典型煤矿区煤矸石自燃源多环芳烃的形成机制与释放模式

煤矸石自燃是影响环境的主要因素之一。由于煤矸石自燃的特殊性，除目前已知的污染物外，多环芳烃的生成与排放也是其重要特征之一。但是目前对煤矸石自燃源多环芳烃的组成分布及其释放特征并没有任何了解。本项目试图通过对若干典型矿区自燃源煤矸石的研究揭示煤矸石自燃源多环芳烃的组成分布及释放特征，对煤矸石的物质组成、温度、氧浓度分布进行现场调查，结合模拟实验，了解煤矸石自燃源多环芳烃的形成机制。在此基础上对自燃煤矸石环境对多环芳烃的释放影响进行分析，了解不同因素对煤矸石自燃源多环芳烃释放的影响，进而分析煤矸石自燃源多环芳烃形成特征与其释放模式的关系，为进一步了解煤矸石自燃源多环芳烃的环境过程及其环境生态效应及煤矸石的自燃的综合防治奠定基础。

为研究煤矸石自燃产生的多环芳烃的组成分布及其释放特征，采用实验室自燃模拟和野外自燃样品的采集分析，研究了不同矿区、不同煤源、不同温度以及空气流量对煤矸石中多环芳烃释放和残余的分布规律。发现1) 煤矸石不完全燃烧产生更多有毒的多环芳烃。 (2) 煤矸石自燃过程中,NaP, PHA和 Chr产生的浓度最高，低分子量多环芳烃占多环芳烃量的比例最多,不完全燃烧产生的多环芳烃的来源属于造岩源。 (3)相对较低的自燃温度和空气流量对形成多环芳烃更加有利,但随着空气流量增加高分子量多环芳烃的相对比例增加。随着空气流速的增加温度升高更有利于高分子量多环芳烃的形成。(4)随着空气流量的增加,多环芳烃的总量先增加,然后降低。(5）即随着变质程度的升高，2,3环PAH含量呈现出先增高再降低的趋势。(6）变质程度低的马兰夹矸燃烧释放出的ΣPAHs量远远大于燃烧后残样中ΣPAHs的量，而变质程度高的杜儿坪和晋城煤中夹矸燃烧释放的ΣPAHs小于其燃烧后残样中ΣPAHs的量；(7）煤矸石燃烧与煤化作用过程中芳香结构单元有直接的关系，用原位XRD与TG-MS相结合的方法研究其聚集态结构演化特征。发现在连续升温的条件下，发现聚集态结构的演化可以分为四个阶段。第一阶段，在初始热解阶段，煤结构中的小分子物质逸出与溶胀，氢键等分子间作用力破坏；第二阶段，芳香结构单元变化不大，主要是大分子结构中各种官能团的断裂为主，芳香结构单元没有遭到破坏，缩聚反应不明显；第三阶段：强烈的缩聚反应，伴随着大量的氢气生成，第四阶段意味着自燃煤化作用过程中，芳香结构单元并不是单调的增大，而是存在一个芳香结构单元变化不大的阶段（大致相当于中等变质程度煤），只有在高煤级煤阶段，芳香结构单元才快速增大。