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1、矿井火灾防治技术 辽 北 技 师 学 院 徐景贤 第二章 煤炭自燃 v第一节 煤炭自燃理论基础 v第二节 煤炭自燃的识别与预报 第一节 煤炭自燃理论基础 v一、煤炭自燃的原因 关于煤炭自燃的原因，有多种学说解释。其中主要的 有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以 及煤氧复合作用学说等。煤氧复合作用学说已经得到 了科学的证实，受到人们普遍认可。该学说的主要观 点是：煤在常温下吸收了空气中的氧气，产生低温氧 化，释放微量的热量和初级氧化产物；由于散热不良 ，热量聚积温度上升，更加促进了低温氧化作用的进 程，最终导致自然发火。 v二、自然发火的定义与自然发火期 （一）自然发火的定义 在理论上
2、，自然发火是指有自燃倾向性的煤层被开采破碎后 在常温下与空气接触，发生氧化，产生热量使其温度升高， 出现发火和冒烟的现象叫自然发火。凡井下出现下列现象之 一者，即定为煤炭自然发火： （1）由于煤炭氧化自燃而出现明火、烟雾、煤油味等现象； （2）由于煤炭氧化自燃而导致环境空气、煤炭、围岩及其他 介质的温度升高，并超过70； （3）由于煤炭氧化自燃而在采空区或风流中出现CO，其浓 度已超过自然发火临界指标，并呈上升趋势。 （4）采空区、高冒顶或巷道风流中出现乙烯（C2H4）、乙炔 （C2H2） （二）煤层自然发火期 从（火源处的）煤层被开采破碎、接触空气之日起，至出现自然 发火现象或温度上升到自燃
3、点为止，所经历的时间叫煤层的自然 发火期，以月或天为单位。 目前我国规定采用统计比较和类比的方法确定煤层的自然发火期 。 v三、煤炭自燃倾向性鉴定 煤炭自燃倾向性的鉴定方法很多，我国目前采用“双气 路气相色谱吸氧法”。它是用ZRJ1型煤自燃性检测 仪来测定常压下每克干煤在30时的吸氧量。根据此 吸氧量来划分煤的自燃倾向性等级。 1鉴定的目的 鉴定煤自燃倾向性的目的是：划分煤层自然发火等级 ，区分煤的自燃危险程度，从而采取相应的防火措施 2自燃倾向性的划分 我国对煤的自燃倾向性的划分按表21分类。 v四、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
4、度一般要大于0.4m。 （2）有较好的蓄热条件。 （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。 v五、影响煤炭自然发火的因素 （一）影响煤自燃倾向性的因素 1煤的分子结构 2煤化程度 3煤岩成分 4煤中的瓦斯含量 5水分 6煤中硫和其它矿物质 （二） 影响煤炭自燃的地质、开采因素 1煤层厚度 2煤层倾角 3顶板岩石性质 4地质构造 5开采技术因素 6漏风强度 v六、矿井自然
5、发火危险程度的划分 矿井自然发火危险程度划分为以下4个级别。 （一）级自然发火危险程度矿井 （二）级自然发火危险程度矿井 （三）级自然发火危险程度矿井 （四）级自然发火危险程度矿井 v七、煤炭自燃的发展过程 煤炭的自燃过程按其温度和物理化学变化特征，分为 潜伏期、自热期和自燃期三个阶段，如图21所示。 图中虚线为风化进程线。潜伏期与自热期之和为煤的 自然发火期。 图21煤自燃发展过程示意图 v T1临界温度；T2着火温度 1潜伏期 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
6、色变暗。 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。 3燃烧阶段 煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧（风），则发生燃 烧，出现明火。 第二节 煤炭自燃的识别与预报 煤炭自然发火的早期识别与预报方法主要有 人体感觉识别法、气体分析法、测温法、光电法 、电离法、烟雾法、磁力预测法等。近年来，随 着气味传感器的问世，又逐步形成了气味检测法 。我国煤矿矿井预测预报主要采用气体分析法和 测温法，并以气体分析法为主。 v一、人体感觉识别法 1视力感觉 2气味感觉 3温度感觉 4身体不适的感觉 v二、气体分析法
7、 气体分析法是以煤自然发火过程中的气体产物规律来 预测预报煤自然发火的过程。 1煤炭自然发火过程中的气体生成规律 （1）CO是煤氧化过程中出现的氧化气体产物，并且 贯穿于整个氧化过程中。CO气体发生浓度与煤温之间 表现为单一递增的变化关系，并基本符合指数关系， 但当煤温度超过180以后，这种指数关系就不复存在 ，而呈现出一种更快速的增长速率。 （2）自燃氧化气体中烯烃组分有C2H4和C3H6，其总的 变化趋势是随煤温的升高而逐渐增大。 （3）烷烃气体（C2H6，C3H8，C4H10）亦是随煤温的升 高而逐渐增大，其出现的临界温度稍高于CO。 （4）炔烃气体（仅为C2H2）出现的时间最晚，出现的
8、 临界温度值较高，与CO和烯烃气体相比，其间有一个 明显的时间差和温度差，炔烃气体是煤自燃进入燃烧 阶段的产物。 气体分析法在过去相当长的时间内采用的是单一CO 指标，但研究表明，CO指标与煤自然发火过程的分段 性对应关系差，受现场影响因素干扰较大，因此，现 阶段逐步发展为以CO、C2H4、C2H2、链烷比、烯烷比等 为主要指标的综合预测预报指标体系。 2标志气体和标志气体指标 标志气体主要包括：CO、烷烃气体、烯烃气体和炔烃 气体等。 标志气体指标包括：单一标志气体组分浓度、产生速 率和临界温度，CO指数ICO，链烷比、烯烷比及其峰 值温度、各氧化阶段的特征温度范围及标志气体等。 （1）单一
9、气体组分浓度及增率。单一组分的CO、烷烃、烯烃和 炔烃浓度，在一定程度上反映了自然发火的程度，可作为标志气 体指标。单一组分的标志气体浓度在单位时间内的增率，可作为 标志气体指标。 标志气体增率按下式计算： （21） 式中 Ir某种标志气体浓度增加速率，1/d或1/h； C1、C2 两次测定的某种标志气体浓度； t两次测定间隔时间，取 t =20min。 （2）CO指数ICO。用流经火源或自燃源风流中的CO浓度增加量与 氧浓度减少量之比可作为自然发火的早期预报指标。其计算式如 下： （22） 式中CCO、CO2、CN2 分别为回风侧采样点气样中的一氧化碳 、氧气和氮气的体积浓度，。如果进风侧气
10、样中氧氮之比不是 0.265，则应计算出进风侧氧氮浓度之比值代替0.265。 （3）链烷比。 （4）烯烷比。 （5）临界温度。 （6）峰值温度。 （7）各氧化阶段的特征温度范围及标志气体。 3标志气体优选原则： v三、测温法 测温法也是煤自然发火监测的常用方法之一。测温法 主要用于煤层巷道异常点温度的监测，常用的方法有 热电偶测温法、红外测温法、激光测温法等。 温度监测用的传感器主要有热电偶、测温电阻、半导 体测温元件、集成温度传感器、热敏元件、光纤、红 外线、激光及雷达波等。 v四、气味检测法 v五、磁力预测法 磁力预测法原理：铁磁性物质存在的区域温度发生变 化时，其磁化率、磁场强度也随之发
11、生相应变化，通 过仪器测定磁场变化规律就可对自然发火进行预测预 报。此方法只适用于煤层顶底板有铁磁性物质或能散 布铁磁性物质的地方，其应用受到工艺和仪器灵敏度 的限制。 v六、煤炭自燃标志气体的检测 气体分析预测煤炭自燃主要靠检定管、便携式仪表、 色谱分析仪、气体传感器。下面仅以一氧化碳为标志 气体，简要说明检测方法。 1一氧化碳检定管 井下有害气体多采用抽气唧筒采取气样，用色谱仪分 析或用不同的检定管来测定不同气体的浓度。一氧化 碳检定管主要有比色式和比长式两种。 1）抽气唧筒 图22 抽气唧筒 1气体入口；2检定管插孔；3三通阀阀把；4活塞杆；5 比色板；6温度计 2)一氧化碳检定管 一氧
12、化碳检定管由外壳、堵塞物、保护胶、隔离层及 指示剂等构成，如图23所示。 图23 一氧化碳检定管 1外壳；2堵塞物；3保护胶；4隔离层； 5指示剂；6刻度标尺 检定管上除印有刻度外，在上端标有测量上限，如 图23中0.05，即测量上限为0.05CO。 测定方法： （1）在测定地点将活塞往复抽送气23次，使检定管 内充满待测气体，将阀扭至45位置。 （2）打开一氧化碳检定管的两端封口，把标有“0”刻 度线的一端插入插孔中，将阀扭至垂直位置。 （3）按检定管规定的送气时间将气样以均匀的速度送 人检定管（一般为l00s送入50ml，有规定者例外）。 （4）送气后由检定管内棕色环上端所指示的数字，直
13、接读出被测气体中一氧化碳的浓度。 2一氧化碳检测报警仪 检测矿井一氧化碳浓度的仪器很多，按原理分为电 化学、红外线吸收、气敏半导体型等。按安装方式可 分为便携式和固定式，就我国目前使用情况来看，以 电化学便携式居多。 v七、以CO绝对生成量预测煤炭自燃实例 以CO绝对生成量预测煤炭自燃，是通过测定观测点 空气的CO浓度和观测点风流的风量计算发火系数(H) 来确定煤炭自燃及早期预报煤炭自燃。 H = CQ 式中 H发火系数，m3/min； C观测点气样中的CO浓度，； Q观测点处的风量，m3/ min。 复习思考题 v1如何确定煤层的自然发火期？ v2煤炭自燃的条件有哪些？ v3影响煤炭自燃的地质、开采因素有哪些？ v4试述煤炭自燃的发展过程？ v5试述如何用气体分析法预测预报煤炭自燃？ 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
