煤矿自然发火研究意义

学号：2013101203

HEBEI UNITED UNIVERSITY

姓名：李靖

专业：安全科学与工程

班级：13级研1班

任课教师：张嘉勇副教授

浅谈煤自燃倾向性国内外研究现状

李靖

摘要：我国对于煤自然发火机理的研究和鉴定工作，已分别用气态、液态和固态等不同氧化剂，研究了煤的氧化热和着火规律，先后建立了判别煤的自燃倾向性的着火点法和双气路流动色谱吸氧法。双气路流动色谱吸氧法是基于煤在低温常压下的吸附符合Langmuir方程的吸附规律，其吸附氧气的能力的差异与煤化参数之间存在着一定的对应关系，且亦受多种因素的影响与制约而建立的一种鉴定煤自燃性的一种科学、方便、快速的方法。

关键字：自然发火、Langmuir方程

0 引言

我国煤炭资源分布广泛，储量丰富，是推动国民经济发展的重要能源支柱，国家的可持续发展与煤炭工业有着直接关系。研究煤矿火灾的防治与控制技术以及其继发灾害的防治与控制技术，对煤矿安全未来发展意思是十分重要的。煤自燃是煤氧化产热和向环境散热的发展的结果，只要是与煤自燃过程产热和热量向环境散热相关的因素都可以影响到煤的自然发火过程。在不同地区的矿井和煤层中煤的自燃倾向性相差很大。煤矿防灭火等级的划分的依据之一就是煤的自燃倾向性，而制定与研究煤矿防灭火技术与措施都是在煤的自燃倾向性鉴定的基础上进行的。煤的自燃倾向性的研究，提供了早期自然发火数据，可以提前做好防止火灾工作，有效预防火灾发生发展。

1 煤炭自燃学说

自从1686年，英国人普洛特发表了一篇煤炭自燃的论文。人们经过不懈的努力和探索提出了若干学说来解释煤炭自燃，主要有黄铁矿作用、细菌作用、地壳运动作用、煤吸收水分作用、酚基作用以及煤氧复合作用等[1]。其中煤氧复合作用学说揭示了煤炭氧化生热的本质，并得到了验证，因而被人们广泛认同。煤氧复合作用学说认为煤自燃根本原因在于煤暴露于空气中吸附氧气发生氧化放热作用。煤能够从空气中吸收氧气并使它依附在煤体上，这种依附包括煤体表面吸附

以及煤与其氧化反应而发生的化学吸附，从而有热量产生，当有适当的储热条件就开始升温进而导致煤的自燃。

2 煤炭自燃的预测技术

煤炭自燃预测技术是指在煤层处于低温氧化阶段（即潜伏期），在没有出现自然发火征兆之前，仅仅根据煤的氧化放热特性和实际开采条件，超前判断松散煤体自燃的危险程度、自然发火期及最易自燃区域的一种技术。目前，预测技术主要有自燃倾向性预测法、综合评判预测法、统计经验法和数学模型预测法4种[2]。

2.1 自燃倾向性预测法

自燃倾向性是指煤层开拓前，它的自然发火的可能程度。自燃倾向性预测法主要是根据自燃倾向性不同，划分煤层自然发火等级，以此区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。煤种呈现不同的自燃倾向性，在不同环境、不同条件下它的自燃倾向性不同。该方法主要是通过在实验室测试煤的氧化性，来评估煤的自然发火期。通常采用化学试剂法和吸氧法测算。化学试剂法用人为因素加速煤的氧化速度，以煤的着火点温度为基础数据推算煤的自然发火期。主要采用的化学试剂有：双氧水，亚硝酸钠，联苯胺等。吸氧法是以某一温度（如25℃）下每1g干煤的吸氧量来划分煤的自然发火期，主要分静态和动态两种[3]。其它测试方法有交叉点温度法、绝热量热法、DTA-DSC技术、篮热法、陈氏与琼斯法、等量流动反应器法和固相组分分析法。但是由于煤自燃机理、物理吸附氧的本质以及煤表面的不均一性等，使得煤的自燃倾向性测试方法各有弊端。

2.2 数学模型模拟预测法

近年来世界各国针对采空区或地面煤堆的自燃条件，分析煤体温度和各种影响因素之间的关系，建立了多种自然发火动态数学模型，模拟煤的自燃过程，预测采空区或煤堆的自然发火危险性[5]。余明高根据煤与氧反应的热平衡方程推导出了煤最短自然发火期预测摸型。文虎等根据多孔介质渗透力学、传质学、热力学及传热学理论，建立松散煤体自燃过程的三维动态数学模型，如下式。

()()?????????????=??? ??????+??? ??????+??? ?

????????? ????+??+??-???? ????+??+??+=??-???? ????+??+??=??+??+??+??=?+?+??---------

0b c 0a 222222222222j b a c L Kc c L Kb b a L Ka a T Q T Q T Q H T b T a T T q H H T V c H b H a H D H Q H Q H Q H c Q b Q Q c c b b a a g g g g g c c b b a a b ρλρττ 张海东等用有限元法解算出高冒区松散煤体自然发火的三维数字模型，可以

得到高冒区的渗流速度场、温度场和氧浓度场的分布，由此可以划出最易自然发

火的范围。

3 煤自燃倾向性研究

煤由常温发展到自燃是有它的内因和外因的。首先，煤具有自燃的倾向性。

据研究，煤的自燃倾向性主要取决于煤在常温下的氧化能力和物理特性。所以在

外部条件相同时，有的煤能自燃，有的则不能。

但是有同样自燃倾向性的煤层，在不同的生产技术条件下，有的发生自燃，

有的则没有发生，这是由于外部条件所致。影响煤自燃倾向性的因素包括煤的炭

化程度、煤的水分、煤岩成分、煤的含硫量等。基于以上各种因素，各国学者进

行了各种试验研究，创建了不同的判断煤自燃倾向性的方法。但是多数还是以煤

的氧化性为基础的方法，原则上可以分为两类：一是以确定煤炭低温时的氧化性

为基础的方法，二是以确定煤炭高温时的氧化性为基础的方法。南非的基姆将现

代的鉴定方法分为四种：着火温度法、绝热测热法、恒温测热法和吸氧量法。

着火温度法的实质是利用煤炭经过氧化后（空气或其它氧化剂），其着火温

度（着火点）相对降低的原理进行分类的[6]。绝热测热法利用在量热器中，煤和

氧气接触，量热器的温度会随煤的氧化和温度升高而增加的原理制成的[7]。

恒温测热法因为没有考虑温度增加引起的自身放大效应，存在难以维持真正

恒温条件的突出缺点，而没有被广泛应用于实验研究。吸氧量法是基于自燃是一

个放热过程，氧化量热量保持不变，因此对吸氧气的测定可以作为煤炭反应性和

自燃倾向性指标的原理进行划分的。

然而不管何种方法，都有其各自的优势与劣势。为了更好的预测煤的自燃倾

向性，寻找自然发火规律，各国专家和学者利用上述方法进行了多种科学试验研究，提出了一系列预测自燃倾向性的指标，并进行了一些规律性的研究。

吴俊认为煤岩分析对研究煤的自燃倾向性至关重要[8]。他通过对煤岩的显微组分及煤自燃始温与煤阶和煤岩粒度的关系进行分析得出：煤的微裂隙、微断裂是煤加速氧化自燃时氧的重要通道，而煤岩成分、煤岩类型及它们的微观特征对煤的自燃起着决定性的作用；煤中黄铁矿的含量和赋存状态对煤的自燃起到加速氧化的作用，而另一些矿物则对煤自燃起到惰化作用；镜质体上的氧化环可以作为预测煤自燃倾向性的煤岩指标之一。

VEDAT DIARI认为煤的自燃倾向性指标除应考虑固有因素外，还应考虑外在因素[39]。他把土耳其Zonguldak煤田的五个区22个煤样进行相似分析，通过着火温度法与绝热测热法相结合的试验，利用Fengetal.研究的危险性指标对Zonguldak煤田进行鉴定，发现该处煤的自燃倾向性与外来因素（地质因素、采矿因素）及含水量关系相当大[9]。

匹兹堡研究中心对14个煤层的19个烟煤样进行了试验，利用绝热测热法在绝热炉内进行了试验，评估了煤炭的自燃倾向性，得出着火点温度（SHT）越低，煤炭自燃倾向性越高的结论[10]。

Charles zzara等人进行了一项关于烟煤自燃倾向性的实验研究[11]。试验用的6个500cm3烧瓶被改装成能容纳一个微型压力传感器（0～15Psia）和一个气体取样口的容器。与烧瓶压力相关的每一个传感器的毫伏输出由一个换向开关和数字仪表来测量。6种来自不同煤田的烟煤在干湿两种情况下进行测试，并于7天后对气样进行色谱分析，发现最小着火点与7天后压力之间存在一种良好的关系。

D.chandra和Y.V.S Prasad认为煤化作用对煤的自燃倾向性影响很大[12]。他们根据煤层镜质体反射率、显微组分组成、挥发份产率及自燃始温的测试结果，将印度Raniganj煤田二叠纪煤层的自燃倾向性划分为低、中、高三种类型。他们的研究表明，煤级越低，镜质组+壳质组的含量越高，煤层的自燃倾向性越大。他们的这一结论与该煤田1973～1988年八年间煤层自然发火的频率极为一致。

Witwartersrand大学的Michael J Gouws运用计算机处理技术，把油温的变化信息转化成数字信号，由计算机进行数据处理得到DTA（Differential Thermal

Analysis 微分热分析）曲线[13]。Gouws 认为DTA 曲线与煤的自燃倾向性有一些

联系。他选定低着火点温度、曲线第Ⅱ阶段斜率及第Ⅱ阶段与第Ⅲ阶段的温度变

化率为参数，得出著名的WITS —EHAC 指标[14]，即

500???

? ??=-着火点温度第Ⅱ阶段的斜率EHAC WTTS （1） WITS —EHAC 指标越高，煤的自燃倾向性越大。同年，Gouws 又将热孵法

的变体引入绝热测热法的研究程序中[15-16]。他利用自藕变压器控制的加热带加热

一种惰性材料样品（自藕变压器的作用是保证油被加热时容器中的惰性材料以与

油相同的升温速率进行加热）。GOUWS 较早地应用了微分分析法得出另一个

WITS —EHAC 指标[17]：

常数?=-T E EHAC WTTS / （2）

或 ()常数?=-A EHAC W TTS log （3）

式中：

A —速率系数，

T —着火点温度，

E —煤的活化能。

并与先前进行的试验进行比较，利用线性回归方法发现两种结果趋向于同一

相关系数0.92。

SAIM SARAC 认为进行煤的自燃倾向性鉴定，除要进行传统的着火点温度

测试外，还应考虑其它因素[18]。为此，他根据取自土耳其有自然发火的不同煤

田的15种煤样进行着火温度法测试，得出着火温度和升热速率值，利用多元回

归分析解算出自燃倾向性指标：

A T F V M L 1204.041299.31519.01888.02899.1+-+-= （4）

式中：

M —水分，

V —挥发份，

F —固有碳含量，

T —全硫，

A —灰份。

李家铸提出测定煤对氧的反应性试验装置，并用该装置测定煤样温度到80℃或试验6h达到的温度和开始测定前的煤样温度求煤对氧的反应性A，

()t

e-

A/

=（5）

T

Tb

式中：

A—煤对氧的反应性℃/h，

Te—试验结束时的温度80℃或6h达到的温度℃，

Tb—试验开始时温度℃，t—试验开始到结束时间h）。

根据A的值判定煤的自燃倾向性等级。

徐精彩等人以3种不同变质程度的煤样的自然发火实验为基础，通过对表征煤自燃特征参数的测算，分析它们与煤自燃倾向性的关系，得出了用临界温度、耗氧速度、CO产生率和氧转化为CO的百分率作为鉴定煤自燃倾向性的指标。

4 总结

综上所述，国内外各专家和学者对煤炭自燃倾向性采取了不同的实验方法进行了研究，并且考虑了某些特定的因素，取得了一定的成果。但是及时准确地掌握煤炭自燃的发展变化，对防止火灾的发生和发展十分重要。这就要求所采用的鉴定方法要迅速适当。然而，上述各国专家学者的试验研究也存在着一些问题，即采用的方法过于复杂，不适宜快速准确的预测预报煤炭自燃的发展变化情况。我国对于煤自然发火机理的研究和鉴定工作，已分别用气态、液态和固态等不同氧化剂，研究了煤的氧化热和着火规律，先后建立了判别煤的自燃倾向性的着火点法和双气路流动色谱吸氧法。双气路流动色谱吸氧法是基于煤在低温常压下的吸附符合Langmuir方程的吸附规律，其吸附氧气的能力的差异与煤化参数之间存在着一定的对应关系，且亦受多种因素的影响与制约而建立的一种鉴定煤自燃性的一种科学、方便、快速的方法。该方法是1996年由煤炭科学总院抚顺分院的研究人员经多年的实验研究，以大量的试验数据为基础提出的测定煤吸氧量的测试方法和条件，并制定出煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和分类方案。

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