東勝礦區(qū)煤矸石堆自燃的控制因素及類型劃分

王浩森，胡社榮，徐 方，2，席 晉

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.天津地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

煤矸石是成煤過程中與煤層伴生的黑灰色巖石，隨煤炭開采和加工而產(chǎn)生，并作為固體廢棄物大量排放。其產(chǎn)量約占煤炭產(chǎn)量的10%～15%。

目前，國內(nèi)外矸石利用率普遍不高，大量矸石處于長期露天堆放狀態(tài)。我國煤矸石累計(jì)堆存已形成大小數(shù)千座矸石山，積存量在7×109t以上，占地約70km2，并以每年1.5×108t增加[1]，而且正在燃燒的矸石山占全國的1／3左右。矸石堆自燃釋放出大量CO、CO2、SO2、H2S、NOX、CMHN等有害氣體，不僅污染了礦區(qū)周邊地區(qū)環(huán)境，而且嚴(yán)重影響礦區(qū)工人和周邊百姓的生活質(zhì)量。

煤矸石自堆積，低溫氧化到自燃，經(jīng)歷了極其復(fù)雜的物理化學(xué)變化，不僅受到煤矸石自身的物理化學(xué)性質(zhì)所制約，同時(shí)也與煤矸石的巖相組成、水分含量、煤矸石的比表面積、孔隙率以及矸石山所處的自然環(huán)境密切相關(guān)[2]。

前人對煤矸石堆自燃成因的探討雖有很多，但針對具體礦區(qū)，尤其典型礦區(qū)自燃特點(diǎn)的文章并不多見。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝礦區(qū)為例，從野外矸石堆自燃火區(qū)調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的角度，對著火的條件進(jìn)行分析探討。根據(jù)研究區(qū)矸石堆自身特點(diǎn)剖析其自燃的真正原因，并對矸石堆的自燃進(jìn)行系統(tǒng)的分類。

1 東勝礦區(qū)煤炭及自燃矸石山概況

東勝礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯高原東北部，屬伊盟東勝等旗市管轄，包括東勝區(qū)、伊金霍洛旗及達(dá)拉特旗南部和準(zhǔn)格爾旗西部，南北長100km，東西最寬110km，面積8794km2。礦區(qū)煤炭資源總量1270億t，其中保有儲(chǔ)量為1003億t，是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地。煤層主要為侏羅系中～下統(tǒng)延安組，含煤10層～27層，可采煤層23層左右，主采煤層8層。該區(qū)煤變質(zhì)程度低，為特低灰～低灰，特低硫～低硫，特低磷、較高發(fā)熱量的低煤階煙煤[3－6]。

東勝礦區(qū)煤矸石主要來源于侏羅系中～下統(tǒng)延安組，是由碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)泥巖、砂巖、頁巖、黏土等巖石組成的混合物。目前，東勝礦區(qū)采煤和洗選過程中排出的煤矸石、殘留煤、黃鐵礦、煤矸連生體[7]、炭質(zhì)巖以及礦區(qū)和生活雜物（廢棄坑木、廢油）等可燃物質(zhì)大多伴隨沙土，棄置于山溝和廢棄采坑中，利用率極低。長期堆放，可燃物質(zhì)在低溫條件下氧化自燃，占據(jù)空間同時(shí)污染環(huán)境。本文對東勝礦區(qū)內(nèi)14個(gè)自燃矸石堆進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 2012年7月東勝礦區(qū)自燃矸石堆野外調(diào)查數(shù)據(jù)（部分）

2 東勝礦區(qū)矸石堆自燃控制因素分析

前人對影響煤矸石自燃因素做過很多分析，主要包括含硫量、水分含量、矸石山堆積形狀、矸石粒級、煤矸石中的揮發(fā)分、煤矸石的巖相組成、比表面積、孔隙率、矸石山所處的自然環(huán)境等[8－11]。

正因?yàn)槊喉肥瘡某氐阶匀紡?fù)雜的物理化學(xué)變化過程受到諸多因素的影響，因而不同的矸石堆其自燃的主導(dǎo)因素一定有所差異。本論文在充分考慮前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對東勝礦區(qū)煤矸石堆自燃的特點(diǎn)，主要探討以下幾個(gè)方面：硫含量、水分含量、殘煤含量與氧化性能、碳質(zhì)沉積巖與外來可燃物、堆積方式和位置等。

2.1 硫含量

硫在矸石堆中主要以硫化物、硫酸鹽、單質(zhì)硫和有機(jī)硫4種形式存在。矸石堆中硫以硫化物為主，主要賦存在黃鐵礦中，也可賦存在少量的白鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦等金屬硫化物中。黃鐵礦是在成煤之后形成的，與煤共生或伴生在煤巖裂隙中，矸石中呈單晶、浸染狀、結(jié)核狀、條帶狀等形態(tài)，多隨矸石外運(yùn)堆積[12－13]。FeS2極易氧化，且燃點(diǎn)低（約為290℃）、耗氧量?。s為煤的50%）、氧化放熱量大。當(dāng)矸石堆中黃鐵礦氧化釋放熱量大于堆體向外界散出熱量時(shí)，熱量就會(huì)不斷積聚，導(dǎo)致溫度的升高，達(dá)到一定溫度則發(fā)生自燃。一般認(rèn)為，相對富集的FeS2的氧化反應(yīng)，可以加快反應(yīng)速度和增強(qiáng)反應(yīng)強(qiáng)度，所以越是黃鐵礦含量高的矸石堆越容易自燃。

東勝礦區(qū)煤含硫量屬特低硫～低硫，矸石中的硫含量也較低。據(jù)燕家塔、伊東宏鑫、高西溝以及燎原煤礦自燃矸石堆的實(shí)測數(shù)據(jù)，燃燒放出的SO2含量最高的高西溝煤礦自燃矸石堆，為12.1ppm；其余均低于5.0ppm。說明東勝礦區(qū)矸石堆中硫含量低，其自燃硫含量關(guān)系并不大，并非受黃鐵礦氧化機(jī)理主導(dǎo)。

2.2 水分含量

水是影響矸石堆自燃的重要因素，矸石堆中的水主要來自大氣降水、采矸和洗矸中的殘留水以及煤矸石氧化反應(yīng)的生成水。適量水分有利于矸石堆中硫鐵礦與殘留煤的低溫氧化，同時(shí)水分使矸石或煤潤濕時(shí)會(huì)釋放出潤濕熱，而水分變成水蒸汽吸附到矸石或煤表面時(shí)，又會(huì)釋放出更大的水蒸汽吸附熱。水分又可以促使煤矸石風(fēng)化，使得矸石和殘煤體疏松、破裂破碎，增大了比表面積，提高吸氧能力，導(dǎo)致氧化反應(yīng)速率增大。適量的水分又會(huì)降低矸石和殘煤的燃點(diǎn)，水分含量為15%時(shí)，煤的燃點(diǎn)約下降100℃。對于已經(jīng)開始燃燒的矸石，遇水又會(huì)釋放大量的CO和H2，即水煤氣，進(jìn)一步促進(jìn)矸石的燃燒。當(dāng)然，水對矸石堆的自燃并非一味是促進(jìn)作用，一般來說水分含量超過15%時(shí)，就會(huì)抑制矸石堆的自燃[13－17]。

東勝礦區(qū)屬極端大陸性氣候，降水保證率低，年度變化大，多年平均325.8～400.2mm，主要集中在7、8兩月，并由東至西逐漸減少。2012年7月3日到9日，連續(xù)降雨達(dá)7天。此次調(diào)查期間（2012.7.13～2012.7.22），東勝地區(qū)降雨4場，局部地區(qū)降水量在120mm以上，不僅增加了矸石堆的水分含量，而且導(dǎo)致礦區(qū)采坑及洼地嚴(yán)重積水。據(jù)調(diào)查，伊東宏鑫、蘇家溝、騰勝、烏蘭渠煤礦矸石堆積在廢棄采坑中，積水嚴(yán)重，自燃區(qū)主要圍繞高出水體1.0～5.0m的矸石堆底部，呈條帶或零星分布；趙二成渠煤礦矸石堆積在正開采的采坑空地上，矸石堆整體不高（約3～6m），緊鄰矸石堆的洼地存有積水，發(fā)生自燃的3個(gè)小型矸石堆的著火位置均朝向水體；伊東宏鑫和伊東炭窯渠煤礦矸石堆為煤泥矸石堆，自身攜帶水分含量較高，且不易散失，加上雨水補(bǔ)給，導(dǎo)致自燃集中發(fā)生在矸石堆頂部裂隙發(fā)育位置。以上事實(shí)表明，水對東勝礦區(qū)矸石堆自燃的作用是至關(guān)重要的，水分含量的多少直接關(guān)系著該區(qū)域矸石堆能否自燃。

2.3 殘煤含量與氧化性能

殘煤為矸石堆的燃燒提供了物質(zhì)來源，其含量決定了矸石堆燃燒的時(shí)間。殘煤的低溫氧化是矸石堆自燃的主要原因，其氧化性能的高低影響著矸石堆是否自燃，而殘煤的氧化性能主要由煤的變質(zhì)程度決定，變質(zhì)程度越低越容易氧化自燃。中國北方侏羅系煙煤多發(fā)煤火的事實(shí)證明了這一點(diǎn)[9，18－19]。

東勝礦區(qū)煤層主要為侏羅系中～下統(tǒng)延安組，成煤環(huán)境和成煤物質(zhì)基本相同，因而煤質(zhì)也十分近似。各煤層均以不黏煤和長焰煤為主[20]（屬低變質(zhì)煙煤），發(fā)熱量較高，屬易燃～極易燃煤。東勝礦區(qū)矸石堆殘煤含量普遍較高，趙二成渠、敖勞不拉、高西溝、金通煤礦矸石直接堆積在開采工作面的空地上，開采與運(yùn)輸過程中散落的浮煤大量混入矸石堆，極大地增加了矸石堆中的殘煤含量。伊東集團(tuán)的宏鑫和炭窯渠煤礦矸石堆主要為煤泥矸石，而煤泥本身為煤粉含水形成的半固體物，所以煤含量高。另外，據(jù)野外觀察，盛源、伊泰誠意、燎原、廣利煤礦矸石堆中存有大量塊狀、粉狀殘煤，含量較一般未發(fā)生自燃矸石堆要高。由此，東勝礦區(qū)矸石山高殘煤含量與低變質(zhì)程度是其自燃的重要原因。

2.4 碳質(zhì)沉積巖與外來可燃物

煤矸石中，碳質(zhì)沉積巖主要包括炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖、以及油頁巖等，這些巖石是矸石堆燃燒的重要物質(zhì)來源。東勝礦區(qū)矸石中以碳質(zhì)沉積巖為主，開采出泥巖和砂巖中常含有煤線和炭粒。

另外，矸石堆中又常常混入一些外來物質(zhì)，其中絕大部分可燃，主要包括廢棄的坑木、廢油、塑料制品、樹根和雜草等。這些外來可燃物的賦存狀態(tài)和含量，直接影響矸石堆的燃燒速度、強(qiáng)度和規(guī)模。據(jù)調(diào)察，伊泰誠意、伊東炭窯渠和廣利煤礦矸石堆中混有大量的生活垃圾，包括木屑、塑料包裝紙、膠皮管、煙頭、煙盒、油布、石棉瓦、破碎海綿、碎泡沫等，另外，還參雜有大量雜草和樹根。這些外來可燃物較之矸石堆中硫化物、殘煤的燃點(diǎn)更低，低溫氧化更易燃燒，對整個(gè)矸石堆的燃燒起引燃作用。

2.5 堆積方式與位置

東勝礦區(qū)矸石的堆積方式主要有兩種，一是平地起堆，二是順坡傾倒。平地堆積的矸石堆，主要是在開采工作面的空地上，大多混入開采與運(yùn)輸過程中散落的浮煤；順坡傾倒的坡體主要是廢棄采坑邊坡，坡上大多含有薄煤層或煤線。當(dāng)然，無論哪種堆積方式，都會(huì)產(chǎn)生矸石顆粒的粒度偏析，在矸石堆內(nèi)部形成空氣流通的孔隙和孔道，為矸石堆中可燃物質(zhì)的氧化與矸石堆長時(shí)間燃燒提供充足的空氣。當(dāng)矸石堆積到一定程度，蓄熱條件適宜時(shí)，矸石堆中浮煤或被掩埋采坑內(nèi)壁上的薄煤層或煤線氧化釋放的熱量得到積累，促使矸石堆內(nèi)部溫度升高，從而引發(fā)矸石堆內(nèi)部可燃物質(zhì)的自燃。另外，開采工作面上的洼地與廢棄的采坑極容易積水，使矸石堆內(nèi)部水分含量增加，適量的水分又促進(jìn)了矸石堆的自燃。

矸石堆自燃的影響因素，除上述幾種外，還有矸石的破碎程度、粒級、孔隙率、矸石堆內(nèi)部的透氣性、裂隙發(fā)育程度、微生物群以及氣候特征等。

3 矸石堆自燃類型劃分

影響矸石堆自燃的因素眾多，其自燃是多種因素耦合作用的結(jié)果，因此，對自燃矸石堆進(jìn)行類型劃分并非易事。據(jù)此次野外調(diào)查結(jié)果及上述分析，并結(jié)合前人研究，從矸石堆致燃主控因素角度，將矸石堆的自燃劃分為高硫助燃、水分催化、殘煤氧化和外來可燃物導(dǎo)燃4種類型。

4 結(jié)論

通過上述討論得出以下結(jié)論。

1）東勝礦區(qū)煤及矸石含硫量均較低，控制該區(qū)矸石堆自燃的因素主要是水分含量、殘煤含量及其氧化性能、碳質(zhì)沉積巖與外來可燃物，以及矸石堆的堆積方式和堆積的位置。

2）將矸石堆自燃分為高硫助燃、水分催化、殘煤氧化以及外來可燃物導(dǎo)燃4種類型，東勝礦區(qū)矸石堆自燃屬于后3種。

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