[科普中國]-煤炭自燃

煤炭自燃（Spontaneous combustion of coal），簡(jiǎn)稱煤自燃，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。煤炭自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象，已經(jīng)存在了數(shù)百萬年，它是礦井火災(zāi)控制管理中的一個(gè)重要方面。從化學(xué)中可知，自燃是物質(zhì)在空氣中發(fā)生氧化作用而自動(dòng)發(fā)生燃燒的現(xiàn)象，而燃燒則是物質(zhì)劇烈氧化而發(fā)光、發(fā)熱的一種化學(xué)現(xiàn)象，由此可知，煤炭自燃是煤長期與空氣中的氧接觸，發(fā)生物理、化學(xué)作用的結(jié)果。1

它是一個(gè)自加速的氧化放熱反應(yīng)，氧分子首先在煤表面形成物理、化學(xué)吸附熱，使煤體溫度緩慢上升，而溫度的升高促使氧分子克服勢(shì)阻與煤分子表面活性官能團(tuán)發(fā)生深度氧化分解反應(yīng)，生成小分子氣體，并釋放大量反應(yīng)熱，這些熱量在煤體內(nèi)部積聚起來，最終導(dǎo)致了煤炭的自燃。

煤自燃的原因煤是一種重要燃料。煤堆中的煤與空氣接觸，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，并放出熱量。煤發(fā)生氧化反應(yīng)后，使煤堆的溫度升高。煤的溫度升高后，又加速了煤的氧化反應(yīng)速度。這樣，就使煤堆的溫度越來越高。當(dāng)溫度超過煤的自燃點(diǎn)時(shí)，就會(huì)自燃。

煤的自燃是通風(fēng)不好熱量積累，外層煤的熱量能夠得到散發(fā)，所以煤的自燃都是從內(nèi)開始，逐漸向外擴(kuò)展。

煤具有自燃的性質(zhì)，特別是那些低品位的煙煤，當(dāng)從環(huán)境中吸收的熱量大于釋放到環(huán)境中的熱量時(shí)自燃現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。影響自燃主要有以下幾方面的因素：

1.水份：水份的含量及變化是影響煤自發(fā)熱最主要的因素，當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)從外界吸收大量的熱，冷凝時(shí)就將這些熱傳給煤粉，理論上講，含水量增加1%將使煤溫上升17℃。因此不能用水來冷卻已經(jīng)產(chǎn)生自發(fā)熱的煤堆，這是因?yàn)槔鋮s水很難將全部的煤浸透而只是讓部份溫度下降而已。

2.通風(fēng)率：理論上在松散的煤堆中不流通的空氣完全反應(yīng)的話將使其溫度上升2℃，實(shí)際上當(dāng)高速流通的空氣在提供煤以氧氣的同時(shí)也會(huì)帶走大量的熱，而低速則恰好相反，盡管也提供相當(dāng)數(shù)量的氧氣但卻不能帶走其自發(fā)產(chǎn)生的熱量。操作上長期置放的煤粉一定要壓緊，清除周圍的雜草勿使草根造成煤堆松質(zhì)化，使空氣容易進(jìn)入，溫度容易提高。

3.顆粒細(xì)度：與自發(fā)熱成反比的關(guān)系，顆粒越小其表面積越大，與空氣的接觸越充分，更容易產(chǎn)生自熱。但出于堆置上的考量，使煤堆不致于容易坍塌，一般會(huì)將其細(xì)度控制在一定范圍。

4.揮發(fā)份：按揮發(fā)份可以將煤分為煙煤、褐煤、無煙煤，其熱值遞增，自發(fā)熱可能性降低。而且由于煤粉飛灰都攙在生料中使用(G生料配料必須考慮到這一點(diǎn))，因此根據(jù)不同的燃煤要求不同配比的生料，燒成操作上也作調(diào)整。

5.溫度：最重要的操作參數(shù)，跟據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢定，80℃以下溫升其反應(yīng)率反而下降，80℃其活性隨溫度上升而上升。

影響煤炭自燃的因素煤自燃是煤氧化產(chǎn)熱與向環(huán)境散熱的矛盾發(fā)展的結(jié)果。因此，只要與煤自燃過程產(chǎn)熱和熱量向環(huán)境散熱相關(guān)的因素都能影響煤的自然發(fā)火過程?？梢詫⒂绊懨鹤匀嫉囊蛩胤譃閮蓚€(gè)方面，即影響煤自燃的內(nèi)在因素和外在因素。

煤自燃的內(nèi)因(1)煤的變質(zhì)程度。煤的變質(zhì)過程伴隨著煤分子結(jié)構(gòu)的變化，碳化程度越高，煤體內(nèi)含有的活性結(jié)構(gòu)越少。所以煤的變質(zhì)程度是煤自燃傾向性的決定性因素。然而煤是很復(fù)雜的固體化合物，影響煤自燃的因素義很多，所以同一變質(zhì)程度的煤可能自燃，也可能不自燃?，F(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)表面．褐煤最易自燃，無煙煤最不易A燃，煙煤的煤化度和自燃傾向性低于無煙煤而高于褐煤。煙煤是自然界最重要、分布最廣、儲(chǔ)量最大、品種最多的煤種。根據(jù)煤化度的不同．我國將其劃分為長焰煤、不黏煤、弱黏煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤等，這些煤種的自燃傾向性逐漸降低。

(2)煤巖成分。煤巖成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。在不同的煤炭中，這四種成分的數(shù)量變化很大，通常煤體中大多數(shù)是暗煤和亮煤，除極少數(shù)的情況外，絲煤和鏡煤僅僅是煤中的少量混雜物質(zhì)。

不同的煤巖成分有著不同的氧化性。在低溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，鏡煤吸附氧能力最強(qiáng)，其次是亮煤．暗煤最難于自燃。絲煤結(jié)構(gòu)松散。吸氧量強(qiáng)。在常溫條件下，絲煤吸附氧的數(shù)量較其他煤種要多1．5～2．0倍，50℃時(shí)為5倍。絲煤的著火溫度低，僅為190～270℃。所以人們認(rèn)為，在常溫條件下，絲煤是自燃的導(dǎo)因，起著引火物的作用。

鏡煤與亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常常充填有黃鐵礦，開采中易碎裂為微細(xì)的顆粒，細(xì)微狀的煤粒或黃鐵礦都有較高的自燃氧化特性，因此它的氧化接觸面積大，著火溫度低，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。

(3)煤的含硫量。硫在煤中有三種存在形式：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)作用的是黃鐵礦一黃鐵礦的比熱小，它與煤吸附相同的氧量而溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦在低溫氧化時(shí)產(chǎn)生硫酸鐵和硫酸亞鐵，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)讓給煤粒使之發(fā)生氧化?在煤中含黃鐵礦越多，就越易白燃。

(4)煤的粒度孔隙特性和破碎程度。完整的煤體一般不會(huì)發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在，其自燃性能顯著提高。這是因?yàn)槠扑榈拿禾坎粌H與氧接觸的表面積增大，而且著火溫度也明顯降低。有人研究，當(dāng)煤粒度小于1mm時(shí)氧化速率與粒徑無關(guān)，并認(rèn)為孔徑大于10nm的孔在煤氧化中起重要作用，根據(jù)波蘭的試驗(yàn)，當(dāng)煙煤的粒度直徑為1．5~2mm時(shí)，其著火點(diǎn)溫度大多在330～360℃；粒度直徑小于1mm以下時(shí)，著火點(diǎn)溫度可能降低到190～220℃。因此，可以說，煤的自燃性隨著其孔隙率、破碎度的增加而上升，這也是煤礦井下自燃多發(fā)生在粉煤及碎煤聚集的地方的原因。如采空區(qū)周圍邊緣地帶，在垮塌的煤壁和受壓破裂的煤柱等處均為自燃多發(fā)地。

(5)煤的瓦斯含量。瓦斯或者其他氣體含量較高的煤，由于其內(nèi)表面含有大量的吸附瓦斯，使煤與空氣隔離，氧氣不易與煤表面發(fā)生接觸，也就不易與煤進(jìn)行復(fù)合氧化，使煤炭自燃的準(zhǔn)備期加長。當(dāng)煤中殘余瓦斯量大于5m3/t時(shí)，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤與氧就更易結(jié)合。

(6)水分對(duì)煤自燃的影響。水分對(duì)煤炭自燃過程的影響有兩個(gè)相互對(duì)立的過程。一方面，煤炭中的水分在初期階段會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)作用而散失，因此，一部分熱量就會(huì)以水分潛熱的形式被水蒸氣帶走，這就會(huì)阻止煤體溫度升高的趨勢(shì)。另一方面，煤體也會(huì)從空氣中吸收水分。這就是所謂的吸收熱(有時(shí)也叫濕潤熱)會(huì)促使煤的溫度升高。那么水分對(duì)煤的總的作用就取決于這兩種過程誰占主導(dǎo)地位。

根據(jù)煤中水分賦存的特點(diǎn)，煤的水分分為內(nèi)在水分和外在水分，煤的內(nèi)在水分是吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部的毛細(xì)孔中的水分，煤的外在水分是附著在煤的裂隙和煤體表面上的水分。一般來說，煤的內(nèi)在水分在100℃以上的溫度才能完全蒸發(fā)到周嗣的空氣中，煤的外在水分在常溫狀態(tài)下即能不斷蒸發(fā)到周圍空氣中，在40～50℃溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間，煤的外在水分即完全蒸發(fā)干。在煤的外在水分還沒有全部蒸發(fā)之前，溫度很難上升到100℃，因此，從這種情況看，煤的含水量對(duì)煤的氧化進(jìn)程有影響，主要還是煤的外在水分。

煤自燃的外因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、煤層地質(zhì)賦存條件

據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的自燃火災(zāi)是發(fā)生在厚煤層開采中，鶴崗礦區(qū)統(tǒng)計(jì)86%的自燃火災(zāi)發(fā)生在5m以上的厚煤層中，厚煤層容易自然發(fā)火的原因，一是難以全部采用，遺留大量浮煤與殘柱；二是采區(qū)回采時(shí)間長，大大超過了煤層的自然發(fā)火期；三是煤層易受壓破裂而發(fā)生自燃。

開采急傾斜煤層比開采緩傾斜煤層易自燃。俄羅斯庫茲涅茨礦區(qū)75%的自燃火災(zāi)發(fā)生在45°～90°傾角的煤層中。徐州大黃山煤礦煤層傾角南陡北緩，南翼局部倒轉(zhuǎn)，自然發(fā)火次數(shù)南翼為北翼的一倍以上。急傾斜煤層易于發(fā)生自燃火災(zāi)的原因主要是采煤方法不正規(guī)、丟煤多、采后難以封閉。

綜上所述，可以認(rèn)為絕大多數(shù)厚煤層都應(yīng)按自然發(fā)火危險(xiǎn)煤層處理．急傾斜厚煤層尤應(yīng)如此。

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，包括斷層、褶曲發(fā)育地帶、巖漿入侵地帶，自然發(fā)火頻繁。這是由于煤層受張力、擠壓，裂隙多，煤體破碎，吸氧條件好所造成。據(jù)四川芙蓉礦統(tǒng)計(jì)．巷道自燃火災(zāi)52%發(fā)生在斷層附近。

煤層頂板堅(jiān)硬，煤柱最易受壓碎裂。堅(jiān)硬頂板的采空區(qū)難以冒落充填密實(shí)．冒落后還會(huì)形成與相鄰近的采I爰甚至地面連通的裂隙．漏風(fēng)難以杜絕，為自然發(fā)火提供了條件，大同礦區(qū)的自然發(fā)火就具有這方面的特征。

2、開拓開采條件

用石門、巖巷開拓，少切割煤層，少留煤柱，自然發(fā)火的危險(xiǎn)性就小。厚煤層開采巖巷進(jìn)入采區(qū)．便于打鉆注漿有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)防性或滅火灌漿。

采煤方法對(duì)自然發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在煤炭回采率的高低，回采時(shí)間的長短上。丟煤越多，丟失的浮煤越易集中，工作面的推進(jìn)速度越慢，越易發(fā)生自燃。

3、通風(fēng)條件

通風(fēng)因素的影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)、煤柱和煤壁裂隙漏風(fēng)。采空區(qū)面積大，漏風(fēng)量也大。在工作面的“兩巷兩線”(進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、開切眼、停采線)，過斷層地帶，煤層變薄跳面的地方有大量浮煤堆積，最易發(fā)生自燃。

決定漏風(fēng)大小的因素有礦井、采區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，采區(qū)和工作面的推進(jìn)方向，開采與控頂方法等。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟(jì)大學(xué)