1概况
沈阳煤业集团红阳三矿位于红阳煤田西部，地质储量1.58亿t，煤种主要是贫煤、瘦煤和贫瘦煤。红阳三矿为低瓦斯矿井。矿井设计年生产能力150万t，服务年限55.6a。矿井排矸量为87万t/a，以1999年产矸量为110万t2000年产矸量87万t的实际情况，现产矸量大约2 500t/d。2001年的产矸量预计为91.25万t。对原矸石山测定，山类高度62m，面积为79.762m2。如果按垂直高度100m计算，能存300万t矸石，实际还能储存125万t，服务矿井生产能力年限太短，已经不能满足生产要求，需要另建一座300万t储量的矸石山。新建矸石山在原矸石山北侧，在选煤厂手选胶带排矸仓半中心线以北，倾角41.2°。紧靠原矸石山，占地面积78亩；其南侧为矿区工矿区域，另外三侧界面为附近农田，地属平原特征。
2 自燃原因分析
红阳三矿排矸方式，采用双向索道排矸，这种工艺排矸形成的煤矸石山为圆锥形。因矸石自上而下自然滚落形成坡度较大，往往可达到数十米乃至上百米。因煤矸石的偏析作用，大块的矸石滚落到矸石山底层，较细颗粒的矸石则留在矸石山的顶部，中等粒度的煤矸石则分布在矸石山的中部层，形成边坡安息角为40°左右的斜面。
这种排矸方式暴露面积极大，非常疏松并且斜坡进速度慢。所以锥形矸石山空气渗透性最好，很容易为矸石山的自燃创造必要的条件。因此表层矸石可以在较长的时间内不被新倾斜的矸石掩埋，基一，保持较好的供氧条件，其二、一旦超过矸石自燃临界渗透风速怀临界温度，引起矸石的物理化学反应加速自燃。倾倒的薄薄一层矸石正好为添加燃料，形成不断燃烧的恶性循环，加地上处常年主导风向西南风，四季气候变化明显，很容易形成“因囱效应”。因此提示我们对排矸方式及堆积方式贯穿施工工艺方案中，重点放在预防矸石山自燃。
红阳三矿原矸石山已燃烧多年，目前因生产环节不能影响采煤，现仍继续排矸，燃烧点主要分布在斜坡部分及顶部卸矸区。燃烧区内烟雾弥漫，释放出大量的有毒气体，严重污染矿区周围的大气环境，恶化排矸场区作业条作，影响生态景观。
3 煤矸石山自燃预防方案的确定原则
矸石山自燃是一种比较特殊的燃烧系统，它的起燃和维持燃烧，火区的转移同一般灭火有很大差别。在采取措施进行预防自燃时，不仅需要考虑常规灭火的一般规律，还要考虑矸石山的特殊规律。由于影响矸石山自燃的因素比较多，所以在实施预防工程之前，必须先了解矸石山的自燃条件、特征及燃烧的特殊因素，确保预防工程的可靠性。
3.1 煤矸石自燃的条件
分析煤矸石自燃的条件是为了能有针对性地采取措施进行防治。煤矸石山要生自燃，必须具国备4个条件：①含有能够在常温下氧化的物质或可燃物即煤矸石具有自燃八倾向性；②有氧气存在；③有使热量积聚的环境；④上述条件应维持足够的时间以达到自燃点。其中条件①为煤矸石自燃的内部特征，②③为其自燃的外部条件。对于某一确定的煤矸石山（即其组成、含量及分布情况已确定），当分析其自燃时，可着重分析煤矸石山自燃的外部条件。
3.2煤矸石自燃的特征
矸石山是大量颗粒矸石堆积形成的，具有大体积多孔介质的特性。由于煤矸石组成比较复杂，可燃物质和惰性物南的分布、粒度大小等不均匀，造成自燃后燃烧强度不均匀，自热和自燃的不均匀反过来又加强了温度和空气流动分布的不均匀，而且由于氧气供应不足，具有不完全燃烧的特点。燃烧发展过程十分缓慢而隐蔽，在自燃的初期阶段，一般从内部先燃烧，燃烧涉及的矸石数量很少，燃烧强度不大，释放热量很少，自燃区温度也不高，处于缓慢引燃状态时间较长。因此，矸石山自燃的早期发现和自燃区的准确定位都很困难。预防矸石山的自燃是一项综合性系统工程，从方案设计到工程实施的每一个环节，需十分紧密才能确保施工质量。
3.3 煤矸石自燃预防遵循原则
煤矸石山自燃预防就是通过某种手段，消除自燃的条件，使煤矸石山自燃的各条件之间不能连续做出反应，达到阻断煤矸石自燃的目的。而且煤矸石山的自燃还与矸石山的堆积形式、黄铁矿的含量、水分 的存在、矸石山的透气性、氧化时间等因素有关。归纳起来，预防煤矸石山自燃可参遵循以下的原则：
（1）减少矸石中可燃物的含量。
（2）减少矸石的活化能，即提高矸石的临界温度，采取阻燃剂可以达到此目的。
（3）降低矸石山堆积高度。矸石山高度低于临界高则不会发生自燃。如采用分层堆积（并压实）的方式，每层矸石的层厚亦不要超过其临界高度（即5m）。
（4）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原来的40°降至15°。
（5）对矸石山表面进行封闭，采用分层压实或沟带法建造全封闭的煤矸石山。
（6）尽量防止水浸入矸石山、
（7）建立温度测试点，以判断该地段是否有自燃的倾向。
对于红阳三矿新建的矸石山，上述（1）、（3）、（4）项难以执行，主要是由于红阳三矿的排矸量很大，矸石占地堆积量降低就不能适应生产的需要，从而增加投资费用。在确保科学预防矸石山自燃的同时也考虑与生产相适应的原则。
3.4 预防矸石山自燃工程方案原则
预防矸石山自燃是一项长期的战略任务，应具有一套科学的施工工艺，同时为更经济有效地搞好矸石山自燃预防与治理工程能扩大可供选择的范围，满足技术的需要。
指导预防矸石山自燃工程方案的原则：
（1）方案的合理性。根据矸石山的特性，并借鉴以往治理矸石山自燃的经验，通过对红阳三矿实地考察，并与原矸石山自燃的实际情况相结合，使矸石中的酸性物质溶合成一种碱性环境，有一定的阻化作用和稳定性，减少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
（2）施工的严密性。由于红阳三矿新排矸系统座落在原矸石山北侧，距离短，在实施预防工程中，要保持正常的生产能力，施工中相互之间的工艺都要求流畅，形成动态的工作方式。
（3）工程的经济性。在预防矸石山自燃工程中，适合科学实施方案对于经济投入合理，选材得当，配置合理，效果明显，因地制宜，降低投资费用。
（4）工艺的科学性。通过检索国内外各种相关资料，借鉴治理煤矸石山自燃的经验，分析研究各顶测试数据，引进较成功的预防和治理煤矸石山自燃的技术，并结合红阳三矿矸石山面貌和现状，制定预防矸石山自燃施工方案，形成整套较先进的工艺流程。
（5）实施效果。环境保护是我国的一项基本国策，良好的生态环境是经济发展的基本条件，改变矸石山的生态环境，有利于生产发展。抑制煤矸石自燃主要产生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等释放的有毒有害气体。
4 新矸石山自燃预防措施
根据预防矸石山自燃遵循原则和预防矸石山自燃工程方案原则，结合红阳三矿的矸石山的预算和实地规划，并满足排矸量为300万t的堆积能力。通过大量的文献资料及实验室研究工和，实事求是，行之有效地综合性以预防为主，治理为辅，一种科学的经济的预防矸石的自燃，并在预防矸石山自燃的工作中，逐渐建立矸山生态环境的综合措施如下。
（1）将陈旧自燃堆积方式改变成推进倾倒矸石平整层，使排矸面保持一定主度，采用黄土覆盖碾压工艺。
（2）建立固定注浆整套设置，注浆工艺具备施工速度快，机械化程度高，效果明显。
（3）矸石山边超植被生物化，做到逐步还原生态平衡环境。
5 新矸石山自燃预防工程实施
工程实施方案：在了解矸石山自然状态条件下，首选阻碍矸石山自燃最基本条件，并结合红阳三矿的排矸工艺，依操作可行，施工简单，施工成本控制在最低限度，动态流动作业，满足排矸要求，实施矸石山堆积分层，动态流动长期作业方法。矸石边界平面区域（宽5m）碾压为主，边界区域注浆，浇灌为辅；矸石山底部三层斜坡黄土覆盖，振动压实的综合性预防治理目的，隔离“空气呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反应作用。
从储藏煤矸石仓（20t）的胶带中心线，用推土机推出宽10m、深1.5m的抗，用黄土堆积高度6m，两侧黄土坝为自然堆积（取出部分黄土用于注浆材料）；其后继续用推土机推出宽20m、深1.5m的坑，坑内堆积矸石高5.5m，矸石的输送采取可移动伸缩性运输胶带，然后用推土机推平，直到矸石山边界止。并尽可能把矸石两 侧黄土坝的黄土推入矸石层平面上振动碾压（一般碾压7遍），矸石山底部一层边界斜坡30°，采取黄土覆盖碾压，矸石外侧边界为黄土围墙。应尽可能多推出黄土来，以储存上部几层矸石层斜坡用黄土。新矸石山施工平面图如图1所示；施工剖面图如图2所示。
图1 施工平面图
1- 黄土围墙；2-覆盖300～500mm厚 3-预埋直径50mm无缝钢管（注浆孔口管）
4-同时注入黄土、生石灰、阻燃剂混合浆液
图2 施工剖面图
6 结论
本方案引进其他煤矿的实施工程碾压覆盖法和注浆法相结合，经实验研究，并结合红阳三矿现场排矸方式实际，而使方案完整具有更经济的预防煤矸石山自燃的方法。这种方法的特点是：底层分隔断区域推进，可用就地黄土隔离（黄土坝），底三层矸石堆积边界限区域平面、斜坡面黄土覆盖碾压，后期施工矸石边界注浆、碾压工艺综合处理煤矸石山自燃预防措施。具有良好机械作业配置，施工方法较为灵活，适合动态作业，根据原理能解决预防自燃的目的，并设立温度临界点检测，预防矸石山自燃的目标，出现问题可以得到及时处理的灵活性，为防止矿区大气环境污染的有效手段。
（1）减少矸石中可燃物的含量。
（2）减少矸石的活化能，即提高矸石的临界温度，采取阻燃剂可以达到此目的。
（3）降低矸石山堆积高度。矸石山高度低于临界高则不会发生自燃。如采用分层堆积（并压实）的方式，每层矸石的层厚亦不要超过其临界高度（即5m）。
（4）降低矸石山斜坡的坡度，如安息角可由原来的40°降至15°。
（5）对矸石山表面进行封闭，采用分层压实或沟带法建造全封闭的煤矸石山。
（6）尽量防止水浸入矸石山、
（7）建立温度测试点，以判断该地段是否有自燃的倾向。
对于红阳三矿新建的矸石山，上述（1）、（3）、（4）项难以执行，主要是由于红阳三矿的排矸量很大，矸石占地堆积量降低就不能适应生产的需要，从而增加投资费用。在确保科学预防矸石山自燃的同时也考虑与生产相适应的原则。
3.4 预防矸石山自燃工程方案原则
预防矸石山自燃是一项长期的战略任务，应具有一套科学的施工工艺，同时为更经济有效地搞好矸石山自燃预防与治理工程能扩大可供选择的范围，满足技术的需要。
指导预防矸石
山自燃工程方案的原则：
（1）方案的合理性。根据矸石山的特性，并借鉴以往治理矸石山自燃的经验，通过对红阳三矿实地考察，并与原矸石山自燃的实际情况相结合，使矸石中的酸性物质溶合成一种碱性环境，有一定的阻化作用和稳定性，减少矸石山吸氧能力和隔氧作用。
（2）施工的严密性。由于红阳三矿新排矸系统座落在原矸石山北侧，距离短，在实施预防工程中，要保持正常的生产能力，施工中相互之间的工艺都要求流畅，形成动态的工作方式。
（3）工程的经济性。在预防矸石山自燃工程中，适合科学实施方案对于经济投入合理，选材得当，配置合理，效果明显，因地制宜，降低投资费用。
（4）工艺的科学性。通过检索国内外各种相关资料，借鉴治理煤矸石山自燃的经验，分析研究各顶测试数据，引进较成功的预防和治理煤矸石山自燃的技术，并结合红阳三矿矸石山面貌和现状，制定预防矸石山自燃施工方案，形成整套较先进的工艺流程。
（5）实施效果。环境保护是我国的一项基本国策，良好的生态环境是经济发展的基本条件，改变矸石山的生态环境，有利于生产发展。抑制煤矸石自燃主要产生的特征污染物H2S、SO2、CO、TSP等释放的有毒有害气体。
4 新矸石山自燃预防措施
根据预防矸石山自燃遵循原则和预防矸石山自燃工程方案原则，结合红阳三矿的矸石山的预算和实地规划，并满足排矸量为300万t的堆积能力。通过大量的文献资料及实验室研究工和，实事求是，行之有效地综合性以预防为主，治理为辅，一种科学的经济的预防矸石的自燃，并在预防矸石山自燃的工作中，逐渐建立矸山生态环境的综合措施如下。
（1）将陈旧自燃堆积方式改变成推进倾倒矸石平整层，使排矸面保持一定主度，采用黄土覆盖碾压工艺。
（2）建立固定注浆整套设置，注浆工艺具备施工速度快，机械化程度高，效果明显。
（3）矸石山边超植被生物化，做到逐步还原生态平衡环境。
5 新矸石山自燃预防工程实施
工程实施方案：在了解矸石山自然状态条件下，首选阻碍矸石山自燃最基本条件，并结合红阳三矿的排矸工艺，依操作可行，施工简单，施工成本控制在最低限度，动态流动作业，满足排矸要求，实施矸石山堆积分层，动态流动长期作业方法。矸石边界平面区域（宽5m）碾压为主，边界区域注浆，浇灌为辅；矸石山底部三层斜坡黄土覆盖，振动压实的综合性预防治理目的，隔离“空气呼吸”因素，阻止煤矸石氧化反应作用。
从储藏煤矸石仓（20t）的胶带中心线，用推土机推出宽10m、深1.5m的抗，用黄土堆积高度6m，两侧黄土坝为自然堆积（取出部分黄土用于注浆材料）；其后继续用推土机推出宽20m、深1.5m的坑，坑内堆积矸石高5.5m，矸石的输送采取可移动伸缩性运输胶带，然后用推土机推平，直到矸石山边界止。并尽可能把矸石两 侧黄土坝的黄土推入矸石层平面上振动碾压（一般碾压7遍），矸石山底部一层边界斜坡30°，采取黄土覆盖碾压，矸石外侧边界为黄土围墙。应尽可能多推出黄土来，以储存上部几层矸石层斜坡用黄土。新矸石山施工平面图如图1所示；施工剖面图如图2所示。
图1 施工平面图
1- 黄土围墙；2-覆盖300～500mm厚 3-预埋直径50mm无缝钢管（注浆孔口管）
4-同时注入黄土、生石灰、阻燃剂混合浆液
图2 施工剖面图
6 结论
本方案引进
其他煤矿的实施工程碾压覆盖法和注浆法相结合，经实验研究，并结合红阳三矿现场排矸方式实际，而使方案完整具有更经济的预防煤矸石山自燃的方法。这种方法的特点是：底层分隔断区域推进，可用就地黄土隔离（黄土坝），底三层矸石堆积边界限区域平面、斜坡面黄土覆盖碾压，后期施工矸石边界注浆、碾压工艺综合处理煤矸石山自燃预防措施。具有良好机械作业配置，施工方法较为灵活，适合动态作业，根据原理能解决预防自燃的目的，并设立温度临界点检测，预防矸石山自燃的目标，出现问题可以得到及时处理的灵活性，为防止矿区大气环境污染的有效手段。
