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        公烏素煤礦矸石山自燃原因分析

        2021-07-24 02:01:42
        現(xiàn)代礦業(yè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:順坡煤矸石矸石

        喬 亮

        (烏海市公烏素煤業(yè)有限責(zé)任公司)

        煤矸石是一種與煤層伴生的含碳、黃鐵礦等可燃物的干基灰分大于50%的巖石[1-2],排放量相當(dāng)于煤炭產(chǎn)量的10%~15%。煤矸石的長(zhǎng)期堆存,不僅占用大量的土地,同時(shí)還會(huì)發(fā)生自燃,對(duì)大氣和地下水的污染甚重,是固、氣、液三害俱全的“工業(yè)廢料”。

        內(nèi)蒙古烏海及周邊地區(qū)煤炭開(kāi)采歷史悠久,現(xiàn)堆存有煤矸石4.6億t,其中烏海市海南區(qū)公烏素矸石山經(jīng)常年堆積風(fēng)吹雨淋,矸石山發(fā)生持續(xù)自燃,煙霧繚繞,氣味刺鼻,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成極大的危害,急需治理。

        對(duì)于矸石山自燃原因及治理已經(jīng)有許多研究,但矸石山自燃是一個(gè)多因素共同導(dǎo)致的復(fù)雜燃燒系統(tǒng),不同地區(qū)煤矸石成分等不同,自燃原因也有所區(qū)別,想要徹底解決公烏素矸石山燃燒的問(wèn)題,首先要具體地、系統(tǒng)地分析其自燃的原因,本文結(jié)合已有研究成果,經(jīng)實(shí)地考察、探究,對(duì)公烏素矸石山自燃原因做出了系統(tǒng)分析。

        1 公烏素矸石山概況

        神華烏海能源有限責(zé)任公司公烏素煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū)南約41 km處,行政區(qū)劃隸屬于烏海市海南區(qū)管轄,其地理坐標(biāo):東經(jīng)106°54′28″~106°58'01″;北緯39°21′24″~39°15′18″。

        礦山開(kāi)采形成了12處矸石堆和渣堆,占地面積約115.9萬(wàn)m2,堆置高度12~48 m,邊坡角35°~45°。經(jīng)實(shí)地考察,公烏素矸石山為自然順坡傾倒,已經(jīng)發(fā)生自燃,著火點(diǎn)眾多,有的矸石山著火點(diǎn)冒著刺鼻的藍(lán)煙。海南區(qū)有害氣體監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)顯示,該區(qū)年SO2排放量14 394.42 t,氮氧化物排放總1 446.84 t,顆粒物年排放量4 573.98 t,其中很大一部分為公烏素矸石山自燃所致。

        此外,矸石堆淋濾液、矸石中含有的放射性物質(zhì)也會(huì)造成不同程度的污染。大量矸石堆積、自燃,易使地表、矸石山內(nèi)部形成空洞,使地表塌陷、矸石山失穩(wěn)而引發(fā)重力災(zāi)害,如渣石流、坍塌等,存在極大的安全隱患。找尋矸石山自燃的原因,從而對(duì)矸石山進(jìn)行系統(tǒng)治理非常必要。

        2 矸石山自燃研究現(xiàn)狀

        多年來(lái),對(duì)矸石山自燃的研究從未停止,形成了許多學(xué)說(shuō)[2-4]。黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)指出,矸石中強(qiáng)還原性的黃鐵礦低溫環(huán)境即可進(jìn)行一系列的氧化還原反應(yīng),散熱導(dǎo)致了熱量積聚自燃;煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)指出,內(nèi)因煤的自燃著火傾向、矸石的粒度,外因堆放方式、時(shí)間、大氣物理性質(zhì)共同導(dǎo)致了矸石山的自燃;細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)認(rèn)為,硫桿菌、真菌、放線菌、親氧真菌、嗜熱細(xì)菌都在煤矸石自燃中發(fā)揮著作用;晶核理論與自由基作用學(xué)說(shuō)認(rèn)為,破損晶核帶來(lái)廣面積的活性面可與氧氣發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而放熱;揮發(fā)分學(xué)說(shuō)指出,煤矸石首先燃燒的是揮發(fā)分。

        此外,郝傳波等[5]通過(guò)對(duì)矸石山自燃影響因素的綜合分析及溫度的測(cè)定,將自燃矸石山劃分為五帶,分別為未燃帶、氧化帶、燃燒帶、高溫帶、燃盡帶;杜玉璽等[6]通過(guò)土壤溫度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)及MATLAB軟件的插值分析,確立了煤矸石山深部溫度擬合模型;王思棟等[7]利用煤矸石自由基測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),從微觀層面研究煤矸石的自燃氧化特性,得到含硫量對(duì)煤矸石自燃有促進(jìn)作用;段鵬飛等[8]進(jìn)行了大型煤樣發(fā)火實(shí)驗(yàn),應(yīng)用主成分分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到溫度與CO產(chǎn)生率之間高達(dá)90%的親密關(guān)系,從而認(rèn)為可通過(guò)檢測(cè)CO產(chǎn)生率來(lái)預(yù)測(cè)矸石山的自燃。施永紅等[9]用熱分析儀對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的煤矸石進(jìn)行了分析,得出揮發(fā)分含量高的煤矸石燃燒特性更好。

        通過(guò)不斷的、多角度分析,矸石山自燃原因日漸清晰,鑒于其復(fù)雜多變性,具體矸石山自燃原因需具體分析。

        3 公烏素煤矸石山自燃原因探析

        燃燒離不開(kāi)可燃物、助燃物、著火源三要素,煤矸石山自燃也不例外:①具有自燃傾向的可燃物或常溫可以氧化放熱的物質(zhì);②有連續(xù)氧氣供應(yīng);③所處環(huán)境、堆積方式適合熱量積聚,不易散熱[10]。研究公烏素矸石山燃燒的真正原因,基于燃燒要素,需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的煤矸石、該地矸石山的堆積方式進(jìn)行研究分析,并分析該地氣象環(huán)境對(duì)矸石山自燃的影響。

        3.1 公烏素煤矸石的燃燒

        煤矸石成分復(fù)雜,受區(qū)域地質(zhì)差異影響很大,一般含有黃鐵礦、有機(jī)硫、5%~45%殘煤炭和碳質(zhì)泥巖等可燃物[2]。公烏素矸石山未燃燒煤矸石工業(yè)分析與元素分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

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        研究認(rèn)為,公烏素煤矸石自燃主要是因?yàn)槠渲械牧蜩F礦、揮發(fā)分、固體碳發(fā)生氧化反應(yīng),其具體過(guò)程可分為4個(gè)階段。

        (1)常溫下,煤矸石山中的硫鐵礦發(fā)生的氧化反應(yīng)[11-12]:

        氧氣充足時(shí)發(fā)生反應(yīng):

        氧氣不足時(shí)發(fā)生反應(yīng):

        以上反應(yīng)均為放熱反應(yīng),由于“煙囪效應(yīng)”,一部分熱量會(huì)被帶到矸石山外,大部分則會(huì)儲(chǔ)藏在矸石山內(nèi)部,使內(nèi)部溫度快速升高,煤矸石表面或空隙中的氣體、水分即開(kāi)始脫附。

        (2)溫度持續(xù)積蓄到120℃左右,水分開(kāi)始蒸發(fā);溫度升至340℃左右,揮發(fā)分(主要由碳?xì)溲趸锖吞細(xì)浠衔铮–H4為主)組成)開(kāi)始析出。

        (3)溫度繼續(xù)升高到450℃左右,碳開(kāi)始燃燒,也意味著煤矸石的燃燒,還會(huì)熱解產(chǎn)生CH4、C2H2、C2H4、C2H6等極易燃燒的氣體,進(jìn)一步加劇燃燒,此時(shí)煤矸石中表面的固定碳也開(kāi)始燃燒。

        (4)溫度積蓄到大概550~800℃,深層碳也開(kāi)始燃燒,各反應(yīng)如下[11-12]:

        綜上所述,公烏素煤矸石燃燒可分為氣體水分脫附、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分表面碳燃燒、深層碳燃燒4個(gè)階段,燃燒所需的熱量基本可以自給自足,不需要外部熱量供應(yīng)。

        3.2 堆積方式

        公烏素大量的煤矸石自然順坡傾倒形成矸石山,為煤矸石的燃燒提供了氧氣與一定的蓄熱環(huán)境。自然順坡傾倒存在一定的自然分級(jí),沿坡中下部分集中了較大塊的煤矸石,空隙較大,上端煤矸石粒度較小。這樣的粒度偏析使得矸石山內(nèi)自下而上形成多條空氣通道,能夠產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”即內(nèi)部空氣沿著自然生成的孔隙向上或向下,加之該區(qū)四季多風(fēng),更是保證了矸石山中有持續(xù)的氧氣供應(yīng)。“煙囪效應(yīng)”如圖1所示。

        已燃燒的矸石山自然生成溫度梯度,“煙囪效應(yīng)”也因熱對(duì)流會(huì)將空氣不斷置換,為矸石山帶來(lái)持續(xù)的氧氣,長(zhǎng)期自燃。且煤矸石屬于熱的不良導(dǎo)體,堆積而成的矸石山散熱效果差,利于保溫蓄熱。

        研究表明,著火溫度主要受揮發(fā)分影響,與粒徑大小關(guān)系甚小,但煤矸石粒徑越小,顆粒內(nèi)外受熱會(huì)更均勻,加快揮發(fā)分的析出與燃燒[2]。順坡傾倒不僅導(dǎo)致矸石山中上部和底部煤矸石顆粒偏小,還會(huì)導(dǎo)致中上部硫鐵礦和碳質(zhì)可燃物相對(duì)集中,易發(fā)生氧化燃燒,使得矸石山底部和中上部先開(kāi)始燃燒?,F(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn),矸石山半山腰斜坡處的矸石多為塊狀,部分膠結(jié),有白色物質(zhì)析出;矸石山底部四周的煤矸石顆粒小,風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重,多呈白色和灰黑色,已經(jīng)燃燒,為粉末狀,矸石山內(nèi)部多為大塊煤矸石,空隙大;斜坡底部存在已經(jīng)完全燃燒的煤矸石。

        3.3 氣象環(huán)境

        公烏素矸石山所處礦區(qū)為中溫帶半干旱高原性大陸性氣候,該氣候特征為矸石山的氧氣供應(yīng)和蓄熱提供了良好的環(huán)境,對(duì)矸石山的自燃起到了蓄熱保溫作用。公烏素矸石山所處礦區(qū)的的氣候特點(diǎn):

        (1)干旱少雨。礦區(qū)年降水量54.9~357.6 mm,多年平均降水量159.8 mm,主要集中在7—9月份。據(jù)研究,煤矸石濕度為10%~15%時(shí),吸氧量是干旱時(shí)的2~3倍,可促進(jìn)煤矸石的燃燒,且含水量越小,煤的燃點(diǎn)越低。也就是說(shuō),該區(qū)煤矸石吸氧量高,利于燃燒,且煤的燃點(diǎn)又較低,使得熱量積蓄到燃點(diǎn)更快、更容易。

        (2)日溫差大。礦區(qū)極端氣溫分別達(dá)40.2℃和-36.6℃,多年平均溫度9.6℃、日照時(shí)間3 138.6 h,這樣的外界溫度,致使矸石山表面溫度偏高,且有保溫和加劇內(nèi)部燃燒的作用。

        (3)四季多風(fēng)。夏秋季為東南風(fēng),冬春季為西北風(fēng),多年平均風(fēng)速2.9 m/s,瞬間最大風(fēng)速33 m/s。大風(fēng)時(shí),大量的空氣進(jìn)入矸石山,矸石山內(nèi)部燃燒加劇,但散熱速率變化不大,更多的熱量積蓄。

        綜上所述,公烏素矸石山可自身燃燒產(chǎn)生熱量,堆積方式會(huì)蓄熱,氣象環(huán)境也有助燃作用。

        4 結(jié) 論

        (1)公烏素未燃燒的煤矸石的主要工業(yè)成分決定其燃燒主要是因?yàn)榱蜩F礦、揮發(fā)分、固體碳,燃燒過(guò)程可分為氣體水分脫附、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分表面碳燃燒、深層碳燃燒4個(gè)階段。

        (2)矸石山自燃主要受堆積方式及氣象環(huán)境的影響。公烏素矸石山由自然順坡傾倒形成,受自然分級(jí)與“煙囪效應(yīng)”影響,內(nèi)部有足夠的氧氣,可保證持續(xù)自燃,且底部與中上部最先開(kāi)始燃燒。該區(qū)為中溫帶半干旱高原性大陸性氣候,干旱少雨、日溫差大、四季多風(fēng),使得煤矸石吸氧量較高、燃點(diǎn)較低、表面溫度高、熱量積蓄好。

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