Question

煤矸石山自燃的条件及过程

Answer 1

一、煤矸石山自燃的条件

煤矸石山的自燃是一个极其复杂的物理化学过程，它必须同时具备三个条件。

1.煤矸石山本身具有自燃倾向

在常温条件下煤矸石与空气中的氧气有良好的结合能力，是煤矸石自燃的基本条件之一。煤矸石山能够低温氧化的物质或可燃物，主要是指黄铁矿和煤，其他有遗弃在矸石中的碳质页岩、腐烂木头、破布、油脂等（表3-1）。

表3-1 阳煤集团洗选煤矸石工业分析

煤矸石的成分分析表明阳泉煤矸石的含硫量较高，尤其是洗矸中的黄铁矿含量更高，比采掘矸高1倍左右，除了三矿为2.12%外，其余各矿高达6%以上，平均为5.77%。洗选煤矸石发热量最高达11926J/g，含碳量最高为30.3%，平均发热量为7997J/g，含炭量在20.6%。根据《煤矿安全规程》（1992年），含硫量在3%以上的煤和煤矸石都有自燃的可能。煤矸石中存留的大量的煤对自燃起到了很重要的作用。

2.煤矸石山能得到充分的氧气供应

我国许多矿区（如阳泉矿区）一般都是先将煤矸石拉到排矸场的最高处，再用推土机将其推至坡面自由滚落。矸石在重力作用下，斜坡上自由滚落的过程中，大块矸石更多地滚落到矸石山底部，粒径小的矸石多数留在上部，形成了矸石的自然分级。分级的结果形成“烟筒效应”（图3-1），导致矸石堆积疏松，空隙率大，矸石供氧条件好，矸石的渗透率较高。仅依靠分子扩散供氧，便可使矸石温度上升至自燃临界温度以上。

图3-1“粒度偏析”导致产生的空气通道

研究发现，排到矸石山上的矸石从暴露在表面到被其他矸石掩埋到深部的过程中，经历了不自燃带—可能自燃带—窒息带这样的变化。因为上述堆积方式排矸面积大，排矸坡面推进速度极慢，使得矸石可以较长时间停留在可能自燃带。一旦这段时间超过矸石的最短自燃发火期，就有可能发生自燃。

可见，不合理的堆积方式给矸石的持续氧化提供了良好的条件，这也是导致阳泉煤矸石山自燃的主要外因。

3.具备蓄热条件并达到燃烧的临界温度

当低温氧化反应放出的热量不能及时消散于周围环境中就会导致局部升温，若煤矸石山中有足够的可燃物，且仍能得到充分的氧气供应，环境温度的升高又会促使矸石的氧化反应加速。在达到临界温度点（80～90℃）后，氧化反应速度迅速提高，矸石很快由自热状态进入自燃状态。在自热阶段，若矸石中可燃物不多，无法提供进一步氧化所需的物质基础，或矸石堆的供氧条件与蓄热条件发生变化，使氧化反应产生的热量散失于周围环境中，矸石便不会进入自燃状态。

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。因此防治矸石山自燃主要应从前两个条件入手。

二、煤矸石山自燃的过程

煤矸石山自燃的历程主要有以下几个阶段：

（1）煤矸石表面吸氧潜伏期

煤矸石中的含碳矿物及黄铁矿等矿物在同空气接触时，空气中的氧会以物理吸附和化学吸附的方式吸附在这些矿物表面，氧气在这些可燃物表面的吸附为可燃物的氧化提供了基础，这是煤矸石自燃的潜伏期。

（2）缓慢氧化自热阶段

煤矸石的缓慢氧化并释放大量的热，从而造成热量积累。表面吸附氧的可燃矿物在环境条件的作用下开始缓慢氧化，主要包括黄铁矿的氧化和含碳物质的氧化过程。这些反应都是放热反应，当氧化放出的热量不能及时散发时，则煤矸石的温度缓慢上升，这是自热期。

（3）热量积累从而加速氧化并自燃

也称为加速氧化和热量积累阶段。随着煤矸石的氧化、自热不断进行，煤矸石的温度升高，当达到煤的临界温度以上时，氧化速率呈指数倍增加，这是加速氧化期。

（4）充分氧化自燃

当煤矸石山中各种可燃物质的氧化放热使煤矸石山的温度升高达到煤及其他可燃物质的燃点时，煤矸石山便进入自燃期。