[科普中國]-煤自燃

煤自燃也稱煤炭自然，是煤不經(jīng)點燃而自行著火的現(xiàn)象，是有自燃傾向性的煤在遇到空氣中的氧氣時，進(jìn)行氧化產(chǎn)生的熱量大于向周圍環(huán)境中散失的熱量，發(fā)生了熱量聚集，使煤溫升高達(dá)到燃點而著火的過程。煤層露頭、老窿，以及煤堆，都是容易引起煤自燃的場所。煤的自燃不但浪費地下煤炭資源，而且影響煤礦生產(chǎn)和安全。煤自燃的原因，主要是煤與空氣接觸發(fā)生氧化，一方面使煤的溫度升高，同時又使煤的燃點降低，因而易于引起煤的自燃。此外，煤層由于地質(zhì)構(gòu)造變動或因采掘而破碎，以及通風(fēng)不良等，也是引起自燃的因素。

釋義煤自燃也稱煤炭自然，是煤不經(jīng)點燃而自行著火的現(xiàn)象，是有自燃傾向性的煤在遇到空氣中的氧氣時，進(jìn)行氧化產(chǎn)生的熱量大于向周圍環(huán)境中散失的熱量，發(fā)生了熱量聚集，使煤溫升高達(dá)到燃點而著火的過程。1

煤的自燃假說對于煤炭自燃的起因和過程，人們在17世紀(jì)就開始了探索研究。1686年，英國學(xué)者普洛特（Plot）發(fā)表了第一篇有關(guān)煤自燃的論文，他認(rèn)為煤中含硫化礦物的氧化是造成煤堆自燃的原因。其后至現(xiàn)在的幾百年中，為解釋煤炭自燃的起因，各國學(xué)者先后提出了各種假說，主要有黃鐵礦作用、細(xì)菌作用、酚基作用、自由基作用、煤氧復(fù)合作用等假說，其中煤氧復(fù)合作用假說現(xiàn)已被國內(nèi)外廣泛認(rèn)同。2

黃鐵礦作用假說該假說最早由英國人（Polt和Berzelius）于17世紀(jì)提出，是第一個試圖解答煤自燃原因的假說，曾在19世紀(jì)下半葉廣為流傳。它認(rèn)為煤的自燃是由于煤層中的黃鐵礦（FeS2）與空氣中的水分和氧相互作用放出熱量而引起的。早期，人們認(rèn)為黃鐵礦在空氣中逐漸氧化而產(chǎn)生的熱是煤炭自熱的誘因，然而，現(xiàn)在已經(jīng)確定煤中的黃鐵礦促進(jìn)含碳成分氧化的途徑一方面是通過將煤分解成更小的碎片從而把更大的煤體表面積暴露到空氣中，另一方面是通過自身氧化釋放出的熱量來提高煤溫，從而使之氧化自熱。此假說認(rèn)為，煤炭自熱是氧和水與煤中的黃鐵礦按以下化學(xué)反應(yīng)式作用生熱的結(jié)果：

2FeS2+7O2+2H2O → 2FeSO4+2H2SO4+25.7kJ

這種放熱反應(yīng)促使煤炭發(fā)熱，在適宜條件下而自燃。

細(xì)菌作用假說該假說是由英國人帕特爾（Potter,M.C.）于1927年提出的，他認(rèn)為在細(xì)菌的作用下，煤體發(fā)酵，放出一定熱量，這些熱量對煤的自燃起了決定性的作用。

1951年波蘭學(xué)者杜博依斯（Dubois,R.）等人在考查泥煤的自熱與自燃時指出：當(dāng)微生物極度增長時，通常發(fā)生伴有放熱的生化反應(yīng)，30℃以下是親氧的真菌和放線菌起主導(dǎo)作用（使泥煤的自熱提高到60~70℃是由于放線菌作用的結(jié)果）；60~65℃時，親氧真菌死亡，嗜熱細(xì)菌開始發(fā)展；72~75℃時，所有的生化過程均遭到破壞。為考察細(xì)菌作用學(xué)說的可靠性，英國學(xué)者溫米爾（Winmill·T·F）與格瑞哈姆（Graham,J.J）曾將具有強自燃性的煤置于100℃真空器里長達(dá)20h，在此條件下，所有細(xì)菌都已死亡，然而煤的自燃性并未減弱。因此，細(xì)菌作用假說未能得到廣泛承認(rèn)。

酚基作用假說1940年，前蘇聯(lián)學(xué)者特龍諾夫（Б．B．Tpoиoв）提出：煤的自熱是由于煤體內(nèi)不飽和的酚基化合物吸附空氣中的氧，同時放出一定的熱量所致。此假說的實質(zhì)實際上是煤與氧的作用問題，因此，可認(rèn)為是煤氧復(fù)合作用學(xué)說的補充。該學(xué)說的依據(jù)是：煤體中的酚基類最容易被氧化，不僅在純氧中可被氧化，而且亦可與其他氧化劑發(fā)生作用。

自由基作用假說煤是一種有機大分子物質(zhì)，在外力（如地應(yīng)力、采煤機的切割等）作用下煤體破碎，產(chǎn)生大量裂隙，必然導(dǎo)致煤分子的斷裂。分子鏈斷裂的本質(zhì)就是鏈中共價鍵的斷裂，從而產(chǎn)生大量自由基。自由基可存在于煤顆粒表面，也可存在于煤內(nèi)部新生裂紋表面，為煤自然氧化創(chuàng)造了條件，引發(fā)煤的自燃。

煤氧復(fù)合作用假說煤氧復(fù)合作用假說認(rèn)為煤自燃的主要原因是煤與氧氣之間的物理、化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果，其復(fù)合作用是指包括煤對氧的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤的自燃。該假說已在實驗室的實驗及現(xiàn)場的實踐中得到不同程度的證實，因此得到了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可。早在1848至1870年間，人們便開始研究煤對氧的吸附作用，并認(rèn)為煤對氧的吸附作用是煤自燃的一個重要因素。1870年瑞克特（Rachtan·H）研究得出，煤在一晝夜吸氧隨煤種不同可達(dá)0.1～0.5ml/g；1945年瓊斯（Jones E·R）提出，正常溫度下煙煤的吸氧能力可達(dá)0.4ml/g。在十九世紀(jì)末，霍爾丹（Haldanehe）和米切曼（Meachem）對煤礦井下實際發(fā)生的200多次自燃火災(zāi)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并在實驗中第一次觀測到了煤自燃過程中出現(xiàn)的一氧化碳及其它氧化產(chǎn)物，佐證了煤氧作用的假說。2

煤自燃過程煤炭自燃一般是指：煤在常溫環(huán)境下會與空氣中的氧氣通過物理吸附、化學(xué)吸附和氧化反應(yīng)而產(chǎn)生微小熱量，且在一定條件下氧化產(chǎn)熱速率大于向環(huán)境的散熱速率，產(chǎn)生熱量積聚使得煤體溫度緩慢而持續(xù)地上升，當(dāng)達(dá)到煤的臨界自熱溫度后，氧化升溫速率加快，最后達(dá)到煤的著火點溫度而燃燒起來，這樣的現(xiàn)象和過程就是煤的自燃（或稱之為煤的自然發(fā)火、煤礦的內(nèi)因火災(zāi)）。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，認(rèn)為煤炭的氧化和自燃是基鏈反應(yīng)，一般將煤炭自燃過程大體分為3個階段：①準(zhǔn)備期；②自熱期；③燃燒期，如圖所示。

煤炭在其形成過程中，形成許多含氧游離基，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和碳基（>C=O）等等。當(dāng)破碎的煤與空氣接觸時，煤從空氣中吸附的O2，只能與這些游離基反應(yīng)，并且生成更多的、穩(wěn)定性不同的游離基。此階段煤體溫度的變化不明顯，煤的氧化進(jìn)程十分平穩(wěn)緩慢，然而煤確實在發(fā)生變化，不僅煤的重量略有增加，著火點溫度降低，而且氧化性被活化。由于煤的自燃需要熱量的聚集，在該階段因環(huán)境起始溫度低，煤的氧化速度慢，產(chǎn)生的熱量較小，因此需要一個較長的蓄熱過程，故這個階段通常也稱為煤的自燃準(zhǔn)備期，它的長短取決于煤的自燃傾向性的強弱和外部條件。

經(jīng)過這個準(zhǔn)備期之后，煤的氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物分解成水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，超過煤自熱的臨界溫度（一般為60～80℃），煤溫急劇加速上升，氧化進(jìn)程加快，開始出現(xiàn)煤的干餾，產(chǎn)生芳香族的碳?xì)浠衔铮–xHy）、氫（H2）、更多的一氧化碳（CO）等可燃?xì)怏w，這個階段為自熱期。

臨界溫度也稱自熱溫度（Self-heating temperature，SHT），是能使煤自發(fā)燃燒的最低溫度。一旦達(dá)到了該溫度點，煤氧化的產(chǎn)熱與煤所在環(huán)境的散熱就失去了平衡，即產(chǎn)熱量將高于散熱量，就會導(dǎo)致煤與環(huán)境溫度的上升，從而加速了煤的氧化速度并又產(chǎn)生更多的熱量，直至煤自燃起來。煤的自熱溫度與煤的產(chǎn)熱能力和蓄熱環(huán)境有關(guān)，對于具有相同產(chǎn)熱能力的煤，煤的自熱溫度也是不同的，主要取決于煤所在的散熱環(huán)境。如浮煤堆積量越大，散熱環(huán)境越差，煤的最低自熱溫度就越低。因此應(yīng)注意即使是同一種煤，其自熱溫度不是一個常量，受散熱（蓄熱）環(huán)境影響很大。

自熱期的發(fā)展有可能使煤溫上升到著火溫度（Ts）而導(dǎo)致自燃。煤的著火點溫度由于煤種不同而變化，無煙煤一般為400℃，煙煤為320～380℃，褐煤為270～350℃。如果煤溫根本不能上升到臨界溫度，或能上升到這一溫度但由于外界條件的變化更適于熱量散發(fā)而不是聚集，煤炭自燃過程自行放慢而進(jìn)入冷卻階段，繼續(xù)發(fā)展，便進(jìn)入風(fēng)化狀態(tài)，使煤自燃傾向性能力降低而不易再次發(fā)生自熱，如上圖中虛線所示。

從煤的自燃過程可見，煤的自燃過程就是煤氧化產(chǎn)生的熱量大于向環(huán)境散失的熱量而導(dǎo)致煤體熱量聚集，使煤的溫度上升而達(dá)到著火點的過程。

印度學(xué)者納吉（Banerjee）認(rèn)為煤的氧化過程可以分為以下四個階段：

（1）物理吸附階段。煤對氧氣的物理吸附在－80℃就可以發(fā)生，并且物理吸附是可逆的，當(dāng)溫度達(dá)到30~50℃時，吸附的氧會很快脫附出來。物理吸附過程會因為對煤炭表面能量的改變而發(fā)出熱量。放出的熱量使煤溫度開始上升。

（2）化學(xué)吸附階段。在50℃時，化學(xué)吸附作用就比較明顯了。這個過程將產(chǎn)生不穩(wěn)定的氫氧化合物，就是所謂的過氧化合物。

（3）自熱階段。當(dāng)溫度接近或者達(dá)到自熱溫度點（SHT）時，過氧化物就會加速分解，從而也需要更多的氧氣為下步氧化做準(zhǔn)備。這階段溫度大約是50~120℃左右，其典型值為70℃。溫度更高時，過氧化物的分解速度將比其生成速度更快（Chakravorty，1960）并且化學(xué)反應(yīng)將會產(chǎn)生氣體放出，其中最為重要的有CO、CO2、水蒸氣、乙二酸、芳香酸和不飽和烴等標(biāo)志性氣體。

（4）溫度高于150℃的加速燃燒階段。煤進(jìn)入高溫燃燒階段，并釋放出大量的燃燒氣體。

國內(nèi)外開展的煤自燃試驗的結(jié)果表明，上述的煤氧化的四個階段是與實際相符的。2

煤自燃影響因素煤自燃是煤的氧化產(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)境散失相關(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?nèi)在因素和外在因素。

內(nèi)在因素自燃是煤的－種自然屬性，但發(fā)生自燃的能力（煤的自燃傾向性）卻不相同。這是因為不同的煤其氧化能力不一樣，而影響其自身氧化能力的，即內(nèi)在影響因素，主要有煤化程度、煤中的水分、煤巖成分、煤中的硫以及煤中瓦斯等等。實際上，這些影響因素也就是煤的自燃傾向性的影響因素。

1**）煤化程度**

煤化程度即煤的變質(zhì)程度。我們知道，古代高等植物先經(jīng)生物化學(xué)作用變成了泥炭。泥炭在位于其上的覆沉積物的壓力作用下，發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用，這樣，泥炭逐漸變成了密度較大、較為致密的巖石狀的褐煤，泥炭在這個過程中受到的作用叫成巖作用。其后，當(dāng)褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時，上覆巖層壓力不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化學(xué)作用速度加快，煤的分子結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了較大的變化，碳含量明顯增加，氧含量迅速減少，腐植酸也迅速減少并很快消失，褐煤逐漸轉(zhuǎn)化成為煙煤。隨著煤層沉降深度的加大，壓力和溫度提高，煤的分子結(jié)構(gòu)繼續(xù)變化，煤的性質(zhì)也不斷的發(fā)生變化，最終變成無煙煤。褐煤向煙煤和無煙煤的轉(zhuǎn)化稱為變質(zhì)作用。煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個連續(xù)的過程。其中，促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度和時間。溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快，因為變質(zhì)作用的實質(zhì)是煤分子的化學(xué)變化，溫度高促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)速度的提高。因此，在較低溫度下長時間受熱和較高溫度下短時間受熱，就可能得到同樣煤化程度的煤。這就是為什么有些成煤年代較早，而其煤化程度卻不如成煤年代較晚的煤高。

不同煤化程度煤的自燃傾向性發(fā)生規(guī)律性變化正是由于隨著煤化程度的變化煤的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生規(guī)律性變化所致。隨著煤化程度的增加，結(jié)構(gòu)單元中芳香環(huán)數(shù)增加，對氣態(tài)氧較活潑的側(cè)鏈和含氧官能團減少甚至消失，煤的抗氧化作用的能力增加。低煤化程度的褐煤及煙煤，其分子結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團較高，芳香環(huán)數(shù)少，芳香化程度低，因而其抗氧化作用能力較弱，易于氧化自燃；而高煤化程度的無煙煤，因其分子結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團減少甚至消失，芳香化程度高，因而抗氧化作用能力強，難以自燃。一般說來，煤的煤化程度愈低，揮發(fā)分就愈高，氫氧含量就愈大，其自燃危險性就愈大。例如，褐煤的自燃危險性比煙煤大，煙煤比無煙煤大。在煙煤中，開采煤化程度較低的長焰煤和氣煤的自燃危險性大，煤化程度高的瘦煤和貧煤自燃危險性小。

盡管煤的自燃性是隨著煤的變質(zhì)程度增高而降低，但不能以煤化程度作為判斷煤的自燃危險性的唯一標(biāo)志。因為在生產(chǎn)實踐中人們發(fā)現(xiàn)，煤化程度相同的煤，有的具有自燃特性，有的就不自燃，自燃的難易程度也不同。例如，同一牌號的煤若含硫量較高，則吸氧能力強，因此易于自燃。

2**）煤的水分**

根據(jù)煤中水分賦存的特點，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)部直徑小于10cm的毛細(xì)孔中的水分，煤的外在水分是指附著在煤的顆粒表面以及直徑大于10cm的毛細(xì)孔中的水分。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)于周圍空氣中，煤的外在水在常溫狀態(tài)下就能不斷蒸發(fā)于周圍空氣中，在40～50℃溫度下，經(jīng)過一定時間，煤的外在水分會完全蒸發(fā)。在煤的水分還沒有全部蒸發(fā)之前，煤的溫度很難上升到100℃，因此，煤的含水量對煤的氧化進(jìn)程有重要影響。

煤的含水量對其氧化進(jìn)程的影響表現(xiàn)在兩個方面。在煤炭自燃初始階段，水分起到催化作用。在一定條件下，水分又可以起到阻化作用。煤中水分對煤炭自燃到底是起阻化抑制作用，還是起催化作用，應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)等具體條件而定。

3**）煤巖成分**

煤巖成分是指煤層中煤的巖相學(xué)組分。用肉眼看，可以將煤層中的煤分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤4種煤巖成分。不同的煤炭中，這四種成分的數(shù)量差別很大，通常煤體中暗煤和亮煤所占的比例最大，絲煤與鏡煤所占比例比較小。絲煤和鏡煤僅僅是煤中的少量混雜物質(zhì)。褐煤中絲煤含量最高，幾乎無鏡煤；無煙煤中鏡煤含量最高，幾乎無絲煤。鏡煤與絲煤組成成分比較單一。

不同的煤巖成分有著不同的氧化性，氧化趨勢按下列順序降低：鏡煤、亮煤、暗煤、絲煤。在低溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，鏡煤吸氧能力最強，其次是亮煤，暗煤最難于自燃。絲煤吸氧量強主要是其結(jié)構(gòu)松散，著火溫度低，僅為190～270℃。英國試驗證明：在常溫條件下，15℃時絲煤吸附氧的數(shù)量較其它煤種要多1.5～2.0倍；50℃時為5倍；100℃時則下降，僅為7%。所以人們認(rèn)為，在常溫條件下，絲煤是自燃中心，起著引火物的作用。

4**）煤的含硫量**

硫在煤中有3種存在形式：二硫化亞鐵即黃鐵礦（FeS2）、有機硫以及硫酸鹽。煤中的無機硫和有機硫在氧化反應(yīng)中的行為不同。有學(xué)者認(rèn)為在25℃時黃鐵礦的氧化顯著，而在80℃時有機硫的氧化較明顯，在105℃的濕空氣下有20%的總硫被氧化，其中黃鐵礦中硫的4%被氧化，有機硫中的16%被氧化。

對煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦，它的比熱小，與煤吸附相同的氧量其溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦的分解產(chǎn)物氧化鐵（Fe2O3）比煤的吸氧性更強，能將吸附的氧（O2）轉(zhuǎn)讓給煤粒使之發(fā)生氧化自燃，顯然它對煤的自燃過程起到了加速作用。煤中含黃鐵礦越多往往就越容易自燃。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、湖南的楊梅山均屬自燃比較嚴(yán)重的礦區(qū)。我國西南主要礦區(qū)的統(tǒng)計資料表明，含硫3%以上的煤層為自然發(fā)火煤層。

5**）煤的粒度與孔隙結(jié)構(gòu)**

完整的煤層和大塊堆積的煤一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在，煤才可能自然發(fā)火。這是因為氧氣不能夠進(jìn)入完整煤層的煤體，大塊的煤能夠充分與氧接觸的表面積有限，氧化產(chǎn)生的熱量相對較小，不足以使煤塊升溫，并且由于大塊煤堆積的大縫隙導(dǎo)致對流傳熱明顯，熱量不易于積聚。一些學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)煤的粒度過于小時，氧氣難以進(jìn)入堆積的煤體內(nèi)部，影響了煤的充分氧化。因此，推測煤自燃有一個最優(yōu)粒度，該粒度也就是在煤氧化產(chǎn)熱和熱散失相對最大時候的粒度，并且該粒度隨其它影響因素的變化而變化，一般認(rèn)為粒度在1mm左右時煤的氧化性較強。同時，較為破碎的煤的自燃點（著火點）也會顯著降低，比如當(dāng)煙煤的粒度直徑為1.5～2mm時，其著火點溫度大多在330～360℃，粒度直徑小于1mm以下時，著火點溫度可能降低到190～220℃。但是也有一些學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)煤的粒度下降到一定粒度以下時（比如1mm），煤的氧化能力就與粒度無關(guān)了。另外，如果將一定粒度的煤混合，其氧化性會顯著增加，這一現(xiàn)象的原因是顯而易見的，不同粒度的組合不但使氧易于進(jìn)入煤體內(nèi)部，而又不易形成對流傳熱，結(jié)果充分發(fā)揮了小粒度煤易于氧化產(chǎn)熱、大粒度煤粒易于使氧達(dá)到煤體內(nèi)部的優(yōu)點，該現(xiàn)象在現(xiàn)場已經(jīng)得到了充分證實。

孔隙越發(fā)育的煤，其內(nèi)表面積越大，單位質(zhì)量吸附氧氣的能力越大，利于反應(yīng)的進(jìn)行，而且孔隙發(fā)育的煤的導(dǎo)熱性也相對較差（孔隙中充滿氣體，氣體導(dǎo)熱性比無孔隙的實體煤差），因此，孔隙越發(fā)育的煤，往往越易于自燃，如褐煤。

6**）煤的瓦斯含量**

瓦斯（主要為CH4，還含一部分N2、少量CO2和其它氣體）是煤在形成過程和在地層中保存過程的伴生物。煤與瓦斯在一般溫度條件下不發(fā)生反應(yīng)，否則煤就不可能與瓦斯共存于煤層之中了。從煤氧化角度來說，瓦斯相當(dāng)于惰性氣體。因此，瓦斯或者其它氣體含量較高的煤，由于其內(nèi)表面受到隔離（由于煤層中的瓦斯壓力一般比大氣壓力高），氧氣不易與煤表面發(fā)生接觸，也就不易同煤進(jìn)行復(fù)合。即使氧氣能夠達(dá)到煤體，瓦斯的稀釋作用使氧氣濃度降低，使煤氧發(fā)生反應(yīng)的強度降低，產(chǎn)生熱量的強度降低，煤發(fā)生自燃的危險性也相應(yīng)減小。我國許多高瓦斯礦井自然發(fā)火程度都比較低，例如，四川綠水洞煤礦、淮北朱莊煤礦等。一般認(rèn)為，當(dāng)煤中殘余瓦斯量大于5m/t時，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤自燃性將會提高，自然發(fā)火的危險性同一般的煤也就沒有區(qū)別了。因此，瓦斯含量也不應(yīng)該作為煤層自燃危險性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

外在因素煤炭自燃傾向性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，一個煤層或礦井的自然發(fā)火危險程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，還受外界條件的影響，如煤層的地質(zhì)賦存條件、開拓、開采方法及通風(fēng)等。這些外界條件決定著煤炭接觸到的空氣量和與外界的熱交換。因此，必須掌握它們的基本規(guī)律，來指導(dǎo)現(xiàn)場的生產(chǎn)實踐，保證安全生產(chǎn)。

1**）煤層地質(zhì)賦存條件**

煤層地質(zhì)賦存條件主要是指煤層厚度、傾角、煤層埋藏深度、煤層的地質(zhì)構(gòu)造及圍巖性質(zhì)等。

較厚的煤層總的來說是一個增大火災(zāi)危險性的因素。開采厚煤層的礦井，內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生次數(shù)比開采中厚和薄煤層的礦井多。究其原因，一是因為厚煤層難以全部采出，遺留大量浮煤與殘柱，而遺留在采空區(qū)的煤，尤其是碎煤，由于導(dǎo)熱能力弱，常常會造成局部儲熱條件；二是采區(qū)回采時間長，大大超過了煤層的自然發(fā)火期；三是煤層容易受壓破裂而發(fā)生自燃。據(jù)統(tǒng)計，有80%的自燃火災(zāi)發(fā)生在厚煤層開采中。國內(nèi)的鶴崗礦區(qū)統(tǒng)計，有86.6%的自燃火災(zāi)發(fā)生在5m以上的厚煤層中；原蘇聯(lián)庫茲涅茨礦區(qū)三分之二以上的煤炭自燃也發(fā)生在5m以上的厚煤層中。

煤層傾角對煤炭自燃也有重要影響，開采急斜煤層比開采緩斜煤層易自燃。因為傾角大的煤層受到地質(zhì)作用影響比較大，使得煤層在開采過程中比較容易破碎，形成的煤粒度比較小。同時，傾角大的煤層頻繁發(fā)生自燃還因為急傾斜煤層頂板管理困難，采空區(qū)不易充嚴(yán)，煤柱也不易保留，漏風(fēng)大，上部已經(jīng)過一定時期的自燃準(zhǔn)備的煤下滑。開灤趙各莊煤礦東西兩翼煤層傾角東緩西陡，火區(qū)大都發(fā)生在西翼。徐州大黃山煤礦南北兩翼煤層傾角南陡北緩，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。原蘇聯(lián)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。德國魯爾礦區(qū)81.5%的自燃火災(zāi)發(fā)生在36°～90°傾角的煤層內(nèi)。

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)火次數(shù)要多于煤層層位規(guī)則之地。這是由于煤層受張拉、擠壓的作用，裂隙大量發(fā)生，破碎的煤體吸氧條件好，氧化性能高。據(jù)四川芙蓉煤礦統(tǒng)計，巷道自燃火災(zāi)52%發(fā)生在斷層附近。

煤層頂板的性質(zhì)也影響煤炭發(fā)生自燃過程。煤層頂板堅硬，煤柱易受壓碎裂。堅硬頂板的采區(qū)空冒落充填不密實，冒落后有時還會形成與相鄰正在回采的采區(qū)，甚至地面連通的裂隙，漏風(fēng)無法杜絕，為自燃提供了條件，大同礦區(qū)的自燃就具有此特征。若頂板易于垮落，垮落后能夠嚴(yán)密地充填采空區(qū)并很快被壓實，火災(zāi)就不易形成，即使發(fā)生，規(guī)模也不會很大。

2**）采掘技術(shù)因素**

采掘技術(shù)因素對自燃危險性的影響主要表現(xiàn)在采區(qū)回采速度、回采期、采空區(qū)丟煤量及其集中程度、頂板管理方法、煤柱及其破壞程度、采空區(qū)封閉難易等方面。好的開拓方式應(yīng)是少切割煤層，少留煤柱，礦壓的作用小，煤層的破壞程度低，所以巖石結(jié)構(gòu)的開拓方式，如集中平硐、巖石大巷、石門分采區(qū)開拓布置能減少自燃危險性。

由于采煤方法影響煤炭自燃主要表現(xiàn)在煤炭回采率的高低和回采時間的長短等，所以，丟煤愈多、浮煤越集中的采煤方法越易引起自燃。落垛式的采煤方法自不待言，采用冒落法管理頂板的開采方法在采空區(qū)中遺留的碎煤一般都比其它方法多。由于頂板巖層的破壞，隔離采空區(qū)的工作比較困難，易于發(fā)生煤炭自燃。開采一個采區(qū)時采用前進(jìn)式開采程序比用后退式開采的漏風(fēng)大，而且也使采空區(qū)內(nèi)的遺煤受氧作用時間長，都為自燃創(chuàng)造了條件。因此，開采有自燃傾向性煤層的采區(qū)，一般都采用后退式回采程序。另外，后退式回采程序?qū)γ褐膲毫^小，遺留在采空區(qū)的碎煤也少，而且也易于隔離采空區(qū)，防止其漏風(fēng)。

長壁式采煤法中留煤皮假頂，留刀柱支持頂板，以及回采率較低的水力采煤，也均不利于防止自燃。

一個采區(qū)或工作面回采速度慢，拖的時間長，使采空區(qū)遺煤經(jīng)受氧的作用時間大大超過煤層的自然發(fā)火期，就難于控制自燃發(fā)生。因此，應(yīng)力求采用進(jìn)度快的生產(chǎn)工藝。神東礦區(qū)采用先進(jìn)可靠的大功率重型綜采設(shè)備，實現(xiàn)了礦井的快速開采，從而使得該礦區(qū)采空區(qū)自燃“三帶”中的“自燃帶”存在時間短暫，大大減小了采空區(qū)自燃的可能性；在工作面回撤過程中，采用“輔巷多通道”的搬家新技術(shù)，實現(xiàn)了工作面的快速搬家，很大程度上降低了停采線附近發(fā)生自燃災(zāi)害的概率；同時，該礦區(qū)還綜合采用快速封閉技術(shù)并結(jié)合無軌膠輪車快速運輸手段，實現(xiàn)了巷道的快速封閉，減少了煤與氧的接觸時間，使煤體無法積聚發(fā)生自燃所必需的熱量。通過“快采”、“快撤”和“快閉”技術(shù)的實施，有效控制了煤的氧化蓄熱，大大減小了“兩道”和“兩線”處自燃災(zāi)害發(fā)生的危險性，成功地實現(xiàn)了“以快防火”。

甘肅省窯街煤礦開采特厚、易燃煤層，主采層22m、最厚達(dá)98m，自然發(fā)火期3～6個月。礦區(qū)井田范圍內(nèi)自明朝就有古窯開采，小窯星羅棋布，老空區(qū)縱橫重疊，自燃火災(zāi)頻頻發(fā)生。為扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重的發(fā)火局面，將集中運輸巷由煤層改到底板巖層；改革了采煤法，以傾斜分層、金屬網(wǎng)假頂采煤代替了高落式和煤皮假頂傾斜分層采煤法，并且采取了黃泥注漿、不留煤柱、老空復(fù)采的綜合措施，發(fā)火率由原來的1.65次/萬噸降到0.052次/萬噸。

3**）通風(fēng)管理因素**

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)。如果漏風(fēng)很小，供氧不足，則抑止煤炭自燃。如果漏風(fēng)量大，大量帶走煤氧化后產(chǎn)生的熱量，則也很難產(chǎn)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。

根據(jù)漏風(fēng)規(guī)律可知，決定其主要漏風(fēng)的是漏風(fēng)通道風(fēng)阻和其兩端壓差。如果工作面即上下口之間壓差小于一定值，則后方采空區(qū)就不會自燃。因此，只要能嚴(yán)密堵塞漏風(fēng)通道，降低壓差，即可大大減少礦井的自燃發(fā)生。根據(jù)采場通風(fēng)方式可以看到，后退式“U”型、“W”通風(fēng)方式有利于防治自燃，“Y”型和“Z”型通風(fēng)方式易促進(jìn)采空區(qū)自燃。

不同煤層的賦存條件和具體情況不同，其影響煤層自燃的主要因素也不相同。就一般情況而言，煤炭自燃主要決定于內(nèi)因，即自燃傾向性，而煤層自然發(fā)火的危險性和發(fā)火期又受外因條件的嚴(yán)重影響。煤的自燃傾向性是客觀存在、不易改變的，但采礦技術(shù)、通風(fēng)管理則完全取決于人的主觀能動性。只要從實際出發(fā)，采取正確合理的開拓方式、開采方法、通風(fēng)方式，并加強對采空區(qū)、煤柱和通風(fēng)的管理等，就會防止或大大減少煤層自燃。

開采自燃煤層時，合理的通風(fēng)系統(tǒng)可以大大減少或消除自然發(fā)火的供氧因素，無供氧蓄熱條件，煤是不會發(fā)生自燃的。所謂合理的通風(fēng)系統(tǒng)是指：礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)網(wǎng)阻力適中；主要通風(fēng)機與風(fēng)網(wǎng)匹配，通風(fēng)設(shè)施布置合理，通風(fēng)壓力分布適宜。

（1）風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理，主要通風(fēng)機與風(fēng)網(wǎng)匹配

從全礦井網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，開采自燃煤層的大中型礦井，以中央分列式和兩翼對角式通風(fēng)為好，這種方式一是有利于防火，因為采區(qū)封閉后可以調(diào)節(jié)其壓力，消除主要通風(fēng)機風(fēng)壓的影響；二是便于災(zāi)變時進(jìn)行通風(fēng)控制，防止主井進(jìn)風(fēng)流發(fā)火危及全礦井。

采區(qū)應(yīng)是分區(qū)通風(fēng)，即采區(qū)之間是一個并聯(lián)子系統(tǒng)，而不應(yīng)是串聯(lián)，應(yīng)盡量避免角聯(lián)。工作面保持后退式。

主要通風(fēng)機與風(fēng)網(wǎng)匹配，是指主要通風(fēng)機運行的工況點位于高效區(qū)內(nèi)。在盡量降低井巷的通風(fēng)阻力，擴大礦井等積孔的同時，主要通風(fēng)機壓力最好保持在2kPa以下。

（2）通風(fēng)設(shè)施布置合理

通風(fēng)設(shè)施布置合理是指風(fēng)門、風(fēng)墻、調(diào)節(jié)風(fēng)門等通風(fēng)構(gòu)筑物及設(shè)施位置恰當(dāng)、布局合理。因此在設(shè)置這些通風(fēng)設(shè)施時，位置一定要選擇好。一般來說，以減小采空區(qū)或火區(qū)進(jìn)回風(fēng)密閉墻兩側(cè)通風(fēng)壓差為準(zhǔn)。

最近幾年，在老礦挖潛中，為了適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展，一些礦井采用了高風(fēng)壓大風(fēng)量的主要通風(fēng)機，但對通風(fēng)系統(tǒng)的改造注意不夠，兩者不匹配。礦井風(fēng)量增長有限，風(fēng)壓卻急劇上升，有的高達(dá)4～5kPa，結(jié)果通風(fēng)管理困難，漏風(fēng)嚴(yán)重，自然發(fā)火趨勢惡化。相反，神東礦區(qū)為預(yù)防煤層自然發(fā)火，采用大斷面、多通道、低負(fù)壓通風(fēng)，通風(fēng)方式盡量選用對角式、分區(qū)式，取得了比較好的預(yù)防效果。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強 - 副教授 - 西南大學(xué)