煤炭自燃影响因素分析

罗永刚崔广永

摘要：煤体自燃必须满足四个方面的条件才能发生：①具有自燃倾向性的煤体以松散堆积状态存在，称为浮煤条件；②存在适宜的通风供氧条件，称为氧气浓度分布条件；③具有良好的蓄热环境条件；④上述三个条件在同一空间存在足够长的时间，称为煤自然发火的时空条件。如果破坏或者是限制这四个条件中的一个，就能够有效地防止煤体自然发火。

关键词：煤体自燃、影响因素

一、引言

根据研究表明，煤体自燃必须满足四个方面的条件才能发生：①具有自燃倾向性的煤体以松散堆积状态存在，称为浮煤条件；②存在适宜的通风供氧条件，称为氧气浓度分布条件；③具有良好的蓄热环境条件；④上述三个条件在同一空间存在足够长的时间，称为煤自然发火的时空条件。只有当上述四个条件共同满足的煤体，在自然实际情况下，处于该处的煤体才能够发生自燃，因此，我们现阶段研究的防止煤自燃的技术和方法都是从这四个方面去考虑的，如果破坏或者是限制这四个条件中的一个，就能够有效地防止煤体自然发火。

二、煤的内在自燃性

根据煤氧复合学说，煤体自燃的主导因素是煤表面分子活性结构对氧的复合以及这个复合过程产生的热量，即热量的产生和积聚。从宏观上分析，煤的自燃性体现在煤的氧化性和煤的放热性，从煤体内在自燃性看，煤自燃的关键是煤氧复合主要因素的强弱和产生热量的强度大小。

1.煤的氧化性

在一定的温度和压力下，固体表面可以自动地吸附那些能够降低其表面自由焓（即界面张力）的物质。暴露于空气中的煤体表面自动地吸附空气中的氧分子，放出与降低的表面自由焓相当的能量。根据研究表明，煤氧复合有三种类型：煤氧物理吸附、煤氧化学吸附、煤氧化学反应。

煤氧化反应从煤在常温下暴露于空气中就开始进行，并且通过分析可知，煤氧化反应是三步反应，只有最终的反应才释放出CO和CO2气体。煤的氧化反应放热量较大，反应生成CO气体的平均热效应为311.9kJ/mol，反应生成CO2气体的平均热效应为446.7kJ/mol。分别为煤氧物理吸附的91.5倍和131.0倍，是煤氧化学吸附的5.3倍和7.6倍。由此可见，煤自燃的最初过程主要决定于煤对氧的化学吸附和化学反应，是引起煤自燃的主要因素。

2.粒度对耗氧速率的影响

考虑到亭南矿工作面采空区内松散煤体的粒度分布与实验煤样有所区别，粒度对耗氧速率的影响用函数表示；另外，随着到工作面距离的加大，采空区浮煤受矿压作用更加密实，则可与氧气接触的自由表面减少，耗氧速率减小。

3.温度对耗氧速率的影响

煤的氧化性是由其化学反应作用所决定的，并在其中包含了许多焓变过程，因此，温度对耗氧速率有较大的影响，煤的温度不同，其耗氧速率就随之产生变化。

4.氧浓度对耗氧速率的影响

在低温时煤的耗氧主要为吸附耗氧，吸附耗氧与进口氧浓度的关系不大，当煤温度较高时，煤的耗氧速率随着氧气浓度的增加而增大。耗氧速率与供气氧浓度的关系可按指数关系拟合，即其中k为常数，m为反应级数。在实际条件下，采空区氧浓度低于新鲜风流中的氧浓度，而且采空区内温度较低，可以近似m为一级反应，实际耗氧速率与氧浓度成正比。亭南煤矿工作面采空区内的氧气浓度可以通过埋管的方式得到，从而确定其氧浓度对耗氧的影响函数。

5.煤的放热性

煤自燃地发生和发展最关键的因素在于煤自发地产生热量。在同等条件下，煤自发产生热量的能力是体现自燃煤内在自然属性的关键因素之一，这个因素我们称之谓煤的放热性。煤体产生热量的主体最普遍的规律是煤氧复合作用放出的热量。由于煤氧复合作用和过程的多样性，不同煤岩组分和煤岩中所含矿物质的多样性，使得煤的放热性非常复杂，而且煤氧作用所产生的热量也非常微小，难以测定。

煤的放热性既与煤的内在分子结构有关，又与煤岩组分和所含矿物质的性质有关。在研究煤自燃内在属性的过程中，我们主要需要掌握煤在常温常压下，相对湿度不超过100%的空气中煤宏观自发产生热量的总体能力。因此，采用单位质量煤单位时间内总的放热量——煤放热强度（J?g-1?s-1）作为煤放热性的衡量指标。这里强调的总的放热量是只要在该环境条件下，不论何种方式产生的热量，都汇总入放热强度之中。

三、煤自燃外部环境分析

采空区遗煤所处的环境的变化将会引起浮煤自燃过程的动态变化。工作面正常推进时，采空区内沿空工作面各点遗煤厚度、矿山压力的作用程度、遗煤的松散程度、漏风强度都不同，且随着工作面的推进采空区在不断地增大和变化。

1.采空区浮煤厚度

浮煤量是煤体自燃的一个物质基础。根据亭南矿实际情况可知，207工作面采空区浮煤厚度较大，采空区大量堆积浮煤，在氧的作用下放出热量，同时热量又会通过顶底板岩层传导散发和被风流带走。因此，在采空区大面积遗煤中，只有那些浮煤有足够厚度、煤氧化产生的热量大于散发热量的地点，才能引起煤体升温，最后导致自燃。

2.漏风强度

采空区内部存在漏风风流，给浮煤自燃提供了必要的连续的供氧条件，漏风风流风速的大小直接影响着煤体的散热，采空区氧浓度的分布也取决于漏风分布。

3.空隙率分布

松散煤体空隙率对自燃的影响很大，空隙率不仅影响松散煤体的漏风强度，也影响松散煤体的蓄热条件。

采空区空隙率随与工作面距离的增加而减少，其变化规律与矿压相反。根据苏联学者对采空区矿压的观测结果，随着与工作面距离增加，采空区矿压不断增加，但其增幅有减少趋势。到工作面距离达到100m以上时，矿山压力趋于一个稳定值。根据现场观测，工作面顶部垮落时，顶煤垮落形成的松散煤体厚度可达实体煤的1.3倍左右，即其空隙率约为0.3。而经过一段时间压实后的老空区，经现场观测其遗煤空隙率可达20%左右。

4.渗透系数

渗透系数是一个表示松散煤体输运流体能力的标量。渗透系数的大小直接关系到采空区漏风量的强度，以及对采空区内气体的分布和流动有关键的影响。流体的渗透性能不仅与松散煤体的性质（颗粒成分、颗粒分布、颗粒大小、颗粒充填、比面、弯曲度和空隙率等）有关，还与流体的性质（流体的密度、粘滞性等）有关。

5.工作面推进速度

工作面停止生产时，采空区逐步趋于稳定，则采空区内空隙率、漏风量、氧浓度分布等都趋于稳定。但是，当工作面正在以推进速度生产时，采空区某一点的所有参数都在随推进速度而变化。这些参数直接决定了采空区的自燃危险区域，也就是说，工作面的推进速度直接决定了采空区自燃危险区域的大小和移动。

四、结论及建议

通过对煤炭自燃内在因素及外在因素分析，得到了影响工作面采空区自然发火的关键因素，为工作面采空区自燃危险区域的划分及防治提供了理论依据。

参考文献

[1]刘贝，黄文辉，敖卫华《我国煤炭自燃影响因素分析》2003.02

[2]文虎，徐精彩，李莉《煤自燃的热量积聚过程及影响因素分析》2003.04