对自燃煤矸石山的生境构建过程，首先要解决自燃高温的问题。在火势得到控制后才能覆土；否则施工不便，覆土会因高温干裂，植物不能生存。局部高温区的灭火目前主要采用注浆法。注浆、覆土灭火治理的自燃煤矸石山，无论怎么覆盖，山体内部的燃火也不能马上全部熄灭，煤矸石山还会有局部的高温区。这些高温区虽然面积不大，但由于高温无法形成好的植被，冲刷会导致煤矸石裸露，再次复燃，使整个治理失败。因此，经碾压覆盖后的自燃煤矸石山局部高温区余火的灭火降温意义依然十分重大。
一、注浆材料的选择
依据灭火要求及成本，煤矸石山注浆灭火材料选择的原则：
1）化学性质稳定，不含或少含可燃物质，遇高温不会产生有毒有害物质；
2）粒度细，易于成浆，不易沉淀，渗透性好；
3）来源广，价格便宜等特点。
国内外广泛应用石灰作为灭火材料，从废物利用、污染物减量化的角度考虑，也用粉煤灰和煤矸石风化物作为制浆材料。地处黄土高原的山西阳泉等地具有丰富的黄土，可以就地取材，如能利用黄土作为制浆的主要原料，可以大大降低灭火成本。为此，对黄土的灭火性能进行了研究。
石灰的基本矿物成分是CaO，加水后变成消石灰粉，体积增大约一倍。消石灰粉加水形成石灰浆，主要成分是Ca（OH）2。实验室测定结果，石灰浆中Ca（OH）2的颗粒粒径在42μm左右。Ca（OH）2在煤矸石山内部与SO2、SO3、CO2可发生如下反应形成不溶于水的CaSO3、CaSO4和CaCO3。
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
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黄土中的主要矿物成分为高岭土、蒙脱石、伊利石。高岭土的化学组成为Al4（Si4）[OH]3，蒙脱石的化学组成为（Al2，Mg3）[Si4O10][OH]2nH2O，伊利石的化学组成为KAl12[（SiAl）4O10[OH]2nH2O]。高岭石、伊利石为非膨胀型的粘土矿物，水化性能差，制浆性能不好。蒙脱石能吸附水分子与阳离子，具有显著的离子交换能力，是制浆的理想原料。经测定黄土中粒径小于45μm的占85%，接近石灰乳的粒径。黄土中含有一定量的活性SiO2和Al2O3。其特点是：内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的“硅—氧键”与“铝—氧键”破坏解体，从而生成凝胶。活性SiO2与Al2O3可与Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙与水化铝酸钙。
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水化硅酸钙与水化铝酸钙均具有水硬性以及一定的强度和耐水性，并具有相当高的抗渗能力。所以用黄土作为注浆材料，具有和石灰相近的灭火效果，可以替代石灰作为制浆的主要材料。
二、浆液配制
根据灭火工程要求，灭火浆液应具备这样的基本物理性质：①输送性好，不易在管路产生沉淀；②渗透性好，可渗入到煤矸石空隙中；③灭火浆液的阻燃性。相对粘度又称比粘度，为一种流体的粘度与同温度下水的粘度的比值。浆液的浓度越大，浆液中的固体成分就越多，注浆后的包裹隔绝作用也就越好，灭火效果越好；但浆液的粘度越大，在煤矸石山中渗透就越困难。灭火浆液在静置状态下搁置一段时间，在重力作用下，浆液中的固体成分发生沉降，上部澄清液的体积与总体积的比值即为沉降率。沉降率反映了浆液的稳定性。在一定时间下，沉降率越小，浆液就越利于输送。因此浆液要求一定的沉降率和粘度，才能既有利于入渗又能隔绝灭火。自燃煤矸石山在注浆后，由于水分蒸发带走大量热量，使矸石迅速降温，但在深部浆液未能渗透到的区域，温度仍很高，其热量主要以传导、对流的形式向表面传递，使已经冷却的矸石重新升温。因此，要求灭火浆液具有一定的阻燃性能，使煤矸石在灭火材料的包裹隔绝作用下，得不到充分的氧气供应，本身的氧化放热反应受到抑制，升温过程发生变化。
1浆液浓度
从隔氧的角度考虑，浆液的浓度越大越好，但浆液浓度增大，其粘度也将迅速增加，从而明显影响渗透范围。研究结果表明，当石灰黄土浆中的固体成分超过25%后，浆液粘度急剧上升；当石灰黄土浆的浓度达到30%时，相对粘度为128，浆液变得相当粘稠，渗透性极差。兼顾浆液的隔氧性与渗透性，灭火浆液的浓度确定为10%～15%。
研究发现，山西阳泉矿区煤矸石山10%黄土加5%石灰的粘度为129%，具有较好的渗透性。实验室测定了石灰与黄土在不同配比时的沉降率，在相同浓度时，石灰的沉降率要大于黄土。而在石灰中加入一定比例的黄土，两种材料混合后制得的浆液稳定性要明显好于单一材料制成的浆液。10%黄土加5%石灰制得的浆液，沉降30min后，沉降率只有15%黄土浆液的39%，15%石灰浆液的13%。
利用恒温试验炉进行灭火浆液的阻燃性能测试。试验结果分析，灭火材料对矸石的升温过程起到了明显的抑制作用。在试验条件下，干矸石、注清水的矸石及注5%石灰乳的矸石都很快发生了燃烧，而注15%石灰乳、15%黄土浆及注10%黄土加5%石灰制成的浆液时，矸石温度虽发生变化，但最终矸石也未燃烧。从实验炉内取出加热的矸石时，发现矸石间相互粘接得较为牢固，需用劲敲砸才能使其分散。这说明注浆材料在加温过程中，伴随着自身的脱水而产生了凝固胶结作用，使矸石烧结为一个较为密实的整体。加热后矸石的渗透率比原来减少了50%左右，这无疑对灭火工作是很有利的。
通过对石灰、黄土这两种灭火材料的成分分析、灭火浆液的稳定性、渗透性的研究、注浆后矸石升温特性的考察，得到如下结论：
第一，灭火浆液应达到一定的浓度才有灭火效果。有研究发现，在试验条件下，注5%石灰浆的矸石发生了燃烧，而注15%石灰浆的矸石没有发生燃烧。
第二，兼顾灭火浆液的稳定性与渗透性，浆液的浓度宜掌握在15%左右，以10%黄土加5%石灰配制浆液为好。
第三，石灰与黄土均有良好的阻燃性能，两者按一定比例混合制浆，既可减小成本，还可提高灭火效果。
2注浆量
注浆量的大小主要取决于矸石温度。根据热力学有关公式，将1m3矸石从平均温度tl降至t2所需的水量为：
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式中：m——单位体积煤矸石冷却所需水量，kg/m3；
ρ——煤矸石视密度，kg/m3；
C——水的比热，kJ/（kg·℃）；
C1——煤矸石的比热，kJ/（kg·℃）；t1——煤矸石原始温度，℃；
t2——煤矸石最终温度，℃；
r——水的汽化热（225×106J/kg）。
注浆量必须保证注入浆液量足以冷却有效渗透范围内的矸石，注浆量的大小主要取决于矸石温度。因此要测定燃烧区的最高温度和平均温度，以及燃烧中心的深度，根据上述热力学有关公式，计算将有效注浆范围内的煤矸石冷却到临界温度以下所需的水量，然后根据浆液的浓度，可折算出相应的单位注浆量。并考虑到一定的浆液漏失量，就可计算所需注浆量，为实施灭火工程提供依据。
3钻孔的密度与深度
钻孔密度取决于浆液的渗透范围。浆液的渗透范围用Maag公式计算：
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式中：r——浆液渗透半径，cm；
h——注浆管出口压力，cm H2O；
K——煤矸石渗透率，cm/s；
t——注浆时间，s；
r0——注浆管半径，cm；
β——浆液的运动粘度，cm2/s；ε——煤矸石的空隙率。
在煤矸石山上注浆，由于随着注浆时间推移，浆液的固体成分不断充填于矸石的孔隙中，使煤矸石的空隙率与渗透率逐渐减少，同时浆液中的水分蒸发后，浆液的粘度还会增加，因此实际浆液渗透范围小于理论值，理论值可作为注浆孔间距设计的上限。
钻孔的深度主要取决于高温层的厚度，其基本原则是浆液能渗透到火区的高温中心。一般情况下，由于矸石山深部得不到氧气供应，高温中心多位于小于3m的范围内，常取25m。钻孔可以使用煤电钻为钻孔工具。有一些煤矸石山，由于自燃后还继续翻矸，火区可能深达8～10m，用煤电钻无法注浆到该深度，可以采用工程钻机进行钻孔，深度达到10m。工程钻机的能力能满足深处灭火要求，但不能在斜坡上工作，而矸石山往往在斜坡上先发生自燃。
三、注浆技术方法
浆液灭火法根据灭火工艺的不同可分为表层喷浆法、浅层注浆法和深部注浆法。
表层喷浆法。是将灭火浆液用人工或机械方式喷洒于火区表面，通过水分蒸发带走大量热量，同时灭火浆液中的固体成分在煤矸石表面与煤矸石发生物理化学反应后形成稳定的覆盖物。
浅孔注浆法。是利用煤电钻、小型凿岩机或人工锤击等方法，将一定长度和口径的注浆钢管插入煤矸石山内部燃烧区，然后采用泥浆泵等设备把灭火浆液注入到着火的煤矸石层内，然后经降温、反应等一系列的物理化学过程后，在煤矸石山内部形成一定厚度的封闭层，从而达到扑灭火源、阻燃灭火的目的。
深孔注浆法。是运用煤电钻或工程钻机等方法，在煤矸石层中钻出具有一定深度的注浆孔，保证钻孔深度到达煤矸石山内部的燃烧层，然后采用加压注浆法把灭火浆液压入钻孔内，到达煤矸石山内部的燃烧区域，以达到灭火的目的。深部注浆系统及工艺流程见图4-3，图4-4。
图4-3 深部注浆灭火系统
图4-4 深部注浆灭火作业流程
四、实践应用
1根据煤矸石山燃烧特性选择治理方法
阳煤集团通过在煤矸石山顶部打勘探孔、采用红外线、电热耦等测温手段，调查阳泉矿区的自燃矸石山，发现阳泉煤矸石山自燃具有如下特点：煤矸石山自燃为不完全燃烧，燃烧地带分布不均匀。煤矸石山的燃烧中心由地表（即山顶）向深部呈规律性分布，分区自燃。第一燃烧区出现在山顶有裂隙和斜坡的地带，温度在40～170℃之间；第二燃烧区在地表下2～3m区域内，为300～700℃之间，个别煤矸石山达1000C；第三燃烧区位于地表延伸7～10m的范围内，温度在700～1200℃。无论煤矸石山堆积有多高，10m以上深度到山底的煤矸石不再燃烧。另外，燃烧区的数量与煤矸石山的存矸量有密切关系。调查显示，煤矸石存储量小于500×104t的小型自燃矸石山，仅存在第一燃烧区，此区最深到地表下1m；中型煤矸石山，储量在（500～1000）×104t之间，存在第一、第二燃烧区；而储量1000×104t以上的大型煤矸石山，三个燃烧区并存。
根据以上自燃煤矸石山燃烧特性，在选择治理方法时，必须考虑这种方法是否能够根除煤矸石山内部及表面的自燃点，因此需要首先通过勘探测温手段确定煤矸石山燃烧区数目、燃烧区具体深度及燃烧范围。对于仅存在第一燃烧区的小型煤矸石山，可以通过惰性材料覆盖法及表层喷浆法处理；对于存在第二燃烧区的中型煤矸石山，应该采用浅孔注浆为主的方法处理；对于三个火区并存的大型煤矸石山，必须采取以深孔加压注浆为主的方法进行治理。
2根据煤矸石山的堆积形状选择治理方法
煤矸石山的堆积形状一般有三种：第一种是平面型，露天堆积的煤矸石山顶部有相当大的平台面积，或顶部由几个阶梯台面组成，如阳煤集团二、四矿煤矸石山均属此类。第二种是尖锥型，是排矸架一次性排矸所形成的形式，特征是不存在顶部面积或顶部面积很小。第三种是尖锥组合型，因排矸架经数次移位，先后排矸形成了由几个尖锥型交错组合的一座大型煤矸石山。
对于第一种形式的大型煤矸石山，煤矸山顶部具备大型设备（如工程钻机）施工的条件，可直接选择深孔加压注浆为主的方法治理；对于第三种形式的大型煤矸石山，必须采用推土机、铲车等设备推掉相邻山顶，填平顶间沟壑，改造成近似平面型的形式后，再采用深孔注浆法处理；对于第二种形式的煤矸石山，矸山表面主要由斜坡组成，不具备大型设备施工条件，不能采用深孔注浆法，而浅孔注浆法难以保证浆液渗透到煤矸石山深部，故目前尚无比较好的治理方法。根据在阳煤集团三矿的灭火实践，一般先对煤矸石山进行整形，以降低坡度，然后采取注浆法灭火；或者首先在斜坡表面沿等高线方向挖几道一定宽度和深度的雨淋坑或沟渠，并长时间地灌浆降温，在此基础上，沿渠按一定距离垂直于斜坡打浅孔并注浆。浆液应由稀到稠，灌注浆液的顺序应是：先注石灰和火碱配成的灰碱浆，后注石灰和黄土配成的土灰浆。实践表明，该方法对控制煤矸石山自燃有一定的效果。
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