東勝礦區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.中國礦業大學 （北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.天津地質調查研究院，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生，并作為固體廢棄物大量排放。其產量約占煤炭產量的10%～15%。

目前，國內外矸石利用率普遍不高，大量矸石處于長期露天堆放狀態。我國煤矸石累計堆存已形成大小數千座矸石山，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，不僅污染了礦區周邊地區環境，而且嚴重影響礦區工人和周邊百姓的生活質量。

煤矸石自堆積，低溫氧化到自燃，經歷了極其復雜的物理化學變化，不僅受到煤矸石自身的物理化學性質所制約，同時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境密切相關[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，尤其典型礦區自燃特點的文章并不多見。本文以內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝礦區為例，從野外矸石堆自燃火區調查和室內分析相結合的角度，對著火的條件進行分析探討。根據研究區矸石堆自身特點剖析其自燃的真正原因，并對矸石堆的自燃進行系統的分類。

1 東勝礦區煤炭及自燃矸石山概況

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

東勝礦區煤矸石主要來源于侏羅系中～下統延安組，是由碳質頁巖、碳質泥巖、砂巖、頁巖、黏土等巖石組成的混合物。目前，東勝礦區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]、炭質巖以及礦區和生活雜物（廢棄坑木、廢油）等可燃物質大多伴隨沙土，棄置于山溝和廢棄采坑中，利用率極低。長期堆放，可燃物質在低溫條件下氧化自燃，占據空間同時污染環境。本文對東勝礦區內14個自燃矸石堆進行了實地調研，相關數據見表1。

表1 2012年7月東勝礦區自燃矸石堆野外調查數據（部分）

2 東勝礦區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境等[8－11]。

正因為煤矸石從常溫到自燃復雜的物理化學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上，針對東勝礦區煤矸石堆自燃的特點，主要探討以下幾個方面：硫含量、水分含量、殘煤含量與氧化性能、碳質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、單質硫和有機硫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、結核狀、條帶狀等形態，多隨矸石外運堆積[12－13]。FeS2極易氧化，且燃點低（約為290℃）、耗氧量小（約為煤的50%）、氧化放熱量大。當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，熱量就會不斷積聚，導致溫度的升高，達到一定溫度則發生自燃。一般認為，相對富集的FeS2的氧化反應，可以加快反應速度和增強反應強度，所以越是黃鐵礦含量高的矸石堆越容易自燃。

東勝礦區煤含硫量屬特低硫～低硫，矸石中的硫含量也較低。據燕家塔、伊東宏鑫、高西溝以及燎原煤礦自燃矸石堆的實測數據，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。說明東勝礦區矸石堆中硫含量低，其自燃硫含量關系并不大，并非受黃鐵礦氧化機理主導。

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，同時水分使矸石或煤潤濕時會釋放出潤濕熱，而水分變成水蒸汽吸附到矸石或煤表面時，又會釋放出更大的水蒸汽吸附熱。水分又可以促使煤矸石風化，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，導致氧化反應速率增大。適量的水分又會降低矸石和殘煤的燃點，水分含量為15%時，煤的燃點約下降100℃。對于已經開始燃燒的矸石，遇水又會釋放大量的CO和H2，即水煤氣，進一步促進矸石的燃燒。當然，水對矸石堆的自燃并非一味是促進作用，一般來說水分含量超過15%時，就會抑制矸石堆的自燃[13－17]。

東勝礦區屬極端大陸性氣候，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，連續降雨達7天。此次調查期間（2012.7.13～2012.7.22），東勝地區降雨4場，局部地區降水量在120mm以上，不僅增加了矸石堆的水分含量，而且導致礦區采坑及洼地嚴重積水。據調查，伊東宏鑫、蘇家溝、騰勝、烏蘭渠煤礦矸石堆積在廢棄采坑中，積水嚴重，自燃區主要圍繞高出水體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，發生自燃的3個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，加上雨水補給，導致自燃集中發生在矸石堆頂部裂隙發育位置。以上事實表明，水對東勝礦區矸石堆自燃的作用是至關重要的，水分含量的多少直接關系著該區域矸石堆能否自燃。

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來源，其含量決定了矸石堆燃燒的時間。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程度決定，變質程度越低越容易氧化自燃。中國北方侏羅系煙煤多發煤火的事實證明了這一點[9，18－19]。

東勝礦區煤層主要為侏羅系中～下統延安組，成煤環境和成煤物質基本相同，因而煤質也十分近似。各煤層均以不黏煤和長焰煤為主[20]（屬低變質煙煤），發熱量較高，屬易燃～極易燃煤。東勝礦區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，含量較一般未發生自燃矸石堆要高。由此，東勝礦區矸石山高殘煤含量與低變質程度是其自燃的重要原因。

2.4 碳質沉積巖與外來可燃物

煤矸石中，碳質沉積巖主要包括炭質泥巖、炭質頁巖、碳質砂巖、以及油頁巖等，這些巖石是矸石堆燃燒的重要物質來源。東勝礦區矸石中以碳質沉積巖為主，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，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和含量，直接影響矸石堆的燃燒速度、強度和規模。據調察，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、殘煤的燃點更低，低溫氧化更易燃燒，對整個矸石堆的燃燒起引燃作用。

2.5 堆積方式與位置

東勝礦區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。當然，無論哪種堆積方式，都會產生矸石顆粒的粒度偏析，在矸石堆內部形成空氣流通的孔隙和孔道，為矸石堆中可燃物質的氧化與矸石堆長時間燃燒提供充足的空氣。當矸石堆積到一定程度，蓄熱條件適宜時，矸石堆中浮煤或被掩埋采坑內壁上的薄煤層或煤線氧化釋放的熱量得到積累，促使矸石堆內部溫度升高，從而引發矸石堆內部可燃物質的自燃。另外，開采工作面上的洼地與廢棄的采坑極容易積水，使矸石堆內部水分含量增加，適量的水分又促進了矸石堆的自燃。

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、矸石堆內部的透氣性、裂隙發育程度、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果，因此，對自燃矸石堆進行類型劃分并非易事。據此次野外調查結果及上述分析，并結合前人研究，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燃4種類型。

4 結論

通過上述討論得出以下結論。

1）東勝礦區煤及矸石含硫量均較低，控制該區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燃4種類型，東勝礦區矸石堆自燃屬于后3種。

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