适用读者： 煤矿矿长、环保总监、环保科长、地测科长、绿化整治负责人
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 煤矸石山地表堆存自燃与生态环保一票否决红线
煤矸石是煤炭采选过程中产生的主要固体废弃物。在我国黄河流域及西北主要煤炭基地，历年堆存的矸石山高达数百座，累计堆存量突破 70 亿吨。
露天堆存的矸石山面临极大的安全与生态环保一票否决追责：
- 黄铁矿氧化诱发深部自燃与恶臭气体排放：煤矸石中普遍含有 1%~5% 的硫铁矿（\(\text{FeS}_2\)）及残留碎煤。在雨水和空气浸泡下发生放热氧化反应，当堆体内温度突破 \(60^\circ\text{C}\) 临界点后，自燃迅速蔓延，大量释放二氧化硫（\(\text{SO}_2\)）、硫化氢（\(\text{H}_2\text{S}\)）及一氧化碳（CO），引发严重的区域性大气污染。
- 高温自燃引发山体滑坡与爆炸事故：自燃导致矸石山内部形成空洞与高压气体积聚。在暴雨诱发下，极易引发坍塌、突发性气体爆炸及重金属淋溶污染地下水。
- 中央生态环保督察与按日连续计罚红线：随着国家对黄河流域生态保护与“废弃物零排放”监管强度的提升，矸石山自燃被列为生态环保督察一票否决项，违法企业将面临天价罚款与停产整顿。
因此，实施科学的矸石山防灭火注浆与高致密阻氧覆土包覆工程，是实现绿色矿山验收与环保合规的重中之重。
二、 矸石山自燃氧化动力学与复合覆土阻氧力学模型
2.1 矸石堆体硫铁矿氧化放热与温度场扩散方程
煤矸石自燃的核心是硫铁矿的水化氧化反应：
堆体内部三维非稳态温度场 \(T(x,y,z,t)\) 服从带内热源的导热-对流微分方程：
式中：\(\lambda\) 为矸石堆体导热系数（W/(m·K)）；\(\mathbf{v}\) 为热烟气与空气对流速度；\(q_{oxidative}\) 为单位体积氧化放热速率。
当通过地表压实覆土将氧气渗流速度 \(\mathbf{v} \rightarrow 0\) 且 \(C_{O2} < 1.5\%\) 时，氧化项 \(q_{oxidative} \rightarrow 0\)，堆体内部热量自然散失，温度逐步回落至常温。
2.2 复合覆土防渗阻氧层达西渗流与气体扩散模型
覆土防渗层由“黄土+5%改性膨润土”混合压实而成，其空气扩散系数 \(D_{eff}\) 与孔隙率 \(\phi\) 的关系由 Millington-Quirk 模型表达：
通过重型压路机分层分压（压实度 \(\ge 0.95\)），使孔隙率 \(\phi\) 从 35% 骤降至 8% 以下，大气氧气向矸石堆体内部的扩散通量 \(J_{O2}\) 降低 99% 以上：
从而彻底阻断了自燃所必需的供氧条件。
三维红外热成像定位火区
无人机遥感与深部探头精准定位矸石山 30 米以内深部隐蔽发火点
深部注阻化冷凝胶降温
压注含有 5% 氯化镁的黄泥阻化湿凝胶，快速灭火并充填内部空洞
山体整形削坡与分层压实
台阶式削坡将边坡稳定坡角降至 22°，重型压路机分层压实排除气体
铺设膨润土复合防渗防气层
铺设黄土-膨润土防渗层与 HDPE 土工膜，渗透系数压降至 $10^{-7}\text{cm/s}$ 以下
覆黄土绿化防蚀
覆盖 1.5 米厚营养黄土层，喷播沙棘与紫花苜蓿形成固土防蚀绿化
常态化温湿度监测
地下温湿度无线传感器阵列连续监控，SO2 排放达到国家一级标准
三、 矸石山治理与覆土工程技术参数设计
环保科与工程科需设计匹配现场的压实度、渗透系数与防灭火凝胶配比。
3.1 矸石山自燃治理与封盖控制参数对账表
| 控制参数 | 工程设计边界标准 | 检测手段与设备 | 阻氧防灭火与生态安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 深部打孔注浆降温目标 | 堆体内部温度 \(\le 50^\circ\text{C}\) | 深部热电偶传感器阵列 | 将火区温度降至自燃临界点以下，防复燃 |
| 灭火胶体/砂浆配比 | 粉煤灰:水泥:黄土 = 6:2:2 (掺3%阻化剂) | 在线制浆密度计 | 填充内部空洞，吸收热量并隔绝内部风道 |
| 覆土层压实度 (Proctor) | \(\ge 0.95\) | 环刀法 / 核子密度仪 | 保证高密实度，防止雨水下渗与空气透入 |
| 复合防渗层渗透系数 | \(K_{seep} \le 1.0 \times 10^{-7}\text{ cm/s}\) | 高压双环渗透仪现场测试 | 建立超低渗透阻氧屏障，阻断 \(SO_2\) 气体窜出 |
| 黄土覆土层总厚度 | \(\ge 1.5\text{ meters}\) | 现场开挖测量 | 保证足够重力压实与植物根系生长深度 |
| 地表植被覆盖率 | \(\ge 85\%\) (紫花苜蓿/沙棘) | 遥感 NDVI / 样方调查 | 固土防防雨水冲刷，恢复绿色生态景观 |
四、 矸石山治理突发异常处置 SOP
在治理与覆土施工过程中，若遇到深部局部复燃爆发或烟气窜出，启动应急 SOP：
SOP 1：削坡过程中局部开挖面突发自燃冒烟应急预案
- 触发判定：开挖暴露面有刺鼻 \(SO_2\) 烟气冒出，热红外测温枪显示表面温度突破 \(120^\circ\text{C}\)。
- 应急处置步骤：
- 步骤 A：施工人员佩戴正压式呼吸器，现场推土机立即暂停削坡作业。
- 步骤 B：启动移动式大排量高水阻化凝胶喷射泵，对发火暴露面喷射厚度 30cm 的速凝高水阻化湿凝胶，快速降温盖火。
- 步骤 C：采用长杠杆打设深部注浆管，注入含有 5% 氯化镁的黄泥阻化砂浆，对发火源进行深部封堵。
- 步骤 D：降温至 \(40^\circ\text{C}\) 后，用 1 米厚湿黄土覆盖并用重型压路机碾压密实，防止空气二次渗入。
五、 鄂尔多斯大型矸石山生态重塑示范工程案例
5.1 工程背景与治理方案
内蒙古鄂尔多斯某大型矿井，地表堆存一座积攒 20 年的煤矸石山，占地约 450 亩，堆存量超 1500 万吨。山体内部存在多处深部自燃火区，周边 \(SO_2\) 浓度频繁超标，面临严厉的生态环保停产追责。
矿井设计实施“深部压注凝胶灭火 + 山体台阶削坡 + 膨润土复合防渗覆土生态重塑工程”。
5.2 治理前后生态与环保指标对账表
| 对比项目 | 治理前自燃状态 | 治理与复合覆土包覆后 | 环保生态治理效果 |
|---|---|---|---|
| 山体深部最高温度 | \(380^\circ\text{C}\) (严重自燃发火) | \(28.5^\circ\text{C}\) (常温稳定) | 彻底熄灭矸石山内部火源 |
| 周边空气 \(SO_2\) 浓度 | 0.85 mg/m³ (严重超标) | 0.012 mg/m³ (达到国家一级标准) | 彻底消除恶臭有害气体 |
| 防渗覆土层渗透系数 | \(3.5 \times 10^{-3}\text{ cm/s}\) (疏松渗氧) | \(8.2 \times 10^{-8}\text{ cm/s}\) (超级阻氧) | 大气氧气下渗率下降 99.9% |
| 山体滑坡与坍塌隐患 | 高危 (存在空洞与裂缝) | 完全消除 (边坡坡度 \(\le 1:2.5\)) | 消除地质灾害隐患 |
| 地表绿化植被覆盖率 | 0% (黑灰裸露荒山) | 91.2% (绿意盎然公园) | 通过中央生态环保督察验收 |
六、 矸石山自燃治理设计与准备清单
环保科与地测科在开展矸石山治理前需收集以下基础资料：
- [ ] 山体三维热红外无人机测温图谱：精准定位表面及深部高温火区三维坐标。
- [ ] 矸石硫份与残留挥发份化验报告：评估矸石的自燃倾向等级与放热动力学参数。
- [ ] 周围黄土与膨润土防渗阻气试验数据：确定最佳膨润土掺量与最佳含水率下的压实密度。
- [ ] 边坡稳定性极限平衡分析报告：确定削坡整形的最大安全坡角（通常 \(\le 22^\circ\)）。
七、 常见问题 FAQ
Q：矸石山治理覆土后，树木的根系会不会穿透膨润土防渗层造成防渗失效？
A：不会。在工程设计中，我们采用了“双层防渗隔根”结构：底层为 30cm 膨润土黄土防渗层，中层铺设一层高密度聚乙烯（HDPE）防土工膜，上层再覆盖 1.2 米厚的植被营养土。防土工膜能有效阻止植物根系向下穿透，确保防渗阻氧层 20 年以上完好。
Q：对于几十年前堆存的老矸石山，内部火区深度达 30 米以上，常规注浆注不到怎么办？
A：针对超深部火区，我们采用“地表定向造斜钻孔 + 高压三相阻化泡沫”技术。利用定向钻机将注浆管精准送达 30-50 米深度的发火源头，三相泡沫能膨胀 15 倍以上，自动向上浮动蔓延充填深部空洞，实现无死角灭火。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于煤矸石山自燃综合治理、地表覆土阻氧隔热工程及矿区生态重塑系统集成。
联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室，为您提供勘测评估、灭火注浆与绿化包覆一体化交付服务。
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*声明：文中技术参数已脱敏。矸石山治理方案需结合具体堆体温度与地形条件定向设计。*