煤炭自然发火专题论文

煤炭自然发火专题论文第一节煤炭自燃发火的条件及过程煤炭自燃是一种自然现象。早在数百万年之前就已发生，例如大同和陕北的侏罗纪煤层中有早前（距今大约200万年）自燃形成的火烧区，现今新疆的每天仍有煤层在自燃。我国是煤炭自然发火比较严重的国家，据2002年的统计，我国国有重点煤矿中有自然发火的矿井占51.3%，自然发火占矿井总火灾的90%以上。自然发火危险矿井几乎在所有矿区都存在，以自燃破坏的煤炭资源，每年造成的经济损失达数亿元，仅1999年全国共有87个大中型矿井，因自然发火封闭火区315处，不但造成了严重的煤炭资源浪费，而且威胁着井下作业人员的人身安全。自20世纪60年代以来，煤炭自然的相关理论研究、实验和综合防治技术取得了显著成就，注入均压、注浆、阻化剂、凝胶、注氮等防灭火技术已成功地得到了应用，自燃火灾发生率明显下降。研究和掌握煤炭自然发火的条件、过程和规律，对防治自然发火有着重要的意义。矿井火灾事故，特别是自然发火事故，对煤矿安全生产的危害在某种意义上说并不亚于瓦斯、煤尘爆炸事故。煤炭自然发火与外因火灾相比，具有发生、发展缓慢并有规律的演变过程，可在它形成的初期发现。一、煤炭自燃的条件实践证明，煤炭自燃必须具备以下四个条件：（1）煤有自然倾向性并呈破碎堆积状态存在；（2）适量通风供氧；（3）良好的蓄热环境；上述四个条件却以不可。煤的自然倾向性取决于煤的物理化学性质，它表示煤与氧的相互作用的能力。煤破碎以后，大大增加了单位体积内的外在表面积，与氧气的接触面积增大，氧化能力增强；堆积的破碎煤炭（一般认为堆积厚度大于0.4m）氧化产生的热量不容易散失，使煤炭的温度逐渐升高，自燃进程加快。氧是煤自燃的重要因素，连续的供氧才能使氧化继续进行下去。当空气中氧含量低于10%时具有窒息性；当空气中氧含量低于15%时，可以预防自然发火。正是这个原因。采空区内并不是每个地方都会形成自然发火的。良好的蓄热环境才能使氧化生热不断积聚。空气流动速度的大小是氧化热量能否积聚的重要条件。在采空区内如果风流速度太大，热量则不能积聚，不一形成煤炭自燃。如果风流速度过低，则会供氧不足，氧化非常缓慢，也不能形成自燃。煤炭自然都是在风速比较适中的情况下发生的。维持煤的氧化过程不断发展的时间也是形成煤炭自燃的重要条件，这个时间大于煤的自燃发火期。大量事实说明，只要同时具备上述四个条件，煤炭自然发火即可发生。但实际中很难找出某两次煤炭自然发火的发生条件是完全相同的。这样，对没煤炭自然发火的条件就很难做出定量分析。煤炭自燃经常发生的地点有：有大量遗煤而未及时封闭或封闭不严的采空区（特别是踩空区内的联络眼附近和停采线处）；巷道两侧和遗留在采空区内受压的煤柱；巷道内堆积的浮煤或煤巷的冒顶、垮帮处。二、煤炭自燃的过程从17世纪开始，人们就开始探索煤炭自燃机理，这是各世界各主要产煤国共同关注的问题。不少学者对此作了不懈的努力和探索，并提出了许多假说。主要有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、煤氧复合作用学说等。目前，煤氧复合作用学说已被较多的人们所接受，该学说认为：煤在常温下即已吸收了空气中的氧而发生氧化作用，开始时是在煤的表面生成不稳定的初级氧化物。先是氢气氢气氧化生成烃基（OH），其次是碳氢氧化生成俊基（COOH），然后再生成一氧化碳CO。在此过程中同时放出少量的热。随着热量的积聚，煤与氧之间的相互作用也加速。的那个氧原子浸入氧分子的深部后即生成较为复杂的碳氢化合物。先前生成的不稳定化合物即行分解，产生水蒸气、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等。在这一过程中，随同生成大量的热（占氧化作用中全部热量的60%～70%）。热量的积聚使煤的自燃作用加速，当温度升高到煤的着火点时，便由自热作用进入自燃。煤的破碎增加了单位体积内煤的外在表面积，从而直接提高了氧化程度；随着渗透速度的提高，积聚在煤内的氧气浓度也开始较快增加，氧化产生的热量也随着成正比增加，并且比空气带出的热量大，加速了自燃进程；同时煤体的温度也影响煤的自燃过程，其影响过程遵循不同的规律，它可能因为散失的热量大于产生的热量而停止升温。按照煤氧复合作用学说，煤的自燃发展过程一般分为按个阶段，即潜伏阶段、自热阶段、自燃阶段。1、潜伏期自煤层被开采、接触空气起至煤温开始升高为止的时间区间为潜伏期。此阶段叫做潜伏阶段。该阶段是煤自燃的准备阶段（煤的低温氧化过程）。在潜伏期，煤与氧的作用是以物理吸附为主，放热很小，无宏观效应。在潜伏期的长短取决于煤的分子结构、物化性质、煤的变质程度和外部条件。另外，煤的破碎和堆积状态、散热和通风供氧条件等，对潜伏期的长短也有一定影响。不同的煤层潜伏期是不同的，如褐煤几乎没有潜伏期，而烟煤则需要一个相当长的准备阶段。经过潜伏期后的煤的燃点会降低，表面的颜色变暗。潜伏期的特征是：煤的表面生成不稳定的氧化物（OH、COOH等）氧化放出的热量很少，能及时放散，煤温和巷道空气气温不变，但煤的比重略有增加，煤被活化（化学性增加），煤的着火点降低。2、自热期经过潜伏阶段后，煤的氧化速度加快，不稳定那个的氧化物先后分解成水、CO2、CO。氧化产生的热量使煤温上升，当温度超过临界温度（一般为70℃）以上时，煤温急剧增加，氧化加剧，煤开始出现干馏，生成碳氢化合物，如H2、CO、CO2等气体，煤呈赤热状态，当达到着火点温度以上便燃烧。这一阶段为煤的自热阶段，又称自热期。自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化生成热量逐渐积累、温度自动升高的过程。其特点是：①氧化放热较大，煤温及其环境（风、水、煤壁）温度升高；②产生CO、CO2和碳氢类CmHn气体产物，并散发出煤油味和其他芳香气味；③有水蒸气生成，火源附近出现雾气，遇冷会在巷道壁上凝结成水珠，即出现所谓“挂汗”现象；④微观结构发生变化。自热阶段的发展是有两种可能，一种是煤温持续上升到着火温度（T2），导致自燃（煤的着火温度因煤种不同而不同，见下表）；另一种发展是由于外界条件的变化（改变了散热条件，使散热大于生热；限制供风，使氧浓度降低至不能满足氧化的需要），使煤体温度降下来，氧化过程逐渐终止，煤将不会发展到自燃阶段，而进入风化阶段。风化后的煤物理化学性质发生变化，失去活性，不会再发生自燃。图1-1材质着火温度/℃褐煤、木材250烟煤300～350贫、瘦煤、无烟煤650～8003、自燃期自热阶段后期，煤温达到其自燃点后，若得到充分的供氧，则发生燃烧，出现明火，这时会生成大量的高温烟雾，其中含有CO、CO2以及碳氢化合物；若煤温达到自燃点，但供氧不足，则只有烟雾而无明火，此称为干馏或阴燃。煤炭干馏或阴燃与明火燃烧稍有不同，CO多于CO2，温度也较明火燃烧要低。自燃阶段是煤从低温氧化发展成自燃的最后一个阶段，其主要特征是：空气中氧含量显著减少，CO2的数量倍增，同时由于燃烧不完全和CO2受热分解，而产生更多的CO，巷道中出现浓烈的火灾气味和烟雾，有时还出现明火，火源温度可达1000℃以上。从煤的自然发展过程可见，煤自燃实质是其自身氧化速度加快的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外界放散，而导致了自燃。煤的氧化过程可以人为地使之减速或加速，掺入碱类化学物质（如双氧水）可以加速氧化进程，而掺入氯化物（如工业氯化钙）可以抑制煤的氧化进程。三、影响煤炭自燃的因素（一）煤的自然倾向性煤的自然倾向性是指每自燃的难以程度，它主要受下列因素影响：1、煤的变质程度煤的变质程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。各种牌号的煤都有发生自燃的可能，变质的程度低的煤层（如褐煤、长焰煤和气煤等）自然发火较多，自燃危险性较大；变质程度高的煤层（如无烟煤）自然发火较为少见，自燃危险性较小。但绝不能以煤化程度作为判定自然倾向性大小的唯一标志。因为生产实践证明，煤化程度相同的煤，有的具有自然特性、有的却不自燃。就整体而言，煤的自然倾向性随煤的变质程度增高而降低，即自然倾向性从褐煤、长焰煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小；局部而言，煤层的自然倾向性与煤的变质程度之间表现出复杂的关系，即同一煤化程度的煤在不同的地区和不同的矿井，其自然倾向性可能有较大的差异。2、煤岩成分煤岩成分对煤的自然倾向性表现出一定的影响，但不是决定性因素。煤的岩石化学成分有丝煤、暗煤、亮煤和镜煤，它们有不同的氧化性。具有纤维构造而表面吸附能力很高的丝煤在常温下吸氧能力极强，着火点低（仅为190℃~270℃），可以起到“引火物”的作用。所以，含丝煤越多，自然倾向性就越强；相反，含暗煤越多，月不易自燃。各种单一的煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤亮煤暗煤丝煤的顺序递减。3、煤的含硫量煤中含有的硫和其他催化剂，则会加速煤的氧化过程。同牌号的煤中，含硫矿物（如黄铁矿）越多，越易自燃。这是由于煤中所含的黄铁矿在低温氧化时生成硫酸铁和硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变的松散，增大了氧化表面积，同时黄铁矿氧化时放出来的热量也促进了煤炭自燃。因此，黄铁矿的存在，将会对煤的自燃起加速作用，其含量越高，煤的自燃倾向性越大。统计资料表明，含硫量大于3%的煤层均为自然发火的煤层，其中包括无烟煤。4、煤中的水分煤中的水分是影响其氧化进程的重要因素。煤的外在和内在水分以及空气中的水蒸气对褐煤和烟煤在低温氧化阶段起一定的影响，既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。在煤的自热阶段，由于水分的生成与蒸发必然要消耗大量的热，煤体中外在的水分没有全部蒸发之前温度很难上升到100℃，这就是水分大的煤炭难以自燃的原因。但是，煤中的水分又能填充于煤体微小的空隙中，把氮气、二氧化碳、甲烷等气体排除，当干燥以后对煤的吸附能力起到活化作用。所以，煤的水分足够大时，会抑制煤的自燃，但失去水分后，其自燃危险性将会增大。另外，对于含有黄铁矿的煤层，水分是促使黄铁矿分解不可缺少的条件。从这方面来看，水分又有利于煤炭自燃的发生.图1-2是某矿统计的煤层含水率于自然发火的关系。图1-2含水指标合计煤体水分/%11-22-33-44-55-66-77-88-99-10不明发火次数158742522325303515比重1004.726.632.614.61.23.21.901.93.210.1由图1-2可以看出，在158此自然发火事故中，有117次发生在煤层含水率在1%~4%的煤层，占发火总数的74.05%；而发生在煤层含水率小于1%或大于4%的自然发火仅为25次，占发火总数的15.82%。因此，在开采过程中经常保持煤层中的含水率大于4%，对减少煤的自燃、降低煤尘发生量和减轻冲击地压的发生频率及强度都是有益的。5、煤的孔隙率和脆性煤的孔隙率和脆性对煤的自然倾向性影响也较大。煤炭孔隙率越大，越易自燃。这是因为空隙率大，氧气越易渗入煤的内部。变质程度相同的煤，脆性越大，越易自燃。因为煤的脆性大小与该种煤炭是否易于破碎和形成煤粉有关。完整的煤体一般不会发生自燃，一旦呈破碎状态则使煤的吸氧表面积增大，着火点明显降低，使其自燃性显著提高。6、煤层瓦斯含量瓦斯通常是以游离状态和吸附状态存在于煤的空隙、裂隙、裂缝中和微孔隙表面，这两种瓦斯是以压力状态存在的，在煤层卸压、温度上升等客观条件影响下，吸附的瓦斯会发生解吸现象，转变成游离瓦斯。因此，处于原始状态的瓦斯或以压力状态存在的瓦斯，对空气浸入煤体会起到抑制作用。因为吸附瓦斯占据了煤分子的表面，阻止了煤与氧的接触，所以，煤层中的瓦斯具有较好的阻化作用，是防止自然发火的有利因素。另一方面，当煤层中的瓦斯以自身压力涌出或实施瓦斯抽放后，煤层中的瓦斯压力下降，瓦斯含量随之降低，这样就增加了煤与空气接触的几率，增强了煤的自燃性。其他如煤层的含油量、导热性、煤中的固定碳和灰分含量等因素也影响煤炭自然倾向性。上述各种因素在煤炭自燃过程中起着重要的作用。但是煤炭自然发火，并不是煤一暴露于空气中就自燃，而是需要经过一定的时间与适合的外在条件，在很大程度上煤的自燃还取决于外在条件，单纯的内在条件是不能决定矿井自然发火以及严重程度的。（二）煤层地质赋存条件影响煤层自燃发火的地质因素主要有：煤层的厚度、倾角、节理、裂隙、顶板性质以及地质构造（如断层、褶