Question

煤矸石山自燃的特征及防治措施

Answer 1

一、煤矸石山自燃的特征

煤矸石山由大量颗粒状煤矸石堆积而成，根据其堆积形状、煤矸石粒级等特点，煤矸石山自燃具有如下特点。

1.迟滞自燃、燃烧时间长、容易复燃、燃烧面积大

阳泉一矿、二矿、三矿、四矿的自燃煤矸石山，仅“八五”期间，共投入1270万元进行灭火治理，当时治理效果很好，但日后局部坡面仍出现二次复燃，一般灭火后半年内出现复燃的情况较多，也有灭火后2个月内开始复燃的。所以。阳煤集团的绝大多数煤矸石山表现为易复燃的特征。

例如，阳泉三矿280矸石山是25年前堆积的，现已成为二矿的工业广场，周围是居民区。该煤矸石山于1995年底发现自燃，且自燃速度很快，自燃面积很广，造成巨大损失，不得不搬迁居民区，改建工业广场。通过分析认为，该矸石山表面经长年风化，其表层的可燃物已很少，但矸石山内部和底部逐渐形成了供氧氧化条件和易于积聚热量的环境，是典型的迟滞自燃型，其特点是自燃过程放出的有毒有害气体少，不易被人发觉，当人们发觉煤矸石山发生自燃后，其火势发展已难以有效控制。

2.煤矸石山自然堆积结构疏松，透气性好

阳泉矿区煤矸石山大多数是根据矿区的地理情况自然堆积而成，从而造成矸石山结构疏松，并且由于长期雨水的侵泡、淋溶和自燃造成矸石山表面下层结构疏松。因此造成表面大片的矸石山下沉和边坡的坍塌、滑坡，从而形成许多透气性好的大的自然裂缝。

3.煤矸石含硫量高

煤矸石中硫化铁的含量很高，大量的硫化铁氧化燃烧并蓄热导致燃烧中心温度很高，高温对煤矸石山自燃的蔓延有决定性作用。

4.自燃煤矸石山具有一般大体积多孔床燃烧的特性

（1）煤矸石山燃烧区的扩展方向

煤矸石山自燃或外因引燃后，多孔床内存在燃烧区、燃尽区、预热区和非燃烧区。最高温度位于燃烧区内，随着燃烧带不断转移和扩展，更多的可燃物燃烧并放出更多热量，使煤矸石山燃烧强度不断增加，燃尽区不断扩大，一般情况下，燃烧区总是向新鲜空气进入方向扩展。

（2）煤矸石山燃烧产物毒性大

煤矸石山的氧化或放热速度不是由化学反应控制，而是受供氧速度的限制，由于内部燃烧许多情况下处于阴燃状态，燃烧不完全，所以燃烧产物毒性比较大。

（3）煤矸石山燃烧带的位置

燃烧带的位置取决于煤矸石山产热和散热速率之间的平衡，只有产热速率等于或大于散热速度时，燃烧才会维持并蔓延。

（4）煤矸石山深部氧气的供应

煤矸石山深部氧气的供应，或靠分子扩散，或靠空气对流，后者可能是由于内部温度分布不均引起的热对流或由地面风场引起的动力对流，而煤矸石山内部热量的散失，或靠传热，或靠空气对流。

（5）煤矸石山自燃温度和空气流动分布不均

煤矸石成分比较复杂，包括可燃物质和惰性物质。由于煤矸石粒度大小等不均匀，造成自热速度、温度分布、空气流动速度，以及自燃发生时间和自燃后燃烧强度分布不均匀，也导致温度和空气流动分布不均匀。

5.煤矸石山又有不同于其他多孔床的一些燃烧特性

燃烧的发展过程十分缓慢而隐蔽，燃烧带厚度比其他多孔床如自燃煤堆大，燃烧强度相对较低；由于煤矸石及其燃烧产物隔热性能良好，空气在空隙中流动速度很低，使得煤矸石山燃烧区域在初期呈不连续且这种状态可能保持较长时间；燃烧火区的转移和扩大主要靠火焰或阴燃传播以及热气流传播等；煤矸石山深部残留煤的自热过程，是矸石山自燃的主要原因，如果局部范围煤矸石温度仍高于煤矸石山自燃的临界温度，一定时期后经灭火治理的煤矸石山仍会复燃；煤矸石的矿物成分和化学成分非常复杂，其中可燃物质主要是由C、H、S等组成的物质，如硫化物、油页岩、碳质沉积物、残存煤和杂物等，由于煤矸石的堆积模式，煤矸石燃烧一般是在供氧量不足情况下进行的，属于不完全燃烧。

上述的煤矸石山自燃特点给灭火工作带来如下问题：煤矸石山自燃的早期发现比较困难，从而增加了灭火工作量；煤矸石山自燃区的位置诊断比较困难，容易遗漏火区，或盲目扩大灭火范围；大范围着火的煤矸石山，彻底灭火困难，而复燃的可能性也比较大。

二、防治煤矸石山自燃的措施

从阳泉矿区自燃煤矸石山调查发现，其自燃主要是由于煤矸石中含有较高的硫铁矿和可燃性物质。硫铁矿氧化放出并积聚热量，引燃可燃物；加之煤矸石自然堆积，煤矸石间孔隙和通道为空气流通（供氧）提供了条件。所以治理自燃煤矸石山重点应是降温、固硫和隔氧。

1.尽量减少煤矸石中的可燃物，如煤、硫铁矿及炭质岩等

煤矸石在常温条件下与空气中的氧气有良好的结合能力，主要原因是煤矸石中含有可燃物质——主要有煤、硫铁矿及炭质岩。为使煤矸石山不发生自燃，从煤矸石中回收煤炭、硫铁矿等是较为可行的办法。

煤矸石中回收煤炭的方法可分干法与湿法两种。干法相当简单，它是根据煤矸石中含煤量及粒度组成的特点，选择合适孔径的筛子进行筛分，筛分出来的成分热值相对较高，可作为动力用煤。国内也有不少煤矿采用人工拣选的方法从矸石中回收煤炭。一种湿法生产系统与重力选煤法相同，采用重介质分选机及跳汰机进行分选，只不过它处理的对象是煤矸石。我国目前建立专门的矸石洗选厂还很少，而美国、英国、比利时等国家利用这种方法已取得较好的效益。另一种湿法生产系统要比前一种简单，它的主要设备是水力旋流器。粉碎到一定粒度的矸石进入水力旋流器后，借助于离心力，密度小的煤炭从上方排出，而密度较大的矸石则从下面流出。美国、波兰等国都建立了这样的煤矸石洗选厂，同样取得了较好的经济效益。

由于清除或回收煤矸石中的可燃物，使煤矸石灰分提高到90%以上，也可达到同样的防火效果。但上述清除煤矸石中的可燃物的办法，根据我国国情和阳煤集团每年排放700×10⁴t煤矸石的实际状况是难以实现的。因此根据各矿的情况，可以采用干法、湿法或人工手选的办法做一些可行的工作，以减少可燃物的含量。

阳煤集团五矿所排放的煤矸石中，粒径小于13mm的煤矸石，其发热量为11.3MJ/kg左右，正好符合沸腾炉用燃料的热值标准。为了进一步利用煤矸石资源，同时也作为煤矸石山的一项防火措施，于1997年8月起在煤矸石山上设置了一套干法分选煤矸石系统，用孔径为12～14mm的振动筛来分选煤矸石。该方法在有条件的地方可继续采用，这既有利于开展对煤矸石的综合利用，又是节约能源的一种方法，经济效益显著，同时对防止煤矸石山的自燃和复燃均具有较好的作用。

2.固硫

煤矸石中硫铁矿的氧化放热是煤矸石自燃的一个重要因素，因此抑制硫铁矿的氧化可以有效控制煤矸石的升温和自燃。硫铁矿氧化包括化学氧化和微生物的催化氧化。抑制硫铁矿化学氧化可以通过添加化学材料使得煤矸石表面生成包被层起到抑制氧化的作用；硫铁矿的微生物的催化氧化使氧化速率提高了10⁶倍，为此控制微生物催化氧化成为抑制硫铁矿氧化的关键。目前国内外许多学者进行了大量研究并筛选出许多化学材料用来杀灭氧化亚铁硫杆菌，进而抑制煤矸石中硫化铁的氧化。

3.设计新的排矸方式，降低矸石山坡度和高度，设法隔氧，抑制氧化

我国传统的排放煤矸石方式一般是先将煤矸石拉到矸山的最高处，然后倾倒并使其自然滚落。这种方式的优点是排矸系统比较简单省事，但由于矸石间空隙大，排矸坡面推进速度慢，因而极易造成自燃。研究表明，煤矸石山的堆积高度低于临界高度则不会发生自燃，可采用分层堆积（并压实）的方式，保证每层煤矸石的堆积高度小于其临界高度（如5m），同时降低煤矸石山斜坡的坡度，以降低安息角，从而防止煤矸石山自燃。

国外采用“分层压实、覆土封闭”的排矸方式，收到了非常好的效果。

（1）前苏联顿涅茨矿井设计研究院的做法

将矸石用推土机推至预定的排矸场，推平压实或振动夯实。一般是每铺0.2～0.3m厚就压实一次，尽量减少矸石的空隙率。在矸石堆的边缘和斜坡上用粘土或粉煤灰等惰性材料覆盖并压实，特别是矸石堆的坡底处，大块矸石多，空隙率大，应特别覆盖好并夯实，使矸石覆盖层与地面的接触处形成紧密的统一体。当矸石堆或阶梯式的平台（一般每个平台宽6m，高12m）达到一定的高度停止使用时，在其表面也覆盖一层惰性材料并夯实，这样整个煤矸石堆就形成了一个封闭体。惰性材料覆盖层的厚度一般为30～50cm。通过改变矸石山供氧蓄热条件，也可达到防止矸石自燃的目的。通过对矸石山供氧机理的分析、最小临界风速的确定、矸石与黄土渗透率的测试，可以知道，只要减小矸石的渗透率，使得在自然条件下，矸石山内部的空气流动速度小于临界流速即可防止自燃。为了防止雨水冲垮覆盖层，在阶梯平台上必须设立排水沟，平面堆积的矸石山则采用自然坡度排水。实践证明这种堆积方式是极其有效的。

（2）美国采用的分层堆置法

将矸石用推土机推平、压实。每5m厚的矸石层上覆盖50cm厚的填土，这样一层矸石、一层土交替堆置。矸石堆的边坡也覆盖土壤。随着矸石堆的增高，在已覆盖的边坡种植植物，最后矸石堆的顶面也用土覆盖，并植被作为保护层。在雨水多的区域，矸石堆必须设排水沟。

为了防止煤矸石山发生自燃，阳煤集团通过实践，采用了一套科学的排矸方法，并总结出十六字新煤矸石排放工艺：“自下而上，分层排放，缩小凌空，周边覆盖”，收到了很好的效果。

4.降低煤矸石山的温度

煤矸石山之所以能够自燃，主要是因为煤矸石中的可燃物氧化自热，热量积累，使煤矸石山的温度上升，当温度上升到煤等可燃物的加速氧化临界温度后，煤矸石的温度快速上升，达到煤等可燃物的燃点后，煤矸石山开始自燃。由此可知，可通过测量煤矸石山内部的温度，在煤矸石的温度达到其加速氧化的临界温度之前采用冷却法、灌浆封闭法、低温惰性气体法等方法降低煤矸石的温度，以防止其自燃。这与自燃后再治理相比可大大降低治理成本。

5.尽量防止水浸入煤矸石山

适宜的水分含量可以加快煤矸石中煤和黄铁矿的氧化速率，降低了煤等可燃物质的着火点，对煤矸山自燃起了重要的促进作用。因此通过修建排水沟渠将水排出煤矸石山，成为有效抑制煤矸石自燃的辅助措施之一。