神东矿区大采高易自燃煤层自燃因素及分析——以察哈素煤矿3-1煤层为例

王玉怀 尹义超 霍忠锋 钱国栋 冯建生 芮国相

(1.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市，101601； 2.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209)

神东煤田位于陕西省榆林市北部和内蒙古自治区鄂尔多斯市南部，是目前我国探明面积最大、储量最多、综合煤质指标相对较好的煤田，被誉为世界七大煤田之一。神东煤田生产矿井开采煤层多为易自燃煤层，尤以近距离煤层群及大采高易自燃煤层采空区自然发火较为严重。为了掌握大采高易自燃煤层的自然发火机理，以察哈素煤矿3-1煤层为例，研究了影响该煤层自燃特征的内在因素及不同因素的影响权重。

察哈素煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗，井田南北走向长13.83 km，东西倾斜宽12.02 km，面积157.95 km2。矿井设计可采储量1833.809 Mt，矿井设计生产能力10.0 Mt/a。3-1煤层为察哈素煤矿主采煤层，煤层厚度2.05～7.15 m，平均为5.25 m；煤层倾角平缓，一般为1°；煤种属不粘煤和少量长焰煤，是良好的民用和动力用煤。煤层瓦斯含量低，属易自燃煤层，自然发火期37 d，同时煤尘具有爆炸性。由于煤层自然发火倾向严重，防治煤层自然发火是煤矿开采过程中的首要任务。

1 3-1煤层自燃影响因素

煤炭自燃影响因素分内因和外因。煤炭自燃的外因包括漏风强度、温度、地质因素、工作面推进速度、煤层厚度等因素。煤炭自燃内因是最根本的原因，研究煤炭自燃应从煤炭本身是否具有自燃倾向性以及外界因素是否有利两方面考虑。本文主要侧重煤炭自燃内因的分析。根据本矿区煤质特性及煤层赋存特征，确定主要影响煤炭自燃的内在因素为煤化程度、煤岩成分、含水量、含硫量、煤层孔隙特性、煤层瓦斯含量等。

图1 3-1煤层自燃内在影响因素

2 各因素对3-1煤层自燃的影响

察哈素煤矿3-1煤层工业分析及煤质参数：挥发分34.32%，水分7.46%，灰分3.75%，硫分0.66%，固定碳57.31%，碳含量77.85%，氢含量5.47%，氮含量0.91%，氧含量12.02%。

2.1 硫的影响

煤中硫的存在能增加煤的自燃倾向性，煤中硫对自燃影响较大的主要是黄铁矿，黄铁矿遇湿极易被氧化，而且黄铁矿与煤吸附等量的氧气时，其温度的增值比煤大3倍。黄铁矿被氧化产生的硫酸具有强氧化性和酸性，加速了煤的自燃，在有硫杆菌类细菌存在时，整个反应将大幅加快。黄铁矿被氧化时体积增大，对煤体具有胀裂作用，能使煤体裂隙扩张和增多，导致氧气渗入。3-1煤层中含硫量为0.66%，但存在黄铁矿薄膜及结核，具有一定脆性，因此自燃的危害性增加。

2.2 水分的影响

在察哈素煤矿31303工作面采集煤样进行煤样分析测试。测试结果表明，3-1煤层煤炭中含有7.46%的水分，这些水分对煤层的自燃和氧化表现在两个方面：一方面，水分影响氧气在煤表面的传递和吸附，蒸发时带走热量，进而降低煤氧反应速率，抑制煤的自燃；另一方面，水分的存在对煤自燃起催化作用，煤中高分子结构通常含有醛基、羟基等极性基团，发生水解时，放出润湿热。水分蒸发后，煤中形成了大量的孔隙和裂隙，氧气更易到达煤体内部，大幅增加了煤氧反应面积，加速煤的自燃。

2.3 煤化程度的影响

煤化程度是影响煤自热自燃的重要因素，其影响表现在：煤炭自燃倾向性随着煤的变质程度增高而降低，挥发分越高，煤炭自燃性就越高。随着煤化程度的增大，结构单元中芳香环数增加，结构致密，对气态氧较活泼的侧链和含氧官能团减少甚至消失，煤的抗氧化能力增强。据统计，中国北方55个煤田或矿区中，由中低变质煤构成的煤田火灾占90%。

在察哈素煤矿31303工作面采集煤样进行了煤化程度的镜质体反射率测试。镜质体主要是由芳香稠环化合物组成，随着煤化程度的增大，芳香结构的缩合程度也加大，这就使得镜质体的反射率增大。测定结果如表1和图2所示。按照《镜质体反射率的煤化程度分级》(MT/T1158-2011)，镜质体反射率处于0.5%≤Rmax<0.6%时，属于中级煤Ⅰ。地质资料显示，3#煤层以不粘煤(BN31)为主，长焰煤零星分布。

表1 镜质体反射率测定统计数据表

反射率的平均值Rran=0.50%，标准差S=0.083%

图2 测值分布频率直方图

煤的着火点高低主要与煤化程度有关。一般规律是挥发分越高的煤，着火点越低。所以从不同煤化程度来看，泥炭的燃点最低，其次是褐煤和烟煤，无烟煤的燃点最高。在烟煤中以煤化程度最低的长焰煤和不粘煤的燃点最低，其次是气煤、肥煤和焦煤，瘦煤和贫煤的燃点最高。察哈素煤矿3-1煤层煤种属不粘煤和少量长焰煤，燃点较低。

2.4 煤岩组分的物化性质对煤自燃的影响

不同煤岩组分煤的着火点温度不同，体现了煤不同的自燃倾向。镜煤的着火点温度低，临界温度就低，低温氧化放热速度快，腐植酸含量高，氧化后再生腐植酸的含量高，氧化分解气体产率高，自由基浓度生成速度大，说明镜煤的自燃倾向性大。丝炭的自燃倾向性小。壳质组的着火点温度高,自燃倾向性就低，但在煤温较高时，会发生强烈热解反应。

神府煤田不同类型煤岩组成及其着火点如表2所示。镜煤着火点温度为290℃，丝炭的着火点温度在350℃，随着煤中惰性组的增加，着火点温度会逐渐增高。

表2 神府煤田不同类型煤岩组成及其着火点

镜质组的着火点温度较惰性组的着火点温度低，自燃倾向性较高，镜煤较丝炭的着火点温度低，自燃倾向性较高。察哈素煤矿3-1煤层显微组分镜质组煤达到 60.6%，因此镜质组含量高是该煤层易自燃发生的主导因素。3-1煤层显微组分含量如表3所示。

表3 察哈素煤矿3-1煤层显微组分含量(无矿物基)

煤氧化复合作用在煤的外表面和内部孔隙中同时发生，包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应。其中丝质体中的孔隙结构相对于镜质体，表现为特大孔隙，从而决定了空气是否能够容易地进入煤中的反应性空位，以及能否有效增加表面积，进而在煤自燃的过程中起支配作用。不同的煤岩组分吸附氧的能力不同，氧化性也不同。镜质组、惰质组吸附氧的能力都很强，尤以惰质组吸附氧的能力最强。煤层显微组分分析结果表明：察哈素煤矿3-1煤层具有较高含量的镜质组和惰性组，加之丝质体、半丝质体本身孔隙发育，因此导致煤层具有较强的自燃特性。

2.5 煤体孔隙特性对自燃的影响

察哈素煤矿井田煤层内生裂隙较发育，煤体中存在着十分发达的孔隙和裂隙，孔隙度越大，煤的比表面积越大，越容易吸附氧。煤体在氧化放热的同时向周围散热，散热量与导热系数密切相关，煤体越松散，导热系数越小，煤体蓄热性越好。因此，煤的孔隙度越大，自燃倾向性越高。

煤中的孔隙和裂隙的存在具有复杂性和随机性的特点。煤中孔隙类型按照孔半径的大小来分，而根据孔径大小的分类标准很多，其中霍多特的十进制分类标准在国内外应用广泛，它是根据气体在孔隙中的吸附运移规律进行划分的，其划分方式为：微孔(直径小于0.01 μm)、小孔又称过渡孔(直径0.01～0.1 μm)、中孔(直径0.1～1 μm)、大孔(直径大于1 μm)。

在现场采集3-1煤层样品，在实验室室温25℃条件下使用压汞仪对煤样孔隙分布进行了测试，结果如表4所示。由表4可以看出，察哈素煤矿3-1不粘煤常温条件下不同孔径孔隙体积分布以大孔、中孔和过渡孔为主，其中7～16目(直径1.18～2.80 mm)煤样孔隙体积中大孔占比超过37%，16～18目(直径1.00～1.18 mm)煤样孔隙体积中大孔占比超过49%，同时两种煤样过渡孔的孔隙体积占比超过30%。测试结果表明，由于3-1煤层中的孔隙以大孔、中孔和过渡孔为主，尤其大孔比例高，氧气的扩散和渗流阻力小，因此该煤层更容易吸氧和氧化。察哈素煤矿31303工作面不同粒径煤样静态吸氧量见表5。

表4 25℃条件下3-1煤层煤样不同孔径类型孔隙体积比

2.6 瓦斯含量对自燃的影响

瓦斯或其他气体含量较高的煤，由于内表面受到隔离，氧化性能较低，可使煤的自燃潜伏期延长，所以瓦斯含量较高的煤难以自燃。但是随着瓦斯的放散，其自燃性能将会提高。察哈素煤矿3-1煤层瓦斯含量低，瓦斯涌出量小，如31301工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.35 m3/min，因此对煤层的自燃影响有限。

表5 不同粒径煤样静态吸氧量

3 影响因素权重系数的确定

采用层次分析法确定各评价指标权重系数。根据图1所建立的评价指标体系，建立各层次的判断矩阵，判断矩阵中各指标的相互关系及其重要程度根据察哈素煤矿3-1煤层具体条件、参考相关研究成果并经现场技术人员分析后确定。各指标相互关系及其重要程度见表6。

表6 采空区自然发火危险性评价指标及重要程度表

指标层包含6个因素子集，其判断矩阵R为：

经过对判断矩阵计算，最大特征λmax=6.0000，则判断矩阵的一致性指标CI=0.0000，有:

即认为判断矩阵R具有满意的一致性，表明各个评价指标的权重值是合理的。

由此可见，6个评价指标中煤化程度指标最重要，影响权重为0.25；其次是煤岩成分和孔隙特性，影响权重均为0.2；因3-1煤层瓦斯含量小，其影响权重最小，仅为0.05。各指标的具体影响排序依次为：煤化程度、煤岩成分、孔隙特性、含硫量、含水量、瓦斯含量。

4 结论

(1)为了研究神东矿区大采高易自燃煤层自燃内在因素的影响，以察哈素煤矿3-1煤层实例，根据本矿区煤质特性及煤层赋存特征，确定了影响该煤层自燃特性的主要内在因素为煤化程度、煤岩成分、含水量、含硫量、煤层孔隙特性、瓦斯含量等。

(2)通过采集大量煤样研究了上述因素对察哈素3-1煤层自燃特性的影响。研究结果表明，由于3-1煤层煤化程度低、煤体中具有较高含量的镜质组和惰性组、煤体中存在着大量的孔隙和裂隙，导致煤层易氧化自燃。

(3)采用层次分析法研究了察哈素煤矿3-1煤层自燃因素的影响权重，研究结果表明，影响较大的因素为煤化程度、煤岩成分和孔隙特性，其次为含硫量和含水量，由于该煤层瓦斯含量小，瓦斯含量因素影响权重最小。