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摘要：弃碴场作为大型工程建设中不可缺少设施之一，弃碴场安全防护与主体工程拥有同等重要地位，尤其在西南多煤地区，工程施工中挖弃土体、基岩中均可能含有煤或煤矸石成份，在各种因素和条件具备时可能发生自燃，对生态环境和人身安全造成巨大隐患，甚至可能造成巨大经济损失，所以针对碴场弃内煤矸石碴体自燃处理和预防工作成为工程建设中不可缺少一部分，必要时需单独考虑弃碴场自燃预防和处理方案。
关键词：铁路工程；弃碴场；煤矸石；自燃；预防；处理
引言
由于铁路工程中涉及到土石方工程量较大，大量土石方无法利用于工程主体，只有采取单独考虑弃碴场后统一堆弃。西南山区铁路隧道、路基大量挖弃方中均可能含煤或煤矸石，弃碴时未充分考虑弃碴的成份和自燃特性，可能发生大面积弃碴场内自燃，后期处理会耗费巨大成本，同时会对周边环境和地方居民造成严重影响，甚至危及生命安全。因此在特殊地域铁路工程建设中必须充分考虑弃碴场可能发生自燃的预防和处理方案，避免造成不必要的损失，确保工程建设顺序进行，满足环水保要求。
1、煤矸石自燃原因分析
1.1矿物成分
煤矸石的矿物成份和化学成分较为复杂，但是能够构成可燃物的主要有 C、H、S 等组成物质，其中硫铁矿的燃点低、耗氧量小、氧化放热量大，是煤矸石的主要引燃物。
1.2化学成分分析
煤的自燃倾向性是煤常温下氧化能力的内在属性，反应了煤的变质程度、水分、灰分、含硫量、粒度、孔隙度、导热性，是煤的一种自燃属。煤自燃倾向性等级分为三类：I 类容易自燃、II 类自燃和III类不易自燃。以每克干煤在常温（30℃）、常压（10.133×105Pa）下吸氧量作为分类的主指标。
1.3自燃热源
煤矸石中含有一定数量的硫铁矿，以硫铁矿为主的硫化物，经微生物的催化作用，在有水和空气的条件下率先发生氧化反应，并释放巨大热量，这是煤肝石自燃的内因，其中硫铁矿的含量是引起煤矸石自燃的决定因素。硫铁矿氧化在释放大量热量的同时生成大量的二 氧化硫（供氧不足时生成硫磺），这是煤肝石自燃有刺鼻气味或臭鸡蛋味（硫化氢）和析出黄褐色固体硫磺的原因。其化学反应机理为：
A、供氧充分：
4FeS2+ 1102=2Fe203+8S02↑＋Q
B、供氧不充足：
4FeS2+302=2Fe203+8S↓＋Q
根据化学方程推算，lkg硫铁矿完全氧化将释放10662KJ的热量，煤矸石的平均比热为0.84J/g.℃。若煤矸石中硫铁矿的含量达2.43%（含硫量全部为 FeS2），lkg煤矸石中硫铁矿完全氧化释放热为259KJ，在绝热条件下该热量可使煤矸石温度上升308 ℃，可以达到褐煤、木材、烟煤的着火温度。而煤矸石中往往含有残煤、碳质泥页岩和废木材等可燃物。
1.4煤矸石助燃作用
根据煤矸石化学工业分析 ，煤矸石不易自燃 ，但当温度达到250℃低限时，碳开始低温氧化作用 ，煤矸石可以慢慢地助燃并发生如下反应：
C+02=C02
2C+02=2CO
C+H20=CO+H2
3C+2S02+2H20=H2S+C02
S+H2=H2S
由上述系列反应可以看出：助燃的煤矸石不但释放S02、C02 ,还是释放大量H2S 和CO，也析出一定量的硫。当煤矸石碴场内部温度达到300℃，即达到煤的燃点，引燃可燃物，造成煤矸石大面积长期稳定的燃烧。
1.5弃碴场自燃外因
硫铁矿的自燃，必须有充足的供氧，而弃碴时场常规的堆积方式为其自燃提供了供氧通风条件。首先弃碴堆积形成的煤矸石山的自燃与其堆放方式有关。传统的弃碴方式一般是先将煤矸石拉到弃碴场顶部，然后倾倒并使其自然滚落，这样就使体积和质量较大的煤矸石滚落在弃碴休侧面的边坡底部；中间煤矸石、部分体积相对较小的煤研石碎块则停留在煤矸石堆积的中上部； 顶部为便于运输铺设 0.2～0.4m的细碴土，以及碾压机械致碎的、粉末状等形成一层不易透风的密实层，这样形成不同粒度物料的分层堆积，上部又基本密闭下部松散通气进一步为煤矸石内部供氧提供了良好的富氧条件。
1.6弃碴场煤矸石自燃分带
自燃的煤矸石山根据温度高低概可划分为三个带：燃烬带、燃烧带和未燃带。燃烬带处于煤矸石山的底部，温度约100～300 ℃，外观呈灰白色或灰红色；燃烧带处于煤矸石山的 中部，最高温度可达1000℃；未燃带处于煤矸石山的顶部，温度约300～500℃。由此可见煤矸石燃烧是低温加热逐渐升到高温，最终在1000℃左右继续燃烧，直到基本烧尽。就大多数煤矸石山来说均属于不完全燃烧态势。
2铁路弃碴场煤矸石自燃的防治对策
根据上述对煤矸石物质成分和自然原因分析，结合贵州某铁路项目弃碴场整治措施和经验，对弃碴场煤矸石自燃的防治处理技术进行确定。
2.1已发生自燃煤矸石弃碴场处理措施
综合考虑各方因素影响和实际条件，为高效、快速、经济完成已自燃煤矸石弃碴场处理，对已自燃煤矸石弃碴场可采用钻孔灌注石灰浆至堆砌煤矸石内部，隔绝煤矸石与氧气的接触 ，从而达到灭火的目的。同时为加快处理进度，可将注石灰浆改为注水泥浆。
对正在燃烧程度不严重，机械设备可进入并进行翻挖的煤矸石采取垂直钻孔注浆封闭，钻孔平面间距为4m×4m，孔位呈梅花形布置，钻孔深度需达燃烧层；注浆管采用直径108mm（壁厚3.5mm）的钢管，在注浆钢管上每隔15cm钻直径10mm的出浆孔，按梅花形布置。采用水泥浆液时注浆比例为：水：水泥=650:1051（重量比），注浆压力控制在0.5～0.6Mpa，燃烧程度较严重时可适当加大注浆压力和注浆量。
2.2未发生自燃煤矸石弃碴场防范措施
A、条件允许情况下尽量减少煤矸石中可燃物的含量，对于碳质页岩弃碴场而言，因其可燃物分选性差，减少其中的可燃物含量较难控制，实际不便于操作。
B、较优方案为降低煤压下石堆填的高，煤矸石的堆填高度低于临界高度则不会发生自燃。同时采取分层堆积（并压实）的方式堆积，每层煤矸石的厚度不得超过其临界高度（5m），实际每层堆碴1.5～2.0m厚度控制便于施工，并采用0.5m粘土层覆盖隔开并均碾压密实；碴场外侧坡面（1：1.75坡度控制）、平台及顶面采用2m厚粘土层覆盖，并碾压密实。
C、减少煤矸石的活化性能 ，即降低煤矸石的临界温度，条件允许时可采取阻燃剂可以达到灭火的目的。
D、改变弃碴时堆填方式。传统的弃碴方式一般是先将煤矸石拉到弃碴场（煤矸石山）顶部，然后倾倒并使其自然滚落。该堆填方法利于煤矸石自燃，应予以杜绝 ，应采取“从下向上 ，缩小凌空，分层压实，周边覆盖”的措施。从下向上 ，一层层堆置煤矸石，这样可以使煤矸石得到一定程度的压实，并减少空隙率，也可以减少煤矸石在斜坡上外露，即“缩小凌空”之意。因斜坡不易压实，煤矸石间空隙率大，供氧条件好，自燃最易发生，所以减少煤矸石在斜坡暴露面就能减少煤矸石自燃的可能性。同时在每层煤轩石堆填完成后，将周边及顶部覆盖残积士压密隔氧以后再进行下层煤矸石堆填，至到整个弃碴场煤矸石堆积完成，形成一个封闭良好、表面覆土的整体。
E、尽量防止水流浸入弃碴场煤矸石渣块间隙间，防止水体进入碴体内部进一步发生化学反应产生其它助燃物。同时在弃碴体坡脚底部设计降水井和降水沟，在碴场顶设置井字形排水沟，弃碴与原地面交界处设置截水沟，封闭防水后可减少煤矸石空隙间水化反应。
结束语
碴场煤矸石自燃处理应结合实际地质情况和地形、地域等特点，坚持“以防为主，标木兼治，科学治理”的原则，因地制宜地采取治理措施。在不同情况下预防煤矸石自燃也应针对性的采取其它措施，如：清除燃料、降温、隔氧等途径，采取的方法有挖掘熄灭法、表层封闭法（覆盖法）、喷浆法、灌注法、深层注浆、推平压实法等；煤矸石自燃的预防措施一般有分层压实（表面覆士）、石灰水（乳）喷洒（灌浆）、堆填方式改变等方法，提前做好煤矸石自燃预防并整治及时，都能有效完成弃碴场煤矸石的自燃，减小安全隐患，避免经济损失和人身伤亡，做到绿色工程、环保工程。
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作者简介：张光勇，（1980年11月），男， 四川冕宁人，工程师，大学本科，从事铁路工程管理工作。
论文作者:张光勇,曾祥伟,惠恒波,张,博,周,勇
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/9
标签：煤矸石论文; 可燃物论文; 温度论文; 助燃论文; 硫铁矿论文; 注浆论文; 条件论文; 《防护工程》2017年第30期论文;