煤矸山治理
Ⅰ 煤矸石山的生態環境危害
煤矸石露天堆放，一方面壓佔大量的土地，另外暴露在空氣中極易發生一些物理化學反應，發生自燃、揚塵等現象，對礦區及其周邊地區的大氣、水體等造成嚴重污染；另一方面煤矸石山在外力的作用下還可能發生坍塌、泥石流等地質危害，產生生態破壞、景觀破壞，引發社會問題，最終危害礦區的生態安全和人類健康（圖1-1）。
圖1-1 煤矸石山可能引起的生態環境危害
一、煤矸石山的物理危害
1.占壓土地
煤矸石是我國目前工業排出的固體廢棄物中數量最大的一種。據統計，我國國有重點煤礦現有煤矸石山1700多座，堆積量達50×108t以上，佔地面積超過20000hm2，而且隨著煤炭的開采，煤矸石以每年約5×108t的數量增加，約占土地面積300～400hm2，造成了大量土地資源的浪費，使農民失去土地，也破壞了原有的土地結構和景觀結構。在我國人多地少的基本國情下，矸石山佔用大量的土地資源，加劇了人地矛盾，對社會和經濟發展造成的影響已不容忽視，必須加快對煤矸石的綜合利用，或進行綠化復墾，進而減少和消除矸石堆放所佔用的寶貴的土地資源（圖1-2）。
圖1-2 煤矸石的堆積壓佔了大量的土地
2.揚塵對大氣環境的污染
煤矸石在空氣中很容易發生風化，遇風會產生揚塵現象。由煤矸石引起的細小粉塵顆粒物質進入人體肺部，導致如呼吸道、肺部的疾病，甚至導致癌症；大粉塵顆粒進入眼、鼻、嘴等器官，容易引起感染，特別是風化粉塵中常常含有對人體有害的重金屬元素和有機元素，危害人體健康。另外，顆粒懸浮於大氣中容易造成氣候異常。
3.煤矸石山引發的地質災害
自然堆放的煤矸石由於堆放方式、自燃、風化等原因，使得煤矸石山很不穩定，從而極易引發地質災害。
（1）煤矸石山崩塌和滑坡。煤矸石山多為自然堆積而成，具有坡度大、內部結構疏鬆的特點，而且受矸石自燃等的影響，煤矸石山非常容易發生崩塌、滑坡。如1994年，山東棗庄煤礦北煤井一矸石堆發生坍塌，導致17人死亡，7人受傷。
（2）煤矸石泥石流。山區煤礦大多數直接將煤矸石傾倒於溝谷中，這些結構疏鬆的煤矸石成為泥石流的物質源，一旦山谷中由於降雨等形成較強的徑流條件，即可形成泥石流災害。如2004年5月，重慶市萬盛區的煤矸石山發生泥石流，造成了嚴重的人員傷亡，有5人遇難，16人失蹤，14間房屋被埋。2009年6月，重慶合川雙鳳煤矸石山引發泥石流，將兩村民埋沒死亡。
（3）煤矸石山爆炸。選煤廠煤矸石和其他具有一定熱值、硫含量較高的煤矸石堆積而成的煤矸石山，一般發熱量可達到3350～6280J。此類煤矸石山由於內部發熱，並隨著溫度的蓄積，溫度最高可達800～1200℃，形成一個高溫高壓的內部環境。風化後的煤矸石山表面覆蓋了一層較細的風化顆粒，內部熱量和瓦斯氣體散發不出來，當煤矸石山內瓦斯氣體的濃度達到一定程度，極易產生爆炸，並引起崩塌、滑坡等地質災害，對附近居民的安全造成嚴重威脅。
自燃煤矸石山爆炸時釋放出大量的熱能，瞬時溫度可達2300～2500℃。爆炸拋出的高溫矸石可引起周圍建築火災，燒毀周邊的樹木、工廠設備，燒傷人員，也是引發連續爆炸的主要熱源。圖1-3所示是某座矸石山發生爆炸產生的高溫熱浪將20多米遠的樹木葉子燒焦，可見爆炸產生熱量之高，危害之大。
圖1-3 矸石山爆炸產生高溫熱浪對環境的破壞
圖1-4 矸石山爆炸產生粉塵對環境的破壞
自燃矸石山爆炸不僅產生高溫，而且爆炸壓力也很高。高壓可以促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，其傳播速度可達2340m/s，對礦井地面建築和器材設施造成破壞，同時，沖擊波可揚起大量矸石粉塵，並使之參與爆炸，造成局部粉塵的連續小爆炸，形成更大的破壞力。沖擊波可以在它的作用區域內產生震盪作用，使物體因震盪而鬆散，甚至破壞。據研究，當沖擊波大面積作用於建築物時，波陣面超壓在20～30kPa內，就足以使大部分磚木結構建築物受到強烈破壞（圖1-4、圖1-5）；超壓在100kPa以上時，除堅固的鋼筋混凝土建築外，其餘部分將全部破壞。
圖1-5 平煤四礦「2005年5月15日」煤矸石爆炸事件災後房屋
2005年5月，河南平煤集團煤矸石山發生自燃崩塌，造成周邊房屋嚴重破壞和人員傷亡；另外在搶險過程中，煤矸石山又發生3次噴發，造成8人遇難，122人灼傷。焦作礦區1988年的一次矸石山爆炸，造成6名兒童死亡。矸石山爆炸已經是我國煤礦常見的地質災害，給礦區人民的生產生活造成了極大的傷害和財產損失。2001年5月13日，陽泉一礦正在使用的排矸場上，發生一起煤矸石山爆炸事故，造成一人死亡。據不完全統計，我國每年發生的矸石山地質災害幾十起。由此可見，我國煤矸石山安全現狀不容樂觀。
4.煤矸石山的水土流失
自然堆放的煤矸石山一般坡度較大，有些煤矸石山的安息角高達40°以上。由於煤矸石的粒徑較大，堆放初期，表面的煤矸石風化程度低，煤矸石山入滲能力較強。隨著表面煤矸石風化程度的提高，入滲能力逐漸降低，使得煤矸石山表面徑流加大，造成土壤的沖刷。近年來煤矸石堆放一般需要經過壓實，經過機械碾壓的煤矸石山表面由於形成緻密的「不滲層」，在暴雨天氣下其上覆蓋的表土極易造成嚴重的水土流失（圖1-6）。
圖1-6 陽泉煤矸石山的水土流失現象
二、煤矸石山的化學危害
1.自燃的危害
由於煤矸石山中含有一定量的殘煤、碳質泥岩、廢木材等可燃物和易氧化釋放熱量的硫鐵礦和硫等化學物質，野外露天堆放的煤矸石極易發生自燃。首先是煤矸石里的黃鐵礦（FeS2）氧化產熱，當溫度達到可燃物的燃點時，引起殘煤、炭質等可燃物質的自燃，進而導致起煤矸石山自燃。自燃後的煤矸石山內部溫度可達800～1200℃，並釋放出大量CO、CO2、SO2、H2S、氮氧化合物、苯芘等有害氣體（表1-5）。
在供氧不足時，主要產生的氣體為：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
當供氧充足時，碳質物和黃鐵礦的氧化反應更激烈：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
在高溫作用下：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
表1-5 中國部分自燃煤矸石山污染監測結果 單位：mg/m3
據統計，全國國有重點煤礦所屬的1700多座煤矸石山中，約1/3的矸石山正在發生燃燒。其中，山西陽泉煤業集團累計矸石量達1×108t，現有大小煤矸石山20多座，而且大部分都在自燃。煤矸石在自燃過程中放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害氣體並伴有大量煙塵。常年自燃的矸石山，每平方米燃燒面積每天將向大氣排放出CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S和NOx 2g。大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害氣體的釋放，不僅對礦區環境造成破壞，而且對周圍居民的急、慢性疾病的發生率均有顯著影響。煤矸石自燃時大量SO2、NOx進入大氣，還是造成酸雨的源頭之一。另外，煤矸石在露天堆放時，矸石表面會風化成粉塵，在風力作用下，整個礦區飛沙走石，遮天蓋日，全都籠罩在黑色煤塵包圍之中，對周圍大氣環境造成嚴重不良影響。
我國矸石山自燃以黃河中上游一帶較為嚴重，如寧夏的大部分煤礦矸石山，內蒙古的烏達礦矸石山，陝西的銅川礦區矸石山，山西太原西山煤田的東西礦區矸石山、陽泉煤業集團煤矸石山，河南的焦作、平頂山等礦區矸石山均發生大面積自燃，不僅污染大氣，還影響人體健康。例如，陽煤集團現在堆積有20多座矸石山，年排矸量約700×104t。由於大量洗矸和部分洗矸中的煤源源不斷地堆上了各礦的煤矸石山，一至四礦4座特大型煤矸石山先後發生了大面積自燃，煤矸石山自燃嚴重污染了排矸作業環境，影響排矸工人身體健康。在排矸現場的工人，經常發生SO2和CO中毒症狀，被送往醫院搶救。經陽煤集團環境監測站采樣監測，SO2平均濃度為19mg/m3，CO為125.9mg/m3，在排矸場局部地區SO2最高濃度達138mg/m3，CO最高濃度達237mg/m3，分別超過國家大氣環境質量三級標准196倍和10.9倍，對排矸場周圍的農作物和居民都造成了嚴重污染，使村、礦矛盾尖銳化。例如：銅川礦務局6個自燃矸石山周圍均為癌症高發區，在矸石山附近工作過5年的職工，都患有肺氣腫。我國烏達躍進選煤廠矸石山燃燒區附近檢測結果：SO2平均濃度為10.69mg/m3，超過國家標准70多倍，而H2S平均濃度為1.57mg/m3，超過國家標准150多倍。
煤矸石山自燃產生大量CO、SO2等有毒有害氣體。一座煤矸石山自燃可長達十餘年至幾十年，由於長期釋放大量有毒有害氣體造成了嚴重的大氣污染，使得自燃煤矸石山周圍地區呼吸道等發病率明顯高於其他地區（圖1-7、圖1-8）。煤矸石山自燃釋放出的SO2等氣體對綠色植物的葉片細胞產生危害作用，導致葉綠素枯死。SO2濃度嚴重超標，還會導致一些敏感植物死亡。SO2對綠色植物的污染受害濃度見表1-6。
圖1-7 煤矸石山的自燃產生大量有毒有害氣體
圖1-8 陽泉煤矸石山的自燃
表1-6 SO2對綠色植物的污染受害濃度
續表
2.酸性水污染和有毒重金屬污染
矸石風化物無粘結性，礦物顆粒可隨降水而移動，風化物中有毒元素等某些成分可隨降水滲入土壤、進入潛流和水系等。據研究表明，矸石中氯離子、碳酸氫根、鎂離子、鈣離子、鉀離子、鈉離子組成和含量與內陸鹽漬土的鹽分組成和含量相似，影響矸石山上的植物生長。嚴重的是，矸石中含有多環芳烴等多種微量重金屬元素，這些有毒重金屬元素通過雨水淋溶滲入土壤或進入水域，對水環境和土壤環境造成污染，其污染程度則取決於這些元素的含量、煤矸石pH和淋溶量的大小。這些重金屬元素被農作物吸收，同時通過食物鏈進入人體，危害人體健康。煤矸石中淋溶析出的金屬元素有Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Al、Ca等，它們的排放與轉移會對接納水體造成污染（圖1-9）。Cd、Pb、Hg、Cr、As等重金屬離子的毒性非常大，能在環境中蓄積於動植物體內，對人體健康產生長期的不良影響，會引起急、慢性中毒，造成人體肝、腎、肺等組織的傷害，嚴重時甚至能夠導致畸形、癌變和死亡。
圖1-9 煤矸石山淋溶產生的酸性礦山廢水嚴重污染周圍的土壤和水體
我國許多地區煤矸石含硫量較高，如山西陽泉煤矸石含硫量5.77%，四川南桐煤礦矸石含硫量18.93%，貴州大枝煤礦8%～16.08%，煤矸石中的黃鐵礦經過氧化、淋溶作用，形成富含硫酸根、鐵、重金屬等有毒元素的酸性水；煤矸石山自燃產生的SO2、CO2等與水分子結合，也易使煤矸石山土壤酸化，有的煤矸石山土壤pH可達到3。如2006年甘肅雷壇河遭煤矸石侵襲，致使兩萬人飲用水源受威脅。河道的一大半已經被一座上面寬約2m、下面寬約10m、高約5m、綿延約200m的煤矸石山占據，底部的煤矸石全部浸泡在河水中，嚴重污染了河水，使飲用水水源遭到污染。
3.煤矸石對環境的放射性污染
在長期的堆積過程中，煤矸石中放射性元素大量析出，使空氣中的放射性元素濃度增大，超過其本底值造成輻射污染。煤矸石中天然放射性元素主要為鈾-238、釷-232、鐳-226、鉀-40。據山西省陽泉等礦區監測，矸石中的天然放射性核心元素均高於原煤和土壤中的相應數值。
依據我國《放射防護規定》、《建築材料放射衛生防護標准》和《建築材料用工業廢渣放射性物質限制標准》中的有關規定，結合全國部分地區土壤放射性核元素含量，可以認為煤矸石不屬於放射性廢物，而屬於一般工業固體廢物。煤矸石即使100%用於建材製品，亦滿足有關放射性限制標准和衛生防護限制規定。
三、煤矸石山對礦區景觀的破壞
煤矸石山的堆放直接改變了原有土地的結構和功能，毀壞了原有的植物生態系統，使原有土地變成了寸草不生的「石質荒漠」；另外煤矸石多為灰黑色，且大部分煤矸石山山體高大，有的甚至高達100多米，巨大的光禿禿的黑色煤矸石山成了煤礦區最主要的標志物，與礦區周圍山體、植被、農田等自然景觀極不協調；自燃煤矸石山還冒著白色的煙霧，嚴重破壞了礦區的自然景觀（圖1-10）。
圖1-10 煤矸石對礦區景觀的破壞
煤矸石山的風蝕揚塵、塵埃等顆粒物覆蓋在建築、植物、道路等之上，使其失去原來色調；煤矸石揚塵降低了空氣的清潔度和光照度；煤矸石山流水和經雨水沖刷帶下的煤矸石風化物，破壞水體景觀。煤矸石堆放產生的粉塵、自燃產生的有毒有害氣體等對植物生長存在很大的影響，如植物葉色變黃、生長速度降低、草地植被種類減少等，對礦區的生態系統和植被景觀產生了嚴重破壞（圖1-11）。
圖1-11 煤矸石山對礦區景觀的破壞
Ⅱ 煤矸石山自燃的特徵及防治措施
一、煤矸石山自燃的特徵
煤矸石山由大量顆粒狀煤矸石堆積而成，根據其堆積形狀、煤矸石粒級等特點，煤矸石山自燃具有如下特點。
1.遲滯自燃、燃燒時間長、容易復燃、燃燒面積大
陽泉一礦、二礦、三礦、四礦的自燃煤矸石山，僅「八五」期間，共投入1270萬元進行滅火治理，當時治理效果很好，但日後局部坡面仍出現二次復燃，一般滅火後半年內出現復燃的情況較多，也有滅火後2個月內開始復燃的。所以。陽煤集團的絕大多數煤矸石山表現為易復燃的特徵。
例如，陽泉三礦280矸石山是25年前堆積的，現已成為二礦的工業廣場，周圍是居民區。該煤矸石山於1995年底發現自燃，且自燃速度很快，自燃面積很廣，造成巨大損失，不得不搬遷居民區，改建工業廣場。通過分析認為，該矸石山表面經長年風化，其表層的可燃物已很少，但矸石山內部和底部逐漸形成了供氧氧化條件和易於積聚熱量的環境，是典型的遲滯自燃型，其特點是自燃過程放出的有毒有害氣體少，不易被人發覺，當人們發覺煤矸石山發生自燃後，其火勢發展已難以有效控制。
2.煤矸石山自然堆積結構疏鬆，透氣性好
陽泉礦區煤矸石山大多數是根據礦區的地理情況自然堆積而成，從而造成矸石山結構疏鬆，並且由於長期雨水的侵泡、淋溶和自燃造成矸石山表面下層結構疏鬆。因此造成表面大片的矸石山下沉和邊坡的坍塌、滑坡，從而形成許多透氣性好的大的自然裂縫。
3.煤矸石含硫量高
煤矸石中硫化鐵的含量很高，大量的硫化鐵氧化燃燒並蓄熱導致燃燒中心溫度很高，高溫對煤矸石山自燃的蔓延有決定性作用。
4.自燃煤矸石山具有一般大體積多孔床燃燒的特性
（1）煤矸石山燃燒區的擴展方向
煤矸石山自燃或外因引燃後，多孔床內存在燃燒區、燃盡區、預熱區和非燃燒區。最高溫度位於燃燒區內，隨著燃燒帶不斷轉移和擴展，更多的可燃物燃燒並放出更多熱量，使煤矸石山燃燒強度不斷增加，燃盡區不斷擴大，一般情況下，燃燒區總是向新鮮空氣進入方向擴展。
（2）煤矸石山燃燒產物毒性大
煤矸石山的氧化或放熱速度不是由化學反應控制，而是受供氧速度的限制，由於內部燃燒許多情況下處於陰燃狀態，燃燒不完全，所以燃燒產物毒性比較大。
（3）煤矸石山燃燒帶的位置
燃燒帶的位置取決於煤矸石山產熱和散熱速率之間的平衡，只有產熱速率等於或大於散熱速度時，燃燒才會維持並蔓延。
（4）煤矸石山深部氧氣的供應
煤矸石山深部氧氣的供應，或靠分子擴散，或靠空氣對流，後者可能是由於內部溫度分布不均引起的熱對流或由地面風場引起的動力對流，而煤矸石山內部熱量的散失，或靠傳熱，或靠空氣對流。
（5）煤矸石山自燃溫度和空氣流動分布不均
煤矸石成分比較復雜，包括可燃物質和惰性物質。由於煤矸石粒度大小等不均勻，造成自熱速度、溫度分布、空氣流動速度，以及自燃發生時間和自燃後燃燒強度分布不均勻，也導致溫度和空氣流動分布不均勻。
5.煤矸石山又有不同於其他多孔床的一些燃燒特性
燃燒的發展過程十分緩慢而隱蔽，燃燒帶厚度比其他多孔床如自燃煤堆大，燃燒強度相對較低；由於煤矸石及其燃燒產物隔熱性能良好，空氣在空隙中流動速度很低，使得煤矸石山燃燒區域在初期呈不連續且這種狀態可能保持較長時間；燃燒火區的轉移和擴大主要靠火焰或陰燃傳播以及熱氣流傳播等；煤矸石山深部殘留煤的自熱過程，是矸石山自燃的主要原因，如果局部范圍煤矸石溫度仍高於煤矸石山自燃的臨界溫度，一定時期後經滅火治理的煤矸石山仍會復燃；煤矸石的礦物成分和化學成分非常復雜，其中可燃物質主要是由C、H、S等組成的物質，如硫化物、油頁岩、碳質沉積物、殘存煤和雜物等，由於煤矸石的堆積模式，煤矸石燃燒一般是在供氧量不足情況下進行的，屬於不完全燃燒。
上述的煤矸石山自燃特點給滅火工作帶來如下問題：煤矸石山自燃的早期發現比較困難，從而增加了滅火工作量；煤矸石山自燃區的位置診斷比較困難，容易遺漏火區，或盲目擴大滅火范圍；大范圍著火的煤矸石山，徹底滅火困難，而復燃的可能性也比較大。
二、防治煤矸石山自燃的措施
從陽泉礦區自燃煤矸石山調查發現，其自燃主要是由於煤矸石中含有較高的硫鐵礦和可燃性物質。硫鐵礦氧化放出並積聚熱量，引燃可燃物；加之煤矸石自然堆積，煤矸石間孔隙和通道為空氣流通（供氧）提供了條件。所以治理自燃煤矸石山重點應是降溫、固硫和隔氧。
1.盡量減少煤矸石中的可燃物，如煤、硫鐵礦及炭質岩等
煤矸石在常溫條件下與空氣中的氧氣有良好的結合能力，主要原因是煤矸石中含有可燃物質——主要有煤、硫鐵礦及炭質岩。為使煤矸石山不發生自燃，從煤矸石中回收煤炭、硫鐵礦等是較為可行的辦法。
煤矸石中回收煤炭的方法可分干法與濕法兩種。干法相當簡單，它是根據煤矸石中含煤量及粒度組成的特點，選擇合適孔徑的篩子進行篩分，篩分出來的成分熱值相對較高，可作為動力用煤。國內也有不少煤礦採用人工揀選的方法從矸石中回收煤炭。一種濕法生產系統與重力選煤法相同，採用重介質分選機及跳汰機進行分選，只不過它處理的對象是煤矸石。我國目前建立專門的矸石洗選廠還很少，而美國、英國、比利時等國家利用這種方法已取得較好的效益。另一種濕法生產系統要比前一種簡單，它的主要設備是水力旋流器。粉碎到一定粒度的矸石進入水力旋流器後，藉助於離心力，密度小的煤炭從上方排出，而密度較大的矸石則從下面流出。美國、波蘭等國都建立了這樣的煤矸石洗選廠，同樣取得了較好的經濟效益。
由於清除或回收煤矸石中的可燃物，使煤矸石灰分提高到90%以上，也可達到同樣的防火效果。但上述清除煤矸石中的可燃物的辦法，根據我國國情和陽煤集團每年排放700×104t煤矸石的實際狀況是難以實現的。因此根據各礦的情況，可以採用干法、濕法或人工手選的辦法做一些可行的工作，以減少可燃物的含量。
陽煤集團五礦所排放的煤矸石中，粒徑小於13mm的煤矸石，其發熱量為11.3MJ/kg左右，正好符合沸騰爐用燃料的熱值標准。為了進一步利用煤矸石資源，同時也作為煤矸石山的一項防火措施，於1997年8月起在煤矸石山上設置了一套干法分選煤矸石系統，用孔徑為12～14mm的振動篩來分選煤矸石。該方法在有條件的地方可繼續採用，這既有利於開展對煤矸石的綜合利用，又是節約能源的一種方法，經濟效益顯著，同時對防止煤矸石山的自燃和復燃均具有較好的作用。
2.固硫
煤矸石中硫鐵礦的氧化放熱是煤矸石自燃的一個重要因素，因此抑制硫鐵礦的氧化可以有效控制煤矸石的升溫和自燃。硫鐵礦氧化包括化學氧化和微生物的催化氧化。抑制硫鐵礦化學氧化可以通過添加化學材料使得煤矸石表面生成包被層起到抑制氧化的作用；硫鐵礦的微生物的催化氧化使氧化速率提高了106倍，為此控制微生物催化氧化成為抑制硫鐵礦氧化的關鍵。目前國內外許多學者進行了大量研究並篩選出許多化學材料用來殺滅氧化亞鐵硫桿菌，進而抑制煤矸石中硫化鐵的氧化。
3.設計新的排矸方式，降低矸石山坡度和高度，設法隔氧，抑制氧化
我國傳統的排放煤矸石方式一般是先將煤矸石拉到矸山的最高處，然後傾倒並使其自然滾落。這種方式的優點是排矸系統比較簡單省事，但由於矸石間空隙大，排矸坡面推進速度慢，因而極易造成自燃。研究表明，煤矸石山的堆積高度低於臨界高度則不會發生自燃，可採用分層堆積（並壓實）的方式，保證每層煤矸石的堆積高度小於其臨界高度（如5m），同時降低煤矸石山斜坡的坡度，以降低安息角，從而防止煤矸石山自燃。
國外採用「分層壓實、覆土封閉」的排矸方式，收到了非常好的效果。
（1）前蘇聯頓涅茨礦井設計研究院的做法
將矸石用推土機推至預定的排矸場，推平壓實或振動夯實。一般是每鋪0.2～0.3m厚就壓實一次，盡量減少矸石的空隙率。在矸石堆的邊緣和斜坡上用粘土或粉煤灰等惰性材料覆蓋並壓實，特別是矸石堆的坡底處，大塊矸石多，空隙率大，應特別覆蓋好並夯實，使矸石覆蓋層與地面的接觸處形成緊密的統一體。當矸石堆或階梯式的平台（一般每個平台寬6m，高12m）達到一定的高度停止使用時，在其表面也覆蓋一層惰性材料並夯實，這樣整個煤矸石堆就形成了一個封閉體。惰性材料覆蓋層的厚度一般為30～50cm。通過改變矸石山供氧蓄熱條件，也可達到防止矸石自燃的目的。通過對矸石山供氧機理的分析、最小臨界風速的確定、矸石與黃土滲透率的測試，可以知道，只要減小矸石的滲透率，使得在自然條件下，矸石山內部的空氣流動速度小於臨界流速即可防止自燃。為了防止雨水沖垮覆蓋層，在階梯平台上必須設立排水溝，平面堆積的矸石山則採用自然坡度排水。實踐證明這種堆積方式是極其有效的。
（2）美國採用的分層堆置法
將矸石用推土機推平、壓實。每5m厚的矸石層上覆蓋50cm厚的填土，這樣一層矸石、一層土交替堆置。矸石堆的邊坡也覆蓋土壤。隨著矸石堆的增高，在已覆蓋的邊坡種植植物，最後矸石堆的頂面也用土覆蓋，並植被作為保護層。在雨水多的區域，矸石堆必須設排水溝。
為了防止煤矸石山發生自燃，陽煤集團通過實踐，採用了一套科學的排矸方法，並總結出十六字新煤矸石排放工藝：「自下而上，分層排放，縮小凌空，周邊覆蓋」，收到了很好的效果。
4.降低煤矸石山的溫度
煤矸石山之所以能夠自燃，主要是因為煤矸石中的可燃物氧化自熱，熱量積累，使煤矸石山的溫度上升，當溫度上升到煤等可燃物的加速氧化臨界溫度後，煤矸石的溫度快速上升，達到煤等可燃物的燃點後，煤矸石山開始自燃。由此可知，可通過測量煤矸石山內部的溫度，在煤矸石的溫度達到其加速氧化的臨界溫度之前採用冷卻法、灌漿封閉法、低溫惰性氣體法等方法降低煤矸石的溫度，以防止其自燃。這與自燃後再治理相比可大大降低治理成本。
5.盡量防止水浸入煤矸石山
適宜的水分含量可以加快煤矸石中煤和黃鐵礦的氧化速率，降低了煤等可燃物質的著火點，對煤矸山自燃起了重要的促進作用。因此通過修建排水溝渠將水排出煤矸石山，成為有效抑制煤矸石自燃的輔助措施之一。
Ⅲ 煤矸石山自燃的條件及過程
一、煤矸石山自燃的條件
煤矸石山的自燃是一個極其復雜的物理化學過程，它必須同時具備三個條件。
1.煤矸石山本身具有自燃傾向
在常溫條件下煤矸石與空氣中的氧氣有良好的結合能力，是煤矸石自燃的基本條件之一。煤矸石山能夠低溫氧化的物質或可燃物，主要是指黃鐵礦和煤，其他有遺棄在矸石中的碳質頁岩、腐爛木頭、破布、油脂等（表3-1）。
表3-1 陽煤集團洗選煤矸石工業分析
煤矸石的成分分析表明陽泉煤矸石的含硫量較高，尤其是洗矸中的黃鐵礦含量更高，比採掘矸高1倍左右，除了三礦為2.12%外，其餘各礦高達6%以上，平均為5.77%。洗選煤矸石發熱量最高達11926J/g，含碳量最高為30.3%，平均發熱量為7997J/g，含炭量在20.6%。根據《煤礦安全規程》（1992年），含硫量在3%以上的煤和煤矸石都有自燃的可能。煤矸石中存留的大量的煤對自燃起到了很重要的作用。
2.煤矸石山能得到充分的氧氣供應
我國許多礦區（如陽泉礦區）一般都是先將煤矸石拉到排矸場的最高處，再用推土機將其推至坡面自由滾落。矸石在重力作用下，斜坡上自由滾落的過程中，大塊矸石更多地滾落到矸石山底部，粒徑小的矸石多數留在上部，形成了矸石的自然分級。分級的結果形成「煙筒效應」（圖3-1），導致矸石堆積疏鬆，空隙率大，矸石供氧條件好，矸石的滲透率較高。僅依靠分子擴散供氧，便可使矸石溫度上升至自燃臨界溫度以上。
圖3-1「粒度偏析」導致產生的空氣通道
研究發現，排到矸石山上的矸石從暴露在表面到被其他矸石掩埋到深部的過程中，經歷了不自燃帶—可能自燃帶—窒息帶這樣的變化。因為上述堆積方式排矸面積大，排矸坡面推進速度極慢，使得矸石可以較長時間停留在可能自燃帶。一旦這段時間超過矸石的最短自燃發火期，就有可能發生自燃。
可見，不合理的堆積方式給矸石的持續氧化提供了良好的條件，這也是導致陽泉煤矸石山自燃的主要外因。
3.具備蓄熱條件並達到燃燒的臨界溫度
當低溫氧化反應放出的熱量不能及時消散於周圍環境中就會導致局部升溫，若煤矸石山中有足夠的可燃物，且仍能得到充分的氧氣供應，環境溫度的升高又會促使矸石的氧化反應加速。在達到臨界溫度點（80～90℃）後，氧化反應速度迅速提高，矸石很快由自熱狀態進入自燃狀態。在自熱階段，若矸石中可燃物不多，無法提供進一步氧化所需的物質基礎，或矸石堆的供氧條件與蓄熱條件發生變化，使氧化反應產生的熱量散失於周圍環境中，矸石便不會進入自燃狀態。
煤矸石中的可燃物主要是黃鐵礦和煤，而氧氣及熱量積聚的環境，與其堆積結構有關。矸石山在自然堆放（平地或順坡堆放）過程中，均會發生粒度偏析，在矸石山內產生「煙囪效應」。氧化產生的熱量，一部分由「煙囪效應」隨空氣帶出，另一部分則積聚在矸石山中。當某一局部溫度達到自燃點時便引起自燃，且逐步向四周蔓延。因此防治矸石山自燃主要應從前兩個條件入手。
二、煤矸石山自燃的過程
煤矸石山自燃的歷程主要有以下幾個階段：
（1）煤矸石表面吸氧潛伏期
煤矸石中的含碳礦物及黃鐵礦等礦物在同空氣接觸時，空氣中的氧會以物理吸附和化學吸附的方式吸附在這些礦物表面，氧氣在這些可燃物表面的吸附為可燃物的氧化提供了基礎，這是煤矸石自燃的潛伏期。
（2）緩慢氧化自熱階段
煤矸石的緩慢氧化並釋放大量的熱，從而造成熱量積累。表面吸附氧的可燃礦物在環境條件的作用下開始緩慢氧化，主要包括黃鐵礦的氧化和含碳物質的氧化過程。這些反應都是放熱反應，當氧化放出的熱量不能及時散發時，則煤矸石的溫度緩慢上升，這是自熱期。
（3）熱量積累從而加速氧化並自燃
也稱為加速氧化和熱量積累階段。隨著煤矸石的氧化、自熱不斷進行，煤矸石的溫度升高，當達到煤的臨界溫度以上時，氧化速率呈指數倍增加，這是加速氧化期。
（4）充分氧化自燃
當煤矸石山中各種可燃物質的氧化放熱使煤矸石山的溫度升高達到煤及其他可燃物質的燃點時，煤矸石山便進入自燃期。
Ⅳ 煤矸石山防燃措施與滅火注意事項
有效地防治矸石山自燃必然採用綜合措施，包括防止外因引起的矸石山自燃、防止自熱引起的自燃和早期診斷及早期滅火；弄清矸石山自燃的機理、開發更經濟更有效的滅火技術、進而提出有效防止矸石山自燃的措施，是擺在我們面前的一項緊迫任務。我們認為煤矸石防滅火技術應注重以下三個方面。
一、煤矸石山防燃措施
生產礦井必須對進入矸石山的煤矸石定期進行取樣分析化驗，以確定其自燃傾向性，並建檔管理。新建礦井應在礦井地質報告中對不同岩（煤）層的硫、碳等可能引發自燃的元素含量進行檢測，確定其自燃傾向性，明確標注於岩層綜合柱狀圖中。
對於黃鐵礦含量高和反應活性高的煤矸石，排放前噴灑適量石灰乳液或者添加適量黃土和石灰混合物，中和氧化產酸；防止黃鐵礦在酸性條件下加速氧化反應產熱，引起自燃。經鑒定為高自燃傾向性的矸石應採取分層堆積方式。
改變目前的「倒坡式」排矸方式，從山溝底部逐漸向上堆積，減少或消滅矸石山邊坡，盡可能減小矸石山堆積斜面的坡度。
嚴禁向矸石山傾倒溫度大於70℃的物料和易燃物，如坑木、鋸末、生活垃圾等。採掘矸石與洗選矸石應分別堆放。
矸石山有自燃傾向或已發生過自燃的，必須制定具有操作性的管理制度、危害預警措施、應急預案等。煤礦企業要有固定的矸石山管理與災害治理專業隊伍或專職人員。
矸石山自燃傾向性高的煤礦要建立自燃預警管理制度，定期測溫及預測、預警、預報機制，並建立相應技術管理資料庫。
自燃嚴重的矸石山，暴雨天氣必須封鎖安全警戒區，禁止人員和車輛接近。當矸石山出現異常現象，特別是雨雪天應加強監測、監控。
二、煤矸石山滅火注意的事項
滅火前要進行調研，選擇技術成熟、先進的滅火技術，制定滅火技術方案。對參與滅火人員進行專業技術培訓和安全培訓，並配備防護用品，防止人員中毒。
自燃矸石山的滅火工作應遵循盡早進行的原則。矸石山滅火工作宜採取先易後難、先下後上、由外向里的滅火策略，防止滅火過程中發生災害性事故。大雨和暴雨天氣嚴禁滅火作業。
矸石山自燃嚴禁用水直接滅火。不宜採用大規模開挖方式滅火，如決定採用該方式滅火，要採取措施釋放積存在矸石山內部的可燃氣體，防止陰燃區暴露後轉成明火，點燃積存內部的可燃氣團。
完成滅火後的矸石山必須組織進行驗收，並對滅火後的矸石山採取安全措施和生態恢復措施，防止自燃再次發生。
目前使用的單純注漿滅火、單純黃土覆蓋滅火等各有特色，但最好是將幾種方法有機地結合起來，滅火效果會更好。
矸石山邊坡滅火，是滅火工程的難點，也是重點。當滅火及覆蓋物壓實後，要建立和完善必要的防排水工程，用以防止再次復燃。
矸石山淺部火源用重型推土機推開，散熱後覆蓋壓實，其滅火效果也很顯著。
矸石山滅火後，要組建和成立必要的日常維護小組，發現問題及時處理，同時對綠化植被也要定時灑水澆灌，這樣才能保障滅火和綠化植被效果。
三、煤矸石山日常管理
煤矸石山四周必須設置安全警戒區。安全警戒區內禁止建設永久性建築，並應在明顯位置設立永久性危險標記，防止閑雜人員擅自入內。
煤矸石山堆存量達到設計容量或者因安全原因不允許再堆存煤矸石時，應停止使用。
煤矸石山堆存活動結束後，如不能立即開發利用，必須對矸石山進行安全處置和生態恢復。
Ⅳ 求一篇煤礦矸石山隱患的防範措施
此間參加兩會的張明梁代表建議，在重慶萬盛區開展建立煤礦采空區治理長效機制的試點，為其他資源型城市轉型積累經驗，提供借鑒。
重慶市萬盛區採煤始於上世紀30年代，是全國100個產煤大縣之一，屬典型的資源型城市。幾十年的煤炭開采，形成了大面積的煤礦采空區。目前，全區煤礦采空區影響面積180平方公里，佔全區幅員面積的1／3，涉及11萬餘人。由於以前採取的措施多具有應急性、一次性、道義性特徵，沒有從根本上解決問題，由此所滋生的尖銳矛盾長期難以得到解決。
考慮到國家以煤為主的能源結構，以及適應構建設和諧社會的要求，張明梁代表建議，盡快建立煤礦采空區治理長效機制，具體如下：
一、將采空區范圍內失去基本生存條件的危房戶實行農轉非
根據國家新農村建設規劃，以及城市化加速發展的趨勢，張明梁代表認為，逐步減少採空區農民，是從根本上解決采空區問題的最佳方式。
1．對達到C、D類危房的村民，由國家出資在小城鎮周邊徵用土地，提供給受災戶集中建安置房。
2．在原村社宅基地恢復耕地，與承包地共同轉包給其他未搬遷的村民，以解決已搬遷村民部分生活費用。
3．由政府和煤礦企業幫助有勞動力的搬遷村民就業，解決生活問題。已搬遷村民在就業收入、土地轉包收入尚未達到低保水平的，由國家按低保政策給予保障。
二、采空區治理資金來源
建議設立生態補償基金。該資金來源組成是：從2007年開始，對煤礦企業不分所有制，不分所屬關系，按照礦井原煤產量每噸10元提取，一律徵收「礦區資源開發生態補償基金」，並進入企業成本。該資金實行屬地管理使用，市政府監督，重點用於彌補采空區環境治理與保護、基礎設施建設、公共設施建設及農賠等資金缺口。當務之急，該基金主要用於解決采空區C、D類受損農房異地重建資金缺口。長期堅持，可解決采空區問題。
三、對采空區范圍內鑒定達到A、B類損害程度的農房，按地質穩定期和采空活動期分類處置
由煤礦籌集資金維修或補償給農戶自行維修，以保證受損害住房正常使用。同時，對采空後已穩定的區域，結合新農村建設，加大基礎設施建設力度，改善采空區生產生活條件。
四、興修水利，保證人畜飲水安全
在采空區周邊有條件的地方，國家給予專項安排資金修建水庫，確保水源。在采空區影響范圍內，而不屬於塌陷的地區，結合綜合開發，修建小型積雨工程和蓄水工程。
五、加大礦區基礎設施建設
1．對老礦區的市政基礎設施進行改造。編制南桐礦區老礦區基礎設施改造規劃，分年度列入國家或市基本建設計劃，爭取3年內全部解決預計4500萬元的老礦區市政設施建設欠賬。對老礦區居民生活區的文化、體育等設施在安排專項資金時給予傾斜支持。
2．對原中央下劃煤礦企業棚戶區改造給予特殊政策。目前，原中央下劃的南桐礦業公司居民棚戶區近20萬平方米。建議編制棚戶區改造規劃，項目資金補助比照東北地區標准執行。
六、加大采空區重大地質災害治理力度
1．加大煤礦矸石山治理力度。把大煤礦矸石山治理與矸石綜合利用相結合，加大科研力度，給予項目和政策傾斜，優先支持利用煤矸石發電和發展水泥、超細粉末等材料化工產業，從根本上減少矸石山佔地和杜絕安全隱患。
2．開展小流域治理和采空區范圍內河流治理。一是綜合實施水土保持工程；二是加強煤田范圍內河道治理，防止河水穿透滲入煤礦井下，保證煤礦生產安全。
3．對重大地質災害進行專項治理。把煤礦重大地質災害治理置於三峽庫區重大地質災害治理同等重要的地位，每年安排專項資金，逐步解決重大地質安全隱患。
七、統籌煤田地下採掘與地面建設工作
請重慶市相關部門牽頭，在萬盛區試點，進一步勘探煤炭資源，統籌規劃萬盛區范圍內地下採掘部署與地面經濟社會發展，盡可能降低地下採煤對地面的損害，防止再出現新的采空區治理問題。
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