煤炭自燃

煤自燃是煤氧化產熱與向環(huán)境散熱的矛盾發(fā)展的結果。因此，只要與煤自燃過程產熱和熱量向環(huán)境散熱相關的因素都能影響煤的自然發(fā)火過程?？梢詫⒂绊懨鹤匀嫉囊蛩胤譃閮蓚€方面，即影響煤自燃的內在因素和外在因素。

煤炭自燃煤自燃的內因

(1)煤的變質程度。煤的變質過程伴隨著煤分子結構的變化，碳化程度越高，煤體內含有的活性結構越少。所以煤的變質程度是煤自燃傾向性的決定性因素。然而煤是很復雜的固體化合物，影響煤自燃的因素義很多，所以同一變質程度的煤可能自燃，也可能不自燃。現(xiàn)場的統(tǒng)計表面．褐煤最易自燃，無煙煤最不易A燃，煙煤的煤化度和自燃傾向性低于無煙煤而高于褐煤。煙煤是自然界最重要、分布最廣、儲量最大、品種最多的煤種。根據煤化度的不同．我國將其劃分為長焰煤、不黏煤、弱黏煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤等，這些煤種的自燃傾向性逐漸降低。

(2)煤巖成分。煤巖成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。在不同的煤炭中，這四種成分的數(shù)量變化很大，通常煤體中大多數(shù)是暗煤和亮煤，除極少數(shù)的情況外，絲煤和鏡煤僅僅是煤中的少量混雜物質。

不同的煤巖成分有著不同的氧化性。在低溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，鏡煤吸附氧能力最強，其次是亮煤．暗煤最難于自燃。絲煤結構松散。吸氧量強。在常溫條件下，絲煤吸附氧的數(shù)量較其他煤種要多1．5～2．0倍，50℃時為5倍。絲煤的著火溫度低，僅為190～270℃。所以人們認為，在常溫條件下，絲煤是自燃的導因，起著引火物的作用。

鏡煤與亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常常充填有黃鐵礦，開采中易碎裂為微細的顆粒，細微狀的煤?；螯S鐵礦都有較高的自燃氧化特性，因此它的氧化接觸面積大，著火溫度低，故鏡煤與亮煤在絲煤吸附氧化升溫的促使誘導下很容易自燃。

(3)煤的含硫量。硫在煤中有三種存在形式：硫化鐵即黃鐵礦、有機硫以及硫酸鹽。對煤自燃起主導作用的是黃鐵礦一黃鐵礦的比熱小，它與煤吸附相同的氧量而溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦在低溫氧化時產生硫酸鐵和硫酸亞鐵，體積增大，使煤體膨脹而變得松散，增大了氧化表面積，而且其分解產物比煤的吸氧性更強，能將吸附的氧轉讓給煤粒使之發(fā)生氧化"para" label-module="para">

(4)煤的粒度孔隙特性和破碎程度。完整的煤體一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在，其自燃性能顯著提高。這是因為破碎的煤炭不僅與氧接觸的表面積增大，而且著火溫度也明顯降低。有人研究，當煤粒度小于1mm時氧化速率與粒徑無關，并認為孔徑大于10nm的孔在煤氧化中起重要作用，根據波蘭的試驗，當煙煤的粒度直徑為1．5~2mm時，其著火點溫度大多在330～360℃；粒度直徑小于1mm以下時，著火點溫度可能降低到190～220℃。因此，可以說，煤的自燃性隨著其孔隙率、破碎度的增加而上升，這也是煤礦井下自燃多發(fā)生在粉煤及碎煤聚集的地方的原因。如采空區(qū)周圍邊緣地帶，在垮塌的煤壁和受壓破裂的煤柱等處均為自燃多發(fā)地。

(5)煤的瓦斯含量。瓦斯或者其他氣體含量較高的煤，由于其內表面含有大量的吸附瓦斯，使煤與空氣隔離，氧氣不易與煤表面發(fā)生接觸，也就不易與煤進行復合氧化，使煤炭自燃的準備期加長。當煤中殘余瓦斯量大于5m3/t時，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤與氧就更易結合。

(6)水分對煤自燃的影響。水分對煤炭自燃過程的影響有兩個相互對立的過程。一方面，煤炭中的水分在初期階段會因為蒸發(fā)作用而散失，因此，一部分熱量就會以水分潛熱的形式被水蒸氣帶走，這就會阻止煤體溫度升高的趨勢。另一方面，煤體也會從空氣中吸收水分。這就是所謂的吸收熱(有時也叫濕潤熱)會促使煤的溫度升高。那么水分對煤的總的作用就取決于這兩種過程誰占主導地位。

根據煤中水分賦存的特點，煤的水分分為內在水分和外在水分，煤的內在水分是吸附或凝聚在煤顆粒內部的毛細孔中的水分，煤的外在水分是附著在煤的裂隙和煤體表面上的水分。一般來說，煤的內在水分在100℃以上的溫度才能完全蒸發(fā)到周嗣的空氣中，煤的外在水分在常溫狀態(tài)下即能不斷蒸發(fā)到周圍空氣中，在40～50℃溫度下，經過一定時間，煤的外在水分即完全蒸發(fā)干。在煤的外在水分還沒有全部蒸發(fā)之前，溫度很難上升到100℃，因此，從這種情況看，煤的含水量對煤的氧化進程有影響，主要還是煤的外在水分。

煤炭自燃煤自燃的外因

煤炭自燃傾向性是煤的一種自然屬性。實驗證明，它取決于煤在常溫下的氧化能力。是煤層發(fā)生自燃的基本條件。然而在生產中。一個煤層或礦井自然發(fā)火危險程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，還受煤層的地質賦存、開拓、開采和通風條件的制約。

1、煤層地質賦存條件

據統(tǒng)計，80%的自燃火災是發(fā)生在厚煤層開采中，鶴崗礦區(qū)統(tǒng)計86%的自燃火災發(fā)生在5m以上的厚煤層中，厚煤層容易自然發(fā)火的原因，一是難以全部采用，遺留大量浮煤與殘柱；二是采區(qū)回采時間長，大大超過了煤層的自然發(fā)火期；三是煤層易受壓破裂而發(fā)生自燃。

開采急傾斜煤層比開采緩傾斜煤層易自燃。俄羅斯庫茲涅茨礦區(qū)75%的自燃火災發(fā)生在45°～90°傾角的煤層中。徐州大黃山煤礦煤層傾角南陡北緩，南翼局部倒轉，自然發(fā)火次數(shù)南翼為北翼的一倍以上。急傾斜煤層易于發(fā)生自燃火災的原因主要是采煤方法不正規(guī)、丟煤多、采后難以封閉。

綜上所述，可以認為絕大多數(shù)厚煤層都應按自然發(fā)火危險煤層處理．急傾斜厚煤層尤應如此。

地質構造復雜的地區(qū)，包括斷層、褶曲發(fā)育地帶、巖漿入侵地帶，自然發(fā)火頻繁。這是由于煤層受張力、擠壓，裂隙多，煤體破碎，吸氧條件好所造成。據四川芙蓉礦統(tǒng)計．巷道自燃火災52%發(fā)生在斷層附近。

煤層頂板堅硬，煤柱最易受壓碎裂。堅硬頂板的采空區(qū)難以冒落充填密實．冒落后還會形成與相鄰近的采I爰甚至地面連通的裂隙．漏風難以杜絕，為自然發(fā)火提供了條件，大同礦區(qū)的自然發(fā)火就具有這方面的特征。

2、開拓開采條件

用石門、巖巷開拓，少切割煤層，少留煤柱，自然發(fā)火的危險性就小。厚煤層開采巖巷進入采區(qū)．便于打鉆注漿有利于實現(xiàn)預防性或滅火灌漿。

采煤方法對自然發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在煤炭回采率的高低，回采時間的長短上。丟煤越多，丟失的浮煤越易集中，工作面的推進速度越慢，越易發(fā)生自燃。

3、通風條件

通風因素的影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)、煤柱和煤壁裂隙漏風。采空區(qū)面積大，漏風量也大。在工作面的“兩巷兩線”(進風巷、回風巷、開切眼、停采線)，過斷層地帶，煤層變薄跳面的地方有大量浮煤堆積，最易發(fā)生自燃。

決定漏風大小的因素有礦井、采區(qū)的通風系統(tǒng)，采區(qū)和工作面的推進方向，開采與控頂方法等。

煤是一種重要燃料。煤堆中的煤與空氣接觸，會發(fā)生氧化反應，并放出熱量。煤發(fā)生氧化反應后，使煤堆的溫度升高。煤的溫度升高后，又加速了煤的氧化反應速度。這樣，就使煤堆的溫度越來越高。當溫度超過煤的自燃點時，就會自燃。

煤的自燃是通風不好熱量積累，外層煤的熱量能夠得到散發(fā)，所以煤的自燃都是從內開始，逐漸向外擴展。

煤具有自燃的性質，特別是那些低品位的煙煤，當從環(huán)境中吸收的熱量大于釋放到環(huán)境中的熱量時自燃現(xiàn)象就會發(fā)生。影響自燃主要有以下幾方面的因素：

1.水份：水份的含量及變化是影響煤自發(fā)熱最主要的因素，當水蒸發(fā)時從外界吸收大量的熱，冷凝時就將這些熱傳給煤粉，理論上講，含水量增加1%將使煤溫上升17℃。因此不能用水來冷卻已經產生自發(fā)熱的煤堆，這是因為冷卻水很難將全部的煤浸透而只是讓部份溫度下降而已。

2.通風率：理論上在松散的煤堆中不流通的空氣完全反應的話將使其溫度上升2℃，實際上當高速流通的空氣在提供煤以氧氣的同時也會帶走大量的熱，而低速則恰好相反，盡管也提供相當數(shù)量的氧氣但卻不能帶走其自發(fā)產生的熱量。操作上長期置放的煤粉一定要壓緊，清除周圍的雜草勿使草根造成煤堆松質化，使空氣容易進入，溫度容易提高。

3.顆粒細度：與自發(fā)熱成反比的關系，顆粒越小其表面積越大，與空氣的接觸越充分，更容易產生自熱。但出于堆置上的考量，使煤堆不致于容易坍塌，一般會將其細度控制在一定范圍。

4.揮發(fā)份：按揮發(fā)份可以將煤分為煙煤、褐煤、無煙煤，其熱值遞增，自發(fā)熱可能性降低。而且由于煤粉飛灰都攙在生料中使用(G生料配料必須考慮到這一點)，因此根據不同的燃煤要求不同配比的生料，燒成操作上也作調整。

5.溫度：最重要的操作參數(shù)，跟據實驗室檢定，80℃以下溫升其反應率反而下降，80℃其活性隨溫度上升而上升。

我國礦井煤炭自然發(fā)火十分嚴重。多年來，國內外學者對煤礦自然發(fā)火防治這一重大安全技術進行了大量的研究，取得了可喜的進步。但是，總的來說，煤礦的防滅火工作仍然停留在被動的對火災的“防與治”之中，尚未有效地控制煤層自燃，主動預防自燃的發(fā)生遠未達到目標。利用模糊綜合評判理論，建立了基于VB煤炭自燃綜合評判應用系統(tǒng)，有利于提高煤炭自燃預測預報的科學性，減少盲目性。

自燃系統(tǒng)綜合評判的數(shù)學模型及方法

模糊綜合評判方法作為一種數(shù)學模型，對多因素、多層次的復雜問題具有使用方便、評判準確可靠的特點，因此，該方法被廣泛應用于各行各業(yè)。它是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評判事物相關的各個因素，對其作出綜合評判。

在評價某個事物時，將評價結果分成一定的等級。例如，對煤炭自燃進行評判時，可將評價的等級分為“不自燃”、“可能自燃”、“自燃”、“易自燃”四個等級。對多因素的綜合評判，一方面對于被評判事物從不同的因素著眼可以得到絕然不同的結論；另一方面在諸多著眼因素之間，有些因素在總評價中的影響程度可能大些，而另一些

因素在總評價中的影響程度可能小些，它是一個模糊擇化問題。

自燃系統(tǒng)煤炭自燃評判指標體系

依據煤炭自然發(fā)火機理，煤炭自然發(fā)火危險程度由三類指標構成：煤的自燃傾向性；持續(xù)的漏風供氧條件；聚熱散熱條件。每一類指標又由若干個次一級的分指標構成，它屬于一個多因素、多層次綜合評判問題。由于煤炭自燃漏風和聚熱條件不同，將煤炭自燃評判指標體系分為采煤工作面采空區(qū)煤炭自燃和煤巷煤炭自燃。

通過理論分析，再結合現(xiàn)場煤炭自燃的實際情況，對于采空區(qū)煤炭自燃來說煤的自燃傾向性包含還原煤和氧化煤樣的燃點溫度差，煤的吸氧量，CO單位溫升增長率三項次級指標；持續(xù)的漏風供氧條件的次級指標為氧化帶存在漏風時間，漏風壓差，煤層厚度，漏風形式，煤的破壞性，回采巷道布置方式，采空區(qū)密閉質量，地質構造，煤層頂板巖性，煤層傾角；聚熱散熱條件的次級指標包含漏風風速，工作面推進速度，采空區(qū)遺煤厚度，區(qū)域圍巖溫度。對于煤巷煤炭自燃而言，煤炭自燃傾向性指標同采空區(qū)煤炭自燃；持續(xù)的漏風供氧條件的次級指標為巷道布置方式，巷道風速，局部通風機通風方式，煤層厚度和巷道空頂范圍；聚熱散熱條件的次級指標包含漏

風風速，區(qū)域圍巖溫度，開采煤層硫鐵礦含量。

自燃系統(tǒng)評判應用系統(tǒng)的結構和特點

由于煤炭自燃的種類不同(采空區(qū)遺煤自燃和煤巷頂煤自燃)，產生煤炭自燃的發(fā)生條件不同，因而煤炭自燃評判指標體系亦不相同。該應用系統(tǒng)采用分層控制，即從主控界面選取不同的評判體系，根據系統(tǒng)使用說明書提供的煤炭自燃評判指標參考值，結合評判現(xiàn)場的實際，確定評判指標值，采用表格形式錄入計算機，即可進行評判。

(1)煤炭自燃模糊綜合評判模型，比較全面地考慮了引起煤炭自燃的各種因素，避免了人為因素的影響，提高了煤炭自燃預測的科學性。

(2)上述應用系統(tǒng)預測可靠性的關鍵是評判指標值的確定及置信度的確定。

(3)煤炭自燃綜合評判應用系統(tǒng)可滿足礦井日常煤炭自燃可疑地點自燃危險程度的早期預測及輔助決策的需求，對礦井通風安全管理現(xiàn)代化起到積極的促進作用。

煤炭自燃的形成必須具備以下四個基本條件：

(1)煤本身具有自燃傾向性。這是煤自燃的內在因素，與煤本身所含化學成分有關。

(2)煤呈破碎狀態(tài)存在。煤破碎以后，接觸氧的表面積增大，吸附氧的能力大大增強，容易氧化產生大量的熱量。

(3)連續(xù)供氧。緩慢地連續(xù)供氧能使煤的氧化繼續(xù)。

(4)熱量易于積聚。發(fā)生自燃的地點，通風不暢(如采空區(qū)、煤柱裂縫、浮煤堆積處等)，煤氧化產生的熱量不易散發(fā)出去，熱量逐漸積累，溫度不斷升高，當達到燃點溫度時煤就燃燒起來。

煤本身具有自燃傾向性是形成煤炭自燃的內在條件，是內因;而后三個條件是煤炭自然發(fā)火的外在因素，是外因，可以人為地控制。預防煤炭自燃火災的發(fā)生，應設法避免后三個條件的形成。

煤炭的自燃過程按其溫度和物理化學變化特征，分為潛伏期、自熱期、自燃期和熄滅四個階段，如圖1所示。潛伏期與自熱期之和為煤的自然發(fā)火期。

(1)潛伏期。自煤層被開采、接觸空氣起至煤溫開始升高的時間區(qū)間稱為潛伏期。在潛伏期，煤與氧的作用是以物理吸附為主，放熱很小;煤的質量略有增加，增加的質量等于吸附氧的質量，煤的化學性質變得活潑，煤的著火溫度降低。

(2)自熱階段。煤溫開始升高至其溫度達到燃點的過程叫自熱階段。自熱過程是煤氧化反應自動加速、氧化產生熱量逐漸積累、溫度自動升高的過程。具有以下特點：①氧化放熱較大，煤溫及其環(huán)境溫度升高;②空氣中CO、CO₂含量顯著增加，并散發(fā)出煤油味和其他芳香氣味;③有水蒸汽生成，火源附近出現(xiàn)霧氣，在支架及巷道壁上凝有水珠;④微觀結構發(fā)生變化。

(3)燃燒階段。煤溫達到其自燃點后，若能得到充分的供氧(風)，則發(fā)生燃燒，出現(xiàn)明火。這時會產生大量的高溫煙霧，其中含有CO、CO₂以及碳氫類化合物。若煤溫達到自燃點，但供風不足，則只有煙霧而無明火，此即為干餾或陰燃。

(4)熄滅。及時發(fā)現(xiàn)，采取有效的滅火措施，使煤溫降至燃點以下，燃燒熄滅。2100433B