超导热管在防止煤矸石堆场自燃现象中的应用

煤矸石是采煤和洗煤过程中的排弃物，通常占采煤量的 15%  ～  20% 。煤矸石山对环境最大的危害除占地外就是自燃。自燃时释放出大量 、 、   等有害气体，严重污染周围大气环境，危害人们身体健康。在人们环保意识不断提高、环保问题备受关注的今天，如何防治煤矸石自燃，就显得尤其重要。

一、煤矸石的岩相特征及化学组成特征

1.1 　煤矸石的岩相特征

煤矸石主要是由炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等岩石组成的混合物，属于积岩。部分煤矸石结构较为致密，呈黑色，自燃后呈浅红色，结构较疏松。煤矸石的主要矿物成分有高岭石、蒙脱石、长石、伊利石、方解石、黄铁矿、水铝石和少量稀有金属矿物等组成，元素组成多达数十种。

1.2 　煤矸石的化学组成特征

煤矸石的化学成分随其地层岩石的种类和矿物组成不同而变化，煤矸石的主要化学成分有   、 、 、 、 及少量   等。其中   、 的含量是影响煤矸石潜在活性的主要因素，其含量越多，煤矸石活性越高， 及其他含 S 化合物的量越多，越有助于煤矸石的自燃。

二、煤矸石自燃机理

2.1  煤矸石自燃的原因

关于煤矸石自燃的原因，主要有硫铁矿氧化学说和煤氧复合自燃学说。硫铁矿氧化学说是目前解释煤矸石自燃的主要理论。它认为，煤矸石中的硫铁矿在低温下发生氧化，产生热量并不断聚积，使煤矸石内温度聚集，引起煤矸石中的煤和可燃有机物燃烧起来，从而导致煤矸石自燃。而煤氧复合自燃学说则认为煤矸石中通常夹带着 10 % ～  25 % 的碳质可燃物，在常温下，煤矸石中的煤 ( 尤其是镜煤和丝炭 ) 会发生缓慢的氧化反应，同时放出热量，当热量聚积到一定温度时，便可引起可燃物自燃，从而导致矸石山自燃。

2.2  煤矸石自燃的条件

煤矸石山发生自燃须具备以下条件：

1 、煤矸石具有自燃倾向性；

2 、有连续的氧气供给；

3 、有热量积聚的环境；

4 、以上条件应维持足够时间已达到自燃点。其中条件 1 为煤矸石发生自燃的内部特征， 2 、 3 为其自燃的外部条件。煤矸石中的可燃物主要是黄铁矿和煤，而氧气及热量积聚的环境，与其堆积结构有关。矸石山在自然堆放 ( 平地或顺坡堆放 ) 过程中，均会发生粒度偏析，在矸石山内产生 “ 烟囱效应 ” 。氧化产生的热量，一部分由 “ 烟囱效应 ” 随空气带出，另一部分则积聚在矸石山中。当某一局部温度达到自燃点时便引起自燃，且逐步向四周蔓延。

2.3  煤矸石山燃烧特点

煤矸石山自燃具有以下四个特点 : 燃烧先从煤矸石山内的中部开始 ; 属于不完全燃烧 ; 在雨季有爆炸的危险 ; 可燃物质最终燃烬。

1 、燃烧首先从煤矸石山内的中部开始

煤矸石山的自燃除了本身条件之外，主要取决于供氧条件。氧是沿着煤矸石之间的空隙和孔道向内部补给的。煤矸石山内的中部有利于氧化反应生成热的积聚，所以燃烧首先在这里开始。自燃后，燃烧区的最高温度可达到 800  ～  1000℃ 。

2 、煤矸石山的燃烧性质 ———  不完全燃烧

在自燃之前，煤矸石山中的空隙和孔道为黄铁矿和炭质可燃物的氧化提供空气 ; 在自燃之后，它们又为可燃物质燃烧补给空气。由于煤矸石山的燃烧首先从中部开始，因此通过空隙和孔道输送空气的速度比较缓慢 ; 另外空隙和孔道较小，氧气供应不充分。所以从整体上说，矸石山燃烧是在供氧量不足情况下进行的，其燃烧性质属于不完全燃烧。不完全燃烧的结果除产生二氧化硫和二氧化碳外，还产生大量一氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等，从而造成大气环境的污染。煤矸石山燃烧速度缓慢，燃烧时间长，一座大型煤矸石山往往要燃烧十多年，甚至几十年的时间。

3 、在雨季有爆炸的危险

燃烧的煤矸石山在雨季有可能发生爆炸，尽管几率较小，但是爆炸一旦发生，有可能危害人们的生命与安全。降雨时，大量水喷洒到燃烧的煤矸石山上，并渗透到煤矸石山内温度高达 800  ～  1000℃ 的燃烧区，导致水变成蒸汽并与赤热的碳发生化学反应，生成氢气和一氧化碳。大量氢气和一氧化碳使气体体积增大。由于煤矸石之间空隙和孔道狭小，大量气体来不及释放，导致压力急剧增高而发生爆炸。另一方面，氢气和一氧化碳的急剧增加，它们本身也会发生爆炸。

4、 燃物质最终燃烬

煤矸石自燃并燃烬。

2.4  煤矸石自燃的影响因素

影响煤矸石自燃的主要因素有 : 硫铁矿含量、水分、矸石的粒径和温度等。

1 、硫铁矿在常温下，煤矸石中的硫铁矿被空气氧化并放出能量。如果硫铁矿在煤中呈星状分布，其颗粒与碳物质连结在一起，就更易氧化自燃，因而硫铁矿集中的区域，往往是自燃的中心区。但是，有的煤矸石中硫铁矿含量很高却不自燃，有的含硫量很低却又非常敏感，这与煤矸石的堆存方式、气候环境、水分的高低等有很大的关系，同时也说明硫铁矿的存在是煤矸石自燃的重要因素，但不是唯一的因素。

2 、水分的影响主要表现在两个方面。其一，水分能促进煤的氧化。雨水、空气中的水分，被煤和含碳有机质表面吸附后产生吸附热，会促进煤和含碳有机质的氧化。这是煤矸石自燃的外因和必要条件。试验证明，当空气中湿度低于 15 % 时，煤矸石的吸氧量随湿度的增加而增加，当煤的湿度增加到 10 % ～  15 % 时，吸氧量达到最大值。其二，水分能降低煤的着火温度。在一定含水量范围内，随含水量的增加，煤的着火温度下降。当煤的含水量达 20 % 时，其着火温度比干燥时降低 80% 以上。另外，水分还能加速煤矸石自燃的燃烧速度。因此当用注水法灭火时，如果注水不充分，反而会加剧矸石山的自燃。

3 、矸石粒径一般说来，粒径组成在一定程度上决定了煤矸石的透气性。粒径太小，渗入的氧气在矸石堆表面就消耗掉了，难以渗入煤矸石堆深部 ; 粒径太大，氧化产生的热量容易散发，不易引起自燃。研究认为，煤矸石的颗粒平均有效直径在 6  ～  13mm  左右时，矸石山具有最好的氧化升温及蓄热的条件，产生自燃的可能性最大。

4 、温度煤矸石的自燃一般经过缓慢反应 -  自动加速反应 -  燃烧三个过程。在初始阶段，煤矸石中的硫铁矿和有机碳质在常温下缓慢反应，放出热量，使煤矸石逐渐升温。当煤矸石达到临界温度时，若燃料和氧气供应充足，燃烧就会稳定地进行。煤矸石自燃的临界温度约为 350 ℃ ，这对于灭火有着重要的指导意义。

三、 煤矸石山自燃防治措施

3.1 煤矸石自燃的预防措施

煤矸石自燃的预防就是通过某种手段，消除自燃的条件，使煤矸石山自燃的各个条件之间不能连续做出反应，达到阻断煤矸石自燃的目的。归纳起来，预防矸石山自燃可遵循以下几种原则：

1 、减少硫铁矿及碳质可燃物，清除矸石山内的可燃物。

2 、改变矸石山的堆积方式，采取 “ 小堆重积 ”  或 “ 小堆薄层压实 ” 方式。在下部覆盖黄土并压实阻断堆积时因 “ 粒度偏析 ” 形成的空气通道，还要降低矸石山的堆积高度和坡度。

3 、采取阻燃剂减少矸石山的活化能，提高矸石山自燃的临界温度。

4 、防治水浸入矸石山。

5 、立温度测试点，以判断该地段是否有自燃的倾向。

6 、巷道设计、施工工艺设计及矸石运转等环节充分考虑煤矸石的井下处理，从根源上减少井下矸石的产生。

7 、高煤矸石的综合利用。例如当作充填材料充填采空区，还可以用来制砖、发电、生产建筑材料等。

8、利用超导热管降低煤矸石堆场内部的温度，使内部温度低于煤矸石山自燃的临界温度。

3.2  煤矸石山灭火方法的选择

 1 、直接挖出法

这种方法较为简单，但只适用于初燃的矸石山。一般利用机器或高压水枪，挖出着火矸石和热矸石，用水冷却或让其自然冷却，回填或重新堆积。美国早期曾大量使用该方法灭火，发生了多起事故。

2 、注浆法

    注浆法是国内最常用的方法，可表面浇洒，也可挖沟灌注和钻孔注浆。其中，钻孔注浆对大面积或深部燃烧治理和防止复燃效果较为理想。该方法是在矸石山布置一定数量的钻孔，将黄土、粉煤灰、电石渣和石灰等注浆材料配成一定浓度的浆液注入火区和自热区。考虑浆液受重力作用的影响，其扩散以垂直方向为主，难以控制其流动方向。近年来出现了将注浆与注泡沫灭火剂相结合的治理技术。泡沫有较好的隔氧作用，不仅可以节约用水，在矸石空隙中的扩散能力较强，又不会破坏浆液形成的密封带。

3 、灌水法

水在高温下形成蒸汽，吸收大量汽化热，其吸热降温效果非常好，是一种优良的灭火剂。但是，选择这种方法必须非常慎重。一方面，注水后矸石山空隙率增加，干燥后矸石的反应活性也会增加，很难防止其复燃。另一方面，对深部高温炽热火区或含有硫铁矿的火区，水与炽热的炭相遇，产生大量的水煤气，增加了爆燃几率 ; 水的加入会使硫铁矿氧化反应更加剧烈、更复杂，产生的热量和气体来不及释放，

产生积聚而引发喷爆。国内发生的几起雨后矸石山爆炸事故已证明了这一点。

4 、表面密封和压实法

该方法是在矸石山表面铺土、压实，隔绝空气进路，使矸石山内部空气消耗殆尽后熄灭。表面密封和压实法可以降低燃烧强度和污染物排放速率，主要用于控制矸石山火势和污染强度，需要及时维护。国内采用分层堆放矸石、分层压实的方法预防矸石山自燃取得了较好的效果，其灭火效果不太理想。英国和其他欧洲国家主要采取此方法预防矸石山自燃。

5 、低温惰性气体法

目前，美国矿务局正在对低温惰性气体法进行大规模工业性试验。该方法是向火区注入液氮和固体   混合物，可快速降低火区温度，而且在相变过程中体积可增加 500  倍   ，形成冷压波，从注入点快速扩散至全区，把低密度热烟气排至地表，同时隔绝空气，达到降温灭火的目的。

6、超导热管降温法

针对煤矸石堆放过程中易发生氧化放热反应，导致煤矸石山自燃，浪费资源、污染环境等问题，在煤矸石堆场内部插入超导热管，利用超导热管相变的高效导热性，及时将热量传到空气中，防止煤矸石堆场自燃。超导热管具有传热系数高，传递热量大，等温性能好，温度范围广等优点，因而被视为煤矸石堆场散热的理想元件。热管技术结构简单，加工容易，成本低廉，经济效益好，易于推广。

下图及视频为我公司的成功案例：

3.3 煤矸石燃烧的控制

对已经燃烧的矸石山，为控制其燃烧可采取以下措施：

1）、 在矸石山燃烧地段，其四周可挖深沟，把已燃和未燃的矸石隔离开来；

2）、 在深沟间灌水，或从矸石山顶上喷水；

3）、 利用惰性材料覆盖燃烧的矸石山。如果先覆盖燃烧表面，火势将传到未燃烧处。因此，应在山顶堆积足够的泥土，并在一天内用推土机或其它方式推开；

4）、 用泵向矸石山灌注岩灰浆。先用钻头打一些直径为 50  ～  76mm  的深孔，孔深以接触到燃烧处底基为限，在孔中灌注岩灰浆或石灰浆，然后用泥土堵塞，

5）、 对矸石山裂隙地段，加固后用隋性材料覆盖；

6）、 较小的矸石堆可在燃烧处挖洞，用水熄灭后，再重新堆积。

4 　结语

煤矸石山自燃是一个复杂的物理化学过程，煤和黄铁矿是煤矸石的主要可燃物，对其回收分选是防止自燃的基本措施。为了提高治理矸石山自燃的主动性，首先应重视煤矸石的堆放处置方式和预处理，以防为主。其次，应加强煤矸石自燃机理、防治技术的研究，以减少人员伤亡。从环保的角度出发，则应加强煤矸石综合利用技术研究，这也是治理煤矸石自燃的根本之道。

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