【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在 30～ 250℃的氧化行為進(jìn)行研究后，指出當(dāng)煤粒度 lmm 時(shí)氧化速率與 粒徑無(wú)關(guān)，并認(rèn)為孔徑 100 埃 的孔在煤氧化中起主要作用 ； A. Kucuk[4]（ 2020)等通過(guò) 對(duì)土耳其褐煤實(shí)驗(yàn)研究，得出混合粒 度煤樣的氧化速率大于單一粒度煤樣的氧化速率。 （ 3)煤巖成分 。 煤巖成分對(duì)煤的自燃傾向 性 表現(xiàn)出一定的影響，但不是決定性的因素。 煤巖成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。 各種單一的 煤巖成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按鏡煤 亮煤 暗煤 絲煤的順序遞減。 具有纖維構(gòu)造而表面吸附能力很高的絲煤在常溫下吸氧能力極強(qiáng)，著火點(diǎn)低（僅為 190～ 270℃），可以起到“引火物”的作用，含絲煤越多，自燃傾向性就越強(qiáng)。鏡煤與亮煤脆性大，易破碎，而且灰分小，在其次生的裂隙中常常充填有黃鐵礦，開(kāi)采中易碎為微細(xì)的顆粒，細(xì)微狀的煤?；螯S 鐵礦都有較高的自燃氧化性能，因此它的氧化接觸面積大，著火溫度較低，故鏡煤與亮煤在絲煤吸附氧化升溫的促使誘導(dǎo)下很容易自燃。 （ 4)煤中的瓦斯含量 。 煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過(guò)程進(jìn)行，它類(lèi)似用惰性氣體稀釋空氣對(duì)氧化 發(fā)生的影響。實(shí)驗(yàn)表明，吸氧僅發(fā)生在山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 9 煤中瓦斯含量小于某一數(shù)值的條件下，如果煤中含有較多的瓦斯，那么其吸氧減弱。但也有人認(rèn)為，煤吸附瓦斯與吸附氧的機(jī)理不同，因此影響不大。若煤層中含有較多的瓦斯，由于瓦斯占據(jù)了煤的孔隙空間和內(nèi)表面，降低了煤的吸氧量，所以其自燃危險(xiǎn)性較小。有的研究表明，當(dāng)煤層中的剩余瓦 斯含量大于 5 tm3 時(shí)，自燃難以發(fā)生 ； 瓦斯涌出速度高時(shí)，很難發(fā)生煤的氧化，但是瓦斯涌出速 度小于 ～ hgml ? 時(shí)，瓦斯涌出對(duì)煤的氧化過(guò)程沒(méi)有影響。 （ 5)水分 。 煤中的水分是影響其氧化程度的重要因素，在煤的自熱階段，由于水分的生成和蒸發(fā)必然要消耗大量的熱。煤體中外在水分沒(méi)有全部蒸發(fā)之前很難上升到 100℃，這就是水分大的煤炭難以自燃的原因。但是，煤中的水分又能充填于煤體微小的孔隙中 ，把氮?dú)?、二氧化碳、甲烷等氣體排除，當(dāng)干燥以后對(duì)煤的吸附起活化作用。水分的催化作用隨煤溫的增高而增大。所以，地面煤堆在雨雪之后容易發(fā)生自燃，井下灌溉滅火，疏干之后自燃現(xiàn)象更為強(qiáng)烈。另外，對(duì)于有黃鐵礦的煤層，水分是促使黃鐵礦分解不可缺少的條件。從這方面看，水分 又有利于煤炭自燃的發(fā)生。 （ 6)煤中硫和其他礦物質(zhì) 。 煤中硫有三種存在方式：硫化鐵即黃鐵礦、有機(jī)硫以及硫酸鹽。 對(duì)煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦。黃鐵礦的比熱容小，它與煤吸附相同的氧量而溫度增值比煤大 3 倍。黃鐵礦在低溫氧化 時(shí)產(chǎn)生硫酸鐵以及硫酸亞鐵，體積增大，使煤 體膨脹而變得松散，增大了氧化表面積而且其分解產(chǎn)物比煤的吸氧性更強(qiáng)，能將吸附的氧轉(zhuǎn)讓給煤粒使其發(fā)生氧化，在煤中含黃鐵礦越多就越容易自燃。我國(guó)許多高硫礦區(qū)如貴州的六枝，四川的芙蓉和中梁山，江西的萍鄉(xiāng)、英崗嶺，湖南的楊梅山均屬于自燃比較嚴(yán)重的礦區(qū)。 統(tǒng)計(jì)資料表明，含硫大于 3%的煤層均為自燃發(fā)火的煤層，其中包括無(wú)煙煤。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 10 Herman (1994)綜合使用 XRD， SEM， EDXA 和 Mossbauer 波譜等手段考察了煤中礦 物 質(zhì)在低溫氧化過(guò)程中的變化，指出含 Ca 礦物對(duì)煤的低溫氧化起催 化 作用，還有的學(xué)者認(rèn)為菱鐵礦等含二價(jià)鐵離 子的礦物對(duì)自燃也有較大影響，尤其是在 Co、 Mn 等離子的催化作用下，它們更容易氧化并有利于過(guò)氧化物的產(chǎn)生。因此，煤中 物 質(zhì)放熱性的強(qiáng)弱與煤中無(wú)機(jī)礦物的成份、含量密切相關(guān)，也與氧含量和煤層含水量有關(guān)。 上述各種因素在煤炭自燃過(guò)程中起著重要的作用。但是，煤炭自然發(fā)火，并不是從它一暴漏于空氣中就自燃，而是需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，需要一定的蓄熱環(huán)境，使它的溫度不斷上升，這在很大程度上還取決于外在條件，單純的內(nèi)在條件不能決定礦井是否自然發(fā)火以及它的嚴(yán)重程度。 影響煤炭自燃的外在因素 煤炭自燃傾向性是煤的一種自然屬 性。實(shí)驗(yàn)證明，它取決于煤在常溫下的氧化能力，是煤層發(fā)生自燃的基本條件。然而在生產(chǎn)中，一個(gè)煤層或礦井自然發(fā)火危險(xiǎn)程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，還受煤層的地質(zhì)賦存、開(kāi)拓、開(kāi)采和通風(fēng)條件的制約。 （ 1)開(kāi)采技術(shù) [5] 事實(shí)表明，礦井的開(kāi)拓方式、采區(qū)巷道布置、回采方法和回采工藝、通風(fēng)系統(tǒng)和技 術(shù)管理等開(kāi)采技術(shù)和管理水平，對(duì)自然發(fā)火起決定性影響。許多開(kāi)采同一煤田、相同煤 層 的不同礦井，甚至同一礦井不同的開(kāi)采時(shí)期，在煤的性質(zhì)、煤層賦存條件基本相同的 礦 井，但由于以上因素的差異，造成自然發(fā)火的次數(shù)明顯不同。開(kāi)采技術(shù)對(duì)自然發(fā) 火的 影 響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ： 1)開(kāi)拓方式。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，開(kāi)拓布置對(duì)自然發(fā)火煤層的礦井影響很山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 11 大。要求巷道系統(tǒng)簡(jiǎn)單，采用石門(mén)、沿巷開(kāi)拓、少留煤柱、較少對(duì)煤體的切割，這對(duì)消除發(fā)火隱患是積極地、有利的。 2)采煤方法。采煤方法對(duì)發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在回采率的高低、回采時(shí)間的長(zhǎng)短及頂板管理和煤層切割等方面。如高落式、刀柱式，長(zhǎng)壁式采煤法留煤皮假頂以及回采率較低的水力采煤法對(duì)防火均不利。 3)通風(fēng) 條件。通風(fēng)對(duì)自燃的主要影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)、煤柱、煤壁裂隙的漏風(fēng)。漏風(fēng)使這些地點(diǎn)煤氧化生熱，生熱多少和生熱能否積聚取決于 漏風(fēng)風(fēng)速的大小。當(dāng)風(fēng)速過(guò)小時(shí)，漏風(fēng)供氧量很小，氧化生熱小，不易自熱和自燃； 當(dāng)漏風(fēng)風(fēng)流過(guò)大時(shí)， 供氧充足， 氧 氣 生成的熱量可被風(fēng)流帶走， 同樣不能形成熱量積聚， 不會(huì)發(fā)展成為自燃火災(zāi)。 只有當(dāng)漏風(fēng)既有較充分的供氧條件，同時(shí)氧化生成的熱不易帶走，熱量積聚起來(lái)，自燃才能成為可能。 對(duì)應(yīng)于實(shí)際中主要是通過(guò)漏風(fēng)和擴(kuò)散供氧，因此，對(duì)于開(kāi)采自燃煤層的礦井，要求低風(fēng)壓通風(fēng) (采空區(qū)風(fēng)壓不宜于超過(guò) 200Pa，礦井風(fēng)壓不 得 超過(guò) 3000Pa)，待超過(guò)時(shí)及時(shí)封閉。 有的學(xué)者研究過(guò)引起煤炭自燃的風(fēng)速值范圍，認(rèn)為風(fēng)速 ～ minm3 時(shí)最容易 引 起自燃，并將其成為易自燃風(fēng)速 ； 另一些學(xué)者認(rèn)為易自燃風(fēng)速為 ～ minm3 對(duì) 于采空區(qū)，有人認(rèn)為當(dāng)其單位面積上漏風(fēng)量大于 minm3 或小于 minm3 都 不會(huì)自燃， 最危險(xiǎn)的漏風(fēng)量是 ～ minm3 。 （ 2)地質(zhì)因素 主要有 ： 1） 傾角 ： 煤層傾角較大時(shí)，特別是急傾斜煤層，由于采煤方法等原因往往造成較多丟煤 ，且 采空區(qū)封閉困難，所以其自燃危險(xiǎn)性較大 。 2） 煤層厚度 ： 實(shí)踐證明，煤層的厚度越大，自然發(fā)火的危險(xiǎn)性越大。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 12 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，有 80%的自 燃火災(zāi)發(fā)生在厚煤層中。究其原因，主要有下面幾點(diǎn) ： 第一，厚煤層回采率低，遺留大 量浮煤和煤柱，隨著放頂煤開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用，這個(gè)問(wèn)題更為突出 ； 第二，礦山壓力 較大，煤柱、煤壁易被壓裂而漏風(fēng) ； 第三，回采時(shí)間較長(zhǎng)，一般均超過(guò)煤層的自然發(fā)火 期 ； 第四，分層開(kāi)采時(shí)，上部分層采空區(qū)的浮煤氧化產(chǎn)生的熱量難以通過(guò)下部煤層散發(fā)。 所以，厚煤層是自然發(fā)火危險(xiǎn)性最大的煤層，開(kāi)采有自然傾向性厚煤層的礦井，應(yīng) 特別重視內(nèi)因火災(zāi)的防治工作。 3） 地質(zhì)構(gòu)造： 有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，自燃危險(xiǎn)性加劇。有褶曲、斷層和巖漿巖侵入等地質(zhì)構(gòu)造破壞 區(qū)域，煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)性較大。其主要原因是由于這些地區(qū)煤體破碎，有大量裂隙存在 ； 巖漿巖侵入?yún)^(qū)的煤層受到干餾，煙的孔隙率增加、強(qiáng)度降低，其自燃危險(xiǎn)性也較大。 4） 開(kāi)采深度： 煤層賦存太淺或太深都會(huì)增加自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。煤層埋藏深度較大，煤體的原始 溫度越高，煤中所含水分則較少，因此自燃危險(xiǎn)性較大 ； 但開(kāi)采深度過(guò)小時(shí)又容易形成 與地表溝通的裂隙，也會(huì)在采空區(qū)中形成浮煤自燃 。 煤炭自然發(fā)火早期識(shí)別與預(yù) 防 煤炭自燃危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究 (1)自燃傾向性 實(shí)驗(yàn) 預(yù)測(cè) 法 [6] 煤自燃傾向性是指煤層開(kāi)采之前，其自然發(fā)火的可能程度，所有煤種均具有自燃傾 向性，只是不同煤種、不同環(huán)境條件下的自燃傾向性呈現(xiàn)不同。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 13 為了準(zhǔn)確的判定煤層的自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度而采用 自燃傾向 向性預(yù)測(cè)法，進(jìn)而采取相應(yīng)的防滅火措施，其主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定內(nèi)在自燃性，劃分煤層自然發(fā)火的等級(jí)。 在二十世紀(jì)八十年代之后，美國(guó)礦業(yè)局 [7]研究出利用絕熱爐這種實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定煤炭 的最小自熱溫度，進(jìn)而評(píng)估煤的自燃傾向性；加拿大 [8]采用靜態(tài)恒溫法、 可燃性法 、 絕熱法和動(dòng)態(tài)法去研究煤的自燃傾向性； 土耳其 [9]采用非恒溫動(dòng)態(tài)法來(lái)測(cè)試自燃臨界溫度和一 氧化碳產(chǎn)生率，進(jìn)而預(yù)測(cè)自燃傾向性；南非 [10]采用由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的絕熱量熱法來(lái)預(yù)測(cè)自燃傾向性的。 在我國(guó)，對(duì)自燃傾向性鑒定方法的研究五十年代初期即開(kāi)始研究起來(lái)，曾經(jīng)先后研究過(guò)克氏法、著火點(diǎn)溫度降低值法、靜態(tài)容量吸氧法及雙氧水法。但由于以上方法存在著缺點(diǎn)和各種客觀原因，我國(guó)一直用著火點(diǎn)溫度降低值法 (即固態(tài)氧化劑法 )來(lái)劃分煤自 燃傾向性。但這種方法存在著以下缺點(diǎn)： 1） 由于該方法使用聯(lián)苯胺和汞等化學(xué)試劑，有毒性； 2） 對(duì)部分煤樣 無(wú)法分類(lèi)； 3） 儀器裝置和測(cè)量系統(tǒng)的落后。因此，為了建立更完善的新的煤樣自燃傾向性鑒定方法，我國(guó)在六十年代初曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)靜態(tài)吸氧法和雙氧水法的研究，但后來(lái)研究工作結(jié)束后并沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。到了九十年代后，因?yàn)樯V動(dòng)態(tài)吸氧法測(cè)定系統(tǒng)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單，吸氧的大小可由色譜儀進(jìn)行計(jì)算，提高工作效率，開(kāi)始推廣使用色譜動(dòng)態(tài)吸氧法。但該方法只能測(cè)試可逆的物理吸附和脫附量，而且因?yàn)榘殡S著化學(xué)吸附和反應(yīng)，難以計(jì)算氧消耗量；另外，煤的吸附性能同時(shí)也因?yàn)槊簬r組份、破碎煤體孔隙結(jié)構(gòu)、粒度的組成、水的含量等多種因素的不同而不同，而煤樣的自燃性是受多種因素所影響的。因此，該方法還有許多不完善之處。 在實(shí)際開(kāi)采條件下煤的自然發(fā)火現(xiàn)象與現(xiàn)有自燃傾向性測(cè)試方法相差甚遠(yuǎn)?；瘜W(xué)試劑這種辦法是首先要求對(duì)煤進(jìn)行化學(xué)處理，混以固態(tài)氧化劑，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 14 最后人為加熱。這種方法是在人為強(qiáng)制下使煤和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與在現(xiàn)場(chǎng)條件下，暴露于空氣與低溫下條件下的煤（ 20℃ ～ 30℃ 以下）與緩慢地發(fā)生反應(yīng)放熱，逐漸的積聚引起煤自然發(fā)火的現(xiàn)象 是不一樣的，因此這種方法無(wú)法真實(shí)的反映在實(shí)際條件下煤的自燃傾向性。而動(dòng)態(tài)和靜態(tài)吸氧法，在反應(yīng)過(guò)程方面是相似的，但是實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)試的方法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是不同的?，F(xiàn)場(chǎng)的煤氧反應(yīng)是在環(huán)境溫度、空氣流速和氧濃度在不斷變化的條件下進(jìn)行的。并且煤氧反應(yīng)是十分復(fù)雜的，物理作用可逆，而化學(xué)作用正好相反，是不可逆的。由于靜態(tài)吸氧法無(wú)法模擬出煤氧復(fù)合反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，而色譜動(dòng)態(tài)吸氧法這種方法不能研究煤氧作用的化學(xué)吸附與反應(yīng)。因此，無(wú)論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)吸氧法對(duì)煤自燃傾向性的考察與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是相差很遠(yuǎn)的。 （ 2)綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法 綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法是采用對(duì)煤自然發(fā)火相關(guān)的各種內(nèi)外影響因素進(jìn)行綜合評(píng)分的方 法，其指導(dǎo)思想是 ： 首先對(duì)煤的自燃傾向性進(jìn)行鑒定，評(píng)出其分值 ； 然后在大量統(tǒng)計(jì)分 析的基礎(chǔ)上，對(duì) 影響煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的外在因素進(jìn)行主觀評(píng)判，給出分值 ； 將兩者 綜合相加就得出了相應(yīng)條件下的煤自然發(fā)火的總值及其分類(lèi)。 由 于 問(wèn)題的復(fù)雜性，人們?cè)诮o外在因素進(jìn)行評(píng)分時(shí)帶有一 定程度的主觀臆斷 ，而且 各個(gè)采煤國(guó)家僅是根據(jù)本國(guó)自身的具體情況制定相應(yīng)的評(píng)判方法。但該方法是一種較為全面的預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的方法，因此，前蘇聯(lián)、美國(guó)、波蘭等主要產(chǎn)煤大國(guó)都在探索研究該類(lèi)方法的應(yīng)用，并取得了一些效果。尤其是波蘭已取得進(jìn)展，它把復(fù)雜的外界因素歸納為地質(zhì)條件、開(kāi)采條件、通風(fēng)條件等七個(gè)方面因素，用 Si 表示，再和煤 自燃傾向性指標(biāo) SZb (帶灰份指標(biāo) )相加，即得礦井自然發(fā)火危險(xiǎn)程度指標(biāo) 。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 15 由 于 煤礦開(kāi)采的實(shí)際條件及其復(fù)雜，難 于 把影響煤層自燃危險(xiǎn)程度的各種因素盡可 能地加以兼顧且 各種因素存在許多不確定性，難以用經(jīng)典數(shù)學(xué)的方法定量化，因此，為 預(yù)測(cè)實(shí)際開(kāi)采條件下煤層的自燃危險(xiǎn)性，可以根據(jù)影響煤層自燃危 險(xiǎn)程度的內(nèi)外因素、煤的自燃傾向性、地質(zhì)賦存條件、通風(fēng)條件、開(kāi)采技術(shù)因素和預(yù)防措施等，進(jìn)行主觀判斷，分析評(píng)分，然后應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，逐步聚類(lèi)分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式，計(jì)算聚類(lèi)中心，對(duì)開(kāi)采煤層自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評(píng)判預(yù)測(cè)也可以應(yīng)用改進(jìn)的 Bp網(wǎng)絡(luò)模型，采用自適 應(yīng)變步長(zhǎng)法和改進(jìn)模擬退火法等措施加快 Bp 網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，來(lái)準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)開(kāi)采 煤層的自燃危