煤炭自燃机理

煤炭的自燃过程按其温度和物理化学变化特征，分为潜伏期、自热期、自燃期和熄灭四个阶段，如图1所示。潜伏期与自热期之和为煤的自然发火期。

(1)潜伏期。自煤层被开采、接触空气起至煤温开始升高的时间区间称为潜伏期。在潜伏期，煤与氧的作用是以物理吸附为主，放热很小;煤的质量略有增加，增加的质量等于吸附氧的质量，煤的化学性质变得活泼，煤的着火温度降低。

(2)自热阶段。煤温开始升高至其温度达到燃点的过程叫自热阶段。自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化产生热量逐渐积累、温度自动升高的过程。具有以下特点：①氧化放热较大，煤温及其环境温度升高;②空气中CO、CO₂含量显著增加，并散发出煤油味和其他芳香气味;③有水蒸汽生成，火源附近出现雾气，在支架及巷道壁上凝有水珠;④微观结构发生变化。

(3)燃烧阶段。煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧(风)，则发生燃烧，出现明火。这时会产生大量的高温烟雾，其中含有CO、CO₂以及碳氢类化合物。若煤温达到自燃点，但供风不足，则只有烟雾而无明火，此即为干馏或阴燃。

(4)熄灭。及时发现，采取有效的灭火措施，使煤温降至燃点以下，燃烧熄灭。2100433B

煤炭自燃的形成必须具备以下四个基本条件：

(1)煤本身具有自燃倾向性。这是煤自燃的内在因素，与煤本身所含化学成分有关。

(2)煤呈破碎状态存在。煤破碎以后，接触氧的表面积增大，吸附氧的能力大大增强，容易氧化产生大量的热量。

(3)连续供氧。缓慢地连续供氧能使煤的氧化继续。

(4)热量易于积聚。发生自燃的地点，通风不畅(如采空区、煤柱裂缝、浮煤堆积处等)，煤氧化产生的热量不易散发出去，热量逐渐积累，温度不断升高，当达到燃点温度时煤就燃烧起来。

煤本身具有自燃倾向性是形成煤炭自燃的内在条件，是内因;而后三个条件是煤炭自然发火的外在因素，是外因，可以人为地控制。预防煤炭自燃火灾的发生，应设法避免后三个条件的形成。

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。

我国矿井煤炭自然发火十分严重。多年来，国内外学者对煤矿自然发火防治这一重大安全技术进行了大量的研究，取得了可喜的进步。但是，总的来说，煤矿的防灭火工作仍然停留在被动的对火灾的“防与治”之中，尚未有效地控制煤层自燃，主动预防自燃的发生远未达到目标。利用模糊综合评判理论，建立了基于VB煤炭自燃综合评判应用系统，有利于提高煤炭自燃预测预报的科学性，减少盲目性。

自燃系统综合评判的数学模型及方法

模糊综合评判方法作为一种数学模型，对多因素、多层次的复杂问题具有使用方便、评判准确可靠的特点，因此，该方法被广泛应用于各行各业。它是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评判事物相关的各个因素，对其作出综合评判。

在评价某个事物时，将评价结果分成一定的等级。例如，对煤炭自燃进行评判时，可将评价的等级分为“不自燃”、“可能自燃”、“自燃”、“易自燃”四个等级。对多因素的综合评判，一方面对于被评判事物从不同的因素着眼可以得到绝然不同的结论；另一方面在诸多着眼因素之间，有些因素在总评价中的影响程度可能大些，而另一些

因素在总评价中的影响程度可能小些，它是一个模糊择化问题。

自燃系统煤炭自燃评判指标体系

依据煤炭自然发火机理，煤炭自然发火危险程度由三类指标构成：煤的自燃倾向性；持续的漏风供氧条件；聚热散热条件。每一类指标又由若干个次一级的分指标构成，它属于一个多因素、多层次综合评判问题。由于煤炭自燃漏风和聚热条件不同，将煤炭自燃评判指标体系分为采煤工作面采空区煤炭自燃和煤巷煤炭自燃。

通过理论分析，再结合现场煤炭自燃的实际情况，对于采空区煤炭自燃来说煤的自燃倾向性包含还原煤和氧化煤样的燃点温度差，煤的吸氧量，CO单位温升增长率三项次级指标；持续的漏风供氧条件的次级指标为氧化带存在漏风时间，漏风压差，煤层厚度，漏风形式，煤的破坏性，回采巷道布置方式，采空区密闭质量，地质构造，煤层顶板岩性，煤层倾角；聚热散热条件的次级指标包含漏风风速，工作面推进速度，采空区遗煤厚度，区域围岩温度。对于煤巷煤炭自燃而言，煤炭自燃倾向性指标同采空区煤炭自燃；持续的漏风供氧条件的次级指标为巷道布置方式，巷道风速，局部通风机通风方式，煤层厚度和巷道空顶范围；聚热散热条件的次级指标包含漏

风风速，区域围岩温度，开采煤层硫铁矿含量。

自燃系统评判应用系统的结构和特点

由于煤炭自燃的种类不同(采空区遗煤自燃和煤巷顶煤自燃)，产生煤炭自燃的发生条件不同，因而煤炭自燃评判指标体系亦不相同。该应用系统采用分层控制，即从主控界面选取不同的评判体系，根据系统使用说明书提供的煤炭自燃评判指标参考值，结合评判现场的实际，确定评判指标值，采用表格形式录入计算机，即可进行评判。

(1)煤炭自燃模糊综合评判模型，比较全面地考虑了引起煤炭自燃的各种因素，避免了人为因素的影响，提高了煤炭自燃预测的科学性。

(2)上述应用系统预测可靠性的关键是评判指标值的确定及置信度的确定。

(3)煤炭自燃综合评判应用系统可满足矿井日常煤炭自燃可疑地点自燃危险程度的早期预测及辅助决策的需求，对矿井通风安全管理现代化起到积极的促进作用。

《二氧化碳防治煤炭自燃理论与技术》共分八章，主要内容包括CO2对煤自燃氧化反应过程的影响实验，抑制煤氧化燃烧反应动力学过程分析；CO2注入采空区的惰化降温区域；液态CO2防灭火工艺流程模拟；CO2防治煤层自燃的应用工艺及装备；分析了CO2防治煤自燃应用的典型案例等。

《二氧化碳防治煤炭自燃理论与技术》可作为安全工程和消防工程等专业的研究学者阅读，也可作为煤矿企业从事煤矿安全生产、矿山应急救援的技术和管理人员的参考用书。