m、主体外径75～100mm且管壁上有排浆孔13、上端具有锥头12的注浆管4垂直于坡表面植入煤矸石流坡的坡体中，形成穿插层面3分层结构的钢骨排桩，各注浆管4于坡体表面外留长度为20～30cm的露头——或者称地表节点5；注浆管4的植入及注浆应本着先燃烧区后其他区的原则进行；对燃烧区内的注浆管4内注浆，需依燃烧区中心自下而上、自外向内并左、右交替式进行，各注浆管4内注浆应连续一次性完成或2～3次短间歇性注满，并且下排注浆管4注浆时，上排注浆管4必须保持空管排气状，并且始终保持排气注浆管4的数量多于被注浆的注浆管4的数量，而燃烧区中心部位处的注浆管4，需待其排气明显减少后再最后进行注浆，以满足大量燃烧废气及注浆水蒸汽排放的需要，避免发生爆炸；对燃烧区以外地区的注浆管4内注浆需按照自下而上，并且先低(洼)后高(垄)、左右平衡式进行；注浆结束后，用钢丝绳9将注浆管4的地表节点5进行网状连接，使注浆管4形成格网联排桩效应；浆液通过排浆孔13排出并渗透至坡体中，固结后能有效阻断煤矸石流坡的坡体中的空气、水的流动，消除“烟囱效应”，收到水分蒸发优先降温灭火、固结帷幕阻气防火，兼顾防止顺向滑坡的效果，并为后期表层喷射注浆封堵、客土植被恢复奠定基础；

浅孔帷幕注浆主要应依照如下几项原则：一是注浆管4的植入及注浆应本着灭火优先，先燃烧区后其他区，二是燃烧区内注浆管4的布设应以燃烧区中心向外扩散由密渐疏，三是燃烧区内的注浆管4注浆自下而上，自外向内并左、右交替式进行，以防爆炸，四是如有二个以上自燃程度不同、上下位置不同的燃烧区，应本着先下后上、先重后轻进行灭火处理；浅孔惟幕注浆是相对于现有技术深孔注浆而言，能有效克服现有技术中存在的不足，便于操作、易实施、效果好、成本低；经各注浆管4注浆后，浆液通过排浆孔13排出并渗透至坡体中，浆液环钢管柱状固结矸石则起到固结注浆效应，相互融合连结在一起则起到惟幕注浆效应，水分蒸发优先降温灭火，固结帷幕兼防火；

所述燃烧区中心，是指燃烧区的核心区，并非仅指一个点；

所述对注浆管4内注浆一是注浆采用大流量、可变压力、可变流量的双泵泥浆喷射机(见ZL200610114767·2公开的技术方案)，二是所注浆液为特制灭火泥浆(见ZL201010617828·3公开的技术方案)；

所述注浆管4为钢制，具体结构为：

具有主体11，其上下端分别同轴线式连接有配套的铆管14和锥头12，在主体11依其轴向，并从其下端口起向上延伸至其总长的2/3～5/6的周壁上，具有规则分布的排浆孔13；

铆管14与主体11连接在一起的结构为，铆管14的下端口的内壁上具有内台肩15，主体11的上端口配套式嵌插在内台肩15上，之后，再将铆管14与主体11于接缝处焊接在一起；

锥头12与主体11连接在一起的结构为，锥头12的底端面上具有外台肩17，锥头12通过外台肩17配套式嵌插在主体11的下端口内，之后，再将锥头12与主体11于接缝处焊接在一起；

铆管14的上端口部位的管壁上具有功能结构体16，用于拴钢丝绳9向外提拔注浆管4用，功能结构体16为功能孔或功能槽；

锥头12的锥面上具有从底端面起依锥面向顶尖延伸并均布的钻刃10(如图4所示)，以利注浆管4在专用机械的作用下植入煤矸石流坡的坡体中；锥头12为合金钢材经机加工而制成；

实施例：

如图3、4所示：

注浆管4总长L₀为2500～3500mm，其中主体11的长L₁为2100～3000mm，锥头12的高度h为80～120mm，铆管14的长L₂为300～400mm；在主体11依其轴向，并从其下端口起向上延伸至其总长的1400～2500mm的周壁上，具有规则分布的排浆孔13；主体11的外径Φ₁为75～100mm，壁厚δ₁为3～5mm，铆管14的外径Φ₂为85～108mm，壁厚δ₂为6～12mm；锥头12的底端面的直径与主体11的外径Φ₁配套；排浆孔13的直径Φ₃为8～12mm，其依主体11的轴向成排、径向分层布设，相邻两排之间的间距为60～80mm，相邻两层之间的间距为80～120mm；

第四、表层喷射注浆封堵及客土植被恢复

经前述施工后，优先实施并收到了有火灭火、无火防火的效果，同时钢骨排桩及格网联排桩的构成兼收到防治煤矸石流坡顺向滑坡之效，还为表层喷射注浆封堵及客土植被恢复奠定了基础，创造了有利条件；对于自燃发展期和自燃结束(衰退)期的煤矸石流坡应在灭火完成后陈放至少一个冬季，待坡体余温下降到合理指标后，在春季实施表层喷射注浆封堵及客土植被恢复，对于自燃孕育期的煤矸石流坡，经前述施工后，即能在实时的适应季节进行表层喷射注浆封堵及客土植被恢复；参照ZL200910081372·0公开的技术方案进行。

专用术语：

石流坡，是指主要由重力作用和坡面微弱冲刷作用所形成的非地带性地貌形态，又称岩屑堆、岩屑坡，其结构特征是颗粒上细下粗、坡上部多为小的岩屑，坡下部主要是大的岩块；

节理，是指岩石在自然条件下形成的裂纹或裂缝，所述裂纹或裂缝的两侧无明显相对位移，是相对于断层而言的；

格构为水利工程行业专用语，是利用浆砌块石、现浇钢筋混凝土或预制预应力混凝土进行边坡坡面的防护框格，并利用锚杆或锚索加以固定的一种边坡加固技术，其作用原理是将边坡坡体的下滑力或土压力、岩石压力传递给稳定地层或拦矸坝(矸石山的格构通常不用锚杆、锚索)；

注浆技术，是用液压或气压将按设计浓度并能固结的浆液通过特设的注浆钻孔，或植入地质层中的钢管压送进入到既定的岩土层中，填补岩土体中的裂缝或孔隙，旨在改善注浆对象的力学性质，以满足各类工程的需要；

固结注浆是一种改善节理裂纹、裂缝发育或破碎带的岩石的力学性能而进行的加固注浆技术；

帷幕注浆，是向具有类同帷幕式布设的钻孔或植入地质层中的注浆管内，注入顸设计浓度并能固结的浆液，各钻孔或注浆管内注入的浆液排出渗透至地质层中，浆液固结后，固结柱体相互连结在一起，形成一道道类似帷幕式的注浆防渗墙，以截断水流，从而达到防渗堵漏的防渗及防滑坡的注浆技术；本申请中是利用其还有截断空气流动，消除“烟囱效应”，达到水分蒸发优先降温灭火、帷幕固结阻气防火的功能，

拦矸坝，技术源于水利工程在山沟口修建拦石坝的规范，又名“挡矸坝”，为阻止矸石流散，在矸山坡脚修建的一种人工构筑物。

所述“浅孔”(本申请中为深2.5～3.5m)相对于现有技术中的“深孔注浆”(孔深十几米乃至几十米)中的深孔而言。

所述钢管排桩及其效应，是指多组钢管桩有序排列植入，及其产生的矩阵效应；

所述格网联排桩效应，是指上述钢管排桩露头以钢丝绳连接在地表形成格网的结构形式及立体防护效应。

Claims (3)

1.一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，包括如下步骤：

第一，首先对煤矸石流坡进行现场勘查，一要了解其地形地貌及坡体、拦矸坝结构状况，特别是其表层颗粒的分布及物化性质，二要明确其所处状态，三要掌握其温度及燃烧区分布情况；

第二，依据现场勘查制定具体的施工技术方案及作业计划，主要内容包括浅孔帷幕注浆、后期表层喷射注浆封堵和客土植被恢复，以及相应材料和机具准备；

第三、浅孔帷幕注浆

浅孔帷幕注浆，根据勘查的等温图制定注浆管布设方案，注浆管依等温线水平成排、相邻两排之间相间布设；在燃烧区范围内注浆管的布设原则为，以燃烧区为中心，向外扩散，由密渐疏，同排布设间距1.8～2.2m，相邻两排之间布设间距1.5～1.8m；对于燃烧区外围同排及相邻两排布设间距均为2.0～2.5m；依据注浆管布设方案，以专用机械将长度为2.5～3.5m并且有排浆孔的注浆管垂直于坡表面植入煤矸石流坡的坡体中，形成穿插坡面分层结构的成排钢骨桩，各注浆管于坡体表面外留长度为20～30cm的露头——或者称地表节点；注浆管的植入及注浆应本着先燃烧区后其他区的原则进行；对燃烧区内的注浆管内注浆，需依燃烧区中心自下而上、自外向内并左、右交替式进行，各注浆管内注浆应一次性连续完成或2～3次短间歇性注满，注浆原则是下部注浆时，上排注浆管必须保持空管排气状，并且始终保持排气注浆管的数量多于被注浆的注浆管的数量，而燃烧区中心部位的注浆管最后进行注浆，以满足大量燃烧废气及注浆水蒸汽排放的需要，避免发生爆炸；燃烧区以外地区的注浆管注浆需按照自下而上，并且先低(洼)后高(垄)、左右平衡式进行；注浆结束后，用钢丝绳将注浆管的地表节点进行网状连接，使注浆管形成格网联排桩效应；注浆管内注浆后，浆液通过排浆孔排出并渗透至坡体中，浆液固结，起到固结注浆或帷幕注浆效应。

2.根据权利要求1所述的一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，其特征在于：所述将注浆管(4)植入煤矸石流坡的坡体中所用的专用机械为潜孔钻或锤式凿岩机；对注浆管(4)内注浆，采用大流量、可变压力、可变流量的双泵泥浆喷射机，所注浆液为特制灭火泥浆。

3.根据权利要求1或2所述的一种自燃煤矸石流坡灭火、稳固综合治理方法，其特征在于：所述注浆管(4)为钢制，其具体结构为，具有主体(11)，其上下端分别同轴线式连接有配套的铆管(14)和锥头(12)，在主体(11)依其轴向，并从其下端口起向上延伸至其总长的2/3～5/6的周壁上，具有规则分布的排浆孔(13)；

铆管(14)与主体(11)连接在一起的结构为，铆管(14)的下端口的内壁上具有内台肩(15)，主体(11)的上端口配套式嵌插在内台肩(15)上，之后，再将铆管(14)与主体(11)于接缝处焊接在一起；

锥头(12)与主体(11)连接在一起的结构为，锥头(12)的底端面上具有外台肩(17)，锥头(12)通过外台肩(17)配套式嵌插在主体(11)的下端口内，之后，再将锥头(12)与主体(11)于接缝处焊接在一起；

铆管(14)的上端口部位的管壁上具有功能结构体(16)，用于拴钢丝绳(9)向外提拔注浆管(4)用，功能结构体(16)为功能孔和/或功能槽；

锥头(12)的锥面上具有从底端面起依锥面向顶尖延伸并均布的钻刃(10)。