1 煤的自燃機(jī)理

1.1 概述

關(guān)于煤的自燃問題，長期以來，一般都認(rèn)為煤中黃鐵礦的存在是自燃的原因，由于黃

鐵礦氧化成為三氧化二鐵及三氧化硫時(shí)能放出熱量，在有水分參加的情況下，可以形成硫酸，它是很強(qiáng)的氧化劑，更加速煤的氧化，促進(jìn)煤的自燃。

需要指出，有的含有黃鐵礦的煤，雖然經(jīng)過長斯放置，并不一定發(fā)生燃，而不含或少含黃鐵礦的煤也有自燃現(xiàn)象。因此，煤的自燃并非完全因含有黃鐵礦而引起。其主要原因是由于吸收了空氣中的氧氣，使煤的組成物質(zhì)氧化產(chǎn)生熱量，再被水濕潤，就放出更多的濕潤熱，也會(huì)加速煤的自燃。此外，煤的自燃還與煤本身的性質(zhì)有關(guān)。如煤的品級(jí)；煤的顯微組分、水分、礦物質(zhì)、節(jié)理和裂隙；煤層埋藏深度和煤層厚度；開采方法和通風(fēng)方式等。煤的自燃從本質(zhì)上來說是煤的氧化過程。

1.2 煤自燃的不同階段

（1）水吸附階段。與其他階段不同，這個(gè)階段只是個(gè)物理過程，煤與氧不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，煤吸附水雖不是煤自燃的根本原因，但他對(duì)煤自熱，特別是低品級(jí)的煤自熱有重要影響。當(dāng)水被煤吸附時(shí)會(huì)放出大量熱，即潤濕熱。所以，多數(shù)情況下該階段對(duì)煤的自燃都起著關(guān)鍵作用。

（2）化學(xué)吸附階段。煤自燃過程首先在這個(gè)階段發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該階段的反應(yīng)溫度為環(huán)境溫度至70℃。這伸過程中煤吸附氧氣會(huì)產(chǎn)生過氧化物，因而叫做化學(xué)吸附階段。化學(xué)吸附階段煤重略有增加，并產(chǎn)生氣體，其中的CO可作為標(biāo)準(zhǔn)氣體，通過監(jiān)測CO濃度可對(duì)煤的自燃進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，化學(xué)吸附階段需要少量水參加反應(yīng)。根據(jù)煤的品級(jí)和類型不同，化學(xué)吸附的放熱量在5.04～6.72J/g之間變化。若煤溫達(dá)到70℃時(shí)會(huì)分解，煤重隨之在幅度下降，甚至比原始煤重還要輕。煤中水汾的蒸發(fā)可帶走一些熱量，該過程產(chǎn)熱量晨16.8～75.6J/g間變化。若煤氧化進(jìn)行到這個(gè)階段，想使其不自燃是非常困難的。

（4）煤氧復(fù)合物生成階段。該階段生成一種穩(wěn)定的化合物，即煤氧復(fù)合物。其反應(yīng)溫度范圍為150～230℃。產(chǎn)生的熱量25.2～003.4J/g。這個(gè)階段煤重又有所增加，煤氧化進(jìn)行到這個(gè)階段必然發(fā)生自燃。

（5）燃燒初始階段。這是煤氧復(fù)合物生成階段到煤快速燃燒階段的過渡時(shí)期，煤溫達(dá)230℃時(shí)，煤氧化可進(jìn)行到個(gè)階段。此時(shí)煤的反應(yīng)熱為42～243.6J/g。這些熱量使煤迅速上升促進(jìn)了煤的快速燃燒。

（6）快速燃燒階段。這是煤自熱的最后階段，它描述了煤的實(shí)際燃燒過程。依氧氣供應(yīng)充足與否，這個(gè)階段可能發(fā)生干餾、不完全燃燒或安全燃燒。如果燃燒充分，其反應(yīng)熱等于煤的發(fā)熱值。

2 煤的自熱影響因素

2.1 煤質(zhì)

煤質(zhì)本身對(duì)煤自熱敏感性有顯著的影響。

（1）煤的品級(jí)。煤的品級(jí)表明了煤的變質(zhì)程度，常用揮發(fā)分含量和含煤量表示。品級(jí)低的純煤自熱熱敏感性高，而且，隨著煤的品能升高其自熱敏感性下降。因而，干燥褐煤最易自熱而無煙煤幾乎不自熱。但含有大最水分的褐煤較純褐煤不易自燃。

（2）煤的水分含量。煤中水分的含量對(duì)煤的自燃性有很大影響。水分含量達(dá)飽和的煤，特別是在水分含量高的褐煤和次煙煤被開采和干燥前，煤體不再吸附水分，因而不能放出潤濕熱。煤氧化放出的熱量通常使內(nèi)在水分溫度升高。另一方面，自熱時(shí)的化學(xué)反應(yīng)需要有少量的水分參加。低口級(jí)煤水分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)反應(yīng)的需要量。因而，對(duì)低品級(jí)煤來說，水分實(shí)際上是煤自熱的阻化劑。

（3）礦物質(zhì)。煤中的礦物成分也叫灰分。它可與氧反應(yīng)放熱增加煤溫，而且使煤分解以增加煤與空氣接觸的表面積，如黃鐵礦，它可以吸收氧化反應(yīng)放出的部分熱量降低煤的氧化反應(yīng)進(jìn)程；煤的高灰分使單位質(zhì)量的氧化熱降低。

2.2 開采和貯運(yùn)的環(huán)境因素

環(huán)境因素對(duì)煤自熱的影響為：可使煤的水分含量發(fā)生變化；改變煤氧接觸條件：使生產(chǎn)成的熱量擴(kuò)散。可分為：

（1）地質(zhì)因素。斷層和裂隙有利于空氣和水分與煤接觸。因而散熱沒有明顯增加，卻增加了煤發(fā)生氧化的機(jī)會(huì)和水的吸附。也就是說斷層和裂隙增加了煤自燃的危險(xiǎn)性。埋藏深的煤層地面漏風(fēng)較少。采空區(qū)遺煤（特別對(duì)于厚煤層）因不能完全回采而增中了煤的自燃危險(xiǎn)性。

（2）開采因素。開采因素對(duì)煤自燃的影響主要有2個(gè)方面，即通風(fēng)和煤破碎，沒有通風(fēng)或通風(fēng)充分的地方，煤自燃的可能性較低。而通風(fēng)不充分地方煤自燃的可能性較大。裂隙漏風(fēng)是不充分漏分，它創(chuàng)造了煤進(jìn)一步氧化的條件，而散熱條件并未被改善。所以，任何漏風(fēng)對(duì)煤炭自燃來說都是很危險(xiǎn)的。

（3）貯運(yùn)因素。在貯存和運(yùn)輸過程中，影響煤自燃的因素要為通風(fēng)不充分和干燥的低品級(jí)煤因雨淋和噴灑水產(chǎn)生潤濕熱。

3 煤炭自燃的綜合防治措施

3.1煤層自燃的預(yù)測預(yù)報(bào)

（1）鑒于煤在低溫氧化階段產(chǎn)生CO，因此，CO是早期揭露火災(zāi)的敏感指標(biāo)。在礦井的采煤工作面回風(fēng)道、綜掘煤巷等有自然發(fā)火的地點(diǎn)設(shè)置CO傳感器，若發(fā)現(xiàn)CO濃度超限，便可采用便攜式CO檢測儀追蹤監(jiān)測確定高溫點(diǎn)。

（2）采用紅外探測法判斷高溫點(diǎn)的位置，紅外探測法其基本原理是，根據(jù)紅外輻射場的理論，建立火源與火源溫度場的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而推斷出火源點(diǎn)的位置。

（3）用鉆孔測溫輔助監(jiān)測。對(duì)頂煤破碎或有自燃危險(xiǎn)的地點(diǎn)，埋設(shè)測溫探頭，定期監(jiān)測溫度變化情況。

（4）加強(qiáng)漏風(fēng)檢測。定期采用示蹤氣體法，檢查順槽漏風(fēng)量。對(duì)漏風(fēng)集中的區(qū)域加強(qiáng)觀測。

3.2 預(yù)防措施

（1）均壓通風(fēng)控制漏風(fēng)供氧。均壓通風(fēng)是控制煤層開采中采空區(qū)等漏風(fēng)的有效措施。首先，要在保證沖淡CH₄，風(fēng)速，氣溫和人均風(fēng)量的要求下，全面施行區(qū)域性均壓通風(fēng)，其調(diào)壓措施包括單項(xiàng)調(diào)壓和多項(xiàng)措施聯(lián)合調(diào)壓，具體實(shí)施中的形成的工作面均壓逐步擴(kuò)大到鄰近工作面采空區(qū)的區(qū)域性均壓。

（2）噴漿堵漏鉆孔灌漿。對(duì)煤層開采中的可疑地點(diǎn)或已出現(xiàn)隱患地點(diǎn)進(jìn)行全封閉噴漿和打淺密集鉆孔注漿，是防止自然發(fā)火的2個(gè)有效措施。

（3）注凝膠防滅火。采用注凝膠技術(shù)處理高溫點(diǎn)或自然發(fā)火是煤層開采中防滅火的重點(diǎn)措施，其方法是將凝膠注入高溫點(diǎn)或火點(diǎn)的周圍煤體中，其作用是既可以封堵漏風(fēng)通道，又可以吸熱降溫。（陳憲）