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摘 要: 煤矸石自燃是一个在煤矿企业较为普遍的现象。据统计,我国大约有三分之一的矸石山发生过自燃,放出大量的SO2,H2S,CO,CO2和氮氧化物等有害气体并伴有大量烟尘,对矿区环境造成严重污染。
【中图分类号】 TD75 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879(2018)04-0258-02
一、煤矸石自燃原因分析
矸石山自燃的因素既多又复杂(机理),据已有研究资料分析,可以概括为两大因素:一是矸石中存在着可燃物,如煤岩中的丝炭、镜煤、亮煤、及夹带的硫铁矿及块煤、坑木等都具有可燃性,这是矸石自燃的内因;二是在倾倒矸石时,大块矸石一般均翻滚在矸石山的底部,小块矸石及粉状矸石留在顶部,这样就自下而上形成较多连通的空隙,它为矸石自燃提供了供氧的途径。另外雨水、空气中的一定湿度为黄铁矿氧化提供了所需的水分,这是矸石自燃的外因。
试验证明,当空气中湿度低于15%时,矸石的吸氧量随湿度的增加而增大,煤的着火温度随水分的增加而降低。只有当水分达到一定程度时,才能阻止煤的氧化自燃。
矸石山自燃一般易发生在斜坡,深度在4.5~7m之间,燃烧所发生的位置距矸石山表面2~2.5m,并且燃烧一般只发生在斜坡上。通过观察在中上部冒烟处,其供氧则是从斜坡的下部进入并产生“烟囱”效应,空气沿着斜坡的表层向上流动,而燃烧中心则在斜坡冒烟点下方约十几米处。
根据上述理论可知,煤矸石要发生自燃,必须具备以下4个条件:
①含有能够在常温下氧化的物质或可燃物,即煤矸石具有自燃倾向性;
②有氧气存在;
③有使热量积聚的环境;
④维持足够的时间以达到引燃温度。
由此可看出条件①为煤矸石自燃的内部特征条件②、③和④是煤矸石自燃的外部条件,为此我们要想预防煤矸石自燃发火,就必须着重研究其可以人为改变的外部条件,进而想办法抑制其自燃发火。
二、煤矸石自燃的特征
煤矸石自燃具有两个特征:一是从矸石内部先燃烧;二是属于不完全燃烧。
(1)从矸石内部先燃烧。
煤矸石和自燃取决于供氧条件,供氧是沿着矸石之间的孔隙和孔道向内部补给的,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,燃烧地带具有燃烧中心的特性。
(2)不完全燃烧。
煤矸石在堆积时,颗粒的形状和大小是不规则的,从而在煤矸石之间形成孔隙和孔道。在自燃之前,这些孔隙和孔道首先为黄铁矿和碳质可燃物的氧化提供空气;在自燃之后,又可以为可燃物质燃烧补给空气。由于煤矸石的燃烧在煤矸石山的中部开始,因此通过孔隙和孔道输送空气的速度比较缓慢;另外,孔隙和孔道所占容积较小,煤矸石内可燃物质不能与氧充分化合,也就是不能充分燃烧;所以,从整体上说,煤矸石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。
(3)煤矸石自燃的三个过程。
煤矸石的自燃与其他含碳物质的燃烧一样,符合燃烧物理学原理,即必须经过缓慢反应——氧化自动升温-稳定燃烧三个过程。
(4)矸石自燃区域的划分。
据研究:一座正在自燃的矸石山根据温度高低概可划分为三个带:即燃烬带,燃烧带和未燃带。
燃烬带处于矸石山的底部,温度约为100~300℃,外观呈灰白色或灰红色;燃烧带处于矸石山的中部,最高溫度可达1000℃;未燃带处于矸石山顶部,温度约为300~500℃。
三、矸石自燃环境危害效应
(1)空气污染。
自燃的矸石山不但放出大量的SO2 、CO2,还释放出大量的H2S和CO气体,也释出一定量的S。H2S的污染比SO22的污染更为严重,而这一点往往被人所忽视。
总之,煤矸石自燃不仅严重污染大气,而且对周围居民的健康影响非常巨大。
(2)其他环境效应。
除以上危害外,矸石堆积区尚有矸石爆炸效应、平川堆积区的稳定效应和山谷堆积区的伴生效应等。
四、矸石山灭火技术研究
煤矿矸石山内部会发生自燃现象,并会伴随浓烟现象出现,处理不当会出现明火,给矸石山施工及周围安全带来严重隐患,经研究制定以下两种技术方案进行灭火,确保矸石山的安全。
技术方案1:
结合其他矿井矸石山灭火技术及义络煤业矸石山实际情况,可以在矸石山顶部施工简易储水装置,增加往矸石山内部渗水量。
1、在矸石山顶部发热冒烟区域上方,施工多个2m×2m的简易蓄水池,深0.5m,供水管路直接放置在蓄水池内,根据水池内的水位高低适当调整供水管路的放水速度,确保蓄水池内保持有水。通过蓄水池底部的4m2的渗水面积,增大渗水量和渗水影响范围,逐步降低内部矸石温度。
2、蓄水池施工应先从发热冒烟不明显的部位开始。优先施工四周区域,最后施工中间区域。
3、由于蓄水池一般在发热冒烟区域上方,蓄水池施工过程中,施工人员必须注意安全,防范烟雾中毒,必须安排专人在蓄水池外部观察施工地点实际情况,一旦发现异常及时撤出人员。
技术方案2:
在矸石山顶部布置钻孔,钻孔排距4m,孔距4m,预计布置10~20个钻孔,钻孔深度5~7m,钻孔直径50~75mm,钻孔施工完毕后在钻孔内部安设注浆管,使用注浆泵对钻孔内部进行注浆。
1、注浆配比:注浆浆液为石灰泥浆,其水固比为2.0:1.0~1.5:1.0,固相比为(土:熟石灰)为1:1~4:1(重量比)。注浆过程中要间歇注浆,增大单孔注浆量,确保注浆效果。注浆结束后,注意保护外漏的注浆管,防治堵塞,以便重复利用。
2、钻孔布置:钻孔布置根据自燃发火冒烟可以适当调整,在冒烟区域可适当增加钻孔数量,钻孔按照中间深四周浅的布置优先施工四周浅孔。
3、注浆管采用1寸钢管,注浆管外口与水管连接,外面的2m注浆管使用1寸实管,往里的注浆管使用1寸花管(机修厂加工)。
4、受运输条件限制,矸石山顶部钻孔施工可以考虑使用煤电钻。
5、钻孔施工过程中,救护队配备专人在施工现场检查有毒有害气体情况,同时施工人员也要密切注意观察钻孔内部情况,防范有毒有害气体突然涌出。
6、钻孔施工过程中,附近安排专人观察矸石山情况,防范矸石山地面沉陷、垮塌等灾害。
五、结论
采用方案1矸石山施工简易蓄水池的方法与以往的插管注水相比,可以有效的增加渗水面积,增大渗水量和渗水影响范围,避免因为注水量小而导致的灭火不充分,能够将矸石山内部的自燃点彻底熄灭,保证了矿山安全,改善了周边环境。
采用方案2插管注水灭火,因为注水量小而导致灭火不充分,只能将表面的明火浇灭,内部发火点无法熄灭,少量的水遇到自燃高温煤体,有可能会发生煤化反应,产生一氧化碳和氢气,反而不利于灭火。
经反复对比论证,结合义络煤业矸石山实际情况最终决定采用技术方案1对已自燃的矸石山进行灭火。
参考文献
[1] 陈胜华, 胡振琪, 陈胜艳. 煤矸石山防自燃隔离层的构建及其效果[J]. 农业工程学报,2014(02):243-251.
[2] 潘荣锟, 余明高, 徐俊. 矸石山的危害及自燃原因关联分析[J]. 安全与环境工程,2006(02):70-73.
[3] 王浩森, 胡社荣, 徐方. 东胜矿区煤矸石堆自燃的控制因素及类型划分[J]. 中国矿业,2013(04):117-120.
作者简介:姓名:白三锋 性别:男 出生年月:1988年09月13日 学历:研究生 籍贯:河南洛阳 职称:工程师 单位名称:义煤集团宜阳义络煤业有限责任公司
【中图分类号】 TD75 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879(2018)04-0258-02
一、煤矸石自燃原因分析
矸石山自燃的因素既多又复杂(机理),据已有研究资料分析,可以概括为两大因素:一是矸石中存在着可燃物,如煤岩中的丝炭、镜煤、亮煤、及夹带的硫铁矿及块煤、坑木等都具有可燃性,这是矸石自燃的内因;二是在倾倒矸石时,大块矸石一般均翻滚在矸石山的底部,小块矸石及粉状矸石留在顶部,这样就自下而上形成较多连通的空隙,它为矸石自燃提供了供氧的途径。另外雨水、空气中的一定湿度为黄铁矿氧化提供了所需的水分,这是矸石自燃的外因。
试验证明,当空气中湿度低于15%时,矸石的吸氧量随湿度的增加而增大,煤的着火温度随水分的增加而降低。只有当水分达到一定程度时,才能阻止煤的氧化自燃。
矸石山自燃一般易发生在斜坡,深度在4.5~7m之间,燃烧所发生的位置距矸石山表面2~2.5m,并且燃烧一般只发生在斜坡上。通过观察在中上部冒烟处,其供氧则是从斜坡的下部进入并产生“烟囱”效应,空气沿着斜坡的表层向上流动,而燃烧中心则在斜坡冒烟点下方约十几米处。
根据上述理论可知,煤矸石要发生自燃,必须具备以下4个条件:
①含有能够在常温下氧化的物质或可燃物,即煤矸石具有自燃倾向性;
②有氧气存在;
③有使热量积聚的环境;
④维持足够的时间以达到引燃温度。
由此可看出条件①为煤矸石自燃的内部特征条件②、③和④是煤矸石自燃的外部条件,为此我们要想预防煤矸石自燃发火,就必须着重研究其可以人为改变的外部条件,进而想办法抑制其自燃发火。
二、煤矸石自燃的特征
煤矸石自燃具有两个特征:一是从矸石内部先燃烧;二是属于不完全燃烧。
(1)从矸石内部先燃烧。
煤矸石和自燃取决于供氧条件,供氧是沿着矸石之间的孔隙和孔道向内部补给的,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,燃烧地带具有燃烧中心的特性。
(2)不完全燃烧。
煤矸石在堆积时,颗粒的形状和大小是不规则的,从而在煤矸石之间形成孔隙和孔道。在自燃之前,这些孔隙和孔道首先为黄铁矿和碳质可燃物的氧化提供空气;在自燃之后,又可以为可燃物质燃烧补给空气。由于煤矸石的燃烧在煤矸石山的中部开始,因此通过孔隙和孔道输送空气的速度比较缓慢;另外,孔隙和孔道所占容积较小,煤矸石内可燃物质不能与氧充分化合,也就是不能充分燃烧;所以,从整体上说,煤矸石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。
(3)煤矸石自燃的三个过程。
煤矸石的自燃与其他含碳物质的燃烧一样,符合燃烧物理学原理,即必须经过缓慢反应——氧化自动升温-稳定燃烧三个过程。
(4)矸石自燃区域的划分。
据研究:一座正在自燃的矸石山根据温度高低概可划分为三个带:即燃烬带,燃烧带和未燃带。
燃烬带处于矸石山的底部,温度约为100~300℃,外观呈灰白色或灰红色;燃烧带处于矸石山的中部,最高溫度可达1000℃;未燃带处于矸石山顶部,温度约为300~500℃。
三、矸石自燃环境危害效应
(1)空气污染。
自燃的矸石山不但放出大量的SO2 、CO2,还释放出大量的H2S和CO气体,也释出一定量的S。H2S的污染比SO22的污染更为严重,而这一点往往被人所忽视。
总之,煤矸石自燃不仅严重污染大气,而且对周围居民的健康影响非常巨大。
(2)其他环境效应。
除以上危害外,矸石堆积区尚有矸石爆炸效应、平川堆积区的稳定效应和山谷堆积区的伴生效应等。
四、矸石山灭火技术研究
煤矿矸石山内部会发生自燃现象,并会伴随浓烟现象出现,处理不当会出现明火,给矸石山施工及周围安全带来严重隐患,经研究制定以下两种技术方案进行灭火,确保矸石山的安全。
技术方案1:
结合其他矿井矸石山灭火技术及义络煤业矸石山实际情况,可以在矸石山顶部施工简易储水装置,增加往矸石山内部渗水量。
1、在矸石山顶部发热冒烟区域上方,施工多个2m×2m的简易蓄水池,深0.5m,供水管路直接放置在蓄水池内,根据水池内的水位高低适当调整供水管路的放水速度,确保蓄水池内保持有水。通过蓄水池底部的4m2的渗水面积,增大渗水量和渗水影响范围,逐步降低内部矸石温度。
2、蓄水池施工应先从发热冒烟不明显的部位开始。优先施工四周区域,最后施工中间区域。
3、由于蓄水池一般在发热冒烟区域上方,蓄水池施工过程中,施工人员必须注意安全,防范烟雾中毒,必须安排专人在蓄水池外部观察施工地点实际情况,一旦发现异常及时撤出人员。
技术方案2:
在矸石山顶部布置钻孔,钻孔排距4m,孔距4m,预计布置10~20个钻孔,钻孔深度5~7m,钻孔直径50~75mm,钻孔施工完毕后在钻孔内部安设注浆管,使用注浆泵对钻孔内部进行注浆。
1、注浆配比:注浆浆液为石灰泥浆,其水固比为2.0:1.0~1.5:1.0,固相比为(土:熟石灰)为1:1~4:1(重量比)。注浆过程中要间歇注浆,增大单孔注浆量,确保注浆效果。注浆结束后,注意保护外漏的注浆管,防治堵塞,以便重复利用。
2、钻孔布置:钻孔布置根据自燃发火冒烟可以适当调整,在冒烟区域可适当增加钻孔数量,钻孔按照中间深四周浅的布置优先施工四周浅孔。
3、注浆管采用1寸钢管,注浆管外口与水管连接,外面的2m注浆管使用1寸实管,往里的注浆管使用1寸花管(机修厂加工)。
4、受运输条件限制,矸石山顶部钻孔施工可以考虑使用煤电钻。
5、钻孔施工过程中,救护队配备专人在施工现场检查有毒有害气体情况,同时施工人员也要密切注意观察钻孔内部情况,防范有毒有害气体突然涌出。
6、钻孔施工过程中,附近安排专人观察矸石山情况,防范矸石山地面沉陷、垮塌等灾害。
五、结论
采用方案1矸石山施工简易蓄水池的方法与以往的插管注水相比,可以有效的增加渗水面积,增大渗水量和渗水影响范围,避免因为注水量小而导致的灭火不充分,能够将矸石山内部的自燃点彻底熄灭,保证了矿山安全,改善了周边环境。
采用方案2插管注水灭火,因为注水量小而导致灭火不充分,只能将表面的明火浇灭,内部发火点无法熄灭,少量的水遇到自燃高温煤体,有可能会发生煤化反应,产生一氧化碳和氢气,反而不利于灭火。
经反复对比论证,结合义络煤业矸石山实际情况最终决定采用技术方案1对已自燃的矸石山进行灭火。
参考文献
[1] 陈胜华, 胡振琪, 陈胜艳. 煤矸石山防自燃隔离层的构建及其效果[J]. 农业工程学报,2014(02):243-251.
[2] 潘荣锟, 余明高, 徐俊. 矸石山的危害及自燃原因关联分析[J]. 安全与环境工程,2006(02):70-73.
[3] 王浩森, 胡社荣, 徐方. 东胜矿区煤矸石堆自燃的控制因素及类型划分[J]. 中国矿业,2013(04):117-120.
作者简介:姓名:白三锋 性别:男 出生年月:1988年09月13日 学历:研究生 籍贯:河南洛阳 职称:工程师 单位名称:义煤集团宜阳义络煤业有限责任公司