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1、阳泉矿区煤矸石山自燃治理技术专业:采矿工程学生：艾德昊指导教师：李剑摘要煤矸石即采煤过程和洗煤过程中排出的废弃物，大量的煤矸石长期露天堆放 不 加处理，不仅会引发崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害，煤矸石中含有的硫还会引发自 燃，产生大量烟尘并释放出有害气体，对环境及人身安全的危害极大。虽然国外对煤 矸石山自燃的治理研究开展了大量的研究工作，也取得了很好的效果，但是有些方法 也属于探索阶段，且各国煤矸石的成分及物理力学特性不尽相同，地理位置差异很大 不能将国外的治理方法直接应用到我国煤矸石山的治理中。针对煤矸石山煤矸石自燃 机理的研究现状，这方面的研究还没有形成比较完善的 理论研究体系，目前还处于
2、试验积累资料阶段，同时，对于煤矸石山边坡稳定性 问题尚存在诸多难题，因此， 对煤矸石山自燃的预防和治理以及山体稳定性进行 研究是必要的。根据大量的研究数据和理论成果，探讨了煤矸石山自燃的机理与治理方法，结合 桑树坪煤矿煤矸石山综合治理工程，对自燃治理方法及山体稳定性进行了研究。室内 和现场试验表明，采用注浆灭火工艺时，在粘土中添加一定比例的石灰作为注浆灭火 材料有较好的灭火效果，得到了粘土与石灰配制的浆液的浓度和控制比例，工程实践 表明浆液具有良好的稳定性和流变性，为其它类似煤矸石山自燃治理工程提供了参考 为了准确评价桑树坪煤矸石山的稳定性，利用有限元分析软件ABAQUS对桑树坪煤矿 煤矸石山
3、的边坡进行了稳定性分析，确定了山体边坡的潜在滑裂面位置及其对应的最 小安全系数，为了保证边坡的稳定性，采用改变边坡几何形状并在滑裂面底部位置修 建挡土墙的方法进行加固，有效的提高了山体的安全性。关键词：煤矸石；自燃；注浆灭火；治理1.矸石的危害煤炭作为一次性能源，在我国能源构成比例中占 74%左右，直接影响到国民经济 的发展，但是矿产资源开发过程中形成的废弃物所引起的一系列生态问题也是环境与 发展的焦点，在煤炭开采及加工过程排放出的煤矸石，是目前排放量最大的矿业固体 废弃物之一。据统计，煤矸石的排量占煤炭产量的10%30%,而我国煤矸石每年的 排量约为1.5亿2.0亿t这给矿区及其周边的环境造
4、成了严重的破坏。在我国，煤矸石的处理方式主要是露天堆放，顺坡填沟，绝大多数排放于荒野高 山之中，据统计我国国有重点煤矿现有矸石山1600多座，并且随着煤炭工业的发展 而以每年 10%的速度增加。大量的煤矸石长期露天堆放不加处理，不仅侵占了大量耕 地资源，破坏生态平衡，而且矸石山经降水淋溶后浸出的有害物质还会严重污染地下 水源和江河地表水，致使人畜不能饮用，更不能用于灌溉农田；煤矸石堆放形成矸石 山后，在暴雨或长期降雨天气时，可以引发滑坡和泥石流等地质灾害；矸石山还会引 发沙尘暴，大量粉尘飞扬、悬浮于大气中，如果人类吸入肺中，会导致各种呼吸系统 疾病的发生；除此之外，煤矸石中含有的硫会引发煤矸石
5、的自燃，自燃后不仅产生大 量烟尘，还会释放出大量有害气体，如二氧化硫、一氧化碳、硫化氢等，甚至还有爆 炸的危险，这将严重危害人类身体健康，使植物枯萎死亡，对环境及人身安全危害极 大1-6。尽管关于煤矸石的综合利用研究及矸石山稳定性分析现阶段有所进展，但是 由 于我国的特殊国情，煤矸石的利用率还很低，煤矸石山的综合治理也远远不够， 因 此对煤矸石山的综合治理研究是我国急需进行的重要课题。通过研究可以有效 的预 防煤矸石山堆积所导致的地质灾害的发生，及时对煤矸石山进行综合治理，防止矿区 环境进一步恶化，保障矿区人民的身体健康，给矿区带来巨大的社会效 益、经济效 益和生态效益，对于其它同类矸石山治理
6、工程研究也可以提供理论依 据，具有重要 的理论意义和实用价值。2. 煤矸石山治理的研究现状国内外目前对煤矸石山的治理研究的内容主要有以下几点：煤矸石山边坡的 稳 定性研究；煤矸石山自燃的防治技术研究；针对煤矸石山自燃的灭火治理方案 研究； 煤矸石山防污治理改造技术研究；煤矸石山绿化环境恢复治理研究等方面。矸石山灭火治理方法主要包括挖出火源法、水力灭火法、包裹覆盖法、覆盖 灭 火法和注浆灭火法等13-18，其中灭火效果最明显的是注浆法灭火，这种方法主要 是从含硫可燃物和通风供氧这两个条件着手，并充分利用阻燃、充填浆液中的 水降 低深部区域煤矸石的温度，用泥浆、石灰浆包裹含硫可燃物、充填空隙，隔
7、绝氧气 以达到阻断燃烧、降温、灭火的目的，使得煤矸石不再具备燃烧条件。 美国、俄罗 斯等工业大国对注浆灭火方法的应用较多，各国注浆灭火采用的 工艺参数也各有不 同。顿巴斯矿业公司曾经将5%的稀石灰乳用喷射器压入矸石 堆2.5-3m深处进行灭 火。顿涅克工学院则是在注浆孔旁布置一个抽气管，在注浆 的同时，用真空泵抽出 注浆孔注浆时所排出的高温水蒸气，将矸石山内部局部区域的气压降低为负值，有利 于浆液的渗透19。捷克在进行煤矸石山坡面注浆时，下水平钻孔的上端位置要高于 上水平钻孔的下端位置，减少了渗入山体内部的空 气。美国也曾在一座小型的煤矸 石山上，先后应用了覆盖灭火法与注浆灭火法进 行灭火，采
8、用覆盖灭火法的成功率 仅达到 40%左右，效果不是很好，这种方法主要用于控制煤矸石山火势，而采用粉煤 灰做注浆灭火材料灭火，取得了很好的灭火效果。张成梁根据大量的试验分析，将黄 土作为浆液的主要原材料，并研究出了黄 土与石灰配制浆液的合理比例。同时，针 对传统的注浆方法不能大规模灌浆灭火 的缺陷，研制出了一种特殊注浆管，并申请 了“自燃煤矸石山隔氧灭火注浆管” 实用新型专利。他还在传统的覆土技术基础上 提出了复层结构覆土，即在30cm黄土压实层上面覆盖20cm原状土壤，既可以封闭 燃烧区，还能满足种植的要求20。同时，国内外正在探索一些新的煤矸石山灭火方法，如控制燃烧法、泡沫法、 低温惰性气体
9、法等。控制燃烧法是假设可以控制煤矸石的燃烧，将燃烧产生的烟 气 进行净化，释放的热量则加以利用18。这种方法虽然比较新颖，但它存在的问题也 比较多，一是无论采用什么方法控制煤矸石的燃烧，都无法使其达到完全燃烧的状态； 二是排放的有毒烟气需要进行二次燃烧及其它处理方法加以净化；三是处理设备需进 行防腐处理，使得成本增加。泡沫法是把灌浆和泡沫灭火结合在一起，先向火区灌浆 再注入泡沫灭火剂，以此隔绝氧气与吸收热量，降低煤矸石温度，缩短灭火时间，达 到灭火目的。对煤矸石山的治理可以得到良好的生态效益，有效的改善煤矸石山周围的环境， 最直接的方法就是对其进行绿化，以植被绿化为主体的生态恢复方式，最大的特
10、点就 是投资少、见效快、处理量大。由于处理后的土地利用价值大大的提升， 因此还可 以获得长远的经济效益。随着我国煤炭产量的不断增大，矿山环境治理与恢复工程在 实践中遇到问题的会越来越多，所以，对于急需相关专家和学者展 开这方面的研 究。3. 煤矸石山自燃特征及影响因素3.1 自燃所需的条件煤矸石山的自燃现象，属于一种复杂的物理化学反应过程，反应发生必须具备三个基本条件，即可燃物含量充足，氧气供应充足，蓄热条件良好并达到高于 维持燃烧的温度。1. 可燃物煤矸石山中的可燃物主要是指硫化物、炭质岩、油页岩、残存煤及残 余木料等，这些物质都会使煤矸石的自燃倾向性变大，极易发生低温氧化反应，导致 煤矸石
11、的自燃，它们存在的状态、含量的多少，会直接影响到煤矸石燃烧的速度、强 度和规模。可燃物中的硫是引发煤矸石自燃的一个重要因素，煤矸石中的硫的形态主要 包 括硫铁矿、硫酸盐、单质硫和有机硫化物等四种。其中硫铁矿极易燃烧，我国煤矸石 中硫铁矿含硫量占全硫量的 75%左右，它与煤共生或者伴生在煤岩裂隙中； 硫酸盐 几乎不燃烧；单质硫虽然容易燃烧，但是在全硫量中的比例非常小；有机 硫化物可 燃，但它常以-SH和-S-S-等基团形式分布在煤基分子的多环结构中，存在于煤矸石 的残存煤中。因此，煤矸石中的硫铁矿是导致煤矸石自燃的关键因素。硫铁矿一般分为黄铁矿、白铁矿和磁铁矿等，黄铁矿（FeS2）是煤矸石中的主
12、要 成分，黄铁矿的燃点低，约为290C ；耗氧量较小；还原性较强，在低温条件下极易 与空气中的氧气发生一系列的氧化还原反应，并放出大量的热。尤其是在洗煤破碎过 程中体积较大的黄铁矿，其自身的氧化外膜破坏后，比表面积变大，极易氧化自燃放 热，使矸石山内部温度升高，当某一局部达到一定温度后，引发其他可燃物的燃烧， 对于黄铁矿含量相对较大的氧化反应中，它可以加快反应速度和强度。2氧气供应煤矸石自燃必须要有充足的氧气供应，才能保证可燃物的低温氧化 反应的顺利进行。煤矸石山内部燃烧的氧气是通过煤矸石颗粒间空隙进入的，空隙的 大小和风速决定了煤矸石自燃的强度。煤矸石的排放形式大多是自卸堆积，煤矸石沿斜坡的
13、滚落具有一定的分选性，也 称粒度偏析现象，即大颗粒的煤矸石滚落到山体底层，较细颗粒留在顶部，而中等粒 度的则分布在山体的中部。因此，煤矸石山底部的透气性较好，具有良好的供氧通道, 而顶部气体流通和热量散失速率较低。3.蓄热条件与温度 从缓慢升温阶段到自动加速升温阶段时的温度称为煤矸石自 燃的临界温度，大部分煤矸石的临界温度在8090C 21之间。当煤矸石中氧化反应所释放出 来的热量不能够及时的散发到煤矸石山外部时，就会使得矸石山内局部温度急剧升 高，一旦达到煤矸石的临界温度后，煤矸石的氧化反应速度会迅速提高，很快进入 自燃状态。煤矸石山的表层煤矸石氧化后，产生的热量很难蓄积下来，局部温度达不到
14、临 界温度，煤矸石中的可燃物很难自燃。但是在表层3m以下深度处，即使氧化 条件 较表层差，但氧化反应释放出的热量可以保存并蓄积起来。氧化反应中，以硫铁矿 为主的硫化物，经微生物的催化作用，在有水和空气的条件下首先发生氧 化反应， 并释放热量：4FeS2+15O2+2H2O 催 化 剂 2Fe(S04)3+2H2S04(2-1)由于煤矸石的导热性较差，热量不断积聚，使得矸石山内部的温度逐渐升高， 并在煤矸石空隙中产生热对流，加剧了硫化物的氧化反应：4FeS2+1202+6H20=Fe2 (S04)3+2H2(0H)3+3H2S04+2S I (2-2)当达到一定温度时，硫和硫铁矿开始氧化燃烧，矸
15、石山内部的温度不断升高，达 到一定温度时引燃煤矸石中的其他可燃物，形成自燃。煤矸石山自燃的条件不仅是要达到煤矸石燃烧的临界温度，还要保证矸石山 内 部温度的持续稳定。煤矸石自燃会生成大量的可燃和有毒气体，如 HS、SO、 CO、22CH、N、NH 等，这些气体有助于煤矸石的进一步燃烧，燃烧放出的热量 会在煤矸石 423的孔隙中形成热对流，使热量逐渐向四周及山体表层扩散，在局部燃 烧区周围形成 一个预热区。预热区温度升高后，煤矸石的氧化反应加速，放热升温，使得可燃物发 生自燃，预热区转变为自燃区，在其周围又会形成新的预热区，经历这样循环往复过 程后，整个煤矸石山全部发生自燃。3.2 煤矸石山自燃
16、的特殊性煤矸石山根据其堆积形态、煤矸石颗粒等级等特点，其自燃具有以下特性：1. 煤矸石山的自燃具有一般大体积多孔床燃烧的特征(1) 煤矸石山自燃后，会同多孔床一样，山体内存在燃烧区、燃尽区、预热区和 非燃烧区，燃烧区内的温度达到最高，燃烧区不断转移和扩散，燃烧区域扩大后燃烧 强度也会增强。燃烧区的维持与扩散的关键是产热速率大于或者等于散热速率。(2) 煤矸石山的自燃强度、燃烧区的蔓延速度与山体的供氧机制有很大的 关系 通常情况下，山体的燃烧区总是向有新鲜空气进入的区域蔓延。对于山体深部氧气的 供应，主要包括两种方式，一是分子扩散，一是空气对流，在煤矸石山自热的初始阶 段以分子扩散为主，自燃后空气对流则起主要作用，随着供氧速率的增加，燃烧强度 会逐渐变强。山体内部热量可以通过热传导和空气对流的形 式释放，不同的散热机 制具有不同的散热能力22-23。2. 煤矸石山的自燃具有自身
