新疆大南湖北露天勘探區煤層自燃因素初探

張 虎，李東慧，張 暉，王麗娜

1.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東泰安 271000 2.山東省煤田地質局第五勘探隊，山東泰安 271000

1 國內煤礦煤層自燃情況

據不完全統計，目前我國國有大中型煤礦，自然發火危險礦井已經占到60%，因煤自燃導致的經濟損失達42億以上。煤的自燃，不僅浪費煤炭資源，還嚴重污染環境，破壞生態平衡。煤層自燃釋放的大量有害氣體，污染大氣，影響生命健康。煤礦火災中，自燃發火要占到70%以上，國內一些自燃發火嚴重的礦區，如撫順、鶴崗、窯街、義馬、淮南、六枝等地均在80%～90%以上。

2 研究區煤層的自燃傾向性等級測定

研究區位于新疆哈密市西南，距哈密市區約84km。區內煤炭資源豐富，煤層埋藏較淺、剝采比較小、開發條件優越，適宜露天開采。哈密魯能煤電化開發有限公司近期將對該區展開露天煤礦的規劃、建設工作，設計能力為2 000萬t/a，首采區位于井田東部，面積5.48km2，生產剝采比3.75m3/t，均衡期20年。

在北露天勘探中，為查明區內煤層的自然發火等級，共采取煤樣134件進行煤的自燃傾向性實驗。煤的自燃傾向性，即煤在常溫下氧化能力的內在屬性。吸氧量是指煤在常溫、常壓下，每克干煤吸附流態氧的量，是判斷煤層自燃傾向性的主要指標。樣品實驗采用色譜吸氧鑒定法（MT/T707—1997）[3]，測試結果顯示：各主要煤層所測樣點的吸氧量兩極值變化在0.32ml/g～1.11ml/g，根據煤的自燃傾向性等級劃分標準，各煤層均為I、II類容易自燃～自燃發火煤層，見表1所示。

3 影響煤層自燃的主要因素

3.1 煤層自燃是由其化學組成及結構決定的

煤層自燃主要是因為煤在常溫下吸附空氣中的氧分子并與其發生氧化作用，產生熱量的一種地質現象。煤的主要成分是碳，煤炭是古代植物埋藏在地下經歷了復雜的生物化學和物理化學變化，逐漸形成的固體可燃性礦物。煤有很大的表面積及吸附能力，煤分子中的活性基團與吸附的氧分子發生化學反應，產生熱量，當熱量累積到一定程度，釋放出大量熱，從而使煤溫度急劇上升，當達到燃點時，引起煤的自燃。不同的煤巖組分，受氧化的難易程度也不同。絲炭是植物的木質纖維組織，燃點為230℃；鏡煤中富氫的活性基團雖多于絲炭，但燃點反高于絲炭，為274℃；但兩者混合后，燃點僅為210℃左右，極易自燃。另外，煤層中的磷、硫等化學物質，也是助燃物質，極易發生氧化反應，釋放大量的熱，促進煤層燃燒。

表1 煤自燃傾向性測試成果表注：Ⅰ類為容易自燃發火煤層；Ⅱ類為自燃發火煤層；Ⅲ類為不易自燃發火煤層。

3.2 圍巖、煤層厚度、產狀及地下水對煤層自燃的影響

煤層自燃后產生的熱量，主要以傳導和對流方式向四周擴散，其影響范圍與煤層自燃區規模大小和圍巖的熱傳導性有關。煤層頂板巖石形成燒變巖，引起裂隙發育，而發育的裂隙又為深部煤層的進一步自燃提供氧氣通道，煤層自燃便逐漸向縱深發展。在本次勘探的礦區東南部及中北部有兩處古火燒區，從火燒區邊界向露頭方向，煤層呈楔形變薄直至尖滅。據現場鉆孔揭露，燃燒后的殘煤，物理性質發生明顯變化，顏色變淺、強度變弱。而厚度大的煤層，在氧化過程中產生大量的熱量，更易于積累，使煤層自燃的可能性增加；煤層傾角緩，煤層燃燒后易于沿傾向擴展。地表水及地下水對煤層自燃有一定的抑制作用，故一般煤層自燃主要發生在潛水位以上。

3.3 溫度對煤層自燃的影響

該區屬大陸干旱荒漠氣候，全年日照時數在3 350小時以上。試驗證明，當溫度在30℃～100℃時，每增加10℃，氧化速度增加2.2倍，如果達到70℃以后，氧化則加速進行，很快便可達到燃點。外界的熱源和散熱條件差也能促進煤的自燃。

4 對研究區煤層自燃發火的防范措施

嚴格按照設計工藝開采，特別注意邊坡穩定性；重視日常安全管理，置備檢測儀，發現煤層自燃跡象時，及時預警；合理利用區內地下水，區內地下水經采樣化驗，礦化度為16.5g/L～48.1g/L，不適宜飲用及農業灌溉，可用來滅火。建立泵站及輸水管路，采取水澆滅火。

5 結論

煤層自燃是一個復雜的物理、化學和環境作用過程，是多種內在原因和外在條件綜合作用的結果。本文探討了新疆哈密市大南湖北露天勘探區，煤層自燃發火的各種內在和外在原因。這些因素主要包括日照時間長，露天開采，水分散失快，氧化過快。煤的自燃，影響其開采，存儲和運輸，并可能造成不必要的生命及財產損失，應引起足夠重視。

[1]張建民.中國北方地區煤層自燃環境影響及治理對策研究[J].中國減災，1998，8.

[2]張國樞.礦井通風[M].中國礦業大學出版社，2000.

[3]黃春慧.新疆哈密市大南湖礦區北露天煤礦勘探報告，2009，11.

[4]煤礦安全規程.中華人民共和國能源，1992-10-22.

[5]徐妙枝.煤的燃燒變質作用與煤層自燃特征[J].西部資源，2007，5.