公烏素煤礦矸石山自燃原因分析

喬 亮

（烏海市公烏素煤業有限責任公司）

煤矸石是一種與煤層伴生的含碳、黃鐵礦等可燃物的干基灰分大于50%的巖石［1-2］，排放量相當于煤炭產量的10%～15%。煤矸石的長期堆存，不僅占用大量的土地，同時還會發生自燃，對大氣和地下水的污染甚重，是固、氣、液三害俱全的“工業廢料”。

內蒙古烏海及周邊地區煤炭開采歷史悠久，現堆存有煤矸石4.6億t，其中烏海市海南區公烏素矸石山經常年堆積風吹雨淋，矸石山發生持續自燃，煙霧繚繞，氣味刺鼻，對當地生態造成極大的危害，急需治理。

對于矸石山自燃原因及治理已經有許多研究，但矸石山自燃是一個多因素共同導致的復雜燃燒系統，不同地區煤矸石成分等不同，自燃原因也有所區別，想要徹底解決公烏素矸石山燃燒的問題，首先要具體地、系統地分析其自燃的原因，本文結合已有研究成果，經實地考察、探究，對公烏素矸石山自燃原因做出了系統分析。

1 公烏素矸石山概況

神華烏海能源有限責任公司公烏素煤礦位于內蒙古自治區烏海市海南區南約41 km處，行政區劃隸屬于烏海市海南區管轄，其地理坐標：東經106°54′28″～106°58'01″；北緯39°21′24″～39°15′18″。

礦山開采形成了12處矸石堆和渣堆，占地面積約115.9萬m2，堆置高度12～48 m，邊坡角35°～45°。經實地考察，公烏素矸石山為自然順坡傾倒，已經發生自燃，著火點眾多，有的矸石山著火點冒著刺鼻的藍煙。海南區有害氣體監測統計顯示，該區年SO2排放量14 394.42 t，氮氧化物排放總1 446.84 t，顆粒物年排放量4 573.98 t，其中很大一部分為公烏素矸石山自燃所致。

此外，矸石堆淋濾液、矸石中含有的放射性物質也會造成不同程度的污染。大量矸石堆積、自燃，易使地表、矸石山內部形成空洞，使地表塌陷、矸石山失穩而引發重力災害，如渣石流、坍塌等，存在極大的安全隱患。找尋矸石山自燃的原因，從而對矸石山進行系統治理非常必要。

2 矸石山自燃研究現狀

多年來，對矸石山自燃的研究從未停止，形成了許多學說［2-4］。黃鐵礦氧化學說指出，矸石中強還原性的黃鐵礦低溫環境即可進行一系列的氧化還原反應，散熱導致了熱量積聚自燃；煤-氧復合物導因學說指出，內因煤的自燃著火傾向、矸石的粒度，外因堆放方式、時間、大氣物理性質共同導致了矸石山的自燃；細菌作用學說認為，硫桿菌、真菌、放線菌、親氧真菌、嗜熱細菌都在煤矸石自燃中發揮著作用；晶核理論與自由基作用學說認為，破損晶核帶來廣面積的活性面可與氧氣發生反應進而放熱；揮發分學說指出，煤矸石首先燃燒的是揮發分。

此外，郝傳波等［5］通過對矸石山自燃影響因素的綜合分析及溫度的測定，將自燃矸石山劃分為五帶，分別為未燃帶、氧化帶、燃燒帶、高溫帶、燃盡帶；杜玉璽等［6］通過土壤溫度傳感器測量的數據及MATLAB軟件的插值分析，確立了煤矸石山深部溫度擬合模型；王思棟等［7］利用煤矸石自由基測定實驗系統，從微觀層面研究煤矸石的自燃氧化特性，得到含硫量對煤矸石自燃有促進作用；段鵬飛等［8］進行了大型煤樣發火實驗，應用主成分分析法對數據進行處理，得到溫度與CO產生率之間高達90%的親密關系，從而認為可通過檢測CO產生率來預測矸石山的自燃。施永紅等［9］用熱分析儀對內蒙古地區的煤矸石進行了分析，得出揮發分含量高的煤矸石燃燒特性更好。

通過不斷的、多角度分析，矸石山自燃原因日漸清晰，鑒于其復雜多變性，具體矸石山自燃原因需具體分析。

3 公烏素煤矸石山自燃原因探析

燃燒離不開可燃物、助燃物、著火源三要素，煤矸石山自燃也不例外：①具有自燃傾向的可燃物或常溫可以氧化放熱的物質；②有連續氧氣供應；③所處環境、堆積方式適合熱量積聚，不易散熱［10］。研究公烏素矸石山燃燒的真正原因，基于燃燒要素，需要對現場采集的煤矸石、該地矸石山的堆積方式進行研究分析，并分析該地氣象環境對矸石山自燃的影響。

3.1 公烏素煤矸石的燃燒

煤矸石成分復雜，受區域地質差異影響很大，一般含有黃鐵礦、有機硫、5%～45%殘煤炭和碳質泥巖等可燃物［2］。公烏素矸石山未燃燒煤矸石工業分析與元素分析結果分別見表1、表2。

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研究認為，公烏素煤矸石自燃主要是因為其中的硫鐵礦、揮發分、固體碳發生氧化反應，其具體過程可分為4個階段。

（1）常溫下，煤矸石山中的硫鐵礦發生的氧化反應［11-12］：

氧氣充足時發生反應：

氧氣不足時發生反應：

以上反應均為放熱反應，由于“煙囪效應”，一部分熱量會被帶到矸石山外，大部分則會儲藏在矸石山內部，使內部溫度快速升高，煤矸石表面或空隙中的氣體、水分即開始脫附。

（2）溫度持續積蓄到120℃左右，水分開始蒸發；溫度升至340℃左右，揮發分（主要由碳氫氧化物和碳氫化合物（CH4為主）組成）開始析出。

（3）溫度繼續升高到450℃左右，碳開始燃燒，也意味著煤矸石的燃燒，還會熱解產生CH4、C2H2、C2H4、C2H6等極易燃燒的氣體，進一步加劇燃燒，此時煤矸石中表面的固定碳也開始燃燒。

（4）溫度積蓄到大概550～800℃，深層碳也開始燃燒，各反應如下［11-12］：

綜上所述，公烏素煤矸石燃燒可分為氣體水分脫附、水分蒸發、揮發分表面碳燃燒、深層碳燃燒4個階段，燃燒所需的熱量基本可以自給自足，不需要外部熱量供應。

3.2 堆積方式

公烏素大量的煤矸石自然順坡傾倒形成矸石山，為煤矸石的燃燒提供了氧氣與一定的蓄熱環境。自然順坡傾倒存在一定的自然分級，沿坡中下部分集中了較大塊的煤矸石，空隙較大，上端煤矸石粒度較小。這樣的粒度偏析使得矸石山內自下而上形成多條空氣通道，能夠產生“煙囪效應”即內部空氣沿著自然生成的孔隙向上或向下，加之該區四季多風，更是保證了矸石山中有持續的氧氣供應。“煙囪效應”如圖1所示。

已燃燒的矸石山自然生成溫度梯度，“煙囪效應”也因熱對流會將空氣不斷置換，為矸石山帶來持續的氧氣，長期自燃。且煤矸石屬于熱的不良導體，堆積而成的矸石山散熱效果差，利于保溫蓄熱。

研究表明，著火溫度主要受揮發分影響，與粒徑大小關系甚小，但煤矸石粒徑越小，顆粒內外受熱會更均勻，加快揮發分的析出與燃燒［2］。順坡傾倒不僅導致矸石山中上部和底部煤矸石顆粒偏小，還會導致中上部硫鐵礦和碳質可燃物相對集中，易發生氧化燃燒，使得矸石山底部和中上部先開始燃燒。現場勘察發現，矸石山半山腰斜坡處的矸石多為塊狀，部分膠結，有白色物質析出；矸石山底部四周的煤矸石顆粒小，風化現象嚴重，多呈白色和灰黑色，已經燃燒，為粉末狀，矸石山內部多為大塊煤矸石，空隙大；斜坡底部存在已經完全燃燒的煤矸石。

3.3 氣象環境

公烏素矸石山所處礦區為中溫帶半干旱高原性大陸性氣候，該氣候特征為矸石山的氧氣供應和蓄熱提供了良好的環境，對矸石山的自燃起到了蓄熱保溫作用。公烏素矸石山所處礦區的的氣候特點：

（1）干旱少雨。礦區年降水量54.9～357.6 mm，多年平均降水量159.8 mm，主要集中在7—9月份。據研究，煤矸石濕度為10%～15%時，吸氧量是干旱時的2～3倍，可促進煤矸石的燃燒，且含水量越小，煤的燃點越低。也就是說，該區煤矸石吸氧量高，利于燃燒，且煤的燃點又較低，使得熱量積蓄到燃點更快、更容易。

（2）日溫差大。礦區極端氣溫分別達40.2℃和-36.6℃，多年平均溫度9.6℃、日照時間3 138.6 h，這樣的外界溫度，致使矸石山表面溫度偏高，且有保溫和加劇內部燃燒的作用。

（3）四季多風。夏秋季為東南風，冬春季為西北風，多年平均風速2.9 m/s，瞬間最大風速33 m/s。大風時，大量的空氣進入矸石山，矸石山內部燃燒加劇，但散熱速率變化不大，更多的熱量積蓄。

綜上所述，公烏素矸石山可自身燃燒產生熱量，堆積方式會蓄熱，氣象環境也有助燃作用。

4 結 論

（1）公烏素未燃燒的煤矸石的主要工業成分決定其燃燒主要是因為硫鐵礦、揮發分、固體碳，燃燒過程可分為氣體水分脫附、水分蒸發、揮發分表面碳燃燒、深層碳燃燒4個階段。

（2）矸石山自燃主要受堆積方式及氣象環境的影響。公烏素矸石山由自然順坡傾倒形成，受自然分級與“煙囪效應”影響，內部有足夠的氧氣，可保證持續自燃，且底部與中上部最先開始燃燒。該區為中溫帶半干旱高原性大陸性氣候，干旱少雨、日溫差大、四季多風，使得煤矸石吸氧量較高、燃點較低、表面溫度高、熱量積蓄好。