基于CO濃度監(jiān)測(cè)的煤矸石山自燃的環(huán)境影響因素分析

董紅娟，劉亞琳，熊青青，王晨陽(yáng)

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

煤矸石是煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中和洗煤廠洗煤過(guò)程中排放的固體廢物，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁(yè)巖的混合物，發(fā)熱值低，含碳量在20%～30%之間，長(zhǎng)時(shí)間堆放會(huì)自燃釋放出污染大氣的有毒氣體[1-4]。目前據(jù)學(xué)者研究，煤矸石自燃機(jī)理主要有黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)、細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)和煤氧復(fù)合反應(yīng)學(xué)說(shuō)[5-6]。

目前，黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)被學(xué)者們廣泛接受。黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)主要認(rèn)為，煤矸石中所夾雜的黃鐵礦(FeS2)經(jīng)過(guò)井下的煤炭開(kāi)采過(guò)程及煤炭洗選過(guò)程，其完整性遭受到了一定的破壞，加大了黃鐵礦(FeS2)與氧氣的接觸面積，進(jìn)而加快了黃鐵礦(FeS2)的氧化過(guò)程。

黃鐵礦在氧化過(guò)程中會(huì)放出大量的熱量，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，黃鐵礦氧化反應(yīng)放出的熱量持續(xù)積累，導(dǎo)致煤矸石山局部溫度升高，溫度的升高會(huì)使煤矸石中孔隙表面的矸石與煤分子、氧分子的吸附作用增強(qiáng)，煤分子中的碳原子會(huì)與氧分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO與CO2，氧分子還會(huì)與CO發(fā)生反應(yīng)生成CO2。自然條件下煤矸石山的自燃大部分處于緩慢氧化階段或加速氧化階段，不會(huì)進(jìn)入快速氧化階段釋放CO2，而是以釋放CO為主。

劉曉原[7]等采用程序升溫實(shí)驗(yàn)、熱重分析實(shí)驗(yàn)等方法，研究了原始煤體所含水分的不同對(duì)煤自燃進(jìn)程的影響。結(jié)果表明:在原始煤體中所含的水分在煤體自燃的不同階段對(duì)煤的自燃過(guò)程影響不同，在煤體緩慢氧化階段，原始煤體含水量的增加會(huì)對(duì)煤氧化的過(guò)程起抑制作用；在煤體加速氧化階段，原始煤體含水量的增加會(huì)促進(jìn)煤氧化過(guò)程；在煤體快速氧化階段，原始煤體含水量的增加會(huì)更進(jìn)一步促進(jìn)煤氧化過(guò)程，使煤體自燃釋放的CO速率達(dá)到最快。張玉濤、楊杰[8]等采用熱重分析、差示掃描量熱法，研究了在相同升溫速率下氧氣濃度的不同對(duì)煤體自燃的影響。表明在升溫速率一定的情況下，隨著氧氣濃度的增大，煤自燃的特征氣體CO釋放量達(dá)到最大值的溫度會(huì)降低；相同溫度作用下，氧氣濃度越大，煤體氧化反應(yīng)速率越快，說(shuō)明隨著氧氣濃度的增加會(huì)促進(jìn)煤體自燃進(jìn)程。薛創(chuàng)、秦汝祥[9]等利用自研制的常溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置，采用實(shí)驗(yàn)研究、回歸分析方法研究了不同粒徑的煤體對(duì)煤自燃進(jìn)程的影響。表明當(dāng)煤體粒徑在0.06～0.83 mm時(shí)，隨著煤體粒徑的增大，煤體自燃消耗氧氣的速率越快，CO釋放速率與體積濃度總體呈負(fù)相關(guān)，但有所波動(dòng)，呈現(xiàn)出山峰狀，在粒徑為0.13～0.25 mm范圍內(nèi)CO釋放速率最快[9]。王建國(guó)[10]等利用COMSOL數(shù)值模擬軟件研究了風(fēng)速對(duì)煤堆自燃的影響，得出風(fēng)速對(duì)煤堆的自燃有明顯影響且存在一個(gè)臨界值，當(dāng)風(fēng)速高于或低于臨界值時(shí)，煤堆的自燃進(jìn)程都會(huì)被延遲。姜德義[11]等利用絕熱氧化實(shí)驗(yàn)裝置研究了濕度對(duì)煤自燃的影響，得出煤自燃是多因素影響的結(jié)果，主要是煤與空氣中氧氣的氧化反應(yīng)，水在煤氧化反應(yīng)過(guò)程中起重要作用。濕度會(huì)影響煤中氧化反應(yīng)的活性結(jié)構(gòu)，從而影響煤的自燃進(jìn)程，但當(dāng)濕度過(guò)大時(shí)，水蒸發(fā)損失的熱量超過(guò)煤氧化所放出的熱量則會(huì)降低煤自燃進(jìn)程。

以上學(xué)者的研究均在不同理想實(shí)驗(yàn)條件下分析了溫度、空氣濕度、風(fēng)速等對(duì)煤體自燃過(guò)程的影響，揭示了煤矸石自燃過(guò)程中CO氣體釋放的特征。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)煤矸石自燃產(chǎn)生的標(biāo)志性氣體CO，分析了宏觀自然條件下空氣濕度、風(fēng)速對(duì)煤矸石自燃的影響，從而改進(jìn)煤矸石的堆存條件以降低煤矸石山自燃發(fā)生的可能性。

1 礦區(qū)概況

監(jiān)測(cè)地區(qū)位于鄂托克旗西北部，東與木凱淖爾鎮(zhèn)相鄰，南與阿爾巴斯蘇木接壤，西與烏海市海南區(qū)公烏素鎮(zhèn)、巴音陶亥鎮(zhèn)毗鄰，北與杭錦旗伊和烏素蘇木相鄰。地處鄂爾多斯高原西部，地勢(shì)西高東低，呈侵蝕構(gòu)造地貌。氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，年平均氣?.640 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-36.6 ℃，歷年平均降水量159.8 mm，平均相對(duì)濕度42%，平均蒸發(fā)量3 289 mm，年平均風(fēng)速2.9 m/s，瞬間最大風(fēng)速33 m/s。常年干燥少雨，大風(fēng)多沙，日照時(shí)間長(zhǎng)，年蒸發(fā)量大于降雨量，全年主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和南風(fēng)。

此處為典型的煤炭工業(yè)城鎮(zhèn)，煤炭開(kāi)采始于上世紀(jì)20—30年代，開(kāi)采歷史悠久。在近百年的煤炭生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的煤矸石，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的煤矸石自燃等消耗，目前仍存放有約1.6×106t煤矸石。這些煤矸石以形態(tài)不一、大小規(guī)模不等的煤矸石堆或者煤矸石山的形式存在，如圖1和圖2所示。煤矸石自燃釋放的CO氣體對(duì)地區(qū)的大氣環(huán)境造成了巨大壓力。

圖1 礦區(qū)公路圖Fig.1 Road in the mine area

圖2 井工礦煤矸石山Fig.2 Coal gangue dump in the shaft mine

選取煤矸石樣品，利用工業(yè)分析儀對(duì)樣品的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等進(jìn)行測(cè)定，采用EDS能譜分析對(duì)矸石樣品進(jìn)行元素分析。棋盤井煤矸石的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 煤矸石樣品工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal gangue samples

表2 煤矸石樣品元素分析Table 2 Elemental analysis of coal gangue samples

2 監(jiān)測(cè)方法

為了掌握監(jiān)測(cè)地區(qū)CO濃度狀況以及變化規(guī)律，分析此地空氣濕度、風(fēng)速與煤矸石自燃之間的聯(lián)系，根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的布點(diǎn)要求,在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)不同礦產(chǎn)企業(yè)布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖3所示)分別位于黑龍貴礦區(qū)(106°99′29″E，39°44′68″N)、胡武煤礦(107°01′00″E，39°42′49″N)、棋盤井煤炭局門口電線桿(107°04′74″E，39°39′61″N)、廣納煤礦(107°05′59″E，39°44′21″N)、邢宇洗煤廠(107°04′56″E，39°41′24″N)、富強(qiáng)外排土場(chǎng)(107°01′07″E，39°43′86″N)，每天采集一次CO的平均值數(shù)據(jù)。

圖3 礦區(qū)大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.3 Location of atmospheric monitoring sites in the mine area

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年1月～12月，監(jiān)測(cè)儀器為泛測(cè)(北京)環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)的微型空氣質(zhì)量傳感監(jiān)測(cè)儀，型號(hào)為Microair A108P(如圖4所示)，相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表3。

圖4 微型空氣質(zhì)量傳感監(jiān)測(cè)儀Fig.4 Miniature air quality sensing monitors

表3 監(jiān)測(cè)儀參數(shù)Table 3 Parameters of the monitor

3 礦區(qū)CO濃度基本特征

監(jiān)測(cè)區(qū)域距最近的市區(qū)——烏海市為43.5 km，所以采取烏海市的氣象數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)作為分析參考依據(jù)。將各監(jiān)測(cè)站的CO月平均濃度數(shù)據(jù)與烏海市CO的月平均濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示，可以看出各監(jiān)測(cè)站及烏海市的CO濃度隨月份變化均具有相同特征，包括增高區(qū)、下降區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。CO濃度在1～3月處于增高區(qū)，在3月濃度達(dá)到極值；5～6月為CO濃度的下降區(qū)，在6月份下降到一定水平后不會(huì)繼續(xù)下降；7～11月為CO濃度的穩(wěn)定區(qū)，在此段時(shí)間內(nèi)，CO濃度不會(huì)有大范圍變化，始終在小范圍內(nèi)擺動(dòng)。

圖5 CO濃度月平均值Fig.5 Monthly average concentrations of CO

選取3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，可知CO濃度在春、冬兩季節(jié)維持在較高水平，夏、秋兩季節(jié)維持在低水平，即煤矸石山在春、冬兩季節(jié)的自燃現(xiàn)象較為強(qiáng)烈，夏、秋兩季節(jié)自燃現(xiàn)象較為平緩。

4 CO濃度數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1 CO濃度與濕度的關(guān)系

選取3月部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(3月1日～7日濕度與CO濃度記錄)作濕度與CO濃度關(guān)系圖，如圖6所示。監(jiān)測(cè)站1、6、7的CO濃度變化隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣濕度變化情況基本一致，均在空氣濕度為30%～33%時(shí)，CO濃度均出現(xiàn)異常增高，且濃度增大幅度均在50%以上。當(dāng)空氣濕度繼續(xù)升高時(shí)，監(jiān)測(cè)站1、6、7的CO濃度出現(xiàn)下降，下降幅度在20%左右。

圖6 空氣濕度與CO濃度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between air humidity and CO concentration

在煤氧化前期，空氣濕度越高，煤對(duì)水的吸附作用增強(qiáng)，有利于自由基-氧-水絡(luò)合物的形成，越有利于煤的自燃。但隨著空氣濕度的增加，水分蒸發(fā)速率加快，吸收的熱量增加，同時(shí)產(chǎn)生的氣壓也會(huì)影響氧氣與煤的接觸，進(jìn)而降低煤的自燃進(jìn)程。

CO濃度隨空氣濕度的增加有升高再降低的趨勢(shì)，大致在濕度為32%時(shí)達(dá)到最高。這是由于CO是煤氧復(fù)合作用的產(chǎn)物，空氣中的水蒸氣能夠影響煤矸石的自燃過(guò)程，在一定的空氣濕度下，空氣中水蒸氣使煤體疏松，形成細(xì)微裂縫，煤對(duì)水的吸附作用增強(qiáng)，有利于自由基-氧-水絡(luò)合物的形成[12]。同時(shí)空氣中的水蒸氣可以將氧氣帶入煤矸石山內(nèi)部，促進(jìn)煤氧復(fù)合反應(yīng)的進(jìn)行，加劇煤矸石山的燃燒，釋放出CO氣體，導(dǎo)致空氣中CO的濃度增加。但當(dāng)空氣濕度增大到一定程度之后，水分蒸發(fā)速率加快，吸收的熱量漸漸大于煤氧化產(chǎn)生的熱量，同時(shí)產(chǎn)生的氣壓也會(huì)影響氧氣與煤接觸，不利于煤矸石自燃，致使空氣中CO的濃度下降[13]。由此可見(jiàn)，本地區(qū)臨界的空氣濕度為32%，當(dāng)空氣濕度在32%附近時(shí)，煤矸石山自燃情況較為劇烈，反之煤矸石山自燃情況較為平緩。

4.2 CO濃度與風(fēng)速的關(guān)系

選取監(jiān)測(cè)站1的3月、5月中不同風(fēng)速(不同時(shí)間段每10 min的平均風(fēng)速再取平均得到某天的平均風(fēng)速)下的CO濃度數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)速與CO濃度關(guān)系圖，如圖7所示。以CO濃度2 mg/m3為界限，區(qū)分CO濃度的高低。在風(fēng)速小于1.88 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)地區(qū)CO濃度高于2 mg/m3；在風(fēng)速位于1.88～2.76 m/s之間時(shí)，監(jiān)測(cè)地區(qū)濃度低于2 mg/m3；在風(fēng)速位于2.76～4.38 m/s之間時(shí)，監(jiān)測(cè)地區(qū)CO濃度高于2 mg/m3；在風(fēng)速高于4.38 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)地區(qū)濃度低于2 mg/m3。風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)，CO濃度達(dá)到最大值，為4.92 mg/m3；風(fēng)速為2.43 m/s時(shí)，CO濃度達(dá)到最小值，為0.67 mg/m3。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1風(fēng)速與CO濃度關(guān)系圖Fig.7 Relationship between wind speed and CO concentration at monitoring point 1

本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明當(dāng)風(fēng)速小于1.88 m/s時(shí)，空氣流動(dòng)小，煤矸石山內(nèi)部供氧能力不足，煤矸石不能和氧氣充分結(jié)合，煤矸石燃燒不充分，釋放的CO氣體增多，CO濃度相對(duì)較高。當(dāng)風(fēng)速處于1.88～2.76 m/s之間時(shí)，空氣流動(dòng)均勻，供氧比較充足，煤矸石氧化過(guò)程穩(wěn)定，熱量積累穩(wěn)定，擁有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的自燃條件，但此時(shí)煤矸石仍為不完全燃燒狀態(tài)，釋放出的氣體以CO為主，但CO的釋放量有所降低，CO濃度有所下降；當(dāng)風(fēng)速處于2.76～4.38 m/s之間時(shí)，風(fēng)不僅會(huì)帶走煤矸石氧化過(guò)程生成的熱量，還使煤矸石與氧氣的接觸時(shí)間相對(duì)減少，此時(shí)加重了煤矸石的不完全燃燒，釋放的CO氣體增多，CO濃度相對(duì)升高；風(fēng)速高于4.38 m/s時(shí)，CO濃度降低是由于風(fēng)速過(guò)大，CO在空氣中擴(kuò)散過(guò)快，導(dǎo)致此時(shí)監(jiān)測(cè)到的CO濃度降低[14]。

風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致煤矸石表面的風(fēng)壓差發(fā)生改變。風(fēng)速越大，煤矸石山表面的絕對(duì)壓力增加，煤矸石迎風(fēng)和背風(fēng)兩側(cè)的風(fēng)壓差也越大，壓力差的增大使得兩側(cè)煤矸石山的風(fēng)流滲透更為突出，煤矸石山內(nèi)部氧化反應(yīng)增強(qiáng)，自燃進(jìn)程加快。但當(dāng)風(fēng)速過(guò)快時(shí)，煤矸石山迎風(fēng)側(cè)空氣對(duì)流換熱強(qiáng)度強(qiáng)于煤矸石氧化反應(yīng)放出的熱量，導(dǎo)致自燃進(jìn)程減緩[15-17]。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)監(jiān)測(cè)棋盤井地區(qū)煤矸石山外部CO濃度的變化，探尋宏觀區(qū)域內(nèi)空氣濕度、風(fēng)速和煤矸石山自燃情況的內(nèi)在聯(lián)系，由于非直接監(jiān)測(cè)煤矸石山內(nèi)部自燃情況，空氣濕度、風(fēng)速對(duì)煤矸石山的自燃影響存在一定的時(shí)間滯后性，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：

(1) 該地區(qū)煤矸石山的自燃有明顯的季度性。春、冬兩季煤矸石自燃釋放的CO增多，自燃現(xiàn)象減弱；夏、秋兩季煤矸石自燃釋放的CO與春、冬兩季相比有減少，自燃現(xiàn)象增強(qiáng)。

(2) 空氣中濕度的變化對(duì)該地區(qū)煤矸石山自燃現(xiàn)象有較大影響。當(dāng)空氣中濕度<25%或>40%時(shí)，煤矸石自燃釋放的CO減少，自燃現(xiàn)象減弱；當(dāng)空去中濕度在30%～40%之間時(shí)，煤矸石自燃釋放的CO增多，自燃現(xiàn)象增強(qiáng)。

(3) 該地區(qū)煤矸石山附近風(fēng)速對(duì)矸石自燃現(xiàn)象也有不同程度的影響。當(dāng)煤矸石山附近風(fēng)速<1.88 m/s或>2.76 m/s時(shí)，煤矸石自燃釋放的CO增多，自燃現(xiàn)象增強(qiáng)；當(dāng)煤矸石山附近風(fēng)速在1.88～2.76 m/s時(shí)，煤矸石自燃釋放的CO減少，自燃現(xiàn)象減弱。