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。

3、采取阻燃剂减少矸石山的活化能，提高矸石山自燃的临界温度。

4、防治水浸入矸石山。

5、立温度测试点，以判断该地段是否有自燃的倾向。

6、巷道设计、施工工艺设计及矸石运转等环节充分考虑煤矸石的井下处理，从根源上减少井下矸石的产生。

7、高煤矸石的综合利用。例如当作充填材料充填采空区，还可以用来制砖、发电、生产建筑材料等。

3.2 煤矸石山灭火方法的选择

1、直接挖出法

这种方法较为简单，但只适用于初燃的矸石山。一般利用机器或高压水枪，挖出着火矸石和热矸石，用水冷却或让其自然冷却，回填或重新堆积。美国早期曾大量使用该方法灭火，发生了多起事故。

2、注浆法

注浆法是国内最常用的方法，可表面浇洒，也可挖沟灌注和钻孔注浆。其中，钻孔注浆对大面积或深部燃烧治理和防止复燃效果较为理想。该方法是在矸石山布置一定数量的钻孔，将黄土、粉煤灰、电石渣和石灰等注浆材料配成一定浓度的浆液注入火区和自热区。考虑浆液受重力作用的影响，其扩散以垂直方向为主，难以控制其流动方向。近年来出现了将注浆与注泡沫灭火剂相结合的治理技术。泡沫有较好的隔氧作用，不仅可以节约用水，在矸石空隙中的扩散能力较强，又不会破坏浆液形成的密封带。

3、灌水法

水在高温下形成蒸汽，吸收大量汽化热，其吸热降温效果非常好，是一种优良的灭火剂。但是，选择这种方法必须非常慎重。一方面，注水后矸石山空隙率增加，干燥后矸石的反应活性也会增加，很难防止其复燃。另一方面，对深部高温炽热火区或含有硫铁矿的火区，水与炽热的炭相遇，产生大量的水煤气，增加了爆燃几率;水的加入会使硫铁矿氧化反应更加剧烈、更复杂，产生的热量和气体来不及释放，产生积聚而引发喷爆。国内发生的几起雨后矸石山爆炸事故已证明了这一点。

4、表面密封和压实法

该方法是在矸石山表面铺土、压实，隔绝空气进路，使矸石山内部空气消耗殆尽后熄灭。表面密封和压实法可以降低燃烧强度和污染物排放速率，主要用于控制矸石山火势和污染强度，需要及时维护。国内采用分层堆放矸石、分层压实的方法预防矸石山自燃取得了较好的效果，其灭火效果不太理想。英国和其他欧洲国家主要采取此方法预防矸石山自燃。

5、低温惰性气体法

目前，美国矿务局正在对低温惰性气体法进行大规模工业性试验。该方法是向火区注入液氮和固体

CO混合物，可快速降低火区温度，而且在相变过程中体积可

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增加500 倍，形成冷压波，从注入点快速扩散至全区，把低密度热烟气排至地表，同时隔绝空气，达到降温灭火的目的。

综上所述，从国内外工程实践来看，以注浆法为主，辅以表面密封和压实以及灌注泡沫灭火剂的综合措施是目前较为成熟、有效的矸石山自燃治理技术。有条件的地区也可借鉴美国矿务局的方法，采取低温惰性气体灭火。

3.3 煤矸石燃烧的控制

对已经燃烧的矸石山，为控制其燃烧可采取以下措施：

1、在矸石山燃烧地段，其四周可挖深沟，把已燃和未燃的矸石隔离开来；

2、在深沟间灌水，或从矸石山顶上喷水；

3、利用惰性材料覆盖燃烧的矸石山。如果先覆盖燃烧表面，火势将传到未燃烧处。因此，应在山顶堆积足够的泥土，并在一天内用推土机或其它方式推开；

4、用泵向矸石山灌注岩灰浆。先用钻头打一些直径为50 ～76mm 的深孔，孔深以接触到燃烧处底基为限，在孔中灌注岩灰浆或石灰浆，然后用泥土堵塞，

5、对矸石山裂隙地段，加固后用隋性材料覆盖；

6、较小的矸石堆可在燃烧处挖洞，用水熄灭后，再重新堆积。

4结语

煤矸石山自燃是一个复杂的物理化学过程，煤和黄铁矿是煤矸石的主要可燃物，对其回收分选是防止自燃的基本措施。为了提高治理矸石山自燃的主动性，首先应

重视煤矸石的堆放处置方式和预处理，以防为主。其次，应加强煤矸石自燃机理、防治技术的研究，以减少人员伤亡。从环保的角度出发，则应加强煤矸石综合利用技术研究，这也是治理煤矸石自燃的根本之道。

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