神東礦區(qū)大采高易自燃煤層自燃因素及分析
——以察哈素煤礦3-1煤層為例

王玉懷 尹義超 霍忠鋒 錢國棟 馮建生 芮國相

(1.華北科技學院安全工程學院,河北省三河市，101601； 2.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

神東煤田位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部，是目前我國探明面積最大、儲量最多、綜合煤質(zhì)指標相對較好的煤田，被譽為世界七大煤田之一。神東煤田生產(chǎn)礦井開采煤層多為易自燃煤層，尤以近距離煤層群及大采高易自燃煤層采空區(qū)自然發(fā)火較為嚴重。為了掌握大采高易自燃煤層的自然發(fā)火機理，以察哈素煤礦3-1煤層為例，研究了影響該煤層自燃特征的內(nèi)在因素及不同因素的影響權重。

察哈素煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，井田南北走向長13.83 km，東西傾斜寬12.02 km，面積157.95 km2。礦井設計可采儲量1833.809 Mt，礦井設計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a。3-1煤層為察哈素煤礦主采煤層，煤層厚度2.05～7.15 m，平均為5.25 m；煤層傾角平緩，一般為1°；煤種屬不粘煤和少量長焰煤，是良好的民用和動力用煤。煤層瓦斯含量低，屬易自燃煤層，自然發(fā)火期37 d，同時煤塵具有爆炸性。由于煤層自然發(fā)火傾向嚴重，防治煤層自然發(fā)火是煤礦開采過程中的首要任務。

1 3-1煤層自燃影響因素

煤炭自燃影響因素分內(nèi)因和外因。煤炭自燃的外因包括漏風強度、溫度、地質(zhì)因素、工作面推進速度、煤層厚度等因素。煤炭自燃內(nèi)因是最根本的原因，研究煤炭自燃應從煤炭本身是否具有自燃傾向性以及外界因素是否有利兩方面考慮。本文主要側(cè)重煤炭自燃內(nèi)因的分析。根據(jù)本礦區(qū)煤質(zhì)特性及煤層賦存特征，確定主要影響煤炭自燃的內(nèi)在因素為煤化程度、煤巖成分、含水量、含硫量、煤層孔隙特性、煤層瓦斯含量等。

圖1 3-1煤層自燃內(nèi)在影響因素

2 各因素對3-1煤層自燃的影響

察哈素煤礦3-1煤層工業(yè)分析及煤質(zhì)參數(shù)：揮發(fā)分34.32%，水分7.46%，灰分3.75%，硫分0.66%，固定碳57.31%，碳含量77.85%，氫含量5.47%，氮含量0.91%，氧含量12.02%。

2.1 硫的影響

煤中硫的存在能增加煤的自燃傾向性，煤中硫?qū)ψ匀加绊戄^大的主要是黃鐵礦，黃鐵礦遇濕極易被氧化，而且黃鐵礦與煤吸附等量的氧氣時，其溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦被氧化產(chǎn)生的硫酸具有強氧化性和酸性，加速了煤的自燃，在有硫桿菌類細菌存在時，整個反應將大幅加快。黃鐵礦被氧化時體積增大，對煤體具有脹裂作用，能使煤體裂隙擴張和增多，導致氧氣滲入。3-1煤層中含硫量為0.66%，但存在黃鐵礦薄膜及結(jié)核，具有一定脆性，因此自燃的危害性增加。

2.2 水分的影響

在察哈素煤礦31303工作面采集煤樣進行煤樣分析測試。測試結(jié)果表明，3-1煤層煤炭中含有7.46%的水分，這些水分對煤層的自燃和氧化表現(xiàn)在兩個方面：一方面，水分影響氧氣在煤表面的傳遞和吸附，蒸發(fā)時帶走熱量，進而降低煤氧反應速率，抑制煤的自燃；另一方面，水分的存在對煤自燃起催化作用，煤中高分子結(jié)構通常含有醛基、羥基等極性基團，發(fā)生水解時，放出潤濕熱。水分蒸發(fā)后，煤中形成了大量的孔隙和裂隙，氧氣更易到達煤體內(nèi)部，大幅增加了煤氧反應面積，加速煤的自燃。

2.3 煤化程度的影響

煤化程度是影響煤自熱自燃的重要因素，其影響表現(xiàn)在：煤炭自燃傾向性隨著煤的變質(zhì)程度增高而降低，揮發(fā)分越高，煤炭自燃性就越高。隨著煤化程度的增大，結(jié)構單元中芳香環(huán)數(shù)增加，結(jié)構致密，對氣態(tài)氧較活潑的側(cè)鏈和含氧官能團減少甚至消失，煤的抗氧化能力增強。據(jù)統(tǒng)計，中國北方55個煤田或礦區(qū)中，由中低變質(zhì)煤構成的煤田火災占90%。

在察哈素煤礦31303工作面采集煤樣進行了煤化程度的鏡質(zhì)體反射率測試。鏡質(zhì)體主要是由芳香稠環(huán)化合物組成，隨著煤化程度的增大，芳香結(jié)構的縮合程度也加大，這就使得鏡質(zhì)體的反射率增大。測定結(jié)果如表1和圖2所示。按照《鏡質(zhì)體反射率的煤化程度分級》(MT/T1158-2011)，鏡質(zhì)體反射率處于0.5%≤Rmax<0.6%時，屬于中級煤Ⅰ。地質(zhì)資料顯示，3#煤層以不粘煤(BN31)為主，長焰煤零星分布。

表1 鏡質(zhì)體反射率測定統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

反射率的平均值Rran=0.50%，標準差S=0.083%

圖2 測值分布頻率直方圖

煤的著火點高低主要與煤化程度有關。一般規(guī)律是揮發(fā)分越高的煤，著火點越低。所以從不同煤化程度來看，泥炭的燃點最低，其次是褐煤和煙煤，無煙煤的燃點最高。在煙煤中以煤化程度最低的長焰煤和不粘煤的燃點最低，其次是氣煤、肥煤和焦煤，瘦煤和貧煤的燃點最高。察哈素煤礦3-1煤層煤種屬不粘煤和少量長焰煤，燃點較低。

2.4 煤巖組分的物化性質(zhì)對煤自燃的影響

不同煤巖組分煤的著火點溫度不同，體現(xiàn)了煤不同的自燃傾向。鏡煤的著火點溫度低，臨界溫度就低，低溫氧化放熱速度快，腐植酸含量高，氧化后再生腐植酸的含量高，氧化分解氣體產(chǎn)率高，自由基濃度生成速度大，說明鏡煤的自燃傾向性大。絲炭的自燃傾向性小。殼質(zhì)組的著火點溫度高,自燃傾向性就低，但在煤溫較高時，會發(fā)生強烈熱解反應。

神府煤田不同類型煤巖組成及其著火點如表2所示。鏡煤著火點溫度為290℃，絲炭的著火點溫度在350℃，隨著煤中惰性組的增加，著火點溫度會逐漸增高。

表2 神府煤田不同類型煤巖組成及其著火點

鏡質(zhì)組的著火點溫度較惰性組的著火點溫度低，自燃傾向性較高，鏡煤較絲炭的著火點溫度低，自燃傾向性較高。察哈素煤礦3-1煤層顯微組分鏡質(zhì)組煤達到 60.6%，因此鏡質(zhì)組含量高是該煤層易自燃發(fā)生的主導因素。3-1煤層顯微組分含量如表3所示。

表3 察哈素煤礦3-1煤層顯微組分含量(無礦物基)

煤氧化復合作用在煤的外表面和內(nèi)部孔隙中同時發(fā)生，包括煤對氧的物理吸附、化學吸附和化學反應。其中絲質(zhì)體中的孔隙結(jié)構相對于鏡質(zhì)體，表現(xiàn)為特大孔隙，從而決定了空氣是否能夠容易地進入煤中的反應性空位，以及能否有效增加表面積，進而在煤自燃的過程中起支配作用。不同的煤巖組分吸附氧的能力不同，氧化性也不同。鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組吸附氧的能力都很強，尤以惰質(zhì)組吸附氧的能力最強。煤層顯微組分分析結(jié)果表明：察哈素煤礦3-1煤層具有較高含量的鏡質(zhì)組和惰性組，加之絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體本身孔隙發(fā)育，因此導致煤層具有較強的自燃特性。

2.5 煤體孔隙特性對自燃的影響

察哈素煤礦井田煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，煤體中存在著十分發(fā)達的孔隙和裂隙，孔隙度越大，煤的比表面積越大，越容易吸附氧。煤體在氧化放熱的同時向周圍散熱，散熱量與導熱系數(shù)密切相關，煤體越松散，導熱系數(shù)越小，煤體蓄熱性越好。因此，煤的孔隙度越大，自燃傾向性越高。

煤中的孔隙和裂隙的存在具有復雜性和隨機性的特點。煤中孔隙類型按照孔半徑的大小來分，而根據(jù)孔徑大小的分類標準很多，其中霍多特的十進制分類標準在國內(nèi)外應用廣泛，它是根據(jù)氣體在孔隙中的吸附運移規(guī)律進行劃分的，其劃分方式為：微孔(直徑小于0.01 μm)、小孔又稱過渡孔(直徑0.01～0.1 μm)、中孔(直徑0.1～1 μm)、大孔(直徑大于1 μm)。

在現(xiàn)場采集3-1煤層樣品，在實驗室室溫25℃條件下使用壓汞儀對煤樣孔隙分布進行了測試，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，察哈素煤礦3-1不粘煤常溫條件下不同孔徑孔隙體積分布以大孔、中孔和過渡孔為主，其中7～16目(直徑1.18～2.80 mm)煤樣孔隙體積中大孔占比超過37%，16～18目(直徑1.00～1.18 mm)煤樣孔隙體積中大孔占比超過49%，同時兩種煤樣過渡孔的孔隙體積占比超過30%。測試結(jié)果表明，由于3-1煤層中的孔隙以大孔、中孔和過渡孔為主，尤其大孔比例高，氧氣的擴散和滲流阻力小，因此該煤層更容易吸氧和氧化。察哈素煤礦31303工作面不同粒徑煤樣靜態(tài)吸氧量見表5。

表4 25℃條件下3-1煤層煤樣不同孔徑類型孔隙體積比

2.6 瓦斯含量對自燃的影響

瓦斯或其他氣體含量較高的煤，由于內(nèi)表面受到隔離，氧化性能較低，可使煤的自燃潛伏期延長，所以瓦斯含量較高的煤難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，其自燃性能將會提高。察哈素煤礦3-1煤層瓦斯含量低，瓦斯涌出量小，如31301工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.35 m3/min，因此對煤層的自燃影響有限。

表5 不同粒徑煤樣靜態(tài)吸氧量

3 影響因素權重系數(shù)的確定

采用層次分析法確定各評價指標權重系數(shù)。根據(jù)圖1所建立的評價指標體系，建立各層次的判斷矩陣，判斷矩陣中各指標的相互關系及其重要程度根據(jù)察哈素煤礦3-1煤層具體條件、參考相關研究成果并經(jīng)現(xiàn)場技術人員分析后確定。各指標相互關系及其重要程度見表6。

表6 采空區(qū)自然發(fā)火危險性評價指標及重要程度表

指標層包含6個因素子集，其判斷矩陣R為：

經(jīng)過對判斷矩陣計算，最大特征λmax=6.0000，則判斷矩陣的一致性指標CI=0.0000，有:

即認為判斷矩陣R具有滿意的一致性，表明各個評價指標的權重值是合理的。

由此可見，6個評價指標中煤化程度指標最重要，影響權重為0.25；其次是煤巖成分和孔隙特性，影響權重均為0.2；因3-1煤層瓦斯含量小，其影響權重最小，僅為0.05。各指標的具體影響排序依次為：煤化程度、煤巖成分、孔隙特性、含硫量、含水量、瓦斯含量。

4 結(jié)論

(1)為了研究神東礦區(qū)大采高易自燃煤層自燃內(nèi)在因素的影響，以察哈素煤礦3-1煤層實例，根據(jù)本礦區(qū)煤質(zhì)特性及煤層賦存特征，確定了影響該煤層自燃特性的主要內(nèi)在因素為煤化程度、煤巖成分、含水量、含硫量、煤層孔隙特性、瓦斯含量等。

(2)通過采集大量煤樣研究了上述因素對察哈素3-1煤層自燃特性的影響。研究結(jié)果表明，由于3-1煤層煤化程度低、煤體中具有較高含量的鏡質(zhì)組和惰性組、煤體中存在著大量的孔隙和裂隙，導致煤層易氧化自燃。

(3)采用層次分析法研究了察哈素煤礦3-1煤層自燃因素的影響權重，研究結(jié)果表明，影響較大的因素為煤化程度、煤巖成分和孔隙特性，其次為含硫量和含水量，由于該煤層瓦斯含量小，瓦斯含量因素影響權重最小。