井下遗煤自燃的影响因素分析与研究

张立红

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

井下遗煤自燃的影响因素分析与研究

张立红1,2

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

针对井下遗煤自燃问题，结合大量相关研究，总结了影响井下遗煤自燃的六个因素：煤的氧化能力、所在空气中的氧浓度、风速、破碎及堆积状态、蓄热条件、孕育时间。概括了井下遗煤自燃的发生机理，分析了各因素间的相互关系，为井下现场综合防治遗煤自燃奠定基础。

井下；遗煤；自燃

1 遗煤自燃规律的研究现状

矿井火灾是煤矿主要灾害之一，常常威胁着井下的安全生产。据统计全国统配和重点煤矿中，有自燃发火危险的矿井约占47%[1]。国内外学者对井下遗煤自燃规律进行研究，将影响遗煤自燃的因素进行科学分析。闫玉岗等人将风速及氧浓度对遗煤自燃的影响进行分析，提出采用上限风速与下限氧浓度相结合的方法，判定遗煤自燃的区域更加可靠[2]。研究表明，自燃发火期与煤质氧化能力有关，煤的氧化能力决定了自燃发火期的长短，并有显著的反比例关系[3]。遗煤自燃实质上是传热、传质相互作用的结果，是漏风供氧和氧化耗氧之间的平衡[4]。研究表明，遗煤自燃与风速有关，即不自燃带：V>0.004m/s；可能自燃带：V=0.0016m/s～0.004m/s；窒息带：V<0.0016m/s[5]。煤氧复合理论表明，遗煤自燃是煤氧化放热与环境散热这对矛盾动态发展的过程，当氧化放热速率大于散热速率时煤温升高，煤温升高又引起氧化放热速率增大，热量不断积聚，最终导致自燃[6]。但是，目前的研究现状尚未将遗煤自燃规律系统地阐释出来，致使现场防治遗煤自燃经常顾此失彼。当前，紧迫的任务是把各种影响因素及其相互关系进行系统分析，为现场防治遗煤自燃奠定基础。

2 遗煤自燃的影响因素

图1遗煤发生自燃的条件图

本文将遗煤自燃的影响因素归纳为下列方面，见图1。（1）煤的氧化能力。主要受煤的分子结构、煤化程度、煤岩成分、煤中的瓦斯含量、水分、煤中硫、其他矿物质的影响[7]。煤的氧化能力决定了自燃发火期的长短，并与其有显著的反比例关系。（2）所在空气中的氧浓度。根据煤炭科学研究总院重庆分院的实验研究，不同氧化性的煤在供氧浓度≥5%～6%时，可能在其着火温度前激烈氧化升温，有发火危险性[8]。因此，遗煤所在空气中的氧浓度≥5%时，才有自燃的可能性。（3）风速。当风速在0.0016m/s～0.004m/s范围内时，遗煤才有自燃性。风速过大，会使散热过快，难于蓄积热量；风速过小，导致供氧不足。（4）破碎及堆积状态。遗煤发生自燃须呈破碎状态且堆积厚度常大于0.4m[7]。（5）蓄热条件。遗煤氧化时产生的热量必须逐渐积累，并使温度升高，遗煤方可自燃。（6）孕育时间。上述五个因素都符合遗煤自燃条件，并且共存的时间要大于煤的自燃发火期；也就是说，遗煤自燃的孕育时间必须达到要求，才能发生自燃。

3 遗煤自燃的因素之间的相互影响关系

（1）风速影响着所在空气中的氧浓度及蓄热条件：风速大时，对空气中的氧浓度具有促进作用，但会抑制蓄热条件。风速在0.0016m/s～0.004m/s之间时，遗煤才能发生自燃。在特定的煤的氧化能力、氧浓度、破碎及堆积状态下，必定存在着一个遗煤最易自燃的风速值。

（2）煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比：

式中：dm为单位质量煤在dt时间内吸氧量，m L/k g；U为吸氧速度常数，m L/k g；C为空气中的氧浓度，%。

①在温度不变条件下，吸氧速度常数随时间按指数规律衰减：

式中：U1为在 t=1h内的吸氧速度常数，m L/(k g·h)；H为在对数坐标中直线方程倾角的正切，它表示吸氧速度随时间衰减的速度。

②吸氧速度常数U与煤自身温度之间符合幂函数关系

式中：U为温度为t℃时的吸氧速度常数，m L/（k g·h）；U0为温度为 t0℃时的吸氧速度常数，m L/（k g·h）；B为比例常数，1/℃；其物理意义是吸氧速度随温度增加的速度[7]。

（3）煤的破碎及堆积状态对蓄热条件有很大的影响：堆积厚度一般要大于0.4m，才有自燃所需蓄热；并且只有呈破碎状态的煤，才有足够的表面积与氧气反应。

4 结束语

煤矿井下遗煤自燃机理复杂，影响因素众多，本文将其影响因素总结为六个因素：煤的氧化能力、所在空气中的氧浓度、风速、破碎及堆积状态、蓄热条件、孕育时间。各因素之间尚有相互影响，并且每个因素必须满足特定的条件，才能导致遗煤自燃。但是，井下防治遗煤自燃的工作应该着手于所有因素，只有这样，个别因素的失误才不会引起遗煤自燃事故。不过，由于井下环境的复杂性，关于各因素对遗煤自燃的定量化影响，以及各因素间的函数约束关系，尚待进一步研究。

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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

张立红（1982—），男，山西左权人，在读工程硕士研究生，助理工程师，从事煤炭采掘技术研究工作。

徐树文