东胜矿区煤矸石堆自燃的控制因素及类型划分

2013-11-20王浩森胡社荣

中国矿业 2013年4期

王浩森，胡社荣，徐方，2，席晋

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.天津地质调查研究院，天津300191）

煤矸石是成煤过程中与煤层伴生的黑灰色岩石，随煤炭开采和加工而产生，并作为固体废弃物大量排放。其产量约占煤炭产量的10%～15%。

目前，国内外矸石利用率普遍不高，大量矸石处于长期露天堆放状态。我国煤矸石累计堆存已形成大小数千座矸石山，积存量在7×109t以上，占地约70km2，并以每年1.5×108t增加[1]，而且正在燃烧的矸石山占全国的1／3左右。矸石堆自燃释放出大量CO、CO2、SO2、H2S、NOX、CMHN等有害气体，不仅污染了矿区周边地区环境，而且严重影响矿区工人和周边百姓的生活质量。

煤矸石自堆积，低温氧化到自燃，经历了极其复杂的物理化学变化，不仅受到煤矸石自身的物理化学性质所制约，同时也与煤矸石的岩相组成、水分含量、煤矸石的比表面积、孔隙率以及矸石山所处的自然环境密切相关[2]。

前人对煤矸石堆自燃成因的探讨虽有很多，但针对具体矿区，尤其典型矿区自燃特点的文章并不多见。本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜矿区为例，从野外矸石堆自燃火区调查和室内分析相结合的角度，对着火的条件进行分析探讨。根据研究区矸石堆自身特点剖析其自燃的真正原因，并对矸石堆的自燃进行系统的分类。

1 东胜矿区煤炭及自燃矸石山概况

东胜矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯高原东北部，属伊盟东胜等旗市管辖，包括东胜区、伊金霍洛旗及达拉特旗南部和准格尔旗西部，南北长100km，东西最宽110km，面积8794km2。矿区煤炭资源总量1270亿t，其中保有储量为1003亿t，是我国重要的煤炭生产基地。煤层主要为侏罗系中～下统延安组，含煤10层～27层，可采煤层23层左右，主采煤层8层。该区煤变质程度低，为特低灰～低灰，特低硫～低硫，特低磷、较高发热量的低煤阶烟煤[3－6]。

东胜矿区煤矸石主要来源于侏罗系中～下统延安组，是由碳质页岩、碳质泥岩、砂岩、页岩、黏土等岩石组成的混合物。目前，东胜矿区采煤和洗选过程中排出的煤矸石、残留煤、黄铁矿、煤矸连生体[7]、炭质岩以及矿区和生活杂物（废弃坑木、废油）等可燃物质大多伴随沙土，弃置于山沟和废弃采坑中，利用率极低。长期堆放，可燃物质在低温条件下氧化自燃，占据空间同时污染环境。本文对东胜矿区内14个自燃矸石堆进行了实地调研，相关数据见表1。

表1 2012年7月东胜矿区自燃矸石堆野外调查数据（部分）

2 东胜矿区矸石堆自燃控制因素分析

前人对影响煤矸石自燃因素做过很多分析，主要包括含硫量、水分含量、矸石山堆积形状、矸石粒级、煤矸石中的挥发分、煤矸石的岩相组成、比表面积、孔隙率、矸石山所处的自然环境等[8－11]。

正因为煤矸石从常温到自燃复杂的物理化学变化过程受到诸多因素的影响，因而不同的矸石堆其自燃的主导因素一定有所差异。本论文在充分考虑前人研究成果的基础上，针对东胜矿区煤矸石堆自燃的特点，主要探讨以下几个方面：硫含量、水分含量、残煤含量与氧化性能、碳质沉积岩与外来可燃物、堆积方式和位置等。

2.1 硫含量

硫在矸石堆中主要以硫化物、硫酸盐、单质硫和有机硫4种形式存在。矸石堆中硫以硫化物为主，主要赋存在黄铁矿中，也可赋存在少量的白铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿等金属硫化物中。黄铁矿是在成煤之后形成的，与煤共生或伴生在煤岩裂隙中，矸石中呈单晶、浸染状、结核状、条带状等形态，多随矸石外运堆积[12－13]。FeS2极易氧化，且燃点低（约为290℃）、耗氧量小（约为煤的50%）、氧化放热量大。当矸石堆中黄铁矿氧化释放热量大于堆体向外界散出热量时，热量就会不断积聚，导致温度的升高，达到一定温度则发生自燃。一般认为，相对富集的FeS2的氧化反应，可以加快反应速度和增强反应强度，所以越是黄铁矿含量高的矸石堆越容易自燃。

东胜矿区煤含硫量属特低硫～低硫，矸石中的硫含量也较低。据燕家塔、伊东宏鑫、高西沟以及燎原煤矿自燃矸石堆的实测数据，燃烧放出的SO2含量最高的高西沟煤矿自燃矸石堆，为12.1ppm；其余均低于5.0ppm。说明东胜矿区矸石堆中硫含量低，其自燃硫含量关系并不大，并非受黄铁矿氧化机理主导。

2.2 水分含量

水是影响矸石堆自燃的重要因素，矸石堆中的水主要来自大气降水、采矸和洗矸中的残留水以及煤矸石氧化反应的生成水。适量水分有利于矸石堆中硫铁矿与残留煤的低温氧化，同时水分使矸石或煤润湿时会释放出润湿热，而水分变成水蒸汽吸附到矸石或煤表面时，又会释放出更大的水蒸汽吸附热。水分又可以促使煤矸石风化，使得矸石和残煤体疏松、破裂破碎，增大了比表面积，提高吸氧能力，导致氧化反应速率增大。适量的水分又会降低矸石和残煤的燃点，水分含量为15%时，煤的燃点约下降100℃。对于已经开始燃烧的矸石，遇水又会释放大量的CO和H2，即水煤气，进一步促进矸石的燃烧。当然，水对矸石堆的自燃并非一味是促进作用，一般来说水分含量超过15%时，就会抑制矸石堆的自燃[13－17]。

东胜矿区属极端大陆性气候，降水保证率低，年度变化大，多年平均325.8～400.2mm，主要集中在7、8两月，并由东至西逐渐减少。2012年7月3日到9日，连续降雨达7天。此次调查期间（2012.7.13～2012.7.22），东胜地区降雨4场，局部地区降水量在120mm以上，不仅增加了矸石堆的水分含量，而且导致矿区采坑及洼地严重积水。据调查，伊东宏鑫、苏家沟、腾胜、乌兰渠煤矿矸石堆积在废弃采坑中，积水严重，自燃区主要围绕高出水体1.0～5.0m的矸石堆底部，呈条带或零星分布；赵二成渠煤矿矸石堆积在正开采的采坑空地上，矸石堆整体不高（约3～6m），紧邻矸石堆的洼地存有积水，发生自燃的3个小型矸石堆的着火位置均朝向水体；伊东宏鑫和伊东炭窑渠煤矿矸石堆为煤泥矸石堆，自身携带水分含量较高，且不易散失，加上雨水补给，导致自燃集中发生在矸石堆顶部裂隙发育位置。以上事实表明，水对东胜矿区矸石堆自燃的作用是至关重要的，水分含量的多少直接关系着该区域矸石堆能否自燃。

2.3 残煤含量与氧化性能

残煤为矸石堆的燃烧提供了物质来源，其含量决定了矸石堆燃烧的时间。残煤的低温氧化是矸石堆自燃的主要原因，其氧化性能的高低影响着矸石堆是否自燃，而残煤的氧化性能主要由煤的变质程度决定，变质程度越低越容易氧化自燃。中国北方侏罗系烟煤多发煤火的事实证明了这一点[9，18－19]。

东胜矿区煤层主要为侏罗系中～下统延安组，成煤环境和成煤物质基本相同，因而煤质也十分近似。各煤层均以不黏煤和长焰煤为主[20]（属低变质烟煤），发热量较高，属易燃～极易燃煤。东胜矿区矸石堆残煤含量普遍较高，赵二成渠、敖劳不拉、高西沟、金通煤矿矸石直接堆积在开采工作面的空地上，开采与运输过程中散落的浮煤大量混入矸石堆，极大地增加了矸石堆中的残煤含量。伊东集团的宏鑫和炭窑渠煤矿矸石堆主要为煤泥矸石，而煤泥本身为煤粉含水形成的半固体物，所以煤含量高。另外，据野外观察，盛源、伊泰诚意、燎原、广利煤矿矸石堆中存有大量块状、粉状残煤，含量较一般未发生自燃矸石堆要高。由此，东胜矿区矸石山高残煤含量与低变质程度是其自燃的重要原因。

2.4 碳质沉积岩与外来可燃物

煤矸石中，碳质沉积岩主要包括炭质泥岩、炭质页岩、碳质砂岩、以及油页岩等，这些岩石是矸石堆燃烧的重要物质来源。东胜矿区矸石中以碳质沉积岩为主，开采出泥岩和砂岩中常含有煤线和炭粒。

另外，矸石堆中又常常混入一些外来物质，其中绝大部分可燃，主要包括废弃的坑木、废油、塑料制品、树根和杂草等。这些外来可燃物的赋存状态和含量，直接影响矸石堆的燃烧速度、强度和规模。据调察，伊泰诚意、伊东炭窑渠和广利煤矿矸石堆中混有大量的生活垃圾，包括木屑、塑料包装纸、胶皮管、烟头、烟盒、油布、石棉瓦、破碎海绵、碎泡沫等，另外，还参杂有大量杂草和树根。这些外来可燃物较之矸石堆中硫化物、残煤的燃点更低，低温氧化更易燃烧，对整个矸石堆的燃烧起引燃作用。

2.5 堆积方式与位置

东胜矿区矸石的堆积方式主要有两种，一是平地起堆，二是顺坡倾倒。平地堆积的矸石堆，主要是在开采工作面的空地上，大多混入开采与运输过程中散落的浮煤；顺坡倾倒的坡体主要是废弃采坑边坡，坡上大多含有薄煤层或煤线。当然，无论哪种堆积方式，都会产生矸石颗粒的粒度偏析，在矸石堆内部形成空气流通的孔隙和孔道，为矸石堆中可燃物质的氧化与矸石堆长时间燃烧提供充足的空气。当矸石堆积到一定程度，蓄热条件适宜时，矸石堆中浮煤或被掩埋采坑内壁上的薄煤层或煤线氧化释放的热量得到积累，促使矸石堆内部温度升高，从而引发矸石堆内部可燃物质的自燃。另外，开采工作面上的洼地与废弃的采坑极容易积水，使矸石堆内部水分含量增加，适量的水分又促进了矸石堆的自燃。

矸石堆自燃的影响因素，除上述几种外，还有矸石的破碎程度、粒级、孔隙率、矸石堆内部的透气性、裂隙发育程度、微生物群以及气候特征等。