蜡笔1982
根据煤矸石山自燃条件分析可知，其发生自燃的内因是煤矸石中含有的大量可燃物，外因则是煤矸石山的供氧与蓄热条件。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，但不能得到充分氧气供应，煤矸石不会进一步氧化，自燃也就无从谈起。因此，阻断煤矸石山良好的供氧条件，是防止煤矸石山自燃的有效途径。
一、煤矸石山自燃的历程及临界温度
煤矸石山发生自燃，是一个极其复杂的物理化学过程，从常温状态转变到燃烧状态，其本质是煤矸石中的可燃物质（即黄铁矿和煤）的低温氧化特性，与空气中的氧发生物理吸附、化学吸附和化学反应。物理吸附氧气的吸附热使得煤矸石温度有一微小上升，导致煤矸石内极易被活化的结构活化而吸收氧气，发生化学吸附和化学反应，使得煤矸石结构表面物理吸附氧量减少，促使空气中的另一部分气态氧与煤矸石表面发生物理吸附，使煤矸石的低温氧化进程继续向前发展，不断释放热量。在一定的蓄热条件下，产生的热量大于散失的热量，使得煤矸石山局部温度不断升高，环境温度的升高加速可燃物质的氧化并引发自燃。如图5-2所示，煤矸石自燃分为三个时期。
图5-2 煤矸石山自燃的三个时期
潜伏期。氧气在煤矸石山表面或通过孔隙和裂缝渗入煤矸石山内部吸附潜伏，煤矸石低温条件下缓慢氧化并开始释放热量，从而造成热量积累。
自热期。热量积累，环境自动升温，从而加速煤矸石的氧化。煤矸石的自燃实际上是煤的自燃，从缓慢升温阶段到自动加速阶段时的温度称为煤矸石自燃的临界温度，它因成分不同，一般在80～90℃之间，煤矸石温度超过临界温度，即具备自燃条件。在煤矸石自热阶段，若所含可燃物不充分，无法提供煤矸石进一步氧化所需的物质基础，或煤矸石山的供氧条件与蓄热条件发生变化，从而使氧化反应产生的热量消散于周围环境中，煤矸石山便不会进入自燃状态。
燃烧期。煤矸石充分氧化自燃。
在初始阶段，煤矸石中的黄铁矿和煤在常温t0下与氧气缓慢反应，放出热量，使煤矸石的温度缓慢上升。当矸石温度达到临界温度t1时，反应的速率随着温度的升高而自动加速。一旦温度达到煤的着火温度t2，即开始激烈的反应，这时若燃料、氧气供应充足，燃烧保持稳定地进行。
t1即为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，称临界温度。临界温度t1和着火温度t2不是煤矸石所固有的物化常数，它是化学动力因素和流体动力因素的综合，与煤矸石的化学活性、煤的燃烧活化能、矸石的导热系数、发热量和对周围的环境散热条件等都有关（主要表现为活化能不同）。不同煤矸石的临界温度可用简易的数学模型导出下列计算公式：
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式中：E——煤矸石的活化能，J/mol；
R——气体常量，取值为 J（/mol·K）；
T0——环境的绝对温度，K。
不同的煤矸石有不同的活化能，不同地区的煤矸石山也有不同的环境温度，所以其发生自燃的临界温度也不同。有关文献指出，煤矸石山自燃的临界温度为80～90℃（煤的临界温度一般认为在70℃左右）。在供氧充足的条件下，煤矸石的温度是否达到临界温度是判断其能否发生自燃的重要条件，该温度对指导自燃煤矸石山的灭火也有着重要的意义。
有关研究表明，煤矸石的氧化产热过程遵循以氧气（或燃料）浓度为基础的Arrhenius定律，得出：
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式中：t——氧化产生的热量，J；
q0——氧气的比热容，J/（kg·K）；
C——氧气的体积浓度，mol/m3；
E——煤矸石的活化能，J/mol；
R——气体常量，取值为 J/（mol·K）；
K——反应速率常量；
S——比表面积，m2；
T——反应绝对温度，K。
该定律反映了燃烧的速率与反应物浓度的关系，指出反应速率随反应物氧气的浓度增加而增加的规律。这里所指的反应物可以指可燃物的浓度，也可以指氧气的浓度。如果反映的是可燃物中碳的含量，应表示为参与氧化的碳的多少；当指的是氧气的浓度时，则表示此时参与碳氧化的氧气的浓度，这里的S可以表示与氧气发生反应的可燃物（碳）的单位比表面积。由此可见，在可燃物的量充足的条件下，我们可以通过空气的流通量来分析煤矸石自燃条件，也可通过分析和控制煤矸石山的供氧条件来改变其自燃倾向。
二、煤矸石山氧气传输方式
由上分析得出，煤矸石在自热阶段逐渐升温至自燃，需不断从外界得到氧的供应，而氧气的传输是与煤矸石山中的空气流动分不开的。引起空气在煤矸石山中流动的主要因素有：
1）气温变化引起的煤矸石山的“热呼吸”；
2）大气压变化产生的煤矸石山的“气压呼吸”；
3）由煤矸石山表面自然风引起的空气流动；
4）由空气浓度梯度引起的分子扩散；
5）煤矸石山自热后引起的热对流（烟囱效应）。
由气温变化引起的煤矸石山的“热呼吸”，仅能在煤矸石山表面发生效应，因此产生的热量很快就会散失；由大气压变化引起的“气压呼吸”，由于气体量非常的少而不足以维持煤矸石的自热；由空气浓度梯度引起的分子扩散，在煤矸石山自热升温过程中可能起了激发性作用，但仅靠分子扩散也难以维持煤矸石山长时间的燃烧；由自然风引起的空气流动，因流量具有随时间而变化的性质，仅靠煤矸石山表面的微小风压产生的对流，不是煤矸石山发生自燃并维持自燃的主要因素，而煤矸石山自热后产生的空气热对流（即所谓的烟囱效应或热风压），才是煤矸石山维持长时间燃烧的必要条件。一般认为，在煤矸石的自热过程中，首先是依靠分子扩散及自然对流效应供给煤矸石氧化所需的氧气，一旦煤矸石发生较明显的升温后，热对流就会成为主要供氧途径。
煤矸石发生自热后，温度就会升高，并把热量传递给周围空气，使周围空气受热，密度减小。这时候，煤矸石山内部的空气与外部的空气之间就会产生一个压力差：
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式中：Pi——热风压，Pa；
ρ——环境温度中的空气密度，kg/m3；
g——重力加速度，；
T0——环境温度，K；
T——煤矸石山内部温度，K；
z——煤矸石山垂直高度，m。
因为煤矸石山内部的温度一般高于煤矸石山周围环境温度，在热风压作用下，煤矸石山内部空气向上流动，而外界空气源源不断流入，给煤矸石的氧化继续提供氧气（图5-3）。此外，热风压的大小，和煤矸石山内部温度与环境温度之差有关，温差越大，热风压也就越大；和煤矸石山的堆积高度也有关系，降低其垂直高度可有效减小热风压的大小。
图5-3 自热区与热对流的示意图
热风压产生的风流在煤矸石堆中流动时遵循达西定律，在一维流场中：
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式中：v——气体在煤矸石堆中的渗透速度，m/s；
K——煤矸石堆的渗透率，m2或darcy；
μ——气体的动力粘性系数，Pa·s；
P——热风压，Pa；
x——风流运动距离，m。
但由于空气的动力粘度也会随着温度的升高而增大，故热对流并非是随着温度升高热风压增大而流速加大，而是在某一温度值附近呈现一个峰值（经试验，阳泉矿区的这一温度值为900K）。
设某煤矸石山环境温度为300K，煤矸石堆内部平均温度为350K，据式（5-3）有：
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风流可近似看作平行于斜坡向上运动，流动的距离为：
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式中：δ——煤矸石山的自然安息角。
阳泉煤矸石的平均比表面积直径为，在松散状态下，测得渗透率为×10-9m2，另27℃时空气动力粘度为×10-6Pa·s，若δ 为45°，则煤矸石山内部因热对流造成的空气流速是：
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三、煤矸石山不同区域的供氧条件
煤矸石山不同区域的供氧条件因其人工堆积有所不同，而供氧条件对煤矸石的自燃与否起着极为重要的作用。
根据供氧蓄热条件的好坏，煤矸石山从表面到内部可分为三个区域（图5-4）：
1）不自燃区；
2）自热区（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，矸石升温幅度很小，不足以引起自燃，此即为不自燃区。在煤矸石山内部，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，称之为窒息区。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，此区即是自热区（也称可能自燃区）。自热区的剖面深度与煤矸石的氧化能力、粒度、堆积形态、空隙率以及外界环境条件等有关。
图5-4 煤矸石山自燃分区
在自热区内的煤矸石，如果能不断得到氧气维持氧化反应持续进行，一定时间后，当煤矸石温度上升到燃点，便发生燃烧。在此阶段内如供氧蓄热条件发生变化，煤矸石的氧化反应不能继续进行，自热就会终止，自燃也不会发生。
四、孔隙率对氧气传输的影响
煤矸石山可以看成是一种由粒径形状各异的粒子组成的多孔介质，具有一定的孔隙率。一般情况下，气体在煤矸石山中的流动速度极为缓慢，属于层流状态。根据几何学可知，直径相同的粒子堆积时具有最大的孔隙率。直径相同的球形粒子在空间以立方体形式排列时，孔隙率为；以正斜方形式排列时，孔隙率为；以楔形四面体形式排列时为；以菱面体排列时，孔隙率最小，为。当粒径不相同的粒子堆积在一起时，粒径小的颗粒可以充填到大颗粒之间的孔隙里，使得混合物的孔隙率变小。
煤矸石山的孔隙率对其氧气传输有很大影响，表现在对煤矸石堆透气性的影响（一般用渗透率K表征）。通过对煤矸石山氧气传输途径的研究表明，空气在煤矸石山中的流动，一方面取决于风压（包括自然风压与热风压，主要是热风压），另一方面取决于煤矸石堆的渗透率。因此可以认为，用煤矸石山渗透率的大小可表征煤矸石堆供氧条件的好坏，而煤矸石山渗透率的大小与煤矸石的粒径分布、粒度、形状有关，粒度组成在一定程度上决定了孔隙率的大小，颗粒的大小和形状则决定了空气流通孔道的大小和粗糙度。
实验表明，煤矸石堆的渗透率K与堆积煤矸石的孔隙率及它的平均有效直径d有密切关系：
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式中：K——煤矸石堆中的渗透率，m2或darcy；
ε——指煤矸石堆的孔隙率，%；
d——煤矸石的平均粒径，m；
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由于不同的煤矸石具有不同的风化性质，所以在一定程度上影响着煤矸石堆的透气性。资料表明，经一年风化后的煤矸石山，表层煤矸石的粒径有80%以上在45mm的范围之内，可以认为，煤矸石山表层的煤矸石经快速风化后的粒度组成可以代表煤矸石山表层的颗粒组成。从上式可知，由于煤矸石的风化作用使煤矸石粒度减小，空气在煤矸石山堆中的渗透能力会发生变化。也由此可知，如果煤矸石山表层覆盖不同粒径的土质材料，也会改变煤矸石山中空气的渗透能力。
另外，根据流体在多孔介质中流动的达西定律可知，气体在多孔介质中的渗透率由气体的粘度、渗透距离、气体流速和压差所决定：
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式中：K——煤矸石堆的渗透率，m2或darcy；
μ——气体的动力粘度，Pa·s；
L——气体在煤矸石山水平渗透的距离，m；
v——气体在煤矸石堆中的渗透速度，m/s；
ΔP——压差，Pa。
因此，由上述的二式可以求得自燃点所处的位置距煤矸石堆斜面边坡的水平距L为：
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另外，因煤矸石山的自然安歇角为36°～60°不等，所以煤矸石山的潜在自燃点位置距斜坡表面的水平距离L与其临界深度h临的关系可近似表示为L/h临等于～。假设煤矸石山自燃点的临界深度为～，则该点距斜坡表面的水平距离应为～。
综上所述，煤矸石山的自燃，可通过改变煤矸石堆体的孔隙率或改变堆体表层覆盖物的粒径，来改变煤矸石山自燃条件，达到防止煤矸石发生自燃的目的。
五、煤矸石山发生自燃的临界风速
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，使煤矸石发生升温。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，不会发生自燃。当反应放出的热量小于散热速率时，煤矸石就会逐渐冷却。这一临界值为临界风速。
煤矸石山中风流的作用是双方面的，它既供给煤矸石反应所需的氧，又会带走煤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。对于煤矸石来说，不可能通过增大矸石堆的透气性的方式作为防治自燃的措施，所以关键的是临界风速的下限值。
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堆中的临界风速进行过研究，但研究结果相差极大。经试验，阳泉煤矸石山中空气流速为×10-5m/s时，煤矸石没有发生燃烧，因此可以认为煤矸石山中的空气流速低于它时，不会发生自燃，这是一个比实际值偏小的临界流速。阳泉煤矸石的自燃临界温度为80℃，由前面式（5-3）和式（5-4）分析，此时煤矸石山对应的渗透率应小于×10-10m2。而对于已发生氧化反应并升温的煤矸石山，堆体内部煤矸石温度高，热风压大，要保证热对流速度小于空气的临界流速，对煤矸石山的渗透率要求更为严格。在煤矸石山内部温度为630℃时，煤矸石山的渗透率应小于2×10-10m2。
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第1章 煤矸石与环境 煤矸石对环境的影响 煤矸石对大气环境的影响 煤矸石对水体环境的影响 煤矸石对土壤环境的影响 煤矸石对地面环境的影响 煤矸石的环境治理 防止自燃 微生物脱硫 复垦种植 发展养殖业 发展第三产业参考文献第2章 煤矸石资源化利用概述 煤矸石的分类 煤矸石分类的意义 煤矸石分类 煤矸石分类研究现状 国内外煤矸石资源化利用概况 国外煤矸石资源化利用现状 国内煤矸石资源化利用现状 我国有关煤矸石资源综合利用的政策法规 煤矸石资源综合利用的思考和展望参考文献第3章 煤矸石的物理化学性质 煤矸石的产生 煤矸石的化学组成 煤矸石的矿物组成 煤矸石的物理性质 煤矸石的力学性能 密度和堆积密度 吸水率和塑型指数 多孔性 煤矸石的烧结性能 煤矸石的燃烧特性参考文献第4章 煤矸石化学分析 试剂的配制与标定 普通试剂的配制 标准滴定溶液的配制与标定 标准溶液的配制 煤矸石成分常量分析 试样溶液的制备（氢氧化钠熔融分解试样） 二氧化硅的测定（氟硅酸钾容量法） 三氧化二铁的测定（EDTA?配位滴定法） 三氧化二铝、二氧化钛的测定（EDTA?苦杏仁 酸置换?铜盐回滴定法） 氧化钙的测定（EDTA?配位滴定法） 氧化镁的测定（EDTA?配位滴定法） 硫酸钡重量法测三氧化硫 附着水分的测定 测定用器具 测定步骤 烧失量的测定 测定用器具 测定步骤 测定过程中应注意的事项 氧化钾和氧化钠的测定（火焰光度计法） 测定方法提要 测定所用试剂 测定步骤 艾士卡法全硫测定 方法提要 测定所用试剂 测定步骤 其他测定方法 煤矸石热值的测定 工业分析法测定热值的原理 实验所需设备及用具 水分的测定 灰分的测定（快速灰化法） 挥发分的测定 焦渣特征的鉴定 煤的种类判断 发热量的计算 CID?ICP?AES法同时测定微量元素 仪器装置及操作条件 实验条件 样品制备参考文献第5章 煤矸石活性研究 煤矸石内部结构与活性的关系 新鲜煤矸石（风化煤矸石） 自燃煤矸石 烧煤矸石 煤矸石活性激发的途径 机械活化 热活化 微波辐照活化 复合活化 煤矸石活性试验方法 石灰吸收法 火山灰性试验 强度法 其他方法 煤矸石的热活化研究 煤矸石的热活化 热活化煤矸石的活性试验 保温时间对煤矸石活性的影响 冷却方式的对煤矸石活性的影响 煤矸石热活化机理分析煤矸石的机械力活化研究 煤矸石的机械力活化 机械力活化煤矸石的活性 煤矸石机械活化机理分析参考文献第6章 煤矸石制备碱胶凝材料 碱胶凝材料的性能和特点 碱胶凝材料制备工艺及激发剂类型 制备工艺 激发剂类型 碱激发煤矸石胶凝材料 碱激发烧煤矸石胶凝材料 碱激发烧煤矸石胶凝材料的微观结构 碱激发烧煤矸石胶凝材料的水化硬化机理 碱激发烧煤矸石胶凝材料的影响因素参考文献第7章 煤矸石在水泥中的应用 煤矸石水泥的经济效益和社会效益 煤矸石代黏土生产水泥 生产硅酸盐水泥 生产硫铝酸盐水泥 生产氟铝酸盐水泥 煤矸石作水泥混合材料 生产工艺流程 烧煤矸石作水泥混合材 自燃煤矸石作水泥混合材 煤矸石生产新型水泥流化床煅烧煤矸石生产水泥低温合成煤矸石水泥参考文献第8章 煤矸石在混凝土中的应用 煤矸石作混凝土掺合料 掺用机理 煤矸石性状对混凝土性能的影响 煤矸石掺合料对混凝土性能的影响 煤矸石作混凝土集料 自燃煤矸石轻集料 自燃煤矸石骨料混凝土性能参考文献第9章 煤矸石在建筑制品中的应用 煤矸石制砖 煤矸石烧结砖 煤矸石免烧砖 煤矸石劈离砖 煤矸石瓷质砖 煤矸石砌块 煤矸石混凝土砌块 蒸养煤矸石砌块 煤矸石砌块应用前景 煤矸石陶粒 工艺流程 原材料 技术要点参考文献第10章 煤矸石合成陶瓷 煤矸石合成堇青石 原料及配比 合成工艺 添加剂对堇青石合成的影响 原料性能对堇青石合成的影响 保温时间对堇青石合成的影响 合成堇青石实例 煤矸石合成β? 原料及配比 合成流程 煤矸石合成SiC的反应机理 煤矸石合成 合成方法 氮化还原法制备Sialon的影响因素 合成实例 煤矸石制备其他陶瓷 利用高岭石质煤矸石制备莫来石 利用高岭石质、硅质煤矸石合成Si3N4参考文献第11章 煤矸石在化学工业中的应用 煤矸石制分子筛 原材料技术要求及工艺流程 煤矸石的处理 合成及工艺参数 煤矸石在有机高分子材料中的应用 煤矸石的处理 煤矸石填充橡胶制品 煤矸石填充塑料制品 煤矸石中提取铝的化合物 提取氧化铝 制备结晶氯化铝 制无机高分子絮凝剂（IPF） 生产硫酸铝参考文献第12章 煤矸石在农林业中的应用 煤矸石充填复垦造田 煤矸石充填复垦材料的基本要求 煤田塌陷区土地复垦的主要复垦模式 煤田塌陷区土地复垦的主要技术措施 煤矸石山复垦造林 煤矸石的立地条件 煤矸石山复垦的主要技术措施 矸石山复垦造林树种的选择 复垦效益 煤矸石障蔽改良沙地土壤 煤矸石生产农肥煤矸石生产有机复合肥料煤矸石微生物肥料煤矸石改良土壤参考文献第13章 煤矸石的能源利用 回收煤炭 煤矸石发电 燃烧技术 除尘脱硫技术 煤矸石发电工艺 作为炉窑燃料直接生产水泥 生产其他燃料参考文献第14章 煤矸石作路基材料的利用 煤矸石作路基材料的可行性 煤矸石理化特性分析 煤矸石自燃的问题 煤矸石淋溶液问题 煤矸石作公路路基材料 煤矸石技术要求 无机稳定材料的选择与配合比确定 煤矸石路基的施工 煤矸石在道路工程中的应用实例 煤矸石作铁路路基材料 铁路路基对材料的要求 煤矸石铁路路基施工 煤矸石在铁路工程中的应用实例 煤矸石作路基材料的经济分析参考文献
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