邢 超
(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)
引 言
作为世界上最大的煤炭生产和消费大国，我国在煤矸石的综合利用方面取得了较大成果，但超过70%的煤矸石仍然只能以填埋、堆积的方式进行处置。据不完全统计，截至2019年全国煤矸石历年堆积量已达45亿t以上，总占地约22万hm2，此外每年还以1.7亿t左右的速度持续增加。大量的煤矸石堆积不仅浪费土地资源，而且由于煤矸石成分不同，约1/4的煤矸石具有自燃倾向或正在发生自燃[1]，释放出大量的SO2、CO、H2S等有毒有害气体，造成大气、水体的污染，甚至还容易引发溃坝、泥石流等次生灾害。目前主流的自燃煤矸石山灭火方法有黄土覆盖碾压法、注浆法、挖除法，以上方法因工艺简单被普遍使用，但存在灭火周期长、见效慢的缺点，除此之外还有惰性气体法，该方法由于造价高而极少被使用。因此,摸索新的自燃煤矸石山灭火方法，对于治理自燃煤矸石山及保护矿山生态环境具有深远的意义。
阳泉煤业(集团)有限责任公司三矿产生的煤矸石属于自燃倾向性较高的煤矸石，自然静置约60 d以上便会因氧化而发生自燃。以阳煤三矿大垴梁煤矸石山作为试验地点，结合自燃矸石山注浆灭火技术[2]，引入一种新型矿用防灭火凝胶材料，对使用该材料实施灭火后的矸山进行长期内部温度跟踪监测，以研究矿用灭火凝胶在自燃矸石山中的灭火及抑制复燃效果。
1 矿用灭火凝胶灭火机理
目前矿用防灭火凝胶在煤层灭火中应用较多，但在自燃矸石山灭火案例中鲜有报道[3-4]。本次试验所用防灭火凝胶为普瑞特JTF-1型材料(以下简称“普瑞特”)，该材料分为A料、B料，是近年来用于防灭火的一项新技术，本身无毒、无刺激性且具有环保性能。煤矸石在排放过程中会存在空隙，煤矸石发生自燃后内部形成温度梯度，引起热对流，从而加速了外部空气从空隙深入矸石山内部，导致矸石山长时间维持自燃状态。将普瑞特注入火区后，能把泡沫中的水固结在凝胶体内，在复杂多孔煤矸石高温体内有效扩散堆积，并有效固存在煤矸石裂隙空间内，避免了黄泥灌浆和其他泡沫大量水流失或者溃浆现象。凝胶体缓慢吸热降温，避免发生瞬时大量高温水汽物理爆炸及次生水煤气化学爆炸，是一项采用自燃煤矸石山的安全降温、封堵冷却技术。
2 工程应用
由于三矿矸石山在堆积过程中，采用黄土隔离层分层覆盖并碾压，造成浆液材料的穿层扩散难度大。为了解决浆液渗透难和达到完全灭火的目的，经过对固定深度连续注浆和下行式分层顺序注浆两种方法进行对比分析，决定对该堆存条件下的矸石山选用下行式分层顺序注浆的方法。通过前期工程措施实施降温后，开展连续的定期温度监测，得出普瑞特材料在自燃矸石山灭火工作中的应用效果。
本次试验区选在阳煤集团三矿大垴梁煤矸石山平面上自燃程度较高的区域，试验面积24 m2。在试验区域布置4排，每排3个钻孔，共计12个钻孔，钻孔间排距均为2 m，布置图如第168页图1所示。现场的主要实施步骤如下。
第一步，针对上部氧化区，布置深度为3 m的浅钻孔，灌注普瑞特防灭火材料，通过材料的周围扩散堆积及向下渗透，置换出高温煤矸体内的氧化热量，降低浅部氧化区温度。
第二步，针对下部氧化区，将钻孔延伸至6 m，通过渗透、热量置换降低下部氧化区温度。
第三步，对1#～12#孔在完成灌注后开展连续6 d观测后进行封孔。
第四步，在试验区域外围3 m～5 m处布置1#和2#效果检测孔，同时在距11#孔12 m处布置为实施凝胶灭火的对比温度观测孔，开展3个月的定期温度监测。
图1 试验布置图
3 治理效果分析
1) 在开始灌注凝胶材料前，1#～12#孔的温度平均在600 ℃左右，在完成注浆后的温度平均在100 ℃左右，完成注浆后温度大幅度降低，说明普瑞特JTF-1型材料在自燃矸石山灭火应用中的降温效率高。
2) 现场施工完成后，通过后续3个月的定期测温，1#和2#检测孔的温度也能够保持在95 ℃以下。如图2所示，1#和2#检测孔的温度接近，因此只选用一个做数据对比。
图2 定期测温图
3) 本次现场注浆过程持续时间为两周、后期温度计检测持续时间为4个月，期间均未发生气爆等任何安全问题，说明普推特JTF-1型材料能在安全稳定的前提下实现矸石山自燃区域的快速降温。
4 结语
1) 普瑞特JTF-1型材料能够在自燃矸石山灭火工作中能够安全的达到灭火降温和维持温度稳定的作用。
2) 项目实施完毕后，试验区未出现温度上升现象，可知本试验所采用的技术及材料在矸石自燃治理中针对性强，具有一定的优越性。
