煤矸山治理
Ⅰ 煤矸石山的生态环境危害
煤矸石露天堆放，一方面压占大量的土地，另外暴露在空气中极易发生一些物理化学反应，发生自燃、扬尘等现象，对矿区及其周边地区的大气、水体等造成严重污染；另一方面煤矸石山在外力的作用下还可能发生坍塌、泥石流等地质危害，产生生态破坏、景观破坏，引发社会问题，最终危害矿区的生态安全和人类健康（图1-1）。
图1-1 煤矸石山可能引起的生态环境危害
一、煤矸石山的物理危害
1.占压土地
煤矸石是我国目前工业排出的固体废弃物中数量最大的一种。据统计，我国国有重点煤矿现有煤矸石山1700多座，堆积量达50×108t以上，占地面积超过20000hm2，而且随着煤炭的开采，煤矸石以每年约5×108t的数量增加，约占土地面积300～400hm2，造成了大量土地资源的浪费，使农民失去土地，也破坏了原有的土地结构和景观结构。在我国人多地少的基本国情下，矸石山占用大量的土地资源，加剧了人地矛盾，对社会和经济发展造成的影响已不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用，或进行绿化复垦，进而减少和消除矸石堆放所占用的宝贵的土地资源（图1-2）。
图1-2 煤矸石的堆积压占了大量的土地
2.扬尘对大气环境的污染
煤矸石在空气中很容易发生风化，遇风会产生扬尘现象。由煤矸石引起的细小粉尘颗粒物质进入人体肺部，导致如呼吸道、肺部的疾病，甚至导致癌症；大粉尘颗粒进入眼、鼻、嘴等器官，容易引起感染，特别是风化粉尘中常常含有对人体有害的重金属元素和有机元素，危害人体健康。另外，颗粒悬浮于大气中容易造成气候异常。
3.煤矸石山引发的地质灾害
自然堆放的煤矸石由于堆放方式、自燃、风化等原因，使得煤矸石山很不稳定，从而极易引发地质灾害。
（1）煤矸石山崩塌和滑坡。煤矸石山多为自然堆积而成，具有坡度大、内部结构疏松的特点，而且受矸石自燃等的影响，煤矸石山非常容易发生崩塌、滑坡。如1994年，山东枣庄煤矿北煤井一矸石堆发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤。
（2）煤矸石泥石流。山区煤矿大多数直接将煤矸石倾倒于沟谷中，这些结构疏松的煤矸石成为泥石流的物质源，一旦山谷中由于降雨等形成较强的径流条件，即可形成泥石流灾害。如2004年5月，重庆市万盛区的煤矸石山发生泥石流，造成了严重的人员伤亡，有5人遇难，16人失踪，14间房屋被埋。2009年6月，重庆合川双凤煤矸石山引发泥石流，将两村民埋没死亡。
（3）煤矸石山爆炸。选煤厂煤矸石和其他具有一定热值、硫含量较高的煤矸石堆积而成的煤矸石山，一般发热量可达到3350～6280J。此类煤矸石山由于内部发热，并随着温度的蓄积，温度最高可达800～1200℃，形成一个高温高压的内部环境。风化后的煤矸石山表面覆盖了一层较细的风化颗粒，内部热量和瓦斯气体散发不出来，当煤矸石山内瓦斯气体的浓度达到一定程度，极易产生爆炸，并引起崩塌、滑坡等地质灾害，对附近居民的安全造成严重威胁。
自燃煤矸石山爆炸时释放出大量的热能，瞬时温度可达2300～2500℃。爆炸抛出的高温矸石可引起周围建筑火灾，烧毁周边的树木、工厂设备，烧伤人员，也是引发连续爆炸的主要热源。图1-3所示是某座矸石山发生爆炸产生的高温热浪将20多米远的树木叶子烧焦，可见爆炸产生热量之高，危害之大。
图1-3 矸石山爆炸产生高温热浪对环境的破坏
图1-4 矸石山爆炸产生粉尘对环境的破坏
自燃矸石山爆炸不仅产生高温，而且爆炸压力也很高。高压可以促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，其传播速度可达2340m/s，对矿井地面建筑和器材设施造成破坏，同时，冲击波可扬起大量矸石粉尘，并使之参与爆炸，造成局部粉尘的连续小爆炸，形成更大的破坏力。冲击波可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散，甚至破坏。据研究，当冲击波大面积作用于建筑物时，波阵面超压在20～30kPa内，就足以使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏（图1-4、图1-5）；超压在100kPa以上时，除坚固的钢筋混凝土建筑外，其余部分将全部破坏。
图1-5 平煤四矿“2005年5月15日”煤矸石爆炸事件灾后房屋
2005年5月，河南平煤集团煤矸石山发生自燃崩塌，造成周边房屋严重破坏和人员伤亡；另外在抢险过程中，煤矸石山又发生3次喷发，造成8人遇难，122人灼伤。焦作矿区1988年的一次矸石山爆炸，造成6名儿童死亡。矸石山爆炸已经是我国煤矿常见的地质灾害，给矿区人民的生产生活造成了极大的伤害和财产损失。2001年5月13日，阳泉一矿正在使用的排矸场上，发生一起煤矸石山爆炸事故，造成一人死亡。据不完全统计，我国每年发生的矸石山地质灾害几十起。由此可见，我国煤矸石山安全现状不容乐观。
4.煤矸石山的水土流失
自然堆放的煤矸石山一般坡度较大，有些煤矸石山的安息角高达40°以上。由于煤矸石的粒径较大，堆放初期，表面的煤矸石风化程度低，煤矸石山入渗能力较强。随着表面煤矸石风化程度的提高，入渗能力逐渐降低，使得煤矸石山表面径流加大，造成土壤的冲刷。近年来煤矸石堆放一般需要经过压实，经过机械碾压的煤矸石山表面由于形成致密的“不渗层”，在暴雨天气下其上覆盖的表土极易造成严重的水土流失（图1-6）。
图1-6 阳泉煤矸石山的水土流失现象
二、煤矸石山的化学危害
1.自燃的危害
由于煤矸石山中含有一定量的残煤、碳质泥岩、废木材等可燃物和易氧化释放热量的硫铁矿和硫等化学物质，野外露天堆放的煤矸石极易发生自燃。首先是煤矸石里的黄铁矿（FeS2）氧化产热，当温度达到可燃物的燃点时，引起残煤、炭质等可燃物质的自燃，进而导致起煤矸石山自燃。自燃后的煤矸石山内部温度可达800～1200℃，并释放出大量CO、CO2、SO2、H2S、氮氧化合物、苯芘等有害气体（表1-5）。
在供氧不足时，主要产生的气体为：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
当供氧充足时，碳质物和黄铁矿的氧化反应更激烈：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
在高温作用下：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
表1-5 中国部分自燃煤矸石山污染监测结果 单位：mg/m3
据统计，全国国有重点煤矿所属的1700多座煤矸石山中，约1/3的矸石山正在发生燃烧。其中，山西阳泉煤业集团累计矸石量达1×108t，现有大小煤矸石山20多座，而且大部分都在自燃。煤矸石在自燃过程中放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体并伴有大量烟尘。常年自燃的矸石山，每平方米燃烧面积每天将向大气排放出CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S和NOx 2g。大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体的释放，不仅对矿区环境造成破坏，而且对周围居民的急、慢性疾病的发生率均有显著影响。煤矸石自燃时大量SO2、NOx进入大气，还是造成酸雨的源头之一。另外，煤矸石在露天堆放时，矸石表面会风化成粉尘，在风力作用下，整个矿区飞沙走石，遮天盖日，全都笼罩在黑色煤尘包围之中，对周围大气环境造成严重不良影响。
我国矸石山自燃以黄河中上游一带较为严重，如宁夏的大部分煤矿矸石山，内蒙古的乌达矿矸石山，陕西的铜川矿区矸石山，山西太原西山煤田的东西矿区矸石山、阳泉煤业集团煤矸石山，河南的焦作、平顶山等矿区矸石山均发生大面积自燃，不仅污染大气，还影响人体健康。例如，阳煤集团现在堆积有20多座矸石山，年排矸量约700×104t。由于大量洗矸和部分洗矸中的煤源源不断地堆上了各矿的煤矸石山，一至四矿4座特大型煤矸石山先后发生了大面积自燃，煤矸石山自燃严重污染了排矸作业环境，影响排矸工人身体健康。在排矸现场的工人，经常发生SO2和CO中毒症状，被送往医院抢救。经阳煤集团环境监测站采样监测，SO2平均浓度为19mg/m3，CO为125.9mg/m3，在排矸场局部地区SO2最高浓度达138mg/m3，CO最高浓度达237mg/m3，分别超过国家大气环境质量三级标准196倍和10.9倍，对排矸场周围的农作物和居民都造成了严重污染，使村、矿矛盾尖锐化。例如：铜川矿务局6个自燃矸石山周围均为癌症高发区，在矸石山附近工作过5年的职工，都患有肺气肿。我国乌达跃进选煤厂矸石山燃烧区附近检测结果：SO2平均浓度为10.69mg/m3，超过国家标准70多倍，而H2S平均浓度为1.57mg/m3，超过国家标准150多倍。
煤矸石山自燃产生大量CO、SO2等有毒有害气体。一座煤矸石山自燃可长达十余年至几十年，由于长期释放大量有毒有害气体造成了严重的大气污染，使得自燃煤矸石山周围地区呼吸道等发病率明显高于其他地区（图1-7、图1-8）。煤矸石山自燃释放出的SO2等气体对绿色植物的叶片细胞产生危害作用，导致叶绿素枯死。SO2浓度严重超标，还会导致一些敏感植物死亡。SO2对绿色植物的污染受害浓度见表1-6。
图1-7 煤矸石山的自燃产生大量有毒有害气体
图1-8 阳泉煤矸石山的自燃
表1-6 SO2对绿色植物的污染受害浓度
续表
2.酸性水污染和有毒重金属污染
矸石风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水而移动，风化物中有毒元素等某些成分可随降水渗入土壤、进入潜流和水系等。据研究表明，矸石中氯离子、碳酸氢根、镁离子、钙离子、钾离子、钠离子组成和含量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，影响矸石山上的植物生长。严重的是，矸石中含有多环芳烃等多种微量重金属元素，这些有毒重金属元素通过雨水淋溶渗入土壤或进入水域，对水环境和土壤环境造成污染，其污染程度则取决于这些元素的含量、煤矸石pH和淋溶量的大小。这些重金属元素被农作物吸收，同时通过食物链进入人体，危害人体健康。煤矸石中淋溶析出的金属元素有Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Al、Ca等，它们的排放与转移会对接纳水体造成污染（图1-9）。Cd、Pb、Hg、Cr、As等重金属离子的毒性非常大，能在环境中蓄积于动植物体内，对人体健康产生长期的不良影响，会引起急、慢性中毒，造成人体肝、肾、肺等组织的伤害，严重时甚至能够导致畸形、癌变和死亡。
图1-9 煤矸石山淋溶产生的酸性矿山废水严重污染周围的土壤和水体
我国许多地区煤矸石含硫量较高，如山西阳泉煤矸石含硫量5.77%，四川南桐煤矿矸石含硫量18.93%，贵州大枝煤矿8%～16.08%，煤矸石中的黄铁矿经过氧化、淋溶作用，形成富含硫酸根、铁、重金属等有毒元素的酸性水；煤矸石山自燃产生的SO2、CO2等与水分子结合，也易使煤矸石山土壤酸化，有的煤矸石山土壤pH可达到3。如2006年甘肃雷坛河遭煤矸石侵袭，致使两万人饮用水源受威胁。河道的一大半已经被一座上面宽约2m、下面宽约10m、高约5m、绵延约200m的煤矸石山占据，底部的煤矸石全部浸泡在河水中，严重污染了河水，使饮用水水源遭到污染。
3.煤矸石对环境的放射性污染
在长期的堆积过程中，煤矸石中放射性元素大量析出，使空气中的放射性元素浓度增大，超过其本底值造成辐射污染。煤矸石中天然放射性元素主要为铀-238、钍-232、镭-226、钾-40。据山西省阳泉等矿区监测，矸石中的天然放射性核心元素均高于原煤和土壤中的相应数值。
依据我国《放射防护规定》、《建筑材料放射卫生防护标准》和《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》中的有关规定，结合全国部分地区土壤放射性核元素含量，可以认为煤矸石不属于放射性废物，而属于一般工业固体废物。煤矸石即使100%用于建材制品，亦满足有关放射性限制标准和卫生防护限制规定。
三、煤矸石山对矿区景观的破坏
煤矸石山的堆放直接改变了原有土地的结构和功能，毁坏了原有的植物生态系统，使原有土地变成了寸草不生的“石质荒漠”；另外煤矸石多为灰黑色，且大部分煤矸石山山体高大，有的甚至高达100多米，巨大的光秃秃的黑色煤矸石山成了煤矿区最主要的标志物，与矿区周围山体、植被、农田等自然景观极不协调；自燃煤矸石山还冒着白色的烟雾，严重破坏了矿区的自然景观（图1-10）。
图1-10 煤矸石对矿区景观的破坏
煤矸石山的风蚀扬尘、尘埃等颗粒物覆盖在建筑、植物、道路等之上，使其失去原来色调；煤矸石扬尘降低了空气的清洁度和光照度；煤矸石山流水和经雨水冲刷带下的煤矸石风化物，破坏水体景观。煤矸石堆放产生的粉尘、自燃产生的有毒有害气体等对植物生长存在很大的影响，如植物叶色变黄、生长速度降低、草地植被种类减少等，对矿区的生态系统和植被景观产生了严重破坏（图1-11）。
图1-11 煤矸石山对矿区景观的破坏
Ⅱ 煤矸石山自燃的特征及防治措施
一、煤矸石山自燃的特征
煤矸石山由大量颗粒状煤矸石堆积而成，根据其堆积形状、煤矸石粒级等特点，煤矸石山自燃具有如下特点。
1.迟滞自燃、燃烧时间长、容易复燃、燃烧面积大
阳泉一矿、二矿、三矿、四矿的自燃煤矸石山，仅“八五”期间，共投入1270万元进行灭火治理，当时治理效果很好，但日后局部坡面仍出现二次复燃，一般灭火后半年内出现复燃的情况较多，也有灭火后2个月内开始复燃的。所以。阳煤集团的绝大多数煤矸石山表现为易复燃的特征。
例如，阳泉三矿280矸石山是25年前堆积的，现已成为二矿的工业广场，周围是居民区。该煤矸石山于1995年底发现自燃，且自燃速度很快，自燃面积很广，造成巨大损失，不得不搬迁居民区，改建工业广场。通过分析认为，该矸石山表面经长年风化，其表层的可燃物已很少，但矸石山内部和底部逐渐形成了供氧氧化条件和易于积聚热量的环境，是典型的迟滞自燃型，其特点是自燃过程放出的有毒有害气体少，不易被人发觉，当人们发觉煤矸石山发生自燃后，其火势发展已难以有效控制。
2.煤矸石山自然堆积结构疏松，透气性好
阳泉矿区煤矸石山大多数是根据矿区的地理情况自然堆积而成，从而造成矸石山结构疏松，并且由于长期雨水的侵泡、淋溶和自燃造成矸石山表面下层结构疏松。因此造成表面大片的矸石山下沉和边坡的坍塌、滑坡，从而形成许多透气性好的大的自然裂缝。
3.煤矸石含硫量高
煤矸石中硫化铁的含量很高，大量的硫化铁氧化燃烧并蓄热导致燃烧中心温度很高，高温对煤矸石山自燃的蔓延有决定性作用。
4.自燃煤矸石山具有一般大体积多孔床燃烧的特性
（1）煤矸石山燃烧区的扩展方向
煤矸石山自燃或外因引燃后，多孔床内存在燃烧区、燃尽区、预热区和非燃烧区。最高温度位于燃烧区内，随着燃烧带不断转移和扩展，更多的可燃物燃烧并放出更多热量，使煤矸石山燃烧强度不断增加，燃尽区不断扩大，一般情况下，燃烧区总是向新鲜空气进入方向扩展。
（2）煤矸石山燃烧产物毒性大
煤矸石山的氧化或放热速度不是由化学反应控制，而是受供氧速度的限制，由于内部燃烧许多情况下处于阴燃状态，燃烧不完全，所以燃烧产物毒性比较大。
（3）煤矸石山燃烧带的位置
燃烧带的位置取决于煤矸石山产热和散热速率之间的平衡，只有产热速率等于或大于散热速度时，燃烧才会维持并蔓延。
（4）煤矸石山深部氧气的供应
煤矸石山深部氧气的供应，或靠分子扩散，或靠空气对流，后者可能是由于内部温度分布不均引起的热对流或由地面风场引起的动力对流，而煤矸石山内部热量的散失，或靠传热，或靠空气对流。
（5）煤矸石山自燃温度和空气流动分布不均
煤矸石成分比较复杂，包括可燃物质和惰性物质。由于煤矸石粒度大小等不均匀，造成自热速度、温度分布、空气流动速度，以及自燃发生时间和自燃后燃烧强度分布不均匀，也导致温度和空气流动分布不均匀。
5.煤矸石山又有不同于其他多孔床的一些燃烧特性
燃烧的发展过程十分缓慢而隐蔽，燃烧带厚度比其他多孔床如自燃煤堆大，燃烧强度相对较低；由于煤矸石及其燃烧产物隔热性能良好，空气在空隙中流动速度很低，使得煤矸石山燃烧区域在初期呈不连续且这种状态可能保持较长时间；燃烧火区的转移和扩大主要靠火焰或阴燃传播以及热气流传播等；煤矸石山深部残留煤的自热过程，是矸石山自燃的主要原因，如果局部范围煤矸石温度仍高于煤矸石山自燃的临界温度，一定时期后经灭火治理的煤矸石山仍会复燃；煤矸石的矿物成分和化学成分非常复杂，其中可燃物质主要是由C、H、S等组成的物质，如硫化物、油页岩、碳质沉积物、残存煤和杂物等，由于煤矸石的堆积模式，煤矸石燃烧一般是在供氧量不足情况下进行的，属于不完全燃烧。
上述的煤矸石山自燃特点给灭火工作带来如下问题：煤矸石山自燃的早期发现比较困难，从而增加了灭火工作量；煤矸石山自燃区的位置诊断比较困难，容易遗漏火区，或盲目扩大灭火范围；大范围着火的煤矸石山，彻底灭火困难，而复燃的可能性也比较大。
二、防治煤矸石山自燃的措施
从阳泉矿区自燃煤矸石山调查发现，其自燃主要是由于煤矸石中含有较高的硫铁矿和可燃性物质。硫铁矿氧化放出并积聚热量，引燃可燃物；加之煤矸石自然堆积，煤矸石间孔隙和通道为空气流通（供氧）提供了条件。所以治理自燃煤矸石山重点应是降温、固硫和隔氧。
1.尽量减少煤矸石中的可燃物，如煤、硫铁矿及炭质岩等
煤矸石在常温条件下与空气中的氧气有良好的结合能力，主要原因是煤矸石中含有可燃物质——主要有煤、硫铁矿及炭质岩。为使煤矸石山不发生自燃，从煤矸石中回收煤炭、硫铁矿等是较为可行的办法。
煤矸石中回收煤炭的方法可分干法与湿法两种。干法相当简单，它是根据煤矸石中含煤量及粒度组成的特点，选择合适孔径的筛子进行筛分，筛分出来的成分热值相对较高，可作为动力用煤。国内也有不少煤矿采用人工拣选的方法从矸石中回收煤炭。一种湿法生产系统与重力选煤法相同，采用重介质分选机及跳汰机进行分选，只不过它处理的对象是煤矸石。我国目前建立专门的矸石洗选厂还很少，而美国、英国、比利时等国家利用这种方法已取得较好的效益。另一种湿法生产系统要比前一种简单，它的主要设备是水力旋流器。粉碎到一定粒度的矸石进入水力旋流器后，借助于离心力，密度小的煤炭从上方排出，而密度较大的矸石则从下面流出。美国、波兰等国都建立了这样的煤矸石洗选厂，同样取得了较好的经济效益。
由于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，也可达到同样的防火效果。但上述清除煤矸石中的可燃物的办法，根据我国国情和阳煤集团每年排放700×104t煤矸石的实际状况是难以实现的。因此根据各矿的情况，可以采用干法、湿法或人工手选的办法做一些可行的工作，以减少可燃物的含量。
阳煤集团五矿所排放的煤矸石中，粒径小于13mm的煤矸石，其发热量为11.3MJ/kg左右，正好符合沸腾炉用燃料的热值标准。为了进一步利用煤矸石资源，同时也作为煤矸石山的一项防火措施，于1997年8月起在煤矸石山上设置了一套干法分选煤矸石系统，用孔径为12～14mm的振动筛来分选煤矸石。该方法在有条件的地方可继续采用，这既有利于开展对煤矸石的综合利用，又是节约能源的一种方法，经济效益显著，同时对防止煤矸石山的自燃和复燃均具有较好的作用。
2.固硫
煤矸石中硫铁矿的氧化放热是煤矸石自燃的一个重要因素，因此抑制硫铁矿的氧化可以有效控制煤矸石的升温和自燃。硫铁矿氧化包括化学氧化和微生物的催化氧化。抑制硫铁矿化学氧化可以通过添加化学材料使得煤矸石表面生成包被层起到抑制氧化的作用；硫铁矿的微生物的催化氧化使氧化速率提高了106倍，为此控制微生物催化氧化成为抑制硫铁矿氧化的关键。目前国内外许多学者进行了大量研究并筛选出许多化学材料用来杀灭氧化亚铁硫杆菌，进而抑制煤矸石中硫化铁的氧化。
3.设计新的排矸方式，降低矸石山坡度和高度，设法隔氧，抑制氧化
我国传统的排放煤矸石方式一般是先将煤矸石拉到矸山的最高处，然后倾倒并使其自然滚落。这种方式的优点是排矸系统比较简单省事，但由于矸石间空隙大，排矸坡面推进速度慢，因而极易造成自燃。研究表明，煤矸石山的堆积高度低于临界高度则不会发生自燃，可采用分层堆积（并压实）的方式，保证每层煤矸石的堆积高度小于其临界高度（如5m），同时降低煤矸石山斜坡的坡度，以降低安息角，从而防止煤矸石山自燃。
国外采用“分层压实、覆土封闭”的排矸方式，收到了非常好的效果。
（1）前苏联顿涅茨矿井设计研究院的做法
将矸石用推土机推至预定的排矸场，推平压实或振动夯实。一般是每铺0.2～0.3m厚就压实一次，尽量减少矸石的空隙率。在矸石堆的边缘和斜坡上用粘土或粉煤灰等惰性材料覆盖并压实，特别是矸石堆的坡底处，大块矸石多，空隙率大，应特别覆盖好并夯实，使矸石覆盖层与地面的接触处形成紧密的统一体。当矸石堆或阶梯式的平台（一般每个平台宽6m，高12m）达到一定的高度停止使用时，在其表面也覆盖一层惰性材料并夯实，这样整个煤矸石堆就形成了一个封闭体。惰性材料覆盖层的厚度一般为30～50cm。通过改变矸石山供氧蓄热条件，也可达到防止矸石自燃的目的。通过对矸石山供氧机理的分析、最小临界风速的确定、矸石与黄土渗透率的测试，可以知道，只要减小矸石的渗透率，使得在自然条件下，矸石山内部的空气流动速度小于临界流速即可防止自燃。为了防止雨水冲垮覆盖层，在阶梯平台上必须设立排水沟，平面堆积的矸石山则采用自然坡度排水。实践证明这种堆积方式是极其有效的。
（2）美国采用的分层堆置法
将矸石用推土机推平、压实。每5m厚的矸石层上覆盖50cm厚的填土，这样一层矸石、一层土交替堆置。矸石堆的边坡也覆盖土壤。随着矸石堆的增高，在已覆盖的边坡种植植物，最后矸石堆的顶面也用土覆盖，并植被作为保护层。在雨水多的区域，矸石堆必须设排水沟。
为了防止煤矸石山发生自燃，阳煤集团通过实践，采用了一套科学的排矸方法，并总结出十六字新煤矸石排放工艺：“自下而上，分层排放，缩小凌空，周边覆盖”，收到了很好的效果。
4.降低煤矸石山的温度
煤矸石山之所以能够自燃，主要是因为煤矸石中的可燃物氧化自热，热量积累，使煤矸石山的温度上升，当温度上升到煤等可燃物的加速氧化临界温度后，煤矸石的温度快速上升，达到煤等可燃物的燃点后，煤矸石山开始自燃。由此可知，可通过测量煤矸石山内部的温度，在煤矸石的温度达到其加速氧化的临界温度之前采用冷却法、灌浆封闭法、低温惰性气体法等方法降低煤矸石的温度，以防止其自燃。这与自燃后再治理相比可大大降低治理成本。
5.尽量防止水浸入煤矸石山
适宜的水分含量可以加快煤矸石中煤和黄铁矿的氧化速率，降低了煤等可燃物质的着火点，对煤矸山自燃起了重要的促进作用。因此通过修建排水沟渠将水排出煤矸石山，成为有效抑制煤矸石自燃的辅助措施之一。
Ⅲ 煤矸石山自燃的条件及过程
一、煤矸石山自燃的条件
煤矸石山的自燃是一个极其复杂的物理化学过程，它必须同时具备三个条件。
1.煤矸石山本身具有自燃倾向
在常温条件下煤矸石与空气中的氧气有良好的结合能力，是煤矸石自燃的基本条件之一。煤矸石山能够低温氧化的物质或可燃物，主要是指黄铁矿和煤，其他有遗弃在矸石中的碳质页岩、腐烂木头、破布、油脂等（表3-1）。
表3-1 阳煤集团洗选煤矸石工业分析
煤矸石的成分分析表明阳泉煤矸石的含硫量较高，尤其是洗矸中的黄铁矿含量更高，比采掘矸高1倍左右，除了三矿为2.12%外，其余各矿高达6%以上，平均为5.77%。洗选煤矸石发热量最高达11926J/g，含碳量最高为30.3%，平均发热量为7997J/g，含炭量在20.6%。根据《煤矿安全规程》（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对自燃起到了很重要的作用。
2.煤矸石山能得到充分的氧气供应
我国许多矿区（如阳泉矿区）一般都是先将煤矸石拉到排矸场的最高处，再用推土机将其推至坡面自由滚落。矸石在重力作用下，斜坡上自由滚落的过程中，大块矸石更多地滚落到矸石山底部，粒径小的矸石多数留在上部，形成了矸石的自然分级。分级的结果形成“烟筒效应”（图3-1），导致矸石堆积疏松，空隙率大，矸石供氧条件好，矸石的渗透率较高。仅依靠分子扩散供氧，便可使矸石温度上升至自燃临界温度以上。
图3-1“粒度偏析”导致产生的空气通道
研究发现，排到矸石山上的矸石从暴露在表面到被其他矸石掩埋到深部的过程中，经历了不自燃带—可能自燃带—窒息带这样的变化。因为上述堆积方式排矸面积大，排矸坡面推进速度极慢，使得矸石可以较长时间停留在可能自燃带。一旦这段时间超过矸石的最短自燃发火期，就有可能发生自燃。
可见，不合理的堆积方式给矸石的持续氧化提供了良好的条件，这也是导致阳泉煤矸石山自燃的主要外因。
3.具备蓄热条件并达到燃烧的临界温度
当低温氧化反应放出的热量不能及时消散于周围环境中就会导致局部升温，若煤矸石山中有足够的可燃物，且仍能得到充分的氧气供应，环境温度的升高又会促使矸石的氧化反应加速。在达到临界温度点（80～90℃）后，氧化反应速度迅速提高，矸石很快由自热状态进入自燃状态。在自热阶段，若矸石中可燃物不多，无法提供进一步氧化所需的物质基础，或矸石堆的供氧条件与蓄热条件发生变化，使氧化反应产生的热量散失于周围环境中，矸石便不会进入自燃状态。
煤矸石中的可燃物主要是黄铁矿和煤，而氧气及热量积聚的环境，与其堆积结构有关。矸石山在自然堆放（平地或顺坡堆放）过程中，均会发生粒度偏析，在矸石山内产生“烟囱效应”。氧化产生的热量，一部分由“烟囱效应”随空气带出，另一部分则积聚在矸石山中。当某一局部温度达到自燃点时便引起自燃，且逐步向四周蔓延。因此防治矸石山自燃主要应从前两个条件入手。
二、煤矸石山自燃的过程
煤矸石山自燃的历程主要有以下几个阶段：
（1）煤矸石表面吸氧潜伏期
煤矸石中的含碳矿物及黄铁矿等矿物在同空气接触时，空气中的氧会以物理吸附和化学吸附的方式吸附在这些矿物表面，氧气在这些可燃物表面的吸附为可燃物的氧化提供了基础，这是煤矸石自燃的潜伏期。
（2）缓慢氧化自热阶段
煤矸石的缓慢氧化并释放大量的热，从而造成热量积累。表面吸附氧的可燃矿物在环境条件的作用下开始缓慢氧化，主要包括黄铁矿的氧化和含碳物质的氧化过程。这些反应都是放热反应，当氧化放出的热量不能及时散发时，则煤矸石的温度缓慢上升，这是自热期。
（3）热量积累从而加速氧化并自燃
也称为加速氧化和热量积累阶段。随着煤矸石的氧化、自热不断进行，煤矸石的温度升高，当达到煤的临界温度以上时，氧化速率呈指数倍增加，这是加速氧化期。
（4）充分氧化自燃
当煤矸石山中各种可燃物质的氧化放热使煤矸石山的温度升高达到煤及其他可燃物质的燃点时，煤矸石山便进入自燃期。
Ⅳ 煤矸石山防燃措施与灭火注意事项
有效地防治矸石山自燃必然采用综合措施，包括防止外因引起的矸石山自燃、防止自热引起的自燃和早期诊断及早期灭火；弄清矸石山自燃的机理、开发更经济更有效的灭火技术、进而提出有效防止矸石山自燃的措施，是摆在我们面前的一项紧迫任务。我们认为煤矸石防灭火技术应注重以下三个方面。
一、煤矸石山防燃措施
生产矿井必须对进入矸石山的煤矸石定期进行取样分析化验，以确定其自燃倾向性，并建档管理。新建矿井应在矿井地质报告中对不同岩（煤）层的硫、碳等可能引发自燃的元素含量进行检测，确定其自燃倾向性，明确标注于岩层综合柱状图中。
对于黄铁矿含量高和反应活性高的煤矸石，排放前喷洒适量石灰乳液或者添加适量黄土和石灰混合物，中和氧化产酸；防止黄铁矿在酸性条件下加速氧化反应产热，引起自燃。经鉴定为高自燃倾向性的矸石应采取分层堆积方式。
改变目前的“倒坡式”排矸方式，从山沟底部逐渐向上堆积，减少或消灭矸石山边坡，尽可能减小矸石山堆积斜面的坡度。
严禁向矸石山倾倒温度大于70℃的物料和易燃物，如坑木、锯末、生活垃圾等。采掘矸石与洗选矸石应分别堆放。
矸石山有自燃倾向或已发生过自燃的，必须制定具有操作性的管理制度、危害预警措施、应急预案等。煤矿企业要有固定的矸石山管理与灾害治理专业队伍或专职人员。
矸石山自燃倾向性高的煤矿要建立自燃预警管理制度，定期测温及预测、预警、预报机制，并建立相应技术管理资料库。
自燃严重的矸石山，暴雨天气必须封锁安全警戒区，禁止人员和车辆接近。当矸石山出现异常现象，特别是雨雪天应加强监测、监控。
二、煤矸石山灭火注意的事项
灭火前要进行调研，选择技术成熟、先进的灭火技术，制定灭火技术方案。对参与灭火人员进行专业技术培训和安全培训，并配备防护用品，防止人员中毒。
自燃矸石山的灭火工作应遵循尽早进行的原则。矸石山灭火工作宜采取先易后难、先下后上、由外向里的灭火策略，防止灭火过程中发生灾害性事故。大雨和暴雨天气严禁灭火作业。
矸石山自燃严禁用水直接灭火。不宜采用大规模开挖方式灭火，如决定采用该方式灭火，要采取措施释放积存在矸石山内部的可燃气体，防止阴燃区暴露后转成明火，点燃积存内部的可燃气团。
完成灭火后的矸石山必须组织进行验收，并对灭火后的矸石山采取安全措施和生态恢复措施，防止自燃再次发生。
目前使用的单纯注浆灭火、单纯黄土覆盖灭火等各有特色，但最好是将几种方法有机地结合起来，灭火效果会更好。
矸石山边坡灭火，是灭火工程的难点，也是重点。当灭火及覆盖物压实后，要建立和完善必要的防排水工程，用以防止再次复燃。
矸石山浅部火源用重型推土机推开，散热后覆盖压实，其灭火效果也很显著。
矸石山灭火后，要组建和成立必要的日常维护小组，发现问题及时处理，同时对绿化植被也要定时洒水浇灌，这样才能保障灭火和绿化植被效果。
三、煤矸石山日常管理
煤矸石山四周必须设置安全警戒区。安全警戒区内禁止建设永久性建筑，并应在明显位置设立永久性危险标记，防止闲杂人员擅自入内。
煤矸石山堆存量达到设计容量或者因安全原因不允许再堆存煤矸石时，应停止使用。
煤矸石山堆存活动结束后，如不能立即开发利用，必须对矸石山进行安全处置和生态恢复。
Ⅳ 求一篇煤矿矸石山隐患的防范措施
此间参加两会的张明梁代表建议，在重庆万盛区开展建立煤矿采空区治理长效机制的试点，为其他资源型城市转型积累经验，提供借鉴。
重庆市万盛区采煤始于上世纪30年代，是全国100个产煤大县之一，属典型的资源型城市。几十年的煤炭开采，形成了大面积的煤矿采空区。目前，全区煤矿采空区影响面积180平方公里，占全区幅员面积的1／3，涉及11万余人。由于以前采取的措施多具有应急性、一次性、道义性特征，没有从根本上解决问题，由此所滋生的尖锐矛盾长期难以得到解决。
考虑到国家以煤为主的能源结构，以及适应构建设和谐社会的要求，张明梁代表建议，尽快建立煤矿采空区治理长效机制，具体如下：
一、将采空区范围内失去基本生存条件的危房户实行农转非
根据国家新农村建设规划，以及城市化加速发展的趋势，张明梁代表认为，逐步减少采空区农民，是从根本上解决采空区问题的最佳方式。
1．对达到C、D类危房的村民，由国家出资在小城镇周边征用土地，提供给受灾户集中建安置房。
2．在原村社宅基地恢复耕地，与承包地共同转包给其他未搬迁的村民，以解决已搬迁村民部分生活费用。
3．由政府和煤矿企业帮助有劳动力的搬迁村民就业，解决生活问题。已搬迁村民在就业收入、土地转包收入尚未达到低保水平的，由国家按低保政策给予保障。
二、采空区治理资金来源
建议设立生态补偿基金。该资金来源组成是：从2007年开始，对煤矿企业不分所有制，不分所属关系，按照矿井原煤产量每吨10元提取，一律征收“矿区资源开发生态补偿基金”，并进入企业成本。该资金实行属地管理使用，市政府监督，重点用于弥补采空区环境治理与保护、基础设施建设、公共设施建设及农赔等资金缺口。当务之急，该基金主要用于解决采空区C、D类受损农房异地重建资金缺口。长期坚持，可解决采空区问题。
三、对采空区范围内鉴定达到A、B类损害程度的农房，按地质稳定期和采空活动期分类处置
由煤矿筹集资金维修或补偿给农户自行维修，以保证受损害住房正常使用。同时，对采空后已稳定的区域，结合新农村建设，加大基础设施建设力度，改善采空区生产生活条件。
四、兴修水利，保证人畜饮水安全
在采空区周边有条件的地方，国家给予专项安排资金修建水库，确保水源。在采空区影响范围内，而不属于塌陷的地区，结合综合开发，修建小型积雨工程和蓄水工程。
五、加大矿区基础设施建设
1．对老矿区的市政基础设施进行改造。编制南桐矿区老矿区基础设施改造规划，分年度列入国家或市基本建设计划，争取3年内全部解决预计4500万元的老矿区市政设施建设欠账。对老矿区居民生活区的文化、体育等设施在安排专项资金时给予倾斜支持。
2．对原中央下划煤矿企业棚户区改造给予特殊政策。目前，原中央下划的南桐矿业公司居民棚户区近20万平方米。建议编制棚户区改造规划，项目资金补助比照东北地区标准执行。
六、加大采空区重大地质灾害治理力度
1．加大煤矿矸石山治理力度。把大煤矿矸石山治理与矸石综合利用相结合，加大科研力度，给予项目和政策倾斜，优先支持利用煤矸石发电和发展水泥、超细粉末等材料化工产业，从根本上减少矸石山占地和杜绝安全隐患。
2．开展小流域治理和采空区范围内河流治理。一是综合实施水土保持工程；二是加强煤田范围内河道治理，防止河水穿透渗入煤矿井下，保证煤矿生产安全。
3．对重大地质灾害进行专项治理。把煤矿重大地质灾害治理置于三峡库区重大地质灾害治理同等重要的地位，每年安排专项资金，逐步解决重大地质安全隐患。
七、统筹煤田地下采掘与地面建设工作
请重庆市相关部门牵头，在万盛区试点，进一步勘探煤炭资源，统筹规划万盛区范围内地下采掘部署与地面经济社会发展，尽可能降低地下采煤对地面的损害，防止再出现新的采空区治理问题。
这个问题，您也可以移步采石场设备网来获得相关信息。