自燃火灾与煤炭自燃分析与防范

在矿井火灾中，自燃火灾约占70%，如河南发火严重的义马矿区，据统计达到80～90%，因此自燃火灾既是矿井防灭火工作中的治理重点，也是人们研究火灾的重要方向。

一、自燃火灾的形成必须具备以下三个基本条件

一是：具有低温氧化特性即自燃倾向性的煤呈碎裂状态堆积存放。

二是：通风供氧维持煤的氧化过程不断地发展。

三是：在煤的氧化过程中生成的热量大量蓄积，难以及时放散。

低温氧化特性是煤的一个自燃属性。试验证明，低温氧化性能强的煤炭其自燃倾向性较大。具有自燃倾向性的煤炭，只要存在着有利于煤炭氧化进程发展的时间和热量积蓄的条件与环境，自燃现象便会发生。所谓氧化与蓄热的条件和环境，系由矿井开拓，开采，通风等多方面的失误因素所构成。在实际生产中经常可见，在同一矿井的同一煤层中，采用了不适当的开采方法、不合理的通风系统都可能使自燃倾向性不大的煤炭发生自燃。相反的也可以使强自然倾向性的煤炭不发生自燃。

煤为什么能够自燃？不少学者对此问题都进行了不懈的努力和探索。知名的有：黄铁矿作用学说、细菌作用学说、煤氧复合学说，酚基作用学说等。但是通过实践与实验有的被否定，有的还不能圆满地解释煤炭自燃中的所有现象。例如黄铁矿作用学说是试图解开煤炭自燃之谜的最早的尝试，也曾经一度得到人们的公认。然而后来发现许多完全不含黄铁矿的煤层也发生了自燃，所以生产实践否定了这一学说的可信性。为了考查细菌学说的可信性，有的学者曾将具有强自燃性的煤炭置于温度为100℃的真空环境里长达20小时，任何细菌都已死亡，然而煤的自燃倾向性并未减弱。目前比较为人们所认可的煤炭自燃学说是煤氧复合学说，煤炭具有吸附空气中氧的特性，包括表面吸附及化学吸附，在吸附过程中还伴随有煤与氧的化学反应，产生相当的热量，导致自燃。有的学者通过实验证明，单纯的表面吸附产生的热效应虽然微不足道，但在化学吸附过程中，煤氧发生化学反应，生成的热量足以导致煤的自燃。酚基作用学说是把煤炭中的不饱和化合物酚基最易受到氧化而当作导致自燃的原因。其实这还是煤的氧化问题，所以有人把它当作煤氧复合学说的补充。由于煤并非一个均质体，品种多样，化学结构，物理性质，煤岩成分，赋存状态，地质条件均有很大差别。它的自燃原因与过程是一个相当复杂的问题。对于某一类别的煤炭却可能是形成自燃火灾的特殊因素，黄铁矿作用学说解释高硫煤的自燃就是一例。抓住这一特殊因素对于作好自燃火灾的防治也是具有指导意义的。

煤的自燃过程一般可分为三个阶段如图9－4所示：

一是：准备期又称潜伏期。

二是：自热期。

三是：燃烧期。

图9－4

具有自燃倾向性的煤炭当其与空气接触时，吸附空气中的氧（O2）而生成不稳定的氧化物羟基（OH）与羧基（COOH）。开始阶段既观测不到煤体温度的变化，也看不到其周围环境温度的上升。煤的氧化进程平稳而缓慢，但是煤的重量略有增加，着火点温度降低，化学活泼性增加，这个阶段通常称之为煤的自燃准备期，又称潜伏期。经过潜伏期之后，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）。氧化产生的热量使煤温继续升高，超过自热的临界温度（60～80℃）煤温上升急剧加速，氧化进程加快，开始出现的干馏，生成芳香族的碳氢化合物（CxHy）、氢（H2）、一氧化碳（CO）等可燃性气体，这就是煤的自热期。自热期的发展有可能使煤温上升到着火温度（Ts）而导致自燃。煤的着火点温度由于煤种不同而变化，无烟煤为400℃，烟煤320～380℃，褐煤为270～350℃。如果煤温根本不能上升到临界温度（60～80℃）或上升到这一温度但由于外界条件的变化，很快降下来，这样便进入风化状态，如图9－4中虚线所示。自燃倾向性较弱的煤炭在氧化进程中常常会出现风化现象，风化了的煤一般是不会发生自燃。进入燃烧阶段常常会出现一般的煤炭燃烧现象，如产生烟雾，生成CO、CO2、各种可燃气体以及出现明火等。

从煤的自燃发展过程可见：煤的自燃实质上就是自身氧化加速的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外界放散，而导致了自燃。

煤的氧化过程既可以在常温下发生，也可以在高温下进行，伴随氧化过程的发展其周围空气中氧含量必然降低。

煤的氧化进程可以人为的使之减速或加速，参入碱类化学物质可以加速；参入氯化物可以抑制煤的氧化进程。

二、煤的自燃倾向性及其鉴定分类

煤的自燃倾向性主要取决于以下几方面。

（一）煤的变质程度

各种煤都有发生自燃的可能，但是在褐煤矿井，煤化程度低的一些煤层自然发火次数要多得多。烟煤矿井以开采煤化程度最低的长焰煤和气煤自燃的危险性较大，贫煤就较小。在煤化程度高的无烟煤矿井自燃火灾较为少见。所以可以认为：煤化程度愈高的煤自燃倾向性愈小。但是决不能以煤的煤化程度作为判定自燃倾向性大小的唯一标志。因为生产实践中人们发现，煤化程度相同的煤有的具有自燃特性，有的就不自燃。

（二）煤的水分

煤的含水量是影响其氧化进程的重要因素，在煤的自热阶段，由于水分的生成与蒸发必然要消耗相当的热量。煤体中外在水分没有全部蒸发之前温度很难上升到100℃，这就是水分含量大的煤炭难能自燃的原因。因为水分能够将充填于煤体微孔中的氮（N2）与二氧化碳（CO2）驱赶排出，当干燥以后对其吸附性能起活化作用。水分的催化作用随着煤温的增高而增大。所以地面煤堆在雨雪之后易发生自燃；井下灌水灭火，疏干之后自燃现象更为强烈。

总之，一定含量的水分有利于煤的自燃，而温度过大，则会抑制煤的自燃。

（三）煤岩成分

在组成煤炭的四种煤矿岩成分中，暗煤硬度也最大，占比重最大，难以自燃。镜煤与亮煤脆性大、易破裂，而且在其次生的裂隙中常常充填有黄铁矿，开采中易碎裂为微细的颗粒。细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃性，因为它的氧化接触面积大，着火温度低。丝煤结构松散，着火点温度低，仅为190～270℃，正是由于它的微孔松散结构决定了它的吸氧性能特强。在常温条件下，丝煤是自热的中心，起着引火物的作用；镜煤与亮煤脆性大，灰分少最有利于自燃的发展。

（四）煤的含硫量

硫在煤中有三种存在形式：硫化铁即黄铁矿（FeS2），有机硫以及硫酸盐。对煤的自燃起主导作用的是硫化铁，它的比热小，它与煤吸附相同的氧量而温度的增值比煤大三倍，黄铁矿的分解产物氧化铁（Fe2O3）比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧（O2）转让给煤粒使之发生自燃，是煤炭自燃的发生根源，并对煤的自燃过程起加速的作用。

（五）煤的粒度

完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能将显著提高。这是因为破碎的煤炭不仅与氧相接触的表面积增大，而且着火温度将明显降低。根据试验，当煤粒度直径为1.5～2毫米时，其着火点温度大多在330～360℃；粒度直径小于1毫米以下时，着火温度可能低到190～220℃。因此，在矿井里最易发生自燃火源的地方都是碎煤与煤粉集中堆积的地点，如采空区四周的边缘地带，特别是工作面运煤巷链板运输机尾煤粉堆积的地方，受压破裂的煤柱和垮塌的煤壁，充满煤粉与碎煤的煤壁裂隙以及煤巷局部冒高，在棚梁上形成浮煤堆积的地方。

总之，决定煤的自燃倾向性的因素还有很多，如煤的瓦斯含量等，煤的孔隙度，导热性能。

煤的自燃倾向性鉴定对于掌握其自燃的发生规律，有针对性地采取措施和保证矿井安全生产具有重要的意义。因此《煤矿安全规程》要求所有煤层均应进行自燃倾向性鉴定。到目前为止，确定煤炭自燃倾向性的方法，大多数是建立在测定煤的氧化性能的基础上。我国规定采用的煤的自燃倾向性鉴定方法是着火温度降低值法。该法的实质就是确定煤炭氧化后的着火温度降低值。试验证明，无论是经空气氧化或化学氧剂（硝酸、双氧水）处理后，煤的着火温度都会有所降低，而且当其自燃倾向性愈强，着火温度降低值（△T）愈大。

煤的自燃倾向性等级分类如表9－3。

表9－3　煤的自燃倾向性分类表

Vr－可燃基（无水无灰基）挥发分%；　　　　Or－可燃基O2含量；
Cr－可燃基C含量；　Wf－分析煤样水分。

三、煤层自燃危险程度及其自然发火期(www.xing528.com)

煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属性，它取决于煤在常温下的氧化能力，是煤层发生自燃的基本条件。然而在现实生产中经常可见一个矿井或煤层自燃发火危险程度和情况并不取决于煤的自燃倾向性，还有煤层的地质赋存条件，开拓，开采和通风条件都有一定影响。

（一）煤层地质赋存条件

据统计，80%的自燃火灾发生在厚煤层开采中。86.6%的自燃火灾发生在5米以上的厚煤层中。一般2米以上厚度的煤层自燃发火次数占总数的一半。厚煤层容易发火的原因：一是难能全部采出，遗留大量浮煤与残柱；二是采区回采时间过长，大大超过了煤层的自然发火期。

地质构造包括断层，褶曲，破碎带，岩浆入侵地区自然发火频繁。这是由于煤层受张拉、挤压、裂隙大量发生，煤体破碎吸氧条件好、氧化性能高所造成。据统计，巷道自燃火灾发生在断层附近者占52%。

煤层顶板坚硬，煤层最易受压碎裂。另外，坚硬顶板的采空区难以冒落充填密实，冒落后有时还会形成与相邻现采区，甚至地面连通的裂隙，漏风无法杜绝。这就为自然发火提供了充分的条件。

（二）开拓开采条件

石门、岩巷开拓少切割煤层，少留煤柱，自然发火的危险性小。厚煤层开采岩巷进入采区，便于打钻注浆，有利于实现预防性或灭火灌浆。

采煤方法对自然发火的影响主要表现在煤炭回收率的高低，回采时间的长短上。丢煤愈多的采煤方法愈易引起自然发火，长壁式采煤法留煤皮假顶，留刀柱支撑顶板，均不利于防止自燃火灾的发生。一个采区或工作面采速度慢，拖的时间长，大大超过了煤层自然发火期，很难控制自燃火灾的发生。

经验证明，采用倾斜分层金属网假顶，黄泥灌浆，不留煤柱，发火率由1.65次／万吨降至0.052次／万吨，基本上控制住了自然发火，使生产转入了主动。

（三）通风条件

通风因素的影响主要表现在采空区、煤柱和煤壁裂隙漏风。漏风就是向这些地点供氧，促进煤的氧化自燃。采空区面积大，尽管漏风量相当可观，但风速有限，散热作用低，所以在浮煤大量堆积的地点：两巷（工作面进风巷和回风巷）、两线（工作面开切眼和停采线）和工作面遇断层，变薄带跳面的地方最易发生自燃。在倾斜煤层地区自然发火地点位于采空区的占75%。通煤柱和煤壁裂缝漏风量愈大愈易发生煤的自燃。因为透过裂隙区的漏风其冷却作用是十分有限的。在煤块与粉煤混杂堆积的地方，如果供氧条件充分最易发生自燃。漏风的决定因素：一是漏风风路的风阻；二是漏风风路两端的压差。消除漏风：一方面要从严密堵塞通道入手；另方面，则是降低压差。最近几年，在老矿挖潜改造中为了适应生产的发展，一些矿井更换了主扇，采用高负压大风量的主扇风机。但是由于对通风系统的改造注意不够，二者不相匹配，以致矿井风量增长有限，但负压却急剧上升，有的高达3.9千帕～4.9千帕。其后果则是通风管理困难，漏风严重，自然发火的局势恶化。

综上所述，决定矿井或煤层自然发火危险程度：一是煤的自燃倾向性，二是地质采矿技术因素。这样，我们对于现实生产中遇到的煤层自然发火和实验室做出的自燃倾向性鉴定并不完全一致的问题就不感到难以理解了。一个弱自燃倾向的煤层，从它的鉴定等级上看，仅仅属于“可能自燃的”一类，对形成自然发火的内部条件显然不够充裕。但是正如上面所列举的许多不利的地质赋存条件，不合理的采矿技术因素汇集在一起也会造成相当严重的自然发火形势。因此，可以认为，煤的自燃倾向性和煤层的自然发火危险性是两个既有关联，又不相同的概念。所谓有关联是指煤的自燃倾向性强弱影响着煤层自然发火的危险程度；而不相同，则是指自燃倾向性强的煤在开采时不一定就必然发生自燃火灾。

（四）煤层自然发火期

煤层自然发火期是自然发火危险程度在时间上的量度，发火期愈短的煤层自然发火危险程度愈大。从理论上讲，煤层自然发火期是指在开采过程中暴露的煤炭，从接触空气到发生自燃的一段时间。它的长短不仅取决于煤的自燃倾向性，而且还与煤层的自燃危险程度，煤炭氧化生热与聚热的条件有关。《煤矿安全规程执行说明》中，对于煤层自然发火期的确定方法是这样规定的：

1.煤层中出现下列情况之一者，该煤层定为自然发火煤层；

（1）煤炭自燃引起明火。

（2）煤炭自燃发生的烟雾。

（3）煤炭自燃发生的煤油味。

（4）采空区测取的一氧化碳浓度超过矿井实际统计的临界指标。

2.巷道中煤层自然发火期以自然发火地点在揭露煤之日起至发生自燃发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

3.回采工作面中煤层自燃发火期应以工作面开切眼之日起至发生自然发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

4.每一煤层的所有回采工作面和巷道，都应进行自然发火期的统计，确定煤层最短发火期。

统计确定煤层最短自燃发火期，对矿井开拓开采以及生产管理都有重要意义。对于自燃发火期较短的矿井一般不应采用煤巷开拓，采煤法要保证最大的回采速度和最高的回收率，采空区要在最短的时间里予以封闭。应该指出的是，一个煤层的自燃发火期长短并非固定不变，因为正如前面所说的，它是煤层自然发火危险程度在时间上的量度，而煤层自然发火危险程度既取决于促使煤炭自燃的内在因素——自燃倾向性的强弱，又在很大程度上受煤层自燃外在因素的制约，包括地质、开拓、开采以及通风等技术条件的影响。在现实生产中，不少矿井在投产初期发火十分严重，煤层的自然发火期相当短，从几十天到几个月。而后由于地质条件的变化，开采技术条件的改进，煤层的自然发火期也延长了。另外，如果矿井采取注水、灌浆、喷洒阻化剂等专门的预防性措施，也可以使煤层的自然发火期适当延长。

5.煤炭自热期的后期阶段

煤炭自热超过临界值（60～80℃）但是尚未达到着火温度出现明火的期间，我们称之为自热后期阶段。在此阶段内，煤温可升高到100℃以上，火源点附近煤炭水分蒸发，开始了干馏现象，生成多种碳氧化合物，出现的征兆有：

（1）火源点附近的空气湿度增大，出现雾气，煤壁挂水珠，类似“出汗”现象。

（2）出现煤炭氧化的干馏的产物，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H5）、乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、乙炔（C2H2）以及苯（C6H6）、萘（C10H8）等。

（3）煤温、水温、空气的温度都可能升高。

（4）出水酸度增大。

芳香族的碳氢化合物气味（煤油味）是井下自然发火最可靠的征兆。这种气味在距水源一定距离之外更为显著，因为芳香族气体在冷却之后才会发生浓郁的香味。

在煤炭自热的后期阶段由于氧化、干馏的作用产生多种有毒有害气体使井下工人有头疼、疲倦等不舒适的感觉，有人提出可以作为判定自燃的依据。其实人的直观感觉带有很大的主观随意性，并与人的健康和精神状态有关，因此仅能作判定自燃的参考。

在这个阶段采用测温的方法也可以较早地预报自燃火灾的发生。传统的测温工具是水银温度计，测定煤壁温度时将温度计置入一定深度的钻孔可以获得较为真实的读数。随着测温技术的发展，国内外研制成功的有各种热电阻、热电偶以及半导体热敏电阻测温仪。这类测温仪的特点是可以远距离地测定温度，从而掌握密闭区，采空区内部的自然发火情况。另外，近年来还研制成一种红外线辐射测温仪，国产品称为火源探测仪，它是一种非接能型的测温仪，能够测量一定距离的煤壁或其他物体表面的温度，对检测煤壁裂隙和巷道高冒地点的自燃火源极为方便，能够准确地预报自热点的位置。美国生产的红外热成像仪能将放热物体辐射出的红外能转化为可见光，在目镜中显示出红色的图像，拍成照片，以便于了解火灾的情况。它的测温距离可达75米，曾经多次成功地检测出煤壁、煤柱、浮煤堆的自热火源以及电缆短路引起的过热。