何 騫，肖 旸，楊 蒙，曹祖寶，樊珂奇，李建文，邵紅旗

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

我國煤炭產(chǎn)量居世界首位，能源結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)（富煤貧油少氣），決定了未來煤炭仍是我國主體能源，預(yù)計(jì)2020 年煤炭占能源總量消費(fèi)比重仍保持在57.4%左右[1-2]。采煤過程中煤矸石的產(chǎn)量占原煤的10%～20%[3]，以35 億t/a 的產(chǎn)煤量計(jì)算，我國每年平均排放的矸石量達(dá)到5.25 億t。

矸石山的堆積排放破壞了大面積地表植被，影響著生態(tài)環(huán)境。矸石山是在煤礦開采過程中逐漸堆積而成的人造山，所以會(huì)出現(xiàn)坍塌、滑坡等各類不安全事故[4]，此外隨著矸石逐漸被風(fēng)化磨碎，使得放射性物質(zhì)、重金屬加速析出，對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生輻射污染。除了上述各類危險(xiǎn)破壞之外，矸石山對(duì)人類生產(chǎn)生活及生態(tài)環(huán)境最直接的危害是其自燃，矸石山自燃過程中產(chǎn)生大量煙塵及SO2、CO2、CO、H2S、NO、NO2等毒害性氣體[5-6]，影響礦區(qū)人員及其周邊居民生命健康，破壞植被、影響大氣環(huán)境、水資源環(huán)境、影響生態(tài)平衡，研究表明煤矸石已經(jīng)成為大氣污染的潛在來源[7-9]。因此，研究矸石山自燃機(jī)理、自燃影響因素，提高矸石山自燃的防控、監(jiān)測(cè)、治理技術(shù)，探索矸石山綜合治理模式，對(duì)于生態(tài)環(huán)境、生命健康、礦井安全生產(chǎn)、資源的轉(zhuǎn)型利用具有重要意義。

1 矸石山自燃機(jī)理及其影響因素

我國矸石山自燃機(jī)理的研究從20 世紀(jì)80 年代開始[10]，其中硫鐵礦氧化理論、煤氧復(fù)合理論最為代表，以實(shí)際矸石山自燃、模擬、實(shí)驗(yàn)為手段，得到硫鐵礦、堆積氧化時(shí)間及粒度等對(duì)矸石山自燃的影響，提出了治理矸石山自燃的關(guān)鍵手段為降溫、隔氧[11-12]。21 世紀(jì)以后，隨著矸石山自燃事故的增多以及國家對(duì)安全與環(huán)境保護(hù)的重視，學(xué)者們以數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)研究等各種手段對(duì)矸石山自燃機(jī)理進(jìn)行了不同程度的研究，得到了較快的發(fā)展[13-15]。矸石山自燃的產(chǎn)生與加劇，都離不開燃燒的三要素：第一，可燃物既矸石山具有自燃傾向性，而黃鐵礦、水分等都對(duì)矸石山是否可燃有著重要影響；第二，助燃物，矸石山的堆積內(nèi)部較為疏松，較大的孔隙給外界氧氣提供了良好的通道；第三，良好的蓄熱，矸石山燃燒初期內(nèi)部溫度不高，但是隨著熱量的聚積內(nèi)部溫度逐漸升高，而溫度升高又會(huì)引起氧化放熱的加速，最終矸石山自燃[16]。矸石山的自燃伴隨著物理化學(xué)變化，在其初期上述3 種條件任意1個(gè)達(dá)不到，就不會(huì)燃燒。故研究影響上述3 種條件的不同因素，對(duì)矸石山自燃的防控尤為關(guān)鍵。

1.1 硫鐵礦的影響

煤矸石中硫元素主要以4 種方式存在：硫鐵礦、單質(zhì)硫、硫酸鹽和有機(jī)硫，其中硫鐵礦的自燃占了80%以上[17]，是影響矸石山自燃的關(guān)鍵因素。硫鐵礦引起煤矸石自燃升溫有2 種方式：第一，煤矸石內(nèi)的硫鐵礦燃燒溫度低，遇到少量氧氣后就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)放出大量的熱量，同時(shí)氧化生成的酸性環(huán)境也益于自燃[18]；第二，硫鐵礦自身的分解作用也會(huì)產(chǎn)生熱量，使矸石堆內(nèi)部升溫。

此外若矸石山內(nèi)部存在硫桿菌類細(xì)菌時(shí)，所有氧化反應(yīng)速率大幅度增大[16]，熱量的積聚增多。由于堆積不當(dāng)使得矸石山內(nèi)部存有一定孔隙，會(huì)使外界風(fēng)流經(jīng)過孔隙通道時(shí)加強(qiáng)對(duì)流作用，促使更多區(qū)域的矸石氧化升溫，而矸石本身的導(dǎo)熱系數(shù)較小散熱較慢，長時(shí)間后矸石山內(nèi)部溫度達(dá)到燃燒的臨界溫度，發(fā)生自燃。

1.2 水分的影響

水分對(duì)矸石山自燃的影響起著關(guān)鍵作用，矸石山中的水分一方面來自其本身所含的水，另一方面則為外界空氣水、雨水等。當(dāng)外界的水被吸收到矸石表面后，伴隨著吸附熱的產(chǎn)生，研究表明矸石山中的煤、碳類有機(jī)物吸水產(chǎn)生的吸附熱可將煤矸石平均溫度升高7 ℃[19]。當(dāng)煤矸石濕度在12%～17%時(shí)，其吸氧量可達(dá)到峰值，所以此范圍內(nèi)煤矸石低溫氧化速率較大，自燃傾向性提高[20]。

矸石中含有少量的煤，當(dāng)其吸水時(shí)可產(chǎn)生大量濕潤熱，同時(shí)水分能夠降低煤的著火點(diǎn)溫度、使得煤的初始升溫速率提高[21]，加速了煤矸石自燃的速度。雨水的沖刷會(huì)使煤矸石風(fēng)化加劇，引起脫落、破碎，增加其表面積，使得吸氧面積增大。此外，水分蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣使矸石山內(nèi)部壓力增大，有爆炸危險(xiǎn)。但水分對(duì)矸石山自燃是在一個(gè)相對(duì)的范圍內(nèi)，水分含量過小，對(duì)燃燒的促進(jìn)作用較小，不影響自燃，如果水分含量過大，矸石山就會(huì)因水的作用不發(fā)生自燃。所以，在矸石山日常維護(hù)、治理過程中如果能較好的把控好水分的影響，對(duì)自燃的防控起到良好的促進(jìn)作用。

1.3 溫度的影響

溫度對(duì)煤矸石山自燃的影響分不同的階段，既緩慢氧化、自動(dòng)加速升溫、燃燒3 個(gè)階段。若煤矸石表面溫度較高，且圍巖溫度較高，就會(huì)為矸石山的自燃提供良好的外界蓄熱條件。在起始階段，矸石山的氧化升溫度速度就會(huì)加快，同時(shí)溫度升高會(huì)使矸石表面分子活性增強(qiáng)、氧氣的平均動(dòng)能增大[22]，從而加劇煤矸石與氧氣復(fù)合，放熱速率增加，熱量逐漸累積，熱量的積聚又會(huì)使溫度增高，如果一直保持良好的蓄熱條件，當(dāng)溫度達(dá)到煤矸石的臨界溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生自燃。所以，在日常矸石山火災(zāi)治理中應(yīng)綜合考慮矸石的導(dǎo)熱系數(shù)、煤矸石的化學(xué)活性、周圍的環(huán)境散熱條件等因素，準(zhǔn)確判斷、測(cè)定煤矸石的臨界溫度，把火區(qū)溫度降到臨界溫度以下，否則很大程度會(huì)發(fā)生復(fù)燃。

1.4 殘存煤變質(zhì)程度的影響

煤矸石中含有的殘存變質(zhì)煤對(duì)其自燃的燃點(diǎn)、自燃傾向性都有影響。在煤矸石的堆積方式、粒度、溫度等相同的條件下，殘存煤的燃點(diǎn)隨著其變質(zhì)程度的增大而增高，而自燃傾向性隨著煤的變質(zhì)程度增大呈降低趨勢(shì)。同時(shí)，低變質(zhì)煤的水分、揮發(fā)分等含量高，揮發(fā)分高會(huì)產(chǎn)生烷烴類可燃?xì)怏w，而高水分會(huì)促進(jìn)硫鐵礦的氧化作用，共同加劇了煤矸石的自燃。此外，低變質(zhì)煤受擠壓易破碎，增加了煤矸石的比表面積，更易吸附氧氣，加快了自燃[23]。

1.5 粒徑的影響

粒徑的大小與矸石山透氣性好壞有著重要關(guān)聯(lián)。粒徑較大，矸石比表面積小，吸氧面積減小，矸石山自燃的可能性降低。反之，粒徑較小，矸石比表面積增大，與氧氣作用的活性基團(tuán)增多，矸石與氧復(fù)合作用增大，熱量聚集加劇，自燃性增強(qiáng)。但是，若煤矸石粒徑過小，氧氣進(jìn)入煤矸石深部的難度增加，使氧氣過早被消耗在其表面，也不易自燃[24]。所以對(duì)實(shí)際不同情況研究易導(dǎo)致矸石山自燃的粒徑范圍，對(duì)于矸石山自燃的防控具有重要的指導(dǎo)作用。

1.6 漏風(fēng)強(qiáng)度與空隙率的影響

漏風(fēng)強(qiáng)度與矸石體的空隙率都是影響矸石山自燃的因素重要因素，兩者密切相關(guān)、相互影響，其它條件一定的情況下，空隙率大，矸石體內(nèi)部蓄熱越好，越易自燃[25-26]，同時(shí)漏風(fēng)強(qiáng)度的大小也決定著矸石山是否能夠自燃。漏風(fēng)強(qiáng)度受矸石山的堆積方式、自然環(huán)境、矸石山透氣性等多種因素影響。我國煤矸石山多采用沿斜坡傾倒的方式排矸，煤矸石中較大的塊狀因其質(zhì)量較大，滑落到底部，矸石山上部顆粒一般較小，所以矸石山下部、中部空氣流動(dòng)性強(qiáng)。當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度較小時(shí)，氧氣與煤矸石作用產(chǎn)生的熱量小于其散失的熱量，矸石山不易自燃；當(dāng)漏風(fēng)較大時(shí)，雖然氧氣和煤矸石作用加大，但風(fēng)流流動(dòng)很快將熱量帶走，也不會(huì)自燃。此外，風(fēng)向和地形也是矸石山影響自燃的重要因素，在矸石山的堆積中結(jié)合礦區(qū)地形特點(diǎn)，選擇合適的堆積點(diǎn)，盡量向密實(shí)的山體、谷地堆積，減少與風(fēng)流接觸面。

因此，當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度在合適的范圍，同時(shí)自然環(huán)境的溫度、風(fēng)量適宜，此時(shí)矸石會(huì)與氧氣復(fù)合發(fā)生反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量能夠聚積，最終導(dǎo)致自燃。在實(shí)際矸石山自燃的預(yù)防與治理過程中，漏風(fēng)強(qiáng)度和孔隙率能夠通過技術(shù)與管理手段得到有效改善。

1.7 其它因素的影響

煤矸石山的自燃不是單一的過程，它是多種因素共同作用下產(chǎn)生和發(fā)展的。除了上述影響因素之外，煤矸石山的自燃還受采煤工藝、矸石的破碎性、矸石山的堆積形式與管理、矸石中的碳、氫含量、微生物作用等多種因素的影響，只有把控好矸石山治理過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能有效地防控矸石山自燃。

2 矸石山自燃治理綜合技術(shù)措施

矸石山自燃治理技術(shù)從早期的挖除火源法、覆蓋灌水法等，發(fā)展到2000 年前后，已經(jīng)出現(xiàn)了如深部注漿法、表面噴漿法、壓實(shí)復(fù)墾等多種綜合治理措施[27-29]。迄今為止，隨著數(shù)值模擬、理論機(jī)理研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合等多元化研究方法的推動(dòng)，出現(xiàn)了注漿滅火法、泡沫滅火法、低溫惰性氣體滅火法等多種防治方法，有效治理了矸石山的自燃、降低了危險(xiǎn)事故[30]。通常矸石山的自燃分為自燃孕育期、自燃發(fā)生期、自燃發(fā)展期、自燃衰退期4 個(gè)不同的階段[31]，每個(gè)階段防治手段也不同。

2.1 阻隔法

矸石山自燃的孕育期沒有明顯的表露特征，其內(nèi)部溫度緩慢增加，會(huì)出現(xiàn)局部返潮現(xiàn)象。這一時(shí)期，如果做不到良好的管控與預(yù)防，其增溫就會(huì)加速，轉(zhuǎn)變?yōu)榱? 個(gè)階段既自燃發(fā)生期。阻隔法是矸石山自燃的預(yù)防、自燃發(fā)生初期滅火的有效手段，其原理是在矸石山表面覆蓋1 層起隔絕氧氣的不燃材料，通常為黃土或泥漿，起到隔絕氧氣、抑制自燃的效果。

煤矸石山在堆積過程中坡度陡、高度較大，因此常對(duì)矸石山進(jìn)行削坡，削減成梯田狀，然后在其上面覆蓋黃土，進(jìn)行整平壓實(shí)。通常為了達(dá)到更好的隔絕效果，會(huì)進(jìn)行多次覆蓋、壓實(shí)的過程，有效減少了矸石山內(nèi)部孔隙，達(dá)到預(yù)防自燃的作用[32-33]。另一方面，在矸石山燃燒的初期會(huì)在其表面澆灌水、泥漿等惰性物質(zhì)，降低其表面溫度，緩解矸石山的自燃速率，但此方法不能治理矸石山的內(nèi)部燃燒[34]。此外，在煤矸石山自燃初期，當(dāng)燃燒面積小、燃燒位置明確時(shí)，采用直接挖出的方法，將著火區(qū)域裸露，再進(jìn)行噴水降溫，達(dá)到治理自燃的目的，但此方法只適用于矸石山的初期燃燒，同時(shí)具有一定危險(xiǎn)性，所以局限性較大。因此，阻隔法在矸石山燃燒初期，起到了“預(yù)防為主”的積極作用，治理了部分矸石山自燃，有效緩解矸石山自燃的發(fā)展速率，為火源的進(jìn)一步探測(cè)、滅火方案的設(shè)計(jì)贏得時(shí)間，為人員接近火區(qū)提供了適宜環(huán)境，具有重要意義。

2.2 灌水法

水的比熱容較大，當(dāng)水通過鉆孔注入到矸石山內(nèi)部或利用泵送噴灑在燃燒體表面時(shí)，在高溫環(huán)境中汽化吸收大量的熱，可以快速降低矸石山整體溫度，同時(shí)水具有廉價(jià)易得、輸送方便的優(yōu)勢(shì)。但是水在工程應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)：第一，水進(jìn)入矸石體后沿著阻力最小的方向流動(dòng)，使得矸石山內(nèi)部部分燃燒區(qū)域未被降溫；第二，未被水完全浸潤的燃燒區(qū)域，矸石體活性增強(qiáng)、孔隙率增加，同時(shí)水與高溫矸石體接觸時(shí)產(chǎn)生大量毒害氣體，增加了爆炸的可能性[35]。因此，在使用水滅矸石山火時(shí)，要根據(jù)火災(zāi)時(shí)期、發(fā)育情況合理選擇。

2.3 注漿法

注漿法是目前在矸石山及礦井火災(zāi)中應(yīng)用較廣、治理效果較好的滅火方法[36-38]，從治理空間上可分為表面噴漿、蓋漿和內(nèi)部注漿。利用測(cè)氡法、測(cè)溫法、標(biāo)志氣體法及現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別等手段判斷出火區(qū)后，以鉆探或機(jī)械手段等，將漿液注入矸石山內(nèi)部火區(qū)，其流動(dòng)性和擴(kuò)散效應(yīng)可以有效充填內(nèi)部空隙，降低孔隙率，減小比表面積、隔絕氧氣、降低矸石體溫度，減小了自燃傾向性。在注漿過程中，鉆孔內(nèi)的定向注漿較為關(guān)鍵，可通過2 種方法得到控制：第一，準(zhǔn)確判斷出火區(qū)后，通過定向鉆孔直接打孔到火區(qū)附近，進(jìn)行注漿滅火，或者下入注漿管進(jìn)行精準(zhǔn)注漿；第二，根據(jù)火區(qū)距鉆孔的位置，調(diào)整漿液的性能參數(shù)，如增加流動(dòng)性、添加固料或速凝劑等（結(jié)合實(shí)際），使?jié){液的流動(dòng)控制在合理范圍，達(dá)到良好的滅火效果。

而注漿材料是影響滅火效果的關(guān)鍵因素，近些年材料的不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，使得注漿法在矸石山自燃治理中得到大面積應(yīng)用。

2.3.1 黃土和粉煤灰類滅火材料

黃土、粉煤灰類滅火材料具有取材方便、價(jià)格便宜、均勻度好等優(yōu)點(diǎn)[39-40]。通常它們和電石渣、石灰、破碎矸石等材料配合，制成高效的滅火材料。黃土中的蒙脫石具有較好的離子交換能力，可吸附陽離子、水分子，而黃土中碳酸鹽類礦物質(zhì)的存在使其具有一定的膠結(jié)性，所以黃土是制備漿液的主要原料。此外，黃土中含有大量的石英、長石、方解石，其含有一定量活性的SiO2和Al2O3[41]，它們可以和堿性物質(zhì)如Ca（OH）2發(fā)生作用生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣類凝膠，有良好的抗?jié)B能力、耐水性、水硬性及一定的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)良好的隔氧作用。

粉煤灰中具有一定量的氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁等氧化物[42]，氧化鈣遇水生成的氫氧化鈣，可以與矸石山燃燒生成的二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳反應(yīng)生成亞硫酸鈣、硫酸鈣和碳酸鈣，可有效的隔絕氧氣，滅火降溫。另一方面，粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二鋁被激活后，可以生成硅酸鹽、硅鋁酸鹽等產(chǎn)物，具達(dá)到較好的滅火功效。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，將黃土、粉煤灰等材料按合適比例配合，可使得矸石山火災(zāi)得到有效控制。

2.3.2 堿性類滅火材料

煤矸石山中存在大量硫鐵礦，根據(jù)1.1 中所述，硫鐵礦氧化使得矸石山內(nèi)部處于酸性環(huán)境，促進(jìn)硫酸桿菌的增加，使自燃加劇[43]，因此選擇堿性滅火材料可以有效改善矸石山內(nèi)部酸性環(huán)境，減少硫鐵礦自熱。常用的堿性材料為生石灰、電石渣以及加入強(qiáng)堿NaOH 的石灰乳液等[44]。Ca（OH）2、NaOH 可以有效吸收自燃產(chǎn)生的CO2、SO2等酸性毒害氣體，降低其釋放量，減少對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)反應(yīng)生成硫酸鹽、碳酸鹽沉淀覆蓋在矸石體表面，形成1 層隔氧膜，抑制自燃，在此反應(yīng)過程中伴隨著硅、鋁氧化物與堿性材料反應(yīng)，同樣生成黏稠的凝膠，隔絕矸石體與外界空氣的接觸。電石渣與粉煤灰具有相似的性質(zhì)，其水解后生成的氫氧化鈣可以和二氧化硅、三氧化二鋁作用，生成的硅酸鹽、鋁硅酸鹽和碳酸鈣覆蓋在矸石山內(nèi)部表面隔氧滅火。

2.3.3 膠體類滅火材料

膠體滅火于20 世紀(jì)90 年代開始逐漸應(yīng)用于煤礦防滅火中，發(fā)展至今已形成凝膠、稠化膠體、復(fù)合膠體等多門類滅火材料[45-47]。凝膠類滅火材料通常以硅膠為主體，以水玻璃為基料，再加上一定比例的促凝劑、增強(qiáng)劑和水混合而成，無毒害、對(duì)環(huán)境無污染，具有相應(yīng)的強(qiáng)度、彈性、形狀和屈服值，進(jìn)入矸石體后吸收大量的熱，但其自身內(nèi)部溫度上升較慢、溫度不高，因此降溫效果良好。稠化膠體是在黃土、沙子、粉煤灰及水等組成的漿液中加入一定分散劑組成，使得膠體的流動(dòng)性和滅火效果達(dá)到最佳比例，具有較好的滅火性能[48]。同樣復(fù)合膠體指在黃土、泥沙、粉煤灰漿液中加入基料，如加入高分子材料通過鏈接架橋作用或加入其它膠凝劑利用化學(xué)反應(yīng)，使?jié){液失去流動(dòng)性的膠體材料，廣泛應(yīng)用于煤礦及矸石山滅火中[49-50]。

膠體類滅火材料自應(yīng)用以來，具有良好的性能優(yōu)勢(shì)：第一，膠體進(jìn)入矸石山內(nèi)部，充填在孔隙中、附著在矸石山體表面，起到隔氧、吸熱、減少漏風(fēng)通道的作用；第二，阻化作用，矸石山氧化自燃屬于自由基反應(yīng)，膠體具有阻化劑作用，覆蓋于矸石山表面后使自由基消亡，抑制自燃；第三，固水降溫作用，超過90%的水含量使得在成膠過程以及水汽化過程吸收大量的熱，降溫效果顯著；第四，膠體材料成膠時(shí)間可根據(jù)不同自燃狀況，實(shí)現(xiàn)有效控制；第五，膠體滅火時(shí)由于其束水性，可減少水煤汽的急劇增加，安全性較好。

在工程實(shí)踐中，注漿材料的應(yīng)用具有靈活性，根據(jù)矸石山火災(zāi)發(fā)育的不同時(shí)期，漿液的配合比、添加材料等合理確定。各類滅火材料的實(shí)際應(yīng)用也不是單一的，而是相互配合，結(jié)合實(shí)際情況，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的可行性及最好的滅火效果。

2.4 泡沫法和低溫惰性氣體法等其它滅火法

泡沫滅火劑有諸多種類，如聚氨酯泡沫、羅克休泡沫、三項(xiàng)泡沫等[51-53]。其中三項(xiàng)泡沫應(yīng)用較多，它是在黃泥、粉煤灰漿液中加入穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑，并注入氮?dú)獍l(fā)泡后制成，固相可以良好的覆蓋、充填矸石山內(nèi)部空隙，隔氧降溫；液相能夠有效增濕、吸熱，阻止自燃；氣相可以惰化矸石山內(nèi)部空間，抑制矸石山氧化，并起到抑爆作用。低溫惰性氣體滅火以液氮、液態(tài)CO2為代表，通常將其分開或者混合注入矸石體內(nèi)，膨脹、擴(kuò)散到內(nèi)部高溫區(qū)，隔絕氧氣、降低內(nèi)部溫度，達(dá)到治理矸石山火區(qū)的目的，但治理成本較高。此外，深部熱管移熱技術(shù)應(yīng)用到矸石山自燃治理中，是治理技術(shù)的創(chuàng)新[54-55]，利用循環(huán)換熱原理，將矸石山內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移到外界，散熱降溫。阻化劑的使用能夠有效輔助矸石山滅火，通過向矸石堆中噴灑高分子聚合阻化劑，降低矸石山的蓄熱能力，達(dá)到抑制自燃的目的[56]。20 世紀(jì)末有學(xué)者提出，通過控制燃燒的方法使矸石山燃燒產(chǎn)生熱量加以利用，但產(chǎn)生的煙氣污染大，當(dāng)時(shí)處理技術(shù)尚不成熟。但是目前控制燃燒技術(shù)已經(jīng)在內(nèi)蒙古唐家會(huì)煤礦得到成功應(yīng)用，煤炭不出井直接在地下進(jìn)行控制燃燒，生成化工合成原料氣和工業(yè)燃?xì)?，?jīng)過地面的物理水洗、分離、凈化，為化工企業(yè)和居民生活提供直接燃料，實(shí)現(xiàn)了煤炭能源安全、高效、潔凈利用的技術(shù)革命。

經(jīng)過幾十年的研究，矸石山自燃已經(jīng)從早期的挖掘、移除發(fā)展至現(xiàn)今的多方法、多空間的綜合治理措施，從單一的打孔探測(cè)、治理，發(fā)展成標(biāo)志氣體法、紅外法、溫度法等多手段預(yù)警探測(cè)技術(shù)及滅火、復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)的綜合治理模式，使得環(huán)境得到了有效改善，減少了經(jīng)濟(jì)損失、降低了安全事故。

3 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

1）矸石山自燃雖有煤自燃機(jī)理為支撐，但關(guān)于矸石山自燃不同階段的機(jī)理研究尚不完善，燃燒從1 個(gè)階段加劇為另1 個(gè)階段的臨界變化狀態(tài)與關(guān)鍵因素對(duì)火災(zāi)發(fā)展至關(guān)重要。

2）適用于不同煤質(zhì)、不同堆積狀態(tài)矸石山自然發(fā)火模型的研究不夠完善，未能完全給數(shù)值計(jì)算提供良好的依據(jù)。

3）矸石山自燃注漿材料和注漿設(shè)備的研究雖已取得良好的成果，但集滅火性能好、復(fù)發(fā)率低、價(jià)格低廉、資源利用率小的滅火材料未能全面研發(fā)。

4）全方位的監(jiān)測(cè)監(jiān)控及準(zhǔn)確的燃燒區(qū)域判定理論與技術(shù)不夠成熟。

5）矸石已經(jīng)應(yīng)用到建筑、化工等領(lǐng)域，但從矸石出矸脫硫技術(shù)及全方位、多領(lǐng)域的應(yīng)用不夠完善。

6）泡沫滅火、低溫惰性氣體滅火、控制燃燒、熱管移熱等新技術(shù)的大面積推廣及其與傳統(tǒng)覆蓋、注漿等技術(shù)融合不夠全面，綜合治理模式仍可優(yōu)化。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

1）加強(qiáng)矸石山從自熱升溫、快速發(fā)展到燃燒各階段的微觀發(fā)展機(jī)理、宏觀主次影響因素的研究，為自燃的預(yù)防提供理論基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)階段燃燒加劇的關(guān)鍵因素進(jìn)行發(fā)掘、把控，同時(shí)對(duì)燃燒過程中矸石本身及矸石山整體物理狀態(tài)的變化及化學(xué)產(chǎn)物的變化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2）結(jié)合燃燒機(jī)理，研究建立不同煤質(zhì)、不同堆積狀態(tài)下矸石山自燃的數(shù)學(xué)模型、物理模型，結(jié)合礦山建立矸石山自然發(fā)火大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，推動(dòng)數(shù)值計(jì)算的演化作用，能夠?yàn)楦黝愴肥教峁┝己玫淖匀嘉ｋU(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

3）現(xiàn)有的滅火材料如膠體滅火材料、高分子滅火材料雖具有一定的滅火效果，但價(jià)格昂貴，因此從材料角度出發(fā)，研制滅火效率高、價(jià)格低廉的滅火材料是矸石山燃燒后期治理的關(guān)鍵手段。此外，加強(qiáng)與注漿滅火相配套的新型智能注漿系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)上料、制漿、送漿全系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，達(dá)到精準(zhǔn)注漿的目的，提高滅火效率、降低治理成本。

4）全面深入研究現(xiàn)有矸石山燃燒的孕育、發(fā)展、治理過程及相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論分析和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合矸石山自燃機(jī)理，在現(xiàn)有的燃燒區(qū)域判定理論基礎(chǔ)上歸納、發(fā)展，提升矸石山燃燒區(qū)域判定技術(shù)，從而建立全面的理論判定體系、危險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系、自燃治理體系。

5）將遙感衛(wèi)星與5G 技術(shù)應(yīng)用于矸石山自燃的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)空地全面監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)傳輸，為矸石山自燃的預(yù)防與精確治理提供保障。

6）深入研究、提升煤矸石脫硫技術(shù)，有害微量元素的吸收降解技術(shù)，從根源抑制矸石山自燃，同時(shí)加快矸石山中有用元素提取技術(shù)的研究，變廢為寶，將無污染的矸石應(yīng)用于地下注漿、道路橋梁等工程領(lǐng)域，并且在建筑、化工、工業(yè)等領(lǐng)域更全面的推廣。

7）加大新技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新與全面推廣，如液態(tài)CO2滅火中輸送固結(jié)問題、熱管技術(shù)傳熱介質(zhì)的效率與上方散熱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題等，將控制燃燒法、低溫惰性氣體、滅火機(jī)器人、滅火彈技術(shù)等全方位應(yīng)用到矸石山自燃治理中，此外將新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，形成燃燒治理、復(fù)燃防治的雙重保障機(jī)制。

8）在現(xiàn)有探測(cè)、治理、土地復(fù)墾的綜合治理模式基礎(chǔ)上，推動(dòng)化學(xué)降解、微生物恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的治理思路，治理完成后考慮土地的二次開發(fā)與利用，使大面積被占用的土地產(chǎn)生價(jià)值。

矸石山自燃的預(yù)防、火災(zāi)的治理與監(jiān)測(cè)、生態(tài)的修復(fù)等每個(gè)方向都是多學(xué)科、多理論、多技術(shù)手段的交叉，只有本著科學(xué)、創(chuàng)新、清潔的思路，才能把矸石山自燃這一大難題解決。

4 結(jié) 語

1）矸石山自燃各類影響因素屬于燃燒三要素的范疇。減少、消除矸石中硫鐵礦、水分、殘煤等對(duì)抑制自燃起決定性作用，將矸石的粒徑、堆積方式、漏風(fēng)強(qiáng)度等控制在合理范圍內(nèi)可有效降低自燃，各環(huán)節(jié)做到良好的管控、治理，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石山自燃高效防控。

2）矸石山自燃治理應(yīng)從早期預(yù)防、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、滅火、防止復(fù)燃等多角度采取綜合技術(shù)措施，現(xiàn)階段自燃火災(zāi)治理及治理后復(fù)墾等一系列技術(shù)措施解決了諸多矸石山自燃難題，滅火材料多樣化使得注漿法取得良好的應(yīng)用效果，泡沫滅火、惰性氣體滅火、控制燃燒、熱管移熱等新技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

3）矸石山自燃的治理應(yīng)結(jié)合當(dāng)前存在的問題，在理論與技術(shù)上尋求創(chuàng)新與突破，以預(yù)防為前提，研究更加合理具體化的機(jī)理與模型、研發(fā)優(yōu)質(zhì)的滅火材料、建立全面的判定體系與評(píng)價(jià)體系、應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的信息技術(shù)、智能技術(shù)、開創(chuàng)更加完備的綜合治理模式與治理思路，朝著科學(xué)創(chuàng)新、智能清潔、高效經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。