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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