华北煤矸石自燃现象.pdf
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1、2023 年第 9 期2023 年 9 月煤矸石通常界定为煤层中的夹矸和煤层顶板与底板黏土岩1,富含与煤共生的有机碳,其岩性就华北而言主要属于高岭石黏土岩2。华北赋存并主产石炭-二叠纪煤3,因而副产物煤矸石不断出产和累积4。2020年,中国煤矸石综合利用处置率达 72.2%5,但这仍无法满足“双碳”目标下煤炭清洁生产与综合利用的相关要求。华北煤层潜在自燃倾向明显6,且实际自燃也不鲜见。煤与煤矸石原本埋藏于地下,处于化学还原态,因开采出露于地表,成为暴露于富氧空气和水的化学氧化态7。但煤与煤矸石的宿命迥异,煤从出产到燃烧消费的生命期一般不超过 3 个月8,而煤矸石长期滞留于氧化态环境介质中,其生
2、命周期远不止 3 个月。尽管煤或煤层自燃已经多有论述9,但出于煤和煤矸石两者生命期完全不同的考虑,本文还是针对华北煤矸石自燃现象进行讨论。1普遍性秦岭淮河一线以北的华北地区是中国煤炭出产的核心地带,区内赋存丰富的石炭-二叠纪、早白垩纪及侏罗纪等煤系地层。伴随煤炭的大规模开采和洗选,区内积存了煤矸石。周楠等10对全国煤矸石排放量进行了整理,数据显示,截至 2020 年华北煤矸石排放量高达 3.5109t,占全国总排放量的 50%左右。近些年来各地不断加大煤矸石治理力度,实施了煤矸石回填及地表修复,某些矿区还采取了煤矸石井下分离和充填等措施。但客观而言,不论地表回填还是井下回填,不断累积的巨量煤矸
3、石仍然滞留于当代环境介质中。华北断断续续发生煤矸石自燃乃至引起爆炸的事故。1987 年 9 月 4 日,山东枣庄煤矿东井矸石山在经收稿日期:2023-07-10基金项目:国家自然科学基金(41772157,41371449);中央高校基本科研业务费资助(2022YJSMT01)第一作者简介:刘婕,1999 年生,女,云南大理人,在读硕士研究生,主要从事煤火与风化地球化学等方面研究工作。通信作者:梁汉东,1959 年生,男,山东东平人,教授,博士生导师,主要从事环境科学与风化地球化学等方面研究工作。华北煤矸石自燃现象刘婕1,2,高秀龙1,2,梁汉东1,2(1.煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室
4、,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)摘要:在人口稠密而环境与生态敏感的华北袁 不断累积的煤炭副产物煤矸石的自燃倾向袁 关系到对其环境影响的预判及对其处置技术有效性的预判遥 收集了 30 多年来相关文献及零星报道袁 并将煤矸石自燃事故地理坐标与煤炭资源分布图相结合袁 揭示了华北煤矸石自燃现象普遍遥 踏勘并展示了 1 座 60 多年来不断增高且不断覆土的巨型矸石山的景观袁 指出煤矸石自燃现象发生和续存的顽固性与表观上的隐蔽性遥 采样并测试了 5 年前施工并验收的典型填埋场的地表土袁 从而验证了其汞和多环芳烃呈现 渊点冤 面 渊极端冤 严重污染袁
5、 这标志了自燃会导致煤矸石加剧释放其中毒害物质且爆发式污染环境介质遥 还简要探讨了处置煤矸石因自燃而存在的潜在环境风险及关联政策等议题遥关键词:煤矸石曰 自燃曰 普遍性曰 环境污染曰 华北中图分类号:TD75+2.2文献标志码:A文章编号:2095-0802-(2023)09-0010-05Spontaneous Combustion of Coal Gangue in North ChinaLIU Jie1,2,GAO Xiulong1,2,LIANG Handong1,2(1.State Key Laboratory for Fine Exploration and Intelligent
6、 Development of Coal Resources,Beijing 100083,China;2.Collegeof Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Coal gangue,a by-product of coal mining,is continuously accumulated in populous and eco-sensitive North China.Spontaneo
7、us combustion tendency impacted the prognosis of coal gangue environmental effects and disposal technology effectivenessobviously.A summary and visualization of coal gangue combustion in last 30 years was achieved.According to the geographicalcoordinates of coal gangue spontaneous combustion acciden
8、ts and coal resources distribution mapping,it was revealed that thespontaneous combustion of coal gangue was widespread in North China.A local landmark coal gangue hill which was accumulatedand covered with soil repeatedly for more than 60 years was explored.A hidden and continues coal gangue combus
9、tion was found.The top layer cover soil of the coal gangue hill was collected and tested,which was constructed five years ago.Extremely heavymercury and PAHs emissions of points/surface sources were detected.It was believed that spontaneous combustion lead to intensifiedpollutants transferring proce
10、ss from coal gangue to environmental medias.The potential environmental risks and polices of coalgangue disposing with the consideration of spontaneous combustion were also briefly discussed.Key words:coal gangue;spontaneous combustion;universality;environmental pollution;North China(总第 216 期)能源产业10
11、2023 年第 9 期2023 年 9 月过当地连续 7 h 强降雨之后因自燃而突发爆炸,波及附近煤矸砖一厂厂区北半部,致使 8 人当场死亡和 16 人烧伤,而炽热的矸石灰还烧损了周边部分农田庄稼11。1993 年,山西阳泉一矿矸石山发生自燃,导致北头咀村西山坪山沟里的天然水池被严重污染,水体生物绝迹,周围树木全部枯死;此后在 2001 年又发生一起矸石山爆炸事件,造成 1 人死亡12。2005 年 5 月 1516 日,河南平顶山煤业集团四矿的矸石山在降暴雨过程中先后发生 2 次自燃爆炸,造成矸石山以南 100 m 外居民区的 18 间平房被埋压,受损严重的平房附近煤矸石及粉尘平均厚度达 1
12、.1 m,导致 8 人遇难和 122 人受伤13。2005 年,山西忻州窑矿和同家梁矿 2 座矸石山也发生大面积自燃14。从相关文献或报道中共查阅到 53 起华北地区煤矸石自燃事故(见表 1),其坐标叠加到煤炭资源分布图(据中国煤炭地质总局资料)即得到图 1。表 1自燃矸石山信息名称经纬度名称经纬度东欢坨煤矿矸石山118.031 8毅 E,39.384 2毅 N焦作矿区矸石山113.428 9毅 E,35.344 3毅 N蔚县矿区矸石山114.588 9毅 E,39.840 7毅 N平顶山某煤矿矸石山113.321 0毅 E,33.735 8毅 N开滦矿区矸石山113.555 3毅 E,37.
13、868 5毅 N天安四矿矸石山113.293 9毅 E,33.737 3毅 N阳泉荫营煤矿矸石山113.571 9毅 E,37.939 5毅 N平顶山煤业集团四矿矸石山113.132 6毅 E,33.470 3毅 N晋城煤业集团成庄矿 9#排矸场112.759 6毅 E,35.674 7毅 N天安煤业矸石山113.304 1毅 E,33.745 1毅 N平朔安太堡露天矿区矸石山112.288 3毅 E,39.512 3毅 N跃进煤矿矸石山111.187 4毅 E,34.771 4毅 N太原西山矿区矸石山112.486 9毅 E,37.940 3毅 N千秋煤矿煤矸石110.623 7毅 E,22
14、.849 6毅 N大同峰子涧矿区煤矸石112.963 6毅 E,40.047 4毅 N莱芜煤田煤矸石117.659 9毅 E,36.203 1毅 N忻州窑矿矸石山112.746 1毅 E,38.404 2毅 N汶南煤矿矸石山117.722 2毅 E,35.842 8毅 N同家梁矿矸石山113.093 3毅 E,40.019 3毅 N枣庄东井矸石山117.461 3毅 E,35.099 6毅 N汾西矿务局水峪煤矿矸石山118.256 0毅 E,39.977 0毅 N枣庄煤矿矸石山117.359 9毅 E,34.844 9毅 N阳泉一矿矸石山113.600 7毅 E,37.847 3毅 N孙村煤矿
15、矸石山117.687 5毅 E,35.872 7毅 N曹村矿矸石山111.744 5毅 E,36.522 2毅 N肥城查庄矿矸石山116.545 9毅 E,36.221 8毅 N杜儿坪煤矿矸石山112.408 0毅 E,37.835 5毅 N兖州鲍店煤矿矸石山116.857 5毅 E,35.429 7毅 N大同云岗矿煤矸石113.087 7毅 E,40.125 2毅 N神华蒙西棋盘井矸石山107.977 6毅 E,39.089 8毅 N阳泉东坪沟矸石山113.345 6毅 E,38.655 9毅 N乌海公乌素煤矿矸石山106.911 1毅 E,39.344 4毅 N忻州五寨县韩家楼乡一煤厂煤矸
16、石111.587 3毅 E,39.094 8毅 N古拉本矿区煤矸石106.066 4毅 E,39.040 1毅 N忻州豆罗镇向阳村砖厂煤矸石120.632 6毅 E,31.952 6毅 N东胜煤田煤矸石109.961 4毅 E,39.821 2毅 N孝义市煤矸石111.779 0毅 E,37.145 3毅 N大青山煤田煤矸石109.967 1毅 E,40.610 0毅 N大同矿区煤矸石113.177 4毅 E,40.037 0毅 N准格尔煤田煤矸石111.242 3毅 E,39.862 7毅 N阳泉矿区煤矸石113.564 6毅 E,37.878 1毅 N霍林河煤田煤矸石122.256 1毅
17、E,43.622 4毅 N潞安矿区煤矸石113.555 3毅 E,37.868 5毅 N伊敏煤田煤矸石119.755 4毅 E,49.146 7毅 N晋城矿区煤矸石112.907 3毅 E,35.545 6毅 N乌达矿区矸石山106.726 0毅 E,39.505 8毅 N轩岗矿区煤矸石112.434 8毅 E,38.902 0毅 N元宝山煤田煤矸石119.288 6毅 E,42.038 9毅 N汾西矿区煤矸石111.563 9毅 E,36.652 8毅 N汝箕沟矿区煤矸石106.368 0毅 E,39.018 9毅 N新安矿煤矸石112.132 4毅 E,34.728 5毅 N灵武矿区矸石山
18、106.340 0毅 E,38.102 6毅 N凤凰山矿矸石山112.876 8毅 E,35.567 0毅 N图 1 显示煤矸石自燃点主要散落在华北石炭-二叠纪煤田,仅 2 例出现在侏罗纪煤田,即内蒙古鄂尔多斯的棋盘井和东胜煤田;55%的自燃点散布在太行山周边,其中沁水含煤区包含 15 起;13%在山东含煤区;10%在贺兰山的卓贺含煤区,包括宁夏汝箕沟矿区和内蒙古乌达矿区等;其余自燃点零星散落分布在其他含煤区。事实上,华北煤矸石自燃远不止这些,因为相关文献和报道少见非事故的报道,且未见煤炭企业(人员)的主动报道。业内了解,矸石山和煤矸石填埋场通常都在煤矿界内,一般不影响煤炭生产,在环境监察长期
19、乏力的过去半个世纪,煤矿界内对煤矸石自燃问题存在轻视、忽视。尽管如此,图 1 仍有助于得到一个认识:伴随石炭-二叠纪煤炭长期开发而累积并滞留于华北环境介质中的煤矸石,其自燃现象具有一定的普遍性。2隐蔽性与顽固性华北煤矸石自燃现象很难进入学界或公众视野,除非是发生重大人身事故或严重危及居民安全的个例15-16。为了选择煤炭开采的具体方案和保障井下煤炭生产安全,煤炭生产及勘探阶段通常会开展煤层瓦斯预测17-18和煤层自然发火预测19-20,然而迄今未见煤矸石自然发火或自燃倾向预测。煤矸石自燃不至于影响井下安全,而且它是废弃物,早就脱离了煤炭生产环节,这是煤矸石自燃现象具有隐蔽性的外在原因。煤层自燃
20、往往是一个氧化加速甚至急剧加速的过程,在出现一处冒烟点时如果不及时处置,就可能有明火燃起并可能顺煤层蔓延,因为煤层的主要组分就是可燃有机质。煤刘婕,等:华北煤矸石自燃现象112023 年第 9 期2023 年 9 月图 1华北地区煤矸石自燃现象分布图矸石的主要组分则是黏土岩,其中有机质一般不超过15%20%21-22,故其自燃更确切地可称为“隐燃”,过程极其缓慢又相当温和,且表观上无非出现隐隐约约的淡淡青烟,这是其自燃现象具有隐蔽性的内在原因。华北煤矸石自燃现象不但隐蔽而且顽固。位于内蒙古乌达煤田的五虎山煤矿自 20 世纪 60 年代初大规模建井产煤以来,因不断将煤矸石集中堆放而逐渐形成矸石山
21、,2010 年该矸石山发生自然垮塌且暴露出自上而下的剖面(见图 2)。如果没有垮塌,视觉上整个山体就是含煤落尘颜色,而这个灰黑色正是原始煤矸石的常见颜色,让人以为落尘下面的煤矸石依然如故,只不过山体上端表面稍有淡淡的白色(芒硝)或黄色(硫磺),非行家不了解这是仍残留自燃的痕迹(见图 2)。煤矿及矿区灭火工程技术部门为防止矸石山自燃,做出的努力有:2000 年停用该堆放场(启用新场)之时向整座山体覆盖且压实了 1 m 厚的土层(取自黄河滩涂沉积土)(见图 2 中标注的覆盖土),而先前几乎每年也都覆盖新土以应对检查(见图 2 中标注的烧变覆盖土)。事实上,在似煤矸石本色的含煤落尘表层之下,煤矸石已
22、经面目全非,烧变煤矸石犹如爆米花,洁白基色辅以砖红,却不见星点煤痕。这让人感叹,燃尽黑色有机质就是煤矸石的宿命。有些烧变煤矸石块体很像如玉的洁白瓷胎,管海晏等6的著述也多处提到新疆煤火区标志之一就是烧变岩块体的“瓷化”。这很可能正是因为石炭-二叠纪煤系地层的煤层夹矸以及顶板与底板黏土岩(选煤中均并入煤矸石)主要属于高岭石黏土岩2,煤矸石自燃使之瓷化。烧变煤矸石细节图如图 3 所示。图 2五虎山煤矿老选煤厂的矸石山景观煤矸石自燃具有顽固性,只要星点的自燃已经发生,那么不论对其存放场如何压实又如何覆盖土,煤矸石自燃都会持续进行。梁汉东曾连续 7 年暑期陪伴学生开展煤矿环境研究23-30,这期间察觉
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