鑑定材料之二
惰氣控制技術研究
研究報告
山東省朝陽礦業****
山東聯創煤炭技術研究中心
二 ○ ○ 六年四月
1 前言
我國煤炭資源十分豐富，煤炭產量和消費量均居世界前列，約佔國內一次能源生產和消費總量的85%以上，但我國煤炭自燃火災十分嚴重。據統計，我國煤礦自燃火災約佔礦井火災的70%，一些自然發火嚴重的礦區，如兗州、撫順、鶴崗、窯街、義馬、淮南、六枝等煤礦，其自然發火佔礦井火災次數的90%以上。
礦井自燃火災經常引發瓦斯**，滅火時常伴隨水煤汽**，火災產生的有毒有害氣體在井下一維空間流動，給礦工生命安全造成極大威脅，煤礦每年由於自燃造成的直接和間接經濟損失近百億元。尤其是近年來，隨著高產高效新技術的不斷發展，礦井開採強度加大，採空區範圍不斷擴大，通風系統相對複雜化，使得煤層自燃火災更是成為影響煤炭安全生產的主要災害之一。類似於陽泉、太西等開採高變質程度無煙煤（以往認為不自燃）的高瓦斯礦井，也頻繁出現煤層自燃火災，並多次引起瓦斯爆燃和**，嚴重威脅著礦井的安全生產。
朝陽煤礦3101工作面為朝陽煤礦的首採工作面，2023年初已結束封閉。該工作面設計採用輕型支架放頂煤開採工藝，一次採全高。該面自推採以來，工作面進風隅角後部採空區內始終伴隨著低濃度的co氣體，後期由於推採速度放慢，突然出現co氣體急劇公升高現象，給後期回採和安全回採撤造成了困難。
礦井3103工作面煤層厚度為6.5~8.5公尺，面長70公尺，走向長為572公尺，由於地面村莊影響被迫採用條帶開採。
初採時推進速度慢，採至100公尺時，回風隅角出現co，深部最高可達4000ppm，通過採取封堵和加快推進速度等綜合措施，採空區遺煤自燃蓄熱速度才得以控制，未能影響工作面的正常生產。
這些煤層自燃隱患將可能威脅著礦井的安全生產，並造成巨大的經濟損失和不良的社會影響，在綜採放頂煤技術逐漸普及、高產高效集約化生產逐步推廣、科學技術日新月異的今天，礦井自燃火災事故應該得以控制。
1.1問題的提出
煤自燃的發生和發展是乙個極其複雜的、動態變化的、自動加速的物理化學過程，其實質是乙個緩慢地自動氧化、放熱、公升溫最後引起燃燒的自發過程。研究煤自燃機理及過程是認識自燃規律、建立**預報理論、開發防治技術的基礎。研究煤自燃的過程，需解決兩個方面的問題：
一是如何通過實驗真實地再現煤自然發火的全過程，以此研究和分析煤自燃特性及其動態發生、發展和變化的過程；二是在各種不同的實際條件下，煤自然發火過程如何，煤氧化自燃在孕育過程中需具備怎樣的外部環境。
煤層自然發火**預報是礦井火災預防與處理的基礎，只要能夠準確、適時地進行煤層火災的預報，就能做到有的放矢地採取預防煤層火災的措施，提高煤礦防火工程的經濟效益。但在實際條件下，很難確定煤多少天會發生自燃，高溫區的位置在**，火區發展到何種程度，範圍有多大，煤溫有多高，實施滅火工程後的效果如何，怎樣考察，火區熄滅後為什麼會復燃，火區在怎樣的條件下會復燃等，這些問題為煤層自燃的治理工作帶來了很多的困惑。
引起煤自燃的根本原因是煤與氧氣作用產生熱量，這個熱量使煤體溫度公升高而促進氧化反應最終導致自燃。煤層火災一旦發生，周圍煤巖也已處於較高的溫度，儲存熱量大、範圍廣，使得滅火周期長，不易撲滅，且滅後易復燃。因此，預防和控制礦井煤層火災應該從惰化煤體、控制供氧條件、降低煤體溫度三個方面著手，研究以高效降溫、隔氧為主，可操作性強和速度快的煤層火災成套控制新技術，是解決煤層火災治理的關鍵。
煤自燃問題的研究主要集中在以下三個方面：
1）煤自然發火機理及過程。
2）煤自燃**預報技術。
3）煤炭自燃火災防治技術。
1.1.1煤自然發火過程
研究煤自燃機理及過程是認識自燃規律、建立**理論、開發防治技術的基礎。煤自燃的參與物主要是煤和氧，煤對氧的吸附和氧化反應經過實驗考察已得到證實，煤氧復合是煤自燃最普遍的規律。
引起煤自燃的根本原因是煤與氧氣作用產生熱量，這個熱量使煤體溫度公升高而促進氧化反應最終導致自燃。煤含有多種成份的有機和無機物質，其化學結構、物理性質、煤巖組份等在各產地都有很大差別，不同的煤其氧化性和放熱性亦不同。
因此，煤自燃的過程非常複雜，並表現出有些條件下煤會自燃，另一些條件下煤不會自燃。
研究煤自燃的過程，需解決以下幾個問題：
1）如何在實驗室實現煤自然發火全過程的真實再現，以此研究和分析煤自燃的特性及其發生、發展和變化過程。
2）在各種不同的實際條件下，煤自然發火過程如何，煤氧化自燃在形成和延續過程中需具備怎樣的外部環境。
1.1.2煤自燃的**預報
煤層自然發火**預報是礦井火災預防與處理的基礎，是礦井煤層火災防治的關鍵，占有極其重要的地位。井下煤層火災預報的愈早、愈準確，則撲滅火災所需的人力、物力愈少，且愈容易。只要能夠準確、適時地進行煤層火災的預報，就能做到有的放矢地採取預防煤層火災的措施，提高措施的針對性和有效性，從而提高煤礦防火工程的經濟效益。
但在實際條件下，由於煤自燃隱蔽性強，取樣點受環境限制不能真實反映隱患點的實際情況（新鮮風流摻入），加之受分析裝置精度的限制，很難確定煤多少天會發生自燃，自燃高溫區發展到何種程度，火區範圍有多大，煤層自燃的早期判別指標如何確定，這些問題為煤層自燃的**預報工作帶來了很多困難。
因此，煤層火災預報需解決三個問題：
1）煤層火災隱患點或火源點的溫度。
2）煤層火災隱患或火源點位置。
3）發展到著火所需要的時間。
1.1.3煤層自然發火的防治
煤層自燃必須同時具備四個條件：①煤有自燃傾向性並呈破碎堆積狀態存在；②適量通風供氧；③良好的蓄熱環境；④維持煤的氧化過程不斷發展的時間。煤層自燃的防治就是要消除煤層自燃四個條件中的乙個或多個條件。
在煤礦井下，破碎煤體的大量堆積是不可必免的，防治煤層火災主要應該從以下幾個方面著手：
1）惰化煤體；向煤體表面灑一些惰化煤表面反應活性基團的物質，降低煤的氧化自燃性。
2）破壞煤體的供氧條件；當氧氣濃度降低到一定程度後，煤體不再氧化放熱，自燃火災被窒熄，高溫煤體熱量向周圍溫度較低的圍岩發散，煤溫逐漸下降。
3）降低煤溫；延長煤體繼續氧化自燃的時間，防止復燃；通常情況下，煤氧復合速度隨煤溫公升高增加很快，隨著煤溫下降，煤氧化放熱強度也不斷降低。
煤層自燃火災一般發生在距煤體暴露面一定距離的深部，一旦發現煤體暴露面處有自燃徵兆，煤體已儲存了大量的熱能，火源點周圍煤岩體的溫度很高，要降低如此大範圍高溫煤岩體的溫度是很困難的；同時高溫煤體的氧化活性很高，隔氧窒熄而暫時撲滅的煤體火災遇氧後能很快復燃。
簡言之，煤體自燃具有火源隱蔽，不易發現；煤層自燃過程發展期較長，一旦發現明火，周圍岩層已處於較高的溫度，儲存熱量很大，高溫範圍較大；滅火周期長，不易撲滅，滅後易復燃等特點。
因此，研究以高效降溫隔氧為主、可操作性強和快速的煤層自燃火災成套控制新技術，是解決煤層自燃火災治理的關鍵。
1.2國內外研究現狀
對於煤自燃的起因及過程、煤自然發火的**預報和防治，國內外學者進行了大量的研究和探索。
1.2.1煤自燃學說
自十七世紀開始研究探索煤自燃問題以來，提出了多種煤自燃學說，主要有黃鐵礦導因說、細菌導因說、酚基導因說及煤氧復合學說等。煤氧復合作用理論得到大多數學者贊同，在此基礎上，國內外學者又提出了一些更具體的學說。
李增華教授於2023年提出了自由基作用學說，認為煤體在外力作用下破碎，產生大量裂隙，必然造成煤分子的斷裂，分子鏈斷裂的本質是鏈中共價鍵的斷裂，從而產生大量自由基，自由基存在於煤粒和煤體內部新生裂紋表面，為煤氧化自燃創造了條件。unal用esr（順磁共振）技術測量了煤氧化過程中自由基濃度變化後，指出煤低溫氧化部分是通過自由基反應。martin用sims（次級離子質譜）和xps研究了低溫氧化過程中煤表面的氧分布，也支援了自由基鏈反應機理。
lopez，d.於2023年提出氫原子作用學說，認為煤在低溫氧化過程中，由於煤中氫原子在煤中各大分子基團間運動，增加了煤中各基團的氧化活性，從而促進煤自燃。wang h.
於1999提出了基團作用理論，該理論利用孔模型模擬了煤中孔隙的樹狀結構，提出所有有效孔所構成的樹狀能夠到達煤粒表面，使煤中各基團能與氧氣充分作用，從而導致煤的自燃。
1.2.2煤自燃機理
近十多年來，國內外學者從不同角度、採用不同方法對煤自燃機理進行了研究，取得了一些新進展。
1）利用熱分析技術研究煤自燃機理
舒新前等用熱重分析研究了神府煙煤和汝箕溝無煙煤氧化自燃的動力學過程，認為煤炭低溫氧化遵從阿崙尼烏斯定律；路繼根用等溫dta技術結合tga研究了煤氧化機理，發現所有的煤從室溫直至著火點附近所發生的對自熱有貢獻的化學反應都一樣；彭本信對我國氣煤、肥煤、焦煤及無煙煤等八個煤種70個煤樣進行tga、dta、dsc及熱分析紅外光譜試驗，查清了變質程度低的煤易自燃主要是由於在低溫階段其氧化放熱量大於變質深的煤。另外，garcia p.也利用熱分析技術對煤的自燃進行了研究。
2）從煤的活化能著手研究煤自燃機理
tevrucht用ftir檢測脂類c－h吸收峰強度變化求取煤氧反應活化能和速度常數。patil用xps考察了煤表面o/c原子比的變化，據此求出在295~398k時表觀活化能為11.451kcal/mol。
martin用sims研究了23℃、70℃和90℃時煤表面氧濃度的變化，計算結果說明70℃前後活化能差別很大，在氧化反應的第一周內，溫度小於70℃，具有以吸附擴散過程為主的低活化能特徵。劉劍等[16，17]通過對煤活化能的理論研究，推算出了活化能的計算公式。
3）從煤分子結構模型著手研究煤自燃機理
煤分子結構研究一直是煤科學領域的熱點和重要的基礎研究內容。wender提出了高揮發分和低揮發分煙煤及無煙煤的結構模型，即威斯化學結構模型。迄今為止，該模型仍是煤化學界公認的比較合理的化學結構模型。
shinn j h等人提出了高揮發分煤的結構模型，其結構較wender模型更龐大。本田提出的化學結構模型中最早考慮到了煤中低分子化合物的存在，但沒有說明他們與大分子之間是如何作用的，schulten等人在這方面做了大量研究。
2023年，krichko提出自相關多體結構模型，nishioka等通過對煤分子間作用力的研究，提出單相和兩相模型，90年代以來，煤的兩相結構概念得到普遍認可。
自燃煤層防滅火措施
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編制單位 通風科 編制人員 編制時間 2012年1月2日 審批登記表 措施名稱 防止煤層自然發火措施 日期 2012年1月2日 措施貫徹記錄 措施名稱 防止煤層自然發火措施 防止煤層自然發火措施 1 在設計新採煤工作面時與其它相鄰工作面的煤柱應不小於6公尺，以防在回採過程中與其採空區相通，造成有害氣...
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