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煤矿内因火灾的机理研究
 时间:2017-10-13   浏览:   分享

 

一、矿井火灾简述

     矿井火灾是指发生在矿井地面、井下、威胁矿井安全生产,形成灾害的一切非控制燃烧。矿井火灾是煤矿五大灾害之一,每一次火灾的发生,轻则影响生产,重者可能烧毁煤炭资源和矿井设备,更为严重的可能引起瓦斯煤尘爆炸后火烟毒化矿井,酿成人员伤亡的重大恶性事故,给国家在政治上、经济上造成难以估量的巨大损失。

     矿井火灾就发生的地点分为地面火灾和井上火灾两大类。就火灾发生的原因,有外因火灾和内因火灾之分。外因火灾主要是指由于外来热源如瓦斯煤尘爆炸、放炮作业、机械摩擦、电源短路以及其他明火、吸烟、烧焊等引起的火灾。

     内因火灾主要是指煤炭在一定的条件下,如破碎的煤柱、煤壁、集中堆积的浮煤,又有一定的空气(风量)的供给,自身发生物理化学变化。吸氧、氧化、发热、热量的聚集导致了着火而形成的火灾。

     煤炭自然发火是一极其复杂的物理化学过程,是指处于特定条件下的煤吸附氧、氧化自热、热量积聚自燃而形成的一种频发性灾害。依据引火源不同对矿井火灾的分类,煤炭自燃属于内因火灾的范畴。

二、内因火灾发生的条件

     煤炭能够自然发火是煤所具有的共性之一,只是不同的煤种具有不同的呈现,不同的条件具有不同的反应。一般认为,煤炭自燃发生必须同时具备三个条件:

    (1)具有自燃倾向性的煤成破碎状态并集中堆积存在(再查一下最标准的3个条件)

    (2)存在着适宜的通风供氧条件

    (3)存在着蓄热的环境条件并持续一段时间

三、煤炭组分结构分析

     煤炭自燃过程,实际上是煤炭同氧气不断相互作用、其结构从复杂到简单逐渐降解的过程。与其他可燃物燃烧不同,煤炭自燃有其自身固有的特点。根据煤氧复合理论可知,只要有氧气存在,煤氧复合作用就能进行,氧浓度的大小只影响煤氧复合速率的大小,即煤自燃的过程是煤氧化放热与环境散热这对矛盾运动发展的过程,当煤氧化放热速率大于散热速率时煤温上升,煤温上升又引起氧化进程加快和放热速率增大,所以煤自燃是一个复杂的自加热过程。

     从岩石学观点看,煤是一种特殊的沉积岩—可燃的沉积岩。其物质组成较为复杂,主要是由有机物质和无机物质(矿物质)组成的混合物,具有明显的不均一性。因此,要了解煤自燃机理,首先用弄清楚煤的组分和结构。

     了解煤的组分构成,基本上有宏观和微观两种方法。宏观研究就是利用肉眼或放大镜来观察煤。根据煤的颜色、条痕色、光泽、硬度、断口和密度等物理特征,来确定煤的,煤的宏观煤岩成分和类型,初步判断煤的性质。而微观研究是利用显微镜来区别和辨识煤的基本组成成分,即纤维部分。煤的显微组分按其成分和性质可分为有机显微组分和无机显微组分。有机显微组分是指在显微镜下能够将观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的显微组分,无机显微组分是指在显微镜下能够观察到的煤中矿物质。

(一)煤岩宏观成分

      宏观煤岩成分使用肉眼 的煤的基本组成单位,包括丝炭、镜煤、暗煤和亮煤。其中丝炭和镜煤是简单煤岩成分,暗煤和亮煤是复杂煤岩成分。

(二)煤的显微成分

     煤的显微组分是在显微镜下划分的煤的基本组成成分。主要是指植物遗体转变而成的有机显微组分,相应地煤中的矿物质叫无机显微组分。

腐植煤的有机显微组分按照成因标志和工艺性质不同,大致可分为3大类,即凝胶化组分、丝炭化组分和稳定组分。

      无机显微组分:从植物的生命开始,到成煤作用的全过程中,都有无机矿物质参与作用,并对有机质的转化过程产生影响。因此,无机成分也是构成煤的重要组成部分。在反射光下,煤种常见矿物质的鉴定标志:

矿物

颜色

突起

表面特征

粘土矿物

暗灰色

不显突起

微粒状

石英

深灰色

突起很高

平整

黄铁矿

浅黄白色

突起很高

平整,有时为蜂窝状

方解石

乳灰色

微突起

光滑、平整

(三)煤的成分:

     煤是有多种高分子化合物。矿物质和少量水组成的复杂化合物。煤种的无机物主要是由煤所吸收的水分、植物本身固有的无机物,以及在成煤过程中混入的一些矿物质所组成。煤中有机物是煤的主体,其中主要有甲烷、乙烯、苯、甲苯、二甲苯、苯酚、萘、葸、菲、联苯、杂环化合物等,其主要组成是碳、氢氧、氮、硫5种元素,其中又以碳、氢、氧为主,三者总和占有机质的95%以上。长焰煤的化学组成为碳:77%-81%;氢:4.5%-6%;氧:1%-10%;腐殖酸:0;挥发性:10%。

四、煤的自然发火过程

煤炭自燃一遍要经过3个时期:潜伏期、自热期和燃烧期,如图

(一)、潜伏期

     煤暴露与空气中后,由于其表面具有较强的吸附氧的能力,会在煤的表面形成氧气吸附层,煤与氧相互作用形成过氧络合物。此期间煤的氧化处于缓慢状态,生成的热量及煤温的变化都变得微乎其微,吸附了氧的煤重量略有增加;此阶段煤的活化能在煤的整个自热过程中最小,通常称为煤的自燃潜伏期(或准备期、孕育期)。

(二)自热期

     经过潜伏期后,被活化了的煤能更快地吸附氧气,氧化速度加快,氧化产生的热量较大,如果不能及时散发,则煤的温度逐渐升高,这就是煤的自热期。当煤的温度超过自热的临界温度T0(60—80℃)时,煤的吸氧能力会自动加速,导致煤氧化过程急剧加速,煤温上升急剧加快,开始出现煤的干馏,生成一氧化碳、二氧化碳、氢气、烃类气体和芳香族碳氢化合物等可燃气体。在此阶段内使用常规的检测仪表能够测量出来,甚至被人的感官所察觉。

(三)燃烧期

      当自热期的发展使煤温上升到着火点温度TS时,即引发煤炭自燃而进入燃烧期。此时会出现明显的着火现象(如明火,烟雾,产生一氧化碳、二氧化碳及各种可燃气体),并会出现特殊的火灾气味(如煤油味、松节油味或煤焦油味)。着火后,火源中心的温度可达1000—1200℃。煤的着火温度因煤种不同而异,无烟煤为400℃左右,烟煤为320—380℃,褐煤为210—350℃。如果煤温不能上升到临界温度T0,或上升到这一温度后由于外界条件的变化煤温又降下来,则煤的增温过程就自行放慢而进入冷却阶段,如图虚线部分。

五、煤自燃机理研究历史简介

      煤自燃问题自十七世纪即开始研究探索,根据研究探索的结果,到目前为止,提出了多种煤炭自燃学说,比较有影响的主要有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、煤氧化复合作用学说、自由基作用学说、基团作用学说、电化学作用学说、氢原作用学说、煤氧复合作用学说等等。

黄铁矿作用学说

      波兰学者奥尔萍斯基(Olpinis.W)对波兰烟煤的考察表明,只有当煤中硫铁矿含量较高时(大于1.5%),才具有自燃倾向性。但是他认为这类煤的自燃倾向性增高的原因是由于煤化程度较低而引起的。因为在波兰自燃发火较多的煤均是煤化程度较低而硫化铁含量较高的煤。英国学者温米尔(Winmill.T.F)通过实验证实,在不自燃的煤中加入30%的黄铁矿即可变为具有自燃倾向性的煤。黄铁矿(FeS2)在井下潮湿的环境里被氧化产生SO2,CO2,CO,H2S等气体,是放热反应。其另一个作用是黄铁矿氧化时体积增大,对煤体具有胀裂作用,能够使煤体裂隙扩大和增多,与空气的接触面积增加,因而导致氧气渗入,促使煤氧化。

细菌作用学说

     英国学者Potter M.C.认为在细菌作用下,煤在发酵过程中放出一定热量对煤的自燃起了决定性作用。波兰学者Dubois R. 等人在考查泥煤的自热与自燃时指出:当微生物极度增长时,一般都伴有一个生化的放热过程。在30℃以下,亲氧的真菌和放线菌起主导作用。由于放线菌作用的结果,泥煤的自热提高到60~70℃。在60~65℃时,亲氧真菌死亡,嗜热细菌开始发展,在72~75℃时,所有的生化过程均将消亡。

酚基作用学说

     1940年苏联学者E.B. TponoB提出:煤的自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物强烈地吸附空气中的氧,同时放出一定量的热量造成的。这个学者提出的基点是建立在对各种煤体的有机化合物进行实验后,发现酚基类是最易氧化的,不仅在纯氧中可以氧化,而且与其它氧化剂接触时也可以发生作用。所以他认为正是空气中的氧与煤体内的酚基类化合物作用而导致煤炭自燃。

煤氧复合作用学说

     1870年Rachta n. H 经过实验得出:一昼夜里每1g煤的吸氧量为0.1~0.5ml,而褐煤为0.12ml。1945年Jones E. R 提出:在空气中,常温下烟煤的吸氧量可达0.4ml/s。60年代抚顺煤研所曾经以煤的吸氧量作为区别煤自燃倾向性大小的指标。通过大量的煤样分析,确定了100g煤样在30℃条件下经过96小时吸氧量小于200ml时属于不自燃的,超过300ml时属于易自燃的煤。也就是说明,在低温时,煤的吸氧量愈大,愈易自燃。

自由基作用学说

     中国矿业大学李增华于1996年提出,煤体在外力作用下破碎,产生大量裂隙,必然造成煤分子的断裂,分子链断裂的本质是链中共价键的断裂,从而产生大量自由基,自由基存在于煤粒和煤体内部新生裂纹表面,为煤氧化自燃创造了条件。Unal用顺磁共振技术测量了煤氧化过程中自由基浓度变化并指出,煤低温氧化部分是通过自由基反应来实现的。Martin用次级离子质谱和XPS研究了低温氧化过程中煤表面的氧分布,也支持了自由基链反应机理。

氢原子作用学说和基团作用理论

     Lopez.D.等与1998年提出了氢原子作用学说。该学说认为,煤在低温氧化过程中,由于煤中氢原子在各大分子基团间运动,增加了煤中各基团的氧化活性,从而促进煤自燃。1999年WangH.H等提出了基团作用理论,该理论利用孔模型模拟了煤中孔隙的树状结构,提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面,使煤中各基团能与氧气充分作用而升温氧气自燃。1951年苏联学者维谢洛夫斯基(Веселовский.В.С)等人提出,煤的自燃是氧化过程自身加速发展的结果。这种氧化反应的特点是分子的基链反应。

    目前国内外大多数学者普遍公认煤氧复合氧化机理认为,煤自燃是由于煤表面的某些活性结构与氧接触后发生物理吸附、化学吸附并进而发生化学反应,释放出反映热并在适宜环境中蓄热至煤的着火点温度所致。这一物理化学过程的深入了解必然依赖于对煤微观分子结构的研究。近年来多数学者研究认为,媒体表面存在着大量活性结构,易在不同温度下与氧发生发应放出热量,因此煤几乎在任何事宜蓄热的环境下都会自燃。

六、煤炭自燃机理

      煤炭自燃现象的发生,主要取决于煤本身所含自燃的化学成分。首先,煤炭本身具有吸附空气中氧的特性,包括表面吸附和化学吸附。吸附空气中的氧在煤的表面生成不稳定的氧化物。表面氧化程度的高低与煤的变质程度有关,变质程度浅的煤易氧化,故褐煤、长焰煤要比无烟煤容易氧化。其次,煤的氧化与空气中氧的分压大小有关,氧的分压愈大,氧化的进行也愈快。如长期堆放在空气中的煤,可以看到煤的表面失去光泽、颜色变暗。大块的煤还会碎裂成小块。随着煤表面氧化的增加,继续向深部发展,不稳定的氧化物分解,产生热量,使煤体温度继续升高。当氧化产生的热量超过自热的临界温度(60-80℃),煤温上升急剧,氧化进程加快,开始出现煤的干馏,生成芳香族可燃的碳氢化合物气体,这也是在自然发火矿井中出现明火的早期预兆。进一步发展有可能使煤温燃点温度而导致自燃。煤的燃点温度随煤种不同而变化,如果煤的氧化产生的热量根本不能上升到临界温度,或上升到这一温度后由于外界条件的变化,很快的降了下来,这样便进入风化状态,不能发生自燃。

                煤的燃点温度表                      ℃

牌号

褐煤

长焰煤

气煤

肥煤

焦煤

贫瘦煤

无烟煤

燃点

260-290

290-300

330-340

340-650

360-370

370-380

400左右

七、自然发火机理的判定

     对具体的一个矿井或煤层而言,其自然发火的机理不仅取决于以上因素,而且在很大程度上还受到煤的赋存条件、开拓开采条件和漏风状况等外部条件影响,因此,应在综合考虑上述各种因素的基础上,确定矿井自然发火机理。

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