预防煤炭自燃火灾的方法及影响因素

第二节　煤炭自燃机理

一、煤炭自燃机理

人们从17世纪开始探索煤炭自燃机理，先后提出多种阐述煤炭自燃机理的学说，其中主要有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧化合学说等。

目前被人们认可的、比较合理解释煤的自燃机理的学说为煤氧化合学说，这种学说认为，煤在常温下吸附空气中的氧，并发生氧化反应，生成热量，热量积聚，导致煤的自燃。

（一）煤炭自燃的基本条件

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。

（二）煤炭自燃的发展过程

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4-1所示。潜伏期与自热期之和为煤的自然发火期。

图4-1　煤炭自燃过程

1.潜伏阶段；2自热阶段；3.燃烧阶段

（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。

二、煤的自燃倾向性

（一）煤的自燃倾向性

煤在常温下具有氧化能力的内在属性称为煤的自燃倾向性。正是由于这种属性，暴露在空气中呈破碎状态的煤才有可能因氧化积聚热量而发生燃烧引起火灾。《煤矿安全规程》规定，新建矿井的所有煤层必须由国家授权单位进行自燃倾向性鉴定；生产矿井延深新水平时，必须对所有煤层的自燃倾向性进行鉴定。

煤的自燃倾向性鉴定方法很多。目前我国采用色谱吸氧法，色谱吸氧法使用的仪器为“ZPJ-1型煤自燃倾向性测定仪”。使用该仪器测定出煤在常压下30℃时的吸氧量，然后根据每克干煤的吸氧量大小，将煤的自燃程度划分为三级:Ⅰ级-容易自燃；Ⅱ级-自燃；Ⅲ级-不易自燃。自燃倾向性划分标准如表4-1和表4-2所示。

表4-1　煤炭自燃倾向性分类表一

（褐煤、烟煤类）

表4-2　煤炭自燃倾向性分类表二

［高硫煤、无烟煤（含可燃挥发分）］

自燃火灾的形成不仅取决于煤的自燃倾向性，而且还取决于煤的存在状态、供氧条件及蓄热条件。完整的煤体在空气中是不会发生自燃的，这是因为它的氧化面积小，产生的热量少且不易积聚，温度难以升高，所以氧化过程不能得到发展，也就不能燃烧。只有在煤呈破碎状态，又有连续供氧条件和良好蓄热条件时，才有可能形成自燃火灾。

综上所述，形成自燃火灾的必要条件是必须同时具备以下三个条件:具有自燃倾向性的煤呈破碎状态存在；连续供氧；氧化生成的热量易于积聚。

（二）煤的自燃影响因素

1.影响煤炭自燃的内部条件

煤炭自燃的内部条件是煤炭自燃的内在因素，包括煤的化学成分、煤的物理性质、煤岩成分、煤层地质赋存条件。

（1）煤的化学成分。各种品种的煤，各种不同化学成分的煤，都有自燃的可能。从煤化程度看，一般认为煤化程度越高，挥发分含量越低，其自燃倾向性越弱，反之越强。同一品种的煤，自燃倾向性也不相同，这是由于煤的物理化学性质的多样性所致。因此，煤化程度不能作为煤的自燃倾向性的唯一指标。一般来说，煤中灰分越高，煤越不易自燃；煤中含硫越高，煤越易自燃。

（2）煤的物理性质。物理因素包括煤的破碎程度、水分和温度。煤越易破碎，与空气接触面积越大，越易自燃；脆性大的煤，容易破碎，也易自燃。丢弃在采空区内的浮煤和因冒顶或片帮堆积的浮煤容易自燃，而未被破坏的煤体不易自燃；同一种煤含水分越多，燃点也越高，但当其干燥后，煤的燃点显著降低，这是因为浸过水的煤，水使煤体分散，并清洗了煤表面的氧化层，因而易于自燃；但当煤体中的水分过多时，又会抑制煤的氧化。温度对煤自燃的影响是最大的，温度越高，煤越易自燃，其影响作用如自燃过程各阶段所述。(www.chuimin.cn)

（3）煤岩成分。组成煤炭的四种煤岩成分有丝煤、暗煤、亮煤和镜煤。其中暗煤硬度大、密度大，难以自燃；亮煤与镜煤脆性大，易破碎且燃点低，容易自燃；丝煤具有纤维结构，在常温下吸氧能力特别强，燃点最低，容易自燃。因此，在常温下，丝煤是自热的中心，起着引火物的作用，亮煤和镜煤脆性大，灰分少，最有利于自燃的发展，暗煤则不易自燃。

（4）煤层地质赋存条件

①煤层厚度和倾角。自然发火多发生在厚煤层、急倾斜煤层中。这是因为开采厚煤层或急倾斜煤层时，煤炭回收率低、采区煤柱易遭破坏、采空区不易封闭严密且漏风较大所致；煤又是热的不良导体，煤层越厚，越容易积聚热量，所以厚煤层分层开采时遗留浮煤较多，氧化产热不易散发出去，发火率较高。

②煤层埋藏深度。煤层埋藏深度越大，地压和煤体的原始温度也越高，煤内自然水分少，这将使煤的自燃危险性增加。但矿井开采浅部煤层时，容易形成与地表沟通的裂隙，造成采空区内有较大的漏风，也容易形成采空区浮煤的自燃。

③地质构造。煤层中地质构造破坏的地方（如褶曲、断层、破碎带和岩浆侵入区），煤炭自然发火比较频繁。因为这些地区的煤质松碎，有大量裂隙，从而增加了煤的氧化活性、供氧通道和氧化表面积。如有围岩渗水，使煤的氧化能力提高。在岩浆侵入区，煤受到干馏，煤的孔隙率增加，强度降低，煤的自燃危险性增大。

④围岩性质。煤层顶板坚硬，煤柱最易受压破碎。另外，坚硬项板的采空区难以充填密实，冒落后容易形成与相邻采区、甚至与地面连通的裂隙，造成漏风，为自然发火提供了充分条件。

2.影响煤炭自燃的外部条件

煤炭自燃的外部条件主要是煤炭开采的技术因素和矿井通风系统等。

（1）矿井开拓系统。选择合理的开拓系统，减少对煤层的切割，少留煤柱，巷道容易维护，减少冒顶，采空区容易隔绝，从而大大降低煤层自然发火的危险性。

（2）矿井采煤方法。选择合适的采煤方法，即巷道布置简单，易于维护；合理的开采顺序，采区回采率高，工作面回采速度快，采区漏风少，自然发火的危险性就会大大降低。

（3）矿井通风系统。选择合理的通风系统，减少或杜绝向采空区、煤柱和煤壁裂隙的漏风，就可以控制自然发火的发生。在矿井通风的实际管理中，一方面应严密堵塞漏风通道，以降低煤炭自然发火率；另一方面，还应尽量降低矿井总风压，以减少漏风通道两端的风压差，来降低漏风的风量，减少煤炭自燃的可能性，这对于防止煤炭自然发火有非常重要的意义。

三、煤炭自燃的预测预报

煤炭自然发火早期预测预报就是根据煤自然发火过程中出现的征兆和观测结果判断自燃，预测和推断自燃发展趋势，给出必要的提示和警报，以便及时采取有效的防治措施。井下发生自然发火时往往会出现以下一些征兆，据此可初步判断煤自然发火的特征:

（1）温度升高。通常表现为煤壁温度升高、自燃区域的出水温度升高和回风流温度升高，这是由于煤氧化自燃进入自热阶段放热所致。

（2）湿度增加。通常表现为煤壁“出汗”、支架上出现水珠等，这是因为煤在自燃氧化过程中生成和蒸发出一些水分，遇温度较低的空气或介质重新凝结形成水珠或雾气。

（3）出现火灾气味。巷道（或回采工作面）中，出现煤油、汽油、松节油或煤焦油气表明自燃已发展到自热阶段的后期，不久就可能出现烟雾和明火。

（4）人体感到不适或出现某些病理现象。自然发火过程中释放出大量的CO、SO₂、H2S等有害气体，人吸入后往往会出现头痛、疲乏、昏昏欲睡、四肢无力等病理现象。

（5）出现烟雾或明火。自然发火到一定程度时会出现烟雾或明火，此时处理措施一定要谨慎、得当，以免引燃引爆瓦斯，造成非常严重的后果。

自然发火的早期预测预报方法主要有气体分析法、测温法、光电法、电离法、烟雾法和气味检测法等。我国最常用的是气体分析法和测温法。

1.气体分析法

气体分析法是以煤自然发火过程中的气体产物变化规律来预测预报煤自然发火过程。长时期以来，气体分析法采用的是单一一氧化碳指标。但研究表明，一氧化碳指标与煤矿自然发火过程的分阶段性对应关系差，受现场影响因素干扰较大。最新研究成果表明，可以使用一氧化碳、乙烯及乙炔等指标预测预报煤炭自燃情况。矿井风流中只出现10^-6级的一氧化碳时为缓慢氧化阶段，出现10-6级的一氧化碳、乙烯时为加速氧化阶段，出现10-6级的一氧化碳、乙烯及乙炔时为激烈氧化阶段，此时即将出现明火。需指出的是，对不同的煤层必须分别对其进行模拟实验，优选其指标的具体应用值。开滦赵各庄矿9煤层和12煤层采集了9个煤样进行升温氧化实验，对实验结果分析可知，适合于赵各庄矿煤炭自然发火预测预报的指标气体主要是一氧化碳、乙烷、乙烯和乙烷比乙烷。缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段对应的温度范围为:＜180℃，180℃～300℃，＞300℃。缓慢氧化阶段的指标气体主要是一氧化碳和乙烯，此阶段各煤样一氧化碳作为预测指标气体明显优于乙烯。在加速氧化阶段，乙烯和乙烷都已出现，选用乙烯乙烷比值作为预测指标。在激烈氧化阶段，煤已将近燃烧，对于早期预测预报已没有意义。

国外有的煤矿采用烯炔比（乙烯和乙炔之比）和链烷比（C₂H6/CH4）来预测煤的自热与自燃（表4-3）。

表4-3　主要产煤国家预报煤炭自然发火的指标气体

2.测温法

测温法是通过测量发热体及其周围的温度变化来反映煤的自然发火进程，从而做出预测预报。这种方法是通过在钻孔内安设温度探测器，或在某些区域内布置的温度传感器及其无线发射装置，根据测定的温度和接收到的信号变化来判断煤层是否发生自燃。

测温法也是煤自然发火监测的常用方法之一。但由于受煤矿井下作业环境流动性、分散性和空间限制等因素的影响，温度监测所需监测点多，且工作量较大，采用热电偶等温度传感器成本高，管理困难。因此至今未能得到广泛应用。

3.束管集中检测系统

束管集中检测系统是一种连续抽取井下气体，在地面用仪器分析各种指标气体以预报灾情的装置（图4-2）。束管集中检测系统组成:①采样系统（由抽气泵和管路组成）；②控制装置；③气样分析（气相色谱仪、红外气体分析仪等）；④数据储存、显示和报警。塔山煤矿引进的澳大利亚TUBEBUNDLE SYSTEM MINEGAS及GC-CP4900两套束管防火监控系统，实际应用效果良好。

4.气味检测法

近年来，日本等国研制成功一种气味传感器，并将其用于日本太平洋煤矿井下煤自然发火的早期预测，取得了初步成效，开辟了煤自然发火预测预报气味检测法的新领域。气味传感器是一种结构与人类嗅觉鼻粘膜极为相似的人工合成双层薄膜，当薄膜吸附气味后，覆盖在振动器上的薄膜的重量增加，振动器的频率改变，频率变化大小可以用电信号输出，能够测量频率就能够测定吸附气体的重量。气味分析法不但能检测出煤低温氧化初期释放气味的微弱变化，借助于人工神经网络分析，还能识别不同物质（如煤炭、坑木、胶带等）燃烧时所释放出来的气味。虽然气味检测法及其预测指标的研究取得了一定的成果，但在实际应用中，井下放炮的炮烟、胶带输送机和采煤机等大型机电设备的开停、放煤落煤以及通风系统的改变等都会对气味传感器的监测造成一定的影响。气味检测法的实用性还有待进一步研究。

5.矿井火灾监测与监控系统

煤矿建立现代化的环境监测系统进行火灾早期预报，是改变煤矿安全面貌、防止重大火灾事故的根本出路。近年来，国内外的煤矿安全监测技术发展很快，法国、波兰、日本、德国、美国等国家先后研制了不同型号的环境监测系统。我国从20世纪80年代开始，通过对国外技术的引进、消化和吸收，环境监测技术有了很大的进步。除分别引进波兰的CMC-1系统、英国的MINOS系统、美国MSA公司DAN-6400系统以及德国TF-200系统外，国内一些军工和煤矿研究单位也研制了一些监测和监控系统。

图4-2　束管检测系统示意图