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煤炭自燃機理及防治措施

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摘要:煤炭自燃機理及防治措施
1煤的自燃機理

1.1概述

關於煤的自燃問題,長期以來,一般都認為煤中黃鐵礦的存在是自燃的原因,由於黃鐵礦氧化成為三氧化二鐵及三氧化硫時能放出熱量,在有水分參加的情況下,可以形成硫酸,它是很強的氧化劑,更加速煤的氧化,促進煤的自燃。

需要指出,有的含有黃鐵礦的煤,雖然經過長斯放置,並不一定發生燃,而不含或少含黃鐵礦的煤也有自燃現象。因此,煤的自燃並非完全因含有黃鐵礦而引起。其主要原因是由於吸收了空氣中的氧氣,使煤的組成物質氧化產生熱量,再被水濕潤,就放出更多的濕潤熱,也會加速煤的自燃。此外,煤的自燃還與煤本身的性質有關。如煤的品級;煤的顯微組分、水分、礦物質、節理和裂隙;煤層埋藏深度和煤層厚度;開采方法和通風方式等。煤的自燃從本質上來說是煤的氧化過程。

1.2煤自燃的不同階段

(1)水吸附階段。與其他階段不同,這個階段隻是個物理過程,煤與氧不會發生反應,煤吸附水雖不是煤自燃的根本原因,但他對煤自熱,特別是低品級的煤自熱有重要影響。當水被煤吸附時會放出大量熱,即潤濕熱。所以,多數情況下該階段對煤的自燃都起著關鍵作用。

(2)化學吸附階段。煤自燃過程首先在這個階段發生化學反應。該階段的反應溫度為環境溫度至70℃。這伸過程中煤吸附氧氣會產生過氧化物,因而叫做化學吸附階段。化學吸附階段煤重略有增加,並產生氣體,其中的CO可作為標準氣體,通過監測CO濃度可對煤的自燃進行早期預報,化學吸附階段需要少量水參加反應。根據煤的品級和類型不同,化學吸附的放熱量在5.04~6.72J/g之間變化。若煤溫達到70℃時會分解,煤重隨之在幅度下降,甚至比原始煤重還要輕。煤中水汾的蒸發可帶走一些熱量,該過程產熱量晨16.8~75.6J/g間變化。若煤氧化進行到這個階段,想使其不自燃是非常困難的。

(3)煤氧複合物生成階段。該階段生成一種穩定的化合物,即煤氧複合物。其反應溫度範圍為150~230℃。產生的熱量25.2~003.4J/g。這個階段煤重又有所增加,煤氧化進行到這個階段必然發生自燃。

(4)燃燒初始階段。這是煤氧複合物生成階段到煤快速燃燒階段的過渡時期,煤溫達230℃時,煤氧化可進行到個階段。此時煤的反應熱為42~243.6J/g。這些熱量使煤迅速上升促進了煤的快速燃燒。

(5)快速燃燒階段。這是煤自熱的最後階段,它描述了煤的實際燃燒過程。依氧氣供應充足與否,這個階段可能發生幹餾、不完全燃燒或安全燃燒。如果燃燒充分,其反應熱等於煤的發熱值。

2煤的自熱影響因素

2.1煤質

煤質本身對煤自熱敏感性有顯著的影響。

(1)煤的品級。煤的品級表明了煤的變質程度,常用揮發分含量和含煤量表示。品級低的純煤自熱熱敏感性高,而且,隨著煤的品能升高其自熱敏感性下降。因而,幹燥褐煤最易自熱而無煙煤幾乎不自熱。但含有大最水分的褐煤較純褐煤不易自燃。

(2)煤的水分含量。煤中水分的含量對煤的自燃性有很大影響。水分含量達飽和的煤,特別是在水分含量高的褐煤和次煙煤被開采和幹燥前,煤體不再吸附水分,因而不能放出潤濕熱。煤氧化放出的熱量通常使內在水分溫度升高。另一方麵,自熱時的化學反應需要有少量的水分參加。低口級煤水分含量遠遠大於化學反應的需要量。因而,對低品級煤來說,水分實際上是煤自熱的阻化劑。

(3)礦物質。煤中的礦物成分也叫灰分。它可與氧反應放熱增加煤溫,而且使煤分解以增加煤與空氣接觸的表麵積,如黃鐵礦,它可以吸收氧化反應放出的部分熱量降低煤的氧化反應進程;煤的高灰分使單位質量的氧化熱降低。

2.2開采和貯運的環境因素

環境因素對煤自熱的影響為:可使煤的水分含量發生變化;改變煤氧接觸條件:使生產成的熱量擴散。可分為:

(1)地質因素。斷層和裂隙有利於空氣和水分與煤接觸。因而散熱沒有明顯增加,卻增加了煤發生氧化的機會和水的吸附。也就是說斷層和裂隙增加了煤自燃的危險性。埋藏深的煤層地麵漏風較少。采空區遺煤(特別對於厚煤層)因不能完全回采而增中了煤的自燃危險性。

(2)開采因素。開采因素對煤自燃的影響主要有2個方麵,即通風和煤破碎,沒有通風或通風充分的地方,煤自燃的可能性較低。而通風不充分地方煤自燃的可能性較大。裂隙漏風是不充分漏分,它創造了煤進一步氧化的條件,而散熱條件並未被改善。所以,任何漏風對煤炭自燃來說都是很危險的。

(3)貯運因素。在貯存和運輸過程中,影響煤自燃的因素要為通風不充分和幹燥的低品級煤因雨淋和噴灑水產生潤濕熱。

3煤炭自燃的綜合防治措施

3.1煤層自燃的預測預報

(1)鑒於煤在低溫氧化階段產生CO,因此,CO是早期揭露火災的敏感指標。在礦井的采煤工作麵回風道、綜掘煤巷等有自然發火的地點設置CO傳感器,若發現CO濃度超限,便可采用便攜式CO檢測儀追蹤監測確定高溫點。

(2)采用紅外探測法判斷高溫點的位置,紅外探測法其基本原理是,根據紅外輻射場的理論,建立火源與火源溫度場的對應關係,從而推斷出火源點的位置。

(3)用鑽孔測溫輔助監測。對頂煤破碎或有自燃危險的地點,埋設測溫探頭,定期監測溫度變化情況。

(4)加強漏風檢測。定期采用示蹤氣體法,檢查順槽漏風量。對漏風集中的區域加強觀測。

3.2預防措施

(1)均壓通風控製漏風供氧。均壓通風是控製煤層開采中采空區等漏風的有效措施。首先,要在保證衝淡CH4,風速,氣溫和人均風量的要求下,全麵施行區域性均壓通風,其調壓措施包括單項調壓和多項措施聯合調壓,具體實施中的形成的工作麵均壓逐步擴大到鄰近工作麵采空區的區域性均壓。

(2)噴漿堵漏鑽孔灌漿。對煤層開采中的可疑地點或已出現隱患地點進行全封閉噴漿和打淺密集鑽孔注漿,是防止自然發火的2個有效措施。

(3)注凝膠防滅火。采用注凝膠技術處理高溫點或自然發火是煤層開采中防滅火的重點措施,其方法是將凝膠注入高溫點或火點的周圍煤體中,其作用是既可以封堵漏風通道,又可以吸熱降溫。
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