公乌素煤矿矸石山自燃原因分析

乔 亮

（乌海市公乌素煤业有限责任公司）

煤矸石是一种与煤层伴生的含碳、黄铁矿等可燃物的干基灰分大于50%的岩石［1-2］，排放量相当于煤炭产量的10%～15%。煤矸石的长期堆存，不仅占用大量的土地，同时还会发生自燃，对大气和地下水的污染甚重，是固、气、液三害俱全的“工业废料”。

内蒙古乌海及周边地区煤炭开采历史悠久，现堆存有煤矸石4.6亿t，其中乌海市海南区公乌素矸石山经常年堆积风吹雨淋，矸石山发生持续自燃，烟雾缭绕，气味刺鼻，对当地生态造成极大的危害，急需治理。

对于矸石山自燃原因及治理已经有许多研究，但矸石山自燃是一个多因素共同导致的复杂燃烧系统，不同地区煤矸石成分等不同，自燃原因也有所区别，想要彻底解决公乌素矸石山燃烧的问题，首先要具体地、系统地分析其自燃的原因，本文结合已有研究成果，经实地考察、探究，对公乌素矸石山自燃原因做出了系统分析。

1 公乌素矸石山概况

神华乌海能源有限责任公司公乌素煤矿位于内蒙古自治区乌海市海南区南约41 km处，行政区划隶属于乌海市海南区管辖，其地理坐标：东经106°54′28″～106°58'01″；北纬39°21′24″～39°15′18″。

矿山开采形成了12处矸石堆和渣堆，占地面积约115.9万m2，堆置高度12～48 m，边坡角35°～45°。经实地考察，公乌素矸石山为自然顺坡倾倒，已经发生自燃，着火点众多，有的矸石山着火点冒着刺鼻的蓝烟。海南区有害气体监测统计显示，该区年SO2排放量14 394.42 t，氮氧化物排放总1 446.84 t，颗粒物年排放量4 573.98 t，其中很大一部分为公乌素矸石山自燃所致。

此外，矸石堆淋滤液、矸石中含有的放射性物质也会造成不同程度的污染。大量矸石堆积、自燃，易使地表、矸石山内部形成空洞，使地表塌陷、矸石山失稳而引发重力灾害，如渣石流、坍塌等，存在极大的安全隐患。找寻矸石山自燃的原因，从而对矸石山进行系统治理非常必要。

2 矸石山自燃研究现状

多年来，对矸石山自燃的研究从未停止，形成了许多学说［2-4］。黄铁矿氧化学说指出，矸石中强还原性的黄铁矿低温环境即可进行一系列的氧化还原反应，散热导致了热量积聚自燃；煤-氧复合物导因学说指出，内因煤的自燃着火倾向、矸石的粒度，外因堆放方式、时间、大气物理性质共同导致了矸石山的自燃；细菌作用学说认为，硫杆菌、真菌、放线菌、亲氧真菌、嗜热细菌都在煤矸石自燃中发挥着作用；晶核理论与自由基作用学说认为，破损晶核带来广面积的活性面可与氧气发生反应进而放热；挥发分学说指出，煤矸石首先燃烧的是挥发分。

此外，郝传波等［5］通过对矸石山自燃影响因素的综合分析及温度的测定，将自燃矸石山划分为五带，分别为未燃带、氧化带、燃烧带、高温带、燃尽带；杜玉玺等［6］通过土壤温度传感器测量的数据及MATLAB软件的插值分析，确立了煤矸石山深部温度拟合模型；王思栋等［7］利用煤矸石自由基测定实验系统，从微观层面研究煤矸石的自燃氧化特性，得到含硫量对煤矸石自燃有促进作用；段鹏飞等［8］进行了大型煤样发火实验，应用主成分分析法对数据进行处理，得到温度与CO产生率之间高达90%的亲密关系，从而认为可通过检测CO产生率来预测矸石山的自燃。施永红等［9］用热分析仪对内蒙古地区的煤矸石进行了分析，得出挥发分含量高的煤矸石燃烧特性更好。

通过不断的、多角度分析，矸石山自燃原因日渐清晰，鉴于其复杂多变性，具体矸石山自燃原因需具体分析。

3 公乌素煤矸石山自燃原因探析

燃烧离不开可燃物、助燃物、着火源三要素，煤矸石山自燃也不例外：①具有自燃倾向的可燃物或常温可以氧化放热的物质；②有连续氧气供应；③所处环境、堆积方式适合热量积聚，不易散热［10］。研究公乌素矸石山燃烧的真正原因，基于燃烧要素，需要对现场采集的煤矸石、该地矸石山的堆积方式进行研究分析，并分析该地气象环境对矸石山自燃的影响。

3.1 公乌素煤矸石的燃烧

煤矸石成分复杂，受区域地质差异影响很大，一般含有黄铁矿、有机硫、5%～45%残煤炭和碳质泥岩等可燃物［2］。公乌素矸石山未燃烧煤矸石工业分析与元素分析结果分别见表1、表2。

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研究认为，公乌素煤矸石自燃主要是因为其中的硫铁矿、挥发分、固体碳发生氧化反应，其具体过程可分为4个阶段。

（1）常温下，煤矸石山中的硫铁矿发生的氧化反应［11-12］：

氧气充足时发生反应：

氧气不足时发生反应：

以上反应均为放热反应，由于“烟囱效应”，一部分热量会被带到矸石山外，大部分则会储藏在矸石山内部，使内部温度快速升高，煤矸石表面或空隙中的气体、水分即开始脱附。

（2）温度持续积蓄到120℃左右，水分开始蒸发；温度升至340℃左右，挥发分（主要由碳氢氧化物和碳氢化合物（CH4为主）组成）开始析出。

（3）温度继续升高到450℃左右，碳开始燃烧，也意味着煤矸石的燃烧，还会热解产生CH4、C2H2、C2H4、C2H6等极易燃烧的气体，进一步加剧燃烧，此时煤矸石中表面的固定碳也开始燃烧。

（4）温度积蓄到大概550～800℃，深层碳也开始燃烧，各反应如下［11-12］：

综上所述，公乌素煤矸石燃烧可分为气体水分脱附、水分蒸发、挥发分表面碳燃烧、深层碳燃烧4个阶段，燃烧所需的热量基本可以自给自足，不需要外部热量供应。

3.2 堆积方式

公乌素大量的煤矸石自然顺坡倾倒形成矸石山，为煤矸石的燃烧提供了氧气与一定的蓄热环境。自然顺坡倾倒存在一定的自然分级，沿坡中下部分集中了较大块的煤矸石，空隙较大，上端煤矸石粒度较小。这样的粒度偏析使得矸石山内自下而上形成多条空气通道，能够产生“烟囱效应”即内部空气沿着自然生成的孔隙向上或向下，加之该区四季多风，更是保证了矸石山中有持续的氧气供应。“烟囱效应”如图1所示。

已燃烧的矸石山自然生成温度梯度，“烟囱效应”也因热对流会将空气不断置换，为矸石山带来持续的氧气，长期自燃。且煤矸石属于热的不良导体，堆积而成的矸石山散热效果差，利于保温蓄热。

研究表明，着火温度主要受挥发分影响，与粒径大小关系甚小，但煤矸石粒径越小，颗粒内外受热会更均匀，加快挥发分的析出与燃烧［2］。顺坡倾倒不仅导致矸石山中上部和底部煤矸石颗粒偏小，还会导致中上部硫铁矿和碳质可燃物相对集中，易发生氧化燃烧，使得矸石山底部和中上部先开始燃烧。现场勘察发现，矸石山半山腰斜坡处的矸石多为块状，部分胶结，有白色物质析出；矸石山底部四周的煤矸石颗粒小，风化现象严重，多呈白色和灰黑色，已经燃烧，为粉末状，矸石山内部多为大块煤矸石，空隙大；斜坡底部存在已经完全燃烧的煤矸石。

3.3 气象环境

公乌素矸石山所处矿区为中温带半干旱高原性大陆性气候，该气候特征为矸石山的氧气供应和蓄热提供了良好的环境，对矸石山的自燃起到了蓄热保温作用。公乌素矸石山所处矿区的的气候特点：

（1）干旱少雨。矿区年降水量54.9～357.6 mm，多年平均降水量159.8 mm，主要集中在7—9月份。据研究，煤矸石湿度为10%～15%时，吸氧量是干旱时的2～3倍，可促进煤矸石的燃烧，且含水量越小，煤的燃点越低。也就是说，该区煤矸石吸氧量高，利于燃烧，且煤的燃点又较低，使得热量积蓄到燃点更快、更容易。

（2）日温差大。矿区极端气温分别达40.2℃和-36.6℃，多年平均温度9.6℃、日照时间3 138.6 h，这样的外界温度，致使矸石山表面温度偏高，且有保温和加剧内部燃烧的作用。

（3）四季多风。夏秋季为东南风，冬春季为西北风，多年平均风速2.9 m/s，瞬间最大风速33 m/s。大风时，大量的空气进入矸石山，矸石山内部燃烧加剧，但散热速率变化不大，更多的热量积蓄。

综上所述，公乌素矸石山可自身燃烧产生热量，堆积方式会蓄热，气象环境也有助燃作用。

4 结 论

（1）公乌素未燃烧的煤矸石的主要工业成分决定其燃烧主要是因为硫铁矿、挥发分、固体碳，燃烧过程可分为气体水分脱附、水分蒸发、挥发分表面碳燃烧、深层碳燃烧4个阶段。

（2）矸石山自燃主要受堆积方式及气象环境的影响。公乌素矸石山由自然顺坡倾倒形成，受自然分级与“烟囱效应”影响，内部有足够的氧气，可保证持续自燃，且底部与中上部最先开始燃烧。该区为中温带半干旱高原性大陆性气候，干旱少雨、日温差大、四季多风，使得煤矸石吸氧量较高、燃点较低、表面温度高、热量积蓄好。