1、礦井火災(zāi)學(xué)礦井火災(zāi)學(xué)v由于煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們至今還不能完由于煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們至今還不能完全闡述清楚煤的自燃機理。近些年來通過對煤自全闡述清楚煤的自燃機理。近些年來通過對煤自燃的宏觀特性（氧化產(chǎn)熱量、產(chǎn)物和耗氧量）與燃的宏觀特性（氧化產(chǎn)熱量、產(chǎn)物和耗氧量）與煤自燃過程中微觀結(jié)構(gòu)（官能團、自由基）的變煤自燃過程中微觀結(jié)構(gòu)（官能團、自由基）的變化特征的深入研究，對煤自燃的認識不斷深入?；卣鞯纳钊胙芯?，對煤自燃的認識不斷深入。v本章將較全面地介紹煤炭自燃研究方面的新進展本章將較全面地介紹煤炭自燃研究方面的新進展，較深入地對煤自燃過程及影響因素進行分析，較深入地對煤自燃過程及影響因素

2、進行分析，較系統(tǒng)地闡述煤在低溫氧化過程中的自燃特性和較系統(tǒng)地闡述煤在低溫氧化過程中的自燃特性和煤自燃傾向性、自然發(fā)火期等的測試與確定方法煤自燃傾向性、自然發(fā)火期等的測試與確定方法。 第二章第二章 煤的自燃及其特性煤的自燃及其特性 第一節(jié)第一節(jié) 煤的基礎(chǔ)特性煤的基礎(chǔ)特性v一、煤的形成及分類一、煤的形成及分類v我國煤炭分類，首先按煤的干燥無灰基揮發(fā)分我國煤炭分類，首先按煤的干燥無灰基揮發(fā)分37%、10、10%，將所有煤分為褐，將所有煤分為褐煤、煙煤和無煙煤。然后煙煤又按揮發(fā)分煤、煙煤和無煙煤。然后煙煤又按揮發(fā)分10%20%、20%28%、28%37%和和 37%的四個階段分為低、中、中高及高揮的四

3、個階段分為低、中、中高及高揮發(fā)分煙煤，同時還根據(jù)表征煙煤煤化程度的參數(shù)發(fā)分煙煤，同時還根據(jù)表征煙煤煤化程度的參數(shù)（粘結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層最大厚度或奧亞膨脹度），（粘結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層最大厚度或奧亞膨脹度），將煙煤劃分為長焰煤、不粘煤、弱粘煤、將煙煤劃分為長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中中粘煤、氣煤、氣肥煤、粘煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤和貧煤。瘦煤、貧瘦煤和貧煤。 表表2-1-1 我國煤種的主要特征及分布地區(qū)我國煤種的主要特征及分布地區(qū)v二、煤的結(jié)構(gòu)及基本性質(zhì)二、煤的結(jié)構(gòu)及基本性質(zhì)v煤的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般認為它具有高分子聚合煤的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般認為它具有高分

4、子聚合物的結(jié)構(gòu)，但又不同于一般的聚合物，它沒有統(tǒng)物的結(jié)構(gòu)，但又不同于一般的聚合物，它沒有統(tǒng)一的聚合單體。煤的大分子是由多個結(jié)構(gòu)相似的一的聚合單體。煤的大分子是由多個結(jié)構(gòu)相似的“基本結(jié)構(gòu)單元基本結(jié)構(gòu)單元”通過橋鍵連接而成。這種基本通過橋鍵連接而成。這種基本結(jié)構(gòu)單元類似于聚合物的聚合單體，它可分為規(guī)結(jié)構(gòu)單元類似于聚合物的聚合單體，它可分為規(guī)則部分和不規(guī)則部分。規(guī)則部分由幾個或十幾個則部分和不規(guī)則部分。規(guī)則部分由幾個或十幾個苯環(huán)、脂環(huán)、氫化芳香環(huán)及雜環(huán)（含氮、氧、硫苯環(huán)、脂環(huán)、氫化芳香環(huán)及雜環(huán)（含氮、氧、硫等元素）縮聚而成，成為基本結(jié)構(gòu)單元的核或芳等元素）縮聚而成，成為基本結(jié)構(gòu)單元的核或芳香核；不規(guī)

5、則部分則是連接在核周圍的烷基側(cè)鏈香核；不規(guī)則部分則是連接在核周圍的烷基側(cè)鏈和各種官能團。隨著煤化程度的提高，構(gòu)成核的和各種官能團。隨著煤化程度的提高，構(gòu)成核的環(huán)數(shù)增多，連接在核周圍的側(cè)鏈和官能團數(shù)量則環(huán)數(shù)增多，連接在核周圍的側(cè)鏈和官能團數(shù)量則不斷變短和減少。不斷變短和減少。v基本結(jié)構(gòu)單元的縮合環(huán)上連接有數(shù)量不等的烷基基本結(jié)構(gòu)單元的縮合環(huán)上連接有數(shù)量不等的烷基側(cè)鏈和官能團。煤分子上的官能團主要是含氧官側(cè)鏈和官能團。煤分子上的官能團主要是含氧官能團，有羥基（能團，有羥基（-OH)、羧基（、羧基（-COOH)、羰基、羰基（=C=O）、甲氧基（）、甲氧基（-OCH3）等，隨煤化程）等，隨煤化程度的提高

6、，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基團在各種煤化程度的煤中均有存在。此外還有少團在各種煤化程度的煤中均有存在。此外還有少量的含氮官能團和含硫官能團。量的含氮官能團和含硫官能團。 v在煤大分子中結(jié)構(gòu)單元之間的連接是通過次甲基在煤大分子中結(jié)構(gòu)單元之間的連接是通過次甲基鍵鍵-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-，醚鍵醚鍵-O-，次甲基醚鍵，次甲基醚鍵-CH2-O-、-CH2-S-，硫，硫醚鍵醚鍵-S-、-S-S-以及芳香碳以及芳香碳-碳鍵碳鍵Car-Car等橋等橋鍵實現(xiàn)的。在低煤化程度的煤中橋鍵最多，主要鍵實現(xiàn)的。在低煤化程度的煤中橋鍵最多

7、，主要形式是次甲基鍵、醚鍵、次甲基醚鍵；中等煤化形式是次甲基鍵、醚鍵、次甲基醚鍵；中等煤化程度的煤中橋鍵最少，主要形式是甲基鍵、醚鍵程度的煤中橋鍵最少，主要形式是甲基鍵、醚鍵；到無煙煤階段時橋鍵有所增多，主要形式是芳；到無煙煤階段時橋鍵有所增多，主要形式是芳香碳香碳-碳鍵。碳鍵。 第二節(jié)第二節(jié) 煤的自燃假說煤的自燃假說v為解釋煤炭自燃的起因，各國學(xué)者先后提出了各為解釋煤炭自燃的起因，各國學(xué)者先后提出了各種假說，主要有黃鐵礦作用、細菌作用、酚基作種假說，主要有黃鐵礦作用、細菌作用、酚基作用、自由基作用、煤氧復(fù)合作用等假說，其中煤用、自由基作用、煤氧復(fù)合作用等假說，其中煤氧復(fù)合作用假說現(xiàn)已被國內(nèi)外

8、廣泛認同。氧復(fù)合作用假說現(xiàn)已被國內(nèi)外廣泛認同。v一、黃鐵礦作用假說一、黃鐵礦作用假說vPolt和和Berzelius認為煤的自燃是由于煤層中認為煤的自燃是由于煤層中的黃鐵礦（的黃鐵礦（FeS2）與空氣中的水分和氧相互作）與空氣中的水分和氧相互作用放出熱量而引起的。用放出熱量而引起的。v此假說認為，煤炭自熱是氧和水與煤中的黃鐵礦此假說認為，煤炭自熱是氧和水與煤中的黃鐵礦按以下化學(xué)反應(yīng)式作用生熱的結(jié)果：按以下化學(xué)反應(yīng)式作用生熱的結(jié)果：v2FeS2+7O2+2H2O 2FeSO4+2H2SO4+25.7kJv溫米爾（溫米爾（T.F.Winmill）認為黃鐵礦只有在占比）認為黃鐵礦只有在占比例較大并且

9、處于被分解成極細微狀態(tài)時才可能引例較大并且處于被分解成極細微狀態(tài)時才可能引發(fā)煤炭自熱。格瑞哈姆（發(fā)煤炭自熱。格瑞哈姆（Graham）絕大多數(shù)）絕大多數(shù)的井下煤炭發(fā)熱都歸因于潮濕空氣中黃鐵礦的氧的井下煤炭發(fā)熱都歸因于潮濕空氣中黃鐵礦的氧化，其反應(yīng)通?？捎梢韵路磻?yīng)式表述：化，其反應(yīng)通常可由以下反應(yīng)式表述：v2FeS2+7O2+16H2O 2FeSO47H2O +2H2SO4+1327.2kJ v 此后，許多學(xué)者對煤炭自燃黃鐵礦學(xué)說進行了更為系統(tǒng)的此后，許多學(xué)者對煤炭自燃黃鐵礦學(xué)說進行了更為系統(tǒng)的探討，認為煤在低溫條件下的自身氧化是在有機催化劑參探討，認為煤在低溫條件下的自身氧化是在有機催化劑參與下

10、進行的，這樣的催化劑是多酚還原鏈，其過程是在水與下進行的，這樣的催化劑是多酚還原鏈，其過程是在水參與下黃鐵礦氧化時形成的硫酸使煤質(zhì)中的有機物質(zhì)形成參與下黃鐵礦氧化時形成的硫酸使煤質(zhì)中的有機物質(zhì)形成磺基化合物，磺基化合物進而轉(zhuǎn)換成酚鏈化合物，它們在磺基化合物，磺基化合物進而轉(zhuǎn)換成酚鏈化合物，它們在煤低溫氧化反應(yīng)是一種催化作用的化合物，而酚鏈化合物煤低溫氧化反應(yīng)是一種催化作用的化合物，而酚鏈化合物極易氧化而導(dǎo)致煤炭自燃。極易氧化而導(dǎo)致煤炭自燃。v 但是，黃鐵礦導(dǎo)因說在煤炭自燃學(xué)說發(fā)展的過程中不斷受但是，黃鐵礦導(dǎo)因說在煤炭自燃學(xué)說發(fā)展的過程中不斷受到質(zhì)疑，因為采煤的實踐和科學(xué)研究都說明，發(fā)生自燃的到

11、質(zhì)疑，因為采煤的實踐和科學(xué)研究都說明，發(fā)生自燃的煤炭并不都含有黃鐵礦，不含黃鐵礦的煤照樣自燃。然而煤炭并不都含有黃鐵礦，不含黃鐵礦的煤照樣自燃。然而許多研究仍然說明，煤中含有黃鐵礦，尤其是其量較大時許多研究仍然說明，煤中含有黃鐵礦，尤其是其量較大時，將有助于煤自燃過程的發(fā)展，它起著催化劑的作用。，將有助于煤自燃過程的發(fā)展，它起著催化劑的作用。 v二、自由基作用假說二、自由基作用假說v煤是一種有機大分子物質(zhì)，在外力（如地應(yīng)力、煤是一種有機大分子物質(zhì)，在外力（如地應(yīng)力、采煤機的切割等）作用下煤體破碎，產(chǎn)生大量裂采煤機的切割等）作用下煤體破碎，產(chǎn)生大量裂隙，必然導(dǎo)致煤分子的斷裂。分子鏈斷裂的本質(zhì)隙，

12、必然導(dǎo)致煤分子的斷裂。分子鏈斷裂的本質(zhì)就是鏈中共價鍵的斷裂，從而產(chǎn)生大量自由基。就是鏈中共價鍵的斷裂，從而產(chǎn)生大量自由基。自由基可存在于煤顆粒表面，也可存在于煤內(nèi)部自由基可存在于煤顆粒表面，也可存在于煤內(nèi)部新生裂紋表面，為煤自然氧化創(chuàng)造了條件，引發(fā)新生裂紋表面，為煤自然氧化創(chuàng)造了條件，引發(fā)煤的自燃。該假說認為煤自由基氧化反應(yīng)經(jīng)歷了煤的自燃。該假說認為煤自由基氧化反應(yīng)經(jīng)歷了如下過程：如下過程： 2RROROORRgR ggg 外力作用 v煤中自由基與煤中自由基與O2反應(yīng)，生成過氧化物自由基。此反應(yīng)，生成過氧化物自由基。此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤溫緩慢上升反應(yīng)為放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤溫

13、緩慢上升，并使過氧化物自由基進一步反應(yīng)：，并使過氧化物自由基進一步反應(yīng)：v過氧化物（過氧化物（ ）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，進一）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，進一步分解：步分解： ROOR HROOHRgg ROOH v同時，還存在下列反應(yīng)：同時，還存在下列反應(yīng)：v通過以上反應(yīng)，生成了通過以上反應(yīng)，生成了CO、CO2、甲醇、甲醛、甲醇、甲醛等氣體，同時生成了新的自由基。新的自由基再等氣體，同時生成了新的自由基。新的自由基再與氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生更多的熱量，使溫度進一步升與氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生更多的熱量，使溫度進一步升高。如此反復(fù)，在適合的蓄熱條件下，使煤溫大高。如此反復(fù)，在適合的蓄熱條件下，使煤溫大幅度升高，直至燃燒。同時，當

14、溫度升高到一定幅度升高，直至燃燒。同時，當溫度升高到一定程度，煤發(fā)生裂解反應(yīng)，生成烷烴和烯烴氣體。程度，煤發(fā)生裂解反應(yīng)，生成烷烴和烯烴氣體。 v但煤自燃自由基作用假說認為，煤中最初自由基但煤自燃自由基作用假說認為，煤中最初自由基的產(chǎn)生即鏈式反應(yīng)的引發(fā)是由于機械力作用，然的產(chǎn)生即鏈式反應(yīng)的引發(fā)是由于機械力作用，然而實踐證明在未受外力作用下，煤照樣自燃。煤而實踐證明在未受外力作用下，煤照樣自燃。煤的自燃過程也表明，煤的自燃有較長的準備期，的自燃過程也表明，煤的自燃有較長的準備期，而自由基通常在快速的化學(xué)鏈鎖反應(yīng)中產(chǎn)生或需而自由基通常在快速的化學(xué)鏈鎖反應(yīng)中產(chǎn)生或需要新的能量的激發(fā)，自由基存活的時間也

15、非常短要新的能量的激發(fā)，自由基存活的時間也非常短，因此自由基還不能說明煤在低溫氧化階段的反，因此自由基還不能說明煤在低溫氧化階段的反應(yīng)特性，其對煤自燃過程的影響還在進一步的研應(yīng)特性，其對煤自燃過程的影響還在進一步的研究中。究中。 v三、煤氧復(fù)合作用假說三、煤氧復(fù)合作用假說v煤氧復(fù)合作用假說認為煤自燃的主要原因是煤與煤氧復(fù)合作用假說認為煤自燃的主要原因是煤與氧氣之間的物理、化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果，其復(fù)合氧氣之間的物理、化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果，其復(fù)合作用是指包括煤對氧的物理吸附、化學(xué)吸附和化作用是指包括煤對氧的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤的自燃。該假說已在實學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤的自燃。該

16、假說已在實驗室的實驗及現(xiàn)場的實踐中得到不同程度的證實驗室的實驗及現(xiàn)場的實踐中得到不同程度的證實，因此得到了國內(nèi)外的廣泛認可。，因此得到了國內(nèi)外的廣泛認可。 v經(jīng)過長期的研究，人們認識到煤氧復(fù)合過程是一經(jīng)過長期的研究，人們認識到煤氧復(fù)合過程是一個極其復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。當煤表面暴露于個極其復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。當煤表面暴露于空氣中時，首先是煤粒表面對空氣中氧的物理吸空氣中時，首先是煤粒表面對空氣中氧的物理吸附，產(chǎn)生物理吸附熱，同時煤中原生賦存的瓦斯附，產(chǎn)生物理吸附熱，同時煤中原生賦存的瓦斯氣體組分釋放，水分蒸發(fā)，產(chǎn)生瓦斯解析熱和水氣體組分釋放，水分蒸發(fā)，產(chǎn)生瓦斯解析熱和水分蒸發(fā)潛熱。隨著煤體溫

17、度的逐漸升高，物理吸分蒸發(fā)潛熱。隨著煤體溫度的逐漸升高，物理吸附過渡到化學(xué)吸附，產(chǎn)生化學(xué)吸附熱，化學(xué)吸附附過渡到化學(xué)吸附，產(chǎn)生化學(xué)吸附熱，化學(xué)吸附會自動加速成化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生會自動加速成化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生CO、CO2、H2O等產(chǎn)物，放出氧化反應(yīng)熱，并促使反應(yīng)的進等產(chǎn)物，放出氧化反應(yīng)熱，并促使反應(yīng)的進一步加速直至發(fā)生自燃。一步加速直至發(fā)生自燃。 第三節(jié)第三節(jié) 煤的自燃過程及影響因素煤的自燃過程及影響因素 v 一、煤自燃過程一、煤自燃過程v 根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，認為煤炭的氧化和自燃是基鏈反根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，認為煤炭的氧化和自燃是基鏈反應(yīng)，一般將煤炭自燃過程大體分為應(yīng)，一般將煤炭自燃過程大體分為3個

18、階段：準備期；個階段：準備期；自熱期；燃燒期，如圖自熱期；燃燒期，如圖2-3-1所示。所示。 0溫度間時期伏潛70123燒燃TsTs冷卻化風期熱自圖圖2-3-1 煤炭自燃過程煤炭自燃過程v煤炭自燃的潛伏期階段煤體溫度的變化不明顯，煤炭自燃的潛伏期階段煤體溫度的變化不明顯，煤的氧化進程十分平穩(wěn)緩慢，然而煤確實在發(fā)生煤的氧化進程十分平穩(wěn)緩慢，然而煤確實在發(fā)生變化，不僅煤的重量略有增加，著火點溫度降低變化，不僅煤的重量略有增加，著火點溫度降低，而且氧化性被活化。由于煤的自燃需要熱量的，而且氧化性被活化。由于煤的自燃需要熱量的聚集，在該階段因環(huán)境起始溫度低，煤的氧化速聚集，在該階段因環(huán)境起始溫度低，煤

19、的氧化速度慢，產(chǎn)生的熱量較小，因此需要一個較長的蓄度慢，產(chǎn)生的熱量較小，因此需要一個較長的蓄熱過程，故這個階段通常也稱為煤的自燃準備期熱過程，故這個階段通常也稱為煤的自燃準備期，它的長短取決于煤的自燃傾向性的強弱和外部，它的長短取決于煤的自燃傾向性的強弱和外部條件。條件。 v經(jīng)準備期后，氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，經(jīng)準備期后，氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，超過煤自熱的臨界溫度（一般為超過煤自熱的臨界溫度（一般為6080），），煤溫急劇加速上升，氧化進程加快，開始出現(xiàn)煤煤溫急劇加速上升，氧化進程加快，開始出現(xiàn)煤的干餾，產(chǎn)生芳香族的碳氫化合物（的干餾，產(chǎn)生芳香族的碳氫化合物（CxHy）、）、氫（

20、氫（H2）、更多的一氧化碳（）、更多的一氧化碳（CO）等可燃氣體）等可燃氣體，這個階段為自熱期。，這個階段為自熱期。v臨界溫度臨界溫度Tc也稱自熱溫度（也稱自熱溫度（Self-heating temperature，SHT），是能使煤自發(fā)燃燒的），是能使煤自發(fā)燃燒的最低溫度。一旦達到了該溫度點，煤氧化的產(chǎn)熱最低溫度。一旦達到了該溫度點，煤氧化的產(chǎn)熱與煤所在環(huán)境的散熱就失去了平衡，即產(chǎn)熱量將與煤所在環(huán)境的散熱就失去了平衡，即產(chǎn)熱量將高于散熱量，就會導(dǎo)致煤與環(huán)境溫度的上升，從高于散熱量，就會導(dǎo)致煤與環(huán)境溫度的上升，從而加速了煤的氧化速度并又產(chǎn)生更多的熱量，直而加速了煤的氧化速度并又產(chǎn)生更多的熱量，

21、直至煤自燃起來。至煤自燃起來。 v自熱期的發(fā)展有可能使煤溫上升到著火溫度（自熱期的發(fā)展有可能使煤溫上升到著火溫度（Ts）而導(dǎo)致自燃。煤的著火點溫度由于煤種不同而）而導(dǎo)致自燃。煤的著火點溫度由于煤種不同而變化，無煙煤一般為變化，無煙煤一般為400，煙煤為，煙煤為320380，褐煤為，褐煤為270350。如果煤溫根本。如果煤溫根本不能上升到臨界溫度，或能上升到這一溫度但由不能上升到臨界溫度，或能上升到這一溫度但由于外界條件的變化更適于熱量散發(fā)而不是聚集，于外界條件的變化更適于熱量散發(fā)而不是聚集，煤炭自燃過程自行放慢而進入冷卻階段，繼續(xù)發(fā)煤炭自燃過程自行放慢而進入冷卻階段，繼續(xù)發(fā)展，便進入風化狀態(tài)，

22、使煤自燃傾向性能力降低展，便進入風化狀態(tài)，使煤自燃傾向性能力降低而不易再次發(fā)生自熱。而不易再次發(fā)生自熱。v二、煤自燃影響因素二、煤自燃影響因素v(一一)內(nèi)在因素內(nèi)在因素v1. 煤化程度煤化程度v煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個連續(xù)的過煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個連續(xù)的過程。其中，促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度和程。其中，促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度和時間。溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快，因為變時間。溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快，因為變質(zhì)作用的實質(zhì)是煤分子的化學(xué)變化，溫度高促進質(zhì)作用的實質(zhì)是煤分子的化學(xué)變化，溫度高促進了化學(xué)反應(yīng)速度的提高。因此，在較低溫度下長了化學(xué)反應(yīng)速度的提高。因此，

23、在較低溫度下長時間受熱和較高溫度下短時間受熱，就可能得到時間受熱和較高溫度下短時間受熱，就可能得到同樣煤化程度的煤。這就是為什么有些成煤年代同樣煤化程度的煤。這就是為什么有些成煤年代較早，而其煤化程度卻不如成煤年代較晚的煤高較早，而其煤化程度卻不如成煤年代較晚的煤高。 v不同煤化程度煤的自燃傾向性發(fā)生規(guī)律性變化正不同煤化程度煤的自燃傾向性發(fā)生規(guī)律性變化正是由于隨著煤化程度的變化煤的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生規(guī)是由于隨著煤化程度的變化煤的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生規(guī)律性變化所致。隨著煤化程度的增加，結(jié)構(gòu)單元律性變化所致。隨著煤化程度的增加，結(jié)構(gòu)單元中芳香環(huán)數(shù)增加，對氣態(tài)氧較活潑的側(cè)鏈和含氧中芳香環(huán)數(shù)增加，對氣態(tài)氧較活潑的側(cè)

24、鏈和含氧官能團減少甚至消失，煤的抗氧化作用的能力增官能團減少甚至消失，煤的抗氧化作用的能力增加。低煤化程度的褐煤及煙煤，其分子結(jié)構(gòu)中性加。低煤化程度的褐煤及煙煤，其分子結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團較高，芳香環(huán)數(shù)少，質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團較高，芳香環(huán)數(shù)少，芳香化程度低，因而其抗氧化作用能力較弱，易芳香化程度低，因而其抗氧化作用能力較弱，易于氧化自燃；而高煤化程度的無煙煤，因其分子于氧化自燃；而高煤化程度的無煙煤，因其分子結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團減少甚至消結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團減少甚至消失，芳香化程度高，因而抗氧化作用能力強，難失，芳香化程度高，因而抗氧化作用能力強，難以自

25、燃。以自燃。 v一般說來，煤的煤化程度愈低，揮發(fā)分就愈高，一般說來，煤的煤化程度愈低，揮發(fā)分就愈高，氫氧含量就愈大，其自燃危險性就愈大。例如，氫氧含量就愈大，其自燃危險性就愈大。例如，褐煤的自燃危險性比煙煤大，煙煤比無煙煤大。褐煤的自燃危險性比煙煤大，煙煤比無煙煤大。在煙煤中，開采煤化程度較低的長焰煤和氣煤的在煙煤中，開采煤化程度較低的長焰煤和氣煤的自燃危險性大，煤化程度高的瘦煤和貧煤自燃危自燃危險性大，煤化程度高的瘦煤和貧煤自燃危險性小。險性小。 v但不能以煤化程度作為判斷煤的自燃危險性的唯但不能以煤化程度作為判斷煤的自燃危險性的唯一標志。因為煤化程度相同的煤，有的具有自燃一標志。因為煤化程

26、度相同的煤，有的具有自燃特性，有的就不自燃，自燃的難易程度也不同。特性，有的就不自燃，自燃的難易程度也不同。例如，同一牌號的煤若含硫量較高，則吸氧能力例如，同一牌號的煤若含硫量較高，則吸氧能力強，因此易于自燃。強，因此易于自燃。 v2. 煤的水分煤的水分v煤的含水量對其氧化進程的影響表現(xiàn)在兩個方面煤的含水量對其氧化進程的影響表現(xiàn)在兩個方面。在煤炭自燃初始階段，水分起到催化作用。在。在煤炭自燃初始階段，水分起到催化作用。在一定條件下，水分又可以起到阻化作用。煤中水一定條件下，水分又可以起到阻化作用。煤中水分對煤炭自燃到底是起阻化抑制作用，還是起催分對煤炭自燃到底是起阻化抑制作用，還是起催化作用，

27、應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)等具體條件而定?；饔茫瑧?yīng)根據(jù)煤質(zhì)等具體條件而定。v（1）水分在煤炭自燃初始階段的催化作用）水分在煤炭自燃初始階段的催化作用v首先，煤體內(nèi)存在有巨大的內(nèi)表面積，當煤炭被首先，煤體內(nèi)存在有巨大的內(nèi)表面積，當煤炭被水分潤濕時，水分與煤體表面相互作用并釋放出水分潤濕時，水分與煤體表面相互作用并釋放出一定量的潤濕熱從而促進煤自燃初期的氧化。一定量的潤濕熱從而促進煤自燃初期的氧化。 v 除了潤濕生熱外，當干煤炭被通以潮濕空氣時，水蒸汽在發(fā)除了潤濕生熱外，當干煤炭被通以潮濕空氣時，水蒸汽在發(fā)熱區(qū)周圍產(chǎn)生凝結(jié)，放出汽化潛熱，從而使煤堆及進入煤堆熱區(qū)周圍產(chǎn)生凝結(jié)，放出汽化潛熱，從而使煤堆及進入煤堆的

28、空氣加熱，增加了煤溫與環(huán)境的溫度，從而加速了煤炭自的空氣加熱，增加了煤溫與環(huán)境的溫度，從而加速了煤炭自燃的進程。其次，研究發(fā)現(xiàn)，水分在蒸發(fā)階段參與了自由基燃的進程。其次，研究發(fā)現(xiàn)，水分在蒸發(fā)階段參與了自由基的形成，對過氧化絡(luò)合物的形成，對過氧化絡(luò)合物 (peroxy- complex)的形成起的形成起著重要的催化作用。著重要的催化作用。 圖圖 2-3-3 從空氣吸收的水分從空氣吸收的水分與過氧化絡(luò)合物含量的關(guān)系與過氧化絡(luò)合物含量的關(guān)系v 再則，煤中水分蒸發(fā)后，形成了更多的孔隙通道或裂隙，再則，煤中水分蒸發(fā)后，形成了更多的孔隙通道或裂隙，使煤體具有更大的內(nèi)部比表面積，有利于更多的氧進入煤使煤體具

29、有更大的內(nèi)部比表面積，有利于更多的氧進入煤體內(nèi)部。起初，氧化是在大孔隙內(nèi)進行的，水分蒸發(fā)后，體內(nèi)部。起初，氧化是在大孔隙內(nèi)進行的，水分蒸發(fā)后，氧化則在擁有很大表面積的中、微孔內(nèi)進行，大大增加了氧化則在擁有很大表面積的中、微孔內(nèi)進行，大大增加了反應(yīng)的比表面積，加速了氧化。反應(yīng)的比表面積，加速了氧化。v 另外，在含硫煤中，水分對黃鐵礦（另外，在含硫煤中，水分對黃鐵礦（FeS2）的氧化起著）的氧化起著重要作用。重要作用。v 美國原礦山局科研人員從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)當煤炭被干燥并暴露美國原礦山局科研人員從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)當煤炭被干燥并暴露在高濕度條件下時，煤炭自熱危害最為嚴重。俄國學(xué)者也在高濕度條件下時，煤炭自熱危

30、害最為嚴重。俄國學(xué)者也發(fā)現(xiàn)空氣濕度的大范圍和突然波動在某種程度上總伴隨著發(fā)現(xiàn)空氣濕度的大范圍和突然波動在某種程度上總伴隨著煤炭自熱的發(fā)生，特別是在露天堆積的情況下。煤炭自熱的發(fā)生，特別是在露天堆積的情況下。 v （2）水分對煤炭自燃的阻化抑制作用）水分對煤炭自燃的阻化抑制作用v 充滿在煤中的物理作用下的水分由于具有極高的蒸汽壓充滿在煤中的物理作用下的水分由于具有極高的蒸汽壓力，將阻止空氣中的氧到達煤表面，這樣也就阻止了煤的力，將阻止空氣中的氧到達煤表面，這樣也就阻止了煤的氧化。氧化。v 當煤的濕度增加到某一程度，煤的表面將形成含水液膜當煤的濕度增加到某一程度，煤的表面將形成含水液膜，可以起到阻

31、化煤、氧接觸，即起到隔氧阻化的作用。同，可以起到阻化煤、氧接觸，即起到隔氧阻化的作用。同時，煤體在低溫狀態(tài)下氧化反應(yīng)所放出的熱量大部分將被時，煤體在低溫狀態(tài)下氧化反應(yīng)所放出的熱量大部分將被煤中水分蒸發(fā)所吸收、消耗，煤中水分蒸發(fā)所吸收、消耗，1 kg水能產(chǎn)生水能產(chǎn)生 1 700 L的的蒸汽，蒸汽，1 kg的水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵馑盏臒崃繛榈乃D(zhuǎn)變?yōu)樗魵馑盏臒崃繛?2591.63 kJ，每增加，每增加 1的水分，可降低煤的發(fā)熱量的水分，可降低煤的發(fā)熱量 0.1，使煤，使煤體周圍的熱量難以聚集，煤體的溫度難以上升，可以較大體周圍的熱量難以聚集，煤體的溫度難以上升，可以較大地延長煤炭自燃的發(fā)火期。地

32、延長煤炭自燃的發(fā)火期。 表表2-3-1 干濕煤蓄熱時間干濕煤蓄熱時間 干燥煤的反應(yīng)遠比潤濕煤活躍，即使給潤濕煤干燥煤的反應(yīng)遠比潤濕煤活躍，即使給潤濕煤以較高的初始溫度（以較高的初始溫度（40.9），潤濕煤也沒有得到），潤濕煤也沒有得到顯著的全面升溫。前期潤濕煤的升溫曲線與時間顯著的全面升溫。前期潤濕煤的升溫曲線與時間成一定比例關(guān)系。這是因為煤中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致成一定比例關(guān)系。這是因為煤中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致了溫度的下降。了溫度的下降。 v 水分可以抑制煤的低溫氧化。煤炭中水分增加水分可以抑制煤的低溫氧化。煤炭中水分增加，其吸氧量減少。前蘇聯(lián)契爾諾夫（，其吸氧量減少。前蘇聯(lián)契爾諾夫（.）進行了煤中水分對

33、吸氧速度的影響試驗其結(jié)果）進行了煤中水分對吸氧速度的影響試驗其結(jié)果見表見表 2-3-2。從表中看出，煤中水分增加，煤的。從表中看出，煤中水分增加，煤的吸氧量減少。試驗吸氧量減少。試驗1 中水分從中水分從 4.97增加到增加到 9.53，40 天后，吸氧速度減低到原來的三分天后，吸氧速度減低到原來的三分之一，在這種情況下，煤的氧化進程不會加快。之一，在這種情況下，煤的氧化進程不會加快。 v 凝縮在煤體內(nèi)微小毛細管空隙中的水分以及凝縮在煤體內(nèi)微小毛細管空隙中的水分以及吸附在煤炭表面的水分覆蓋了煤炭表面，阻止了吸附在煤炭表面的水分覆蓋了煤炭表面，阻止了空氣中氧氣與煤接觸，降低了煤對氧的吸附能力空氣中

34、氧氣與煤接觸，降低了煤對氧的吸附能力，抑制了煤的氧化反應(yīng)。同時，水的作用改變了，抑制了煤的氧化反應(yīng)。同時，水的作用改變了煤的熱物理參數(shù)。煤中的孔隙被水充滿后，熱導(dǎo)煤的熱物理參數(shù)。煤中的孔隙被水充滿后，熱導(dǎo)率將大大提高，因為水的熱導(dǎo)率是空氣的率將大大提高，因為水的熱導(dǎo)率是空氣的 24 倍倍，這將有利于煤中熱量的散失。此外，含水煤的，這將有利于煤中熱量的散失。此外，含水煤的熱容量比干燥煤的熱容量大，所以濕潤煤溫度升熱容量比干燥煤的熱容量大，所以濕潤煤溫度升高速度比干燥煤要慢，這就抑制了煤體自然發(fā)火高速度比干燥煤要慢，這就抑制了煤體自然發(fā)火的發(fā)展。的發(fā)展。 v3. 煤巖成分煤巖成分v不同的煤巖成分有

35、著不同的氧化性，氧化趨勢按不同的煤巖成分有著不同的氧化性，氧化趨勢按下列順序降低：鏡煤、亮煤、暗煤、絲煤。在低下列順序降低：鏡煤、亮煤、暗煤、絲煤。在低溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，鏡煤吸氧能力最強，其次是亮煤，暗煤最難于自鏡煤吸氧能力最強，其次是亮煤，暗煤最難于自燃。絲煤吸氧量強主要是其結(jié)構(gòu)松散，著火溫度燃。絲煤吸氧量強主要是其結(jié)構(gòu)松散，著火溫度低，僅為低，僅為190270。英國試驗證明：在常溫。英國試驗證明：在常溫條件下，條件下，15時絲煤吸附氧的數(shù)量較其它煤種時絲煤吸附氧的數(shù)量較其它煤種要多要多1.52.0倍；倍；50時為時為5倍；倍

36、；100時則時則下降，僅為下降，僅為7。所以人們認為，在常溫條件下。所以人們認為，在常溫條件下，絲煤是自燃中心，起著引火物的作用。，絲煤是自燃中心，起著引火物的作用。 v4. 煤的含硫量煤的含硫量v對煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦，它的比熱小，對煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦，它的比熱小，與煤吸附相同的氧量其溫度的增值比煤大與煤吸附相同的氧量其溫度的增值比煤大3倍。倍。黃鐵礦的分解產(chǎn)物氧化鐵（黃鐵礦的分解產(chǎn)物氧化鐵（Fe2O3）比煤的吸氧）比煤的吸氧性更強，能將吸附的氧（性更強，能將吸附的氧（O2）轉(zhuǎn)讓給煤粒使之發(fā)）轉(zhuǎn)讓給煤粒使之發(fā)生氧化自燃，顯然它對煤的自燃過程起到了加速生氧化自燃，顯然它對煤的自燃

37、過程起到了加速作用。煤中含黃鐵礦越多往往就越容易自燃。作用。煤中含黃鐵礦越多往往就越容易自燃。 v澳大利亞學(xué)者辛格（澳大利亞學(xué)者辛格（R.N.Singh）同樣認為：）同樣認為：煤中硫（包括硫鐵礦）含量的增加不可能使煤的煤中硫（包括硫鐵礦）含量的增加不可能使煤的氧化速率顯著地增大，也就是說含硫量高的煤不氧化速率顯著地增大，也就是說含硫量高的煤不一定表現(xiàn)出很強的氧化能力。另外一種說法是煤一定表現(xiàn)出很強的氧化能力。另外一種說法是煤中只要含有大量的硫（比如中只要含有大量的硫（比如3以上）的煤層均以上）的煤層均為自然發(fā)火煤層，甚至還有學(xué)者認為僅僅煤中的為自然發(fā)火煤層，甚至還有學(xué)者認為僅僅煤中的硫有時候就

38、能使煤溫上升到硫有時候就能使煤溫上升到70左右。左右。v煤中的硫無疑會影響煤的自燃，硫氧化能力相對煤中的硫無疑會影響煤的自燃，硫氧化能力相對來說要比煤強，因此在其它成分相差無幾的情況來說要比煤強，因此在其它成分相差無幾的情況下，含硫多的煤在同樣條件下易于氧化、易于自下，含硫多的煤在同樣條件下易于氧化、易于自燃。但是煤中硫的含量不大（一般低于燃。但是煤中硫的含量不大（一般低于3），），對煤自燃的影響有限。對煤自燃的影響有限。 v 5. 煤的粒度與孔隙結(jié)構(gòu)煤的粒度與孔隙結(jié)構(gòu)v 完整的煤層和大塊堆積的煤一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破完整的煤層和大塊堆積的煤一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在

39、，煤才可能自然發(fā)火。這是因為氧氣不裂，呈破碎狀態(tài)存在，煤才可能自然發(fā)火。這是因為氧氣不能夠進入完整煤層的煤體，大塊的煤能夠充分與氧接觸的表能夠進入完整煤層的煤體，大塊的煤能夠充分與氧接觸的表面積有限，氧化產(chǎn)生的熱量相對較小，不足以使煤塊升溫，面積有限，氧化產(chǎn)生的熱量相對較小，不足以使煤塊升溫，并且由于大塊煤堆積的大縫隙導(dǎo)致對流傳熱明顯，熱量不易并且由于大塊煤堆積的大縫隙導(dǎo)致對流傳熱明顯，熱量不易于積聚。一些學(xué)者認為，當煤的粒度過于小時，氧氣難以進于積聚。一些學(xué)者認為，當煤的粒度過于小時，氧氣難以進入堆積的煤體內(nèi)部，影響了煤的充分氧化。因此，推測煤自入堆積的煤體內(nèi)部，影響了煤的充分氧化。因此，推

40、測煤自燃有一個最優(yōu)粒度，該粒度也就是在煤氧化產(chǎn)熱和熱散失相燃有一個最優(yōu)粒度，該粒度也就是在煤氧化產(chǎn)熱和熱散失相對最大時候的粒度，并且該粒度隨其它影響因素的變化而變對最大時候的粒度，并且該粒度隨其它影響因素的變化而變化，一般認為粒度在化，一般認為粒度在1mm左右時煤的氧化性較強。左右時煤的氧化性較強。v 6. 煤的瓦斯含量煤的瓦斯含量v 從煤氧化角度來說，瓦斯相當于惰性氣體。因此，瓦斯或從煤氧化角度來說，瓦斯相當于惰性氣體。因此，瓦斯或者其它氣體含量較高的煤，由于其內(nèi)表面受到隔離（由于者其它氣體含量較高的煤，由于其內(nèi)表面受到隔離（由于煤層中的瓦斯壓力一般比大氣壓力高），氧氣不易與煤表煤層中的瓦斯

41、壓力一般比大氣壓力高），氧氣不易與煤表面發(fā)生接觸，也就不易同煤進行復(fù)合。即使氧氣能夠達到面發(fā)生接觸，也就不易同煤進行復(fù)合。即使氧氣能夠達到煤體，瓦斯的稀釋作用使氧氣濃度降低，使煤氧發(fā)生反應(yīng)煤體，瓦斯的稀釋作用使氧氣濃度降低，使煤氧發(fā)生反應(yīng)的強度降低，產(chǎn)生熱量的強度降低，煤發(fā)生自燃的危險性的強度降低，產(chǎn)生熱量的強度降低，煤發(fā)生自燃的危險性也相應(yīng)減小。一般認為，當煤中殘余瓦斯量大于也相應(yīng)減小。一般認為，當煤中殘余瓦斯量大于5m3/t時時，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤自燃性將會，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤自燃性將會提高，自然發(fā)火的危險性同一般的煤也就沒有區(qū)別了。因提高，自然發(fā)火

42、的危險性同一般的煤也就沒有區(qū)別了。因此，瓦斯含量也不應(yīng)該作為煤層自燃危險性的判斷標準。此，瓦斯含量也不應(yīng)該作為煤層自燃危險性的判斷標準。 v (二二) 外在因素外在因素v 1. 煤層地質(zhì)賦存條件煤層地質(zhì)賦存條件v 煤層地質(zhì)賦存條件主要是指煤層厚度、傾角、煤層埋藏深煤層地質(zhì)賦存條件主要是指煤層厚度、傾角、煤層埋藏深度、煤層的地質(zhì)構(gòu)造及圍巖性質(zhì)等。度、煤層的地質(zhì)構(gòu)造及圍巖性質(zhì)等。 v 較厚的煤層總的來說是一個增大火災(zāi)危險性的因素。開采較厚的煤層總的來說是一個增大火災(zāi)危險性的因素。開采厚煤層的礦井，內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生次數(shù)比開采中厚和薄煤層的厚煤層的礦井，內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生次數(shù)比開采中厚和薄煤層的礦井多。礦井多。

43、 v 煤層傾角對煤炭自燃也有重要影響，開采急斜煤層比開采煤層傾角對煤炭自燃也有重要影響，開采急斜煤層比開采緩斜煤層易自燃。因為傾角大的煤層受到地質(zhì)作用影響比緩斜煤層易自燃。因為傾角大的煤層受到地質(zhì)作用影響比較大，使得煤層在開采過程中比較容易破碎，形成的煤粒較大，使得煤層在開采過程中比較容易破碎，形成的煤粒度比較小。同時，傾角大的煤層頻繁發(fā)生自燃還因為急傾度比較小。同時，傾角大的煤層頻繁發(fā)生自燃還因為急傾斜煤層頂板管理困難，采空區(qū)不易充嚴，煤柱也不易保留斜煤層頂板管理困難，采空區(qū)不易充嚴，煤柱也不易保留，漏風大，上部已經(jīng)過一定時期的自燃準備的煤下滑。，漏風大，上部已經(jīng)過一定時期的自燃準備的煤下滑

44、。 v 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，包括斷層、褶曲發(fā)育地帶、巖漿入地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，包括斷層、褶曲發(fā)育地帶、巖漿入侵地帶，自然發(fā)火次數(shù)要多于煤層層位規(guī)則的地方。這是侵地帶，自然發(fā)火次數(shù)要多于煤層層位規(guī)則的地方。這是由于煤層受張拉、擠壓的作用，裂隙大量發(fā)生，破碎的煤由于煤層受張拉、擠壓的作用，裂隙大量發(fā)生，破碎的煤體吸氧條件好，氧化性能高。據(jù)四川芙蓉煤礦統(tǒng)計，巷道體吸氧條件好，氧化性能高。據(jù)四川芙蓉煤礦統(tǒng)計，巷道自燃火災(zāi)自燃火災(zāi)52發(fā)生在斷層附近。發(fā)生在斷層附近。v 煤層頂板的性質(zhì)也影響煤炭發(fā)生自燃過程。煤層頂板堅硬煤層頂板的性質(zhì)也影響煤炭發(fā)生自燃過程。煤層頂板堅硬，煤柱易受壓碎裂。堅硬頂板的采區(qū)空冒

45、落充填不密實，煤柱易受壓碎裂。堅硬頂板的采區(qū)空冒落充填不密實，冒落后有時還會形成與相鄰正在回采的采區(qū)，甚至地面連冒落后有時還會形成與相鄰正在回采的采區(qū)，甚至地面連通的裂隙，漏風無法杜絕，為自燃提供了條件，大同礦區(qū)通的裂隙，漏風無法杜絕，為自燃提供了條件，大同礦區(qū)的自燃就具有此特征。若頂板易于垮落，垮落后能夠嚴密的自燃就具有此特征。若頂板易于垮落，垮落后能夠嚴密地充填采空區(qū)并很快被壓實，火災(zāi)就不易形成，即使發(fā)生地充填采空區(qū)并很快被壓實，火災(zāi)就不易形成，即使發(fā)生，規(guī)模也不會很大。，規(guī)模也不會很大。 v2. 采掘技術(shù)因素采掘技術(shù)因素v采掘技術(shù)因素對自燃危險性的影響主要表現(xiàn)在采采掘技術(shù)因素對自燃危險性

46、的影響主要表現(xiàn)在采區(qū)回采速度、回采期、采空區(qū)丟煤量及其集中程區(qū)回采速度、回采期、采空區(qū)丟煤量及其集中程度、頂板管理方法、煤柱及其破壞程度、采空區(qū)度、頂板管理方法、煤柱及其破壞程度、采空區(qū)封閉難易等方面。封閉難易等方面。v好的開拓方式應(yīng)是少切割煤層，少留煤柱，礦壓好的開拓方式應(yīng)是少切割煤層，少留煤柱，礦壓的作用小，煤層的破壞程度低，所以巖石結(jié)構(gòu)的的作用小，煤層的破壞程度低，所以巖石結(jié)構(gòu)的開拓方式，如集中平硐、巖石大巷、石門分采區(qū)開拓方式，如集中平硐、巖石大巷、石門分采區(qū)開拓布置能減少自燃危險性。開拓布置能減少自燃危險性。 v3. 通風管理因素通風管理因素v只要能嚴密堵塞漏風通道，降低壓差，即可大

47、大只要能嚴密堵塞漏風通道，降低壓差，即可大大減少礦井的自燃發(fā)生。根據(jù)采場通風方式可以看減少礦井的自燃發(fā)生。根據(jù)采場通風方式可以看到，后退式到，后退式“U”型、型、“W”通風方式有利于防治通風方式有利于防治自燃，自燃，“Y”型和型和“Z”型通風方式易促進采空區(qū)型通風方式易促進采空區(qū)自燃。自燃。v開采自燃煤層時，合理的通風系統(tǒng)可以大大減少開采自燃煤層時，合理的通風系統(tǒng)可以大大減少或消除自然發(fā)火的供氧因素，無供氧蓄熱條件，或消除自然發(fā)火的供氧因素，無供氧蓄熱條件，煤是不會發(fā)生自燃的。所謂合理的通風系統(tǒng)是指煤是不會發(fā)生自燃的。所謂合理的通風系統(tǒng)是指：礦井通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，風網(wǎng)阻力適中；主要：礦井通風網(wǎng)

48、絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，風網(wǎng)阻力適中；主要通風機與風網(wǎng)匹配，通風設(shè)施布置合理，通風壓通風機與風網(wǎng)匹配，通風設(shè)施布置合理，通風壓力分布適宜。力分布適宜。 第四節(jié)第四節(jié) 煤低溫氧化特性煤低溫氧化特性 v 一、煤低溫氧化過程的耗氧特性一、煤低溫氧化過程的耗氧特性v 煤與氧接觸的開始階段，耗氧量比較低，主要是物理吸煤與氧接觸的開始階段，耗氧量比較低，主要是物理吸附與化學(xué)吸附耗氧；隨氧化溫度的上升，耗氧量逐漸增附與化學(xué)吸附耗氧；隨氧化溫度的上升，耗氧量逐漸增加，主要為化學(xué)反應(yīng)耗氧。加，主要為化學(xué)反應(yīng)耗氧。 v (一一) 煤對氧氣的吸附特性煤對氧氣的吸附特性v 1. 煤對氧氣的物理吸附特性煤對氧氣的物理吸附特性v 煤

49、與空氣中的氧氣在開始接觸時主要是物理吸附，吸附煤與空氣中的氧氣在開始接觸時主要是物理吸附，吸附力主要是范德華力力主要是范德華力(van der Waals)。物理吸附是放。物理吸附是放熱過程，吸附熱與氣體的液化熱相近，煤吸附氧的吸附熱過程，吸附熱與氣體的液化熱相近，煤吸附氧的吸附熱一般為熱一般為3.41kJ/mol。煤的物理吸附特性與煤的變質(zhì)。煤的物理吸附特性與煤的變質(zhì)程度具有一定的關(guān)系。隨著煤變質(zhì)程度由低到高，其對程度具有一定的關(guān)系。隨著煤變質(zhì)程度由低到高，其對氧氣的物理吸附能力經(jīng)歷了從大變小、從小變大、再從氧氣的物理吸附能力經(jīng)歷了從大變小、從小變大、再從大變小的特點。大變小的特點。圖圖2-

50、4-1 不同煤種對氧物理吸附能力的示意圖不同煤種對氧物理吸附能力的示意圖v2. 煤的化學(xué)吸附特性煤的化學(xué)吸附特性v發(fā)生化學(xué)吸附時吸附分子與固體表面間有某種化發(fā)生化學(xué)吸附時吸附分子與固體表面間有某種化學(xué)作用，即它們之間有電子的交換、轉(zhuǎn)移或共有學(xué)作用，即它們之間有電子的交換、轉(zhuǎn)移或共有，從而可導(dǎo)致原子的重排、化學(xué)鍵的形成與破壞，從而可導(dǎo)致原子的重排、化學(xué)鍵的形成與破壞?；瘜W(xué)吸附速度與化學(xué)反應(yīng)類似，吸附需活化能?；瘜W(xué)吸附速度與化學(xué)反應(yīng)類似，吸附需活化能，速度比較慢，屬單分子層吸附，而且是不可逆，速度比較慢，屬單分子層吸附，而且是不可逆的，有明顯的選擇性，解吸困難。吸附產(chǎn)生的熱的，有明顯的選擇性，解吸

51、困難。吸附產(chǎn)生的熱量較大，近似于反應(yīng)熱，煤的化學(xué)吸附熱一般為量較大，近似于反應(yīng)熱，煤的化學(xué)吸附熱一般為80420 kJ/mol。 v(二二) 煤的物理吸附氧的試驗煤的物理吸附氧的試驗v物理吸附氧是一個動態(tài)的過程，即一個氧分子或物理吸附氧是一個動態(tài)的過程，即一個氧分子或者氧原子不會長時間停留在煤表面，而是由物理者氧原子不會長時間停留在煤表面，而是由物理吸附向化學(xué)吸附過渡，化學(xué)吸附再向化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)吸附向化學(xué)吸附過渡，化學(xué)吸附再向化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化。但是在某一時刻，或者說在煤自燃過程某一化。但是在某一時刻，或者說在煤自燃過程某一溫度，煤體表面上總會通過物理吸附的方式使一溫度，煤體表面上總會通過物理吸附的方式

52、使一定量的氧附著在煤表面，可以視為靜止狀態(tài)，可定量的氧附著在煤表面，可以視為靜止狀態(tài)，可稱為靜態(tài)物理吸附氧。稱為靜態(tài)物理吸附氧。 v1. 不同吸附時間煤物理吸氧量不同吸附時間煤物理吸氧量v煤樣粒度為煤樣粒度為0.150.20mm，吸附環(huán)境溫度為，吸附環(huán)境溫度為30，控制煤吸附氧時間，得出煤物理吸附氧，控制煤吸附氧時間，得出煤物理吸附氧量隨時間的變化規(guī)律，如圖量隨時間的變化規(guī)律，如圖2-4-3所示。所示。 圖圖2-4-3 不同吸附時間煤物理吸氧量不同吸附時間煤物理吸氧量v測定結(jié)果表明，煤對氧的物理吸附過程非常之快測定結(jié)果表明，煤對氧的物理吸附過程非常之快，在數(shù)秒時間內(nèi)物理吸附就能夠達飽和吸氧量的

53、，在數(shù)秒時間內(nèi)物理吸附就能夠達飽和吸氧量的80左右，而后吸附速率急劇下降，如果不改左右，而后吸附速率急劇下降，如果不改變吸附條件，變吸附條件，1分鐘左右就基本能夠達到吸附平分鐘左右就基本能夠達到吸附平衡。當然這種平衡是一種動態(tài)的，即在吸附的同衡。當然這種平衡是一種動態(tài)的，即在吸附的同時也在解吸。時也在解吸。v從圖從圖2-4-3中也能反映出不同煤種的物理吸附特中也能反映出不同煤種的物理吸附特性。該試驗表明褐煤和無煙煤的吸附量最大，氣性。該試驗表明褐煤和無煙煤的吸附量最大，氣煤、肥煤則吸附量最少，氣肥煤介于這二者之間煤、肥煤則吸附量最少，氣肥煤介于這二者之間。 v2. 不同吸附溫度煤物理吸氧量不同

54、吸附溫度煤物理吸氧量圖圖2-4-4 不同環(huán)境溫度時的物理吸氧量不同環(huán)境溫度時的物理吸氧量v從圖從圖2-4-4可以得出，隨著溫度上升煤物理吸氧可以得出，隨著溫度上升煤物理吸氧量呈下降趨勢，且初始吸氧量大的物理吸氧量降量呈下降趨勢，且初始吸氧量大的物理吸氧量降值大，初始吸氧量不同的煤樣在某個溫度處的吸值大，初始吸氧量不同的煤樣在某個溫度處的吸氧量有可能相等或者極其接近。盡管在研究的溫氧量有可能相等或者極其接近。盡管在研究的溫度范圍內(nèi)，物理吸氧量與溫度的關(guān)系不是完全線度范圍內(nèi)，物理吸氧量與溫度的關(guān)系不是完全線性的，但卻表現(xiàn)出一定的線性特征，在更小的溫性的，但卻表現(xiàn)出一定的線性特征，在更小的溫度范圍內(nèi)

55、（如有的煤樣于度范圍內(nèi)（如有的煤樣于3050，有的于，有的于3060等）可以考慮分別用線性模型描述這種等）可以考慮分別用線性模型描述這種關(guān)系。關(guān)系。 v3. 不同粒度煤物理吸氧量不同粒度煤物理吸氧量圖圖2-4-5 不同粒度煤樣物理吸附氧氣量不同粒度煤樣物理吸附氧氣量v從圖從圖2-4-5可以得出，隨著煤粒度不斷變小，其可以得出，隨著煤粒度不斷變小，其吸氧量相應(yīng)增加，在粒徑為吸氧量相應(yīng)增加，在粒徑為0.109mm左右達最左右達最大值，而后逐漸下降，其中褐煤在粒度為大值，而后逐漸下降，其中褐煤在粒度為0.15mm以后的吸氧量變化比較明顯，這是由于以后的吸氧量變化比較明顯，這是由于褐煤變質(zhì)程度低，存在

56、大量的微小孔隙，這些孔褐煤變質(zhì)程度低，存在大量的微小孔隙，這些孔隙對物理吸附起到重要作用，一旦粒度太小之后隙對物理吸附起到重要作用，一旦粒度太小之后破壞了這些微孔隙結(jié)構(gòu)，那么其物理吸附能力反破壞了這些微孔隙結(jié)構(gòu)，那么其物理吸附能力反而有所下降。另外，隨著粒度變小，一方面增加而有所下降。另外，隨著粒度變小，一方面增加了煤與氧氣接觸的表面積，同時也增加了氧氣進了煤與氧氣接觸的表面積，同時也增加了氧氣進入煤體內(nèi)的阻力。入煤體內(nèi)的阻力。 v (三三) 煤低溫氧化階段的耗氧試驗煤低溫氧化階段的耗氧試驗v 為了獲取煤在低溫氧化階段的化學(xué)吸附、特別是化學(xué)反為了獲取煤在低溫氧化階段的化學(xué)吸附、特別是化學(xué)反應(yīng)的

57、耗氧量，研制了煤自燃特性測試系統(tǒng)，如圖應(yīng)的耗氧量，研制了煤自燃特性測試系統(tǒng)，如圖2-4-6圖圖2-4-7所示。該系統(tǒng)的主體部分是控溫箱和參數(shù)控所示。該系統(tǒng)的主體部分是控溫箱和參數(shù)控制系統(tǒng)?？販叵鋬?nèi)壁為不銹鋼材質(zhì)，在內(nèi)壁和外殼之間制系統(tǒng)?？販叵鋬?nèi)壁為不銹鋼材質(zhì)，在內(nèi)壁和外殼之間裝設(shè)有一道石棉保溫層，能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫、程序升溫兩種裝設(shè)有一道石棉保溫層，能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫、程序升溫兩種運行方式，其可控溫度范圍為室溫運行方式，其可控溫度范圍為室溫350，控溫精度，控溫精度為為0.5?？赏ㄟ^參數(shù)控制系統(tǒng)對氣體流量、溫度及控。可通過參數(shù)控制系統(tǒng)對氣體流量、溫度及控溫方式、氧化時間等條件進行控制。為了測得煤在氧化溫方

58、式、氧化時間等條件進行控制。為了測得煤在氧化升溫過程中的氧氣消耗量，同時也對低溫氧化階段的產(chǎn)升溫過程中的氧氣消耗量，同時也對低溫氧化階段的產(chǎn)物進行測試，設(shè)計了含有進出氣口的較封閉的煤樣罐，物進行測試，設(shè)計了含有進出氣口的較封閉的煤樣罐，該罐的有關(guān)技術(shù)特征參數(shù)及外觀如圖該罐的有關(guān)技術(shù)特征參數(shù)及外觀如圖2-4-8所示。所示。 圖圖2-4-6 煤低溫氧化測試系統(tǒng)煤低溫氧化測試系統(tǒng)圖圖2-4-7 裝置實物外觀圖裝置實物外觀圖圖圖2-4-8 煤低溫氧化測試系統(tǒng)中的煤樣罐煤低溫氧化測試系統(tǒng)中的煤樣罐v 將裝有將裝有50g煤樣的傳熱罐置于程序控溫箱中，先向煤樣罐通入干煤樣的傳熱罐置于程序控溫箱中，先向煤樣罐

59、通入干空氣（氧氣濃度為空氣（氧氣濃度為20.96%），然后采用程序升溫，表），然后采用程序升溫，表2-4-2是對我國一些礦區(qū)各主要煤種類型在低溫氧化階段（是對我國一些礦區(qū)各主要煤種類型在低溫氧化階段（40-70）時的氧氣消耗量的測試結(jié)果。）時的氧氣消耗量的測試結(jié)果。 表表2-4-2 不同煤樣在各溫度下的氧氣濃度值不同煤樣在各溫度下的氧氣濃度值(單位：單位：%)v從該表中可看出，隨著溫度的升高，耗氧量是逐從該表中可看出，隨著溫度的升高，耗氧量是逐步增加的（出口氣體中氧氣含量逐步減?。?。對步增加的（出口氣體中氧氣含量逐步減?。?。對于易自燃的低變質(zhì)程度的煤，耗氧量大；對于不于易自燃的低變質(zhì)程度的煤，

60、耗氧量大；對于不易自燃的高變質(zhì)程度的煤，則耗氧量少。因此，易自燃的高變質(zhì)程度的煤，則耗氧量少。因此，通過測試煤在低溫階段的耗氧量大致能夠反映出通過測試煤在低溫階段的耗氧量大致能夠反映出煤的自燃傾向性。煤的自燃傾向性。v圖圖2-4-9則為幾個典型煤種（龍口北皂礦的褐煤則為幾個典型煤種（龍口北皂礦的褐煤、棗莊柴里礦的氣煤、淮南潘一礦的氣肥煤、淮、棗莊柴里礦的氣煤、淮南潘一礦的氣肥煤、淮北百善礦的無煙煤）從常溫到較高溫度條件下其北百善礦的無煙煤）從常溫到較高溫度條件下其耗氧量與溫升關(guān)系的試驗結(jié)果。耗氧量與溫升關(guān)系的試驗結(jié)果。 2040608010012014016018020022024001020