鉴定材料之二
易自燃煤层火灾隐患识别及
惰气控制技术研究
研 究 报 告
山东省朝阳矿业有限公司 山东联创煤炭技术研究中心
二 ○ ○ 六 年 四 月
1 前言
1 前 言
我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产和消费总量的85%以上，但我国煤炭自燃火灾十分严重。据统计，我国煤矿自燃火灾约占矿井火灾的70%，一些自然发火严重的矿区，如兖州、抚顺、鹤岗、窑街、义马、淮南、六枝等煤矿，其自然发火占矿井火灾次数的90%以上。
矿井自燃火灾经常引发瓦斯爆炸，灭火时常伴随水煤汽爆炸，火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间流动，给矿工生命安全造成极大威胁，煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元。尤其是近年来，随着高产高效新技术的不断发展，矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，通风系统相对复杂化，使得煤层自燃火灾更是成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一。类似于阳泉、太西等开采高变质程度无烟煤（以往认为不自燃）的高瓦斯矿井，也频繁出现煤层自燃火灾，并多次引起瓦斯爆燃和爆炸，严重威胁着矿井的安全生产。
朝阳煤矿3101工作面为朝阳煤矿的首采工作面，2005年初已结束封闭。该工作面设计采用轻型支架放顶煤开采工艺，一次采全高。该面自推采以来，工作面进风隅角后部采空区内始终伴随着低浓度的CO气体，后期由于推采速度放慢，突然出现CO气体急剧升高现象，给后期回采和安全回采撤造成了困难。矿井3103工作面煤层厚度为6.5~8.5米，面长70米，走向长为572米，由于地面村庄影响被迫采用条带开采。初采时推进速度慢，采至100米时，回风隅角出现CO，深部最高可达4000ppm，通过采取封堵和加快推进速度等综合措施，采空区遗煤自燃蓄热速度才得以控制，未能影响工作面的正常生产。
这些煤层自燃隐患将可能威胁着矿井的安全生产，并造成巨大的经济损失和不良的社会影响，在综采放顶煤技术逐渐普及、高产高效集约化生产逐步推广、科学技术日新月异的今天，矿井自燃火灾事故应该得以控制。
1.1问题的提出
煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的、动态变化的、自动加速的物理化学过程，其实质是一个缓慢地自动氧化、放热、升温最后引起燃烧的自发过程。研究煤自燃机理及过程是认识自燃规律、建立预测预报理论、开发防治技术的基础。研究煤自燃的过程，需解决两个方面的问题：一是如何通过实验真实地再现煤自然发火的全过程，以此研究和分析煤自燃特性及其动态发生、发展和变化的过程；二是在各种不同的实际条件下，煤自然发火过程如何，煤氧化自燃在孕育过程中需具备怎
1 前言
样的外部环境。
煤层自然发火预测预报是矿井火灾预防与处理的基础，只要能够准确、适时地进行煤层火灾的预报，就能做到有的放矢地采取预防煤层火灾的措施，提高煤矿防火工程的经济效益。但在实际条件下，很难确定煤多少天会发生自燃，高温区的位置在哪里，火区发展到何种程度，范围有多大，煤温有多高，实施灭火工程后的效果如何，怎样考察，火区熄灭后为什么会复燃，火区在怎样的条件下会复燃等，这些问题为煤层自燃的治理工作带来了很多的困惑。
引起煤自燃的根本原因是煤与氧气作用产生热量，这个热量使煤体温度升高而促进氧化反应最终导致自燃。煤层火灾一旦发生，周围煤岩也已处于较高的温度，储存热量大、范围广，使得灭火周期长，不易扑灭，且灭后易复燃。因此，预防和控制矿井煤层火灾应该从惰化煤体、控制供氧条件、降低煤体温度三个方面着手，研究以高效降温、隔氧为主，可操作性强和速度快的煤层火灾成套控制新技术，是解决煤层火灾治理的关键。
煤自燃问题的研究主要集中在以下三个方面： 1）煤自然发火机理及过程。 2）煤自燃预测预报技术。 3）煤炭自燃火灾防治技术。
1.1.1煤自然发火过程
研究煤自燃机理及过程是认识自燃规律、建立预测理论、开发防治技术的基础。煤自燃的参与物主要是煤和氧，煤对氧的吸附和氧化反应经过实验考察已得到证实，煤氧复合是煤自燃最普遍的规律。
引起煤自燃的根本原因是煤与氧气作用产生热量，这个热量使煤体温度升高而促进氧化反应最终导致自燃。煤含有多种成份的有机和无机物质，其化学结构、物理性质、煤岩组份等在各产地都有很大差别，不同的煤其氧化性和放热性亦不同。
因此，煤自燃的过程非常复杂，并表现出有些条件下煤会自燃，另一些条件下煤不会自燃。
研究煤自燃的过程，需解决以下几个问题：
1）如何在实验室实现煤自然发火全过程的真实再现，以此研究和分析煤自燃的特性及其发生、发展和变化过程。
2）在各种不同的实际条件下，煤自然发火过程如何，煤氧化自燃在形成和延续过程中需具备怎样的外部环境。
1.1.2煤自燃的预测预报
1 前言
煤层自然发火预测预报是矿井火灾预防与处理的基础，是矿井煤层火灾防治的关键，占有极其重要的地位。井下煤层火灾预报的愈早、愈准确，则扑灭火灾所需的人力、物力愈少，且愈容易。只要能够准确、适时地进行煤层火灾的预报，就能做到有的放矢地采取预防煤层火灾的措施，提高措施的针对性和有效性，从而提高煤矿防火工程的经济效益。
但在实际条件下，由于煤自燃隐蔽性强，采样点受环境限制不能真实反映隐患点的实际情况（新鲜风流掺入），加之受分析装置精度的限制，很难确定煤多少天会发生自燃，自燃高温区发展到何种程度，火区范围有多大，煤层自燃的早期判别指标如何确定，这些问题为煤层自燃的预测预报工作带来了很多困难。
因此，煤层火灾预报需解决三个问题： 1）煤层火灾隐患点或火源点的温度。 2）煤层火灾隐患或火源点位置。 3）发展到着火所需要的时间。
1.1.3煤层自然发火的防治
煤层自燃必须同时具备四个条件：①煤有自燃倾向性并呈破碎堆积状态存在；②适量通风供氧；③良好的蓄热环境；④维持煤的氧化过程不断发展的时间。煤层自燃的防治就是要消除煤层自燃四个条件中的一个或多个条件。
在煤矿井下，破碎煤体的大量堆积是不可必免的，防治煤层火灾主要应该从以下几个方面着手：
1）惰化煤体；向煤体表面洒一些惰化煤表面反应活性基团的物质，降低煤的氧化自燃性。
2）破坏煤体的供氧条件；当氧气浓度降低到一定程度后，煤体不再氧化放热，自燃火灾被窒熄，高温煤体热量向周围温度较低的围岩发散，煤温逐渐下降。
3）降低煤温；延长煤体继续氧化自燃的时间，防止复燃；通常情况下，煤氧复合速度随煤温升高增加很快，随着煤温下降，煤氧化放热强度也不断降低。
煤层自燃火灾一般发生在距煤体暴露面一定距离的深部，一旦发现煤体暴露面处有自燃征兆，煤体已储存了大量的热能，火源点周围煤岩体的温度很高，要降低如此大范围高温煤岩体的温度是很困难的；同时高温煤体的氧化活性很高，隔氧窒熄而暂时扑灭的煤体火灾遇氧后能很快复燃。
简言之，煤体自燃具有火源隐蔽，不易发现；煤层自燃过程发展期较长，一旦发现明火，周围岩层已处于较高的温度，储存热量很大，高温范围较大；灭火周期长，不易扑灭，灭后易复燃等特点。
因此，研究以高效降温隔氧为主、可操作性强和快速的煤层自燃火灾成套控制
1 前言
新技术，是解决煤层自燃火灾治理的关键。
1.2国内外研究现状
对于煤自燃的起因及过程、煤自然发火的预测预报和防治，国内外学者进行了大量的研究和探索。
1.2.1煤自燃学说
自十七世纪开始研究探索煤自燃问题以来，提出了多种煤自燃学说，主要有黄铁矿导因说、细菌导因说、酚基导因说及煤氧复合学说等。煤氧复合作用理论得到大多数学者赞同，在此基础上，国内外学者又提出了一些更具体的学说。
李增华教授于1996年提出了自由基作用学说，认为煤体在外力作用下破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子的断裂，分子链断裂的本质是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基，自由基存在于煤粒和煤体内部新生裂纹表面，为煤氧化自燃创造了条件。Unal用ESR（顺磁共振）技术测量了煤氧化过程中自由基浓度变化后，指出煤低温氧化部分是通过自由基反应。Martin用SIMS（次级离子质谱）和XPS研究了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。
Lopez，D.于1998年提出氢原子作用学说，认为煤在低温氧化过程中，由于煤中氢原子在煤中各大分子基团间运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤自燃。Wang H.于1999提出了基团作用理论，该理论利用孔模型模拟了煤中孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基团能与氧气充分作用，从而导致煤的自燃。
1.2.2煤自燃机理
近十多年来，国内外学者从不同角度、采用不同方法对煤自燃机理进行了研究，取得了一些新进展。
1）利用热分析技术研究煤自燃机理
舒新前等用热重分析研究了神府烟煤和汝箕沟无烟煤氧化自燃的动力学过程，认为煤炭低温氧化遵从阿仑尼乌斯定律；路继根用等温DTA技术结合TGA研究了煤氧化机理，发现所有的煤从室温直至着火点附近所发生的对自热有贡献的化学反应都一样；彭本信对我国气煤、肥煤、焦煤及无烟煤等八个煤种70个煤样进行TGA、DTA、DSC及热分析红外光谱试验，查清了变质程度低的煤易自燃主要是由于在低温阶段其氧化放热量大于变质深的煤。另外，Garcia P.也利用热分析技术对煤的自燃进行了研究。