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第 21 卷第 6 期洁 净 煤 技 术Vol． 21 No． 6 2015 年11 月Clean Coal TechnologyNov. 2015 屯兰矿自燃煤矸石山火情系统诊断研究 辛 亚1,王晓军1,陈文英1,王 兵1,梅傲雪2,温美佳2 1. 山西大学 环境与资源学院,山西 太原 030006;2. 山西绿巨人环境科技有限公司,山西 太原 030000 摘 要为了准确掌握自燃矸石山的火情规律,因地制宜地制定灭火防复燃措施,采用系统分析方法, 紧密结合一座“倒坡式”堆积矸石山的治理工程,跟踪研究其火情特征,建立火情诊断程序。 结果表 明,矸石山的自燃发生动态历经潜伏自热、加速氧化升温和稳定燃烧 3 个阶段;系统内外要素相互作 用使其自燃发生动态呈现复杂性和不确定性,这可通过系统分析对关键要素通风与给水状况加以控 制而得到消解;对高温区内外结构分析得出其燃点大多位于坡中上部的地表下约 3 m 处。 这种采用 系统分析方法对煤矸石山火情进行诊断的思路,应成为此类矸石山治理的方向。 关键词煤矸石山;自燃;火情;系统诊断;要素 中图分类号X752;TD751 文献标志码A 文章编号1006-6772201506-0114-05 Systematic diagnosis for fire regime on waste dump with spontaneous combustion in Tunlan coal mine XIN Ya1,WANG Xiaojun1,CHEN Wenying1,WANG Bing1,MEI Aoxue2,WEN Meijia2 1. College of Environment and Resources,Shanxi University,Taiyuan 030006,China; 2. Lvjuren Environmental Science and Technology Co. ,Ltd. ,Taiyuan 030000,China AbstractTo control the combustion rules of waste dump and take proper measures to prevent rekindling,based on the system analysis and project process,the fire regime characteristics of down-sloping waste dump was analysed and the fire regime systematic diagno- sis process was established as well. The research showed that the dynamics of waste dump with spontaneous combustion went through three stages which were latent self-heating,accelerated oxidation and stable combustion. Its key elements were ventilation and moisture. The self-ignition points of high temperature zones were located in the upper slope and appeared at about 3 m apart from surface. The system a- nalysis ology had certain reference significance for the research and control of the same type waste dump. Key wordswaste dump;spontaneous combustion;fire regime;systematic diagnosis;factor 收稿日期2014-11-24;责任编辑孙淑君 DOI10.13226/ j. issn.1006-6772. 2015. 06.027 基金项目国家自然科学基金资助项目41271531;国家自然科学青年基金资助项目41201277 作者简介辛 亚1990,女,山西原平人,硕士研究生,从事黄土高原整治研究。 E-mailxinya0606 163． com。 通讯作者王晓军1968, 男,山西绛县人,副教授,博士,硕士生导师,从事乡村景观评价与规划研究。 E-mailxjwang sxu． edu． cn 引用格式辛 亚,王晓军,陈文英,等. 屯兰矿自燃煤矸石山火情系统诊断研究[J]. 洁净煤技术,2015,216114-118,122. XIN Ya,WANG Xiaojun,CHEN Wenying,et al. Systematic diagnosis for fire regime on waste dump with spontaneous combustion in Tunlan coal mine[J]. Clean Coal Technology,2015,216114-118,122. 0 引 言 煤矸石是与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤 坚硬的黑灰色岩石,占原煤产量的 10 15,是 矿山最主要的污染源[1-2]。 山西省作为全国重要的 煤炭生产基地,煤矸石的年排放量和累计堆存量较 大。 过去采用“倒坡式”翻头排矸方式,排出的矸石 通过牵引自卸堆积[3],极易发生自燃,对周边生态 环境造成严重污染。 为此,科学家对煤矸石自燃机 理进行了卓有成效的研究。 普遍认同煤矸石的自燃 经历了复杂多变的物理、化学反应过程,而且是由内 外要素共同作用导致的[4]。 李松等[5]认为矸石山 在自然堆积过程中会发生粒度偏析,形成氧气通道。 张振文等[6]指出矸石山自燃需具备 3 个基本条件, 即存在可燃物、氧气供应、高于维持燃烧的温度。 陈 海峰[7]对影响煤矸石自燃的含碳矿物、黄铁矿、氧 气和水分等要素的作用分别进行了研究。 刘春杰 等[8]依据含碳物质燃烧的过程将煤矸石自燃划分 411 网络出版时间2015-11-17 164420 网络出版地址 辛 亚等屯兰矿自燃煤矸石山火情系统诊断研究2015 年第 6 期 为缓慢反应氧化自燃稳定燃烧 3 个阶段。 杜永 吉等[9]认为自燃矸石山温度垂直方向上由表及里 先升高后降低。 前人关于矸石山自燃成因及特征的 探讨虽有很多,但未形成系统综合的自燃诊断技术, 难以准确把握矸石山的火情规律。 为此,笔者以山 西矿区的一座典型自燃矸石山为研究对象,从系统 论角度,掌握其自燃规律,尝试建立自燃矸石山火情 系统诊断程序,为灭火及防复燃施工提供依据。 1 研究区概况及研究方法 作为特大型国有重点煤矿的屯兰矿位于山西省 古交市以南6 km 处。 属温带大陆性季风气候,多年 平均降水量 462 mm,主要集中在 7、8、9 月。 屯兰矿 南梁矸石山为典型的“倒坡式”堆积,高 71． 3 m,休 止角 40,占地面积 2． 3 万 m2,长期以来形成 7 个大 的高温区,如图 1 所示。 图 1 研究区位置及其高温区分布 本研究是基于该矸石山 3 a 期治理项目而同期 开展的。 研究人员与施工人员对自燃矸石山进行勘 查和室内分析,设计出一套针对此自燃矸石山的火 情系统诊断技术,据此提出灭火与防复燃施工方案。 施工后,将自燃矸石山火情诊断方案和灭火施工实 践的控制后果进行比较,基于负反馈调节原理,减少 诊断方案和灭火效果间的目标差,充实和完善本研 究提出的火情系统诊断方法,如图 2 所示。 2 结果与分析 2． 1 火情系统诊断技术 自燃矸石山是一个由若干相互联系的内外要素 以一定的结构和形式构成的不断变化的复杂体。 特 别是矸石山的自燃发生动态,充分体现了自燃矸石 山是一个开放的、动态的系统结构,并不断与周围的 图 2 自燃煤矸石山系统诊断负反馈调节模式 环境发生着物质、能量、信息的传递与交流[10]。 为 了全面准确掌握火情,采用系统分析方法,建立图 3 所示的自燃矸石山火情系统诊断程序。 图 3 自燃矸石山火情系统诊断程序 由图 3 可知,系统诊断过程分为 6 个阶段。 其 中,现地火情勘查阶段可深入了解矸石山现状及其 所处环境的自然条件,而等高线和温度测定为确定 高温区位置及范围的室内分析奠定了基础。 基于现 地勘查和室内分析,对自燃矸石山火情危险性做现 状评估,为灭火和防复燃实施提供依据。 在实施系 统灭火和防复燃过程中,采用负反馈调节,动态调整 行动方案,不断地对自燃矸石山火情系统诊断程序 进行补充修正,以期在全面准确掌握火情基础上,因 地制宜实施彻底灭火防复燃措施。 2． 2 自燃发生动态与关键要素 依诊断程序,通过实地调查勘测,追溯南梁矸石 山自燃发生动态,找出导致矸石山自燃的关键要素。 2． 2． 1 自燃发生动态 研究表明,煤矸石的自燃发生动态主要是破碎 的煤矸石体表面力场失去平衡,吸附空气中的氧放 出热量,在散热条件较差时,热量积累大于散失,使 矸石山内部温度不断升高,最终导致自燃发生[2]。 自燃经历了潜伏自热、加速氧化升温和稳定燃烧 3 个阶段。 511 2015 年第 6 期洁 净 煤 技 术第 21 卷 阶段一潜伏自热期 南梁矸石山在顺坡堆积过程中受到粒度偏析作 用的影响,形成良好的给氧通道[11]。 常温下,氧气 随空隙进入具有自燃倾向的矸石山内部,以物理、化 学方式吸附在黄铁矿和含碳矿物的表面,发生缓慢 氧化,并放出热量使矸石山局部温度升高[8,12]。 阶段二加速氧化期 当矸石发生自热后,温度不断升高,并将热量传 递给周围的空气,空气受热后密度减小,与矸石山内 部空气之间产生压力差,形成热风压[13]。 热风压促 使矸石山内部空气向上流动,外界空气又向矸石山 内部源源不断地补充,形成“烟囱效应”。 此外,大 气降水随空隙进入矸石山内部形成酸性水溶液。 在 “烟囱效应”和水解反应的共同作用下,矸石山内部 温度上升到80 ℃以上时,残存煤和黄铁矿的氧化速 率呈指数倍增加[14],并生成 H2O、CO、SO2等挥发 分,这就是加速氧化期。 阶段三稳定燃烧期 当煤矸石中各种可燃物质的氧化放热反应使温 度急剧升高达到燃点时,可以明显的从采样口观察 到大量浓密烟雾和水蒸气,便进入煤矸石的燃烧 期[2,8]。 燃点较低的挥发分最先开始燃烧,并对其 他可燃物的燃烧起到助燃作用[2]。 随着时间的推 移,矸石山内部的可燃物质不断减少,直至燃烬。 2． 2． 2 自燃关键要素 煤矸石自燃经历了复杂的物化反应,这不仅受 到内在可燃物含量、孔隙率、粒径等要素的制约,还 与通风条件、水分条件、矸石山所处的自然环境等外 部要素密切相关[15]。 这些内外要素相互作用,共同 构成了影响矸石山自燃的原因要素。 通过对 7 大高 温区矸石的采样调查,对引起自燃的原因要素以及 结果要素进行分析,见表 1。 表 1 南梁矸石山高温区概况 要素项目 高温区 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ 原因要素∗ 粒径/ 65． 1463． 4662． 9261． 4962． 7264． 1663． 58 孔隙率/ 30． 728． 626． 225． 328． 226． 427． 6 结果要素有害气体浓度/10 -8 CO840830350462546683720 H2S8989663475852 注平均含碳量为 5． 15,平均含硫量为 3． 16。 在矸石山自燃过程中,含碳物质的种类和数量 是自燃的物质基础;硫铁矿的含量聚集状态是导致 矸石山自燃的主要因素;作为介质的氧气、水、水蒸 气、微生物等也对矸石山的自燃起促进作用;而温度 是维持燃烧的重要指标[6-7]。 其中的一项被破坏, 矸石山将无法自燃。 在系统外部要素通风条件和水分条件的作用 下,南梁矸石山内部可燃物的氧化速率在一定程度 上呈指数倍增加[16],使自燃发生动态,呈现不确定 性和复杂性。 因此,在实施灭火和防复燃措施时,应 着眼于对通风条件和水分条件两类外部要素的控 制,因地制宜地实施“封天窗,堵风口”等措施。 2． 3 高温区结构 为揭示自燃矸石山高温区结构特征,对 7 个高 温区的温度进行了勘测。 首先探测表层温度,划定 高温区范围;然后采用“品字形” 测温方法每隔 1． 5 m 打孔测温,测温深度根据矸石山着火深度而 定[17]。 2． 3． 1 垂向结构 在该矸石山上共设置 1799 个温度勘测点,从各 高温区选取一个具有典型代表意义的测点进行垂向 温度统计,见表 2。 表 2 南梁矸石山温度垂直分布特征 测定点 不同深度温度/ ℃ 1 m2 m3 m4 m5 m6 m平均 Ⅰ254259513285134104258 Ⅱ18822136527712343200 Ⅲ1371872812416639159 Ⅳ16726432128814562208 Ⅴ541132461329642114 Ⅵ29734739527310266247 Ⅶ112132356986830124 平均17321835122810555188 由表 2 可见,自燃矸石山的内部温度垂直方向 由表及里呈现先升高再降低的趋势,燃烧中心约在 611 辛 亚等屯兰矿自燃煤矸石山火情系统诊断研究2015 年第 6 期 地下 3 m 处。 在“烟囱效应”影响下[10,12],该矸石山 在地下 3 m 处内部的产热量大于散热量,打破平衡 状态,最先开始燃烧。 依据各深度的温度勘测数据,在地形图上绘制 1、2、3 m 深等温线图。 图 4 为以Ⅳ号高温区为例的 不同深度等温线图。 图 4 南梁矸石山不同深度等温线图 2． 3． 2 平面结构 依据自燃温度将自燃矸石山的火情划分为 4 个 分区未燃区温度接近于常温、氧化区温度高于 常温,小于 80 ℃、蓄热区温度在 80 280 ℃以 及燃烧区处于剧烈的燃烧状态且存在明火,温度 大于 280 ℃ [18]。 图 5 是南梁自燃矸石山火情分布 状况。 图 5 南梁矸石山火情平面分布 从图 5 可知,此矸石山存在 7 大着火点,各高温 区的火情状况见表 3。 在现场勘察过程中,共勘察 总面积 69512 m2,其中高温区由燃烧区和蓄热区组 成,面积为 16632 m2,安全区由氧化区和未燃区共 同构成,面积为 52880 m2。 由表 3 可知,燃点一般位于斜坡中上部,这是源 于矸石山在堆积过程中形成孔隙和粒径由上到下逐 渐增大的结构,迫使氧气进入矸石山内部,发生一系 列极其复杂的物理化学反应,积累热量。 但是煤矸 石的热传导性差,而且中上部颗粒小,在风雨季节易 风化、碎化,将空隙堵住,致使中上部透气性变差、散 热速率降低[19],热量充分集聚而引起自燃。 表 3 南梁矸石山高温区面积统计m2 高温区燃烧区面积蓄热区面积氧化区面积 着火点坡位 Ⅰ124061243070坡上 Ⅱ87739004193坡中 Ⅲ196248188坡中 Ⅳ284410446坡上 Ⅴ210723351坡中 Ⅵ728380615坡上 Ⅶ492820670坡上 总计402712 6059533 2． 4 火情评估与诊治 2． 4． 1 火情评估 为了简便快捷地评估矸石山的自燃危险性并实 施有效防治,依据以煤矸石自燃倾向性、漏风供氧、 聚热散热和外界条件为评价指标的矸石山自燃危险 性评价指标体系[20],建立了自燃矸石山火情系统评 估检查表。 评价要素分析结合矸石山的自燃特征, 包括可燃物含量、粒径、孔隙率等内在要素,以及氧 气供给条件、水分条件、矸石山所处的自然环境等外 部要素。 表 4 为以Ⅰ号高温区为例进行的火情系统 评估结果。 通过野外勘察和相关试验研究得出南梁自燃 矸石山Ⅰ号高温区的火情危险性极高,需及时采取 相应的灭火措施。 711 2015 年第 6 期洁 净 煤 技 术第 21 卷 表 4 南梁矸石山Ⅰ号高温区火情评估检查表 评价要素评价要素分级 碳含量极高 较高 ✓适中 较低 低 全硫含量/ S≥4 ✓4S2 S500 500≥t≥400 400≥t≥300 t7 7≥h≥6 6≥h≥5 5≥h≥4✓4≥h≥3h3 着火点坡位✓坡上 坡中 坡下 有害气体✓CO ✓SO2 ✓烃类气体 2． 4． 2 火情系统诊治 根据对高温区火情危险性的评估结果,采用开 沟注浆、挖除和深孔注浆等多种灭火技术以及相应 的防复燃措施,对不同高温区,因地制宜地实施火情 系统诊治措施。 例如Ⅰ号区燃烧面积大,火区中心 温度高,灭火时采用以深孔注浆为主,喷射注浆为辅 的措施,重点实施进风口封堵。 灭火治理的同时,依煤矸石山地形随坡就势进 行削坡整形,消除发生崩塌和滑坡的隐患。 削坡按 照由高到低的原则进行;坡面按高度 1 ∶ 1． 5 进行机 械平整且坡面的长度一般不超过 10 m;设置的反台 宽度为 2 2． 5 m;整形后矸石山的整体坡度不大于 40。 同时,修建柔性坡脚和柔性排水渠,采用土矸 混合全面覆盖山体进行基质改良,全面考虑非生物 环境、生物和景观等各生态要素,栽植以乡土物种为 主的乔灌草,重建生态系统。 3 结 论 本研究紧密结合“倒坡式”堆积的南梁自燃矸 石山治理工程,对其火情及发生动态特征进行跟踪 研究,运用系统分析方法,建立了自燃矸石山火情系 统诊断程序。 1基于系统分析,建立了自燃煤矸石山火情诊 断程序。 该程序有 6 个阶段准备、现地火情勘查、 室内分析、火情评估、灭火防复燃施工以及贯穿全程 的动态调整。 在其指导下,可迅速准确掌握自燃矸 石山的火情,并因地制宜地制定灭火防复燃措施。 2自燃矸石山火情诊断要依据煤矸石的理化 特征及其所处环境条件进行分析。 南梁矸石山的自 燃发生动态经历了潜伏自热、加速氧化升温和稳定 燃烧 3 个时期,而这一过程在系统内外要素相互作 用下呈现复杂性和不确定性,这可通过对通风条件 和水分状况的控制而得到消解。 3该矸石山的燃点从垂向结构来说位于地下 约 3 m 处,这是由“烟囱效应”供氧机制导致的;从 平面结构上来看位于斜坡中上部,源于煤矸石自身 的热传导性差,而中上部矸石颗粒小,致使透气性 差,散热速率更低。 4基于系统分析方法建立的自燃矸石山火情 诊断程序可全面掌握火情特征,为制定灭火防复燃 措施提供依据。 而且,这种采用系统分析矸石山火 情的思路,可成为今后此类矸石山治理的方向。 参考文献 [1] 黄文章,邱贤德,王建中,等. 金刚煤矿矸石山煤矸石自燃机理 分析[J]. 重庆大学学报自然科学版,2001,24467-70. 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