矸石山自燃防治技术及综合治理模式发展趋势

2020-12-02曹祖宝樊珂奇李建文邵红旗

煤矿安全 2020年8期

何骞，肖旸，杨蒙，曹祖宝，樊珂奇，李建文，邵红旗

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054）

我国煤炭产量居世界首位，能源结构的基本特点（富煤贫油少气），决定了未来煤炭仍是我国主体能源，预计2020 年煤炭占能源总量消费比重仍保持在57.4%左右[1-2]。采煤过程中煤矸石的产量占原煤的10%～20%[3]，以35 亿t/a 的产煤量计算，我国每年平均排放的矸石量达到5.25 亿t。

矸石山的堆积排放破坏了大面积地表植被，影响着生态环境。矸石山是在煤矿开采过程中逐渐堆积而成的人造山，所以会出现坍塌、滑坡等各类不安全事故[4]，此外随着矸石逐渐被风化磨碎，使得放射性物质、重金属加速析出，对环境和人体产生辐射污染。除了上述各类危险破坏之外，矸石山对人类生产生活及生态环境最直接的危害是其自燃，矸石山自燃过程中产生大量烟尘及SO2、CO2、CO、H2S、NO、NO2等毒害性气体[5-6]，影响矿区人员及其周边居民生命健康，破坏植被、影响大气环境、水资源环境、影响生态平衡，研究表明煤矸石已经成为大气污染的潜在来源[7-9]。因此，研究矸石山自燃机理、自燃影响因素，提高矸石山自燃的防控、监测、治理技术，探索矸石山综合治理模式，对于生态环境、生命健康、矿井安全生产、资源的转型利用具有重要意义。

1 矸石山自燃机理及其影响因素

我国矸石山自燃机理的研究从20 世纪80 年代开始[10]，其中硫铁矿氧化理论、煤氧复合理论最为代表，以实际矸石山自燃、模拟、实验为手段，得到硫铁矿、堆积氧化时间及粒度等对矸石山自燃的影响，提出了治理矸石山自燃的关键手段为降温、隔氧[11-12]。21 世纪以后，随着矸石山自燃事故的增多以及国家对安全与环境保护的重视，学者们以数值模拟、数学模型、实验研究等各种手段对矸石山自燃机理进行了不同程度的研究，得到了较快的发展[13-15]。矸石山自燃的产生与加剧，都离不开燃烧的三要素：第一，可燃物既矸石山具有自燃倾向性，而黄铁矿、水分等都对矸石山是否可燃有着重要影响；第二，助燃物，矸石山的堆积内部较为疏松，较大的孔隙给外界氧气提供了良好的通道；第三，良好的蓄热，矸石山燃烧初期内部温度不高，但是随着热量的聚积内部温度逐渐升高，而温度升高又会引起氧化放热的加速，最终矸石山自燃[16]。矸石山的自燃伴随着物理化学变化，在其初期上述3 种条件任意1个达不到，就不会燃烧。故研究影响上述3 种条件的不同因素，对矸石山自燃的防控尤为关键。

1.1 硫铁矿的影响

煤矸石中硫元素主要以4 种方式存在：硫铁矿、单质硫、硫酸盐和有机硫，其中硫铁矿的自燃占了80%以上[17]，是影响矸石山自燃的关键因素。硫铁矿引起煤矸石自燃升温有2 种方式：第一，煤矸石内的硫铁矿燃烧温度低，遇到少量氧气后就会发生氧化反应放出大量的热量，同时氧化生成的酸性环境也益于自燃[18]；第二，硫铁矿自身的分解作用也会产生热量，使矸石堆内部升温。

此外若矸石山内部存在硫杆菌类细菌时，所有氧化反应速率大幅度增大[16]，热量的积聚增多。由于堆积不当使得矸石山内部存有一定孔隙，会使外界风流经过孔隙通道时加强对流作用，促使更多区域的矸石氧化升温，而矸石本身的导热系数较小散热较慢，长时间后矸石山内部温度达到燃烧的临界温度，发生自燃。

1.2 水分的影响

水分对矸石山自燃的影响起着关键作用，矸石山中的水分一方面来自其本身所含的水，另一方面则为外界空气水、雨水等。当外界的水被吸收到矸石表面后，伴随着吸附热的产生，研究表明矸石山中的煤、碳类有机物吸水产生的吸附热可将煤矸石平均温度升高7 ℃[19]。当煤矸石湿度在12%～17%时，其吸氧量可达到峰值，所以此范围内煤矸石低温氧化速率较大，自燃倾向性提高[20]。

矸石中含有少量的煤，当其吸水时可产生大量湿润热，同时水分能够降低煤的着火点温度、使得煤的初始升温速率提高[21]，加速了煤矸石自燃的速度。雨水的冲刷会使煤矸石风化加剧，引起脱落、破碎，增加其表面积，使得吸氧面积增大。此外，水分蒸发产生的水蒸气使矸石山内部压力增大，有爆炸危险。但水分对矸石山自燃是在一个相对的范围内，水分含量过小，对燃烧的促进作用较小，不影响自燃，如果水分含量过大，矸石山就会因水的作用不发生自燃。所以，在矸石山日常维护、治理过程中如果能较好的把控好水分的影响，对自燃的防控起到良好的促进作用。

1.3 温度的影响

温度对煤矸石山自燃的影响分不同的阶段，既缓慢氧化、自动加速升温、燃烧3 个阶段。若煤矸石表面温度较高，且围岩温度较高，就会为矸石山的自燃提供良好的外界蓄热条件。在起始阶段，矸石山的氧化升温度速度就会加快，同时温度升高会使矸石表面分子活性增强、氧气的平均动能增大[22]，从而加剧煤矸石与氧气复合，放热速率增加，热量逐渐累积，热量的积聚又会使温度增高，如果一直保持良好的蓄热条件，当温度达到煤矸石的临界温度时，就会发生自燃。所以，在日常矸石山火灾治理中应综合考虑矸石的导热系数、煤矸石的化学活性、周围的环境散热条件等因素，准确判断、测定煤矸石的临界温度，把火区温度降到临界温度以下，否则很大程度会发生复燃。

1.4 残存煤变质程度的影响

煤矸石中含有的残存变质煤对其自燃的燃点、自燃倾向性都有影响。在煤矸石的堆积方式、粒度、温度等相同的条件下，残存煤的燃点随着其变质程度的增大而增高，而自燃倾向性随着煤的变质程度增大呈降低趋势。同时，低变质煤的水分、挥发分等含量高，挥发分高会产生烷烃类可燃气体，而高水分会促进硫铁矿的氧化作用，共同加剧了煤矸石的自燃。此外，低变质煤受挤压易破碎，增加了煤矸石的比表面积，更易吸附氧气，加快了自燃[23]。

1.5 粒径的影响

粒径的大小与矸石山透气性好坏有着重要关联。粒径较大，矸石比表面积小，吸氧面积减小，矸石山自燃的可能性降低。反之，粒径较小，矸石比表面积增大，与氧气作用的活性基团增多，矸石与氧复合作用增大，热量聚集加剧，自燃性增强。但是，若煤矸石粒径过小，氧气进入煤矸石深部的难度增加，使氧气过早被消耗在其表面，也不易自燃[24]。所以对实际不同情况研究易导致矸石山自燃的粒径范围，对于矸石山自燃的防控具有重要的指导作用。

1.6 漏风强度与空隙率的影响

漏风强度与矸石体的空隙率都是影响矸石山自燃的因素重要因素，两者密切相关、相互影响，其它条件一定的情况下，空隙率大，矸石体内部蓄热越好，越易自燃[25-26]，同时漏风强度的大小也决定着矸石山是否能够自燃。漏风强度受矸石山的堆积方式、自然环境、矸石山透气性等多种因素影响。我国煤矸石山多采用沿斜坡倾倒的方式排矸，煤矸石中较大的块状因其质量较大，滑落到底部，矸石山上部颗粒一般较小，所以矸石山下部、中部空气流动性强。当漏风强度较小时，氧气与煤矸石作用产生的热量小于其散失的热量，矸石山不易自燃；当漏风较大时，虽然氧气和煤矸石作用加大，但风流流动很快将热量带走，也不会自燃。此外，风向和地形也是矸石山影响自燃的重要因素，在矸石山的堆积中结合矿区地形特点，选择合适的堆积点，尽量向密实的山体、谷地堆积，减少与风流接触面。

因此，当漏风强度在合适的范围，同时自然环境的温度、风量适宜，此时矸石会与氧气复合发生反应，其产生的热量能够聚积，最终导致自燃。在实际矸石山自燃的预防与治理过程中，漏风强度和孔隙率能够通过技术与管理手段得到有效改善。

1.7 其它因素的影响

煤矸石山的自燃不是单一的过程，它是多种因素共同作用下产生和发展的。除了上述影响因素之外，煤矸石山的自燃还受采煤工艺、矸石的破碎性、矸石山的堆积形式与管理、矸石中的碳、氢含量、微生物作用等多种因素的影响，只有把控好矸石山治理过程中的各个环节，才能有效地防控矸石山自燃。

2 矸石山自燃治理综合技术措施

矸石山自燃治理技术从早期的挖除火源法、覆盖灌水法等，发展到2000 年前后，已经出现了如深部注浆法、表面喷浆法、压实复垦等多种综合治理措施[27-29]。迄今为止，随着数值模拟、理论机理研究、室内实验与现场相结合等多元化研究方法的推动，出现了注浆灭火法、泡沫灭火法、低温惰性气体灭火法等多种防治方法，有效治理了矸石山的自燃、降低了危险事故[30]。通常矸石山的自燃分为自燃孕育期、自燃发生期、自燃发展期、自燃衰退期4 个不同的阶段[31]，每个阶段防治手段也不同。

2.1 阻隔法

矸石山自燃的孕育期没有明显的表露特征，其内部温度缓慢增加，会出现局部返潮现象。这一时期，如果做不到良好的管控与预防，其增温就会加速，转变为另1 个阶段既自燃发生期。阻隔法是矸石山自燃的预防、自燃发生初期灭火的有效手段，其原理是在矸石山表面覆盖1 层起隔绝氧气的不燃材料，通常为黄土或泥浆，起到隔绝氧气、抑制自燃的效果。

煤矸石山在堆积过程中坡度陡、高度较大，因此常对矸石山进行削坡，削减成梯田状，然后在其上面覆盖黄土，进行整平压实。通常为了达到更好的隔绝效果，会进行多次覆盖、压实的过程，有效减少了矸石山内部孔隙，达到预防自燃的作用[32-33]。另一方面，在矸石山燃烧的初期会在其表面浇灌水、泥浆等惰性物质，降低其表面温度，缓解矸石山的自燃速率，但此方法不能治理矸石山的内部燃烧[34]。此外，在煤矸石山自燃初期，当燃烧面积小、燃烧位置明确时，采用直接挖出的方法，将着火区域裸露，再进行喷水降温，达到治理自燃的目的，但此方法只适用于矸石山的初期燃烧，同时具有一定危险性，所以局限性较大。因此，阻隔法在矸石山燃烧初期，起到了“预防为主”的积极作用，治理了部分矸石山自燃，有效缓解矸石山自燃的发展速率，为火源的进一步探测、灭火方案的设计赢得时间，为人员接近火区提供了适宜环境，具有重要意义。

2.2 灌水法

水的比热容较大，当水通过钻孔注入到矸石山内部或利用泵送喷洒在燃烧体表面时，在高温环境中汽化吸收大量的热，可以快速降低矸石山整体温度，同时水具有廉价易得、输送方便的优势。但是水在工程应用中也存在一些缺点：第一，水进入矸石体后沿着阻力最小的方向流动，使得矸石山内部部分燃烧区域未被降温；第二，未被水完全浸润的燃烧区域，矸石体活性增强、孔隙率增加，同时水与高温矸石体接触时产生大量毒害气体，增加了爆炸的可能性[35]。因此，在使用水灭矸石山火时，要根据火灾时期、发育情况合理选择。

2.3 注浆法

注浆法是目前在矸石山及矿井火灾中应用较广、治理效果较好的灭火方法[36-38]，从治理空间上可分为表面喷浆、盖浆和内部注浆。利用测氡法、测温法、标志气体法及现场识别等手段判断出火区后，以钻探或机械手段等，将浆液注入矸石山内部火区，其流动性和扩散效应可以有效充填内部空隙，降低孔隙率，减小比表面积、隔绝氧气、降低矸石体温度，减小了自燃倾向性。在注浆过程中，钻孔内的定向注浆较为关键，可通过2 种方法得到控制：第一，准确判断出火区后，通过定向钻孔直接打孔到火区附近，进行注浆灭火，或者下入注浆管进行精准注浆；第二，根据火区距钻孔的位置，调整浆液的性能参数，如增加流动性、添加固料或速凝剂等（结合实际），使浆液的流动控制在合理范围，达到良好的灭火效果。

而注浆材料是影响灭火效果的关键因素，近些年材料的不断改进、创新，使得注浆法在矸石山自燃治理中得到大面积应用。

2.3.1 黄土和粉煤灰类灭火材料

黄土、粉煤灰类灭火材料具有取材方便、价格便宜、均匀度好等优点[39-40]。通常它们和电石渣、石灰、破碎矸石等材料配合，制成高效的灭火材料。黄土中的蒙脱石具有较好的离子交换能力，可吸附阳离子、水分子，而黄土中碳酸盐类矿物质的存在使其具有一定的胶结性，所以黄土是制备浆液的主要原料。此外，黄土中含有大量的石英、长石、方解石，其含有一定量活性的SiO2和Al2O3[41]，它们可以和碱性物质如Ca（OH）2发生作用生成水化硅酸钙和水化铝酸钙类凝胶，有良好的抗渗能力、耐水性、水硬性及一定的强度，从而实现良好的隔氧作用。

粉煤灰中具有一定量的氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝等氧化物[42]，氧化钙遇水生成的氢氧化钙，可以与矸石山燃烧生成的二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳反应生成亚硫酸钙、硫酸钙和碳酸钙，可有效的隔绝氧气，灭火降温。另一方面，粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二铝被激活后，可以生成硅酸盐、硅铝酸盐等产物，具达到较好的灭火功效。所以，在实际应用中，将黄土、粉煤灰等材料按合适比例配合，可使得矸石山火灾得到有效控制。

2.3.2 碱性类灭火材料

煤矸石山中存在大量硫铁矿，根据1.1 中所述，硫铁矿氧化使得矸石山内部处于酸性环境，促进硫酸杆菌的增加，使自燃加剧[43]，因此选择碱性灭火材料可以有效改善矸石山内部酸性环境，减少硫铁矿自热。常用的碱性材料为生石灰、电石渣以及加入强碱NaOH 的石灰乳液等[44]。Ca（OH）2、NaOH 可以有效吸收自燃产生的CO2、SO2等酸性毒害气体，降低其释放量，减少对环境的破坏，同时反应生成硫酸盐、碳酸盐沉淀覆盖在矸石体表面，形成1 层隔氧膜，抑制自燃，在此反应过程中伴随着硅、铝氧化物与碱性材料反应，同样生成黏稠的凝胶，隔绝矸石体与外界空气的接触。电石渣与粉煤灰具有相似的性质，其水解后生成的氢氧化钙可以和二氧化硅、三氧化二铝作用，生成的硅酸盐、铝硅酸盐和碳酸钙覆盖在矸石山内部表面隔氧灭火。

2.3.3 胶体类灭火材料

胶体灭火于20 世纪90 年代开始逐渐应用于煤矿防灭火中，发展至今已形成凝胶、稠化胶体、复合胶体等多门类灭火材料[45-47]。凝胶类灭火材料通常以硅胶为主体，以水玻璃为基料，再加上一定比例的促凝剂、增强剂和水混合而成，无毒害、对环境无污染，具有相应的强度、弹性、形状和屈服值，进入矸石体后吸收大量的热，但其自身内部温度上升较慢、温度不高，因此降温效果良好。稠化胶体是在黄土、沙子、粉煤灰及水等组成的浆液中加入一定分散剂组成，使得胶体的流动性和灭火效果达到最佳比例，具有较好的灭火性能[48]。同样复合胶体指在黄土、泥沙、粉煤灰浆液中加入基料，如加入高分子材料通过链接架桥作用或加入其它胶凝剂利用化学反应，使浆液失去流动性的胶体材料，广泛应用于煤矿及矸石山灭火中[49-50]。

胶体类灭火材料自应用以来，具有良好的性能优势：第一，胶体进入矸石山内部，充填在孔隙中、附着在矸石山体表面，起到隔氧、吸热、减少漏风通道的作用；第二，阻化作用，矸石山氧化自燃属于自由基反应，胶体具有阻化剂作用，覆盖于矸石山表面后使自由基消亡，抑制自燃；第三，固水降温作用，超过90%的水含量使得在成胶过程以及水汽化过程吸收大量的热，降温效果显著；第四，胶体材料成胶时间可根据不同自燃状况，实现有效控制；第五，胶体灭火时由于其束水性，可减少水煤汽的急剧增加，安全性较好。

在工程实践中，注浆材料的应用具有灵活性，根据矸石山火灾发育的不同时期，浆液的配合比、添加材料等合理确定。各类灭火材料的实际应用也不是单一的，而是相互配合，结合实际情况，达到经济的可行性及最好的灭火效果。

2.4 泡沫法和低温惰性气体法等其它灭火法

泡沫灭火剂有诸多种类，如聚氨酯泡沫、罗克休泡沫、三项泡沫等[51-53]。其中三项泡沫应用较多，它是在黄泥、粉煤灰浆液中加入稳定剂和发泡剂，并注入氮气发泡后制成，固相可以良好的覆盖、充填矸石山内部空隙，隔氧降温；液相能够有效增湿、吸热，阻止自燃；气相可以惰化矸石山内部空间，抑制矸石山氧化，并起到抑爆作用。低温惰性气体灭火以液氮、液态CO2为代表，通常将其分开或者混合注入矸石体内，膨胀、扩散到内部高温区，隔绝氧气、降低内部温度，达到治理矸石山火区的目的，但治理成本较高。此外，深部热管移热技术应用到矸石山自燃治理中，是治理技术的创新[54-55]，利用循环换热原理，将矸石山内部热量转移到外界，散热降温。阻化剂的使用能够有效辅助矸石山灭火，通过向矸石堆中喷洒高分子聚合阻化剂，降低矸石山的蓄热能力，达到抑制自燃的目的[56]。20 世纪末有学者提出，通过控制燃烧的方法使矸石山燃烧产生热量加以利用，但产生的烟气污染大，当时处理技术尚不成熟。但是目前控制燃烧技术已经在内蒙古唐家会煤矿得到成功应用，煤炭不出井直接在地下进行控制燃烧，生成化工合成原料气和工业燃气，经过地面的物理水洗、分离、净化，为化工企业和居民生活提供直接燃料，实现了煤炭能源安全、高效、洁净利用的技术革命。

经过几十年的研究，矸石山自燃已经从早期的挖掘、移除发展至现今的多方法、多空间的综合治理措施，从单一的打孔探测、治理，发展成标志气体法、红外法、温度法等多手段预警探测技术及灭火、复垦、生态修复的综合治理模式，使得环境得到了有效改善，减少了经济损失、降低了安全事故。

3 存在问题及发展趋势

3.1 存在问题

1）矸石山自燃虽有煤自燃机理为支撑，但关于矸石山自燃不同阶段的机理研究尚不完善，燃烧从1 个阶段加剧为另1 个阶段的临界变化状态与关键因素对火灾发展至关重要。

2）适用于不同煤质、不同堆积状态矸石山自然发火模型的研究不够完善，未能完全给数值计算提供良好的依据。

3）矸石山自燃注浆材料和注浆设备的研究虽已取得良好的成果，但集灭火性能好、复发率低、价格低廉、资源利用率小的灭火材料未能全面研发。

4）全方位的监测监控及准确的燃烧区域判定理论与技术不够成熟。

5）矸石已经应用到建筑、化工等领域，但从矸石出矸脱硫技术及全方位、多领域的应用不够完善。

6）泡沫灭火、低温惰性气体灭火、控制燃烧、热管移热等新技术的大面积推广及其与传统覆盖、注浆等技术融合不够全面，综合治理模式仍可优化。

3.2 发展趋势

1）加强矸石山从自热升温、快速发展到燃烧各阶段的微观发展机理、宏观主次影响因素的研究，为自燃的预防提供理论基础，对每个阶段燃烧加剧的关键因素进行发掘、把控，同时对燃烧过程中矸石本身及矸石山整体物理状态的变化及化学产物的变化进行进一步研究。

2）结合燃烧机理，研究建立不同煤质、不同堆积状态下矸石山自燃的数学模型、物理模型，结合矿山建立矸石山自然发火大型实验台，推动数值计算的演化作用，能够为各类矸石山提供良好的自燃危险评价体系。

3）现有的灭火材料如胶体灭火材料、高分子灭火材料虽具有一定的灭火效果，但价格昂贵，因此从材料角度出发，研制灭火效率高、价格低廉的灭火材料是矸石山燃烧后期治理的关键手段。此外，加强与注浆灭火相配套的新型智能注浆系统的研发，实现上料、制浆、送浆全系统的精准控制，达到精准注浆的目的，提高灭火效率、降低治理成本。

4）全面深入研究现有矸石山燃烧的孕育、发展、治理过程及相关数据，进行理论分析和数据分析，结合矸石山自燃机理，在现有的燃烧区域判定理论基础上归纳、发展，提升矸石山燃烧区域判定技术，从而建立全面的理论判定体系、危险评价体系、自燃治理体系。

5）将遥感卫星与5G 技术应用于矸石山自燃的监测与预警，实现空地全面监测、数据快速实时传输，为矸石山自燃的预防与精确治理提供保障。

6）深入研究、提升煤矸石脱硫技术，有害微量元素的吸收降解技术，从根源抑制矸石山自燃，同时加快矸石山中有用元素提取技术的研究，变废为宝，将无污染的矸石应用于地下注浆、道路桥梁等工程领域，并且在建筑、化工、工业等领域更全面的推广。

7）加大新技术的改进创新与全面推广，如液态CO2灭火中输送固结问题、热管技术传热介质的效率与上方散热体结构优化问题等，将控制燃烧法、低温惰性气体、灭火机器人、灭火弹技术等全方位应用到矸石山自燃治理中，此外将新技术与传统技术的优点相结合，形成燃烧治理、复燃防治的双重保障机制。

8）在现有探测、治理、土地复垦的综合治理模式基础上，推动化学降解、微生物恢复生态环境的治理思路，治理完成后考虑土地的二次开发与利用，使大面积被占用的土地产生价值。

矸石山自燃的预防、火灾的治理与监测、生态的修复等每个方向都是多学科、多理论、多技术手段的交叉，只有本着科学、创新、清洁的思路，才能把矸石山自燃这一大难题解决。