自燃规律

自燃规律（共4篇）

自燃规律 篇1

1矿井回采面联合开采情况

华苑公司位于灵石县两渡镇,井田面积为5.9 km2,煤种为主焦煤,资源可采储量为1 652万t,批准开采煤层为2-11#,9#煤层均厚1.2 m,10#煤层均厚4.2 m,属瓦斯矿井,煤尘均具有爆炸性,为自燃煤层。矿井主采煤层为9号煤和10号煤层,属于近距离煤层。9201和10201工作面为矿井首采面,上下联合外错布置,10201工作面在9201工作面正下方,层间距为5.28 m,前后错距30~40 m,两工作面均为综采1次采全高。由于9号煤层顶板岩层为石灰岩,不易垮落,垮落后产生大量裂隙,10号煤层与9号煤层之间为泥岩和灰质页岩,岩层强度硬度相对较小,容易破碎。开采10号煤层时,破裂带正好可以切穿两层煤之间的岩层,形成漏风通道。并与10号层煤体形成漏风通道。

2近距离煤层采空区自燃发火规律

近距离煤层在回采过程中,由于上下煤层间距较小,煤层开采时受采动影响比较大。在下部煤层开采过程中,受矿压影响,下部煤层顶部岩体垮落产生大量裂隙,使得冒落带和裂隙带中的裂隙成为空气渗流的主要通道,上部煤层供氧充分;而且在下部煤层开采过程中,顶部岩层垮落,保护煤柱被压酥破坏,产生大量裂隙,也会产生大量漏风通道,容易引起保护煤柱自燃。

2.1综采工作面切眼自燃火灾较多

近距离煤层采空区煤柱受采动影响,下部煤层开采过程中,顶部岩层垮落,下部煤层保护煤柱被压酥破坏,产生大量裂隙,会形成漏风通道,增加采空区煤柱自燃的危险性。因此,综采工作面切眼、停采线采空区煤柱易发生自燃火灾。

2.2回采期间存在采空区两道煤炭自燃火灾威胁

综采过后,巷道两端头支架处会留有大量遗煤。并且这些煤在回采过程中会氧化蓄热升温,随着时间的推移,使得采空区巷道两侧的遗煤温度相对其它地点较高,煤的自然发火期缩短,若工作面推进速度较慢,很可能会发生采空区遗煤自燃。

2.3采空区自燃高温区域范围大且隐蔽

综采面采空区留有大量浮煤,在供氧的条件下,煤氧作用热量逐渐积聚,煤的热容比较大,发生自燃时煤温己经很高,高温煤体的体积也很大,这时煤体内部及围岩聚集了大量的热。煤体自燃后高温火点逆着风流流动,而采空区为开放式漏风,漏风源漏风汇难以确定,其漏风分布及规律复杂,高温点速度发展迅速,高温火源位置难以准确定位。

3 10201工作面采空区自燃“三带”的测定

3.1采空区自燃“三带”观测

为摸清井田内10#煤层自然发火规律,进行综采工作面采空区“三带”观测。采用的方法是在采空区预埋束管采样器,检测采空区内氧气成分随工作面推进度变化情况,根据所测的气体浓度来确定出“三带”的范围。因两回采工作面为近距离联合开采,为此两个工作面采空区在不同错距下的“三带”宽度不同,本次测定是在两工作面前后错距在30~40 m时进行的。

3.2“三带”测试系统布置

在工作面进回风顺槽分别布置3根束管,每根束管接1个采样器作为1个采样点。采样点间距为6 m。当采样点进入采空区后开始对其进行取样分析,当采样点氧气浓度低于5%时,该点作废。采空区内采样点由外向里依次为1#、2#、3#。通过人工检测气体浓度分析划定其宽度。

3.3测定结果分析

根据O2浓度划分的自燃“三带”范围,一般是:散热带的O2浓度>15%;自燃带的O2浓度为5%~15%;窒息带的O2浓度<5%。

综合分析进风测点观测数据,进风侧测点在埋入采空区19 m时,O2浓度降到15%,测点在埋入采空区44.4 m时,O2浓度降到5%,进风侧氧化带的宽度为25.4 m。回风侧测点在埋入采空区10.4 m时,O2浓度降到15%,测点在埋入采空区37.4 m时,O2浓度降到5%,回风侧氧化带的宽度为27 m。

3.4回采工作面月最小推进速度的确定

设自燃带的最大宽度为L1+L2(散热带宽度+自热带宽度),工作面的推进速度为V,自然发火期为t S,当:t S≤(L1+L2)/V时,说明自燃带内有ΔL=L1+L2-Vt S宽度存在时间超过自然发火期,有自燃危险。由此可见,采空区遗煤自燃与否主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度L1+L2(m)。

工作面的月最小推进度应为V≥(L1+L2)/t S。工作面月最小推进度为V≥37.4/2.3=16.26 m

4结语

1)通过采用埋测气束管对采空区进行氧气浓度变化进行观测,找出了华苑煤业10201工作面采空区三带分布情况。最后提出了确保10201工作面安全回采的防灭火措施,建立了近距离煤层开采自燃火灾综合防治体系。

2)在工作面回采过程中,要加强指标气体预报和漏风检测,一旦发生有自燃现象显现,采用注浆、注氮、阻化剂相结合的方式进行防灭火。

摘要：近年来,近距离易自燃煤层在回采过程中发火次数明显增多,煤层自燃火灾事故是煤矿的主要灾害之一,严重威胁煤矿的生产安全。太原煤气化公司华苑煤业公司9201工作面与10201工作面属于近距离联合开采,煤层均具有自燃倾向性。准确测定采空区煤层自燃“三带”,找出漏风分布规律,给出工作面回采最小安全推进速度,掌握近距离煤层自燃发火规律,对指导华苑煤业公司矿井防灭火和安全生产具有极其重要意义。

关键词：近距离煤层,联合开采,自燃发火,研究

矸石山自燃规律及治理技术分析 篇2

1 矸石山的自燃机理

一切燃烧都必须具有三个必要条件:氧气、温度、可燃物, 而矸石山的自燃也不例外。

1.1 温度

1.1.1 矸石山的自热引燃

虽然煤矸石的矿物组成和化学成分构成十分复杂, 但是符合可燃物的基本要求, 其主要是由碳、氢、硫等组成。矸石山内部的硫铁矿的燃烧温度十分低, 而且氧气需求量也十分少, 但是在燃烧过程中会放出大量的热量, 从而导致矸石内其他可燃物的引燃。矸石从地下深处开采以后被运到地表, 在与空气接触以后会氧化, 在矸石山表面的矸石氧化后产生的热量不可能会被保存, 而内部两米至七米的矸石, 经过长时间的氧化反应, 其产生的热量得到保存和积累, 内部的硫化物经过了硫杆菌的催化作用, 在空气与水的环境下可以优先发生氧化反应, 并释放出热量。煤矸石的导热性差致使氧化反应的热量得以积累。造成矸石山内部的温度越来越高, 通过矸石缝隙中产生的热对流, 造成了硫化物更加激烈、更加复杂的氧化反应。当达到燃烧温度时, 内部的硫开始燃烧, 导致矸石山的温度不断升高, 从而使其他可燃物得到引燃, 形成了矸石山的自燃现象。

生产低硫低变质煤的煤矿, 其矸石山造成自燃的原因是因为低变煤内含有较高含量的氢, 其具有高挥发份, 也使其燃烧温度十分低。低变煤在矸石山内部得不到氧化, 生成了一氧化碳和二氧化碳, 随着温度的提升, 二氧化碳也逐渐被还原为一氧化碳, 一氧化碳的浓度增大, 当矸石山内部温度超出四百摄氏度后就会达到煤的燃烧温度形成自燃现象。

1.1.2 矸石自燃的持续

在矸石山形成自燃后, 会释放出大量可燃烧性气体, 也促进了煤矸石的自燃。矸石的温度提升后, 通过缝隙产生的热对流, 向矸石内部和表层扩散, 在自燃区形成了预热区, 温度的提高使预热区的氧化反应加快, 放热增温后又形成新的预热区, 当预热区的温度达到燃烧温度后就会形成自燃。

第一、矸石山内部的空气含量少, 造成氧化反应也十分慢。自燃区向深部蔓延的速度十分慢, 初期时, 自燃区的椭圆偏向预热区椭圆中心, 随着自燃区的扩大, 两者的椭圆中心逐渐集中。

第二、如果外部表面的通风条件得到改善时会造成自燃剧烈, 但是燃烧产生的热量和气体得不到及时释放, 达到内部储存的极限后就会发生矸石山爆炸。

第三、自燃的矸石在遇到水时会形成水煤气, 而大气中的降水落到矸石自燃区时, 会形成大量的水煤气, 水煤气与其他可燃气体容易形成爆燃, 从而导致矸石山的爆炸。

第四、当燃烧必须具备的三个要素中任何一点要素消失就会使自燃停止消失。

1.2 自燃物

矸石山内的可燃物主要是:硫化物、碳质沉积物、油页岩和残存煤。其含量多少、是否集中以及矸石缝隙大小等都会影响到矸石山的自燃速度和程度、规模。

1.2.1 煤矸石中的硫化物含量与聚集状态

煤矸石中的硫和硫化物一般是硫铁矿、邮寄硫化物、单质硫和硫酸盐这四种形态。硫酸盐不可燃, 单质硫易燃但是含量小到可以忽略, 有机硫可燃, 但是其只存在于矸石内的残存煤中。只有硫铁矿其既易燃含量又高, 而矸石中自燃的原因之一也是硫铁矿。

1.2.2 矸石中残存煤的变质程度

残存煤的变质程度会直接影响到矸石自燃的燃点和发热量。在其他因素相同的情况下, 低变质煤的燃点低、发火早;中高变质煤的发热量高, 其自燃后会释放出热能。但是由于低变质煤的种种因素影响其自燃的强度还是高于中高变质煤的。

第一、低变质煤的挥发分、产率较高, 在自燃时会产出大量可燃性气体达到助燃效果, 通过热对流影响, 向自燃区周围扩散加剧了自燃。

第二、水在参与硫铁矿的氧化后会加强反应强度, 释放出更多的热量。因为低变煤中含有较高的水分, 所以会加剧自燃程度。

第三、在矸石堆积成矸石山的过程中因为没有进行过渡的挤压, 致使内部缝隙较大, 容易使氧化速度加快, 同时自燃的发生也会加快。

1.2.3 矸石中的碳质沉积物

在矸石山中的碳质沉积物也是可燃物之一, 并且具有一定的发热量。而且碳质沉积物中的碳、氢的含量会影响到矸石的燃烧强度。

由于矸石山中可燃物分布不均匀, 会使矸石山自燃以点式分布, 当燃烧范围增大时, 各燃点交汇在一起就会形成大面积的燃烧。

1.3 氧气供应

氧气是矸石山自燃最重要的因素, 其内部燃烧的氧气是由于矸石颗粒之间缝隙进入的, 而空气流通速度就会增加空气进入量, 进而影响矸石自燃的强度。

矸石山在堆积过程中, 是通过牵引自卸堆积的, 矸石在从斜坡滑落过程中具有一定的分选型, 底部的颗粒相对较大, 越往上的颗粒越小, 到达表面一般是以粉状覆盖。由于底部和中部的空气流动性强, 为矸石山的自燃提供了很好的供氧通道。而表面的矸石密度大、透气性差, 导致散热性和散热速度低。在内部的自燃区, 其热量排放量是根据氧气供应量大小决定的。因此, 供氧条件的好坏决定着矸石自燃的剧烈程度。

遇到大风的时候, 会加剧空气进入矸石山的内部, 氧气供应量突然加大会加剧自燃程度, 严重破坏了氧气供应和热量排放的平衡。热量会慢慢囤积, 当热量积累到极限时, 在增加自燃程度的同时也会增加矸石山的爆炸几率。

2 煤矸石自燃的影响因素

2.1 矸石山的堆积形式

我国目前的矸石堆积都是采用倒坡式的翻头排矸, 矸石在滑落过程中, 由于颗粒大的自重大, 其滑落速度也快, 导致颗粒大的矸石提前沉入矸石山内部, 致使内部缝隙大, 便于空气流动, 为矸石山的自燃提供了很好的条件。

2.2 大气降水

当大气降水时会使矸石中的残煤体疏松、脱落、破碎, 增大了吸氧面积和吸氧量。当煤的吸氧量变大时, 其燃点也会随着湿度的增大而减小。

当矸石山的高温区降入大量水汽时, 不仅会加剧自燃程度, 而且与水蒸气生成的各种气体也会增加矸石山内部的压力, 当压力承受到极限时就会造成矸石山的爆炸。

在大气降水的情况下, 不仅不会减小通风效果, 还会改善空气流动性, 使氧气进入量加大, 加剧自燃程度。

3 结束语

矸石山自燃现象不仅会污染我国的环境质量, 也加大了煤炭开采的安全隐患。通过研究分析可以看出, 如果切断氧气、可燃物和燃点中任何一点因素即可消灭自燃现象, 而矸石中含有大量的可燃物, 因此就需要从氧气和燃点来进行防范以达到防灭自燃现象。通过减小矸石内部的缝隙可以减少空气的进入, 没有氧气就不会发生氧化反应, 也不会在矸石山中产生高温, 更不会产生自燃现象。防灭自燃现象意义重大, 不仅可以为我国的环保做出一份贡献, 而且还符合我国科学发展的思想理念。

参考文献

自燃规律 篇3

自燃是可燃物在没有外部火源作用下,因受热和自身发热并蓄热而引起的燃烧,分为化学自燃和热自燃。物质自燃大多是由于热不稳定性物质在一定温度下氧化放热并蓄热造成的。堆积固体自燃也是常见的一种自燃起火方式,日常生活中以煤堆、草垛、棉花堆垛、沉积可燃粉尘等物质自燃火灾最为常见。笔者以活性炭为自燃性物质的代表,研究自燃性物质随受热氧化程度不同而引起的自燃点的变化规律。

1实验部分

1.1实验仪器设备及材料

实验仪器设备:DHG-9040A微电脑智能化控制电热恒温(鼓风)干燥箱(温度波动为±1℃)。实验材料:活性炭粉、水。

1.2实验原理及自燃点认定

1.2.1实验原理

活性炭是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。笔者选择活性炭粉自燃物质作为研究对象,模拟能使自燃性物质快速氧化的实验过程,对特定尺寸检材进行不同氧化温度和氧化时间的恒温热处理,得到不同氧化程度的活性炭,待其冷却至室温,对制备的样品进行自燃性能测定,定性地得出活性炭的自燃性能在不同氧化条件下的变化规律。

1.2.2 实验自燃点认定

活性炭自燃点可以通过电脑记录数据及图表认定,如图1所示。

图1中上方的曲线为箱内环境温度变化,下方曲线为样品温度变化,两线的交点,即环境温度与样品温度相同时,可取为自燃点(即图中圆圈所指)。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备方法

为了接近实际自燃情况,对样品进行了如下处理:

(1)样品的预处理。在实验室将活性炭粉碎细化后,再用60目的细孔筛子进行筛选,过滤得到更为细小的炭粉末,将活性炭粉末置于大烧杯中用喷壶喷洒适量的水(活性炭粉的潮湿程度类似于刚下过雨一样湿润),在自然环境下静置1 d。

(2)实验操作。将均匀潮湿的活性炭粉末试样装满7 cm×7 cm×7 cm的铁制立方盒,将立方盒放入微电脑智能化控制电热恒温(鼓风)干燥箱中,箱内有两个电偶极,将测定样品温度的电偶极从立方体盒上方小孔插入盒内,另一电偶极固定在离立方体盒一定距离处,不能与立方体盒接触,设定好后通过仪器上的智能控温仪设定温度。为了使样品内部更为疏松,有一定的氧气在样品内部进行氧化反应,在活性炭粉装入立方体盒之前先将样品倒入大烧杯中进行搅拌,使之和空气充分的混合,然后再将样品轻轻放入立方体盒中。

(3)不同氧化时间的样品制备。通过智能控温仪设定箱内温度分别为40、60 、100 、150 ℃;进行不同时间段的恒温加热,得出氧化时间分别为2、4、6 h的12份样品。其中,100 ℃及150 ℃温度分别又进行了8 h的受热处理,试样在恒温100 ℃下受热至456 min时活性炭自燃,在恒温150 ℃下受热至431 min时活性炭自燃,不再能测定其自燃点。

将上述热处理过的试样在仪器中冷却至室温。即关闭加热按钮,打开箱门,鼓风机鼓风,观察电脑显示器上对应软件中外界环境温度与立方体盒内温度变化趋势,当外界环境温度与立方体盒内温度均冷却至室温(25～35 ℃范围内)且大致相等,即得到自燃性能分析试样。

经不同温度和时间处理后制取获得活性炭样品的编号如表1所示。

1.3.2 样品的自燃点测定方法

待仪器内样品温度及箱内温度均降至室温范围且大致相等后,关上箱门,打开加热按钮、鼓风按钮,通过智能控温仪设定氧化温度为300 ℃(立式DHG型电热恒温鼓风干燥箱的控温范围为50～300 ℃),观察电脑记录的曲线图变化。未经保温处理的原样同上述方法,放入物质自燃特性参数测试装置中进行自燃点测定。

2 结果分析与讨论

2.1 活性炭原样自燃性能分析

加水并搅拌均匀的活性炭粉原样的自燃点为293.9 ℃,原始温度为30.1 ℃,所需时间为70 min,根据式(1)升温速率可求出原样的升温速率为3.77 ℃/min。

υ=(T2-T1)/t (1)

式中:υ为升温速率,℃/min; T2为自燃点温度,℃;T1为初始温度;t为所需时间,min。

2.2 样品受热氧化处理后自燃性能分析

对经过不同时间及温度氧化热处理后的活性财炭粉进行自燃性能分析,得到表2所示的结果。

2.2.1 受热时间对活性炭自燃点的影响

按相同受热温度将表2中数据分为4组分析比较,得到图2。

综合分析表2及图2可知,在保证受热温度分别为40、60、100、150 ℃不变的条件下,改变活性炭粉末的氧化受热时间,样品的自燃性能发生变化。4组样品保温受热2、4、6 h后自燃点温度逐渐降低,达到自燃所需的时间逐渐缩短,升温速率呈上升趋势。

2.2.2 受热温度对活性炭自燃点的影响

按相同受热时间将表2中数据分为3组分析比较,得到图3。

通过分析可知,氧化时间分别为2、4、6 h不变的条件下潮湿的活性炭在经过温度分别为40、60、100及150 ℃的保温热处理后,再对其进行自燃性能分析,样品的自燃点温度随热处理过程中氧化温度的升高而逐渐降低,活性炭粉从初始温度达到自燃点温度所需的时间逐渐缩短,且升温速率大体呈上升趋势。

2.3 原因讨论

根据实验所得数据与结果分析,活性炭粉受热处理时设定的氧化温度越高, 氧化时间越长, 其自燃点越低,从初始温度上升到自燃点温度所需的时间越短,自燃过程中升温速率越大,氧化自燃性越大;氧化温度和氧化时间对活性炭粉的氧化自燃性有很大影响, 氧化反应温度越高,氧化反应时间越长,当活性炭粉与空气中的氧气接触发生反应时,放出的热量也会更多, 从而造成温度升高得更快。主要是因为活性炭氧化燃烧反应需要克服一定的活化能, 只有越过反应能垒反应才会发生。因此,氧化程度越大, 活性炭的氧化自燃性越大,越容易自燃。

3 结 论

通过利用物质自燃特性参数测试装置,对经过不同氧化温度和氧化时间热处理过的60目活性炭粉进行自燃性能分析总结,得到如下结论:

(1)实验所用仪器即物质自燃特性参数测试装置可以模拟出物质氧化蓄热过程且较准确地测定出物质的自燃点,保证实验的可行性。

(2)氧化温度相同时,受热时间越长,活性炭粉的自燃点越低,自燃所需时间越短,越容易自燃。

(3)氧化时间相同时,受热温度越高,活性炭粉的自燃点越低,自燃所需时间越短,越容易自燃。

(4)活性炭粉的氧化程度越大,其自燃过程中的升温速率越大。

摘要：以自燃性物质活性炭粉为研究对象,利用物质自燃特性参数测试装置,在实验室条件下模拟其氧化蓄热过程,研究分析经不同氧化程度处理的活性炭的自燃点变化规律,得到了同温度不同时间恒温热处理以及同时间不同温度热处理后的活性炭粉的自燃点变化及升温速率变化。

关键词：氧化程度,自燃点,活性炭

参考文献

[1]公安部消防局.中国消防年鉴(2005)[M].北京:中国人事出版社,2005.

[2]公安部消防局.中国消防年鉴(2006)[M].北京:中国人事出版社,2006.

[3]公安部消防局.中国消防年鉴(2007)[M].北京:中国人事出版社,2007.

自燃规律 篇4

研究煤矸石山的自燃规律及相应的治理措施十分必要。对于自燃煤矸石山而言,自燃是一个非均衡动态发育过程,为此笔者提出根据自燃规律将自燃煤矸石山划分为不同发育阶段,并根据不同时期的特点确定相应的工程预防与治理措施。

1 煤矸石山自燃的机理

1. 1 自燃依据

1. 1. 1 黄铁矿氧化自燃导因说

曹海飞[2]关于矸石山自燃机理的研究,目前最流行的说法是煤矸石夹带的黄铁矿氧化,发生如下反应:

如果供氧不足,则释放出硫磺:

如果有水参与反应,还会产生硫酸,从而加剧黄铁矿的氧化作用:

上述反应都是放热反应,产生的热量积聚在煤矸石山内部,不易扩散。随着时间的推移,热量积累使煤矸石山内部温度不断升高,在达到可燃物的燃点时就会燃烧。

1. 1. 2 煤氧复合自燃学说

实验已证明,在低温情况下矸石中的炭质成分发生缓慢的氧化反应,同时放出热量。研究报告指出,在0~80 ℃内,经过15 min至20 h,每克分子炭氧化后可以释放出272~293 k J的热量。因此,当低温煤氧复合反应所产生的热量积聚到一定程度时,矸石山也会自燃。这是矸石山自燃的另一个重要理论,即煤氧复合自燃学说[2]。

综上所述,煤矸石山的自燃还与矸石山的堆积形式、黄铁矿的含量、水分的存在、矸石山的透气性、氧化时间等因素有关。

1. 2 煤矸石自燃条件

根据上述两种煤矸石的自燃学说同时结合燃烧三要素,可以总结出导致煤矸石山自燃的条件。首先,煤矸石中含有能够在常温下氧化的物质或可燃物; 其次,由于矸石山属于松散碎石堆积体,在矸石山中大粒径矸石间隙内存有一定量的O2; 同时,表面风化层导致矸石山中存在使热量积聚的环境; 若同时满足上述条件,并且维持足够的积累时间达到矸石的自燃点,矸石山就会发生自燃,甚至有爆炸的可能性[5,6,7]。

研究表明,煤矸石山的自燃呈现出燃烧首先从煤矸石山内的中部开始,且煤矸石山的燃烧性质属于不完全燃烧两个特点。

2 自燃煤矸石山的发展规律

2. 1 自燃规律分期

综合国内外矸石山自燃机理的研究,将矸石堆积体可燃物自热起燃作为自燃标志,并将硫化物质自热加速和碳类物质自热燃烧作为自燃标志临界点。由于矸石山堆积结构复杂、可燃物组分复杂,湿度变化对矸石的氧化程度、燃点高低有影响,因此矸石山的自燃临界点是一个温度带。根据矸石山硫化物质在80~90 ℃ 加速增热,碳类物质在280 ~ 300 ℃起燃,故将潮湿矸石遇空气氧化生热,山体局部可燃物从缓慢增温至快速生热,即达到第一临界温度的过程确定为矸石山自燃孕育期; 将局部可燃物从快速增温至碳化物质起燃,即达到第二临界温度的过程确定为矸石山自燃发生期; 将碳化物质多点自热燃烧,矸石山整体温度迅速增高、范围迅速扩大确定为矸石山自燃发展期; 将矸石山整体温度缓慢降低、高温范围逐步缩小确定为矸石山自燃衰退期。以自燃的点、线、面温度变化为主要线索描述矸石山自燃发展过程。

2. 2 自燃煤矸石山不同时期表现

综合自燃矸石山治理实践和众多项目考察研究分析,得到以下基本认识: 自燃孕育期山体表面温度和生态环境通常没有显著异常,但由于内部热量聚积,温度偏高,水分蒸发较快,易于凝结在温度相对较低的表土层,在自燃煤矸石山上表现为地表返潮,空气中会有些许异味; 自燃发生期山体表面温度略高于周边,但内部温度超过沸点使蒸汽快速析出,在自燃煤矸石山上表现为地表先于周边脱水继而白化,释放出的刺鼻气味和有害气体较多; 自燃发展期燃烧形式由点状燃烧向多点燃烧、线状燃烧、面状燃烧扩展,山体表面整体温度持续增高,局部出现明火,有害气体浓度增大; 自燃衰退期山体局部仍有较高温度,塌陷坑、灰渣堆、开裂缝与侵蚀沟交错遍布山体,烟雾和有害气体明显减少。

根据4 个时期的基本特征可得到如下矸石山综合治理分区( 见表1) : 将综合治理区分为孕育期危害因素较少的安全区,发生期逸出有害气体为主要危害因素的危险区,以及发展期烟熏、灼伤等主要危害和衰退期灼伤、塌陷等主要危害的高危险区。在不同危险等级区域应采取相应安全、有效的治理技术,开展相关工作,以避免意外伤害。

不同阶段燃烧三要素的促进作用不同,山体结构和地貌特征影响因素也不同,治理方案需要抓住主要矛盾直扼要害。显而易见,矸石山的可燃物总量波动最小,且随着燃烧发展逐步减少; 而空气是矸石氧化发热和自燃发展的根本动因; 温度因氧化而生、因湿度而激烈波动。

3 自燃煤矸石山自燃规律的治理措施

根据煤矸石山的自燃规律,针对煤矸石山自燃发育的不同时期的特点,提出相应的治理方法和预防措施辨证施治。

3. 1 煤矸石山自燃预防工程措施

自燃孕育期氧化升温是主要矛盾,水是主要诱发因素,治理应以控制水的入渗和烟囱效应发生为基础,抑或改变可燃物敏感度,以期达到抑制增温的目标。

自燃煤矸石山的预防措施必须从开始堆放时着手,才能避免孕育期的到来。应选择适宜的堆放地点,一般应选在缓坡峡谷,堆放时从端口及两侧堆起形成围堰,使动态裸露面减至最小; 堆放区地基稳定,以防滑坡或开裂,而且不易渗水; 在堆积矸石前先把地表的植物剥去,将矸石与生长植物隔离; 矸石堆放前应使之尽量氧化风化,使产生的热量在外部耗散。运输矸石最好采用敞车,并在堆放前散放4 个星期。矸石堆放时应用推土机推平,并用重型卡车或压路机压碎压实,使之不易透气,避免形成烟囱效应,较为实用的方法就是在两层矸石间用一层黏土隔开[5,6,8]。具体工程量如下: 底层采取防渗漏措施,边缘逐级垒坝形成围堰,呈阶梯式回缩,围堰内分层堆积碾压,每层顶部覆盖黄土,堰坝外及时覆盖表土进行绿化。在达到预定堆放吨位或高度时,将所有裸露表面用绿色植被使之恢复昔日景观。

3. 2 自燃期控制燃烧的工程措施

对于自燃发生、发展期,高温和供氧是主要矛盾,矸石山温度增高已不可逆,烟囱效应已形成,改变可燃物敏感度和控制水的入渗已于事无补,治理应以防范意外伤害为前提,以快速降温和阻断供氧通道为基础,以期达到控火、灭火的目标[5,6,8]。在研究控制煤矸石山燃烧的措施中,主要采取经济实用的覆盖法、注浆法。其他方法主要有氮气充填法、局部加速燃烧法、注浆密闭和泡沫灭火法、挖除法、矸石山重新堆积法,以及局部开挖法等,但这些方法由于灭火成本比较高,很少运用。在此重点介绍覆盖法和注浆法[7,8,9,10,11,12]及其集成技术。

1) 覆盖法。覆盖法就是利用惰性材料覆盖燃烧的矸石山,需要注意的是,如果烟囱效应已形成,若先覆盖燃烧部分,则火势将向其他未燃烧部分转移。对于此种情况应先在山顶堆积足够的泥土,并在一天内推开,使全部外露表面一次覆盖。同时,对覆盖层进行碾压[6,7,8]。

2) 注浆法。浆液用高压注入煤矸石山高温区,当浆液接触到高温矸石区时,浆液中的水分蒸发可以带走大量热量,浆液中的固体则包裹在矸石表面或充填于矸石空隙之中,减少矸石与O2的进一步接触。通过降温与隔氧两方面作用,来达到控火、灭火的目的。

浆液多为石灰、黏土、电石渣、粉煤灰等在当地易得的材料。针对矸石自燃多分布在矸石表面2. 0 ~ 2. 5 m处,燃烧中心的温度在400 ~ 1 000 ℃ ,所以在打孔注浆时深度为2. 5~3. 0 m[9]。特别要注意在钻孔布局及注浆时要设计放气孔道以利于矸石内汽化热量散发及防止水煤气爆炸,注浆完毕后,要注意注浆孔封孔质量。注浆措施可以作为预防矸石山自燃的有效途径。

浅层喷射注浆技术的工程实践证明,自燃发展期利用大功率泥浆喷射机结合特制泥浆在明火区或高温区远程喷射注浆灭火的方法,可以有效减少自燃煤矸石山的烟雾,抑制明火快速降温,并且SO2含量显著降低,可为深孔注浆施工安全提供保障。

3. 3 自燃后煤矸石山的生态恢复措施

矸石山进入自燃衰退期可继续沿用前述技术措施灭火降温,但应在温度监测点数据分析指导下,根据温度场变动不断调整灭火措施着力点,逐步减少相对温差,直至矸石山整体表面温度接近环境温度,且持续下降。继而结合地质地貌整理,采取浅层喷射注浆防火措施,避免渗水、透气诱发孕育自燃可能性。

根据以往煤矸石山的复垦和绿化研究,后续治理可按照如下的复垦绿化的技术模式和程序进行。首先,对立地条件进行分析与评价,确定植被恢复的限制性因子,选择实验的植物种类; 其次,要对矸石山进行整地和立地改良。

1) 煤矸石山整形整地。减缓矸石山的坡度,改善地表的粒度分配。通过削坡整形设计、梯田地形设计、水土保持工程设计,实现适宜植物生长的立地条件。矸石自燃必须有O2存在,为了预防和控制自燃,在整形完毕的矸石山表面覆盖一层阻燃材料形成封堵层,这些阻燃材料可以是粉煤灰、电石渣、粉土、石灰等在当地易于取材的碱性混配材料。在封堵层上覆盖黄土并进行压实,从而阻隔水与空气进入矸石山,也避免地表生物接触内部有害物质。

2) 植物重构。在隔离层上覆盖利于植物生长的熟土,土壤的覆盖厚度根据植物的根系深度确定,草本植物土壤的覆盖厚度15 cm,灌木大于30 cm,为了不增加矸石山体荷载及降低复垦成本,建议以草本和灌木植被为主。煤矸石山废弃地立地条件差、高温、高地热、环境污染严重,植物栽培时,应该选择耐干旱、耐贫瘠、抗污染、抗性强的乡土植物种和历经多年驯化适应的栽培植物种。在辽宁省抚顺市煤矸石山废弃地,白榆、沙打旺、小叶杨、刺槐、栾树的成活率均在70%左右,适合于在煤矸石山废弃地生长[9]。矸石山土壤物理性质和化学性质有所不同,因此,不同煤矸石山的适宜复垦植物种不同[13],并与当地的气候相关。

3) 配套工程。煤矸石山的生态重建工程除常规的植物栽培技术措施外,还必须配以其他特殊的工程技术,如水利技术免除水患,以及园林工程技术提升生态景观价值。

4) 监测工程。植被恢复初步成功后,恢复的植被可能会因为多种原因发生退化,通过监测和评价可以尽快发现退化原因,采取适宜的措施,使之按规划设计建立自维持系统,完成生态恢复。

4 结语

矸石山自燃4 个不同时期的划分是基于矸石山自燃点自燃孕育、发展过程的概括和推演的,因此也适用于矸石山自燃此起彼伏的不同自燃区域,应根据矸石山整体温度场勘测结果,选择性采用相应的防火、控火、灭火技术,以应对各个自燃点不同自燃阶段的问题,耦合岩土工程、水土保持、植被恢复等技术,有益于增强技术的针对性和组合应用的灵活性。