井下遺煤自燃的影響因素分析與研究

張立紅

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；2.山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

井下遺煤自燃的影響因素分析與研究

張立紅1,2

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；2.山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

針對井下遺煤自燃問題，結合大量相關研究，總結了影響井下遺煤自燃的六個因素：煤的氧化能力、所在空氣中的氧濃度、風速、破碎及堆積狀態、蓄熱條件、孕育時間。概括了井下遺煤自燃的發生機理，分析了各因素間的相互關系，為井下現場綜合防治遺煤自燃奠定基礎。

井下；遺煤；自燃

1 遺煤自燃規律的研究現狀

礦井火災是煤礦主要災害之一，常常威脅著井下的安全生產。據統計全國統配和重點煤礦中，有自燃發火危險的礦井約占47%[1]。國內外學者對井下遺煤自燃規律進行研究，將影響遺煤自燃的因素進行科學分析。閆玉崗等人將風速及氧濃度對遺煤自燃的影響進行分析，提出采用上限風速與下限氧濃度相結合的方法，判定遺煤自燃的區域更加可靠[2]。研究表明，自燃發火期與煤質氧化能力有關，煤的氧化能力決定了自燃發火期的長短，并有顯著的反比例關系[3]。遺煤自燃實質上是傳熱、傳質相互作用的結果，是漏風供氧和氧化耗氧之間的平衡[4]。研究表明，遺煤自燃與風速有關，即不自燃帶：V>0.004m/s；可能自燃帶：V=0.0016m/s～0.004m/s；窒息帶：V<0.0016m/s[5]。煤氧復合理論表明，遺煤自燃是煤氧化放熱與環境散熱這對矛盾動態發展的過程，當氧化放熱速率大于散熱速率時煤溫升高，煤溫升高又引起氧化放熱速率增大，熱量不斷積聚，最終導致自燃[6]。但是，目前的研究現狀尚未將遺煤自燃規律系統地闡釋出來，致使現場防治遺煤自燃經常顧此失彼。當前，緊迫的任務是把各種影響因素及其相互關系進行系統分析，為現場防治遺煤自燃奠定基礎。

2 遺煤自燃的影響因素

圖1遺煤發生自燃的條件圖

本文將遺煤自燃的影響因素歸納為下列方面，見圖1。（1）煤的氧化能力。主要受煤的分子結構、煤化程度、煤巖成分、煤中的瓦斯含量、水分、煤中硫、其他礦物質的影響[7]。煤的氧化能力決定了自燃發火期的長短，并與其有顯著的反比例關系。（2）所在空氣中的氧濃度。根據煤炭科學研究總院重慶分院的實驗研究，不同氧化性的煤在供氧濃度≥5%～6%時，可能在其著火溫度前激烈氧化升溫，有發火危險性[8]。因此，遺煤所在空氣中的氧濃度≥5%時，才有自燃的可能性。（3）風速。當風速在0.0016m/s～0.004m/s范圍內時，遺煤才有自燃性。風速過大，會使散熱過快，難于蓄積熱量；風速過小，導致供氧不足。（4）破碎及堆積狀態。遺煤發生自燃須呈破碎狀態且堆積厚度常大于0.4m[7]。（5）蓄熱條件。遺煤氧化時產生的熱量必須逐漸積累，并使溫度升高，遺煤方可自燃。（6）孕育時間。上述五個因素都符合遺煤自燃條件，并且共存的時間要大于煤的自燃發火期；也就是說，遺煤自燃的孕育時間必須達到要求，才能發生自燃。

3 遺煤自燃的因素之間的相互影響關系

（1）風速影響著所在空氣中的氧濃度及蓄熱條件：風速大時，對空氣中的氧濃度具有促進作用，但會抑制蓄熱條件。風速在0.0016m/s～0.004m/s之間時，遺煤才能發生自燃。在特定的煤的氧化能力、氧濃度、破碎及堆積狀態下，必定存在著一個遺煤最易自燃的風速值。

（2）煤的吸氧速度與所在空氣中的氧濃度成正比：

式中：dm為單位質量煤在dt時間內吸氧量，m L/k g；U為吸氧速度常數，m L/k g；C為空氣中的氧濃度，%。

①在溫度不變條件下，吸氧速度常數隨時間按指數規律衰減：

式中：U1為在 t=1h內的吸氧速度常數，m L/(k g·h)；H為在對數坐標中直線方程傾角的正切，它表示吸氧速度隨時間衰減的速度。

②吸氧速度常數U與煤自身溫度之間符合冪函數關系

式中：U為溫度為t℃時的吸氧速度常數，m L/（k g·h）；U0為溫度為 t0℃時的吸氧速度常數，m L/（k g·h）；B為比例常數，1/℃；其物理意義是吸氧速度隨溫度增加的速度[7]。

（3）煤的破碎及堆積狀態對蓄熱條件有很大的影響：堆積厚度一般要大于0.4m，才有自燃所需蓄熱；并且只有呈破碎狀態的煤，才有足夠的表面積與氧氣反應。

4 結束語

煤礦井下遺煤自燃機理復雜，影響因素眾多，本文將其影響因素總結為六個因素：煤的氧化能力、所在空氣中的氧濃度、風速、破碎及堆積狀態、蓄熱條件、孕育時間。各因素之間尚有相互影響，并且每個因素必須滿足特定的條件，才能導致遺煤自燃。但是，井下防治遺煤自燃的工作應該著手于所有因素，只有這樣，個別因素的失誤才不會引起遺煤自燃事故。不過，由于井下環境的復雜性，關于各因素對遺煤自燃的定量化影響，以及各因素間的函數約束關系，尚待進一步研究。

[1]魯來祥，余明高，常緒華，等.Gm(1，1)模型在高冒區遺煤自燃釋放C O量預測中的應用[J].煤礦安全，2010，1423:36-38.

[2]閆玉崗，尹彬，賈寶山，等.不同劃分指標采空區遺煤自燃“三帶”的分布研究[J].山西焦煤科技，2012(3):20-22.

[3]李宗翔.采空區遺煤自燃過程及其規律的數值模擬研究[J].中國安全科學學報，2005，15(6):15-19.

[4]屈揚.高冒區遺煤自燃綜合防治技術研究[J].煤炭科學技術，2009，37(9):34-37.

[5]楊勝強，張人偉，邸志乾，等.綜采面采空區自燃三帶的分布規律研究[J].中國礦業大學學報，2000，29(1):93-96.

[6]鮑慶國，文虎，王秀林，等.煤自燃理論及防治技術[M].北京:煤炭工業出版社，2002.

[7]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

[8]劉士春，王衛國.簡放工作面供風量與采空區遺煤自燃危險性研究[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版)，2009，17(6):79-83.

Factor Analysis of Left Coal Spontaneous Combustion

ZHANG Li-hong1,2
(1.China University of Mining, Xuzhou Jiangsu 221116;2.Shanxi Xinjin Mine Coal Co., Yangquan Shanxi 045000)

Through the examination of relevant studies, left coal spontaneous combustion in the pit issummarized into six factors. The mechanism is generalized. Besides, the relationship between the factors isstudied to lay the basis for the comprehensive control on the left coal spontaneous combustion.

underground; left coal; spontaneous combustion

T D 75+2.2

A

2012-09-10

張立紅（1982—），男，山西左權人，在讀工程碩士研究生，助理工程師，從事煤炭采掘技術研究工作。

徐樹文