煤层自然发火预测预报技术-第一、二讲

煤层自然发火预测预报技术第一讲：自然发火机理矿井火灾外因火灾内因火灾(自然发火)碎煤堆积时间条件供氧条件热量聚集一．自然发火及其条件煤炭及其包含的可燃物（如硫化矿物等）接触空气后，发生化学反应（吸氧、氧化、生热等）和物理作用（散热、聚热）而形成的火灾。现象：温度升高湿度增加出现煤焦油味人体感到不适或出现某些病理现象出现烟雾或明火二．自然发火的发展过程潜伏期：缓慢氧化阶段吸氧、表面反应、放热（微量）自热期：加速氧化阶段完成了热量积聚，反应加速，煤温增高，释放火灾气体、气味燃烧期：激烈氧化阶段剧烈反应，产生高温，烟雾、阴燃、明火等Tτ——着火温度煤温燃烧风化时间燃烧期自热期潜伏期TjTl煤自燃发展过程示意图三．自然发火的几种假说黄铁矿作用学说英国人Plott与Berzelius在17世纪初提出的，19世纪下半叶，曾被广为认定，系首次解释煤炭自燃机理的学说。煤层中的黄铁矿（FeS2）暴露于空气后与水份和氧相互作用，发生放热反应而引起的。2FeS2+2H2O+7O2→2FeSO4+2H2SO4+Q1FeSO4：硫酸亚铁不稳定12FeSO4+6H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q2Fe2(SO4)3：氧化剂Fe2(SO4)3+FeS2+2H2O+3O2→FeSO4+2H2SO4+Q3黄铁矿氧化时，放出的热量，比煤氧化放出的热量高两倍；在黄铁矿的氧化过程中，体积增大，对煤体有胀裂作用，使煤体裂隙扩大、增多，氧化表面积增加，导致气体渗入，而促使煤的氧化。三．自然发火的几种假说细菌作用学说1927年英国人Potter.M.L首先提出的，1951年波兰学者Dubois.R等作了进一步解释。当微生物极度增长时，一般都有生化放热过程；在30℃以下是亲氧的真菌和放线菌起主导作用；泥煤的自热温度能达到60-70℃是由于放线菌作用的结果；在60-65℃时，亲氧真菌死亡，嗜热细菌开始发展；在72-75℃时，所有的生化过程都将消亡。英国人Winmill和Graham试验：100℃真空烘箱处理20h，自燃倾向没有变化；细菌有作用，但并非起主要作用。三．自然发火的几种假说酚基作用学说酚基作用学说由前苏联学者Б.В.Тронов（特龙诺夫）于1940年提出；认为：导致煤自燃是因为空气中的氧与煤体中含有的不饱和酚基化合物作用时，放出热量所致。三．自然发火的几种假说煤氧复合作用学说煤自燃根本原因在于煤具有吸附氧的能力和与此相联系的放热作用，至今为大多数学者所承认。条件：1.易于低温氧化的碎煤堆积；2.适宜通风供氧条件；3.蓄热环境过程：1.缓慢氧化期：表面吸附氧气，形成中间产物——氧化基/过氧络合物；生成微量热量，由于吸附氧气煤重略增，煤温变化微乎其微2.加速氧化期：中间产物分解，产生CO、CO2、H2O等，释放较多热量，煤温开始上升，煤重略降；3.激烈氧化期：达到自燃临界温度后，煤温急剧上升，始终加速，释放出芳香族碳氢化合物，C2H4、C2H2；4.燃烧阶段，出现明火。四．自然发火机理研究内容煤分子表面具有残余力场，为降低其自身的自由能，其表面就有了吸附的趋势；根据煤表面和被吸附氧气（或水分）之间的相互作用力的性质，可将煤表面吸附特性分为物理吸附和化学吸附；当相互作用力表现为分子间的范德华引力时为物理吸附；当作用力具有化学性质，且其强度几乎达到了稳定化学计量化合物的强度时，其吸附过程就是化学吸附或活化吸附。煤表面与空气中氧之间的作用力性质依据温度、煤的物理化学性质和氧化程度而变化；煤氧化导因于煤对氧的表面吸附作用，不同种类的煤、不同粒度、不同孔隙结构的煤对氧有不同的吸附作用；煤的表面吸附特性是对煤自燃特性影响因素的综合度量。（一）煤对氧的表面作用特性四．自然发火机理研究内容煤的氧化过程伴随有各种气体产物的释放；气体产物包括两部分，一部分由于煤自身氧化出来的气体产物，叫煤自燃氧化气体，另一部分是成煤过程中吸附在其孔隙内的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，叫煤自燃解吸气体；煤炭自然发火是一个包含多项内热源项的传热传质过程，无论是气体产物浓度的变化，还是氧分子的自由扩散或者是在一定压力下的扩散特性，都离不开质量传递。因此，煤的氧化过程特性涵盖了氧化过程中热量、能量和质量传递规律，并主要体现为温度、湿度、浓度、耗氧量、氧化速度、扩散系数、热物理量等特征参数的变化。（二）煤氧化过程特性四．自然发火机理研究内容煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均质体，因此研究煤的自然发火的影响因素与作用机理是一项复杂的系统工程；不仅要分析煤本身的内在因素（如煤的碳化程度、煤岩成份、煤的孔隙结构、煤的破碎程度、煤的含硫量、煤的水份、煤的比表面积、煤的比热等），而且还要考虑煤层的具体赋存地质条件、开拓开采条件等影响因素，这样才能给出切合实际的矿井煤层的自然发火机理及相应的防治措施。（三）煤自然发火影响因素与作用机理第二讲：煤层自然发火危险性评价技术危险性评价自然倾向性评价煤层最短自然发火期评价开采时期的自燃危险性评价一．煤自然倾向性评价技术煤自燃倾向性是煤自然发火危险性评价的首要指标，表征了煤层开拓之前自然发火的可能程度，反映了煤自身的物理化学性质与其自然发火特性之间的关联性。世界各主要采煤国对煤自燃倾向性的鉴定方法和界定指标都做了明确规定。但由于受煤自身物理化学诸多因素的影响，各国都依据本国的具体条件，制定了相应的鉴定方法（如奥氏法、静态吸氧法、量热法、动态吸氧法、交叉点温度法、绝热氧化法等）。一．煤自然倾向性评价技术1.奥氏法奥氏法是波兰法定的煤自燃倾向性鉴定方法。它是以煤在230℃时受空气流作用的氧化速度值为指标。煤自燃倾向性奥氏法分类表氧化速度值（℃/min）自燃程度SZb120容易自燃100≤SZb≤120自燃80≤SZb≤100难于自燃SZb80不自燃一．煤自然倾向性评价技术2.静态吸氧法此方法是将装有煤样的玻璃瓶置于恒温30℃左右的恒温箱中，每间隔一定的时间抽取瓶中的气体进行分析，计算1g煤吸附的氧量。Winmill在研究煤静态吸氧量与自燃倾向性关系时认为，96h以后煤吸氧量大于30cm3/g为最易于自燃，而小于20cm3/g为不自燃。一．煤自然倾向性评价技术3.动态吸氧法煤样置于35℃/h升温的容器中，空气流经煤样，测定流出气体中的残余氧系数和煤温，将其对应关系描绘成一曲线（如右图）。其结果分成三类，其中902-602（NCB煤阶分类法）为最易自燃。76543210量含氧（%）050100温度（℃）902-602502-402401-101一．煤自然倾向性评价技术4.着火点法着火点法实际上就是利用煤炭经过氧化后（空气或其它氧化剂）其着火点温度相对降低的原理进行分类。煤炭经过一定氧化后其着火温度降低得越大越易于自燃，而且不随氧化剂而变。我国20世纪50年代依照此原理建立了煤自燃倾向性鉴定方法，并沿用至上个世纪九十年代。一．煤自然倾向性评价技术4.着火点法煤种着火温度T1(℃)△T1-3(℃)煤的化学成分Ⅰ类容易自燃Ⅱ类自燃Ⅲ类不易自燃Ⅳ类不自燃VrCrOrWf褐煤、长焰煤3052012——4280125长焰煤、气煤305~3454040~2525~121240~4575~818~122~5气煤、肥煤、焦煤345~3855050~3535~202022~4081~885~103贫煤、瘦煤380~4104040~252510~2287~9263无烟煤4004545~252510894—一．煤自然倾向性评价技术5.交叉点温度法交叉点温度法是将煤样在空气或氧气流下恒速升温，将煤温上升曲线与加热升温曲线的交点定义为交叉点温度。煤自燃倾向性交叉点温度分类法交叉点温度T（℃）自燃程度120～140容易自燃140～160自燃160～190不易自燃一．煤自然倾向性评价技术6.差热分析法差热分析法将煤的差热分析曲线划分为三段：并以交点温度（差热曲线第二段与零点基线交点的横坐标值）、差热曲线第二段梯度值、跃迁点的温度和WITS-EHAC指数为综合指标进行煤自燃倾向性分类。煤自燃倾向性差热分析分类法参数最易自燃自燃最不易自燃交叉温度（℃）100134181第二段梯度1.461.171.03跃迁点温度（℃）163187200WITS-EHAC指数5.654.473.09一．煤自然倾向性评价技术7.流态色谱吸氧法流态色谱吸氧法是我国现行的煤自燃倾向性鉴定方法。它以煤在低温下吸附流态氧的能力（量）作指标来判断煤的自燃倾向性。MT/T707-1997《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》。自燃倾向性流态色谱吸氧法分类（Vdaf18%）自燃倾向性等级自燃倾向性煤的吸氧量Vd，cm3/g·干煤Ⅰ类容易自燃Vd＞0.70Ⅱ类自燃0.40＜Vd≤0.70Ⅲ类不易自燃Vd≤0.40一．煤自然倾向性评价技术7.流态色谱吸氧法六通阀样品管四通阀一．煤自然倾向性评价技术8.绝热氧化试验法将煤按预定升温速度经空气氧化，并通过一个或几个参数观测其氧化过程的变化，同时测量其热量的传递变化，用这些参数来综合评价煤的自燃倾向性。此方法适合于模拟井下煤自燃的环境条件或自燃煤堆，同时由于煤体中热传导很小，因此，绝热氧化法代表了较真实的自燃环境条件，鉴于此，目前英、美等国都在研究用绝热氧化实验法来测定煤自燃倾向性。但由于这种模拟试验的难度较大，因此目前该方法还处在探索研究中。二．开采时期自燃危险性评价开采期间自燃危险性外部条件赋存、开采等内部条件煤质、矿物等煤层厚度埋藏深度围岩性质开拓条件煤层倾角地质构造瓦斯含量漏风条件煤化程度煤岩组分空隙率脆性煤的水分煤含硫量1.外部条件①煤层厚度煤层的厚度越大，自然发火的危险性越大；统计数据表明，有80%的自燃火灾发生在厚煤层中；原因一是厚煤层回采率低，遗留大量浮煤和煤柱；二是矿山压力较大，煤柱、煤壁易被压裂而漏风；三是回采时间较长，超过煤层的自然发火期；厚煤层分层开采时，采空区自然发火比较严重。上部分层采空区的浮煤氧化产生的热量和有害气体向下部煤层散发；综采放顶煤开采工作面，自然发火比较严重。1.外部条件②煤层倾角煤层倾角较大，自燃危险性较大。特别是急倾斜煤层更为突出；原因：1.采煤方法等原因往往造成较多丢煤；2.煤柱易压裂，难保留，采空区封闭困难。1.外部条件③煤层埋藏深度煤层埋藏深度过大或过浅，自燃危险性较大；原因：1.煤层埋藏深度越大，煤岩体的原始温度越高，煤中所含水分则较少；2.开采深度过小时又容易形成与地表沟通的裂隙，也会在采空区中形成浮煤自燃。1.外部条件④地质构造有褶曲、断层和岩浆岩侵入等地质构造破坏区域，煤层自燃发火危险性较大。原因：1.煤体破碎，有大量裂隙存在；2.火成岩侵入区的煤层受到干馏，煤的孔隙率增加、强度降低，其自燃危险性也较大。1.外部条件⑤围岩性质若煤层的顶底板较坚硬，采空区容易自然发火。原因：1.煤柱易被压裂；2.采空区难以充填密实。若煤层顶板松软、容易冒落，冒落顶板易于将采空区充填密实，则不易形成采空区浮煤自燃。但巷道容易变形，形成自然发火的条件。1.外部条件⑥瓦斯含量若煤层中含有较多的瓦斯，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量，其自燃危险性较小。研究表明，当煤层中的瓦斯含量大于5m3/t时，自燃难以发生；瓦斯涌出速度高时，很难发生煤的氧化，但是瓦斯涌出速度小于0.04～0.05ml/g·h时，瓦斯涌出对煤的氧化过程没有影响；瓦斯抽放强度过大时，抽放不当容易引起自然发火。1.外部条件⑦开拓开采条件采煤方法对煤炭自燃的影响主要表现在回采率的高低和回采时间的长短上，合理的采煤方法应该是巷道布置简单、保证煤层切割与留设煤柱少、煤炭回收率高、工作面推进度快、采空区漏风少。这样可使煤炭自燃的条件难于得到满足，降低自然发火的可能性。1.外部条件⑧漏风条件煤自然发火大多数是以漏风的形式实现供氧的；当漏风风流过大时，氧化生成的热量易被风流带走，不会发展成为自