第二章_煤的自燃ppt

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2020/4/7
第二章 煤的自燃
1.2.1黄铁矿作用学说
以上的化学反应都是放热反应(Q1、Q2、Q3代表一定 的热量)，而且，黄铁矿在井下潮湿的环境里被氧化产生 SO2、CO2、CO、H2S等气体，也都是放热反应。
黄铁矿的另一个作用：促使煤体氧化的物理作用，即 黄铁矿氧化时体积增大，对煤体具有胀裂作用，能够使煤 体裂隙扩大和增多，与空气的接触面积增加，因而导致氧 气渗入，促使煤的氧化。
2FeS2 + 2H2O + 7O2—2FeSO4 + 2H2SO4+Q1 12FeSO 4 + 6H2O + 3O2—4Fe 2(SO4)3 + 4Fe(OH)3 + Q2 FeS2 + Fe2(SO4)2 + 3O2 + 2H2O—3FeSO 4 + 2H2SO4 + Q 3
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➢ 即 V＝V1τ-H ；
➢吸氧速度常数V与煤自身温度之间符合幂函数关系；
➢煤在氮气中加热后再冷却可使它的活性增加，并有重新恢复到原 有活性的可能；
➢吸氧速度常数V与粒度之间成复杂关系；
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第二章 煤的自燃
2 煤的自燃发展过程
2.2煤炭自燃条件
煤炭自燃的必要充分条件是： (1)有自燃倾向性的煤被开采后呈破碎状态，堆积厚度 一般要大于0.4m。
1870年瑞克特(Rachta n．H)经过实验得出；一昼夜里 每1g煤的吸氧量为0.1~0.5ml，而褐煤为0.12ml。
1945年姜内斯(Jone s E．R)提出：在空气中，在常温
下烟煤的吸氧量可达0.4ml／g。 六十年代抚顺煤研所曾以煤的吸氧量作为区别煤的自
燃倾向性大小的指标。通过大量煤样分析，确定了100g煤 样在30℃的条件下经96h吸氧量小于200m1时属于不自燃 的，超过300m1时属于易自燃的煤。这也说明，在低温时， 煤的吸氧量愈大，愈易自燃。
燃烧阶段 风化阶段
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
3.1 影响煤的自燃倾向性的内在因素
1） 煤的变质程度
各种煤部有发生自燃的可能，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。
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第二章 煤的自燃
细菌→煤体发酵→氧化产热→煤自燃
细菌
学说 外力→裂隙→分子链中共价
键断裂→自由基→自由基与
黄铁矿+空气中的水份+氧气
氧作用→煤自燃
黄铁矿 学说
煤自燃 学说
自由基 学说
黄铁矿易氧化→体积增大 →对煤体胀裂作用→比表 面积增大→煤的氧化增加
煤氧复合 煤+氧
裂隙以及煤巷局部冒高，在棚梁上形成浮煤堆积的地方。
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类 3.2 煤层自燃的外在影响因素
煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属性。实验证明，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，一个煤层或矿井自然发火的危险 程度并不完全取决于煤的自燃倾向性，在一定程度上还受 煤层的地质赋存条件、开拓、开采和通风条件的影响。
1.1 自燃的含义
煤的自燃
可燃物质受热升温而不需明火作用就能自行燃烧的 现象。这里指的是广义的自燃，包括本身自燃和受热自 燃(加热自燃）。
煤自燃是煤自身氧化升温引起的燃烧现象。
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第二章 煤的自燃
1 煤的自燃学说
1.2 煤自燃的学说种类
主要的有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用 学说以及煤氧化复合作用学说等
阶段热效应如何测定，如何确定煤最短自然发火期，氧如
何在煤中运输，其动力何在，过程如何。
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第二章 煤的自燃
2 煤的自燃发展过程
2.1煤的氧化特性
➢所有品种煤在常温下都吸氧，但吸氧速度不同；
➢煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比，即 dm/dτ＝VＣ ➢在温度不变条件下，吸氧速度常数随时间按指数规律衰减，
生化的放热过程。在30℃以下是亲氧的真菌和放线菌起主
导作用。使泥煤的自热提高到60~70℃是由于故线菌作用
的结果。在60~65℃时，亲氧真菌死亡，嗜热细菌开始发
展，在72~75℃时所有的生化过程均将消亡。
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第二章 煤的自燃
1.2.3 酚基作用学说
1940年苏联学者特龙诺夫(E．B．TponoB)提出：煤 的自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物强烈地吸附空气 中的氧，同时放出一定量的热量造成的。
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第二章 煤的自燃
2.3 煤的自燃发展过程
２）自热阶段：
煤和木材着火温度（氧含量21%）
材质 褐煤、木材
烟煤 贫瘦煤、无烟煤
着火温度（℃） 250
300~350 650~800
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第二章 煤的自燃
在自热阶段，若改变了散热条件，使散热大于生热； 或限制供风，使氧浓度降低至不能满足氧化需要，则自热 的煤温度降低到常温，称之为风化。风化后煤的物理化学 性质发生变化，失去活性，不会再发生自燃。
学说
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第二章 煤的自燃
1.2.4 煤氧复合作用学说
煤的自燃主要参与物一个是煤，一个是氧。 低温氧化过程的持续发展使得反应过程的自身加速作 用增大，最后如果生成的热量不能及时放散，从而就会引 起自热阶段的开始。
煤氧复合学说存在的问题是：煤氧复合最初的导因是
什么，煤氧复合过程如何，各种临界参数如何测定，低温
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
3.1 影响煤的自燃倾向性的内在因素
2） 煤的水份
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，由于水份的生成与蒸发必然消耗相当的热量。煤 体中外在水份没有全部蒸发之前温度很难上升到100℃， 这就是水份含量大的煤炭难以自燃的原因。
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
3.1 影响煤的自燃倾向性的内在因素
5） 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，而且着火温度明显降低。根据波兰的试验，当烟煤
这个学者提出的基点是建立在对各种煤体中的有机化 合物进行实验后，发现酚基类是最易氧化的。不仅在纯氧 中可以氧化，而且与其它氧化剂接触时也可以发生作用。 所以他认为正是空气中的氧与煤体内的酚基类化合物作用 而导致自燃。
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第二章 煤的自燃
1.2.4 煤氧复合作用学说
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第二章 煤的自燃
1.2.1 黄铁矿作用学说Βιβλιοθήκη Baidu
波兰学者奥尔萍斯基(Olpinsi.W)对波兰烟煤的考查表 明，只有当煤中硫铁矿含量较高时（大于1.5％），才具 有自燃倾向性。但是他认为这类煤的自燃倾向性增高的原 因是由于煤化程度较低而引起的。因为在波兰自然发火较 多的煤均是煤化程度较低而硫化铁含量较高的煤。
3） 煤岩成份
按煤岩成份可将煤的类型分为：暗煤、亮煤、镜煤、丝煤
在组成煤炭的四种煤岩成份中，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，开采中局碎裂为微细的颗粒。细粒状的煤粒或黄
铁矿都有较高的自燃性，因它的氧化接触而积大，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
主讲教师：潘荣锟 博士 河南理工大学
Email: prk2008@126.com
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第二章 煤的自燃机理
2020/4/7
第二章 煤的自燃
a 煤的自燃前期过程是如何开始的？ b 煤的自燃温度是怎样提高到发生化学氧化反 应所必需的温度？
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第二章
1 煤的自燃学说
英国学者温米尔(Winmill.T.F)通过实验证实，在不自 燃的煤中加入30％的黄铁矿即可变为具有自燃倾向性的煤。
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第二章 煤的自燃
1.2.1黄铁矿作用学说 黄铁矿作用学说认为煤的自燃是由煤层中的黄铁矿
（FeS2）与空气中的水份和氧相互作用、发生热反应而引 起的。
３）自燃阶段：
煤温达到其自燃点后，若外界条件发生变化，温度将 降下来，则进入风化状态，若能得到充分的供氧风，则发 生燃烧，出现明火、烟雾、一氧化碳、二氧化碳以及各种 可燃气体。
4）熄灭：降到燃点以下。
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第二章 煤的自燃
Q产
Q散
煤
蓄热环境
周围环境
Q产>Q散 Q产<Q散
(2)有较好的蓄热条件。
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第二章 煤的自燃
2 煤的自燃发展过程
2.2煤炭自燃条件
(3)有适量的通风供氧。通风是维持较高氧浓度的必 要条件，是保证氧化反应自动加速的前提。实验表明:氧 浓度＞15％时，煤炭氧化方可较快进行。
(4)上述三个条件共存的时间大于煤的自燃发火期。 上述四个条件缺一不可，前三个条件是煤炭自燃的必要条 件，最后一个条件是充分条件。
一定含量的水份有利于煤的自燃，而湿度过大，则会 抑制煤的自燃。
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
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煤的吸氧量与湿度之间的关系
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
3.1 影响煤的自燃倾向性的内在因素
粒度直径为1.5—2mm时，其着火点温度大多在330—360℃；粒度 直径小于1mm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
采空区的四周边缘地带，特别是工作面运煤巷链板运输机尾煤粉堆
集的地方，受压破裂的煤柱和垮塌的煤壁，充满煤粉与碎煤的煤壁
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2.3 煤自燃过程
煤温
Ts
第二章 煤的自燃
燃烧
T1
风化
O
潜伏
自热阶段 燃烧阶段
阶段 煤自燃发展过程图
时间
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第二章 煤的自燃
2.3 煤的自燃发展过程
２）自热阶段：
温度开始升高起至其温度达到燃点的过程叫自热阶段。 自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化生成热量逐渐积累、 温度自动升高的过程。其特点是：①氧化放热较大，煤温 及其环境(风、水、煤壁)温度升高；②产生CO、CO2和 碳氢(CmHn)类气体产物，并散发出煤油味和其他芳香气 味；③有水蒸气生成，火源附近出现雾气，遇冷会在巷道 壁面上凝结成水珠；④微观结构发生变化。
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第二章 煤的自燃
2.3 煤的自燃发展过程
１）潜伏（自燃准备）期：自煤层被开采、接触空 气起至煤温开始升高止的时间区间称之为潜伏期。 在潜伏期，煤与氧的作用是以物理吸附为主，放热 很小，无宏观效应；经过潜伏期后煤的燃点降低， 表面的颜色变暗。
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松散结构决定了它的吸氧性能特强。
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第二章 煤的自燃
3 煤的自燃倾向性鉴定方法与分类
3.1 影响煤的自燃倾向性的内在因素
4） 煤的含硫量
我国许多高硫矿区如贵州的六枝，四川的中梁山、江西的萍 乡、英岗岭，湖南的杨梅山，宁夏的石炭井均届自燃发火比较严重 的矿区。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(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，所以认为黄铁矿对煤的自燃过程起加速的作用。
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第二章 煤的自燃
1.2.1 细菌作用学说
英国学者帕特尔(Potter.M.C) 认为在细菌的作用下， 煤在发酵过程中放出一定热量对煤的自燃起了决定性的作 用。
波兰学者杜博依斯(Dubois．R)等人在考查泥煤的自
热与自燃时指出：当微生物极度增长时，一般都伴有一个