楊 濤

(華陽新材料科技集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保部(綜合科)，山西 陽泉 045000)

引 言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對煤礦資源的開采力度逐漸加大，中國一度成為全球最大的煤礦生產(chǎn)國和需求國。但由于煤礦為地層中的物質(zhì)，在煤礦開采過程中，除了會(huì)提煉出較多優(yōu)質(zhì)煤炭外，也會(huì)產(chǎn)生較多的固體廢棄物，即為煤矸石。煤矸石已成為當(dāng)前煤礦中的重要污染源之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，所產(chǎn)生的煤矸石占整個(gè)煤礦開采量的10%以上，占比相對較大。由于煤矸石中含有低濃度的煤炭，一旦堆積放置于現(xiàn)場，將極容易發(fā)生自然現(xiàn)象，并釋放出的較大濃度的有毒氣體及粉塵，對周邊環(huán)境及人員身體健康構(gòu)成嚴(yán)重危害，煤矸石的綜合治理已成為當(dāng)前重要任務(wù)。為此，在分析煤矸石特點(diǎn)及堆積危害基礎(chǔ)上，開展了煤矸石自燃影響因素分析，提出了煤矸石綜合治理措施及再利用方向，這對煤礦企業(yè)加強(qiáng)對煤矸石的生態(tài)處理提供了指導(dǎo)作用。

1 煤矸石特點(diǎn)及堆積的危害分析

煤矸石是在煤礦掘進(jìn)過程中，從頂板、底板及煤層夾層中產(chǎn)生的，以及在洗煤過程中也將產(chǎn)生較多的洗矸石，較多煤矸石的堆積，形成了較大面積的煤矸石山。由于煤矸石為固態(tài)混合物，包括砂石巖、碳酸鹽、鋁質(zhì)巖等礦物質(zhì)，包括煤炭、大量金屬(硅、鋁、鐵)、非金屬、少量放射性元素及有機(jī)物等成分，根據(jù)其物質(zhì)狀態(tài)，可將其分為掘進(jìn)矸石和洗煤矸石。煤矸石作為煤礦開采過程中所產(chǎn)生的不可避免的固體廢棄物，一般堆積在露天環(huán)境中，并長期與空氣和雨水進(jìn)行接觸，長期的堆積形成了煤矸石山現(xiàn)狀。煤矸石在與空氣長期接觸過程中，將發(fā)生相關(guān)的氧化還原反應(yīng)，當(dāng)內(nèi)部所釋放的能量及溫度聚集到一定程度時(shí)，會(huì)使煤矸石發(fā)生自燃現(xiàn)象，自燃時(shí)將釋放出一定濃度的SO2、CO、NO、H2S等氣體和廢水，氣體接排放至大氣環(huán)境中，給周邊空氣質(zhì)量及人員的呼吸健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

同時(shí)，所產(chǎn)生的廢水將直接浸入周邊土壤，對土壤質(zhì)量及地表水造成水資源污染。另外，煤矸石的長期堆積，所形成的堆積傾角一般為40°，若礦區(qū)進(jìn)行爆破振動(dòng)或暴雨沖擊時(shí)，將可能引起煤矸石山的滑坡、泥石流、崩塌等事故，嚴(yán)重時(shí)也將引起地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)，矸石山將占有較大面積的土地，增加了煤礦企業(yè)的用地成本。所形成的煤矸石山也將對礦區(qū)的美觀造成重要影響。為此，采用科學(xué)的煤矸石治理方法，并對煤矸石進(jìn)行資源再利用，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

2 不同因素對煤矸石自燃影響

2.1 水份對煤矸石自燃的影響

水份是影響煤矸石自燃的重要因素。煤矸石在生產(chǎn)過程中將伴隨著一定濃度的水份，加上長期在露天堆積，外界的雨水也將浸入至煤矸石中，吸水后將與煤矸石中的化學(xué)元素及其他成份產(chǎn)生反應(yīng)，釋放出一定的能量，煤矸石內(nèi)部的溫度及濕度急劇升高。同時(shí)，煤矸石吸水會(huì)產(chǎn)生脫落、破碎等現(xiàn)象，增加了其自身的吸氧量，加劇了煤矸石的自燃可能性。因此，為有效防止煤矸石的自燃，可重點(diǎn)考慮煤矸石堆積時(shí)具有較好的防水性能及較好通風(fēng)效果，加強(qiáng)對煤矸石山的日常巡檢。

2.2 硫鐵礦對自燃的影響分析

硫元素是影響煤矸石自燃的重要元素之一。煤矸石中含有硫鐵礦、單質(zhì)硫、硫酸鹽及相關(guān)的有機(jī)巖等，硫的整體含量占了80%以上。由于含硫物質(zhì)的燃燒點(diǎn)相對較低，遇到一定濃度氧氣時(shí)會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，加上煤矸石在露天存儲過程中所釋放的大量能量，加劇了含硫物質(zhì)的自燃傾向。另外，化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)及環(huán)境也加注了含硫物質(zhì)的自燃。含硫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)引起煤矸石自燃的重要因素。

2.3 煤矸石粒徑對自燃的影響

由于煤矸石是由多種物質(zhì)組成的一種混合物，其粒徑也各不相同。粒徑越大，煤矸石山的比表面積越大，內(nèi)部所存儲的氧氣含量越高，在一定溫度及能量情況下，更容易使得煤矸石發(fā)生自燃現(xiàn)象；反之，煤矸石粒徑越小，發(fā)生自燃的可能性越小。因此，在實(shí)際的煤矸石山中會(huì)因不同區(qū)域的粒徑不同而出現(xiàn)某區(qū)域率先發(fā)生自燃現(xiàn)象，掌握各區(qū)域粒徑的分布情況，對煤矸石的的自燃防控具有重要指導(dǎo)作用。

3 煤矸石的綜合治理分析

3.1 煤矸石自燃治理

由于對煤矸石自燃后進(jìn)行滅火相對較難，即使能實(shí)現(xiàn)滅火，也將消耗大量的資金成本和人工成本。因此，針對煤矸石自燃的綜合治理方面制定了較多的方法，包括了挖除火源法、注漿法、灑水法、控制燃燒法等，在實(shí)際煤矸石自燃治理過程中可根據(jù)燃燒的火勢、火源距離、火源分布情況等進(jìn)行有針對性的選擇相應(yīng)的控制措施。如：當(dāng)火勢蔓延較大時(shí)，可采用灑水法進(jìn)行滅火。同時(shí)由于煤矸石自燃后會(huì)釋放出大量的有毒氣體，威脅人員安全及周邊環(huán)境質(zhì)量，也制定了微生物脫硫法、分層堆積法等，其中，微生物脫硫法具有效果較好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，主要利用氧化亞鐵硫桿菌及氧化硫硫桿菌來去除硫鐵礦中的含硫物質(zhì)。

3.2 攤鋪矸石治理法

在煤矸石堆積過程中，可按照30°的角度進(jìn)行傾斜堆放，保證所堆積的煤矸石呈由上向下的堆散分布，保證煤矸石具有穩(wěn)定的斜坡效果。同時(shí)，在煤矸石堆積區(qū)域每隔4 m～5 m區(qū)域設(shè)計(jì)一條公路，并與主干道公路進(jìn)行有效連接，保證各類工程機(jī)械對煤矸石進(jìn)行施工操作，最終，使得所形成的煤矸石山整體呈梯田狀結(jié)構(gòu)布局。

3.3 擋護(hù)排水治理

在煤矸石堆積過程中，采用了上面堆積黃土的方法來解決煤矸石暴露于空氣中問題。但黃土在遇到暴雨的長期沖刷后，會(huì)在覆蓋層表面形成一條河溝，使得部分煤矸石裸露在空氣中，煤矸石一旦長時(shí)間裸露于空氣中，將使得其極容易發(fā)生自燃現(xiàn)象。因此，可在覆蓋黃土層基礎(chǔ)上，在煤矸石山上設(shè)計(jì)馬路及排水溝，形成傾斜的導(dǎo)流渠，保證雨水能迅速?zèng)_走。

3.4 生態(tài)恢復(fù)治理

針對煤矸石山的分布區(qū)域及地理環(huán)境特點(diǎn)，可選擇在其周邊栽種相應(yīng)的植物植被，并在隔離層上覆蓋熟土，熟土厚度可考慮20 cm以上，熟土上種植易于成活的植物，保證植物根系能更好的成活。在植物選擇時(shí)，需選用耐干旱、耐地?zé)?、抗污染、耐貧瘠等植物品種，如：在山西的常村煤礦中煤矸石周邊，可選用紫穗槐樹植物，北京的門頭煤礦可種植千頭椿、荊條等植物。另外，在周邊考慮園林工程建設(shè)，以提高整個(gè)區(qū)域生態(tài)景觀環(huán)境。

4 煤矸石的開發(fā)利用分析

為有效解決煤矸石山的堆積問題，需對煤矸石進(jìn)行開發(fā)利用。據(jù)研究，煤矸石經(jīng)過相關(guān)處理及與其他物質(zhì)進(jìn)行混合后，能直接應(yīng)用至發(fā)電廠、部分建筑物的修建、建筑用材、生產(chǎn)肥料、填坑、土地恢復(fù)及其他高附加值領(lǐng)域。

5 結(jié)語

通過對煤矸石山的自燃影響因素分析及綜合治理，有效解決了煤礦開采中的污染物處理問題，煤矸石的自燃問題、周邊區(qū)域土壤中重金屬污染等問題也得到有效解決，避免了煤矸石中污染物對周邊環(huán)境的污染破壞，保證了人員的生命健康，生態(tài)環(huán)境得到有效恢復(fù)，保障了煤礦開采區(qū)域的作業(yè)安全。同時(shí)，對煤矸石的綜合治理也存在一些問題，需因地制宜的采用更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的措施來解決。將煤矸石應(yīng)用至更多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)煤矸石的多用途價(jià)值，也將是今后提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要發(fā)展方向。該研究為煤矸石山的綜合治理提供了重要參考及指導(dǎo)。