煤層自燃發(fā)火原因研究與探討

蔡桂成

摘要：礦井火災(zāi)是指發(fā)生在礦井地面或井下、威脅礦井安全生產(chǎn)、形成火災(zāi)的一切非控制燃燒。該文從火災(zāi)必須具備三個方面的條件、自燃經(jīng)過的三個時期、發(fā)火四個條件、發(fā)火的因素等方面闡述了煤層發(fā)火的原因，具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：礦井火災(zāi)條件因素自燃期確定

0引言

礦井火災(zāi)是煤礦5大自燃災(zāi)害之一，每場火災(zāi)的發(fā)生，輕則影響生產(chǎn)，重者可能燒毀煤炭資源和礦井設(shè)備，更為嚴重者則可能引燃瓦斯煤塵爆炸或火煙毒化礦井，釀成人員傷亡的重大惡性事故。可燃物、熱源、燃燒是火災(zāi)必須具備的三個方面條件，下面就這三個方面筆者進行具體的闡述，以供同行探討。

1煤的自燃經(jīng)過的三個時期

煤的自燃發(fā)展，一般要經(jīng)過三個時期，如圖1所示：準備時期，又稱潛伏時期：自熱期；最后進如燃燒期。

1.1潛伏時期。煤自燃的潛伏時期即煤的低溫氧化過程，潛伏時期即準備階段的長短取決于煤的變質(zhì)程度和外部條件，如褐煤幾乎沒有準備時期，而煙煤則需要一個相當(dāng)長的準備時期。

1.2自熱期。經(jīng)過潛伏期，煤的氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化產(chǎn)生的熱量使煤的溫度上升，當(dāng)溫度超過臨界溫度T=60～80℃時，煤的溫度急劇增加，氧化加劇，煤開始出現(xiàn)矸餾，生成碳氫化合物、氫氣、一氧化碳、二氧化碳 等火災(zāi)氣體，煤呈赤熱狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_著火溫度以上時便燃著。這一階段就是煤的自熱階段，又稱煤的自熱期。

1.3燃燒期。這一時期是煤從低溫氧化發(fā)展成自燃的最后的一個階段。主要特征是：空氣中氧含量顯著減少，二氧化碳的數(shù)量倍增，同時由于燃燒不完全和二氧化碳的分解，而產(chǎn)生較多的一氧化碳，巷道中出現(xiàn)濃烈的火災(zāi)氣味和煙霧，有時還出現(xiàn)明火，火源溫度達到1000℃左右。

2煤炭自燃發(fā)火四個條件

煤體要發(fā)生自燃必須具備以下四個條件：①具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態(tài)存在；②有大于12％氧含量的空氣通過這些碎煤；③空氣流動速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；④在上述3個條件同時具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時間，使煤體可以達到著火溫度。只要同時具備上述4個條件，煤炭自燃發(fā)火即可發(fā)生。但實際中很難找出某兩次煤炭自燃發(fā)火的發(fā)生條件是完全相同的。這樣，對煤炭自燃發(fā)火的條件就很難作出定量分析。

煤炭自燃經(jīng)常發(fā)生的地點是①有大量遺煤而未及時封閉或封閉不嚴的采空區(qū)(特別是采空區(qū)內(nèi)的聯(lián)絡(luò)眼附近和停采線處)；②巷道兩側(cè)和遺留在采空區(qū)內(nèi)受壓的煤柱；③巷道內(nèi)堆積的浮煤或煤巷的冒頂、垮幫處。

3影響煤炭自燃發(fā)火的因素

決定礦井或煤層自燃發(fā)火危險程度的因素一是煤的自燃發(fā)火傾向性，二是地質(zhì)采礦技術(shù)。

3.1影響煤炭自燃的內(nèi)因

3.1.1煤的變質(zhì)程度。各種牌號的煤都有發(fā)生自燃的可能，但在褐煤礦井，煤化程度低的一些煤層自燃發(fā)火次數(shù)要多一點。煙煤礦井以開采煤化程度最低的長焰煤和氣煤的自燃危險性較大，貧煤則較少。在煤化程度較高的無煙煤礦井自燃發(fā)火較少見。所以可以認為，煤化程度較高的煤，自燃傾向性越小。但決不能以煤化程度作為判定自燃傾向性大小的唯一標志。因為生產(chǎn)實踐證明，煤化程度相同的煤有的具有自燃特性，有的卻不自燃。

3.1.2煤的水分。煤中的水分是影響其氧化進程的重要因素，在煤的自熱階段，由于水分的生成與蒸發(fā)必然要消耗大量的熱。煤體中外在的水分沒有全部蒸發(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，把氮氣，二氧化碳，甲烷等氣體排除，當(dāng)干燥以后對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，井下灌漿滅火，疏干之后自燃現(xiàn)象更為嚴重。

3.1.3煤巖成分。煤的巖石化學(xué)成分有絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤。它們有不同的氧化性，其中絲煤含量越多，自燃傾向性就越強；相反，暗煤含量越多，越不易自燃。

3.1.4煤的含硫量。同牌號的煤中，含硫礦物越多，越易自燃。

3.1.5煤的孔隙率和脆性。煤炭孔隙率越大，越易自燃。這是因為孔隙率越大，氧氣越易滲入煤體內(nèi)部。變質(zhì)程度相同的煤，脆性越大，越易自燃。因為煤的脆性大小與該種煤炭是否易于破碎和形成煤粉有關(guān)。完整的煤體一般不會發(fā)生自燃，一旦呈破碎狀態(tài)則使煤的吸氧表面積增大，著火點明顯降低，使其自燃性顯著提高。

3.1.6煤層瓦斯含量。瓦斯通常是以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤體中，這兩種瓦斯是以壓力狀態(tài)存在的，吸附瓦斯在煤體卸壓、溫度上升等客觀條件影響下，可以產(chǎn)生解吸現(xiàn)象，吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯，具有流動性。因此，處于原始狀態(tài)的瓦斯或以壓力狀態(tài)存在的瓦斯對侵入煤體中的空氣具有抑制作用，是防止煤自燃的有利因素。

3.2影響煤炭自燃的外因煤炭自燃的外在條件決定于煤炭接觸到的空氣量和外界的熱交換作用，這兩個因素與煤層的埋藏條件和其開采方法有著錯綜復(fù)雜的聯(lián)系，其中外在因素有：

3.2.1地質(zhì)因素：①傾角。煤層傾角越大，自燃危險性就越大。因為開采急傾斜煤層時，煤炭回收率低、采區(qū)煤柱易被破壞、采空區(qū)不易封鎖。②煤層厚度。煤是不良導(dǎo)體，煤層越厚，越易積聚熱量，所以，厚煤層易發(fā)火。③地質(zhì)構(gòu)造。在有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，自燃危險性加劇。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，包括斷層，褶皺發(fā)育地帶，巖漿入侵地帶，自燃發(fā)火頻繁。這是由于煤層受張力、擠力、裂隙大量發(fā)生，煤體破碎，吸氧條件好造成的。

3.2.2開采技術(shù)因素①開拓方式。實踐經(jīng)驗表明，采用石門，巖巷開拓，少切割煤層少留煤柱時，自燃發(fā)火的危險陛就降低了。厚煤層開采巖巷進入采區(qū)，便于打鉆注漿，有利于實現(xiàn)預(yù)防性或滅火灌漿。②采煤方法。采煤方法對自燃發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在煤炭回收率的高低、回采時間的長短上。丟煤越多，丟失的浮煤越集中，工作面的推進速度愈慢愈益發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。③通風(fēng)條件。通風(fēng)因素的影響主要表現(xiàn)在采礦區(qū)，煤柱和煤壁裂隙漏風(fēng)。漏風(fēng)就是向這些地點供養(yǎng)，促進煤的氧化自燃。采空區(qū)面積大，漏風(fēng)量相當(dāng)可觀，但風(fēng)速有限，散熱作用低。

4煤層自燃期的確定

4.1巷道中煤層自燃發(fā)火期以自燃發(fā)火地點從暴露煤之日起至發(fā)生自燃發(fā)火時為止的時間計算，一般以月為單位。

4.2回采工作面中煤層自燃發(fā)火期，應(yīng)以工作面開切眼之日起發(fā)生自燃發(fā)火時為止的時間計算，一般以月為單位。

4.3每一煤層的所有回采工作面和巷道，都應(yīng)進行自燃發(fā)火期的統(tǒng)計，確定煤層自燃發(fā)火期。

5結(jié)束語

一個煤層的自燃發(fā)火期并非固定不變的，它既取決于煤炭自燃的內(nèi)在因素，自燃傾向性的強弱，又在很大程度上受煤層的自燃外在因素，包括地質(zhì)、開拓、開采以及通風(fēng)條件的制約。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，不少礦井投產(chǎn)初期發(fā)火十分嚴重，煤層自燃發(fā)火期相當(dāng)?shù)亩?，從幾十天到幾個月，而后來由于地質(zhì)條件的變化，開拓開采技術(shù)的改進，煤層的統(tǒng)計，確定煤層自燃發(fā)火期。

5結(jié)束語

一個煤層的自燃發(fā)火期并非固定不變的，它既取決于煤炭自燃的內(nèi)在因素，自燃傾向性的強弱，又在很大程度上受煤層的自燃外在因素，包括地質(zhì)、開拓、開采以及通風(fēng)條件的制約。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，不少礦井投產(chǎn)初期發(fā)火十分嚴重，煤層自燃發(fā)火期相當(dāng)?shù)亩?，從幾十天到幾個月，而后來由于地質(zhì)條件的變化，開拓開采技術(shù)的改進，煤層自燃發(fā)火期也延長了。