王啟寶,敖立新,張 凱,楊 康,唐玉偉,譚栩熒

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

0 引 言

中國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《2022煤炭行業(yè)發(fā)展年度報(bào)告》,2022年煤炭產(chǎn)量高達(dá)45.6億t,創(chuàng)歷史新高,煤矸石資源綜合利用率為73.2%。煤矸石是煤礦在開(kāi)拓掘進(jìn)、采煤和煤炭分選等生產(chǎn)過(guò)程中排出的含碳巖石,是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物,其產(chǎn)生量占煤炭生產(chǎn)總量的10%～15%[1],累計(jì)存量已超70億t[2],現(xiàn)已明令禁止建設(shè)永久性煤矸石堆放場(chǎng)?！蛾P(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出,提高大宗固廢資源利用效率,創(chuàng)新大宗固廢綜合利用模式。在煤炭行業(yè)推廣“煤矸石井下充填+地面回填”,促進(jìn)矸石減量。臨時(shí)堆放或未能資源化綜合利用的煤矸石,會(huì)造成資源浪費(fèi),并引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。自燃會(huì)產(chǎn)生飛灰、酸化等問(wèn)題,釋放大量有毒有害氣體、PM2.5顆粒物、重金屬離子等,污染周圍空氣、土壤和水體,是潛在的生態(tài)環(huán)境安全隱患[3-6]。更嚴(yán)重的是,矸石山自燃后內(nèi)部堆積結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,會(huì)引發(fā)山體崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害,危害人類的居住環(huán)境和生命健康[7-10]。

近年來(lái),大量煤矸石自燃機(jī)理研究表明,影響煤矸石自燃的主要因素為可燃物、助燃物及溫度[11-12]。需從源頭認(rèn)識(shí)自燃發(fā)生的機(jī)理,提升煤矸石自燃的治理技術(shù)。雖然眾多學(xué)者研究了煤矸石自燃機(jī)理和治理方法,但存在較多爭(zhēng)議。自燃的傳統(tǒng)治理方法過(guò)于簡(jiǎn)單,現(xiàn)行治理手段的長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)和治理機(jī)制水平有待提升,仍需結(jié)合自燃必要條件進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究。

筆者結(jié)合煤矸石自燃的主要關(guān)鍵影響因素和作用過(guò)程,綜述了自燃的主要成因和現(xiàn)代治理方法,剖析了單一治理方式的局限性,指出了綜合治理方法的精準(zhǔn)、高效等優(yōu)點(diǎn),為后續(xù)的機(jī)理研究及自燃治理工程應(yīng)用,提供理論支撐和指導(dǎo)作用。

1 煤矸石自燃機(jī)理

煤矸石自燃機(jī)理目前主要有黃鐵礦理論、細(xì)菌作用理論、自由基理論、揮發(fā)分理論和煤氧復(fù)合理論等5種主流學(xué)說(shuō)。

黃鐵礦理論通過(guò)研究其氧化時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng),揭示了形成亞鐵離子和硫酸鹽離子的過(guò)程機(jī)理[13]。細(xì)菌作用理論認(rèn)為,細(xì)菌可大幅加速煤矸石中含硫礦物的氧化,促進(jìn)自燃進(jìn)程[14]。自由基理論表明自由基與氧氣反應(yīng)破壞了其中的化學(xué)鍵和官能團(tuán),導(dǎo)致舊自由基消滅并被強(qiáng)活性新自由基取代,自由基逐漸累積引發(fā)連鎖反應(yīng),其濃度急劇上升后反應(yīng)加速、能量積聚導(dǎo)致自燃[15]。只有關(guān)鍵的活性自由基被消除后環(huán)鏈反應(yīng)才會(huì)終止[16]。揮發(fā)分理論揭示了煤矸石在燃燒過(guò)程中隨溫度改變,向大氣排放芳香族、脂肪族以及含氧官能團(tuán)等揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì),使環(huán)境發(fā)生改變促進(jìn)自燃[17]。煤氧復(fù)合機(jī)理論述了煤矸石周圍充斥不均勻分布的氧氣、水蒸氣等,在低溫下氧氣被輸送到煤矸石顆粒表面和孔隙中,并發(fā)生煤氧相互作用,發(fā)生氧化自熱,并自動(dòng)加速,當(dāng)氧化產(chǎn)生的熱量積聚,無(wú)法及時(shí)散發(fā)則導(dǎo)致煤矸石自燃[18]。

自燃演化機(jī)制是煤矸石所含的可燃物發(fā)生氧化反應(yīng)并逐漸累積能量,最終達(dá)到燃點(diǎn)發(fā)生燃燒的過(guò)程。煤矸石由自熱逐漸演化為自燃,完成從量變到質(zhì)變的積累轉(zhuǎn)化。煤矸石的氧化自燃過(guò)程受多種因素影響,是復(fù)雜的作用過(guò)程和多因素耦合的結(jié)果[19],如圖1所示。自燃分為2個(gè)階段。在初期的潛伏階段,氧氣在煤矸石內(nèi)部的縫隙和孔道進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸收,與所含可燃物質(zhì)發(fā)生緩慢氧化并放熱。在此過(guò)程中,少量氧化熱被外部環(huán)境消散,但當(dāng)數(shù)以百萬(wàn)噸計(jì)的煤矸石發(fā)生氧化,內(nèi)部熱量無(wú)法及時(shí)釋放便會(huì)發(fā)生積聚[20],達(dá)到臨界溫度后反應(yīng)過(guò)程加速。在自燃階段,煤矸石達(dá)到燃點(diǎn)便開(kāi)始燃燒,自燃不斷擴(kuò)大發(fā)展,揮發(fā)分產(chǎn)率隨熱解溫度的升高而增加,揮發(fā)分、固定碳開(kāi)始燃燒,舊自由基不斷向新自由基轉(zhuǎn)化,引起更廣范圍的燃燒。

圖1 煤矸石自燃因素主要作用過(guò)程和機(jī)理

煤矸石自燃的演化過(guò)程中,與其自身理化特性和外界環(huán)境有關(guān)[21]。當(dāng)煤矸石中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng),所釋放能量大于向外界散失的能量,溫度逐漸升高[22]。氧氣含量不同也使燃燒特點(diǎn)發(fā)生改變[23]。溫度升高后煤矸石中揮發(fā)性物質(zhì)和多環(huán)芳烴釋放行為也不相同[24]。煤矸石還具有高灰分、低熱值、低揮發(fā)分等特點(diǎn)且難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火和完全燃盡[25-26]。研究與揭示煤矸石自燃的形成過(guò)程與演化機(jī)理,是采煤礦區(qū)煤矸石自燃預(yù)防和治理的理論基礎(chǔ)。因此需全方面研究影響自燃的因素。

2 煤矸石自燃的關(guān)鍵影響因素

煤矸石主要是由SiO2、Al2O3構(gòu)成,其次含少量Fe2O3、CaO等其他物質(zhì),見(jiàn)表1。由于地域差異和形成地質(zhì)年代不同,煤矸石在成分上也有所差異[25]。煤矸石自燃離不開(kāi)以下必要條件[36]：① 煤矸石中含有能夠滿足燃燒的可燃物質(zhì);② 煤矸石堆中的通風(fēng)間隙和孔道能為燃燒提供所需氧氣;③ 煤矸石在氧化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散失到外界環(huán)境中,溫度不斷升高最終達(dá)燃點(diǎn)。圖2展示了煤矸石氧化基本發(fā)展過(guò)程。從煤矸石自燃關(guān)鍵影響因素出發(fā),闡述自燃的發(fā)展過(guò)程和變化機(jī)理。

表1 煤矸石的主要無(wú)機(jī)化學(xué)成分

圖2 煤矸石氧化的基本過(guò)程

2.1 煤矸石中可燃物質(zhì)及礦物質(zhì)的影響

煤矸石組成成分的性質(zhì)是影響其自燃的重要因素之一。煤矸石中所含固定碳、揮發(fā)分等物質(zhì)為自燃提供了先決條件[37]。硫鐵礦和其他礦物質(zhì)也會(huì)改變?nèi)紵^(guò)程[38]。礦物的成分和內(nèi)部微觀樣貌隨溫度的升高而發(fā)生改變,從而影響燃燒狀態(tài)。

此外,煤矸石作為煤的伴生產(chǎn)物,自燃傾向性也受煤質(zhì)影響。隨變質(zhì)程度增大,煤中芳香環(huán)含量增加,含氧官能團(tuán)和雜質(zhì)減少,煤的反應(yīng)性和自燃傾向性降低[39]。

2.1.1 可燃物質(zhì)的影響

GONG等[44]研究認(rèn)為煤矸石在400～630 ℃發(fā)生揮發(fā)分和固定碳的燃燒引起質(zhì)量損失。揮發(fā)分和固定碳的燃燒有先后順序,SONG等[45]和ZHANG等[46]研究發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分燃燒一般早于固定碳,揮發(fā)性物質(zhì)在400～480 ℃燃燒,而固定碳在480～650 ℃燃燒。低溫氧化階段,烷基側(cè)鏈、橋鍵、含氧官能團(tuán)等氧化裂解生成CO和CO2等氣體。而高溫氧化階段,有機(jī)質(zhì)發(fā)生裂解生成烷烴類氣體,并優(yōu)化自燃的燃燒條件,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)并提高燃燒的綜合效率[47]。煤矸石自燃后,總質(zhì)量損失與揮發(fā)性物質(zhì)和固定碳含量一致。此外,具有較高揮發(fā)率、良好燃盡性能的煤矸石更易著火。

2.1.2 礦物質(zhì)的影響

(1)

(2)

(3)

總反應(yīng)式為 :

(4)

煤矸石所含其他無(wú)機(jī)礦物質(zhì)也會(huì)影響自燃過(guò)程。隨燃燒溫度升高,礦物質(zhì)在一定溫度下發(fā)生分解[55]。ZHANG等[56]利用熱分析法研究了11種煤矸石的燃燒行為和過(guò)程,發(fā)現(xiàn)失重階段可燃物被氧化并發(fā)生燃燒,同時(shí)礦物質(zhì)進(jìn)行脫羥基反應(yīng),顆粒中高嶺石、伊利石和方解石熱分解時(shí)發(fā)生吸熱反應(yīng)從而抑制燃燒過(guò)程。XU 等[57]發(fā)現(xiàn)相較伊利石型煤矸石,高嶺石型煤矸石的熱解所需起始溫度低,揮發(fā)分釋放更強(qiáng)烈,熱解性能更好。清晰、深入地研究物質(zhì)成分和含量,有利于進(jìn)行煤矸石處理和自燃治理。

2.2 氧氣的影響

氧氣含量影響煤矸石自燃程度。TANG等[58]研究指出煤矸石在貧氧條件下,氧化過(guò)程被抑制,但氧化反應(yīng)仍持續(xù)并釋放熱量。自燃初期階段的氧化反應(yīng)和能量積累是一個(gè)緩慢的過(guò)程。煤氧復(fù)合理論認(rèn)為煤矸石與氧氣結(jié)合過(guò)程十分復(fù)雜,屬于在貧氧、中低溫的條件下緩慢的氧化過(guò)程[59]。矸石山體內(nèi)部由于較低的氧氣濃度限制,低氧濃度下的煤矸石處于陰燃狀態(tài),JIANG等[60]發(fā)現(xiàn)燃燒位置位于山體表層以下的非燃燒區(qū)和預(yù)熱區(qū)之間。在富氧條件下的O2/CO2氣氛中,溫度升高會(huì)降低煤矸石的點(diǎn)火延遲時(shí)間和內(nèi)部點(diǎn)火溫度;但隨O2濃度增加,揮發(fā)分的燃盡時(shí)間縮短[61]。揮發(fā)性火焰高大明亮,燃燒速率增加,燃點(diǎn)和燃盡點(diǎn)向較低溫度轉(zhuǎn)移,短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)完全燃燒[62]。氧氣的物理吸附、化學(xué)吸附促使自燃發(fā)生,反應(yīng)過(guò)程中始終伴隨能量演化。

煤矸石堆積形成不同的孔隙會(huì)改變供氧條件,也影響矸石山自燃傾向。矸石山內(nèi)部矸石堆積松散、無(wú)序,外界風(fēng)憑借間隙、裂縫為山體內(nèi)部提供充足的氧氣,加強(qiáng)了與外界連通的傳質(zhì)、傳熱和流體流動(dòng)行為[63]。氧氣在煤矸石內(nèi)部的縫隙和孔道進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸收,發(fā)生煤氧復(fù)合反應(yīng)并放熱。煤矸石顆粒越小表面積越大,其自身多孔結(jié)構(gòu)增加了氧氣與可燃物質(zhì)的接觸面積和反應(yīng)位點(diǎn),為氧化反應(yīng)提供更多空間[64]。由此可見(jiàn),氧氣濃度、供氧速度影響煤矸石氧化狀態(tài)并控制后續(xù)燃燒過(guò)程。

2.3 溫度的影響

溫度是改變?nèi)紵M(jìn)程的關(guān)鍵因素。LI等[65]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石的某些熱物理性質(zhì)在70 ℃發(fā)生改變,超過(guò)這個(gè)臨界溫度后,氧化反應(yīng)加劇、升溫速度加快、能量迅速積聚[66-67]。溫度升高過(guò)程中,煤矸石物理脫附減弱、化學(xué)吸附增加,特定溫度下產(chǎn)生氣體濃度發(fā)生變化。

溫度升高后促進(jìn)熱解行為。自燃過(guò)程中多種多環(huán)芳烴釋放量先升高后降低[68]。熱源作用下的煤矸石孔隙率隨溫度升高而增大,有機(jī)大分子和其他小分子受熱時(shí)開(kāi)始分解或分裂產(chǎn)生新的中間過(guò)渡產(chǎn)物,促進(jìn)整個(gè)自燃過(guò)程向更深的方向蔓延[69]。LI等[70]選取自燃點(diǎn)附近和新鮮狀態(tài)的2種矸石樣品,通過(guò)TGA和DTG發(fā)現(xiàn)在310～760 ℃時(shí)快速燃燒,氧化反應(yīng)速率增加并進(jìn)入有機(jī)物分解階段。溫度不僅是煤矸石自燃過(guò)程中關(guān)鍵特征參數(shù),還是氧化反應(yīng)進(jìn)行的尺度標(biāo)準(zhǔn),影響煤矸石的失重率、氣體產(chǎn)生率和官能團(tuán)變化規(guī)律等。

3 煤矸石自燃治理方法現(xiàn)狀

煤矸石的自燃治理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是控制其自燃主要因素的過(guò)程,可通過(guò)消除氧氣或降溫等措施來(lái)降低自燃風(fēng)險(xiǎn),消除自燃引發(fā)的危害。移除火源、水力滅火等簡(jiǎn)單滅火方法具有易復(fù)燃性、局限性、不能根治等特點(diǎn)。如今煤矸石自燃治理已從單一手段治理發(fā)展為多手段、全方位的綜合治理模式[71]。監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)也從初級(jí)的打孔探測(cè)發(fā)展為使用熱紅外成像法、標(biāo)志氣體法等更為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù),已形成多手段監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與自燃治理方法相結(jié)合的綜合治理模式[72],滅火效率顯著提高,經(jīng)濟(jì)損失顯著降低,為煤矸石自燃治理的工程應(yīng)用提供了新途徑。

3.1 已有自燃煤矸石山治理方法

3.1.1 單一治理方法

早期自燃的煤矸石處理以滅火為主,幾乎不考慮自燃的預(yù)防和長(zhǎng)效治理。以去除火源、降溫、隔氧為目的的矸石自燃治理,采用挖除火源、水力滅火、黃土覆蓋、打孔注漿和注入惰性氣等簡(jiǎn)單的治理方式[73-74]。矸石山治理后復(fù)燃率較高。

一般來(lái)說(shuō),挖除火源法是最直接、最有效的降溫方法。一旦確定自燃區(qū)域后,將自燃的煤矸石挖出冷卻,經(jīng)處理后回填。這種方法的局限性大且操作困難,只適用于自燃初期階段,自燃面積大和溫度高的區(qū)域不適合使用這種方法[75]。

多數(shù)煤礦也會(huì)使用水力滅火法處理煤矸石山自燃,但這種方法無(wú)法控制水流流向,自熱和燃燒部位無(wú)法得到有效降溫和滅火,注水時(shí)還易發(fā)生水煤氣爆炸,自燃后山體內(nèi)部的空隙變大使供氧充分,滅火后更易復(fù)燃。

煤矸石山表面覆蓋黏土或黃土,通過(guò)壓實(shí)隔絕空氣進(jìn)入,山體內(nèi)部空氣耗盡后,燃燒的煤矸石就會(huì)因缺氧而熄滅[76]。一旦覆土出現(xiàn)裂縫后無(wú)法起到密封作用。覆土法的特點(diǎn)是成本低、操作簡(jiǎn)單[77]。

打孔注漿滅火法也是常用方法之一。利用漿體的流動(dòng)特性充填矸石山空隙并形成包裹層隔絕氧氣,使煤矸石不具備燃燒條件,實(shí)現(xiàn)阻燃和滅火的效果[78]。

此外,還可注入泡沫滅火劑[79],隔絕氧氣、降低溫度達(dá)到快速滅火目的。注入惰性氣體法是將惰性氣體注入自燃區(qū)域,液氮?dú)饣蚋杀A后體積急劇膨脹,高溫氣體被快速降溫、置換,使著火區(qū)域隔絕空氣而窒息[80]。此方法降溫持久、效果明顯且作用范圍大,但原料成本高、需求量大和供應(yīng)易受限。

整體來(lái)說(shuō)以上方法比較單一,控制操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單,但局限性較強(qiáng)、復(fù)燃可能性大、效果不佳,不能形成長(zhǎng)效防治機(jī)制。

3.1.2 綜合治理方法

煤矸石自燃的簡(jiǎn)單治理方法基于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,對(duì)已有煤矸石的治理監(jiān)測(cè),充分利用熱紅外、無(wú)人機(jī)等科學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù),協(xié)同抑制劑、殺菌劑、凝膠材料等,結(jié)合覆土、分層壓實(shí)、注漿等隔氧阻燃手段形成了綜合治理的方法。

對(duì)已有矸石山自燃以監(jiān)測(cè)溫度為主,以檢測(cè)逸出氣體種類、標(biāo)識(shí)氣體等方法為輔。溫度傳感器、紅外熱成像、衛(wèi)星遙感等方法都能準(zhǔn)確、高效地獲得煤矸石堆表面溫度及變化情況。

紅外熱成像技術(shù)通過(guò)圖像能夠呈現(xiàn)煤礦排矸場(chǎng)表面溫度的分布情況[81],結(jié)合近景攝影測(cè)量技術(shù)能夠構(gòu)建地表溫度分布的三維可視化模型,監(jiān)測(cè)和定位煤矸石熱異常所潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,非接觸性、定位精確和經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)是該方法的顯著特征[82]。大面積的排矸場(chǎng),可通過(guò)連續(xù)氣體熱監(jiān)測(cè)和定期熱成像研究,進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)控制,利用浸入式溫度計(jì)和氣體濃度傳感器收集矸石山內(nèi)部數(shù)據(jù),進(jìn)行自熱自燃的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)[83]。隨3D可視化技術(shù)、5G技術(shù)協(xié)同衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,已創(chuàng)造性地應(yīng)用于煤矸石堆地表及裂縫處溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、收集和傳輸[84]。WANG等[85]采用氡濃度參數(shù)結(jié)合井溫檢測(cè)技術(shù)確定高溫區(qū),將氡濃度和溫度測(cè)量值作為主要參數(shù),并運(yùn)用克里格數(shù)據(jù)插值法處理,得到溫度和氡濃度的空間分布圖,運(yùn)用綜合手段分析煤矸石山的火情區(qū)域、趨勢(shì)走向和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)程度。

圖3為白吉溝礦區(qū)煤矸石山熱紅外圖像,紅色為高溫區(qū)域[86]。此外無(wú)人機(jī)協(xié)同氡濃度等技術(shù)的使用已成為監(jiān)測(cè)手段之一,獲取自熱自燃區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù),并利用監(jiān)測(cè)分析技術(shù),進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體毒性、爆炸風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),建立了矸石自燃危險(xiǎn)性的毒性-危險(xiǎn)性-火災(zāi)趨勢(shì)評(píng)價(jià)體系。

圖3 白吉溝礦區(qū)煤矸石自燃熱紅外圖像[86]

3.2 新建煤矸石回填場(chǎng)自燃防治研究進(jìn)展

煤矸石可替代砂、土等作為主體材料,回填露天礦坑、采煤塌陷區(qū)、天然坑洼區(qū)等區(qū)域,再表面覆土進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。在回填過(guò)程中采用矸土混排、分層碾壓覆土方法,或注入低強(qiáng)度漿體材料,形成煤矸石自燃預(yù)防和長(zhǎng)效治理體系。

利用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物對(duì)礦區(qū)塌陷進(jìn)行修復(fù),將待處理區(qū)域進(jìn)行剝離表土,充填后再表土回填并機(jī)械壓實(shí)。煤矸石進(jìn)行處理后分層堆放,層與層之間和表面用黃土隔離并壓實(shí),通過(guò)外加劑調(diào)控回填材料性能,將配有外加劑的材料對(duì)治理區(qū)域注漿,如圖4所示。

圖4 打孔注漿施工

在整治過(guò)程中使用夯實(shí)圍山、臺(tái)階式整地、回填復(fù)墾等方式,覆蓋黃土或泥土并注入漿體以減少通風(fēng)來(lái)防止自燃[87],如圖5所示。這種方法提升了滅火實(shí)際效果,降低了工藝操作成本,還有效防止燃燒區(qū)域再次復(fù)燃,便于生態(tài)復(fù)墾的實(shí)施和應(yīng)用。

圖5 黃土覆蓋、臺(tái)階式整地

高分子納米復(fù)合材料因其密度低、熱穩(wěn)定性高、氣體阻隔性能好等特點(diǎn)被廣泛研究和應(yīng)用。HUANG等[88]采用溶液插層聚合法制備的聚丙烯酰胺-蒙脫土聚合物納米復(fù)合緩蝕劑,有效抑制煤矸石表面活性基團(tuán)的氧化活性,提高煤矸石的熱穩(wěn)定性,克服抑制劑壽命短的缺點(diǎn)。表面抑制劑、表面緩蝕劑等噴灑在煤矸石外部抑制氧化自燃[89]。高吸水性的膨潤(rùn)土-丙烯酰胺水凝膠可有效削弱煤矸石中各種含氧官能團(tuán)(如Si—O和O—H)的活性,高含水量可帶走反應(yīng)熱,具有冷卻和燃燒控制效果[90]。復(fù)合粉煤灰凝膠以水、粉煤灰、復(fù)合凝膠添加劑和懸浮劑為原料,結(jié)合注漿、封堵等方法抑制煤矸石放熱和燃燒,進(jìn)行自燃預(yù)防和治理。同時(shí)可將凝膠滅火和泡沫滅火技術(shù)相結(jié)合[91],將泡沫作為凝膠載體,這樣從隔氧降溫的滅火角度,既降低了成本又充分發(fā)揮2種滅火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

微生物媒介作用下的黃鐵礦氧化,是導(dǎo)致酸化和自燃的關(guān)鍵過(guò)程。硫桿菌類細(xì)菌在堿性環(huán)境里生長(zhǎng)困難,抑制煤矸石自燃,可使用殺菌劑殺死氧化亞鐵硫桿菌并抑制氧化反應(yīng)[92]。將含有堿性物質(zhì)的注漿材料,通過(guò)打孔注漿技術(shù)將漿體注入自燃煤矸石山內(nèi)部,滲透和擴(kuò)散后與燃燒釋放的SO2、CO2等酸性氣體反應(yīng)生成硫酸鈣、碳酸鈣等[93]。不但可填充矸石山內(nèi)部空隙,還可附著在煤矸石周圍形成牢固的包裹層,密封隔絕外界氧氣達(dá)到防止煤矸石自燃的目的。

憑借現(xiàn)代技術(shù)手段,運(yùn)用滅活、抑菌綠色環(huán)保外加劑材料,輔以物理、化學(xué)方法,通過(guò)隔氧、降溫等手段源頭治理、協(xié)同處置。逐步建立已有煤矸石山、煤矸石回填及煤矸石生態(tài)復(fù)墾區(qū)域自燃風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)效治理體系(圖6)。

圖6 煤矸石自燃治理技術(shù)

4 結(jié) 論

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從煤矸石自燃機(jī)理、綜合治理和自燃防治等方面進(jìn)行了深入研究,取得了豐富成果。隨著國(guó)家“雙碳”政策和環(huán)保政策的出臺(tái),政府整治生態(tài)環(huán)境的決心更加堅(jiān)定,大宗固體廢棄物的處理處置問(wèn)題越來(lái)越受到重視。因此,防治、監(jiān)測(cè)技術(shù)精準(zhǔn)化和材料綠色化成為煤矸石自燃防治及回填應(yīng)用的必然要求。依據(jù)煤矸石自燃的關(guān)鍵成因和治理技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié),得出以下結(jié)論:

1)煤矸石的自燃因素存在相互關(guān)聯(lián),可燃物、氧氣和溫度等關(guān)鍵因素決定了自燃過(guò)程和發(fā)生機(jī)理。通過(guò)提升設(shè)備識(shí)別精度,降低矸石中殘存煤量減少可燃物,也可控制氧氣含量遏制自燃進(jìn)程,采用改性注漿材料降低矸石山空隙,控制含氧量及抑制升溫,從根本上解決自燃。

2)在監(jiān)測(cè)防治方面,借助可視化監(jiān)測(cè)裝備并與多種滅火技術(shù)相結(jié)合,精細(xì)化監(jiān)控溫度、指標(biāo)氣體等變化情況,分級(jí)預(yù)警準(zhǔn)確辨識(shí)火源。防治方法由單一向多種方法綜合治理轉(zhuǎn)變。

3)在綠色材料防治方面,積極改進(jìn)治理技術(shù),從剔除可燃質(zhì)、隔氧和控溫角度,研發(fā)低成本、環(huán)境友好型礦用防滅火注漿材料或回填材料。建立健全防治體系和治理效果評(píng)價(jià)機(jī)制,進(jìn)一步提升自燃預(yù)防和生態(tài)治理的目標(biāo)。

4)資源化利用是處置煤矸石的最佳方式。無(wú)害化處置的煤矸石用于采煤沉陷區(qū)、塌陷坑等土地整治、地面回填或生態(tài)修復(fù),既能解決煤炭開(kāi)采帶來(lái)的地質(zhì)問(wèn)題,又能實(shí)現(xiàn)煤矸石大規(guī)模消納及高值化利用。