陽泉礦區(qū)煤矸石山自燃治理技術(shù)

1、陽泉礦區(qū)煤矸石山自燃治理技術(shù)專業(yè):采礦工程學(xué)生：艾德昊指導(dǎo)教師：李劍摘要煤矸石即采煤過程和洗煤過程中排出的廢棄物，大量的煤矸石長期露天堆放 不加處理，不僅會引發(fā)崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，煤矸石中含有的硫還會引發(fā)自燃，產(chǎn)生大量煙塵并釋放出有害氣體，對環(huán)境及人身安全的危害極大。雖然國外對煤矸石山自燃的治理研究開展了大量的研究工作，也取得了很好的效果，但是有些方法也屬于探索階段，且各國煤矸石的成分及物理力學(xué)特性不盡相同，地理位置差異很大，不能將國外的治理方法直接應(yīng)用到我國煤矸石山的治理中。針對煤矸石山煤矸石自燃機(jī)理的研究現(xiàn)狀，這方面的研究還沒有形成比較完善的 理論研究體系，目前還處于試驗(yàn)積累資料

2、階段，同時，對于煤矸石山邊坡穩(wěn)定性 問題尚存在諸多難題，因此，對煤矸石山自燃的預(yù)防和治理以及山體穩(wěn)定性進(jìn)行 研究是必要的。根據(jù)大量的研究數(shù)據(jù)和理論成果，探討了煤矸石山自燃的機(jī)理與治理方法，結(jié)合桑樹坪煤礦煤矸石山綜合治理工程，對自燃治理方法及山體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用注漿滅火工藝時，在粘土中添加一定比例的石灰作為注漿滅火材料有較好的滅火效果，得到了粘土與石灰配制的漿液的濃度和控制比例，工程實(shí)踐表明漿液具有良好的穩(wěn)定性和流變性，為其它類似煤矸石山自燃治理工程提供了參考。為了準(zhǔn)確評價(jià)桑樹坪煤矸石山的穩(wěn)定性，利用有限元分析軟件 ABAQUS 對桑樹坪煤礦煤矸石山的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分

3、析，確定了山體邊坡的潛在滑裂面位置及其對應(yīng)的最小安全系數(shù)，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，采用改變邊坡幾何形狀并在滑裂面底部位置修建擋土墻的方法進(jìn)行加固，有效的提高了山體的安全性。關(guān)鍵詞：煤矸石；自燃；注漿滅火；治理1.矸石的危害煤炭作為一次性能源，在我國能源構(gòu)成比例中占 74%左右，直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中形成的廢棄物所引起的一系列生態(tài)問題也是環(huán)境與發(fā)展的焦點(diǎn)，在煤炭開采及加工過程排放出的煤矸石，是目前排放量最大的礦業(yè)固體廢棄物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤矸石的排量占煤炭產(chǎn)量的 10%30%，而 我國煤矸石每年的排量約為 1.5 億2.0 億 t，這給礦區(qū)及其周邊的環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。在

4、我國，煤矸石的處理方式主要是露天堆放，順坡填溝，絕大多數(shù)排放于荒野高山之中，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國國有重點(diǎn)煤礦現(xiàn)有矸石山1600 多座，并且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展而以每年 10%的速度增加。大量的煤矸石長期露天堆放不加處理，不僅侵占了大量耕地資源，破壞生態(tài)平衡，而且矸石山經(jīng)降水淋溶后浸出的有害物質(zhì)還會嚴(yán)重污染地下水源和江河地表水，致使人畜不能飲用，更不能用于灌溉農(nóng)田；煤矸石堆放形成矸石山后，在暴雨或長期降雨天氣時，可以引發(fā)滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；矸石山還會引發(fā)沙塵暴，大量粉塵飛揚(yáng)、懸浮于大氣中，如果人類吸入肺中，會導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生；除此之外，煤矸石中含有的硫會引發(fā)煤矸石的自燃，自燃后不僅產(chǎn)生大量煙塵

5、，還會釋放出大量有害氣體，如二氧化硫、一氧化碳、硫化氫等，甚至還有爆炸的危險(xiǎn)，這將嚴(yán)重危害人類身體健康，使植物枯萎死亡，對環(huán)境及人身安全危害極大1-6。盡管關(guān)于煤矸石的綜合利用研究及矸石山穩(wěn)定性分析現(xiàn)階段有所進(jìn)展，但是 由于我國的特殊國情，煤矸石的利用率還很低，煤矸石山的綜合治理也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 因此對煤矸石山的綜合治理研究是我國急需進(jìn)行的重要課題。通過研究可以有效 的預(yù)防煤矸石山堆積所導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，及時對煤矸石山進(jìn)行綜合治理，防止礦區(qū)環(huán)境進(jìn)一步惡化，保障礦區(qū)人民的身體健康，給礦區(qū)帶來巨大的社會效 益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，對于其它同類矸石山治理工程研究也可以提供理論依 據(jù)，具有重要的理論意

6、義和實(shí)用價(jià)值。2. 煤矸石山治理的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外目前對煤矸石山的治理研究的內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)：煤矸石山邊坡的 穩(wěn)定性研究；煤矸石山自燃的防治技術(shù)研究；針對煤矸石山自燃的滅火治理方案 研究；煤矸石山防污治理改造技術(shù)研究；煤矸石山綠化環(huán)境恢復(fù)治理研究等方面。矸石山滅火治理方法主要包括挖出火源法、水力滅火法、包裹覆蓋法、覆蓋 滅火法和注漿滅火法等13-18，其中滅火效果最明顯的是注漿法滅火，這種方法主 要是從含硫可燃物和通風(fēng)供氧這兩個條件著手，并充分利用阻燃、充填漿液中的 水降低深部區(qū)域煤矸石的溫度，用泥漿、石灰漿包裹含硫可燃物、充填空隙，隔 絕氧氣，以達(dá)到阻斷燃燒、降溫、滅火的目的，使得煤矸石不再

7、具備燃燒條件。 美國、俄羅斯等工業(yè)大國對注漿滅火方法的應(yīng)用較多，各國注漿滅火采用的 工藝參數(shù)也各有不同。頓巴斯礦業(yè)公司曾經(jīng)將 5%的稀石灰乳用噴射器壓入矸石 堆 2.5-3m 深處進(jìn)行滅火。頓涅克工學(xué)院則是在注漿孔旁布置一個抽氣管，在注漿 的同時，用真空泵抽出注漿孔注漿時所排出的高溫水蒸氣，將矸石山內(nèi)部局部區(qū)域的氣壓降低為負(fù)值，有利于漿液的滲透19。捷克在進(jìn)行煤矸石山坡面注漿時，下水平鉆孔的上端位置要高于上水平鉆孔的下端位置，減少了滲入山體內(nèi)部的空 氣。美國也曾在一座小型的煤矸石山上，先后應(yīng)用了覆蓋滅火法與注漿滅火法進(jìn) 行滅火，采用覆蓋滅火法的成功率僅達(dá)到 40%左右，效果不是很好，這種方法主

8、要用于控制煤矸石山火勢，而采用粉煤灰做注漿滅火材料滅火，取得了很好的滅火效果。張成梁根據(jù)大量的試驗(yàn)分析，將黃土作為漿液的主要原材料，并研究出了黃 土與石灰配制漿液的合理比例。同時，針對傳統(tǒng)的注漿方法不能大規(guī)模灌漿滅火 的缺陷，研制出了一種特殊注漿管，并申請了“自燃煤矸石山隔氧滅火注漿管” 實(shí)用新型專利。他還在傳統(tǒng)的覆土技術(shù)基礎(chǔ)上提出了復(fù)層結(jié)構(gòu)覆土，即在 30cm 黃土壓實(shí)層上面覆蓋 20cm 原狀土壤，既可以封閉燃燒區(qū)，還能滿足種植的要求20。同時，國內(nèi)外正在探索一些新的煤矸石山滅火方法，如控制燃燒法、泡沫法、 低溫惰性氣體法等?？刂迫紵ㄊ羌僭O(shè)可以控制煤矸石的燃燒，將燃燒產(chǎn)生的煙 氣進(jìn)行凈化

9、，釋放的熱量則加以利用18。這種方法雖然比較新穎，但它存在的問題也比較多，一是無論采用什么方法控制煤矸石的燃燒，都無法使其達(dá)到完全燃燒的狀態(tài)；二是排放的有毒煙氣需要進(jìn)行二次燃燒及其它處理方法加以凈化；三是處理設(shè)備需進(jìn)行防腐處理，使得成本增加。泡沫法是把灌漿和泡沫滅火結(jié)合在一起，先向火區(qū)灌漿，再注入泡沫滅火劑，以此隔絕氧氣與吸收熱量，降低煤矸石溫度，縮短滅火時間，達(dá)到滅火目的。對煤矸石山的治理可以得到良好的生態(tài)效益，有效的改善煤矸石山周圍的環(huán)境，最直接的方法就是對其進(jìn)行綠化，以植被綠化為主體的生態(tài)恢復(fù)方式，最大的特點(diǎn)就是投資少、見效快、處理量大。由于處理后的土地利用價(jià)值大大的提升， 因此還可以獲

10、得長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國煤炭產(chǎn)量的不斷增大，礦山環(huán)境治理與恢復(fù)工程在實(shí)踐中遇到問題的會越來越多，所以，對于急需相關(guān)專家和學(xué)者展 開這方面的研究。3. 煤矸石山自燃特征及影響因素3.1 自燃所需的條件 煤矸石山的自燃現(xiàn)象，屬于一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)發(fā)生必須具備三個基本條件，即可燃物含量充足，氧氣供應(yīng)充足，蓄熱條件良好并達(dá)到高于維持燃燒的溫度。1.可燃物 煤矸石山中的可燃物主要是指硫化物、炭質(zhì)巖、油頁巖、殘存煤及殘余木料等，這些物質(zhì)都會使煤矸石的自燃傾向性變大，極易發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，導(dǎo)致煤矸石的自燃，它們存在的狀態(tài)、含量的多少，會直接影響到煤矸石燃燒的速度、強(qiáng)度和規(guī)模?？扇嘉镏械牧蚴且?/p>

11、發(fā)煤矸石自燃的一個重要因素，煤矸石中的硫的形態(tài)主要 包括硫鐵礦、硫酸鹽、單質(zhì)硫和有機(jī)硫化物等四種。其中硫鐵礦極易燃燒，我國煤矸石中硫鐵礦含硫量占全硫量的 75%左右，它與煤共生或者伴生在煤巖裂隙中； 硫酸鹽幾乎不燃燒；單質(zhì)硫雖然容易燃燒，但是在全硫量中的比例非常?。挥袡C(jī) 硫化物可燃，但它常以-SH 和-S-S-等基團(tuán)形式分布在煤基分子的多環(huán)結(jié)構(gòu)中，存在于煤矸石的殘存煤中。因此，煤矸石中的硫鐵礦是導(dǎo)致煤矸石自燃的關(guān)鍵因素。硫鐵礦一般分為黃鐵礦、白鐵礦和磁鐵礦等，黃鐵礦（FeS2）是煤矸石中的主要成分，黃鐵礦的燃點(diǎn)低，約為 290；耗氧量較?。贿€原性較強(qiáng)，在低溫條件下極易與空氣中的氧氣發(fā)生一系列的

12、氧化還原反應(yīng)，并放出大量的熱。尤其是在洗煤破碎過程中體積較大的黃鐵礦，其自身的氧化外膜破壞后，比表面積變大，極易氧化自燃放熱，使矸石山內(nèi)部溫度升高，當(dāng)某一局部達(dá)到一定溫度后，引發(fā)其他可燃物的燃燒，對于黃鐵礦含量相對較大的氧化反應(yīng)中，它可以加快反應(yīng)速度和強(qiáng)度。2.氧氣供應(yīng) 煤矸石自燃必須要有充足的氧氣供應(yīng)，才能保證可燃物的低溫氧化反應(yīng)的順利進(jìn)行。煤矸石山內(nèi)部燃燒的氧氣是通過煤矸石顆粒間空隙進(jìn)入的，空隙的大小 和風(fēng)速決定了煤矸石自燃的強(qiáng)度。煤矸石的排放形式大多是自卸堆積，煤矸石沿斜坡的滾落具有一定的分選性，也稱粒度偏析現(xiàn)象，即大顆粒的煤矸石滾落到山體底層，較細(xì)顆粒留在頂部，而中等粒度的則分布在山體

13、的中部。因此，煤矸石山底部的透氣性較好，具有良好的供氧通道，而頂部氣體流通和熱量散失速率較低。3.蓄熱條件與溫度 從緩慢升溫階段到自動加速升溫階段時的溫度稱為煤矸石自燃的臨界溫度，大部分煤矸石的臨界溫度在 809021之間。當(dāng)煤矸石中氧化反應(yīng)所釋放出來的 熱量不能夠及時的散發(fā)到煤矸石山外部時，就會使得矸石山內(nèi)局部溫度急劇升高， 一旦達(dá)到煤矸石的臨界溫度后，煤矸石的氧化反應(yīng)速度會迅速提高，很快進(jìn)入自 燃狀態(tài)。煤矸石山的表層煤矸石氧化后，產(chǎn)生的熱量很難蓄積下來，局部溫度達(dá)不到 臨界溫度，煤矸石中的可燃物很難自燃。但是在表層 3m 以下深度處，即使氧化 條件較表層差，但氧化反應(yīng)釋放出的熱量可以保存并

14、蓄積起來。氧化反應(yīng)中，以 硫鐵礦為主的硫化物，經(jīng)微生物的催化作用，在有水和空氣的條件下首先發(fā)生氧 化反應(yīng)，并釋放熱量：4FeS2+15O2+2H2O ¾催¾化¾劑® 2Fe(SO4)3+2H2SO4（2-1）由于煤矸石的導(dǎo)熱性較差，熱量不斷積聚，使得矸石山內(nèi)部的溫度逐漸升高， 并在煤矸石空隙中產(chǎn)生熱對流，加劇了硫化物的氧化反應(yīng)：4FeS2+12O2+6H2O=Fe2 (SO4)3+2H2(OH)3+3H2SO4+2S（2-2）當(dāng)達(dá)到一定溫度時，硫和硫鐵礦開始氧化燃燒，矸石山內(nèi)部的溫度不斷升高，達(dá)到一定溫度時引燃煤矸石中的其他可燃物，形成自燃。煤矸石山自燃

15、的條件不僅是要達(dá)到煤矸石燃燒的臨界溫度，還要保證矸石山 內(nèi)部溫度的持續(xù)穩(wěn)定。煤矸石自燃會生成大量的可燃和有毒氣體，如 H2S、SO2、 CO、CH4、N2、NH3 等，這些氣體有助于煤矸石的進(jìn)一步燃燒，燃燒放出的熱量 會在煤矸石的孔隙中形成熱對流，使熱量逐漸向四周及山體表層擴(kuò)散，在局部燃 燒區(qū)周圍形成一個預(yù)熱區(qū)。預(yù)熱區(qū)溫度升高后，煤矸石的氧化反應(yīng)加速，放熱升溫，使得可燃物發(fā)生自燃，預(yù)熱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀紖^(qū)，在其周圍又會形成新的預(yù)熱區(qū)，經(jīng)歷這樣循環(huán)往復(fù)過程后，整個煤矸石山全部發(fā)生自燃。3.2 煤矸石山自燃的特殊性 煤矸石山根據(jù)其堆積形態(tài)、煤矸石顆粒等級等特點(diǎn)，其自燃具有以下特性：1.煤矸石山的自燃具有

16、一般大體積多孔床燃燒的特征（1）煤矸石山自燃后，會同多孔床一樣，山體內(nèi)存在燃燒區(qū)、燃盡區(qū)、預(yù)熱區(qū)和非燃燒區(qū)，燃燒區(qū)內(nèi)的溫度達(dá)到最高，燃燒區(qū)不斷轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，燃燒區(qū)域擴(kuò)大后燃燒強(qiáng)度也會增強(qiáng)。燃燒區(qū)的維持與擴(kuò)散的關(guān)鍵是產(chǎn)熱速率大于或者等于散熱速率。（2）煤矸石山的自燃強(qiáng)度、燃燒區(qū)的蔓延速度與山體的供氧機(jī)制有很大的 關(guān)系，通常情況下，山體的燃燒區(qū)總是向有新鮮空氣進(jìn)入的區(qū)域蔓延。對于山體深部氧氣的供應(yīng)，主要包括兩種方式，一是分子擴(kuò)散，一是空氣對流，在煤矸石山自熱的初始階段以分子擴(kuò)散為主，自燃后空氣對流則起主要作用，隨著供氧速率的增加，燃燒強(qiáng)度會逐漸變強(qiáng)。山體內(nèi)部熱量可以通過熱傳導(dǎo)和空氣對流的形 式釋放，

17、不同的散熱機(jī)制具有不同的散熱能力22-23。2.煤矸石山的自燃具有自身的燃燒特性（1）我國大部分礦區(qū)采用山谷自然堆積的排矸方式，這種排矸工藝形成的 煤矸石山的特點(diǎn)是，山體坡度較大，矸石山暴露面積極大，堆積斜坡結(jié)構(gòu)非常疏 松，這就為煤矸石自燃提供了良好的供氧條件，一旦超過煤矸石自燃的臨界溫度，就會引起煤矸石加速自燃。同時傾倒的新煤矸石正好成為添加材料，造成煤矸石 燃燒、熄滅、再燃燒的惡性循環(huán)。所以，煤矸石山燃燒的時間很長，燃燒面積很大，分布很廣。（2）煤矸石山的燃燒發(fā)展過程非常緩慢且具有一定隱蔽性。自燃初期，煤矸石燃燒的面積小，同時燃燒的強(qiáng)度與釋放的熱量也很小，處于緩慢的陰燃狀態(tài)。隨著燃燒范圍不

18、斷的擴(kuò)大，燃燒所產(chǎn)生的熱量不斷的蓄積，燃燒區(qū)越來越大，局部燃燒區(qū)達(dá)到一定溫度時，會將燃燒區(qū)發(fā)展到煤矸石山表面，在殘煤含量較高的山體，甚至?xí)霈F(xiàn)明火。（3）煤矸石山的燃燒屬于不完全燃燒24。煤矸石中可燃物的氧化或者放熱速度是由供氧速率控制的，由于煤矸石的自燃首先是從煤矸石山的深部開始的，空氣通過煤矸石間的孔隙通道進(jìn)入內(nèi)部的速度非常緩慢，煤矸石中的可燃物不能夠得到足夠的氧氣，在受到氧氣供應(yīng)不足的條件限制時，煤矸石的燃燒屬于不完 全燃燒，產(chǎn)生大量的有毒氣體，如 H2S、SO2、CO 等，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。3.煤矸石自燃后的酸度特征 煤矸石自燃后的另一個特征是酸化，煤矸石山中的酸來自于煤矸石自燃過程釋

19、放出的酸性元素（硫）。煤矸石中有機(jī)硫與單質(zhì)硫的含量相對較低，而且單質(zhì)硫 主要是煤矸石在氧化和自燃過程中的產(chǎn)物，這些單質(zhì)硫在高溫條件下大部分會由于升華而暴露在煤矸石山的表面，因此，處于正在燃燒狀態(tài)的煤矸石山表層中單質(zhì)硫的含量是最高的，可以聞到強(qiáng)烈的酸味，這種現(xiàn)象在燃燒劇烈的煤矸石山表 面隨處可見。3.3煤矸石山自燃治理方法及防治措施研究為加強(qiáng)煤礦矸石山災(zāi)害防范與治理工作，根據(jù)國家有關(guān)法律、法規(guī)的有關(guān)規(guī)定，國家煤礦安全監(jiān)察局于 2005 年組織制定了煤礦矸石山災(zāi)害防范與治理工作 指導(dǎo)意見，該指導(dǎo)意見中明確規(guī)定了矸石山設(shè)計(jì)選址、矸石山日常管理、矸石山堆放方式及預(yù)防自燃、矸石山自燃防范、矸石山滅火、煤

20、矸石崩塌防范及矸石山綜合利用等其它十一條意見。對于自燃矸石山的滅火工作，應(yīng)遵循盡早進(jìn)行的 原則。矸石山滅火工作宜采取先易后難、先下后上、由外向里的滅火策略，防止 滅火過程中發(fā)生災(zāi)害性事故39。通過對煤矸石山自燃的治理研究，可以有效的預(yù)防矸石山堆積所導(dǎo)致的地質(zhì)和生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生，保證了礦區(qū)的生產(chǎn)和安全；及時對矸石山進(jìn)行綜合治理，可以有效的防止礦區(qū)環(huán)境進(jìn)一步惡化，改善環(huán)境的空氣質(zhì)量，保障礦區(qū)人民的身體健康和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，會給礦區(qū)帶來巨大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，對于其它堆積散體的穩(wěn)定性分析研究也可以提供理論數(shù)據(jù)，具有相當(dāng)重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。3.4治理煤矸石山自燃的常用方法 煤矸石山煤

21、矸石的自燃具有其自身的特殊性，它的起燃與維持燃燒、其燃燒區(qū)的蔓延等，都和其它普通的火災(zāi)有著很大的區(qū)別。在對煤矸石山進(jìn)行滅火時， 不僅要結(jié)合常規(guī)滅火的一般規(guī)律，同時還要充分考慮煤矸石燃燒的特有規(guī)律，這 樣才能夠保證滅火工作的成功完成。當(dāng)然，煤矸石山煤矸石自燃治理的最好方法 就是在其燃燒前進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)防，這樣不僅會防止因煤矸石的燃燒放出的有 毒氣體危害居民的身體健康和周圍的環(huán)境，還會為滅火工作節(jié)省大量的資金。目前，國內(nèi)外對煤矸石山自燃的滅火治理方法嘗試過很多，其中一些滅火方 法的成功率相對較高，經(jīng)常被各煤礦采用，這些實(shí)用滅火方法主要包括挖出火源 冷卻法、水力滅火法、覆蓋與壓實(shí)滅火法和打孔注漿封

22、閉法等13-18。1、挖出火源冷卻法 這種方法是迄今為止最原始同時也是最有效的方法。通過經(jīng)驗(yàn)或者現(xiàn)場測試確定著火區(qū)及自熱區(qū)，將此區(qū)域的煤矸石挖出，澆水冷卻或者使其自然冷卻，再將冷卻后的煤矸石回填。這種方法因其操作時比較簡單且成功率也較高，所以采用的最多。但這種方法也有其局限性，它只適用于自燃初級階段的煤矸石山，對于燃燒范圍廣、強(qiáng)度大的煤矸石山，機(jī)械設(shè)備和人員都很難接近火區(qū)，工作難度和工作量很大，且伴有一定的危險(xiǎn)性，所以不宜采用這種方法。因此能否采用這種方法的關(guān)鍵是提前確定煤矸石山的自熱和自燃區(qū)，在其燃燒區(qū)蔓延前就將火勢控制住。2、水力滅火法 水因其廉價(jià)易得，具有良好的吸熱降溫的特性，使得其成為

23、滅火工程中最常用的滅火劑，世界許多煤礦在早期都會采用水來進(jìn)行煤矸石山的燃燒治理，具體 方法是在煤矸石山表面制作面積適宜的田塊，依次將水注入其中，待其滲透一段 時間后在表面覆土并進(jìn)行碾壓；另一種方法是用鉆機(jī)鉆孔的方法，將水用泥漿泵 注入孔內(nèi)或者直接在煤矸石燃燒區(qū)表面進(jìn)行噴水降溫滅火。當(dāng)然這種滅火方法也 有其不足之處，最明顯的問題就是無法控制誰在煤矸石山內(nèi)部的流動方向，在煤 矸石山內(nèi)部空隙較大的地方，水會沿著空隙通道一直流淌，燃燒區(qū)或者自熱區(qū)不 能有效的得到滅火和降溫處理，燃燒仍然會持續(xù)下去。這種情況下，雖然可以通 過增加注水量和注水時間，或者加密注水孔的間距的方法來改善滅火效果，但是 這樣做的成

24、本就會相應(yīng)的增加，煤礦的供水量也很難達(dá)到要求。此外，這種方法 還有一個最大的問題，就是經(jīng)過注水后的煤矸石山的空隙會增加，這就大大增加 了空氣進(jìn)入山體內(nèi)部的機(jī)會，供氧量增加后，煤矸石的自燃傾向性會增加，這就 會使得處理后的煤矸石發(fā)生復(fù)燃。這種方法可以和其它滅火方法結(jié)合，作為輔助措施來改善滅火效果。3、覆蓋與壓實(shí)滅火法 在煤矸石山表面覆蓋一定厚度的粘性土等阻燃物質(zhì)后，進(jìn)行壓實(shí)，以此來隔絕空氣進(jìn)入煤矸石山，山體內(nèi)部空氣消耗完后燃燒煤矸石就會熄滅，這是國外早 起常用的防治煤矸石山自燃的方法，美國曾經(jīng)廣泛采用這種方法，但是成功率較 低，只能達(dá)到 40%左右。覆蓋的粘性土只有在濕潤狀態(tài)下才會發(fā)揮很好的密封

25、性 能，如果覆蓋已經(jīng)燃燒的煤矸石，或覆蓋層厚度很小，遇到高溫燃燒的煤矸石后， 經(jīng)過一段時間表土密封層很難保持濕潤狀態(tài)，會隨著溫度的升高而逐漸干燥和開 裂，達(dá)不到密封的效果。所以這種方法目前主要用于控制煤矸石山火勢和污染強(qiáng)度。我國的一些煤礦也會采用這種方法來進(jìn)行煤矸石山自燃的治理，如韓城礦務(wù) 局桑樹坪煤礦、陽煤集團(tuán)陽泉礦區(qū)等在進(jìn)行煤矸石山滅火過程中都取得了很好的效果，成功的關(guān)鍵是要在覆土壓實(shí)前，將煤矸石進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍靥幚?。他們采用這種方法的同時還結(jié)合了分層碾壓法，即在堆放煤矸石時，分層堆放，每層之間用不可燃物如黃土等隔離并壓實(shí)，煤矸石堆表面再覆蓋黃土并壓實(shí)，這種方法可 以有效的預(yù)防煤矸石的自燃。

26、4、打孔注漿滅火法 打孔注漿滅火法是近幾年我國使用最多的方法。這種方法主要是為了使煤矸石山煤矸石不再具備燃燒條件，從含硫可燃物和通風(fēng)供氧這兩個條件著手，并充 分利用阻燃、充填漿液中的水降低深部區(qū)域煤矸石的溫度，用泥漿、石灰漿包裹 含硫可燃物、充填空隙，隔絕氧氣，以達(dá)到阻斷燃燒、降溫、滅火的目的。首先， 制備滅火漿液，一般采用堿性溶液，使煤矸石燃燒釋放的二氧化硫、一氧化碳和 硫化氫等酸性氣體與其反應(yīng)，生成硫酸鈣、碳酸鈣和鋁硅酸鹽，它們不僅能夠填 充在矸石的空隙，隔絕煤矸石與外界氧氣交換的通道，而且這些性能穩(wěn)定的鹽類 物質(zhì)附著在矸石顆粒表面，包裹在矸石顆粒的表面，能降低矸石顆粒的可燃性， 同時，堿

27、性環(huán)境下的煤矸石，硫桿菌類細(xì)菌很難生長，可以降低煤矸石中黃鐵礦 的氧化反應(yīng)速率，抑制煤矸石的自燃；另外，漿液中的水能夠充分與高溫矸石接 觸，降低深部煤矸石的溫度。然后，在煤矸石山煤矸石燃燒區(qū)表面進(jìn)行鉆孔，用 泥漿泵將滅火漿液注入到煤矸石山深部，經(jīng)過一定時間的滲透和擴(kuò)散，在煤矸石 山內(nèi)部設(shè)計(jì)深度處形成嚴(yán)密的密封層，達(dá)到防止煤矸石自燃的效果。同時，這種方法也存在它的缺點(diǎn)，即鉆孔過程中的難度和危險(xiǎn)性比較大。在進(jìn)行煤矸石山斜坡著火區(qū)注漿工作是比較困難的，一些大型的煤矸石山的斜坡長度一般都在百米以上，在坡面上鉆孔的難度很大，有時不得不用手持式鑿巖機(jī)鉆孔。在煤矸石燃燒區(qū)進(jìn)行施工，首先由于燃燒后產(chǎn)生的高溫，

28、使得施工人員的作業(yè)環(huán)境極其惡劣，其次，由于煤矸石燃燒劇烈的區(qū)域在山體深部，在鉆孔注漿時，滅火漿液液化后的蒸汽會從注漿孔內(nèi)噴出，甚至還會有蒸汽爆炸的危險(xiǎn)，對施工人員的人身安全造成危害。所以，在用此法進(jìn)行滅火時，一定要解決好以上的問 題，才能夠得到良好的效果。3.5 治理煤矸石山自燃的新方法 由于采用傳統(tǒng)的滅火方法對煤矸石山進(jìn)行治理都存在相應(yīng)的缺陷，得不到良好的滅火效果，所以，國內(nèi)外的研究人員在總結(jié)了以上滅火方法的特點(diǎn)后，試驗(yàn)出了一些新的滅火方法如下：1、控制燃燒法 美國曾在對控制燃燒法的進(jìn)行過工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)中讓煤矸石在受控的條件下燃燒，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)凈化后排出，而熱量則加以利用。這種方法雖然比較

29、新穎， 但它存在的問題也比較多，一是煤矸石山一直處于不完全燃燒狀態(tài)，無法達(dá)到完 全滅火的效果。二是排放的煙氣中含有大量的二氧化硫、一氧化碳、硫化氫等有 毒有害氣體，凈化處理工序繁瑣。三是煙氣溫度高，腐蝕性大，設(shè)備加強(qiáng)防腐處 理后成本增加，難度增大18。2、泡沫法 泡沫法是結(jié)合了灌漿和泡沫滅火兩種措施，首先向火區(qū)灌漿，再注入泡沫滅火劑，泡沫是由 95%的惰性氣體和 5%的水組成的中等密度滅火劑，水起到吸熱 的作用，以此隔絕氧氣與吸收熱量，降低矸石溫度，縮短滅火時間，以達(dá)到滅火 目的。美國用這種方法在多次試驗(yàn)中取得了成功，這種方法的降溫速度可以達(dá)到 0.75/min。煤矸石山在自然環(huán)境中，關(guān)鍵問題

30、的如何保持煤矸石空隙中泡沫的 長期穩(wěn)定性，西安科技大學(xué)曾試驗(yàn)過凝膠滅火法，這種方法可以長時間密封噴灑 區(qū)，但同時也存在在高溫作用下，凝膠發(fā)生脫水的現(xiàn)象，影響滅火效果2040。3、低溫惰性氣體法 低溫惰性氣體法是將液氮或固體二氧化碳等惰性氣體注入煤矸石山自燃區(qū)，這種方法可以快速降溫，同時在其相變（液態(tài)、固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)）過程中體積膨脹 率極高，形成冷高壓波，從注入點(diǎn)迅速擴(kuò)散到整個自燃區(qū)，將煤矸石空隙中的高溫氣體擠出，隔絕空氣，達(dá)到滅火降溫的雙重效果。這種方法的另一特點(diǎn)是降溫持續(xù)時間長，直至將燃燒煤矸石溫度降到臨界點(diǎn)以下，最低溫度可達(dá)-100以下 并保持相當(dāng)長一段時間。另外，降溫滅火范圍比注漿滅火法和

31、澆水法要大的多， 低溫氣體受壓力和浮力作用會擴(kuò)散至整個自燃區(qū)，而注漿和澆水法的滅火漿液受 到重力的作用，只會向自燃區(qū)下部滲透，很難影響到整個自燃區(qū)。雖然這種方法 的降溫效果明顯，但是也存在一定的問題，對于大型煤矸石山的自燃，采用此法 時會需要大量的惰性氣體，材料供應(yīng)和成本控制就會成為關(guān)鍵問題。3.6 煤矸石山自燃的防治1.防治原則 預(yù)防煤矸石山自燃是一項(xiàng)長期而又艱巨的任務(wù)，為了保證科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、有效地預(yù)防煤矸石山的自燃，并充分考慮與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相結(jié)合的原則，制定預(yù)防煤 矸石山自燃的措施或方案時，應(yīng)遵循以下原則：（1）盡量降低煤矸石中可燃物的含量，特別是黃鐵礦和煤的含量；（2）降低煤矸石的活化能，

32、可以采取阻燃劑的方法提高煤矸石自燃的臨界溫 度；（3）降低煤矸石山的堆積高度，使得煤矸石山高度不超過其臨界高度則不會 發(fā)生自燃，可采用分層碾壓的方式排矸，排矸時要盡量減小山體坡面的坡度；（4）采取隔氧措施，對煤矸石山表面進(jìn)行碾壓封閉，使得氧氣很難進(jìn)去山體 內(nèi)部；（5）定期對煤矸石山表面進(jìn)行溫度監(jiān)測，確定自燃危險(xiǎn)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)溫度異常 時立即采取有效的防治措施。2.防治措施 在確定煤矸石山自燃防治措施方案時一定要遵循合理性、嚴(yán)密性、經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性及有效性等原則，根據(jù)當(dāng)?shù)孛喉肥降奶匦?，制定出以預(yù)防為主，治理為 輔，科學(xué)有效的施工方案?，F(xiàn)階段采用比較廣泛且防治效果較好的綜合措施主要 有以下幾種：（1）可以從源頭上消除煤矸石的自燃，即在堆放煤矸石之前采取一定的措施 來預(yù)防煤矸石的自燃