煤自燃氧化過(guò)程自燃特性研究

王福生，男，1973年4月，漢族，河北唐山人；博士，教授，碩士生導(dǎo)師，華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院安全系主任。第五屆國(guó)家安全生產(chǎn)委員會(huì)專家組成員，科技部公共安全領(lǐng)域重大項(xiàng)目評(píng)審專家，華北理工大學(xué)第一屆學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。2005年7月，畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)，獲博士學(xué)位。2005年至今在華北理工大學(xué)任教，主要從事礦山安全理論與技術(shù)、安全管理與評(píng)價(jià)等方面的教學(xué)、科研工作。近年來(lái)，主要承擔(dān)了國(guó)家自然基金、河北省自然基金、國(guó)家教育部重點(diǎn)項(xiàng)目及企事業(yè)委托項(xiàng)目多項(xiàng)，參與完成了河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“開(kāi)灤礦區(qū)自然發(fā)火規(guī)律的研究”，河北省自然基金項(xiàng)目：“煤與瓦斯突出過(guò)程溫度變化規(guī)律及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究”，國(guó)家自然基金項(xiàng)目“煤層賦存一氧化碳機(jī)理及其影響因素分析”、“煤層賦存一氧化碳吸附-解吸及運(yùn)移機(jī)理的研究”等研究，獲河北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局安全科技成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

本書(shū)首先對(duì)六種不同地區(qū)煤樣進(jìn)行鏡質(zhì)組發(fā)射率的測(cè)定，以判定煤種的類型，隨著變質(zhì)程度的加深，鏡質(zhì)組發(fā)射率不斷增大，然后利用煤自燃傾向性的氧化動(dòng)力學(xué)判定方法對(duì)煤樣自燃傾向性進(jìn)行計(jì)算與分析，自燃傾向性綜合判定指數(shù)與鏡質(zhì)組反射率保持良好線性關(guān)系。最后分別從煤的結(jié)構(gòu)與組成入手分析對(duì)自燃傾向性影響分析，在煤的組成上，采用元素分析、工業(yè)分析和顯微組分手段分析煤的組成指標(biāo)對(duì)自燃傾向性影響規(guī)律與作用機(jī)理，在煤的結(jié)構(gòu)上，采用SEM初步觀察煤體結(jié)構(gòu)差異，利用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征以及孔徑分布情況，為了研究煤分子結(jié)構(gòu)不同采用FIFT技術(shù)手段，結(jié)果表明，不同煤樣的活性基團(tuán)種類以及含量不盡 同，正是因?yàn)槊褐械慕M成與結(jié)構(gòu)上的差異才最終導(dǎo)致了自燃傾向性強(qiáng)弱。對(duì)于了解煤自燃機(jī)理有著重要意義。"

自燃時(shí)期

煤的自燃經(jīng)過(guò)的三個(gè)時(shí)期煤的自燃發(fā)展，一般要經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)期，即準(zhǔn)備時(shí)期，又稱潛伏期；自熱期；最后進(jìn)入燃燒期。

潛伏時(shí)期。煤自燃的潛伏時(shí)期即煤的低溫氧化過(guò)程，潛伏時(shí)期即準(zhǔn)備階段的長(zhǎng)短取決于煤的變質(zhì)程度和外部條件，如褐煤幾乎沒(méi)有準(zhǔn)備時(shí)期，而煙煤則需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)期。

自熱期。經(jīng)過(guò)潛伏期，煤的氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化產(chǎn)生的熱量使煤的溫度上升，當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度T=60～80℃時(shí)，煤的溫度急劇增加，氧化加劇，煤開(kāi)始出現(xiàn)矸餾，生成碳?xì)浠衔?、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等火?zāi)氣體，煤呈赤熱狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)著火溫度以上時(shí)便燃著。這一階段就是煤的自熱階段，又稱煤的自熱期。

燃燒期。這一時(shí)期是煤從低溫氧化發(fā)展成自燃的最后的一個(gè)階段。主要特征是：空氣中氧含量顯著減少，二氧化碳的數(shù)量倍增，同時(shí)由于燃燒不完全和二氧化碳的分解，而產(chǎn)生較多的一氧化碳，巷道中出現(xiàn)濃烈的火災(zāi)氣味和煙霧，有時(shí)還出現(xiàn)明火，火源溫度達(dá)到1000℃左右。

自燃期確定方法

1.巷道中煤層自燃發(fā)火期以自燃發(fā)火地點(diǎn)從暴露煤之日起至發(fā)生自燃發(fā)火時(shí)為止的時(shí)間計(jì)算，一般以月為單位。

2.回采工作面中煤層自燃發(fā)火期，應(yīng)以工作面開(kāi)切眼之日起發(fā)生自燃發(fā)火時(shí)為止的時(shí)間計(jì)算，一般以月為單位。

3.每一煤層的所有回采工作面和巷道，都應(yīng)進(jìn)行自燃發(fā)火期的統(tǒng)計(jì)，確定煤層自燃發(fā)火期。

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

煤炭自燃煤自燃的內(nèi)因

(1)煤的變質(zhì)程度。煤的變質(zhì)過(guò)程伴隨著煤分子結(jié)構(gòu)的變化，碳化程度越高，煤體內(nèi)含有的活性結(jié)構(gòu)越少。所以煤的變質(zhì)程度是煤自燃傾向性的決定性因素。然而煤是很復(fù)雜的固體化合物，影響煤自燃的因素義很多，所以同一變質(zhì)程度的煤可能自燃，也可能不自燃?，F(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)表面．褐煤最易自燃，無(wú)煙煤最不易A燃，煙煤的煤化度和自燃傾向性低于無(wú)煙煤而高于褐煤。煙煤是自然界最重要、分布最廣、儲(chǔ)量最大、品種最多的煤種。根據(jù)煤化度的不同．我國(guó)將其劃分為長(zhǎng)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(zhì)。

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(qiáng)，其次是亮煤．暗煤最難于自燃。絲煤結(jié)構(gòu)松散。吸氧量強(qiáng)。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(shí)為5倍。絲煤的著火溫度低，僅為190～270℃。所以人們認(rèn)為，在常溫條件下，絲煤是自燃的導(dǎo)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(kāi)采中易碎裂為微細(xì)的顆粒，細(xì)微狀的煤粒或黃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(dǎo)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(jī)硫以及硫酸鹽。對(duì)煤自燃起主導(dǎo)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(shí)產(chǎn)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(chǎn)物比煤的吸氧性更強(qiáng)，能將吸附的氧轉(zhuǎn)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(huì)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?yàn)槠扑榈拿禾坎粌H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(dāng)煤粒度小于1mm時(shí)氧化速率與粒徑無(wú)關(guān)，并認(rèn)為孔徑大于10nm的孔在煤氧化中起重要作用，根據(jù)波蘭的試驗(yàn)，當(dāng)煙煤的粒度直徑為1．5~2mm時(shí)，其著火點(diǎn)溫度大多在330～360℃；粒度直徑小于1mm以下時(shí)，著火點(diǎn)溫度可能降低到190～220℃。因此，可以說(shuō)，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(nèi)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(jìn)行復(fù)合氧化，使煤炭自燃的準(zhǔn)備期加長(zhǎng)。當(dāng)煤中殘余瓦斯量大于5m3/t時(shí)，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤與氧就更易結(jié)合。

(6)水分對(duì)煤自燃的影響。水分對(duì)煤炭自燃過(guò)程的影響有兩個(gè)相互對(duì)立的過(guò)程。一方面，煤炭中的水分在初期階段會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)作用而散失，因此，一部分熱量就會(huì)以水分潛熱的形式被水蒸氣帶走，這就會(huì)阻止煤體溫度升高的趨勢(shì)。另一方面，煤體也會(huì)從空氣中吸收水分。這就是所謂的吸收熱(有時(shí)也叫濕潤(rùn)熱)會(huì)促使煤的溫度升高。那么水分對(duì)煤的總的作用就取決于這兩種過(guò)程誰(shuí)占主導(dǎo)地位。

根據(jù)煤中水分賦存的特點(diǎn)，煤的水分分為內(nèi)在水分和外在水分，煤的內(nèi)在水分是吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部的毛細(xì)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(lái)說(shuō)，煤的內(nèi)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(jīng)過(guò)一定時(shí)間，煤的外在水分即完全蒸發(fā)干。在煤的外在水分還沒(méi)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(duì)煤的氧化進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)中。一個(gè)煤層或礦井自然發(fā)火危險(xiǎn)程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，還受煤層的地質(zhì)賦存、開(kāi)拓、開(kāi)采和通風(fēng)條件的制約。

1、煤層地質(zhì)賦存條件

據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的自燃火災(zāi)是發(fā)生在厚煤層開(kāi)采中，鶴崗礦區(qū)統(tǒng)計(jì)86%的自燃火災(zāi)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(shí)間長(zhǎng)，大大超過(guò)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(kāi)采急傾斜煤層比開(kāi)采緩傾斜煤層易自燃。俄羅斯庫(kù)茲涅茨礦區(qū)75%的自燃火災(zāi)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(zhuǎn)，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(zāi)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(rèn)為絕大多數(shù)厚煤層都應(yīng)按自然發(fā)火危險(xiǎn)煤層處理．急傾斜厚煤層尤應(yīng)如此。

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(jù)四川芙蓉礦統(tǒng)計(jì)．巷道自燃火災(zāi)52%發(fā)生在斷層附近。

煤層頂板堅(jiān)硬，煤柱最易受壓碎裂。堅(jiān)硬頂板的采空區(qū)難以冒落充填密實(shí)．冒落后還會(huì)形成與相鄰近的采I爰甚至地面連通的裂隙．漏風(fēng)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(kāi)拓開(kāi)采條件

用石門、巖巷開(kāi)拓，少切割煤層，少留煤柱，自然發(fā)火的危險(xiǎn)性就小。厚煤層開(kāi)采巖巷進(jìn)入采區(qū)．便于打鉆注漿有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)防性或滅火灌漿。

采煤方法對(duì)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(shí)間的長(zhǎng)短上。丟煤越多，丟失的浮煤越易集中，工作面的推進(jìn)速度越慢，越易發(fā)生自燃。

3、通風(fēng)條件

通風(fēng)因素的影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)、煤柱和煤壁裂隙漏風(fēng)。采空區(qū)面積大，漏風(fēng)量也大。在工作面的“兩巷兩線”(進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、開(kāi)切眼、停采線)，過(guò)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(fēng)大小的因素有礦井、采區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，采區(qū)和工作面的推進(jìn)方向，開(kāi)采與控頂方法等。

煤體要發(fā)生自燃必須具備以下四個(gè)條件：

①具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態(tài)存在；

②有大于12%氧含量的空氣通過(guò)這些碎煤；

③空氣流動(dòng)速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；

④在上述3個(gè)條件同時(shí)具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時(shí)間，使煤體可以達(dá)到著火溫度。

只要同時(shí)具備上述4個(gè)條件，煤炭自燃發(fā)火即可發(fā)生。但實(shí)際中很難找出某兩次煤炭自燃發(fā)火的發(fā)生條件是完全相同的。這樣，對(duì)煤炭自燃發(fā)火的條件就很難作出定量分析。