塔山特厚易自燃煤層影響因素分析

蘇娟

（同煤集團(tuán)技師學(xué)院，山西大同 037003）

塔山特厚易自燃煤層影響因素分析

蘇娟

（同煤集團(tuán)技師學(xué)院，山西大同 037003）

煤自燃產(chǎn)生的危害是長(zhǎng)久以來伴隨煤礦生產(chǎn)的重大隱患，特厚煤層開采尤為突出，以塔山礦為例分析煤自燃機(jī)理與影響因素，控制災(zāi)害的發(fā)生，具有現(xiàn)實(shí)意義。

特厚煤層；自燃；分子結(jié)構(gòu)

煤自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象。隨著近年來特厚煤層放頂煤開采技術(shù)日漸成熟，煤自燃這一現(xiàn)象在特厚煤層開采中尤為顯現(xiàn)。塔山礦C3-5號(hào)層煤，平均煤厚達(dá)到12 m，使用ZF15000架型開采，具有自燃傾向性。而塔山礦平均工作面走向長(zhǎng)度均達(dá)到2 000 m，開采時(shí)間長(zhǎng)，容易引起煤層自燃，造成不安全生產(chǎn)，因此深入研究易自燃特厚煤層自燃影響因素，了解特厚煤層自燃的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上制訂相應(yīng)的自燃防治措施，顯得十分重要。

1 特厚煤層自燃機(jī)理

煤炭的自燃[1]是經(jīng)過某些物理、化學(xué)反應(yīng)交互作用的過程。煤氧復(fù)合作用作為主流觀點(diǎn)得到了認(rèn)可，圖1是煤自燃過程溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線圖。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出無論煤層厚度的多少，煤自燃過程大致都可分為三個(gè)階段：潛伏期（準(zhǔn)備期）、自熱期、燃燒期；潛伏期的發(fā)生以煤氧之間的物理吸附為主，影響潛伏期快慢的內(nèi)因有煤的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、煤顆粒粒度，外因包括堆積或堆壘狀態(tài)和風(fēng)量；自熱期的發(fā)生以煤氧化之間的化學(xué)反應(yīng)為主，表現(xiàn)為反應(yīng)加快、熱量累計(jì)、溫度緩慢升高；燃燒期的發(fā)生與否主要以通風(fēng)條件為主，適合的氧氣供給為燃燒提供了條件。

2 特厚煤層自燃影響因素分析

1）煤質(zhì)。煤的碳化程度和揮發(fā)分作為主要因素影響煤的自燃。碳化程度越低，含碳量越少，揮發(fā)份越大者，自燃性就越高。反之就越高。塔山礦屬于石炭二疊紀(jì)煤層，煤質(zhì)不如侏羅系煤層，碳化程度較低，揮發(fā)份大，故易于自燃。究其深層次原因?yàn)樘蓟潭鹊偷拿狠^碳化程度高的煤氧化反應(yīng)熱量更多。

2）分子結(jié)構(gòu)。煤是由不同的官能團(tuán)和多種化學(xué)鍵結(jié)合的大分子物質(zhì)，究其自燃的本質(zhì)原因是與煤的分子結(jié)構(gòu)分不開的，研究表明煤自燃是否會(huì)發(fā)生與煤表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量和種類，以及煤的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，含氧官能團(tuán)增加，孔隙度變大，分子結(jié)構(gòu)變得松散，越易自燃[2]。而且煤中的次甲基醚鍵、α位碳原子帶羥基和帶支鏈亞甲基的次烷基鍵、與兩個(gè)芳環(huán)相連的次甲基鍵等均為自燃的活性結(jié)構(gòu)。

3）水分。塔山特厚煤層開采，一般會(huì)預(yù)先給煤層注水，一來為了弱化煤的力學(xué)性質(zhì)，增加頂煤回收率，二來為了抑制煤層瓦斯的涌出和粉塵。卻忽略了水分對(duì)于煤自燃的影響，有關(guān)研究表明，煤中水分在一定范圍內(nèi)一方面可以起到加速氧化的作用，另一方面會(huì)起到阻化的作用。沾水后又重新干燥的煤較干燥的煤活化能增強(qiáng)，更易自燃。甚至有研究認(rèn)為在潛伏期內(nèi)引起溫度上升不是放熱而是由水分引起的。

4）硫分。具有強(qiáng)烈的氧化還原性質(zhì)，易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成熱量，可作為煤自燃的催化劑，提高煤的自燃氧化速率，而含硫量超過3%時(shí)，無論何種煤質(zhì)，包括無煙煤均為自燃傾向性較大的煤層。

5）灰分。煤中灰分具有強(qiáng)耐火性，也會(huì)減少氧化程度，降低發(fā)熱量，延長(zhǎng)潛伏期時(shí)間，減緩自燃的發(fā)生速率。但目前還未有相關(guān)研究表明煤?jiǎn)适ё匀寂c灰含量的關(guān)系。

6）粒度。粒徑對(duì)煤的自燃影響有三方面：a.煤的熱傳導(dǎo)性由粒度的大小決定，粒徑越小熱傳導(dǎo)性越強(qiáng)，自燃的發(fā)生率也越高；b.粒徑越小比表面積越大，發(fā)生反應(yīng)所需的活化能越小，越易自燃；c.粒徑越大比表面積越小，氧化儲(chǔ)熱量越小，越不易自燃。

3 塔山采空區(qū)自燃規(guī)律

塔山礦采用全部垮落法處理頂板，采空區(qū)自燃規(guī)律分為三個(gè)帶，見圖2。

Ⅰ為冷卻帶。在冷卻帶[3]內(nèi)由于浮煤厚度具備自燃條件，但此處巖石及浮煤尚未壓實(shí)，空隙較大，導(dǎo)致風(fēng)速?gòu)?qiáng)，散熱強(qiáng)，熱量不宜儲(chǔ)存，很難發(fā)生自燃。特厚煤層冷卻帶一般長(zhǎng)度為2～7 m。

Ⅱ?yàn)檠趸瘞?。隨著工作面的推進(jìn)，跨落下的頂板巖石與浮煤結(jié)合緊密，空隙變小，風(fēng)流穩(wěn)定流動(dòng)，散熱差，熱量易積聚，容易自燃。特厚煤層冷卻帶一般長(zhǎng)度為26～60 m。

Ⅲ為窒息帶。風(fēng)流減緩速度隨著開采時(shí)間逐漸下降，在此帶內(nèi)，氧氣濃度低至無法自燃，也成為自燃的隔絕帶。

4 結(jié)束語(yǔ)

深入了解塔山特厚煤層自燃規(guī)律，得出影響自燃因素的6個(gè)條件，總結(jié)出塔山采空區(qū)自燃規(guī)律，為進(jìn)一步防止煤層自燃做好前期準(zhǔn)備。

[1]徐精彩，張辛亥，文虎.煤層自燃膠體防滅火理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2]彭本信.應(yīng)用熱分析技術(shù)研究煤的氧化自燃過程[J].煤炭工程師，1992(2):l-10.

[3]陳全，王省身.綜放采場(chǎng)自然發(fā)火規(guī)律及注氮防滅火技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996，21(6):618-623.

Factor Analysis of Spontaneous Combustion of Extra-thick Coal Seam in Tashan Mine

SU Juan
(Technician College，Datong Coal Mine Group，Datong 037003，China)

Coal spontaneous combustion has so long been a major hidden danger in coal mine production，especially in the mining of extra-thick coal seam.Taking Tashan mine as an example，the mechanism and factors of the spontaneous combustion are studied to prevent its occurrence，which is practically significant.

extra-thick coal seam;spontaneous combustion;molecular structure

TD724

A

1672-5050（2015）02-0085-02

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.027

（編輯：樊敏）

2015-01-27

蘇娟（1986-），女，山西晉中人，碩士，助理講師，從事礦山安全高效開采研究工作。