【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 煤中的瓦斯含量。煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過程進(jìn)行，它類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 時(shí)，自燃難以發(fā)生；瓦斯涌出速度高時(shí)，很難發(fā)tm3生煤的氧化，但是瓦斯涌出速度小于 ～ 時(shí)，瓦斯涌出對(duì)煤hgml?的氧化過程沒有影響。（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，其中包括無煙煤。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、開拓、開采和通風(fēng)條件的制約。（1)開采技術(shù) [5]事實(shí)表明，礦井的開拓方式、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。許多開采同一煤田、相同煤層的不同礦井，甚至同一礦井不同的開采時(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。開采技術(shù)對(duì)自然發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在以下山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論12幾個(gè)方面：1)開拓方式。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，開拓布置對(duì)自然發(fā)火煤層的礦井影響很大。要求巷道系統(tǒng)簡(jiǎn)單，采用石門、沿巷開拓、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，自燃才能成為可能。對(duì)應(yīng)于實(shí)際中主要是通過漏風(fēng)和擴(kuò)散供氧，因此，對(duì)于開采自燃煤層的礦井，要求低風(fēng)壓通風(fēng)(采空區(qū)風(fēng)壓不宜于超過 200Pa，礦井風(fēng)壓不得超過 3000Pa)，待超過時(shí)及時(shí)封閉。有的學(xué)者研究過引起煤炭自燃的風(fēng)速值范圍，認(rèn)為風(fēng)速 ～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min3自燃風(fēng)速為 ～ 對(duì)于采空區(qū)，有人認(rèn)為當(dāng)其單位面積上漏風(fēng)min3量大于 或小于 都不會(huì)自燃，最危險(xiǎn)的漏風(fēng)量是i3 i3～ 。n（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。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，隨著放頂煤開采技術(shù)的推廣應(yīng)用，這個(gè)問題更為突出；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)，一般均超過煤層的自然發(fā)火期；第四，分層開采時(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；但開采深度過小時(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采之前，其自然發(fā)火的可能程度，所有煤種山東科技大學(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。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預(yù)測(cè)自燃傾向性的。 在我國，對(duì)自燃傾向性鑒定方法的研究五十年代初期即開始研究起來，曾經(jīng)先后研究過克氏法、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，我國一直用著火點(diǎn)溫度降低值法(即固態(tài)氧化劑法)來劃分煤自燃傾向性。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)部分煤樣無法分類；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，我國在六十年代初曾經(jīng)進(jìn)行過靜態(tài)吸氧法和雙氧水法的研究，但后來研究工作結(jié)束后并沒有得到推廣應(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)。化學(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，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。由于問題的復(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)采煤國家僅是根據(jù)本國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、波蘭等主要產(chǎn)煤大國都在探索研究該類方法的應(yīng)用，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16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、開采條件、通風(fēng)條件等七個(gè)方面因素，用 S 表示，再和煤自燃i傾向性指標(biāo) SZ (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)。 b由于煤礦開采的實(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，逐步聚類分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式，計(jì)算聚類中心，對(duì)開采煤層自燃危險(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，來準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)開采煤層的自燃危險(xiǎn)性 [11]。近年來，王省身、蔣軍成、王德明、王俊、趙向軍、李文平等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測(cè)煤層自燃危險(xiǎn)程度 [12]，雖然他們采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各不相同，但均是采用影響開采煤層自燃危險(xiǎn)性的三個(gè)主要因素，即煤炭自身的自燃傾向性，開采煤層的地質(zhì)賦存條件和開拓條件、通風(fēng)技術(shù)條件，作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，再對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)作進(jìn)一步細(xì)分，來預(yù)測(cè)煤自燃的危險(xiǎn)程度。施式亮等用防火系數(shù)作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間序列煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)模型，來判斷自然發(fā)火程度。天水承、李紅霞應(yīng)用煤自燃傾向性、煤層厚度、煤層傾角、煤的固性系數(shù)及開采參數(shù)運(yùn)用模糊聚類方法對(duì)自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行了分類。侯媛彬提出一種基于粗糙集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤自燃預(yù)測(cè)方法 [13]。該方法針對(duì)綜放面采空區(qū)，在已測(cè)到的漏風(fēng)強(qiáng)度 Q 和煤體溫度 T 的基礎(chǔ)上，利用Rough Set（ RS)的約簡(jiǎn)理論對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)。在次基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基于山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論17粗糙集的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后利用該方法預(yù)測(cè)最小浮煤厚度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，該方法比常規(guī)預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)便且精度高。該方法為基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。以上這些方法都是利用大量的統(tǒng)計(jì)資料，分析煤自燃主要因素的影響程度，粗略預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度，對(duì)發(fā)火期以及可能發(fā)火的區(qū)域則無法進(jìn)行預(yù)測(cè)，所以該方法只能定性不能定量。（3)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法是建立在已發(fā)生自燃火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上，分析預(yù)測(cè)巷道松散煤體實(shí)際開采條件下的自燃危險(xiǎn)程度，根據(jù)巷道自燃事故的統(tǒng)計(jì)資料分析，巷道自燃多發(fā)生在冒頂區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、沿空測(cè)、停采線附近，隨著綜放無煤柱技術(shù)的推廣，由于沿空巷道沿底板一次掘進(jìn)，巷