煤矸石自燃及防治措施分析

煤矸石自燃及防治措施分析

摘 要: 煤矸石的自燃对生态环境和人类的安全健康都具有不良影响，通过对煤矸石的组成成分、自燃的条件及特征等的探索，提出对煤矸石自燃的灭火技术及防治措施。

关键词: 煤矸石；自燃；条件；特征；灭火技术；防治措施。

0 前言

煤矸石是采煤和洗煤过程中的排弃物，通常占采煤量的15% ～ 20%。煤矸石山对环境最大的危害除占地外就是自燃。自燃时释放出大量CO 、S H 2、2SO 等有害气体，严重污染周围大气环境，危害人们身体健康。在人们环保意识不断提高、环保问题备受关注的今天，如何防治煤矸石自燃，就显得尤其重要。

1 煤矸石的岩相特征及化学组成特征

1.1 煤矸石的岩相特征

煤矸石主要是由炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等岩石组成的混合物，属于积岩。部分煤矸石结构较为致密，呈黑色，自燃后呈浅红色，结构较疏松。煤矸石的主要矿物成分有高岭石、蒙脱石、长石、伊利石、方解石、黄铁矿、水铝石和少量稀有金属矿物等组成，元素组成多达数十种。

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2 煤矸石的化学组成特征

煤矸石的化学成分随其地层岩石的种类和矿物组成不同而变化，煤矸石的主要化学成分有2SiO 、32O Al 、32O Fe 、CaO 、MgO 及少量2FeS 等。其中2SiO 、32O Al 的含量是影响煤矸石潜在活性的主要因素，其含量越多，煤矸石活性越高，2FeS 及其他含S 化合物的量越多，越有助于煤矸石的自燃。

2 煤矸石自燃机理

2.1 煤矸石自燃的原因

关于煤矸石自燃的原因，主要有硫铁矿氧化学说和煤氧复合自燃学说。硫铁矿氧化学说是目前解释煤矸石自燃的主要理论。它认为，煤矸石中的硫铁矿在低温下发生氧化，产生热量并不断聚积，使煤矸石内温度聚集，引起煤矸石中的煤和可燃有机物燃烧起来，从而导致煤矸石自燃。而煤氧复合自燃学说则认为煤矸石中通常夹带着10 %～25 %的碳质可燃物，在常温下，煤矸石中的煤(尤其是镜煤和丝炭)会发生缓慢的氧化反应，同时放出热量，当热量聚积到一定温度时，便可引起可燃物自燃，从而导致矸石山自燃。

2.2 煤矸石自燃的条件

煤矸石山发生自燃须具备以下条件：

1、煤矸石具有自燃倾向性；

2、有连续的氧气供给；

3、有热量积聚的环境；

4、以上条件应维持足够时间已达到自燃点。其中条件1为煤矸石发生自燃的内部特征，2、3为其自燃的外部条件。煤矸石中的可燃物主要是黄铁矿和煤，而氧气及热量积聚的环境，与其堆积结构有关。矸石山在自然堆放(平地或顺坡堆放)过程中，均会发生粒度偏析，在矸石山内产生“烟囱效应”。氧化产生的热量，一部分由“烟囱效应”随空气带出，另一部分则积聚在矸石山中。当某一局部温度达到自燃点时便引起自燃，且逐步向四周蔓延。

2.3 煤矸石山燃烧特点

煤矸石山自燃具有以下四个特点:燃烧先从煤矸石山内的中部开始;属于不完全燃烧;在雨季有爆炸的危险;可燃物质最终燃烬。

1、燃烧首先从煤矸石山内的中部开始

煤矸石山的自燃除了本身条件之外，主要取决于供氧条件。氧是沿着煤矸石之间的空隙和孔道向内部补给的。煤矸石山内的中部有利于氧化反应生成热的积聚，所以燃烧首先在这里开始。自燃后，燃烧区的最高温度可达到800 ～1000℃。

2、煤矸石山的燃烧性质———不完全燃烧

在自燃之前，煤矸石山中的空隙和孔道为黄铁矿和炭质可燃物的氧化提供空气;在自燃之后，它们又为可燃物质燃烧补给空气。由于煤矸石山的燃烧首先从中部开始，因此通过空隙和孔道输送空气的速度比较缓慢;另外空隙和孔道较小，氧气供应不充分。所以从整体上说，矸石山燃烧是在供氧量不足情况下进行的，其燃烧性质属于不完全燃烧。不完全燃烧的结果除产生二氧化硫和二氧化碳外，还产生大量一氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等，从而造成大气环境的污染。煤矸石山燃烧速度缓慢，燃烧时间长，一座大型煤矸石山往往要燃烧十多年，甚至几十年的时间。

3、在雨季有爆炸的危险

燃烧的煤矸石山在雨季有可能发生爆炸，尽管几率较小，但是爆炸一旦发生，有可能危害人们的生命与安全。降雨时，大量水喷洒到燃烧的煤矸石山上，并渗透到煤矸石山内温度高达800 ～1000℃的燃烧区，导致水变成蒸汽并与赤热的碳发生化学反应，生成氢气和一氧化碳。大量氢气和一氧化碳使气体体积增大。由于煤矸石之间空隙和孔道狭小，大量气体来不及释放，导致压力急剧增高而发生爆炸。另一方面，氢气和一氧化碳的急剧增加，它们本身也会发生爆炸。

4、燃物质最终燃烬

煤矸石自燃并燃烬。

2.4 煤矸石自燃的影响因素

影响煤矸石自燃的主要因素有:硫铁矿含量、水分、矸石的粒径和温度等。

1、硫铁矿在常温下，煤矸石中的硫铁矿被空气氧化并放出能量。如果硫铁矿在煤中呈星状分布，其颗粒与碳物质连结在一起，就更易氧化自燃，因而硫铁矿集中的区域，往往是自燃的中心区。但是，有的煤矸石中硫铁矿含量很高却不自燃，有的含硫量很低却又非常敏感，这与煤矸石的堆存方式、气候环境、水分的高低等有

很大的关系，同时也说明硫铁矿的存在是煤矸石自燃的重要因素，但不是唯一的因素。

2、水分的影响主要表现在两个方面。其一，水分能促进煤的氧化。雨水、空气中的水分，被煤和含碳有机质表面吸附后产生吸附热，会促进煤和含碳有机质的氧化。这是煤矸石自燃的外因和必要条件。试验证明，当空气中湿度低于15 %时，煤矸石的吸氧量随湿度的增加而增加，当煤的湿度增加到10 %～15 %时，吸氧量达到最大值。其二，水分能降低煤的着火温度。在一定含水量范围内，随含水量的增加，煤的着火温度下降。当煤的含水量达20 %时，其着火温度比干燥时降低80%以上。另外，水分还能加速煤矸石自燃的燃烧速度。因此当用注水法灭火时，如果注水不充分，反而会加剧矸石山的自燃。

3、矸石粒径一般说来，粒径组成在一定程度上决定了煤矸石的透气性。粒径太小，渗入的氧气在矸石堆表面就消耗掉了，难以渗入煤矸石堆深部;粒径太大，氧化产生的热量容易散发，不易引起自燃。研究认为，煤矸石的颗粒平均有效直径在6 ～13mm 左右时，矸石山具有最好的氧化升温及蓄热的条件，产生自燃的可能性最大。

4、温度煤矸石的自燃一般经过缓慢反应- 自动加速反应- 燃烧三个过程。在初始阶段，煤矸石中的硫铁矿和有机碳质在常温下缓慢反应，放出热量，使煤矸石逐渐升温。当煤矸石达到临界温度时，若燃料和氧气供应充足，燃烧就会稳定地进行。煤矸石自燃的临界温度约为350 ℃，这对于灭火有着重要的指导意义。

3 煤矸石山自燃防治措施

3.1煤矸石自燃的预防措施

煤矸石自燃的预防就是通过某种手段，消除自燃的条件，使煤矸石山自燃的各个条件之间不能连续做出反应，达到阻断煤矸石自燃的目的。归纳起来，预防矸石山自燃可遵循以下几种原则：

1、减少硫铁矿及碳质可燃物，清除矸石山内的可燃物。

2、改变矸石山的堆积方式，采取“小堆重积” 或“小堆薄层压实”方式。在下部覆盖黄土并压实阻断堆积时因“粒度偏析”形成的空气通道，还要降低矸石山的堆积高度和坡度。