国内外自燃煤矸石矿井常用灭火技术简介
自燃煤矸石山的治理技术可分为预防和治理两个方面。在如何防治煤矸石山自燃方面，前苏联、美国等国外主要产煤国积累了较多的经验，而我国煤矸石山灭火技术的研究和实践起步较晚。据报道，美国的治理成功率不到50%，而中国更低。到目前为止，还没有一个成功的经验和非常成功的例子。大部分都是前期成功，后期失败，治理几年再出现。
我国在煤矸石山灭火技术方面也进行了长期的探索。一开始用的是清水灭火法，现在证明不仅不能灭火，还会造成更严重的问题。自燃严重的矸石山，少量水进入形成水蒸气，与热的矸石反应产生氢气。氢气的爆炸危险性远大于一氧化碳，且爆炸下限低，对点燃火源的要求低，发生爆炸事故的可能性大。另外，水在垃圾场内部无法控制其流向，也无法保证所有火区都被水扑灭。由于水的作用，矸石山的孔隙度增加，通风性能大大提高。只要停止灌水，在供氧充足的情况下，残余火区会迅速复燃发展。所以消防实践的一个教训就是不适合，清水灌不出来。
国内外煤矸石山灭火方法主要有火源挖掘降温法、注浆法、覆盖法、控制燃烧法、泡沫(凝胶)法、低温惰性气体法等。这些灭火方法都有各自的优点和适用范围，但也有一定的局限性。
一、开挖降温法
挖出自燃火区的降温法是最简单的方法，国外很多煤矿都有，国内煤矿也有。煤矸石作为燃烧能力极低的可燃物，只要破坏自燃火区的隔热能力，就能迅速向环境释放热量，失去放热反应与向环境散热平衡的条件，温度迅速下降，火区逐渐熄灭。这种方式最大的缺点就是安全问题。美国已经发生多起人员伤亡事件，大量空气进入裸露的矸石山，容易导致内部可燃气体达到爆炸极限，引发爆炸。高温下的煤矸石也使操作条件非常恶劣，对人和设备造成严重的伤害。其次，这种方法的彻底性有问题，在火熄灭后可能会在当地复燃。实际上这种方法只适用于矸石山自热的初期，但大部分矸石山缺乏监测矸石山热状态的能力，所以这种方法没有得到推广。
二、灌浆方法
注浆法是国内外广泛应用的灭火技术。注浆法是通过冷却和隔绝氧气的相互作用来达到灭火的目的。根据注浆深度的不同，可分为表面喷浆法和深层注浆法。表面喷浆法一般在煤矸石山表面喷浆或挖坑沟，在坑沟内注入石灰浆。深层注浆法的工艺过程是:先将灭火材料制成一定浓度的浆液，然后在煤矸石山火区布置一系列钻孔，再用注浆泵将灭火浆液注入煤矸石山。灭火浆液与高温煤矸石接触后，浆液中的水分迅速蒸发，带走大量热量，使煤矸石降温；泥浆中的固体物质包裹在煤矸石表面或填充在煤矸石之间的空隙中，阻隔空气；如果注浆材料中含有石灰等碱性物质，还可以吸收煤矸石燃烧释放的SO2、SO3等部分气体，有助于降低自燃煤矸石山的污染程度，石灰与SO2、SO3反应生成的亚硫酸钙和硫酸钙也有一定的隔氧作用；同时，煤矸石山内部环境由酸性变为碱性，抑制了硫杆菌的生长，从而大大降低了黄铁矿的氧化速度和煤矸石山自燃的可能性。
这种方法最大的优点是可以快速冷却燃烧的煤矸石，隔氧效果好。俄罗斯、美国、乌克兰、捷克等国对这种灭火方式评价很高。各国的注浆灭火技术大同小异。在顿巴斯矿业公司，采用的方法是用喷射器将5%的稀释石灰乳注入煤矸石堆2.5 ~ 3 m的深度。邓内克理工学院提出的方法是在注浆孔旁布置排气管，边注浆边用真空泵抽空气，使煤矸石山内部局部产生负压，有利于浆液的渗透。捷克学者提出在煤矸石山坡上布置钻孔时应遵循以下原则:下部水平钻孔的上端应高于上部水平钻孔的下端，这样可以减少空气渗入煤矸石山(图4-1)。
为了将浆液注入到较深的煤矸石山中，目前广泛采用的是煤科院杭州环境保护所提出的深层注浆灭火技术。深层注浆法通过钻孔向煤矸石山内注入浆液，灭火效果良好。但深层注浆法的缺点是火区钻孔困难。矸石山火灾主要发生在边坡上，一些大型矸石山的边坡长度往往超过百米。矸石山大面积燃烧后，很难进入火区。有害气体浓度和环境温度很高，还要防止上面的滚石伤人，使操作者有一定的危险性。
图4-1矸石山边坡钻孔布置图
三。覆盖和涂覆方法
覆盖包衣法是在煤矸石山表面覆盖黄土、粉煤灰等惰性物质，隔绝空气，防止自燃。这种方法经济，在国内外广泛使用。还可以选择合适的不燃材料或阻燃材料包裹矸石堆燃烧处，使其隔绝空气，因缺氧而熄灭。用于包裹和覆盖的材料包括磨碎的石灰石粉、淤泥和来自黄土、粘土和水泥窑的废料等。这些材料相对便宜，可以在当地获得。对于已经发生自燃的煤矸石山，如果煤矸石的温度过高，在高温的影响下，原来压实的表土会慢慢干涸，产生裂缝，最终导致封土失败，所以一定要注意养护。包裹材料采用聚氨酯泡沫，包裹紧密，无裂缝。但需要提前在矸石堆上喷水，使矸石的温度保持在燃点以下。但这种材料价格昂贵，难以在大规模灭火中推广。
目前，治理煤矸石山火灾主要采用覆盖和涂层的方法。灭火的关键是压实覆土，煤矸石必须冷却到一定程度才能覆土。阳煤集团、汾西水峪煤矿、晋城古书院煤矿、沈阳蔡屯煤矿等。都用过这种方法扑灭大面积或局部煤矸石山的火灾。
第四，受控燃烧法
这种方法最早在1980提出，并在1983获得专利。美国在西弗吉尼亚州的一个煤矸石山上进行了控制燃烧法的工业试验。基本思路是让煤矸石山在受控条件下燃烧，燃烧产生的烟气经过处理后排放，产生的热量得到利用。煤矸石山规模约9000t，计划用9个月烧完，产生热量1.2×108kJ。试验前，在煤矸石山底部水平设置了长43m、直径0.09m的不锈钢燃烧管和长15m的多孔集气管。试验风扇工作1600小时后，由于高温和负压的双重作用，燃烧管被破坏。测试到这里就停止了，估计燃烧了700吨煤矸石，产生了8.6×1.06 kJ的热量(图4-2)。
这种方法的主要问题是，即使用风机抽水进行强制供氧，煤矸石山仍处于不完全燃烧状态。烟气中含有大量的SO2、CO、H2S等有毒有害气体，需要通过二次燃烧等处理方法进行净化。另外，烟气温度高，腐蚀性强，设备尤其是管道价格昂贵，埋地防腐困难。
图4-2受控燃烧法工艺流程图
动词 （verb的缩写）泡沫法
泡沫法是将泡沫灭火剂注入火区隔绝氧气吸收热量，降低煤矸石的温度，达到灭火的目的。与普通注浆法相比，泡沫作为一种输水形式，可以使水长时间保持在煤矸石的空隙中，而不会很快从煤矸石的空隙中流失。因此，与注水法相比，具有更好的冷却和隔氧效果。
泡沫主要由水和发泡剂组成。该发泡剂发泡倍数高，能快速填充煤矸石之间的空隙，但这样的泡沫容易破碎。低发泡比的泡沫虽然耐久性强，但不一定能填补空隙。一般应选择发泡倍率适中的发泡剂，并加入增稠剂或凝胶类物质，以提高泡沫的稳定性。
这种方法在美国已成功用于小规模工业实验，但如何在风雨作用下保持煤矸石裂隙间泡沫的长期稳定性仍是一个难题。Xi安矿业学院尝试用凝胶法扑灭小煤堆火灾。与浇水法相比，凝胶对喷洒区域的封闭时间更长，效果明显。但在高温作用下，凝胶脱水，影响灭火效果。
六、低温惰性气体法
低温惰性气体法是向火区注入液氮、液态二氧化碳等惰性气体，利用其气化时巨大的吸热作用，使煤矸石山快速降温，同时残留在煤矸石山缝隙中的惰性气体也能起到隔绝氧气的作用。低温惰性气体注入矸石山后，在液态变为气态的过程中吸收大量热量，同时体积迅速膨胀，形成冷压力波，然后从注入源迅速扩散，使低密度的热烟气被推出上升到地表，同时， 起到隔绝新鲜空气进入矸石山的作用，达到灭火降温的双重目的，使火区长时间保持低温，将矸石山内部的着火点冷却到临界温度以下。 实践表明，单独使用液氮或固体二氧化碳的效果不如将它们混合使用，因为混合物易于运输，相对成本较低。通过现场试验，低温惰性气体法灭火成本与传统注浆法相当，但注浆法灭火浆液受重力影响，主要向下渗透，而这种冷气体的扩散不受重力影响，作用范围更广，效果更均匀。
在一定条件下，低温惰性气体法可与灌浆法结合使用，效果可能更好。中国平煤集团公司四矿采用的灭火方法是利用CO2灭火降温，再结合注浆法进行综合治理，取得了良好的效果。首先利用专用KY-360 CO2发生器产生CO2气体，利用自制专用钻孔设备在矸石山自燃点人工钻孔，注入CO2气体。最后采用注浆方式将火源与空气隔离，巩固灭火成果。
美国用这种方法进行了小规模实验。以0.38 m3/h的速度向温度约为100℃的煤堆(l5.3m3)中注入5t液氮，在灌浆点附近几分钟后温度降至-68℃，煤堆最低温度降至-170℃，一个月后才恢复至-20℃。这种方法的冷却效果无疑是非常好的，但是冷却煤矸石需要大量的惰性气体，气源和灭火成本是这种方法的主要问题。目前美国很多矿区都在进行大规模的工业试验。
七、煤矸石自燃阻化剂的抗性。
为了防止煤矸石自燃，改善矿区环境质量，揭示和研究煤矸石自燃阻化剂的阻化机理，寻求高效的煤矸石自燃阻化剂，近年来发现由带有吸附基团的聚合物和表面活性剂组成的聚合物乳液对煤矸石自燃具有良好的阻化效果。研究结果对煤矸石山煤矸石自燃的治理具有一定的指导意义。聚合物和表面活性剂组成的聚合物乳液，由于具有吸附基团的聚合物形成多点吸附，阻止氧气与煤矸石表面接触，而表面活性剂具有亲水和亲油基团，因此其亲油基团与煤矸石接触，亲水基团延伸到空气中，使煤矸石亲水，其乳液在煤矸石表面形成水膜，阻止空气与煤矸石接触，起到阻力作用；带有NH4+基团的聚合物阻化剂在高温下释放出NH3气体，可以阻止矸石与空气中的氧气接触，有利于防止自燃。由带有吸附基团的聚合物和表面活性剂组成的聚合物乳液自燃抑制剂可以阻止煤矸石的氧化放热，从而达到防止煤矸石自燃的目的，但这种方法成本较高。
基于以上分析，总结了自燃煤矸石山已使用和现有的灭火方法，其应用前景和适用条件见表4-1。
表4-1自燃煤矸石山灭火方法及发展前景
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