《煤矿矸石场自燃火区灾害演化控制技术及装备》

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该项目属于矿山科学技术领域。中国环境问题日益突出,空气污染已成为一个严重的问题。煤矿矸石山自燃火区是一类非常复杂、且在矿区普遍发生的灾害现象。因矸石自燃释放大量的CO、CO2、H2S、SO2等气体,严重污染周围空气、水质、土壤及诱发燃烧爆炸、泥石流等自然灾害。该项目研究了煤矸石自燃发火特性、矸石山深部微氧气环境下反应放热机制,建立了高温区温度动态变化及燃烧深度预测模型;研究了矸石自燃火区污染物释放特性及对区域环境的影响,研制了高效快速灭火材料及分段定向注浆技术,提出了自燃火区整体快速移热技术及装备,对矿山安全、绿色开采具有重要作用。取得主要创新:

1)发现了矸石场火区温度演化规律,揭示了矸石场自燃火区蔓延和立体燃烧机制。

分析了自燃矸石吸热放热特性,研究了矸石与空气升温氧化气体衍生规律,从宏观上获得矸石自燃和火区整体蔓延机理,揭示了矸石场内部火区纵向横向立体扩散燃烧的条件,建立矸石场大面积、大范围火区温度场演化时空关系及防控技术。

2)建立了矸石场自燃火区污染物释放对环境影响的定量预测方法。

研究了在自由燃烧的外界环境下矸石场自燃火区的热量释放、污染物释放和自行维持燃烧时间等关键技术参数,分析了火区面积和温度对矸石整体热释放速度、燃烧时间、灭火条件的影响,及通过深钻孔测试矸石场内部自燃气体衍生及诱发环境灾害效应,建立了矸石山自燃对环境危险程度的分析方法与定量预测技术。

3)构建了矸石山火区燃烧深度预测模型,提出了非控制燃烧下深部热置换技术。

研究矸石山自燃与各种影响因素间的定量关系,分析不同煤矸石层中氧气、热流的渗流、扩散和导热规律,获得矸石场深部火区层向环境输送热值特性,研究高温热源的热流-氧气运移过程对火区蔓延的影响,基于渗流传热理论构建了矸石山火区燃烧深度预测模型和非控制燃烧下深部热置换技术。

4)发明了大管径大流量密集钻孔深部高温区定向注浆技术及装备。

研制了高效快速灭火材料,获得了抑制煤矸石氧化、弱化自燃和火区快速移热技术,并根据立体非控燃烧高温点分层特性发明了分段定向注浆技术及装备,并对高温火区进行深孔分段定点注浆,将火区635℃整体快速降温至70℃以下并熄灭,形成了矸石场自燃火区与环境灾害协同控制技术体系。

该项目在自燃理论、关键技术和灭火材料等方面取得了重大突破,形成了拥有自主知识产权的煤矸石自燃火区治理的新技术,经鉴定达到了国际领先水平,项目实施以来发表论文53篇,其中SCI、EI收录26篇,授权专利16项,培养硕士8名。成果在河南、山西等矿区推广应用,抑制了自燃矸石山灾害演变及对环境的影响,累计减少不过火矸石3800万吨,生态修复面积52000m2,新增利润18735万元,环境、经济效益显著,为中国矿山安全绿色开采做出突出贡献。

成果说明

该项目通过对王台铺煤矿徐家岭矸石场、红旗煤业等矿区开展了矸石场自燃致灾环境灾害效应及控制关键技术的研究,获得了矸石山自燃的宏观过程和微观现象、以及火区蔓延和立体燃烧机制。提出了自燃矸石山低氧环境下深部温度动态演化过程及火区深度的预测模型。研发了大管径大流量密集钻孔深部高温区定向注浆技术和装备。研究开发科学的、经济的、行之有效的矸石场自燃及火区综合治理技术手段和措施,其成果将会给同类条件下的煤矿的安全生产提供有意的借鉴和可靠的技术保证,也会大大降低火区治理成本、环境治理效益。该项目成果在煤矸石山、浅表地层火

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