煤矸石自燃及其防治措施研究

王海越

(山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041600)

引 言

煤炭作為關系國家經濟和民生的主要一次性能源，在我國的能源結構中占比75%以上，消耗量巨大。煤炭能源在開發使用過程中會產生大量的廢棄物，其中主要的一項就是煤矸石[1-2]。

據統計，煤矸石的產量占比煤炭總產量的20%～30%，由于煤炭需求量的逐年上升，廢棄的煤矸石總量也呈較快的上升趨勢，已達到每年1.5億噸～2億噸。煤矸石目前的主要處理方式為露天堆積，煤矸石在遇雨水后浸出有害物質，嚴重危害當地的飲用水資源和農業灌溉水資源；同時，會生成大量的粉塵，釋放對生物有害的氣體，加之煤矸石中含有的硫物質容易引起煤矸石山的自燃，再混有有害氣體，極易產生爆炸等危險，對當地的生態環境和人員生命財產安全將造成極大的威脅。因此，有必要對煤矸石的自燃機理及其防治措施進行研究，以避免危害的發生[3]。

1 煤矸石自燃條件

煤矸石自燃屬于化學燃燒現象，其間發生一系列極為復雜的物理化學反應過程。總的來說煤矸石的自燃需要3個基本條件：可燃物、氧氣、良好的蓄熱條件。

1)可燃物

煤矸石中的可燃物一般指硫化物，其他的可燃物含量較少不再列舉。硫化物包含以下幾種存在形式：硫鐵礦、硫酸鹽、單質硫、有機硫化物。其中，硫鐵礦是極易在較低溫度下發生低溫氧化反應而蓄熱，局部熱量累積導致燃燒；其余三種或者不易燃燒或者含量極小，在硫化物的燃燒中不起主要作用。硫鐵礦一般又分為三種：黃鐵礦、白鐵礦、磁鐵礦。黃鐵礦在硫鐵礦中含量最多，是主要成分，其化學性質為：燃點低、燃燒耗氧量較小、還原性強、低溫時易發生氧化還原反應并放熱。尤其在洗煤過程中，體積大的黃鐵礦被分割破碎，氧化膜被破壞產生新的表面，極易與氧氣發生反應并放熱，使得煤矸石山內部溫度上升，當達到燃燒條件時，煤矸石山便發生自燃，其次黃鐵礦的含量還將決定燃燒的速度與強度[4-5]。

通過以上的分析可知，煤矸石山的自燃主要是由黃鐵礦在較低溫度時發生氧化還原反應導致，因此對可燃物的研究中應著重針對黃鐵礦。

2)氧氣供應

煤矸石的自燃須有足夠的氧氣來保證，煤矸石山內部的氧氣是通過顆粒間的縫隙滲透進去的，因此顆粒的大小及風速將決定氧氣的充足程度，也影響著自燃的強度。由于煤矸石目前屬于自然堆積狀態，據已有研究自燃堆積會使顆粒的排列具有一定的分選性，即大體積的煤矸石會沉降到最底層，較細顆粒留在上部。因此煤矸石山具有良好的透氣性，易誘發自燃。

3)良好的蓄熱條件

煤矸石表層在氧化后，熱量很難積蓄下來，表層散熱量較大使得局部溫度無法達到臨界溫度。但4 m以下的煤矸石熱量容易蓄積，由于煤矸石的導熱性能較差，蓄積的熱量使得煤矸石山內部溫度很快就達到臨界溫度，同時，熱量在顆粒間來回對流，逐步引燃煤矸石中的可燃物，最終，形成自燃。因此煤矸石內部良好的蓄熱條件就成為了自燃的先決條件。

2 黃鐵礦的氧化還原反應機理

如前所述，煤矸石山的自燃主要是由于煤矸石山中含有大量的黃鐵礦，黃鐵礦具有燃點低、耗氧少、低溫下易發生氧化還原反應而放出大量熱量的物理化學性質，當局部熱量累積導致局部溫度升高時，達到周圍可燃物如殘存煤的燃點時即可引發煤矸石山的自燃，因此，黃鐵礦的含量是引發和促進煤矸石山自燃的主要因素，并決定了整個自燃過程的速度與強度。根據現有研究表明，雖然黃鐵礦的放熱量只有煤的三分之一，但黃鐵礦在煤矸石中的含量卻遠大于殘存煤的含量，再次說明了黃鐵礦是煤矸石山自燃的物質先決條件，因此有必要對黃鐵礦即殘存煤的氧化還原機理加以說明和比對。

黃鐵礦在常溫干燥空氣中的氧化還原反應見式(1)。

FeS2+3O2=FeSO4+SO2

ΔH=1 047.7 kJ

(1)

由于煤矸石為露天堆積，常受雨水侵蝕，因此在煤矸石內部處于潮濕的空氣環境中，其氧化還原反應機理為式(2)、式(3)。

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

ΔH=2 558.4 kJ

(2)

4FeSO4+4O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

ΔH=393.4 kJ

(3)

由式(1)～式(3)中可知，黃鐵礦在潮濕環境中每單位反應的放熱量為2 951.7 kJ，而在干燥空氣中的放熱量為1 047.7 kJ，潮濕環境中的放熱量是干燥環境中放熱量的近3倍。放熱量的增加也將對自燃的速率與強度產生同等的促進作用。另外，據已有研究表明，潮濕環境下還存在較多的硫桿菌等微生物，此類微生物的存在也將促進氧化還原反應的反應速率大大提高，起到類似于催化劑的作用。

3 氣體傳輸機理

在煤矸石山自燃的3個條件中，氧氣供應與蓄熱條件是此消彼長的。氧氣持續供應則會帶走熱量，相反蓄熱條件足夠好則會缺氧而無法發生自燃，只有二者達到平衡時才會發生自燃現象。因此，氣體的流動條件也是影響自燃的重要因素。氣體的整個傳輸過程主要是對流在起作用。煤矸石山的一面為迎風面，當空氣移動至迎風面將改變流向，氣體部分動壓轉化為靜壓，使得山體內部與外界形成自燃對流，稱作“煙囪效應”，其影響因素包括山體熱量蓄積、煤矸石粒度偏析，如圖1所示，“煙囪效應”原理如圖2所示。

圖1 兩種堆積方式下山體中的空氣通道

圖2 煙囪效應的圖形表述

圖2中，P0、P1、P2分別為風流動壓、山體上部靜壓、山體下部靜壓，Pa；ρ、ρ0分別為山體內部氣體、外部氣體密度，kg/m3.

由圖2可知，當t0>t時，P0=P2+Hρ0g；P1=P2+Hρg，且ρ<ρ0，則有P0>P1。計算公式如式(4)。

P0-P1=(ρ0-ρ)Hg

(4)

綜上所述，低溫氣體從山體下部進入，氧化還原反應放熱產生的高溫氣體從山體上部流出，煤矸石山高度越高，山體內外溫差越大，則氣體流動性越大，對自燃的供氧則會越有利。

4 煤矸石山自燃的防治措施

為了保證礦區的有效生產、人員安全、保護生態環境，需要對煤矸石山進行防火防控方面的治理。常用的防治措施包含以下：挖出火源冷卻法；水力滅火法；覆蓋壓實法。其中，挖出火源冷卻法的操作實施步驟為：確定山體起火位置，將起火區域的煤矸石挖出，再澆水以冷卻。這個方法適用于起火的初期，機械設備于人員能夠靠近作業區域方便挖出，但當自燃強度及著火面積較大時，為安全起見不再適用。此時應采用水力滅火法，即類似于消防，需要在山體表面制作含水田塊，向山體澆灌大量的冷水以達到滅火的目的，待水浸潤后進行碾壓，滅火降溫。另外，還有覆蓋壓實法，即向山體覆蓋一層厚度適宜的黏土，通過隔絕氧氣的方式來阻止燃燒，此方法的不足之處在于黏土只有在濕潤情況下有效，一旦厚度不夠黏土被烤干則皸裂而失去滅火的作用。

傳統的滅火方法各有其不足之處，因此提出兩種新方法：泡沫法與控制燃燒法。泡沫法的重點在于制作90%的惰性氣體與10%的水混合而成的泡沫，其中由惰性氣體來阻斷氧氣供應達到滅火的目的，水的作用是吸收燃燒產生的熱量而使局部溫度降溫，減少進一步自燃的傾向。該方法符合滅火機理，防火降溫速度快。控制燃燒法，即主動燃燒煤矸石山，控制其燃燒速率和強度，將燃燒所得熱量進一步作發電或其他能源使用，該方法還應控制相應的有害氣體，因而達到防火和保護生態環境的目的，是一種較有前途的控火方法。