影响煤矸石山自燃的因素
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发布时间：2022-12-26 10:25
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时间：2023-10-15 11:29
从煤矸石山自燃的机理可以看出，煤矸石山自燃是一个十分复杂的物理化学过程，煤矸石自燃主要的影响因素有：黄铁矿含量、煤矸石中水分含量、煤矸石中煤的含量和性质（煤的氧化、挥发分的析出）、矸石山的孔隙率和氧化时间等。
一、煤矸石中硫化物含量与聚集状态对自燃的影响
根据元素形态，煤矸石中的硫主要包括硫化物、有机硫、单质硫和硫酸盐硫。其中硫化物是煤矸石硫的主要形态，一般占煤矸石中硫总量的80%以上；硫酸盐硫一般不可以燃烧；单质硫易燃，但是其含量非常小；有机硫可燃，但常以-SH和-S-S-等形式均匀地分布在煤矸石的残存煤基分子的多环结构中。硫化物硫易燃，按晶体结构和聚集状态分为黄铁矿、白铁矿、胶状黄铁矿和磁铁矿等，矸石中主要以黄铁矿（FeS2）为主。矸石中的黄铁矿在低温下吸附空气中的氧气，发生一系列的氧化还原反应释放出大量的热量。如果黄铁矿在煤中呈星散状分布状态，其颗粒与碳物质连结在一起，就更易氧化自燃。研究表明，煤矸石中硫的含量为2%时，硫完全氧化，放出的热量可以使煤矸石升温120℃。因而，在黄铁矿局部集中的区域，黄铁矿的氧化、放热、升温，有可能使该区域成为自燃的中心点。但是，有些煤矸石中黄铁矿含量很高却未发生自燃，有的含硫量很少但又很容易自燃，这表明黄铁矿是煤矸石山发生自燃的重要因素，而不是唯一因素。
二、煤矸石中残存煤的变质程度对自燃的影响
残存煤的变质程度直接影响煤矸石自燃的燃点和发热量。在矸石粒度、堆积形式、残存煤的含量等其他条件相同的情况下，低变质煤的燃点较低，发热量相对较小；中高变质煤的发热量较高，燃点同样也较高。但是对于矸石山煤矸石，低变质煤对煤矸石自燃的影响更大。
低变质煤的挥发分产率较高，在煤矸石自燃过程中产出大量的CH4、C2H2、C2H4、C2H6等易燃气体，在一定温度下对矸石山煤矸石起到助燃和加剧燃烧的作用。
低变质煤的煤分子其活性基团较多，非常容易与空气中的氧气发生氧化反应。
低变质煤的密度和硬度较小，容易破碎，比表面积较大，加快了与氧气反应的速度，加速了自燃的发生等。
三、水分的影响
1.水分有利于矸石风化
在适宜的水分和温度的作用下，煤矸石的风化速度加快，风化使煤矸石的比表面积增大，粒径变小，孔隙度增加，为空气渗入矸石山内部提供了有利的条件。黄铁矿在高湿度下的自然风化速度，要比干燥状态高若干个数量级，充分表明水分明显加速了FeS2的氧化反应速度，并释放出更多的热量。
2.水分促进煤矸石和煤的氧化，加快燃烧速度
煤表面吸附空气中的水分后产生吸附热，同时增加吸氧量，促进煤的氧化，并且产生的吸附热能使煤矸石的温度升高，水的湿润热也能使煤矸石的温度升高。含硫煤矸石的低温氧化放热速率，在一定范围内随着含水量的增加而增大。水在煤的氧化反应中，提供了活性的H和HO，这时C和CO的反应成为分支连锁反应，从而使反应速度自动加速。
3.水分使煤矸石山的着火温度降低
在一定含水量范围内，随含水量的增加，原煤着火温度下降，一般地，当煤的含水量达20%时，其着火温度比干燥时降低80℃以上。
4.水分有助于煤矸石山喷爆
煤矸石中的煤粉、硫化物在低温下缓慢氧化，产生的热量在内部蓄积，在降雨天气并利于雨水渗透到高温区域时，雨水遇高温煤矸石后一部分被加热汽化，一部分与高温煤矸石发生剧烈化学反应，短时间内产生大量爆炸性气体，使煤矸石山内部压力剧增。可见降雨量对矸石山的爆炸影响很大，做好降雨季节的矸石山防爆工作是十分必要的。
综上所述，由于水在煤矸石山的自燃过程中起着重要促进的作用，所以堆积矸石山或对矸石山进行预处理时，应尽量防止水渗入其中。
四、粒径的影响
煤矸石粒径的组成在一定程度上决定煤矸石山的透气性，但煤矸石在多大粒径时具有最好的透气性，并同时具备最适宜的氧化升温蓄热条件，目前尚无定论。因为除了与粒径有关外，矸石山的升温蓄热还与其比表面积、氧化性及其他理化性质有关。在矸石粒径较小时，即使透气性好，有足够的空气渗入供氧化，但由于矸石的比表面积大，反应活性较高，渗入的氧气在矸石堆的表面就被消耗了，难以渗入煤矸石深处。又由于矸石表面散热条件好，因而蓄热升温就不容易引起自燃。有研究认为，煤矸石的颗粒平均有效直径在6～13mm时，矸石堆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。
五、温度对煤矸石自燃的影响
煤矸石山的自燃实际上与其他含碳物质的燃烧一样，符合燃烧物理学原理，即必须经过缓慢升温阶段、氧化自动加速阶段和稳定燃烧阶段。
煤矸石的氧化从缓慢升温阶段过渡到自动加速阶段时的温度即为其自燃的临界温度。当煤矸石山某处的温度一旦达到临界温度（一般认为80～90℃），即可产生自燃。反之，如果不能使矸石的温度降低到90℃以下，就极易存在复燃的危险。因此，对临界温度的测定和应用，对指导自燃矸石山的防治具有重要的意义。
六、矸石堆中空气传输途径
影响煤矸石自燃的外因是供氧与蓄热条件，这是一对相互矛盾的条件。良好的通风条件可以使煤矸石在氧化时得到充分的供氧，但同时也会把煤矸石自热阶段产生的热量带走。反之，若处于封闭环境中的煤矸石，虽有良好的蓄热条件，但不能得到氧气供应，煤矸石不会进一步氧化而自燃。供氧条件对有自燃倾向煤矸石的自燃起着极为重要的作用，甚至可以说是决定性的。煤矸石山从表面到内部，根据供氧蓄热条件的好坏，可分为三个区域：①不自燃区；②可能自燃区；③窒息区。
在煤矸石山表面，虽可得到充足的氧气供应，但与外界热交换条件好，氧化反应生成的热量迅速散失到周围环境中，煤矸石升温幅度很小，不足以引起自燃，为不自燃区。在煤矸石山深层，分子扩散或空气流动带入的氧气已经在表面大部分被消耗，气流中的氧浓度很低，煤矸石的氧化反应产生的热量很小，不足以使矸石进一步升温，这一区域也不会发生自燃，为窒息区。
在不自燃区与窒息区之间，既有一定的氧气供应，所产生的热量又不致全部被带走，煤矸石氧化产生的热量足以使矸石升温，是可能形成自燃的区域。可能自燃区的范围与煤矸石的氧化能力、粒度、堆积形态、空隙率及外界环境条件等有关。大量测试结果表明，绝大部分自燃发生在距表面0.5～7m的范围内。在这一区域内，如能不断得到氧气，氧化反应可持续进行。一定时间后，若煤矸石温度上升到燃点以上，便发生燃烧。在此阶段内如供氧蓄热条件发生变化，矸石的氧化反应不能继续进行，自燃也就不会发生。
煤矸石在自热过程中，需不断从外界得到氧的供应，煤矸石山中氧的传输机理有以下几种：①由氧的浓度梯度造成的分子扩散；②由自然风造成的自然对流；③煤矸石山自热后产生的热对流；④由于粒度偏析产生的烟囱效应；⑤昼夜温差造成的煤矸石山“热呼吸”；⑥大气压变化产生的矸石山“气压呼吸”。由大气压变化产生的“气压呼吸”是非常小的，不能维持矸石的自热。由昼夜温差产生的“热呼吸”效应只发生在矸石表面，产生的热效应很快就会散失。煤矸石山自热时，主要由氧分子扩散、自然对流、热对流及烟囱效应提供所需的氧气。
七、风速对煤矸石山自燃的影响
煤矸石氧化需要氧气，只有当外界的供氧速率大于某一临界值时，氧化反应放出的热量大于散热速率，热量才可能被积聚起来，使矸石发生升温。若达不到这一临界值，反应放出的热量会通过传导、对流等途径全部散失到周围环境中。当反应放出的热量小于散热速率时，矸石就会逐渐冷却。这一临界值称为临界风速。
煤矸石山中风流的作用是双方面的，它既供给矸石反应所需的氧，又会带走矸石反应生成的热量。所以临界风速有上限与下限值，当风速超过上限时，反应生成的热量会全部带走。从防治煤矸石山自燃的角度来说，不可能通过增大煤矸石山的透气性的方式来作为防治自燃的措施，所以关键的是控制临界风速的下限值。临界风速与可燃物的物理化学性质及环境条件有关。国内外都有学者对煤矸石中的临界风速进行过研究，但研究结果相差极大。一般认为煤矸石山中空气流速低于4.4×10-5m/s时，煤矸石不会发生自燃。
八、煤矸石山堆放方式对自燃的影响
目前，国内煤矿多采用倒坡式的翻头排矸，它是先将矸石拉到矸石山顶部，然后倾倒并使其自然滚落，使矸石大面积裸露于自然环境中。由于从山顶往山下排放堆积煤矸石，形成“倒排式”排放，多数煤矸石山呈圆锥状。在自然重力作用下，滑落的煤矸石具有明显的分选性（图3-6）。在煤矸石山临空边坡A、B段之间，细小的粉碎状矸石靠近A端，越往B端煤矸石块度越大。这样在A、B之间就形成了自燃的外部环境，自燃点一般在A、B之间靠近B端的1/3（C）处。该处横向形成了一条燃烧带，并逐渐向A端延伸。
图3-6 倒排式排矸示意图
对阳泉煤矸石山不同部位的组成进行的测定结果为：在煤矸石山下部，粒径大于25mm的煤矸石占下部的83%，直径很多超过5cm，甚至有的超过20cm，粒径小于6mm的煤矸石仅占下部的4.5%；山坡中部和上部粒径较小，含有较多的碎石和矸屑，其中上部大于25mm的煤矸石占上部的48%，小于6mm的煤矸石占上部的20%。这种顺坡倒排式，造成了煤矸石在不同垂直梯度上的粒度分级。煤矸石山不同部位的煤矸石粒径分布见表3-5。
表3-5 不同粒径的矸石所占比例单位：%
粒度分级的结果增加了煤矸石山的空隙率，使煤矸石得到了更好的供氧条件。由于小粒径的煤矸石中含有更多的煤，粒度分级的结果还促使了可燃物的进一步富集，更增加了自燃的可能性。而且这些矸石自然滚落就形成不同粒度分层堆积，位于矸石山边坡中下部的一般都是较大块矸石，其间具有较大的空隙，空气中的氧气从其缝隙中渗入，为矸石山内部供氧提供了良好的通风条件。同时由于矸石山中上部颗粒较小，在风雨季节容易风化、碎化，碎化后的矸石将孔隙堵住，空隙率变小，导致在矸石山中上部形成密闭性好的覆盖层。这覆盖层像帽子一样将矸石覆盖着，使中下部矸石中的混煤或硫铁矿氧化产生的热量无法有效地释放出去，极易促使矸石山内出现局部高温而自燃。
煤矸石山内的空气流动的渗透速度与空气压力有关。研究发现，矸石山内存在一个气体压力较低点，这点的位置与矸石的堆积高度有关，堆积越高，压力较低点就越向矸石山的深处移动。因此，空气渗入的深度随矸石山高度的增加而增大，结果使燃烧的深度和燃烧的面积同样有可能随之而增大。
综上所述，煤矸石山的自燃过程是一个极其复杂的物理、化学、生物过程，既有影响自燃的内部因素，也有影响自燃的外界因素。只有掌握了煤矸石山的自燃机理和影响自燃的因子后，我们才能更好地掌握自燃煤矸石山的自燃规律，为日后灭火和实施科学合理的灭火方式提供基础。
