自燃煤矸石范文（精选7篇）
自燃煤矸石 第1篇
煤矸石作为原煤生产中排量最大的工业废渣,其产生量约占煤炭开采量的10%~25%,已成为我国积存量和年产生量最大、占用堆积场地最多的工业废物[1]。煤矸石会在一定的温度和压力下发生自燃,形成自燃煤矸石,约占煤矸石总量的35%左右[2]。铜川是被国家列为陕西省的首个国家级资源型城市和可持续发展试点城市,多年来存积了大量的自燃煤矸石,土地占用以及环境污染十分严重,因此,对自燃煤矸石进行综合利用显得尤为重要。由于自燃煤矸石在自燃过程中矿物组成发生了一系列的转变,具有一定的火山灰活性,现在已经作为混合材广泛应用于水泥生产中[3~4]。汪振双[5]将自燃煤矸石加入到钢纤维混凝土中,孙恒虎等[6]通过掺入矿粉来促进自燃煤矸石胶凝体系钙矾石的形成。周梅[7]等利用复合激发对自燃煤矸石的活性进行了研究。自燃煤矸石在水泥砂浆中的作用,取决于自燃煤矸石的活性以及对活性的激发,自燃煤矸石的应用可以有效减少水泥的用量,减少煤矸石对环境的污染以及对土地的占用。
本文利用X射线荧光光谱仪、XRD以及抗压强度法研究了由于自燃煤矸石结构的疏松程度不同而引起的活性不同。通过物理粉碎、细磨、过筛可以得到活性不同的自燃煤矸石,将自燃煤矸石应用于水泥砂浆中,研究了自燃煤矸石的活性对自燃煤矸石水泥砂浆力学性能的影响。
1 试验部分
1.1 试验仪器
日本产xrf-1800荧光光谱仪,工作电压40kV,电流70mA,日本产D/MAX-2400型X-射线粉晶衍射仪,λ=1.54056,管电压40kV,管电流40mA,扫描范围2θ=10°~80°,扫描速率15°/min。
1.2 原料选择与预处理
本研究所选取的自燃煤矸石为秦岭水泥集团所用的已均化好的自燃煤矸石。先将自燃煤矸石根据颜色进行分拣,将其中红色部分(洗涤后为白色)样品进行破碎、粉磨,过200目筛(≤74μm),将一次过筛样品标记为样品1号样,将筛余的煤矸石全部再进行粉磨、过200目筛,将样品(即二次过筛样品)标记为2号样。水泥为秦岭牌32.5R级普通硅酸盐水泥。减水剂为高效萘系减水剂,早强剂为无水硫酸钠。
1.3 自燃煤矸石成分分析
将样品在110℃烘箱中烘至恒重后取出,放入干燥器中冷却至室温。在分析天平上准确称取(5.0000±0.0002)g混合熔剂及(0.50000±0.0002)g样品于铂金坩埚内,搅拌均匀后滴2滴LiBr饱和溶液,放入高频熔样炉中,设置熔样温度为1000℃,预热时间180s,熔融时间180s,自冷时间120s,风冷时间180s,熔融完毕成片后,在荧光光谱仪上进行测定。
1.4 自燃煤矸石活性测定
将制备好的样品装填到X射线粉晶衍射仪特定的样品板,用玻璃片压实并使其表面平整。将制好的样品板放入X射线粉晶衍射仪的样品架上进行扫描测定。将所测试数据利用Jade软件进行晶相及结晶度分析,以此来判断自燃煤矸石的活性。将1号样与2号样各取50%混合,配成3号样,根据GB2847《用于水泥中的火山灰质混合材料》对自燃煤矸石水泥胶砂28d抗压强度进行对比试验,按GBl77-77《水泥胶砂强度检验方法》测定掺入30%活性混合材料的硅酸盐水泥28d抗压强度与纯硅酸盐水泥28d抗压强度,计算自燃煤矸石活化度。
1.5 自燃煤矸石水泥砂浆试件正交试验设计
根据前期试验结果,确定试验配比为水泥:水:砂=1:0.45:2.5。将标准砂用量固定,选择不同活性的自燃煤矸石、自燃煤矸石用量、减水剂用量及早强剂掺量四个主要影响因素,分别以A、B、C、D表示,各因子分别取3个水平。以胶结料28d抗压和28d抗折强度为考核指标,选择L9(34)安排试验,分析各因素对胶结料强度的影响规律及显著性,最终确定自燃煤矸石胶结料最佳配合比,研究自燃煤矸石活性以及减水剂、早强剂对胶结料性能的影响。
1.6 自燃煤矸石水泥砂浆强度的测定
试验严格按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行,胶砂比为1:2.5,水灰比固定为0.45。投料顺序和搅拌时间严格按GB/T17671-1999标准的规定进行。成型试验时温度保持(20±2)℃,试件尺寸为40mm×40mm×16Omm,试件在室温下养护24h后脱模,脱模后试件在标准养护条件下养护,在龄期达到28d时进行胶结料抗折和抗压强度检测。
2 结果与讨论
2.1 自燃煤矸石成分分析
煤矸石的化学成分一般以氧化物为主,如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等,此外,还有少量稀有元素,如钒、硼、镍、铍等。矿物成分主要由黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石)、石英、方解石、硫铁矿及碳质组成[8]。自燃煤矸石的矿物组成与未燃煤矸石相比有较大差别,原有的高岭石、水云母等黏土类矿物脱水、分解、高温熔融及重结晶,部分结构稳定的晶体被分解破坏,变成无定型的非晶体。表1为利用X-射线荧光光谱仪所测的自燃煤矸石数据。
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分析所测结果可知,样品主要含SiO2和Al2O3,烧失量较小,应为脱去吸附水的过程,且Al2O3:SiO2<1,表明该煤矸石为黏土岩质煤矸石[9],所含结构水在自燃过程中已经失去。对比1号样与2号样,其Al2O3含量差别较大,达到了24.66%,表明煤矸石在自燃过程中由于结构破坏,结构更为疏松的1号样(更易于磨细)Al2O3含量较高。
2.2 自燃煤矸石晶相、结晶度对活性的影响
自燃煤矸石中石英的结晶度会影响其活性,Murata等[10]认为,此结晶度与碱活性有相关性。用x-射线分析所得到的衍射线可以判定石英的结晶度。晶体缺陷较多的石英在68°左右的五指峰峰高度降低而宽度增加。Murata利用2θ=67.74°时(212)面的特征峰,定量得出石英的结晶度指数CI(crys tallization index)如(1)式所示。每台衍射仪的fx数值会不同,b为峰底至基线的高度,a为峰顶至右边峰谷的高度。由于fx数值会因衍射仪的不同发生变化,因此,本研究直接利用Jade软件分析石英的结晶度,以此来快速判定自燃煤矸石的活性。
图1为1号样的XRD谱图,观察图1可知,1号样主要晶相为α-石英,作为煤矸石主要矿相的高岭石结构特征衍射峰已经降低或消失,表明高岭石结晶结构已完全破坏,其转变的偏高岭石结构也已经解体,呈现出无定形物质的衍射特点,表明高岭石已呈非晶态结构特征[11],大量转变为α-石英的结构。而主要成分Al2O3的晶相并不明显。2号样出现了κ-Al2O3特征衍射峰,表明在自然过程中,由于自燃时间充分,Al2O3发生晶型转变,生成了具有IV配位的κ-Al2O3,而1号样Al2O3含量比2号样还多24.66%,但其衍射峰明显宽化,呈现出无定形物质的衍射特点。表明1号样高活性的Al2O3明显高于2号样。因此,1号样活性高于2号样。通过对XRD谱图进行平滑、拟合,利用Jade软件分析出在2θ=67.74°时(212)面特征峰的结晶度,1号样结晶度为31.02,2号样结晶度为69.68。表明1号样活性高于2号样,即在煤矸石在自燃过程中结构破坏更为严重(结构更为疏松,更易破碎)。
2.3 自燃煤矸石活性与活化度的关系
利用强度法测定掺入30%活性混合材料的硅酸盐水泥28d抗压强度与纯硅酸盐水泥28d抗压强度之比,对自燃煤矸石的活性进行评估发现,其比值大于65%,故认为混合材具火山灰活性。水泥胶砂28d抗压强度为51.4MPa。这样的结果表明,样品具较高的火山灰活性,且1号样的活性高于3号样,2号样活性最低。
自燃煤矸石的活性与硅和铝在碱性条件下的溶出能力有关,而该能力与具火山灰活性矿物的结构密切相关。本试验中,自燃煤矸石的高岭石结构已完全破坏,而新的稳定相(莫来石)又没有形成,因此,样品的火山灰活性较高。但是在自燃过程中,由于自燃时间很充分,一部分Al3+转变为κ-Al2O3,Al3+溶出量减少,1号样活化度明显高于2号样。
2.4 自燃煤矸石水泥砂浆试验结果及方差分析
对实测数据进行方差分析结果见表3。由表3可以看出,活化度对胶结料28 d抗压强度影响最显著,自燃煤矸石取代水泥的量对胶结料28d抗压强度影响也比较显著,而早强剂及减水剂的加入量对胶结料28d抗压强度影响不是很明显。对于抗折强度来说,自燃煤矸石替代水泥的量对28d抗折强度影响最为显著,早强剂的加入量对28d抗折强度的影响也比较显著,而煤矸石的活化度及减水剂的加入量对28d抗折强度的影响不是十分明显。通过极差R和K值分析,28d抗压强度最佳配合比为:A3B1C1D2,28d抗折强度最佳配合比为:A2B1C3D2。综合考虑抗压强度及抗折强度可以确定自燃煤矸石最佳的试验配合比为:A3B1C3D2,即用活化度为86.58,自燃煤矸石替代水泥量为25%,减水剂量为1.0%,早强剂量为2.5%。
3 机理分析
3.1 自燃煤矸石活性对水泥砂浆强度的影响
自燃煤矸石原有的高岭石黏土类矿物经过脱水、分解、高温熔融及重结晶而形成新的物相,生成的无定形SiO2和Al2O3,使自燃煤矸石具有一定的火山灰活性。在碱性和硫酸盐激发下经过物理和化学激活,部分结构稳定的晶体也被分解破坏,变成无定型的活性SiO2和活性Al2O3等,进一步生成C-S-H凝胶和钙矾石[13]。因此,自燃煤矸石会表现出一定的水硬活性,其活性越高,水泥砂浆的强度就越大。
3.2 减水剂对抗折强度的影响
加入减水剂,当减水剂与水泥浆作用时,由于高效减水剂分子结构中羧基等活性官能团的存在,会提高水泥浆的分散性和流动性。在水泥浆体拌合物中掺入减水剂,在和易性相同的情况下,可以大幅度减少搅拌用水量,并减少水化剩余水的蒸发以及泌水时留下的孔缝,细化水泥浆体的孔直径,即降低水泥浆体的孔隙率,因此,加入减水剂量越大,其提高硬化水泥浆体密实性的程度越大。
3.3 早强剂对水泥砂浆强度的影响
加入早强剂(硫酸钠),会提高水泥溶液中的离子强度,加快水泥的凝结和硬化进程。硫酸钠会与水泥水化产物中的游离氢氧化钙作用生成石膏和氢氧化钠,提高溶液的pH值,生成的石膏也会促进较多的水化硫铝酸钙生成。同时,pH值的提高也会促进活性SiO2和活性Al2O3中活性成分的溶解。早强剂在掺量适宜的条件下,会与水泥中的C3A和氢氧化钙及自燃煤矸石中的Al2O3反应生成钙矾石,促进水泥浆体密实[14],但早强剂过多会影响水泥砂浆的强度。
4 结语
(1)自燃煤矸石经过了较为充分的自燃过程,部分晶体会转化成具有活性的非晶体,从而使自燃煤矸石具有较高的活性,同时,结晶度越低,其活性越高。
(2)自燃煤矸石疏松程度的不同会造成其活性的不同,利用细磨、筛分可以获得活性不同的自燃煤矸石。
(3)将自燃煤矸石应用于水泥砂浆中,可以有效减少水泥的用量,自燃煤矸石活性越高,水泥砂浆的性能越好。
(4)减水剂可以激发自燃煤矸石的活性,减水剂掺量越高,水泥砂浆的强度就越高。
摘要：利用X-射线荧光光谱仪、X-射线衍射仪以及强度法对自燃煤矸石的活性进行了研究,将自燃煤矸石部分替代水泥制备成水泥砂浆,研究自燃煤矸石活性、用量对水泥砂浆性能的影响。结果表明,煤矸石中在自燃过程中形成的活性物为α-石英、无定形SiO2、κ-Al2O3和无定形Al2O3。自燃煤矸石的疏松程度会影响其活性;晶相结晶度的高低决定自燃煤矸石活性的高低;自燃煤矸石活性越高,其水泥基复合材料体系强度越高。
矸石山自燃事故应急措施 第2篇
防止矸石山自燃灾害事故措施
审 批
编 制： 张 良
通 风 科：
调 度 室：
安 检 科：
总工程师：
通 风 科 2015、1、8
观 音 堂 煤 业
防止矸石山自燃灾害事故措施
矸石山管理是地面安全管理中的一个特殊地点，随着煤矿矸石积存量的增加，矸石山高度日益增高，坡度愈来愈陡，再加上直接受太阳爆晒，深部温度增加，发生矸石自燃，容易对矸石山附近造成安全威胁。为保证安全，特制定如下安全措施：
一、安全管理方面
1、责任单位汽车队在日常工作过程中加强观察，认真做好自主保安工作，发现隐患按及时汇报。
2、安检科要监督措施执行情况，加强现场监督，发现隐患按“五定”原则进行整改。
二、矸石山自燃汇报程序
1、一旦发生矸石山灾害事故，根据事故性质，在保证安全的前提下，组织现场自救，及时实施抢险救援，防止事故扩大。同时向矿井应急救援领导小组办公室（调度室）汇报。安检科负责做好检查监督，2、公司调度室接警人员接到事故电话汇报后，立即向当天公司值班领导和应急救援领导小组组长（总经理）汇报。由应急救援领导小组组长和当天公司值班领导根据事故性质及大小，决定是否启动矿一级应急救援预案。
3、公司调度室按照应急救援人员通知明细表，迅速通知有关领导和人员立即赶到到调度室，成立应急救援指挥部和相应的
工作小组，按照指挥部命令和各自职责全面开展应急救援工作。
三、矸石山自燃现场处理
1、矸石山发生大面积自燃后，必须立即成立应急救援指挥部。要迅速组织人员撤离灾区和受灾害威胁区域。
2、处理矸石山自燃时，应在灾区附近选择安全地点设立救援基地，救援基地应有矿山救护队指挥员，机动小队和急救员值班；并设有通往指挥部的电话，备有必要的装备和救护器材。根据灾害处理情况的变化，救护基地可向灾区推移，也可撤离灾区。
3、由救灾指挥部下令，调度室通知矸石山车房将卸矸箕斗下放。
4、在总工程师到达救灾指挥部后，在生产副总、机电副总、安全副总的协助下：
①查询：火灾地点、类型、原因、风向。火势发展情况； ②然后判断火灾发展趋势，山体崩塌的可能性，火灾发生的直接威胁区，诱发山体崩塌的波及区域等；
③然后向总经理建议须撤出人员的范围，该采取什么样的抢救灭火方案等。矸石山自燃，可根据情况采用挖掘熄灭法、表面覆盖法、喷浆法，控制燃烧法等方法及时进行灭火治理，严禁向矸石山采取冲水、注水等措施。在火灾初期，火区范围不大时，应积极组织人力，物力控制火势，防止火势扩大。
5、总经理作为救灾的全权指挥者，根据灾情和总工程师提出的意见作出决策，发布如下命令：
①组织安全撤离人员的方法； ②组织灭火；
③防止山体崩塌和人员中毒； ④指令各单位执行应变任务。
6、矸石山发生自燃后，救护队必须首先应对灾区进行全面侦察，准确探明灾害性质，原因，范围等情况，为指挥部制订抢救方案提供可靠依据，救灾指挥部查明火区地点，范围和发火原因后，应根据灾害性质和地点，快速选定矿山救护队员，确定抢救人员的行动路线、方法和措施。
自燃煤矸石 第3篇
1有限差分法解析非稳态温度场模型
假定煤矸石山内部的高温热源为球状,其介质为均匀、各向同性,热源周围的放热区域基本恒定, 且热源为单一热源的情况下,符合热传导中的一维非稳态温度场条件,并应用其解析深部温度。已知一维非稳态温度场的微分方程为[6,7]:
式中:T为温度;x为一维空间的位置;τ 为时间;a为热扩散率。
在一维非稳态温度场内,温度随深度x和时间 τ 而变,温度是时间和深度的函数,应用有限差分法求解一维非稳态问题时,将热源的纵向深度空间坐标x离散化,选取深度步长为 Δx,再将时间坐标 τ 离散化,时间步长为 Δτ。将温度值记作Tpm,上标p代表时间步长的序号,下标m代表深度步长的序号,对温度场模型进行有限差分,有:
即得差分方程:
整理后即得煤矸石山深部位置上任一点任一时刻的温度方程:
式中Tpm为 τ = pΔτ 时,某一深度m处的温度值。
基于式(4)在热源处于缓慢升温期、已知热扩散率这一物理参数的基础上,可解析出煤矸石山中某一时刻表面距热源之间任一位置的温度值。
2模型解析计算与结果分析
本实验研究缓慢升温期的热源深部温度变化规律,实验场区位于北京市昌平区一处废弃的煤矸石堆。外界环境温度为15 ℃,风速为0 ~ 3 m/s。为更好地模拟深部火源,特用发热电阻丝制作成球形热源,半径为0. 08 m,以恒定功率加热并向外进行热传导,将温控仪连接热源以调节控制热源温度。温度传感器为T型热电偶,在热源与地面连线的垂直方向上,每隔0. 2 m埋设1个热电偶,依次距热源距离分别为0. 1(靠近热源但不接触到热源)、0. 2、0. 4、 0. 6、0. 8、1. 0、1. 2 m。在热源处埋设1个热电偶以控制热源温度,将热电偶依次连接到温度巡检仪上, 温度巡检仪连接电脑可实时显示并记录每个测温点的温度值,并保存到电脑中。为更真实地模拟实际煤矸石山深部火源的缓慢发热过程,将热源温度由0 ℃ 逐渐增加到接近煤矸石的燃点300 ℃ ,观测时间从8:00至18:00,每个测温点的温度采集时间间隔为1 min,将数据记录并保存。再将每个测点的温度数据按每小时求取平均值作为该时间间隔的最后温度值。实验现场测试的原始数据见表1。
采集煤矸石样品200 g,实验室测定其热扩散率a = 0. 007 24 mm2/ s,时间间隔 Δτ = 1 h,深度间隔 Δx = 0. 2 m,在已知初始时刻的温度随深度变化的函数关系(即已知第一行,初始条件) 及上下边界温度随时间变化的函数关系(即已知第一列和第七列,边界条件)下,根据有限差分法方程式(4),计算出任意时刻、任意深度的温度值,见表2(虚线框内数据为解析值,其他为实测数据)。温度实测值与解析值的误差对比分析见图1。
从表1现场实测数据中可得:
1) 距热源约0. 1 m的测点,在初始加热的时间段内,温升幅度较大,大约5 h后,温度达到稳定阶段,基本稳定在135 ℃左右。
2) 距热源0. 2 m的测点,温升幅度减小,约为56 ℃ ;随着距热源距离的增加,各深度测温点的温升幅度减小,在0. 4 m时,温升幅度约为19 ℃,在0. 6 ~ 1. 2 m内,温升幅度基本稳定在2 ℃ 左右。
3) 在距热源0. 8 ~ 1. 2 m的测点,温度基本维持在20 ℃左右,受热源的热量传递影响较小,基本接近外界的环境温度。
4) 在任何时刻,距热源0. 2 m时,温度急剧下降,降幅明显;在距热源0. 4 m时,温度下降至40 ℃ 左右,下降幅度稍微减小;当距热源0. 6 m时,温度下降至27 ℃ 左右,且随时间的变化温度变化不明显;在距热源0. 8 ~ 1. 2 m内,温度下降幅度较小,基本保持平稳状态,表明距热源距离超过0. 8 m时,煤矸石的导热性极弱,热量传递不明显。
对比表1和表2数据,结合图1分析可得:在距热源0. 2 m,加热4 h时,现场实测温度与模型解析温度的误差为9. 5 ℃,其余测点的误差基本稳定在5 ℃ 以内,可推断该点可能是由于人为操作失误或数据采集系统错误而导致的错误点,应剔除;此距离的测点由于离热源较近,温度变化较快,温升幅度明显,导致利用该模型解析深部温度值时,误差比其他深度的误差偏大,但在可接受的温度范围内。其他测点数据良好,温度实测值与解析值的最大误差为8. 56 ℃ ,最小误差仅为0. 02 ℃ ,该精度足以满足煤矸石山深部温度的定量预测与探测,说明该模型适用于煤矸石山深部温度的解析计算。
3结论
自燃煤矸石 第4篇
关键词：自燃煤矸石,充填采煤,胶凝材料,水泥
1 煤矸石利用现状
冀中能源峰峰集团是从事煤炭开采、洗选加工60多年的老企业, 资源越来越少, 而建筑物下压煤就达2.6亿t, 占总储量的13%。另一方面各矿矸石大量堆存, 不仅占用大量土地, 也对周边环境造成一定污染。如何解决建筑物下压煤的开采和矸石利用, 确保企业可持续发展, 已成为集团公司亟待研究的重要课题。
“十一五”以来, 集团公司依靠科技创新, 针对建筑物下压煤开采和煤矸石利用问题, 积极开展研究和技术攻关。公司将煤矸石用于充填采煤、发电、制砖、做水泥配料、代替石子沙子进行井下喷浆以及沉陷区回填和公路路基填补等, 解决了一个又一个制约企业发展的瓶颈问题, 不仅减少了环境污染, 也推动了绿色生态矿山建设。先后建成了四个坑口矸石电厂, 总装机容量为125 MW;3个煤矸石砖厂, 年产矸石砖2.4亿块;在三个矿井实施了充填采煤。虽然年利用矸石量约240多万吨, 利用量超过了产生量, 但仍有大量煤矸石尚未得到有效利用。
2 积极研究煤矸石用于充填采煤的新途径
实施充填采煤, 不仅使煤矸石得到有效利用, 同时可以解放建筑物下压煤、提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、控制地表沉陷、保护矿区生态环境和地表建筑物不受或少受破坏, 可谓是一举多得的重要途径。同时, 充填采煤可大量利用煤矸石, 实现固体废弃物的资源化利用。目前, 我国应用的充填采煤技术有似膏体充填、膏体充填、矸石回填、高水充填和超高水充填等。但由于充填采煤成本较高, 在很大程度上限制了充填采煤的发展。
峰峰集团于2007年开始研究实施膏体充填、似膏体充填、矸石回填等多项充填技术。但由于技术问题, 推进十分缓慢。近年来, 为满足充填开采各项技术指标的要求, 同时大大降低充填成本, 集团公司结合矿区实际情况, 在对充填采煤的方法、措施不断探索的同时, 重点对充填材料进行了反复研究与试验。
3 新型胶凝材料的研究与试验
目前, 我国采用的充填材料大部分以水泥、矸石、粉煤灰为主。充填材料的含碳量、活性、磨细度与充填成本、充填效果、可操作性密切相关。通过对煤矸石、粉煤灰等材料进行成分分析发现, 含碳量越高, 越易产生离析, 易造成在运送过程中沉淀堵塞管路;并且含碳量越高, 充填凝结强度越低, 增加水泥用量, 提高成本;另外充填材料的活性与成本成反比关系, 活性越高, 成本越低。为降低煤矸石、粉煤灰的含碳量, 激活煤矸石活性, 有些地方采用直接煅烧方法, 煅烧后的煤矸石含有大量活性二氧化硅和三氧化二铝, 这些物质与水泥成分十分相似, 可部分替代水泥的作用。
由于煤矸石中含有一定数量的可燃物, 在适宜条件下会发生自燃, 自燃煤矸石与煅烧后的煤矸石成分基本相同, 具有较高的活性。峰峰集团有多座自燃矸石山, 在实施充填采煤方面存在巨大优势。工程技术人员对自燃矸石山进行了认真分析, 将自燃矸石进行超细磨, 用作矸石充填胶凝材料。经反复研究试验, 结果表明, 磨细的自燃煤矸石活性较高, 可以替代30%以上的水泥, 且有早强作用, 粒度越细早强作用越明显, 且强度不减 (见表1、表2) 。将自燃煤矸石进行超细磨后部分替代水泥, 大大减少了水泥用量, 降低了充填采煤成本;同时利用化学外加剂调控浆液的流变性和凝结时间, 提高了充填效果。
4 结 论
自燃煤矸石 第5篇
钢渣和煤矸石都是我国主要的工业废渣之一。钢渣是一种矿物组成与水泥熟料相似,具有潜在活性的胶凝材料;自燃煤矸石在自燃过程中,矿物发生一系列的转变,也具有一定的火山灰活性,可在水泥生产中作为混合材使用[1,2]。但将钢渣和自燃煤矸石作为混合材单掺到水泥中时存在一些问题。钢渣单掺到水泥中,存在早期活性较低,易磨性差以及可能会导致的体积安定性不良等问题[3],从而限制了钢渣在水泥工业中的应用。自燃煤矸石掺入水泥中导致净浆流动度减小,标准稠度用水量增加,凝结时间延长,如果掺量较大,对浆体的工作性有不利影响[4]。但是煤矸石的掺入可以促进混合体系中水泥熟料的水化进程,且活性越高,掺量越大,促进效果越明显[5]。
随着现代水泥混凝土技术的发展,为了节约资源和能源,提高水泥的性能,传统水泥已向多组分复合的方向发展[6]。目前,已经有很多关于钢渣与矿渣、粉煤灰复掺的报道。张作顺等[7]研究了钢渣矿渣掺合料对水泥性能的影响,认为钢渣与矿渣复掺会相互激发、相互促进水化,且水泥胶砂强度变化不大。刘福田等[6]报道了钢渣、矿渣和粉煤灰复合掺加时,它们之间相互激发,有利于材料强度的提高,甚至存在强度的超叠加效应[8,9]。而对于煤矸石,很多研究者也对煤矸石与粉煤灰、矿渣的复掺做了不少研究[10,11],也认为复掺会提高水泥的性能。但钢渣与煤矸石复掺却鲜有报道。
本文重点研究了钢渣与自燃煤矸石复掺时产生的协同效应以及各种因素对钢渣基复合水泥性能的影响,并对其组成进行了优化设计。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料
主要原料为来自郑州铝厂水泥分厂的熟料、河南安阳钢铁集团排放的钢渣(SS)、新汶煤矿的自燃煤矸石(CG)、巩义某白水泥厂的天然石膏、开封电厂的脱硫石膏、郑州某化工厂的磷石膏。各原料的化学分析结果见表1。
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1.2 试验方法
试验选取钢渣和自燃煤矸石的复配比例(A)、SS的比表面积(B)、CG的比表面积(C)、石膏的种类(D)为四因素,每个因素选取三个水平,采用正交表L9(34),设计出正交试验表,见表2。试验中,设定水泥样品中总的混合材掺量为30%,石膏总掺量为5%。石膏以3种方式加入:天然二水石膏记作石膏G1,3份天然二水石膏混合2份脱硫石膏记作石膏G2,3份天然二水石膏混合2份改性磷石膏记作石膏G3。
将各原料均分别在GQ5050型试验用水泥球磨机内预先磨细,熟料粉磨至比表面积340m2/kg,天然石膏粉磨至80μm筛余2.76%,磷石膏粉磨至80μm筛余2.63%,其他原料粉磨至设定细度,然后按设定比例制成水泥。水泥、钢渣等粉体的密度、细度、比表面积测定分别参照GB/T208—1994、GB1345—1991、GB/T8074—2008进行。水泥的标准稠度用水量、凝结时间、安定性测定参照GB/T1346—2001进行,水泥的胶砂强度测定参照GB/T17671—1999进行。
将优化方案水泥进行混凝土强度和坍落度试验,同时用商品水泥按照同样配合比作混凝土对比试验,检验掺钢渣与自燃煤矸石复合水泥配制的混凝土性能。粗集料为碎石子,最大粒径20mm,细集料为河砂。
将水泥净浆(水灰比为0.5)制成小试块(20mm×20mm×20mm),标养到规定的水化龄期时,除去其可能发生碳化的表层,将内部小块取一部分敲成2.5~5.0mm左右的小块,用无水乙醇中止其水化,用JSM-5610LV型扫描电子显微镜进行观察。将另一部分水化样敲成碎块并置于玛瑙研钵中研磨,用过量无水乙醇湿磨水化样成浆,然后将浆料真空抽滤,并置于真空干燥箱内于低温下充分干燥,采用飞利浦X'Pert Pro X型X射线衍射仪作XRD物相分析。
2 结果与讨论
2.1 正交试验结果与分析
水泥的标准稠度用水量和强度试验结果见表3。
对表3中水泥标准稠度用水量试验结果进行分析处理,结果见表4。
注:“*”表示最重要的;“#”表示最佳的,以下同。
从表4中可以看出,影响该复合水泥标准稠度用水量的关键因素是SS和CG的复配比例,水泥中CG掺量的增加会明显增大复合水泥的标准稠度用水量,而其他因素对标准稠度用水量的影响都不是很明显,仅从标准稠度用水量方面考虑时,最佳组合为A3B3C2D3,即SS和CG的复配比例为25%∶5%,SS比表面积为590m2/kg,CG比表面积为550m2/kg,石膏种类为G3类的复合水泥为最优组合。
对几种复合水泥的3d抗压强度进行正交分析,分析结果见表5。
从表5中可以看出,3d抗压强度的最佳组合为:A3B3C2D2。同理,也可以得出3d抗折强度、28d抗折强度、28d抗压强度的最佳组合分别为A3D3B3C3、C3B3D3A3、A3B3C3D3。
采用功效系数法研究各个考核指标对水泥强度的综合影响。此法规定,考核指标值最高的功效系数假定为1,其余指标的功效系数为该考核指标值与最高指标值之比,总功效系数,(0≤di≤1),其中d1、d2、d3、d4分别为水泥3d抗折、抗压强度和28d抗折、抗压强度的功效系数,d值大小反映了4个考核指标的总体情况。功效系数计算结果见表6,总功效系数分析见表7。
由表7可知,SS与CG的复合比例是影响水泥强度的关键因素,其次分别为SS、CG的比表面积,而石膏种类对其影响最小,还可以得出理论上的最佳配比组合为A3B3C3D3,即SS∶CG=25%∶5%,SS、CG的比表面积分别为590m2/kg、640m2/kg,石膏为G3。但是,在水泥的实际生产中,并不能一味地追求高强度,还要兼顾水泥的其他性能,如标准稠度用水量、安定性和凝结时间等,同时也必须考虑到生产成本的问题。理论上得出的最佳组合中,SS和CG比表面积均很大,也就是说其粉磨电耗成本会很高,故在实际生产中并非最佳组合。
对照表6可知,最佳组合并没有出现在所做的9组试验中,表中最好的几组依次是9号、8号、3号、7号,但是在9号试验中,易磨性差的钢渣的比表面积为590m2/kg,粉磨电耗成本较高,而且用的全部为天然二水石膏,生产成本较高,并非最佳组合;而3号试验中也同样存在着粉磨电耗成本高的问题,而且由于其中自燃煤矸石掺量较大导致其标准稠度用水量还很大。而在7号和8号试验中,钢渣的比表面积并不是很大,也就是说粉磨电耗成本不高,而且均能利用一定量的工业废石膏,可以降低生产成本,还减少了天然石膏的用量,有利于资源的保护,初步确定是可以采纳的组合,其具有较高强度和较低的标准稠度用水量。由于试验小磨磨制的物料粒度分布较宽,同样强度要求的物料比表面积比生产磨机要大,也就是说,在实际生产中,钢渣和自燃煤矸石比表面积还可以再低些。经测定,7号和8号两组复合水泥的初、终凝时间分别为:156min、225min和137min、207min,均在国家标准规定的正常范围内,因此掺脱硫石膏和改性磷石膏未对水泥凝结时间造成影响,而且经检测其安定性均合格,故是可以选取的组合。
2.2 水化样品的分析
2.2.1 水化样品的SEM分析
图1为7号水泥28d水化样的不同放大倍数的形貌结构。从图中可以看出,大部分颗粒已经发生了水化,形成了比较多的水化产物,交织连在一起,结构比较致密。
2.2.2 水化样品的XRD分析
7号水泥水化产物的3d、28d XRD分析图谱见图2。在图中出现了大量的Ca(OH)2、钙矾石等矿物相及C-S-H凝胶相,其主要水化产物与掺其他混合材的水泥水化产物基本相同。在3d水化样中还存在一定的硅酸盐矿物(C2S、C3S),而在28d水化样中硅酸盐矿物的衍射峰基本上消失,说明了其水化还是比较快的。以上分析均表明:掺入钢渣和自燃煤矸石并未影响到硅酸盐矿物的水化。
2.3 配制的混凝土性能
选取优化后的掺钢渣和自燃煤矸石制成的复合水泥配制混凝土,并与市售P·S·B32.5级水泥做对比,分析并得出相应结论。经检测,市售P·S·B32.5级水泥3d、28d抗压强度分别为17.0MPa、46.5MPa。按照C30混凝土级别进行配合比设计,各组混凝土采用相同配合比,分别采用不同水泥。混凝土配合比及性能测试结果见表8。
由表8可见,采用掺钢渣和自燃煤矸石的复合水泥配制的混凝土的坍落度及早期强度均要高于对照组,后期强度均略低于对照组,但都大于30MPa。也就是说,本研究制备的钢渣-自燃煤矸石复合胶凝材料具有较好的综合性能。
3 结论
1)对于掺钢渣和自燃煤矸石的复合水泥来说,钢渣与自燃煤矸石的复配比例是影响其强度最重要的因素,其次分别为钢渣和自燃煤矸石各自的比表面积;而石膏种类对其强度影响不大。
2)影响掺钢渣和自燃煤矸石复合水泥标准稠度用水量的最关键的因素仍是钢渣与自燃煤矸石的复配比例,自燃煤矸石掺量的增加会明显增大复合水泥的标准稠度用水量,其他因素对标准稠度用水量的影响都不明显。
3)综合考虑复合水泥的各项性能及生产成本,经过优选后的配比为:钢渣和自燃煤矸石的配合比为25%∶5%,钢渣比表面积为448m2/kg,自燃煤矸石比表面积为640m2/kg,石膏为3份天然二水石膏混合2份脱硫石膏,以及配比为钢渣和自然煤矸石的配合比例为25%∶5%,钢渣比表面积为516m2/kg,自燃煤矸石比表面积为470m2/kg,石膏种类为3份天然二水石膏混合2份改性磷石膏。按这两个方案配合的钢渣煤矸石复合水泥具有良好的综合性能,粉磨细度并不高,且利用了2%的改性磷石膏或脱硫石膏,是推荐组合。
摘要：运用正交试验研究了钢渣与自燃煤矸石的复掺比例、比表面积及石膏的种类等对复合水泥性能的影响。结果表明,钢渣与自燃煤矸石的复配比例是影响其强度的关键因素,其次分别为钢渣、自燃煤矸石的比表面积,而石膏的种类对其影响最小。试验优化的配比为:钢渣和自燃煤矸石的配合比为25%∶5%,钢渣比表面积为448m2/kg,自燃煤矸石比表面积为640m2/kg,石膏为3份天然二水石膏混合2份脱硫石膏,以及配比为钢渣和自燃煤矸石的配合比为25%∶5%,钢渣比表面积为516m2/kg,自燃煤矸石比表面积为470m2/kg,石膏种类为3份天然二水石膏混合2份改性磷石膏。
自燃煤矸石 第6篇
1 温度监测系统基本结构
矸石山自燃过程要经历潜伏期、自热期，对此映射的状态有矸石堆内部温度和气态成分的变化。而气态成分变化是由温度上升引起的，且测试气态成分的设备比较昂贵，使用条件比较苛刻，所以在矸石山自燃监测系统中，比较适宜采用温度在线监测方式。考虑到矸石山面积大，无人值守，无法长期进行人工巡查，且许多矸石山还处于堆放过程中，需要监测的区域也在发生变化，设计矸石山自燃监测系统以实用、先进、简单易行、便于维护为原则。同时系统应能满足变化的需要，能够方便增减温度测点，具有通用性。温度监测系统由温度传感器、无线传感器节点、数据数据中心和控制中心组成。图1为温度监测系统结构。
2 无线传感网络
2.1 传感器节点的设计.
组建适用于矸石山自燃监测的无线传感器网络, 首先要求组成的节点可靠且有效, 同时节点的设计必须满足小型化、低成本和微功耗要求。无线传感器网络节点通常都是一个微型的嵌入式系统, 它不是将原始数据传送给网关, 而只是传送需要处理的数据。一个无线传感器网络节点一般由控制器、传感器、通信设备和电源3个主要部分组成[4,5,6], 如图2所示。
2.2 节点硬件电路的设计
本文考虑到无线传感器网络的扩展性、灵活性、稳定性、安全性、成本低以及通信能力、处理速度来进行硬件电路设计。
2.2.1 处理器模块
处理器模块式无线节点设计的计算核心, 所有的设备控制、任务调度、能量计算、通讯协议等都将在这个模块的支持下完成的。本文采用A T E M L公司的8位ATMEGA128AVR微处理器, 该处理器尤比较丰富的内部资源和外部接口, 其128kBFlash可编程10000多次, 片内4kB的EEPROM、4kB的SRAM基本满足了系统对存储空间的要求;它采用增强RISC的处理核心, 指令更丰富, 运行更快;8通道10位采样精度的A/D转换器, 这八个通道复用一个转换控制器;片内提供8位定时器、2个16位的扩展定时器;在电源管理方面, 它设计了6种睡眠模式, 可以为系统节省大部分电源, 特别适合有能力限制的应用;它的工作电压在2.7～5.5V, 所以适合电池供电的煤矿采空区的应用矿井。
2.2.2 通信设备
实际通信中, 无线传感器网络节点既需要发射机又需要接收机。无线收发机是由上述2种设备组合成的单一实体。由于在无线信道上不能同时发送和接收, 所以设计中采用半双工通信方式。本系统主要采用Chipcon公司的CC2500RF无线收发模块, 其电流消耗为12～14mA, 电压范围为1.8～3.6V。CC2500在传输模式下, 当输出功率为-12dB·m时, 电流消耗为12mA, 且具有阵发模式数据传输功率, 无线传输速率高。CC2500的接收器敏感度在10kbit/s时为-101dB·m, 该特性对于和其他2.4GHz无线网络器件共同使用时特别有利。它的最大输出功率为0dB·m, 数据速率可在1.2～500kbit/s之间变化。CC2500具有片上载波感应指示灯和数字RSSI输出, 有助于提高无线链路的质量。自动消除通道评价功能 (CCA) 使其尤其适用于载波侦听 (Listen2Before2Talk, LBT) 系统, 而且CC2500可通过扫描2.4GHz的数字RSSI寻找最佳工作通道。CC2500采用4×4mm20引脚QFP封装, 外形小, 而且需要的外部元件数量少, 适合井下使用。
2.2.3 传感器模块
网络化处理可以降低对传感器精度的片面要求, 主要考虑低功耗的温度传感器, 设计中选用了国产DZW-T1无线温度传感器, 它具有灵活、实用、经济、可靠、节能等特点。测量范围为-40～85℃, 测量精度为±0.5℃, 测量时间间隔为5s～1h可设, 电池寿命为2～5年。
2.2.4 外围模块
主要包括能源、外部存储器、模数转换、外部接口[7]。从体积和应用的简易性考虑, 采用化学电池。为了实现传感器节点的硬件扩展性和灵活性, 无线传感器节点根据功能化成多个模块, 通过外部接口互联。这样不同的模块之间的升级和更换就变成了独立的过程。
3 软件设计
基于无线传感器网络的矸石山自燃监测系统的软件设计主要是在网关和无线传感器节点的设计。软件采用汇编语言和C语言。网关端的软件主要是处理和管理传感器节点传输过来的数据, 主要由通信软件、命令行软件以及任务管理软件组成。节点端的软件主要负责完成现场数据的采集以及通过无线通信模块无线传送采集数据包。下面重点介绍无线传感器节点端的软件设计[8,9]。
3.1 软件设计原则
(1) 轻量级
无线传感器节点体积微小, 携带的电池能量十分有限, 且更换电池不现实, 这就要求简化软件设计, 以实现轻量级计算。
(2) 模块化
模块化的软件设计有利于软件的更新和维护。
(3) 局部化协作算法
为提高系统的伸缩性和健壮性, 要求采用局部化算法, 通过层次化聚簇方法协同管理。另外, 软件应具有网络内的数据处理和查询机制, 以最有效的方式获得并利用数据, 满足不同应用的需求。同时, 为了适应应用需求的变化和网络动态性要求, 节点端软件还要具有自适应性。
3.2 节点软件工作流程
为了降低功耗, 无线传感器节点采用唤醒和休眠的工作机制。节点在没有事件发生时处于休眠状态, 处理器停止工作, 无线模块处于低电流的接收状态。当无线模块接收到sink节点或是临近节点发出的命令后, 节点自动醒来并唤醒邻居节点, 进入正常工作状态, 任务完成后, 再次进入休眠状态。微型传感器节点的具体工作流程如图3所示。
4 结论
国内对矸石山自燃监测的研究基本处于空白。本文根据煤矿自燃矸石山的特点，从实际出发，设计了基于无线传感网络的矸石山自燃监测系统。该系统对有线监测系统难以或者不能及时达到的区域实施有效、实时和灵活的在线监测, 能够预测矸石的自燃趋势，及时准确提供自燃部位，具有很高的实用价值，对矸石山自燃的防治有重要意义。
摘要：矸石山自燃的防治已成为一个不可忽视的问题, 但国内对矸石山自燃监测的研究基本处于空白。本文提出了一种基于无线传感网络的矸石山自燃监测系统, 介绍了监测系统的结构、传感器节点、无线传感网络的设计, 给出了微型传感器节点的软件设计。该系统可以实现有线系统无法实施的特殊区域温度的监测功能, 有效地提高了矸石山自燃的防治水平。
关键词：无线传感网络,自燃监测,矸石山
参考文献
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自燃煤矸石 第7篇
1 工程概况
某工程中填矸区地面标高为+944.50 m, 由南向北、由西向东填矸层逐渐变厚, 厚度在0.7 m~26.4 m范围, 填矸区的东北方向形成矸石堆积成的边坡。据调查, 该区域矸石填沟时间在20年~30年前, 填矸区域结构松散。该区域填矸已发生多次自燃, 采取灭火措施未彻底解决矸石自燃问题。最后一次采用顶面覆盖0.5 m~1.0 m厚的黄土、坡面砌筑浆砌片石护坡的方式对填矸区进行防护、封闭处理, 表层明火已经熄灭, 但深部着火点仍在燃烧, 局部地段已经烧成空洞。在钻探施工过程中, 发现有刺鼻的SO2, H2S气体从钻孔中溢出, 深部矸石仍然在燃烧, 局部已烧成1.0 m3左右的空洞。
若在填矸区建设建 (构) 筑物, 填矸区矸石自燃对建筑物地基稳定性有较大的危害。矸石自燃释放出大量的有毒有害气体、烟尘, 经雨水淋溶形成酸性水, 渗透到地下后对建筑物基础中的钢筋、混凝土有较大的腐蚀性;矸石燃烧后会在填矸地层中形成空洞, 造成地面塌陷, 影响建筑物的安全使用。
2 矸石自燃原理
1) 矸石在堆放过程中由于其中的可燃组分缓慢氧化, 在适当的温度和氧气浓度的条件下就会发生自燃。有关资料研究表明:硫铁矿结合体是引起煤矸石自燃的决定因素, 温度和氧气是煤矸石自燃的必要条件, 碳元素是煤矸石自燃的物质基础。煤矸石中的可燃物质在空气和一定温度的条件下, 会缓慢发生低温氧化反应, 不断放出热量, 使温度不断升高, 当热量不能全部散发于周围环境中, 则矸石升温, 温度达到矸石自燃临界点以上, 氧化反应迅速加快, 矸石很快由自热状态进入自燃状态, 直到黄铁矿和煤烧完为止[3,4]。其自燃过程的主要化学反应有:
2) 本工程煤矸石在堆放过程中是拉至矸石山顶端朝下翻矸, 形成“倒坡式”排放, 这也是造成煤矸石自燃的重要原因。因为在重力作用下, 滑落堆积的矸石具有明显的分选性, 堆积的煤矸石自燃安息角约40°, 在煤矸石山临空形成的边坡段上, 细小粉碎状煤矸石靠近边坡坡顶, 越往坡底端煤矸石块度越大。自燃点一般在边坡靠近坡底端的1/3处, 该处横向上往往形成了一条燃烧带, 并不断向坡顶延伸。
3 治理自燃矸石的方法
目前, 治理自然矸石的方法主要有:隔离法、冷却法、注浆法。
1) 隔离法。
隔离法主要适用于人为因素引起的、燃烧面积小、燃烧深度浅、燃烧部位在矸石堆的边沿、有利于施工开挖隔断的情况。具体的施工措施是:将发生燃烧的局部矸石堆与未发生燃烧的矸石堆划界, 根据实际情况用挖掘机在交错处开挖适度的沟渠, 在沟渠中回填黄土筑坝, 其长度、宽度和深度视具体情况而定。
2) 冷却法。
冷却法主要适用于着火部位在矸石堆边沿、着火面积比较小、深度比较浅、工程量较小的情况。具体操作方法是:将矸石堆的着火部位用洒水车喷水冷却, 然后用推土机将熄灭层推开, 推开后的煤矸石及时覆土, 以防复燃。然后逐层向下灭火, 直到燃烧部分全部熄灭。
3) 注浆法。
注浆法主要适用于着火面积大、着火部位比较深的矸石自燃引起的火灾。浆液直接注入到燃烧部位, 利用浆液中的水分冷却矸石, 利用凝固物充填矸石间的孔隙, 形成稳定的封闭层, 达到降温隔氧的作用, 从而将火熄灭。
由于本场地填矸区中自燃着火点深度较大, 处于填矸区的深部, 只有采用注浆方法才能达到灭火的目的, 同时必须对填矸区的顶部及周边进行填土覆盖, 隔绝氧气以起到防止复燃的作用。因此, 本工程项目中采用注浆法对填矸石进行灭火。
4 注浆灭火材料的选取
由于水泥粉煤灰浆液有很好的稳定性, 可小水灰比灌浆, 不堵管、适合长距离输送, 而且包裹力强, 结石率高, 浆液进入灌浆区后, 可以包裹煤矸石体, 堵塞漏风通道, 从而起到降温、隔氧的作用, 以达到灭火的目的。同时对未着火区内矸石裂隙起到固化作用, 提高矸石地基的强度。因此, 本次设计采用水泥、粉煤灰浆液作为注浆材料。
5 检测标准
据《煤矿安全规程》第二百四十八条规定:封闭的火区, 只有经取样化验证实火区同时具备下列条件时, 方可认为已熄灭:
1) 火区内的空气温度下降到30℃以下, 或与火灾发生前该区的日常空气温度相同。2) 火区内空气中的氧气浓度降到5.0%以下。3) 火区内空气中不含有乙烯、乙炔, 一氧化碳浓度在封闭期间内逐渐下降, 并稳定在0.001%以下。4) 火区的出水温度低于25℃, 或与火灾发生前该区的日常出水温度相同。5) 上述4项指标持续稳定的时间在1个月以上。
6 结语
采用注浆法对填矸石灭火工程进行加固设计后, 通过现场采集气样对填矸区场地氧气成分进行检测, 发现氧气成分为0.954%, 表明该场地封闭性良好;对填矸区注浆区域的温度进行测试, 发现最高温度为24℃且保持稳定, 小于规范规定的30℃, 认为该场地不具备自燃条件。
由此可见, 采用注浆法治理自燃矸石山后, 矸石山区域的温度与氧气成分均不具备自燃条件, 证明注浆法能够有效防止填矸石自燃。参考文献:
摘要：通过分析矸石自燃原理, 提出采用注浆法对自燃矸石山进行治理, 并结合某煤矿工程中矸石山治理实例, 依据相关检测标准, 证明了注浆法是治理自燃矸石山的一种有效方法。
关键词：矸石山,自燃,注浆
参考文献
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