第二章 煤的自燃ppt

2023/2/5矿井火灾防治理论与技术矿井火灾防治理论与技术主讲教师：潘荣锟博士

河南理工大学Email:prk2008@126.com2023/2/5第二章煤的自燃机理2023/2/5

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？2023/2/5

第二章煤的自燃1煤的自燃学说

煤自燃是煤自身氧化升温引起的燃烧现象。1.1自燃的含义

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）。2023/2/5

第二章煤的自燃1煤的自燃学说

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

1.2煤自燃的学说种类

2023/2/51.2.1黄铁矿作用学说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。

第二章煤的自燃

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。2023/2/5

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。2FeS2+2H2O+7O2—2FeSO4+2H2SO4+Q1

12FeSO4+6H2O+3O2—4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q2

FeS2+Fe2(SO4)2+3O2+2H2O—3FeSO4+2H2SO4+Q3

第二章煤的自燃2023/2/5

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。1.2.1黄铁矿作用学说

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。

第二章煤的自燃2023/2/5

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。

1.2.1细菌作用学说

第二章煤的自燃波兰学者杜博依斯(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。2023/2/5

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。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。1.2.3酚基作用学说

第二章煤的自燃2023/2/5

1870年瑞克特(Rachtan．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(JonesE．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。

1.2.4煤氧复合作用学说

第二章煤的自燃2023/2/5煤+氧煤自燃学说细菌

学说自由基

学说煤氧复合

学说

黄铁矿

学说黄铁矿+空气中的水份+氧气黄铁矿易氧化→体积增大→对煤体胀裂作用→比表面积增大→煤的氧化增加细菌→煤体发酵→氧化产热→煤自燃外力→裂隙→分子链中共价键断裂→自由基→自由基与氧作用→煤自燃

第二章煤的自燃2023/2/5煤的自燃主要参与物一个是煤，一个是氧。

1.2.4煤氧复合作用学说

第二章煤的自燃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。2023/2/52煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃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，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；2023/2/52煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃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。

(2)有较好的蓄热条件。

2023/2/52煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃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。2023/2/52.3煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃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。2023/2/5煤自燃发展过程图燃烧时间O煤温T1Ts潜伏

阶段自热阶段风化燃烧阶段

第二章煤的自燃2.3

煤自燃过程2023/2/52.3煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃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。2023/2/52.3煤的自燃发展过程

第二章煤的自燃２）自热阶段：

煤和木材着火温度（氧含量21%）材质着火温度（℃）褐煤、木材250烟煤300~350贫瘦煤、无烟煤650~8002023/2/5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。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。

第二章煤的自燃2023/2/5煤蓄热环境周围环境Q产Q散Q产>Q散Q产<Q散燃烧阶段风化阶段

第二章

煤的自燃2023/2/53.1

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。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.1

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。

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。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/5

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类煤的吸氧量与湿度之间的关系2023/2/53.1

影响煤的自燃倾向性的内在因素

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℃，正是由于它的微孔松散结构决定了它的吸氧性能特强。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.1

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。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.1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裂隙以及煤巷局部冒高，在棚梁上形成浮煤堆积的地方。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/5

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。

第二章煤的自燃3.2

煤层自燃的外在影响因素3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/5

1）煤层地质赋存条件据统计，80％的自燃火灾是发生在厚煤层开采中。据鹤岗矿区统计，86％的自燃火灾发生在5m以上的厚煤层中。在国外，西德鲁尔矿区80％的产量来自薄及中厚煤层(2m以下)，但2m以上厚度的煤层自然发火次数占总数的一半。厚煤层容易自然发火的原因，一是难以全部采出，遗留大量浮煤与残柱；二是采区回采时间过长，大大超过了煤层的自然发火期；三是开采压力大，煤壁受压容易破裂。

第二章煤的自燃3.2煤层自燃的外在影响因素2023/2/51）煤层地质赋存条件煤层倾角和厚度对自燃的影响

第二章煤的自燃3.2煤层自燃的外在影响因素倾角发火次数比例/%煤层厚度发火次数比例/%缓倾斜5512中厚以下5616倾斜12134厚煤层13538急倾斜17654特厚煤层161462023/2/51）煤层地质赋存条件地质构造复杂的地区包括断层、褶曲发育地带、岩浆入侵地带，自然发火频繁。这是由于煤层受张拉、挤压、裂隙大量发生，煤体破碎，吸氧条件好造成的。四川芙蓉矿统计，巷道自燃火灾52％发生在断层附近。

同时煤层顶板坚硬，煤柱易受压碎裂，坚硬项板的采空区难以冒落充填密实，冒落后还会形成与相邻采区，甚至地面连通的裂限，漏风无法杜绝，这也为自然发火提供了条件。

第二章煤的自燃3.2

煤层自燃的外在影响因素2023/2/5

2）开拓、开采条件采煤方法对自然发火的影响主要表现在煤炭回收率的高低、回采时间的长短上。丢煤愈多，丢失的浮煤愈集中，工作面的推进速度愈慢愈易发生自燃。旧的落垛式采煤法，留煤皮伪顶，留刀柱支撑顶板的长壁式采煤法以及回来率较低的水力采煤，都容易发生自燃火灾。饱采工作面木支架推进速度慢、拖的时间长，也很难控制采空区自燃火灾的发生。

第二章煤的自燃3.2

煤层自燃的外在影响因素2023/2/53）通风条件通风因素的影响主要表现在采空区，煤柱和煤壁裂隙漏风。漏风就是向这些地点供氧，促进煤的氧化自燃。采空区面积大，漏风量相当可观，但风速有限，散热作用低。在工作面的两巷(回采工作面的运输巷和回风巷)一线(停采线)，过断层地带，煤层变薄跳面的地方有大量浮煤堆积，最易发生自燃。

第二章煤的自燃3.2煤层自燃的外在影响因素2023/2/53.3

煤的自燃倾向性鉴定方法

鉴定煤的自燃倾向性对于掌握自燃火灾的发生规律，有针对性地采取防火措施具有重要意义。

目前常用测定煤的自燃倾向性的方法有：1）着火温度降低值测定法

2）吸氧量测定法

3）重量测定方法4）氧化速度测定法（又称双氧水法）

5）差热分析法

第二章煤的自燃3

煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.3煤的自燃倾向性鉴定方法

1）着火温度降低值测定法

处于自燃潜伏期的煤，在常温条件下，吸氧后的着火温度有不同程度的降低。在同一条件下，自燃倾向性大的煤，易于氧化，着火温度值降低的幅度较大。自燃倾向性小的煤，着火温度值降低较小。因此可用氧化前后着火温度差△T作为表示煤的自燃倾向性的指标。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/5

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类

这种方法需测三种煤样（原煤样、还原煤样和氧化煤样）的着火温度，即T原、T还，和T氧，三种煤样（粒度在0.15mm以下）的配制方法如下：原煤样：煤样：亚硝酸钠（NaNO2）＝1：0.75（重量比）还原煤样：煤样：亚硝酸钠：联苯胺（NH2COH4NH2）=1：0.75：0.025（重量比）氧化煤样：取lmg煤样与浓度为30％的双氧水（H2O2）0.5mL混合密封，放置于暗处氧化24h，然后再暴露于空气中2h，使双氧水蒸发，最后置放于温度为50℃的真空干燥箱内，经干燥后的煤样与亚硝酸钠（NaNO2）按1：0.75（重量比）配制即得氧化煤样。

2023/2/53.3

煤的自燃倾向性鉴定方法

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类1）着火温度降低值测定法

1-加热器;2-煤样管;3-温度计;4-集气管;5-水槽;6-三通阀7-梳形管;8-联结管;9-吸气球;10-铜恒温器;11-变阻器2023/2/5

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.3

煤的自燃倾向性鉴定方法2）吸氧量测定法

煤在一定温度时的吸氧量越大，表明越易被氧化，因此越易自燃。所以可以用定温下吸氧量的大小来衡量煤的自燃倾向性。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类等级自燃倾向等级褐煤、烟煤高硫煤、无烟煤硫含量Ⅰ容易自燃≥0.8≥1.0>2.0%Ⅱ自燃0.41~0.790.8~1.0>2.0%Ⅲ不易自燃≤0.41≤0.8<2.0%2023/2/5ZRJ-1型流态色谱吸氧仪器

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/53.3

煤的自燃倾向性鉴定方法

3）重量测定方法据煤在氧化前后的重量增值来确定煤的自燃倾向性。4）氧化速度测定法（又称双氧水法）此法以煤样经双氧水处理时的温升速度相产生的热量作为自燃倾向性指标。

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类5）差热分析法

根据不同倾向性的煤在相同条件下逐渐加温所吸收的热量和升温的不同，通过差热分析法测定差热曲线，以确定煤的自燃倾向性。2023/2/5STA449C差热分析仪

第二章煤的自燃3煤的自燃倾向性鉴定方法与分类2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律生产实践表明，煤炭自燃经常发生的地点有：①有大量遗煤面未及时封闭或封闭不严的采空区；②巷道两侧和遗留在采空区内的受压破坏的煤柱；③巷道内堆积的浮煤或煤巷的冒顶、垮帮处。2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律1）工作面的停采线容易自燃在一个区段内，当一分层回采结束形成了停采线后，以下各分层在回采过程中，停采线有充分的漏风空隙，有大量的松散状态的遗煤。同时又是风压最大的漏风通道，因此具备良好的自燃条件。2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律1）工作面的停采线容易自燃停采线2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律2）有假顶的材料道和溜子道顶板周围容易自燃如图所示，分层巷道假顶上的裂隙与分层巷道本身形成了有漏风联系的并联风路，岩石空隙内的漏风流速Vn与相对应的流速半径rn成反比。根据实际情况，r=2~4m的范围因为易于自燃的供氧和积热风速圈。2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律2）有假顶的材料道和溜子道顶板周围容易自燃分层煤体上区段采空区2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律3）分层巷道的内、外错容易自燃分层巷内错，形成了易燃隅角带；分层巷道外错，造成采空区内冒落的全为破碎煤炭。2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律3）内错容易自燃2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律4）假顶下的分层巷道盲巷容易形成自燃2023/2/5

第二章煤的自燃4现场煤自燃的规律5）巷道中设置通风设施(风门等)