煤矸石自燃及其防治措施研究

王海越

(山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041600)

引 言

煤炭作为关系国家经济和民生的主要一次性能源，在我国的能源结构中占比75%以上，消耗量巨大。煤炭能源在开发使用过程中会产生大量的废弃物，其中主要的一项就是煤矸石[1-2]。

据统计，煤矸石的产量占比煤炭总产量的20%～30%，由于煤炭需求量的逐年上升，废弃的煤矸石总量也呈较快的上升趋势，已达到每年1.5亿吨～2亿吨。煤矸石目前的主要处理方式为露天堆积，煤矸石在遇雨水后浸出有害物质，严重危害当地的饮用水资源和农业灌溉水资源；同时，会生成大量的粉尘，释放对生物有害的气体，加之煤矸石中含有的硫物质容易引起煤矸石山的自燃，再混有有害气体，极易产生爆炸等危险，对当地的生态环境和人员生命财产安全将造成极大的威胁。因此，有必要对煤矸石的自燃机理及其防治措施进行研究，以避免危害的发生[3]。

1 煤矸石自燃条件

煤矸石自燃属于化学燃烧现象，其间发生一系列极为复杂的物理化学反应过程。总的来说煤矸石的自燃需要3个基本条件：可燃物、氧气、良好的蓄热条件。

1)可燃物

煤矸石中的可燃物一般指硫化物，其他的可燃物含量较少不再列举。硫化物包含以下几种存在形式：硫铁矿、硫酸盐、单质硫、有机硫化物。其中，硫铁矿是极易在较低温度下发生低温氧化反应而蓄热，局部热量累积导致燃烧；其余三种或者不易燃烧或者含量极小，在硫化物的燃烧中不起主要作用。硫铁矿一般又分为三种：黄铁矿、白铁矿、磁铁矿。黄铁矿在硫铁矿中含量最多，是主要成分，其化学性质为：燃点低、燃烧耗氧量较小、还原性强、低温时易发生氧化还原反应并放热。尤其在洗煤过程中，体积大的黄铁矿被分割破碎，氧化膜被破坏产生新的表面，极易与氧气发生反应并放热，使得煤矸石山内部温度上升，当达到燃烧条件时，煤矸石山便发生自燃，其次黄铁矿的含量还将决定燃烧的速度与强度[4-5]。

通过以上的分析可知，煤矸石山的自燃主要是由黄铁矿在较低温度时发生氧化还原反应导致，因此对可燃物的研究中应着重针对黄铁矿。

2)氧气供应

煤矸石的自燃须有足够的氧气来保证，煤矸石山内部的氧气是通过颗粒间的缝隙渗透进去的，因此颗粒的大小及风速将决定氧气的充足程度，也影响着自燃的强度。由于煤矸石目前属于自然堆积状态，据已有研究自燃堆积会使颗粒的排列具有一定的分选性，即大体积的煤矸石会沉降到最底层，较细颗粒留在上部。因此煤矸石山具有良好的透气性，易诱发自燃。

3)良好的蓄热条件

煤矸石表层在氧化后，热量很难积蓄下来，表层散热量较大使得局部温度无法达到临界温度。但4 m以下的煤矸石热量容易蓄积，由于煤矸石的导热性能较差，蓄积的热量使得煤矸石山内部温度很快就达到临界温度，同时，热量在颗粒间来回对流，逐步引燃煤矸石中的可燃物，最终，形成自燃。因此煤矸石内部良好的蓄热条件就成为了自燃的先决条件。

2 黄铁矿的氧化还原反应机理

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黄铁矿，黄铁矿具有燃点低、耗氧少、低温下易发生氧化还原反应而放出大量热量的物理化学性质，当局部热量累积导致局部温度升高时，达到周围可燃物如残存煤的燃点时即可引发煤矸石山的自燃，因此，黄铁矿的含量是引发和促进煤矸石山自燃的主要因素，并决定了整个自燃过程的速度与强度。根据现有研究表明，虽然黄铁矿的放热量只有煤的三分之一，但黄铁矿在煤矸石中的含量却远大于残存煤的含量，再次说明了黄铁矿是煤矸石山自燃的物质先决条件，因此有必要对黄铁矿即残存煤的氧化还原机理加以说明和比对。

黄铁矿在常温干燥空气中的氧化还原反应见式(1)。

FeS2+3O2=FeSO4+SO2

ΔH=1 047.7 kJ

(1)

由于煤矸石为露天堆积，常受雨水侵蚀，因此在煤矸石内部处于潮湿的空气环境中，其氧化还原反应机理为式(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，黄铁矿在潮湿环境中每单位反应的放热量为2 951.7 kJ，而在干燥空气中的放热量为1 047.7 kJ，潮湿环境中的放热量是干燥环境中放热量的近3倍。放热量的增加也将对自燃的速率与强度产生同等的促进作用。另外，据已有研究表明，潮湿环境下还存在较多的硫杆菌等微生物，此类微生物的存在也将促进氧化还原反应的反应速率大大提高，起到类似于催化剂的作用。

3 气体传输机理

在煤矸石山自燃的3个条件中，氧气供应与蓄热条件是此消彼长的。氧气持续供应则会带走热量，相反蓄热条件足够好则会缺氧而无法发生自燃，只有二者达到平衡时才会发生自燃现象。因此，气体的流动条件也是影响自燃的重要因素。气体的整个传输过程主要是对流在起作用。煤矸石山的一面为迎风面，当空气移动至迎风面将改变流向，气体部分动压转化为静压，使得山体内部与外界形成自燃对流，称作“烟囱效应”，其影响因素包括山体热量蓄积、煤矸石粒度偏析，如图1所示，“烟囱效应”原理如图2所示。

图1 两种堆积方式下山体中的空气通道

图2 烟囱效应的图形表述

图2中，P0、P1、P2分别为风流动压、山体上部静压、山体下部静压，Pa；ρ、ρ0分别为山体内部气体、外部气体密度，kg/m3.

由图2可知，当t0>t时，P0=P2+Hρ0g；P1=P2+Hρg，且ρ<ρ0，则有P0>P1。计算公式如式(4)。

P0-P1=(ρ0-ρ)Hg

(4)

综上所述，低温气体从山体下部进入，氧化还原反应放热产生的高温气体从山体上部流出，煤矸石山高度越高，山体内外温差越大，则气体流动性越大，对自燃的供氧则会越有利。

4 煤矸石山自燃的防治措施

为了保证矿区的有效生产、人员安全、保护生态环境，需要对煤矸石山进行防火防控方面的治理。常用的防治措施包含以下：挖出火源冷却法；水力灭火法；覆盖压实法。其中，挖出火源冷却法的操作实施步骤为：确定山体起火位置，将起火区域的煤矸石挖出，再浇水以冷却。这个方法适用于起火的初期，机械设备于人员能够靠近作业区域方便挖出，但当自燃强度及着火面积较大时，为安全起见不再适用。此时应采用水力灭火法，即类似于消防，需要在山体表面制作含水田块，向山体浇灌大量的冷水以达到灭火的目的，待水浸润后进行碾压，灭火降温。另外，还有覆盖压实法，即向山体覆盖一层厚度适宜的黏土，通过隔绝氧气的方式来阻止燃烧，此方法的不足之处在于黏土只有在湿润情况下有效，一旦厚度不够黏土被烤干则皲裂而失去灭火的作用。

传统的灭火方法各有其不足之处，因此提出两种新方法：泡沫法与控制燃烧法。泡沫法的重点在于制作90%的惰性气体与10%的水混合而成的泡沫，其中由惰性气体来阻断氧气供应达到灭火的目的，水的作用是吸收燃烧产生的热量而使局部温度降温，减少进一步自燃的倾向。该方法符合灭火机理，防火降温速度快。控制燃烧法，即主动燃烧煤矸石山，控制其燃烧速率和强度，将燃烧所得热量进一步作发电或其他能源使用，该方法还应控制相应的有害气体，因而达到防火和保护生态环境的目的，是一种较有前途的控火方法。