礦用防滅火凝膠在自燃矸石山中的應用與研究

邢 超

(陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

作為世界上最大的煤炭生產和消費大國，我國在煤矸石的綜合利用方面取得了較大成果，但超過70%的煤矸石仍然只能以填埋、堆積的方式進行處置。據不完全統計，截至2019年全國煤矸石歷年堆積量已達45億t以上，總占地約22萬hm2，此外每年還以1.7億t左右的速度持續增加。大量的煤矸石堆積不僅浪費土地資源，而且由于煤矸石成分不同，約1/4的煤矸石具有自燃傾向或正在發生自燃[1]，釋放出大量的SO2、CO、H2S等有毒有害氣體，造成大氣、水體的污染，甚至還容易引發潰壩、泥石流等次生災害。目前主流的自燃煤矸石山滅火方法有黃土覆蓋碾壓法、注漿法、挖除法，以上方法因工藝簡單被普遍使用，但存在滅火周期長、見效慢的缺點，除此之外還有惰性氣體法，該方法由于造價高而極少被使用。因此,摸索新的自燃煤矸石山滅火方法，對于治理自燃煤矸石山及保護礦山生態環境具有深遠的意義。

陽泉煤業(集團)有限責任公司三礦產生的煤矸石屬于自燃傾向性較高的煤矸石，自然靜置約60 d以上便會因氧化而發生自燃。以陽煤三礦大垴梁煤矸石山作為試驗地點，結合自燃矸石山注漿滅火技術[2]，引入一種新型礦用防滅火凝膠材料，對使用該材料實施滅火后的矸山進行長期內部溫度跟蹤監測，以研究礦用滅火凝膠在自燃矸石山中的滅火及抑制復燃效果。

1 礦用滅火凝膠滅火機理

目前礦用防滅火凝膠在煤層滅火中應用較多，但在自燃矸石山滅火案例中鮮有報道[3-4]。本次試驗所用防滅火凝膠為普瑞特JTF-1型材料(以下簡稱“普瑞特”)，該材料分為A料、B料，是近年來用于防滅火的一項新技術，本身無毒、無刺激性且具有環保性能。煤矸石在排放過程中會存在空隙，煤矸石發生自燃后內部形成溫度梯度，引起熱對流，從而加速了外部空氣從空隙深入矸石山內部，導致矸石山長時間維持自燃狀態。將普瑞特注入火區后，能把泡沫中的水固結在凝膠體內，在復雜多孔煤矸石高溫體內有效擴散堆積，并有效固存在煤矸石裂隙空間內，避免了黃泥灌漿和其他泡沫大量水流失或者潰漿現象。凝膠體緩慢吸熱降溫，避免發生瞬時大量高溫水汽物理爆炸及次生水煤氣化學爆炸，是一項采用自燃煤矸石山的安全降溫、封堵冷卻技術。

2 工程應用

由于三礦矸石山在堆積過程中，采用黃土隔離層分層覆蓋并碾壓，造成漿液材料的穿層擴散難度大。為了解決漿液滲透難和達到完全滅火的目的，經過對固定深度連續注漿和下行式分層順序注漿兩種方法進行對比分析，決定對該堆存條件下的矸石山選用下行式分層順序注漿的方法。通過前期工程措施實施降溫后，開展連續的定期溫度監測，得出普瑞特材料在自燃矸石山滅火工作中的應用效果。

本次試驗區選在陽煤集團三礦大垴梁煤矸石山平面上自燃程度較高的區域，試驗面積24 m2。在試驗區域布置4排，每排3個鉆孔，共計12個鉆孔，鉆孔間排距均為2 m，布置圖如第168頁圖1所示。現場的主要實施步驟如下。

第一步，針對上部氧化區，布置深度為3 m的淺鉆孔，灌注普瑞特防滅火材料，通過材料的周圍擴散堆積及向下滲透，置換出高溫煤矸體內的氧化熱量，降低淺部氧化區溫度。

第二步，針對下部氧化區，將鉆孔延伸至6 m，通過滲透、熱量置換降低下部氧化區溫度。

第三步，對1#～12#孔在完成灌注后開展連續6 d觀測后進行封孔。

第四步，在試驗區域外圍3 m～5 m處布置1#和2#效果檢測孔，同時在距11#孔12 m處布置為實施凝膠滅火的對比溫度觀測孔，開展3個月的定期溫度監測。

圖1 試驗布置圖

3 治理效果分析

1) 在開始灌注凝膠材料前，1#～12#孔的溫度平均在600 ℃左右，在完成注漿后的溫度平均在100 ℃左右，完成注漿后溫度大幅度降低，說明普瑞特JTF-1型材料在自燃矸石山滅火應用中的降溫效率高。

2) 現場施工完成后，通過后續3個月的定期測溫，1#和2#檢測孔的溫度也能夠保持在95 ℃以下。如圖2所示，1#和2#檢測孔的溫度接近，因此只選用一個做數據對比。

圖2 定期測溫圖

3) 本次現場注漿過程持續時間為兩周、后期溫度計檢測持續時間為4個月，期間均未發生氣爆等任何安全問題，說明普推特JTF-1型材料能在安全穩定的前提下實現矸石山自燃區域的快速降溫。

4 結語

1) 普瑞特JTF-1型材料能夠在自燃矸石山滅火工作中能夠安全的達到滅火降溫和維持溫度穩定的作用。

2) 項目實施完畢后，試驗區未出現溫度上升現象，可知本試驗所采用的技術及材料在矸石自燃治理中針對性強，具有一定的優越性。