第2章 煤的自燃及特性解读

第二章煤的自燃及其特性
煤自燃是煤矿生产中的主要自然灾害之一。

自十七世纪以来，人们就开始对煤的自燃现象进行研究，提出了解释煤自燃的多种假说，但由于煤的化学结构非常复杂，人们至今还不能完全阐述清楚煤的自燃机理。

尽管如此，人们仍在对煤的自燃机理孜孜探求。

近些年来通过对煤自燃的宏观特性（氧化产热量、产物和耗氧量）与煤自燃过程中微观结构（官能团、自由基）的变化特征的深入研究，对煤自燃的认识不断深入。

本章将较全面地介绍煤炭自燃研究方面的新进展，较深入地对煤自燃过程及影响因素进行分析，较系统地阐述煤在低温氧化过程中的自燃特性和煤自燃倾向性、自然发火期等的测试与确定方法。

第一节煤的基础特性
煤的自燃特性是由其基础特性决定的。

在对煤的自燃特性进行研究之前，有必要了解一下煤的形成、分类、组成特点、热物理性质和表面特性等相关知识。

一、煤的形成及分类
煤是由植物形成的。

根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类[1]，即腐殖煤和腐泥煤。

由高等植物形成的煤称为腐殖煤，它分布最广，储量最大；由低等植物和少量浮游生物形成的煤称为腐泥煤。

通常所讲的煤，就是指腐殖煤。

由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。

转化次序是：植物、泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。

整个成煤作用可划分为几个阶段：植物向泥炭转化作用过程，泥炭向褐煤的转化为成岩作用过程，褐煤向烟煤、无烟煤的转化成为变质作用过程，成岩作用和变质作用又合称为煤化作用过程。

中国煤炭分类[2]，首先按煤的干燥无灰基挥发分>37%、>10％、≤10%，将所有煤分为褐煤、烟煤和无烟煤。

然后烟煤又按挥发分>10%~20%、>20%~28%、＞28%~37%和>37%的四个阶段分为低、中、中高及高挥发分烟煤，同时还根据表征烟煤煤化程度的参数（粘结指数、胶质层最大厚度或奥亚膨胀度），将烟煤划分为长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤。

褐煤的特点是：水分大，比重小，不粘结，含有不同数量的腐植酸；煤中无水无灰基氧含量常高达15~30%左右，化学反应性强，热稳定性差，块煤加热时破碎严重，存放在空气中易风化变质、碎裂成小块乃至粉末状，发热量低，煤灰熔点也大都较低。

烟煤挥发较高，外表灰黑色，有光泽，发热量较高，较易着火与完全燃烧，煤质一般较无烟煤软，较多的烟煤在受热析出挥发份时粘结成块，称为有焦结性。

无烟煤挥发分低，固定碳高，比重大，纯煤真比重最高可达1.90，燃点高，燃烧时不冒烟。

我国煤种的主要特征及分布地区见下表：
[1]
二、煤的结构及基本性质
煤是分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物，其主要组成元素是碳、氢、氧、氮和硫。

煤的结构十分复杂，一般认为它具有高分子聚合物的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体。

煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成。

这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，它可分为规则部分和不规则部分。

规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，成为基本结构单元的核或芳香核；不规则部分则是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团。

随着煤化程度的提高，构成核的环数增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少。

基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链和官能团。

煤分子上的官能团主要是含氧官能团，有羟基（-OH)、羧基（-COOH)、羰基（=C=O）、甲氧基（-OCH3）等，随煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在。

此外还有少量的含氮官能团和含硫官能团。

在煤大分子中结构单元之间的连接是通过次甲基键-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-，醚键-O-，次甲基醚键-CH2-O-、-CH2-S-，硫醚键-S-、-S-S-以及芳香碳-碳键C ar-C ar等桥键实现的。

在低煤化程度的煤中桥键最多，主要形式是次甲基键、醚键、次甲基醚键；中等煤化程度的煤中桥键最少，主要形式是甲基键、醚键；到无烟煤阶段时桥键有所增多，主要形式是芳香碳-碳键。

煤是有着庞大内部表面积的多孔状聚合体，对于低变质煤更是如此。

实际上，作为一种固态胶体，各种变质程度的煤都具有相当大的孔隙度，其比表面积与煤的变质程度极为关联。

从孔的结构来看，微孔（直径＜1.2×10-6 mm）和过渡孔（直径为1.2~30×10-6 mm）占总表面积的绝大多数，而其它孔所占的比表面积的比例微乎其微（不足1%）。

煤的孔结构和比表面积主要取决于煤的变质程度和成煤环境，同时受构造破坏程度的影响，但煤的破坏对微孔和过渡孔不起作用，而主要是使大孔（直径大于30×10-6 mm）的数量增加，引起总的
比表面积的增大，增大的量值受破坏类型和破坏程度的控制。

煤的比热（在常温下1g 煤升高1℃时所需的热量）很小，水的比热（5℃时为
4.184kJ/kg.℃）大约为其4倍，因而煤的比热随煤中水分含量的增加而提高；同时，它随煤化程度的加深而降低。

随着温度的升高，煤的比热会增大，在300℃左右达到最大值。

此外，由于煤中矿物质的主要成分的比热较小，因此，矿物质含量的增加会使煤的比热有所下降。

煤的热导率是度量煤的导热性的指标，它是指煤体内部相距为1 m 的两个1 m 2的平行平面，若两平面的温差为1℃，每秒从一平面以垂直方向传导到另一平面的热量。

由此可以理解煤的热导率是热量在煤中直接传导的速度，也即表征了煤的散热能力。

煤的热导率很小，即散热能力很差，它受煤中水分、矿物质、变质程度和温度的影响。

煤的热导率可用下式计算[1]：
()22
100010000003.0t t
βαλ++= (kJ/m.h.K)
式中βα、为特定常数，粘结性煤的α和β相等，为0.0016，弱粘结性煤的α为0.0013，β为0.0010。

从上式中可以看出，热导率随温度上升而增大，并且块煤或型块、煤饼的热导率比散状煤高。

第二节 煤的自燃假说
对于煤炭自燃的起因和过程，人们在17世纪就开始了探索研究。

1686年，英国学者普洛特（Plot ）发表了第一篇有关煤自燃的论文，他认为煤中含硫化矿物的氧化是造成煤堆自燃的原因。

其后至现在的几百年中，为解释煤炭自燃的起因，各国学者先后提出了各种假说
[3,4,5]，主要有黄铁矿作用、细菌作用、酚基作用、自由基作用、煤氧复合作用等假说，其中煤氧复合作用假说现已被国内外广泛认同。

一、黄铁矿作用假说
该假说最早由英国人（Polt 和Berzelius ）于17世纪提出，是第一个试图解答煤自燃原因的假说，曾在19世纪下半叶广为流传。

它认为煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿（FeS 2）与空气中的水分和氧相互作用放出热量而引起的。

早期，人们认为黄铁矿在空气中逐渐氧化而产生的热是煤炭自热的诱因，然而，现在已经确定煤中的黄铁矿促进含碳成分氧化的途径一方面是通过将煤分解成更小的碎片从而把更大的煤体表面积暴露到空气中，另一方面是通过自身氧化释放出的热量来提高煤温，从而使之氧化自热。

此假说认为，煤炭自热是氧和水与煤中的黄铁矿按以下化学反应式作用生热的结果：
2FeS 2+7O 2+2H 2O → 2FeSO 4+2H 2SO 4+25.7kJ
这种放热反应促使煤炭发热，在适宜条件下而自燃。

温米尔（Winmill·T·F）对黄铁矿在空气中对煤炭自热的影响展开了全面的调查。

他总结出黄铁矿只有在占比例较大并且处于被分解成极细微状态时才可能引发煤炭自热。

如果黄铁矿存在形式较为集中或出现在矿脉中或以高结晶“铜”的形态存在，它对煤初期自热的作用是微乎其微的。

格瑞哈姆（Graham）证实了温米尔的结论，并且观察到当黄铁矿以极细微状态存在时，它能快速吸收氧气。

他还推出如下结论，绝大多数的井下煤炭发热都归因于潮湿空气中黄铁矿的氧化，其反应通常可由以下反应式表述：
2FeS2+7O2+16H2O →2FeSO4·7H2O +2H2SO4+1327.2kJ 上式反映了一种热效应。

同时得到的反应产物体积比黄铁矿原始体积显著增大，结果使得包裹它的煤胀裂，导致煤与空气的接触面积增加。

值得一提的是，反应式中得到的硫酸亚铁绿色晶体经常同煤中所含的钙、镁、铁（铁白云石）的碳酸盐发生中和反应，然后在空气中缓慢氧化得到黄色的氧化铁水化物，有时会被误认为是游离的硫。

在此基础上，很多学者曾探讨过不同因素的作用[6]，如马甫斯顿（Mapuston）的研究认为，煤炭自燃是由于散布在煤中的黄铁矿氧化成亲氧自燃的FeS的作用，奥尔频斯基（W.Olpinski）研究波兰煤后认为，只有黄铁矿含量超过1.5％的煤才容易自燃，而且只有碳化程度低的煤才是如此；相反地，弗雷（Frey）的研究发现，若煤中黄铁矿多，同时其灰分相当高、氧化铁量少，对煤的自燃则起阻化作用；贝沃（Bylo）和其他波兰学者观察到磺化煤和氧发生反应，特别是有黄铁矿存在时更为显著，他们分析认为，煤在低温条件下的自身氧化是在有机催化剂参与下进行的，这样的催化剂是多酚还原链，其过程是在水参与下黄铁矿氧化时形成的硫酸使煤质中的有机物质形成磺基化合物，磺基化合物进而转换成酚链化合物，它们在煤低温氧化反应是一种催化作用的化合物，而酚链化合物极易氧化而导致煤炭自燃。

按照穆克（Muck）的研究意见，煤自燃过程中黄铁矿的主要作用是它的变种白铁矿（FeS2）的作用。

同时，黄铁矿类氧化放出的热量，一般为煤氧化放出的热量的两倍，以及它们氧化时体积将增大的事实，也不容忽视，它们都有利于煤氧化的进程。

摩泽（Münzer）指出黄铁矿如以细微分散状态存在，当其含量超过5～10％使会对煤炭自热产生显著影响，如果含量低于5％，其影响可以忽略不计。

但是，黄铁矿导因说在煤炭自燃学说发展的过程中不断受到质疑，因为采煤的实践和科学研究都说明，发生自燃的煤炭并不都含有黄铁矿，不含黄铁矿的煤照样自燃。

然而许多研究仍然说明，煤中含有黄铁矿，尤其是其量较大时，将有助于煤自燃过程的发展，它起着催化剂的作用。

二、细菌作用假说
该假说是由英国人帕特尔（Potter,M.C.）于1927年提出的，他认为在细菌的作用下，煤体发酵，放出一定热量，这些热量对煤的自燃起了决定性的作用。

1951年波兰学者杜博依斯（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，通常发生伴有放热的生化反应，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℃是由于放线菌作用的结果）；60~65℃时，亲氧真菌死亡，嗜热细菌开始发展；72~75℃时，所有的生化过程均遭到破坏。

为考察细菌作用学说的可靠性，英国学者温米尔（Winmill·T·F）与格瑞哈姆（Graham,J.J）曾将具有强自燃性的煤置于100℃
真空器里长达20h ，在此条件下，所有细菌都已死亡，然而煤的自燃性并未减弱。

因此，细菌作用假说未能得到广泛承认。

三、酚基作用假说
1940年，前苏联学者特龙诺夫（Б．B ．Tpo иo в）提出：煤的自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物吸附空气中的氧，同时放出一定的热量所致。

此假说的实质实际上是煤与氧的作用问题，因此，可认为是煤氧复合作用学说的补充。

该学说的依据是：煤体中的酚基类最容易被氧化，不仅在纯氧中可被氧化，而且亦可与其他氧化剂发生作用。

该假说认为，煤分子中的芳香结构首先被氧化生成酚基：
（
），再经过醌基（）后，发生芳香环破裂，生成羧基（）。

但理论上芳香结构氧化成酚基需要较为激烈的反应条件，如程序升温、化学氧化剂等，这就使得反应的中间产物和最终产物在成分上和数量上都可能与实际有较大的偏移，因此，酚基作用假说也未能得到广泛认可。

四、自由基作用假说
煤是一种有机大分子物质，在外力（如地应力、采煤机的切割等）作用下煤体破碎，产生大量裂隙，必然导致煤分子的断裂。

分子链断裂的本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基。

自由基可存在于煤颗粒表面，也可存在于煤内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造了条件，引发煤的自燃[15]。

该假说认为煤自由基氧化反应经历了如下过程：
煤体遭破坏后产生大量自由基，当有氧气存在时，则会发生氧化反应。

反应历程如下：
2R R O R O O R R R '-−−−−→++→外力作用，
－－。

煤中自由基与O 2反应，生成过氧化物自由基。

此反应为放热反应，产生的热量导致煤温缓慢上升，并使过氧化物自由基进一步反应：
''R O O R H R O O H R →－－＋－－－＋。

过氧化物（R O O H －－－）根据其结构不同，进一步分解：
同时，还存在下列反应：
通过以上反应，生成了CO、CO2、甲醇、甲醛等气体，同时生成了新的自由基。

新的自由基再与氧气反应，产生更多的热量，使温度进一步升高。

如此反复，在适合的蓄热条件下，使煤温大幅度升高，直至燃烧。

同时，当温度升高到一定程度，煤发生裂解反应，生成烷烃和烯烃气体。

一般认为煤的低温氧化至少部分是通过自由基反应机理。

Unal用ESR(电子自旋共振)技术测量了煤氧化过程中自由基浓度变化后指出干燥的煤产生较高的自由基浓度，比未处理的煤具有更高的氧反应性。

维谢洛夫斯基（Висоловский.·В·С）等研究和总结前人的工作后提出，煤自燃是其氧化自动加速的过程。

这种氧化具有分子连锁反应的特点，每一个分子或者分子中的原子团参与反应时，形成一个或者几个新的活跃分子，而后使邻近的分子反应并活化。

这一过程在低温时开始，并持续一段时间，即煤自燃的准备期，在该准备期中，煤的低温氧化具有表面氧化的性质，不促使其化学成分的变化，但使其着火温度下降，使煤易于氧化和活化。

Martin用SIMS(次级离子质谱)和XPS（X光电子能谱）研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持了自由基链反应机理。

该假说认为，煤中最初自由基的产生即链式反应的引发是由于机械力作用，然而实践证明在未受外力作用下，煤照样自燃。

煤的自燃过程也表明，煤的自燃有较长的准备期，而自由基通常在快速的化学链锁反应中产生或需要新的能量的激发，自由基存活的时间也非常短，因此自由基还不能说明煤在低温氧化阶段的反应特性，其对煤自燃过程的影响还在进一步的研究中。

五、煤氧复合作用假说
煤氧复合作用假说认为煤自燃的主要原因是煤与氧气之间的物理、化学复合作用的结果，其复合作用是指包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应产生的热量导致煤的自燃。

该假说已在实验室的实验及现场的实践中得到不同程度的证实，因此得到了国内外的广泛认可。

早在1848至1870年间，人们便开始研究煤对氧的吸附作用，并认为煤对氧的吸附作用是煤自燃的一个重要因素[3]。

1870年瑞克特（Rachtan·H）研究得出，煤在一昼夜吸氧随煤种不同可达0.1～0.5ml／g；1945年琼斯（Jones E·R）提出，正常温度下烟煤的吸氧能力可达0.4ml／g。

在十九世纪末，霍尔丹（Haldanehe）和米切曼（Meachem）对煤矿井下实际发生的200多次自燃火灾进行了统计分析，并在实验中第一次观测到了煤自燃过程中出现的一氧化碳及其它氧化产物，佐证了煤氧作用的假说。

经过长期的研究，人们认识到煤氧复合过程是一个极其复杂的物理、化学过程。

当煤表面暴露于空气中时，首先是煤粒表面对空气中氧的物理吸附，产生物理吸附热，同时煤中原生赋存的瓦斯气体组分释放，水分蒸发，产生瓦斯解析热和水分蒸发潜热。

随着煤体温度的逐渐升高，物理吸附过渡到化学吸附，产生化学吸附热，化学吸附会自动加速成化学反应，并产生CO、CO2、H2O等产物，放出氧化反应热，并促使反应的进一步加速直至发生自燃。

煤自燃实质是煤体氧化放热和向环境散热这对矛盾运动的结果。

当煤氧化放热量大于向环境的散热量时，煤体热量得以积聚，温度升高，最终导致自燃。

随着科学研究手段越来越
先进和对煤炭微观结构的不断深入了解，已认识到煤氧复合反应并非单纯的一种结构和一步反应，而是多种结构多步反应混杂进行。

低温下煤氧复合的过程和产物非常复杂，所以很难用单纯的化学反应推算出煤氧化过程及其伴随的热效应。

到目前尚没有根据低温下煤氧复合过程测算氧化产物及放热量的系统方法，还不能回答煤炭自燃过程中产生的CO 、CO 2、烷烃、烯烃、低级醇、醛等气体成分是如何生成的等一系列问题，因此煤氧复合作用还只是解释煤自燃的一种假说。

尽管如此，该假说还是揭示了煤炭氧化生热的本质，成为指导人们防治煤炭自燃工作的重要依据。

第三节 煤的自燃过程及影响因素
一、煤自燃过程
煤炭自燃一般是指：煤在常温环境下会与空气中的氧气通过物理吸附、化学吸附和氧化反应而产生微小热量，且在一定条件下氧化产热速率大于向环境的散热速率，产生热量积聚使得煤体温度缓慢而持续地上升，当达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率加快，最后达到煤的着火点温度而燃烧起来，这样的现象和过程就是煤的自燃（或称之为煤的自然发火、煤矿的内因火灾）。

根据现有的研究成果，认为煤炭的氧化和自燃是基链反应，一般将煤炭自燃过程大体分为3个阶段[3,5]：①准备期；②自热期；③燃烧期，如图2-3-1所示。

煤炭在其形成过程中，形成许多含氧游离基，如羟基（-OH ）、羧基（-COOH ）和碳基（>C=O ）等等。

当破碎的煤与空气接触时，煤从空气中吸附的O 2，只能与这些游离基反应，并且生成更多的、稳定性不同的游离基。

此阶段煤体温度的变化不明显，煤的氧化进程十分平稳缓慢，然而煤确实在发生变化，不仅煤的重量略有增加，着火点温度降低，而且氧化性被活化。

由于煤的自燃需要热量的聚集，在该阶段因环境起始温度低，煤的氧化速度慢，产生的热量较小，因此需要一个较长的蓄热过程，故这个阶段通常也称为煤的自燃准备期，它的长短取决于煤的自燃倾向性的强弱和外部条件。

温度
图2-3-1 煤炭自燃过程
经过这个准备期之后，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成水（H 2O ）、二氧化碳（CO 2）、一氧化碳（CO ）。

氧化产生的热量使煤温继续升高，超过煤自热的临界温度（一
般为60～80℃），煤温急剧加速上升，氧化进程加快，开始出现煤的干馏，产生芳香族的碳氢化合物（C x H y）、氢（H2）、更多的一氧化碳（CO）等可燃气体，这个阶段为自热期。

临界温度也称自热温度（Self-heating temperature，SHT），是能使煤自发燃烧的最低温度。

一旦达到了该温度点，煤氧化的产热与煤所在环境的散热就失去了平衡，即产热量将高于散热量，就会导致煤与环境温度的上升，从而加速了煤的氧化速度并又产生更多的热量，直至煤自燃起来。

煤的自热温度与煤的产热能力和蓄热环境有关，对于具有相同产热能力的煤，煤的自热温度也是不同的，主要取决于煤所在的散热环境。

如浮煤堆积量越大，散热环境越差，煤的最低自热温度就越低。

因此应注意即使是同一种煤，其自热温度不是一个常量，受散热（蓄热）环境影响很大。

自热期的发展有可能使煤温上升到着火温度（T s）而导致自燃。

煤的着火点温度由于煤种不同而变化，无烟煤一般为400℃，烟煤为320～380℃，褐煤为270～350℃。

如果煤温根本不能上升到临界温度，或能上升到这一温度但由于外界条件的变化更适于热量散发而不是聚集，煤炭自燃过程自行放慢而进入冷却阶段，继续发展，便进入风化状态，使煤自燃倾向性能力降低而不易再次发生自热，如图2-3-1中虚线所示。

从煤的自燃过程可见，煤的自燃过程就是煤氧化产生的热量大于向环境散失的热量而导致煤体热量聚集，使煤的温度上升而达到着火点的过程。

印度学者纳吉（Banerjee）认为煤的氧化过程可以分为以下四个阶段[7]：
（1）物理吸附阶段。

煤对氧气的物理吸附在－80℃就可以发生，并且物理吸附是可逆的，当温度达到30~50℃时，吸附的氧会很快脱附出来。

物理吸附过程会因为对煤炭表面能量的改变而发出热量。

放出的热量使煤温度开始上升。

（2）化学吸附阶段。

在50℃时，化学吸附作用就比较明显了。

这个过程将产生不稳定的氢氧化合物，就是所谓的过氧化合物。

（3）自热阶段。

当温度接近或者达到自热温度点（SHT）时，过氧化物就会加速分解，从而也需要更多的氧气为下步氧化做准备。

这阶段温度大约是50~120℃左右，其典型值为70℃。

温度更高时，过氧化物的分解速度将比其生成速度更快（Chakravorty，1960）并且化学反应将会产生气体放出，其中最为重要的有CO、CO2、水蒸气、乙二酸、芳香酸和不饱和烃等标志性气体。

（4）温度高于150℃的加速燃烧阶段。

煤进入高温燃烧阶段，并释放出大量的燃烧气体。

国内外开展的煤自燃试验的结果表明，上述的煤氧化的四个阶段是与实际相符的。

在煤的氧化过程中，煤的温升和耗氧量随时间的变化而变化[6]。

如图2-3-2所示，随着时间推移和处于不同的氧化阶段，氧气的消耗速率也是不相同的。

在起初的化学吸附阶段，由于要形成大量的过氧化物，氧气的消耗是很快速的。

随着时间的推移，煤体表面被氧化物覆盖后，氧气的消耗速率就逐渐慢了下来，同时温度曲线也变得较为平坦，甚至温度达到平衡状态。

但是如果一到达SHT值，氧气的消耗速率和温度都将快速的上升。

图2-3-2 煤的耗氧速率和温度随时间的变化图
二、煤自燃影响因素
煤自燃是煤的氧化产热与向环境散热的矛盾发展的结果。

因此，只要与煤自燃过程产热和热量向环境散失相关的因素都能影响煤的自然发火过程。

可以将影响煤自燃的因素分为内在因素和外在因素。

1、内在因素
自燃是煤的－种自然属性，但发生自燃的能力（煤的自燃倾向性）却不相同。

这是因为不同的煤其氧化能力不一样，而影响其自身氧化能力的，即内在影响因素，主要有煤化程度、煤中的水分、煤岩成分、煤中的硫以及煤中瓦斯等等。

实际上，这些影响因素也就是煤的自燃倾向性的影响因素。

1）煤化程度
煤化程度即煤的变质程度。

我们知道，古代高等植物先经生物化学作用变成了泥炭[1]。

泥炭在位于其上的覆沉积物的压力作用下，发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用，这样，泥炭逐渐变成了密度较大、较为致密的岩石状的褐煤，泥炭在这个过程中受到的作用叫成岩作用。

其后，当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化，碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。

随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也不断的发生变化，最终变成无烟煤。

褐煤向烟煤和无烟煤的转化称为变质作用。

煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。

其中，促成煤变质作用的主要因素是温度和时间。

温度越高，变质作用的速度越快，因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。

因此，在较低温度下长时间受热和较高温度下短时间受热，就可能得到同样煤化程度的煤。

这就是为什么有些成煤年代较早，而其煤化程度却不如成煤年代较晚的煤高。

不同煤化程度煤的自燃倾向性发生规律性变化正是由于随着煤化程度的变化煤的分子结构发生规律性变化所致[8]。

随着煤化程度的增加，结构单元中芳香环数增加，对气态氧较活泼的侧链和含氧官能团减少甚至消失，煤的抗氧化作用的能力增加。

低煤化程度的褐煤及烟煤，其分子结构中性质活泼的侧链及含氧官能团较高，芳香环数少，芳香化程度低，因而。