煤自燃氧化过程自燃特性研究作者简介

王福生，男，1973年4月，汉族，河北唐山人；博士，教授，硕士生导师，华北理工大学矿业工程学院安全系主任。第五届国家安全生产委员会专家组成员，科技部公共安全领域重大项目评审专家，华北理工大学第一届学术委员会委员。2005年7月，毕业于南开大学，获博士学位。2005年至今在华北理工大学任教，主要从事矿山安全理论与技术、安全管理与评价等方面的教学、科研工作。近年来，主要承担了国家自然基金、河北省自然基金、国家教育部重点项目及企事业委托项目多项，参与完成了河北省科技计划项目“开滦矿区自然发火规律的研究”，河北省自然基金项目：“煤与瓦斯突出过程温度变化规律及其预测预报技术研究”，国家自然基金项目“煤层赋存一氧化碳机理及其影响因素分析”、“煤层赋存一氧化碳吸附-解吸及运移机理的研究”等研究，获河北省科技进步三等奖2项，国家安全生产监督管理局安全科技成果二等奖1项。

本书首先对六种不同地区煤样进行镜质组发射率的测定，以判定煤种的类型，随着变质程度的加深，镜质组发射率不断增大，然后利用煤自燃倾向性的氧化动力学判定方法对煤样自燃倾向性进行计算与分析，自燃倾向性综合判定指数与镜质组反射率保持良好线性关系。最后分别从煤的结构与组成入手分析对自燃倾向性影响分析，在煤的组成上，采用元素分析、工业分析和显微组分手段分析煤的组成指标对自燃倾向性影响规律与作用机理，在煤的结构上，采用SEM初步观察煤体结构差异，利用低温氮气吸附实验进一步研究煤的孔隙结构特征以及孔径分布情况，为了研究煤分子结构不同采用FIFT技术手段，结果表明，不同煤样的活性基团种类以及含量不尽 同，正是因为煤中的组成与结构上的差异才最终导致了自燃倾向性强弱。对于了解煤自燃机理有着重要意义。"

自燃时期

煤的自燃经过的三个时期煤的自燃发展，一般要经过三个时期，即准备时期，又称潜伏期；自热期；最后进入燃烧期。

潜伏时期。煤自燃的潜伏时期即煤的低温氧化过程，潜伏时期即准备阶段的长短取决于煤的变质程度和外部条件，如褐煤几乎没有准备时期，而烟煤则需要一个相当长的准备时期。

自热期。经过潜伏期，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化产生的热量使煤的温度上升，当温度超过临界温度T=60～80℃时，煤的温度急剧增加，氧化加剧，煤开始出现矸馏，生成碳氢化合物、氢气、一氧化碳、二氧化碳等火灾气体，煤呈赤热状态，当到达着火温度以上时便燃着。这一阶段就是煤的自热阶段，又称煤的自热期。

燃烧期。这一时期是煤从低温氧化发展成自燃的最后的一个阶段。主要特征是：空气中氧含量显著减少，二氧化碳的数量倍增，同时由于燃烧不完全和二氧化碳的分解，而产生较多的一氧化碳，巷道中出现浓烈的火灾气味和烟雾，有时还出现明火，火源温度达到1000℃左右。

自燃期确定方法

1.巷道中煤层自燃发火期以自燃发火地点从暴露煤之日起至发生自燃发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

2.回采工作面中煤层自燃发火期，应以工作面开切眼之日起发生自燃发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

3.每一煤层的所有回采工作面和巷道，都应进行自燃发火期的统计，确定煤层自燃发火期。

煤自燃是煤氧化产热与向环境散热的矛盾发展的结果。因此，只要与煤自燃过程产热和热量向环境散热相关的因素都能影响煤的自然发火过程。可以将影响煤自燃的因素分为两个方面，即影响煤自燃的内在因素和外在因素。

煤炭自燃煤自燃的内因

(1)煤的变质程度。煤的变质过程伴随着煤分子结构的变化，碳化程度越高，煤体内含有的活性结构越少。所以煤的变质程度是煤自燃倾向性的决定性因素。然而煤是很复杂的固体化合物，影响煤自燃的因素义很多，所以同一变质程度的煤可能自燃，也可能不自燃。现场的统计表面．褐煤最易自燃，无烟煤最不易A燃，烟煤的煤化度和自燃倾向性低于无烟煤而高于褐煤。烟煤是自然界最重要、分布最广、储量最大、品种最多的煤种。根据煤化度的不同．我国将其划分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等，这些煤种的自燃倾向性逐渐降低。

(2)煤岩成分。煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。在不同的煤炭中，这四种成分的数量变化很大，通常煤体中大多数是暗煤和亮煤，除极少数的情况外，丝煤和镜煤仅仅是煤中的少量混杂物质。

不同的煤岩成分有着不同的氧化性。在低温下，丝煤吸氧最多，但是，随着温度的升高，镜煤吸附氧能力最强，其次是亮煤．暗煤最难于自燃。丝煤结构松散。吸氧量强。在常温条件下，丝煤吸附氧的数量较其他煤种要多1．5～2．0倍，50℃时为5倍。丝煤的着火温度低，仅为190～270℃。所以人们认为，在常温条件下，丝煤是自燃的导因，起着引火物的作用。

镜煤与亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常常充填有黄铁矿，开采中易碎裂为微细的颗粒，细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃氧化特性，因此它的氧化接触面积大，着火温度低，故镜煤与亮煤在丝煤吸附氧化升温的促使诱导下很容易自燃。

(3)煤的含硫量。硫在煤中有三种存在形式：硫化铁即黄铁矿、有机硫以及硫酸盐。对煤自燃起主导作用的是黄铁矿一黄铁矿的比热小，它与煤吸附相同的氧量而温度的增值比煤大3倍。黄铁矿在低温氧化时产生硫酸铁和硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变得松散，增大了氧化表面积，而且其分解产物比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧转让给煤粒使之发生氧化"para" label-module="para">

(4)煤的粒度孔隙特性和破碎程度。完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能显著提高。这是因为破碎的煤炭不仅与氧接触的表面积增大，而且着火温度也明显降低。有人研究，当煤粒度小于1mm时氧化速率与粒径无关，并认为孔径大于10nm的孔在煤氧化中起重要作用，根据波兰的试验，当烟煤的粒度直径为1．5~2mm时，其着火点温度大多在330～360℃；粒度直径小于1mm以下时，着火点温度可能降低到190～220℃。因此，可以说，煤的自燃性随着其孔隙率、破碎度的增加而上升，这也是煤矿井下自燃多发生在粉煤及碎煤聚集的地方的原因。如采空区周围边缘地带，在垮塌的煤壁和受压破裂的煤柱等处均为自燃多发地。

(5)煤的瓦斯含量。瓦斯或者其他气体含量较高的煤，由于其内表面含有大量的吸附瓦斯，使煤与空气隔离，氧气不易与煤表面发生接触，也就不易与煤进行复合氧化，使煤炭自燃的准备期加长。当煤中残余瓦斯量大于5m³/t时，煤往往难以自燃。但是随着瓦斯的放散，煤与氧就更易结合。

(6)水分对煤自燃的影响。水分对煤炭自燃过程的影响有两个相互对立的过程。一方面，煤炭中的水分在初期阶段会因为蒸发作用而散失，因此，一部分热量就会以水分潜热的形式被水蒸气带走，这就会阻止煤体温度升高的趋势。另一方面，煤体也会从空气中吸收水分。这就是所谓的吸收热(有时也叫湿润热)会促使煤的温度升高。那么水分对煤的总的作用就取决于这两种过程谁占主导地位。

根据煤中水分赋存的特点，煤的水分分为内在水分和外在水分，煤的内在水分是吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔中的水分，煤的外在水分是附着在煤的裂隙和煤体表面上的水分。一般来说，煤的内在水分在100℃以上的温度才能完全蒸发到周嗣的空气中，煤的外在水分在常温状态下即能不断蒸发到周围空气中，在40～50℃温度下，经过一定时间，煤的外在水分即完全蒸发干。在煤的外在水分还没有全部蒸发之前，温度很难上升到100℃，因此，从这种情况看，煤的含水量对煤的氧化进程有影响，主要还是煤的外在水分。

煤炭自燃煤自燃的外因

煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属性。实验证明，它取决于煤在常温下的氧化能力。是煤层发生自燃的基本条件。然而在生产中。一个煤层或矿井自然发火危险程度并不完全取决于煤的自燃倾向性，还受煤层的地质赋存、开拓、开采和通风条件的制约。

1、煤层地质赋存条件

据统计，80%的自燃火灾是发生在厚煤层开采中，鹤岗矿区统计86%的自燃火灾发生在5m以上的厚煤层中，厚煤层容易自然发火的原因，一是难以全部采用，遗留大量浮煤与残柱；二是采区回采时间长，大大超过了煤层的自然发火期；三是煤层易受压破裂而发生自燃。

开采急倾斜煤层比开采缓倾斜煤层易自燃。俄罗斯库兹涅茨矿区75%的自燃火灾发生在45°～90°倾角的煤层中。徐州大黄山煤矿煤层倾角南陡北缓，南翼局部倒转，自然发火次数南翼为北翼的一倍以上。急倾斜煤层易于发生自燃火灾的原因主要是采煤方法不正规、丢煤多、采后难以封闭。

综上所述，可以认为绝大多数厚煤层都应按自然发火危险煤层处理．急倾斜厚煤层尤应如此。

地质构造复杂的地区，包括断层、褶曲发育地带、岩浆入侵地带，自然发火频繁。这是由于煤层受张力、挤压，裂隙多，煤体破碎，吸氧条件好所造成。据四川芙蓉矿统计．巷道自燃火灾52%发生在断层附近。

煤层顶板坚硬，煤柱最易受压碎裂。坚硬顶板的采空区难以冒落充填密实．冒落后还会形成与相邻近的采I爰甚至地面连通的裂隙．漏风难以杜绝，为自然发火提供了条件，大同矿区的自然发火就具有这方面的特征。

2、开拓开采条件

用石门、岩巷开拓，少切割煤层，少留煤柱，自然发火的危险性就小。厚煤层开采岩巷进入采区．便于打钻注浆有利于实现预防性或灭火灌浆。

采煤方法对自然发火的影响主要表现在煤炭回采率的高低，回采时间的长短上。丢煤越多，丢失的浮煤越易集中，工作面的推进速度越慢，越易发生自燃。

3、通风条件

通风因素的影响主要表现在采空区、煤柱和煤壁裂隙漏风。采空区面积大，漏风量也大。在工作面的“两巷两线”(进风巷、回风巷、开切眼、停采线)，过断层地带，煤层变薄跳面的地方有大量浮煤堆积，最易发生自燃。

决定漏风大小的因素有矿井、采区的通风系统，采区和工作面的推进方向，开采与控顶方法等。

煤体要发生自燃必须具备以下四个条件：

①具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；

②有大于12%氧含量的空气通过这些碎煤；

③空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；

④在上述3个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体可以达到着火温度。

只要同时具备上述4个条件，煤炭自燃发火即可发生。但实际中很难找出某两次煤炭自燃发火的发生条件是完全相同的。这样，对煤炭自燃发火的条件就很难作出定量分析。