劉建明,種德雨,張 楊,張宇超

淺析煤矸石的自燃及防治措施

劉建明①,種德雨,張 楊,張宇超

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

煤矸石是煤炭開(kāi)采和加工過(guò)程中排放出的廢棄巖石,它是煤炭企業(yè)的主要污染源之一,尤其是煤矸石的自燃對(duì)生態(tài)環(huán)境和礦區(qū)員工的身體健康等都具有不良影響。介紹了煤矸石的組成成分、自燃的條件及自燃的預(yù)防手段和治理技術(shù)。

煤矸石;自燃;條件;因素;防治;措施

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)全國(guó)累計(jì)堆存煤矸石已達(dá)30億 t,形成了1 500座矸石山,占地12萬(wàn)hm2,成為我國(guó)最大的工業(yè)固體廢棄物。矸石中含硫量高時(shí),極易引起自燃。煤矸石自燃時(shí),每m2一晝夜放出二氧化硫6.5 kg、一氧化碳 10.8 kg、硫化氫和氮氧化合物0.6 kg,同時(shí)伴有大量煙塵。自燃的煤矸石山污染大氣環(huán)境,抑制周?chē)r(nóng)作物生長(zhǎng),嚴(yán)重?fù)p害周邊職工和農(nóng)民的身體健康,影響煤礦的正常生產(chǎn),因此,分析煤矸石的自燃機(jī)理并提出其防治辦法,對(duì)于綜合利用煤矸石及保護(hù)煤礦生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤矸石的巖相特征及化學(xué)組成特征

1.1 煤矸石的巖相特征

煤矸石主要是由炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、砂巖等巖石組成的混合物,屬于積巖。部分煤矸石結(jié)構(gòu)較為致密,呈黑色,自燃后呈淺紅色,結(jié)構(gòu)較疏松。煤矸石的主要礦物成分有高嶺石、蒙脫石、長(zhǎng)石、伊利石、方解石、黃鐵礦、水鋁石和少量稀有金屬礦物等組成,元素組成多達(dá)數(shù)十種。

1.2 煤矸石的化學(xué)組成特征

煤矸石的化學(xué)成分隨其地層巖石的種類(lèi)和礦物組成不同而變化,煤矸石的主要化學(xué)成分有 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 及少量 FeS2等。其中SiO2、Al2O3的含量是影響煤矸石潛在活性的主要因素,其含量越多,煤矸石活性越高,FeS2及其他含 S化合物的量越多,越有助于煤矸石的自燃。主要化學(xué)成分的含量見(jiàn)表1。

表1 煤矸石的化學(xué)成分

2 煤矸石自燃的條件

大量煤矸石長(zhǎng)期露天堆放,矸石堆中極易氧化的可燃物在一定的溫度壓力條件下,與氧氣發(fā)生反應(yīng),放出熱量,熱量聚集使矸石堆內(nèi)部溫度升高一起自燃。但總的來(lái)說(shuō)要實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件。

2.1 內(nèi)因—自燃熱源及自燃燃料

1)自燃熱源。煤矸石中含有一定數(shù)量的硫鐵礦,這些硫鐵礦在一定條件下與氧氣發(fā)生反應(yīng),放出大量的熱,與此同時(shí)還生成大量二氧化硫。根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算1 kg硫鐵礦完全燃燒可釋放10 662 kJ熱量,若煤矸石中硫鐵礦的含量為3%,則1 kg煤矸石完全燃燒后可釋放320 kJ的熱量,這些熱量可使煤矸石溫度升高381℃?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

2)可燃燃料。硫鐵礦燃燒時(shí)放出巨大熱量使矸石山內(nèi)部溫度升高,當(dāng)溫度到達(dá)300℃時(shí),使矸石山中的煤、廢坑木等其他可燃物燃燒,造成矸石山大面積長(zhǎng)期穩(wěn)定的燃燒。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2.2 外因—良好的通風(fēng)供氧條件

硫鐵礦及可燃物燃燒必須有充足的氧氣,而矸石山的堆積方式為氧氣的供應(yīng)提供了條件。我國(guó)傳統(tǒng)的排矸方式是先將矸石拉到矸石山頂部然后傾倒并使其自然滾落,較大的矸石塊滾落到矸石山的邊坡底部,較小的矸石塊則堆在中上部。用這種堆積方式在堆積過(guò)程中會(huì)發(fā)生“粒度偏析”,使矸石山中形成空氣通道,結(jié)果使矸石山生成“煙囪效應(yīng)”,為氧氣的不斷供應(yīng)提供了動(dòng)力。

3 影響煤矸石自燃的其他因素

3.1 水分的影響

1)水分促進(jìn)煤的氧化。空氣中的水分,被煤的表面吸附后產(chǎn)生吸附熱,同時(shí),增加吸氧量,促進(jìn)煤的氧化,并產(chǎn)生吸附熱使煤矸石的溫度升高5℃～7℃,水的濕潤(rùn)熱也使煤矸石的溫度升高15℃～17℃。

2)水分是煤矸石的著火點(diǎn)溫度降低。實(shí)驗(yàn)表明,在一定含水量范圍內(nèi),隨含水量的增加,原煤著火點(diǎn)的溫度降低。當(dāng)煤的含水量達(dá)20%時(shí),其著火點(diǎn)比干燥時(shí)的著火點(diǎn)低80℃以上。

3)水分可以促進(jìn)矸石風(fēng)化。水分和溫度的聯(lián)合交替作用,可使煤矸石的風(fēng)化加速,加快風(fēng)化的結(jié)果使煤矸石的粒徑變小,表面積迅速增大,孔隙度和透氣性增加,為空氣進(jìn)入矸石山提供了有利條件。

3.2 粒徑的影響

矸石粒徑一般說(shuō)來(lái),粒徑組成在一定程度上決定了煤矸石的透氣性。粒徑太小,滲入的氧氣在矸石堆表面就消耗掉了,難以滲入煤矸石堆深部;粒徑太大,氧化產(chǎn)生的熱量容易散發(fā),不易引起自燃。研究認(rèn)為,煤矸石的顆粒平均有效直徑在6～13 mm時(shí),矸石山具有最好的氧化升溫及蓄熱的條件,產(chǎn)生自燃的可能性最大。

3.3 溫度對(duì)煤矸石自燃的影響

煤矸石的自燃要經(jīng)過(guò)緩慢升溫階段,氧化自動(dòng)加速階段和穩(wěn)定燃燒階段。

在煤矸石燃燒的初始階段,黃鐵礦和碳、氧氣緩慢反應(yīng)時(shí),放出熱量,使煤矸石的溫度升高,當(dāng)溫度升到臨界溫度時(shí),反應(yīng)的速率隨著溫度的升高而不斷加速,直到達(dá)到著火溫度,煤矸石開(kāi)始穩(wěn)定燃燒。其中矸石自燃的臨界溫度和著火溫度不是煤矸石所固有的物化常數(shù),它是化學(xué)動(dòng)力因素和流體動(dòng)力因素的綜合,與煤矸石的化學(xué)活性、煤的燃燒活化能、矸石的導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)熱量和對(duì)周?chē)沫h(huán)境散熱條件等有關(guān)。

4 煤矸石自燃的防治措施

4.1 煤矸石自燃的預(yù)防措施

煤矸石自燃的預(yù)防就是通過(guò)某種手段,消除自燃的條件,使煤矸石山自燃的各個(gè)條件之間不能連續(xù)做出反應(yīng),達(dá)到阻斷煤矸石自燃的目的。歸納起來(lái),預(yù)防矸石山自燃可遵循以下幾種原則：

1)減少硫鐵礦及碳質(zhì)可燃物,清除矸石山內(nèi)的可燃物。

2)改變矸石山的堆積方式,采取“小堆重積”或“小堆薄層壓實(shí)”方式。在下部覆蓋黃土并壓實(shí)阻斷堆積時(shí)因“粒度偏析”形成的空氣通道,還要降低矸石山的堆積高度和坡度。

3)采取阻燃劑減少矸石山的活化能,提高矸石山自燃的臨界溫度。

4)防治水浸入矸石山。

5)立溫度測(cè)試點(diǎn),以判斷該地段是否有自燃的傾向。

6)巷道設(shè)計(jì)、施工工藝設(shè)計(jì)及矸石運(yùn)轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)充分考慮煤矸石的井下處理,從根源上減少井下矸石的產(chǎn)生。

7)高煤矸石的綜合利用。例如當(dāng)作充填材料充填采空區(qū),還可以用來(lái)制磚、發(fā)電、生產(chǎn)建筑材料等。

4.2 煤矸石自燃的主要治理措施

1)挖除火源法。挖除火源法是最直接也是相當(dāng)有效的方法,在確定燃燒范圍后,挖出著火矸石,使其自然冷卻。當(dāng)著火范圍不大時(shí),該法實(shí)施較簡(jiǎn)單,成功率高。但對(duì)大面積自燃,人員及設(shè)備難以進(jìn)入火區(qū),挖除火源工作量大,并有一定危險(xiǎn)性。因此,該方法僅用于矸石山自燃初期或?yàn)闇缁鸱椒ǖ囊环N輔助措施。

2)深部注漿法。工藝過(guò)程為先將滅火材料(一般堿性物質(zhì))制成一定濃度的滅火漿液,再在火區(qū)布置一系列鉆孔,然后用注漿泵將滅火漿液注入矸石山內(nèi)部。當(dāng)滅火漿液接觸到高溫矸石后,漿液的水分急劇蒸發(fā),同時(shí)帶走大量熱量,使矸石迅速降溫。此時(shí),漿液中的固體物質(zhì)包裹在矸石表面,或充填在矸石間的縫隙中,起到隔絕空氣的作用。注漿法是通過(guò)降溫與隔氧兩方面的共同作用達(dá)到滅火目的。主要化學(xué)反應(yīng)為：

3)注水法。注水滅火法是一種經(jīng)濟(jì)有效、操作簡(jiǎn)便的防治煤和煤矸石自燃的技術(shù)措施。但是水分對(duì)矸石自燃的作用具有兩重性 。當(dāng)煤矸石的濕度增加到某一程度,其表面將形成含水液膜,可起到阻止矸石和氧接觸,即起到隔氧阻化的作用。同時(shí),水受熱蒸發(fā)時(shí)能吸熱降溫,可消耗矸石在氧化時(shí)產(chǎn)生的熱量,因而熱量難以聚積,避免產(chǎn)生升溫現(xiàn)象。但當(dāng)矸石的外在水分蒸發(fā)減少到一定程度時(shí),矸石的外在水分可由原來(lái)的阻化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇呋饔?從而促使煤氧化和自燃。注水法會(huì)形成水流通道,為氧氣的進(jìn)入提供了條件,由此又會(huì)引發(fā)新的矸石的自燃。

4)覆蓋法。覆蓋法一般是在矸石山表面覆蓋黃土等惰性物質(zhì),來(lái)隔絕空氣防治自燃。覆蓋法滅火的關(guān)鍵是必須將覆土壓實(shí),同時(shí)覆土前矸石必須經(jīng)一定程度的冷卻。可以結(jié)合注水法先對(duì)矸石山深度注水,溫度降低后,再覆土壓實(shí)。

5 小 結(jié)

矸石山自燃的防治是煤礦企業(yè)的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略任務(wù),并且具有一套科學(xué)施工的工藝方法,同時(shí)為了更好地搞好矸石山自燃的防治還要考慮到方法的合理性、經(jīng)濟(jì)性、工藝科學(xué)性及處理的效果,只有這樣才能更大范圍的利用資源,保護(hù)環(huán)境,走良性發(fā)展的道路。

[1] 李永生,郭金敏,王凱.煤矸石及其綜合利用[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006：109-117.

[2] 李 松,萬(wàn) 潔.煤矸石自燃機(jī)理及其防治技術(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005(3)：82-84.

[3] 劉春杰,王 瑩,范利華,等.矸石山自燃的成因分析及防治措施[J].煤炭技術(shù),2006(11)：3-5.

[4] 徐希剛.煤礦矸石山自燃與防治技術(shù)[J].山東煤炭科技,2009(2)：167-168.

Analysis on Spontaneous Combustion and Control Measures of Coal Gangue

Liu Jian-ming,Zhong De-yu,Zhang Yang,Zhang Yu-chao

Gangue is waste rock of emission in coal mining and processing,which is one of the major source of pollution in coal enterprises,in particular the spontaneous combustion of coal waste on the environment and the health of mine workers have adverse effects.Introduces the gangue components,spontaneous combustion conditions and means of prevention and control technology.

Coal gangue;Spontaneous combustion;Condition;Factor;Preventing and curing;Measure

TD751

B

1672-0652(2010)01-0004-03

劉建明 男 1987年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221008

2009-12-25