礦用防滅火凝膠在自燃矸石山中的應(yīng)用與研究

邢 超

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)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(jìn)行處置。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2019年全國煤矸石歷年堆積量已達(dá)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(xù)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(fā)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(fā)潰壩、泥石流等次生災(zāi)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(hù)礦山生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義。

陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司三礦產(chǎn)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(fā)生自燃。以陽煤三礦大垴梁煤矸石山作為試驗地點，結(jié)合自燃矸石山注漿滅火技術(shù)[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(jìn)行長期內(nèi)部溫度跟蹤監(jiān)測，以研究礦用滅火凝膠在自燃矸石山中的滅火及抑制復(fù)燃效果。

1 礦用滅火凝膠滅火機(jī)理

目前礦用防滅火凝膠在煤層滅火中應(yīng)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(shù)，本身無毒、無刺激性且具有環(huán)保性能。煤矸石在排放過程中會存在空隙，煤矸石發(fā)生自燃后內(nèi)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(nèi)部，導(dǎo)致矸石山長時間維持自燃狀態(tài)。將普瑞特注入火區(qū)后，能把泡沫中的水固結(jié)在凝膠體內(nèi)，在復(fù)雜多孔煤矸石高溫體內(nèi)有效擴(kuò)散堆積，并有效固存在煤矸石裂隙空間內(nèi)，避免了黃泥灌漿和其他泡沫大量水流失或者潰漿現(xiàn)象。凝膠體緩慢吸熱降溫，避免發(fā)生瞬時大量高溫水汽物理爆炸及次生水煤氣化學(xué)爆炸，是一項采用自燃煤矸石山的安全降溫、封堵冷卻技術(shù)。

2 工程應(yīng)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(kuò)散難度大。為了解決漿液滲透難和達(dá)到完全滅火的目的，經(jīng)過對固定深度連續(xù)注漿和下行式分層順序注漿兩種方法進(jìn)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(xù)的定期溫度監(jiān)測，得出普瑞特材料在自燃矸石山滅火工作中的應(yīng)用效果。

本次試驗區(qū)選在陽煤集團(tuán)三礦大垴梁煤矸石山平面上自燃程度較高的區(qū)域，試驗面積24 m2。在試驗區(qū)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(xiàn)場的主要實施步驟如下。

第一步，針對上部氧化區(qū)，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(kuò)散堆積及向下滲透，置換出高溫煤矸體內(nèi)的氧化熱量，降低淺部氧化區(qū)溫度。

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

第三步，對1#～12#孔在完成灌注后開展連續(xù)6 d觀測后進(jìn)行封孔。

第四步，在試驗區(qū)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(jiān)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(yīng)用中的降溫效率高。

2) 現(xiàn)場施工完成后，通過后續(xù)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(shù)據(jù)對比。

圖2 定期測溫圖

3) 本次現(xiàn)場注漿過程持續(xù)時間為兩周、后期溫度計檢測持續(xù)時間為4個月，期間均未發(fā)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(wěn)定的前提下實現(xiàn)矸石山自燃區(qū)域的快速降溫。

4 結(jié)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(dá)到滅火降溫和維持溫度穩(wěn)定的作用。

2) 項目實施完畢后，試驗區(qū)未出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象，可知本試驗所采用的技術(shù)及材料在矸石自燃治理中針對性強(qiáng)，具有一定的優(yōu)越性。