1概況
沈陽煤業集團紅陽三礦位于紅陽煤田西部，地質儲量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。礦井設計年生產能力150萬t，服務年限55.6a。礦井排矸量為87萬t/a，以1999年產矸量為110萬t2000年產矸量87萬t的實際情況，現產矸量大約2 500t/d。2001年的產矸量預計為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計算，能存300萬t矸石，實際還能儲存125萬t，服務礦井生產能力年限太短，已經不能滿足生產要求，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，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；其南側為礦區工礦區域，另外三側界面為附近農田，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，往往可達到數十米乃至上百米。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造必要的條件。因此表層矸石可以在較長的時間內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速懷臨界溫度，引起矸石的物理化學反應加速自燃。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，加地上處常年主導風向西南風，四季氣候變化明顯，很容易形成“因囪效應”。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，重點放在預防矸石山自燃。
紅陽三礦原矸石山已燃燒多年，目前因生產環節不能影響采煤，現仍繼續排矸，燃燒點主要分布在斜坡部分及頂部卸矸區。燃燒區內煙霧彌漫，釋放出大量的有毒氣體，嚴重污染礦區周圍的大氣環境，惡化排矸場區作業條作，影響生態景觀。
3 煤矸石山自燃預防方案的確定原則
矸石山自燃是一種比較特殊的燃燒系統，它的起燃和維持燃燒，火區的轉移同一般滅火有很大差別。在采取措施進行預防自燃時，不僅需要考慮常規滅火的一般規律，還要考慮矸石山的特殊規律。由于影響矸石山自燃的因素比較多，所以在實施預防工程之前，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行防治。煤矸石山要生自燃，必須具國備4個條件：①含有能夠在常溫下氧化的物質或可燃物即煤矸石具有自燃八傾向性；②有氧氣存在；③有使熱量積聚的環境；④上述條件應維持足夠的時間以達到自燃點。其中條件①為煤矸石自燃的內部特征，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），當分析其自燃時，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的特性。由于煤矸石組成比較復雜，可燃物質和惰性物南的分布、粒度大小等不均勻，造成自燃后燃燒強度不均勻，自熱和自燃的不均勻反過來又加強了溫度和空氣流動分布的不均勻，而且由于氧氣供應不足，具有不完全燃燒的特點。燃燒發展過程十分緩慢而隱蔽，在自燃的初期階段，一般從內部先燃燒，燃燒涉及的矸石數量很少，燃燒強度不大，釋放熱量很少，自燃區溫度也不高，處于緩慢引燃狀態時間較長。因此，矸石山自燃的早期發現和自燃區的準確定位都很困難。預防矸石山的自燃是一項綜合性系統工程，從方案設計到工程實施的每一個環節，需十分緊密才能確保施工質量。
3.3 煤矸石自燃預防遵循原則
煤矸石山自燃預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做出反應，達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、氧化時間等因素有關。歸納起來，預防煤矸石山自燃可參遵循以下的原則：
（1）減少矸石中可燃物的含量。
（2）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生自燃。如采用分層堆積（并壓實）的方式，每層矸石的層厚亦不要超過其臨界高度（即5m）。
（4）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原來的40°降至15°。
（5）對矸石山表面進行封閉，采用分層壓實或溝帶法建造全封閉的煤矸石山。
（6）盡量防止水浸入矸石山、
（7）建立溫度測試點，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）項難以執行，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生產的需要，從而增加投資費用。在確保科學預防矸石山自燃的同時也考慮與生產相適應的原則。
3.4 預防矸石山自燃工程方案原則
預防矸石山自燃是一項長期的戰略任務，應具有一套科學的施工工藝，同時為更經濟有效地搞好矸石山自燃預防與治理工程能擴大可供選擇的范圍，滿足技術的需要。
指導預防矸石山自燃工程方案的原則：
（1）方案的合理性。根據矸石山的特性，并借鑒以往治理矸石山自燃的經驗，通過對紅陽三礦實地考察，并與原矸石山自燃的實際情況相結合，使矸石中的酸性物質溶合成一種堿性環境，有一定的阻化作用和穩定性，減少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
（2）施工的嚴密性。由于紅陽三礦新排矸系統座落在原矸石山北側，距離短，在實施預防工程中，要保持正常的生產能力，施工中相互之間的工藝都要求流暢，形成動態的工作方式。
（3）工程的經濟性。在預防矸石山自燃工程中，適合科學實施方案對于經濟投入合理，選材得當，配置合理，效果明顯，因地制宜，降低投資費用。
（4）工藝的科學性。通過檢索國內外各種相關資料，借鑒治理煤矸石山自燃的經驗，分析研究各頂測試數據，引進較成功的預防和治理煤矸石山自燃的技術，并結合紅陽三礦矸石山面貌和現狀，制定預防矸石山自燃施工方案，形成整套較先進的工藝流程。
（5）實施效果。環境保護是我國的一項基本國策，良好的生態環境是經濟發展的基本條件，改變矸石山的生態環境，有利于生產發展。抑制煤矸石自燃主要產生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等釋放的有毒有害氣體。
4 新矸石山自燃預防措施
根據預防矸石山自燃遵循原則和預防矸石山自燃工程方案原則，結合紅陽三礦的矸石山的預算和實地規劃，并滿足排矸量為300萬t的堆積能力。通過大量的文獻資料及實驗室研究工和，實事求是，行之有效地綜合性以預防為主，治理為輔，一種科學的經濟的預防矸石的自燃，并在預防矸石山自燃的工作中，逐漸建立矸山生態環境的綜合措施如下。
（1）將陳舊自燃堆積方式改變成推進傾倒矸石平整層，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置，注漿工藝具備施工速度快，機械化程度高，效果明顯。
（3）矸石山邊超植被生物化，做到逐步還原生態平衡環境。
5 新矸石山自燃預防工程實施
工程實施方案：在了解矸石山自然狀態條件下，首選阻礙矸石山自燃最基本條件，并結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，動態流動作業，滿足排矸要求，實施矸石山堆積分層，動態流動長期作業方法。矸石邊界平面區域（寬5m）碾壓為主，邊界區域注漿，澆灌為輔；矸石山底部三層斜坡黃土覆蓋，振動壓實的綜合性預防治理目的，隔離“空氣呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反應作用。
從儲藏煤矸石倉（20t）的膠帶中心線，用推土機推出寬10m、深1.5m的抗，用黃土堆積高度6m，兩側黃土壩為自然堆積（取出部分黃土用于注漿材料）；其后繼續用推土機推出寬20m、深1.5m的坑，坑內堆積矸石高5.5m，矸石的輸送采取可移動伸縮性運輸膠帶，然后用推土機推平，直到矸石山邊界止。并盡可能把矸石兩 側黃土壩的黃土推入矸石層平面上振動碾壓（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，矸石外側邊界為黃土圍墻。應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-預埋直徑50mm無縫鋼管（注漿孔口管）
4-同時注入黃土、生石灰、阻燃劑混合漿液
圖2 施工剖面圖
6 結論
本方案引進其他煤礦的實施工程碾壓覆蓋法和注漿法相結合，經實驗研究，并結合紅陽三礦現場排矸方式實際，而使方案完整具有更經濟的預防煤矸石山自燃的方法。這種方法的特點是：底層分隔斷區域推進，可用就地黃土隔離（黃土壩），底三層矸石堆積邊界限區域平面、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防措施。具有良好機械作業配置，施工方法較為靈活，適合動態作業，根據原理能解決預防自燃的目的，并設立溫度臨界點檢測，預防矸石山自燃的目標，出現問題可以得到及時處理的靈活性，為防止礦區大氣環境污染的有效手段。
（1）減少矸石中可燃物的含量。
（2）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生自燃。如采用分層堆積（并壓實）的方式，每層矸石的層厚亦不要超過其臨界高度（即5m）。
（4）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原來的40°降至15°。
（5）對矸石山表面進行封閉，采用分層壓實或溝帶法建造全封閉的煤矸石山。
（6）盡量防止水浸入矸石山、
（7）建立溫度測試點，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）項難以執行，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生產的需要，從而增加投資費用。在確保科學預防矸石山自燃的同時也考慮與生產相適應的原則。
3.4 預防矸石山自燃工程方案原則
預防矸石山自燃是一項長期的戰略任務，應具有一套科學的施工工藝，同時為更經濟有效地搞好矸石山自燃預防與治理工程能擴大可供選擇的范圍，滿足技術的需要。
指導預防矸石
山自燃工程方案的原則：
（1）方案的合理性。根據矸石山的特性，并借鑒以往治理矸石山自燃的經驗，通過對紅陽三礦實地考察，并與原矸石山自燃的實際情況相結合，使矸石中的酸性物質溶合成一種堿性環境，有一定的阻化作用和穩定性，減少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
（2）施工的嚴密性。由于紅陽三礦新排矸系統座落在原矸石山北側，距離短，在實施預防工程中，要保持正常的生產能力，施工中相互之間的工藝都要求流暢，形成動態的工作方式。
（3）工程的經濟性。在預防矸石山自燃工程中，適合科學實施方案對于經濟投入合理，選材得當，配置合理，效果明顯，因地制宜，降低投資費用。
（4）工藝的科學性。通過檢索國內外各種相關資料，借鑒治理煤矸石山自燃的經驗，分析研究各頂測試數據，引進較成功的預防和治理煤矸石山自燃的技術，并結合紅陽三礦矸石山面貌和現狀，制定預防矸石山自燃施工方案，形成整套較先進的工藝流程。
（5）實施效果。環境保護是我國的一項基本國策，良好的生態環境是經濟發展的基本條件，改變矸石山的生態環境，有利于生產發展。抑制煤矸石自燃主要產生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等釋放的有毒有害氣體。
4 新矸石山自燃預防措施
根據預防矸石山自燃遵循原則和預防矸石山自燃工程方案原則，結合紅陽三礦的矸石山的預算和實地規劃，并滿足排矸量為300萬t的堆積能力。通過大量的文獻資料及實驗室研究工和，實事求是，行之有效地綜合性以預防為主，治理為輔，一種科學的經濟的預防矸石的自燃，并在預防矸石山自燃的工作中，逐漸建立矸山生態環境的綜合措施如下。
（1）將陳舊自燃堆積方式改變成推進傾倒矸石平整層，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置，注漿工藝具備施工速度快，機械化程度高，效果明顯。
（3）矸石山邊超植被生物化，做到逐步還原生態平衡環境。
5 新矸石山自燃預防工程實施
工程實施方案：在了解矸石山自然狀態條件下，首選阻礙矸石山自燃最基本條件，并結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，動態流動作業，滿足排矸要求，實施矸石山堆積分層，動態流動長期作業方法。矸石邊界平面區域（寬5m）碾壓為主，邊界區域注漿，澆灌為輔；矸石山底部三層斜坡黃土覆蓋，振動壓實的綜合性預防治理目的，隔離“空氣呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反應作用。
從儲藏煤矸石倉（20t）的膠帶中心線，用推土機推出寬10m、深1.5m的抗，用黃土堆積高度6m，兩側黃土壩為自然堆積（取出部分黃土用于注漿材料）；其后繼續用推土機推出寬20m、深1.5m的坑，坑內堆積矸石高5.5m，矸石的輸送采取可移動伸縮性運輸膠帶，然后用推土機推平，直到矸石山邊界止。并盡可能把矸石兩 側黃土壩的黃土推入矸石層平面上振動碾壓（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，矸石外側邊界為黃土圍墻。應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-預埋直徑50mm無縫鋼管（注漿孔口管）
4-同時注入黃土、生石灰、阻燃劑混合漿液
圖2 施工剖面圖
6 結論
本方案引進
其他煤礦的實施工程碾壓覆蓋法和注漿法相結合，經實驗研究，并結合紅陽三礦現場排矸方式實際，而使方案完整具有更經濟的預防煤矸石山自燃的方法。這種方法的特點是：底層分隔斷區域推進，可用就地黃土隔離（黃土壩），底三層矸石堆積邊界限區域平面、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防措施。具有良好機械作業配置，施工方法較為靈活，適合動態作業，根據原理能解決預防自燃的目的，并設立溫度臨界點檢測，預防矸石山自燃的目標，出現問題可以得到及時處理的靈活性，為防止礦區大氣環境污染的有效手段。
