矿井火灾防治技术自然发火机理.doc

第二章 煤炭自然发火机理 第二章 煤炭自然发火机理 第一节 概述 一、煤自然发火定义 煤炭自然发火是一极其复杂的物理化学过程，是指处于特定环境条件下的煤吸附氧、氧化自热、热量积聚自燃而形成的一种频发性灾害。依据引火热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、煤自然发火条件 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映。一般认为，煤炭自燃发生必须同理具备三个条件 （一）以易于低温氧化的粉煤或碎煤状态堆积； （二）存在着适宜的通风供氧条件； 煤温 燃烧 风化 时间 燃烧期 自热期 潜伏期 Tj Tl 图4-2-1-1 煤自燃发展过程示意图 （三）存在着蓄热的环境条件并持续一定的时间。 三、煤自然发火过程 煤炭自燃的发展，一般要经过三个时期潜伏期、自热期和燃烧期。如图4-2-1-1所示 （一）潜伏期 煤暴露于空气中后，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，煤表面与氧相互作用而在煤表面形成过氧络合物。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微乎其微，由于吸附空气中的氧煤重略有增加；此阶段煤的活化能在煤整个自热过程中最小，通常称为煤的自燃潜伏期（或准备期、蕴育期）。 （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Tl（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（CO）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、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，甚至于被人的感官所察觉。 （三）燃烧期 当自热期的发展使煤温上升到着火点温度Tj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（CO）、二氧化碳（CO2）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10001200℃。煤的着火温度因煤种不同而异，无烟煤为400℃左右；烟煤为320380℃；褐煤为210350℃。如果煤温不能上升到临界温度Tl，或上升到这一温度后由于外界条件的变化煤温又降了下来，则煤的增温过程就自行放慢而进入冷却阶段，如图4-2-1-1虚线所示。 四、自然发火基础理论研究现状 煤炭自然发火基础理论的研究可以上溯到几个世纪以前，从上个世纪末的近二十年来，为了预防、避免和消除自燃火灾，世界各相关研究机构均对其发生、发展的机理及其物理化学变化历程中的作用机制进行了大量的研究工作，主要集中在煤炭低温氧化化学反应机理、煤炭自热阶段特征气体产物、煤炭自燃预测预报理论等方面。 （一）煤炭低温氧化化学反应机理方面主要发展形成了自由基反应理论和活化能理论，另外有些学者还对矿物质包括黄铁矿（FeS2）在煤氧化过程中的催化作用进行了大量的工作。自由基反应理论认为活性自由基反应使分子氧与碳氢物质结合而形成氢化芳香族产物。活化能理论则分析了煤对氧的吸附作用。这两种理论都是从氧化动力学的角度出发，对煤的分子结构进行了简单论述以期取得对煤的自热机理全面认识，但由于煤的物理化学组成的不均质性决定了煤分子结构的复杂性，目前看来这两种理论的研究成果与实践应用之间尚有一定的距离。 （二）煤炭自热特征气体产物研究方面自热气体产物的相关测定方法主要有二价离子质谱测定法（SIMS）、X射线光电子频谱测定法（XPS）、电子扫描显微测定法（SEM）、热分析红外光谱法等方法，煤炭低温氧化的气体产物表现为氧原子进入煤结构发生反应使分子氢浓度增加，氧化进程中含氧基团增多而脂肪基族减少，伴随有低分子量的有机物及各种有毒有害易燃易爆气体的产生。此方面研究工作重视煤分子结构的变化和有关气体产物的反应历程，加深了人们对煤炭自燃的认识，但未能体现宏观煤体的热物理化学参数的动态特性。 （三）煤炭自燃预测预报理论研究方面预测方法主要有自燃倾向性预测法、因素综合评判预测法、经验统计预测法和温度场数学模型预测法。自燃倾向性预测法仅能粗略地判断煤层自然发火的危险程度；自燃因素综合评判法和经验统计预测法主要是依据统计资料和经验定性判断煤层的自燃危险性及发火范围等，难以满足实际需要；温度场数学模型预测法是通过建立采空区温度场数学模型来进行数值模拟，但由于火源位置点的不确定性，也无法确切地反映自燃的本质过程。预报方法主要有标志气体分析法和测温法。标志气体分析法依据煤氧化自热阶段释放出的特征气体来确定煤层的自燃危险程度，该技术在国内外得到一定的应用，并形成了较为实用的不同煤种的标志气体指标。测温法利用温度传感器对被监测地点进行连续的温度监测以确定煤层的自燃危险程度。 综上所述，国内外对煤炭自燃机理主要是通过研究煤自然发火的影响因素，遵循煤氧复合作用学说的原理并试图考察煤氧化过程的速度特性，来解释煤自然发火的过程特性。但是这些研究工作都离不开对煤分子结构模型的认识，由于煤物理化学组成的不均质性、煤分子结构的复杂性，目前的研究结果对煤分子结构模型尚无定论，这使得对煤自然发火机理研究遇到了很大的障碍。因此，开辟新的研究途径，从有关传热传质学及热物理场论理论研究煤自然发火的过程或许是一个方向，我国有的学者在这方面作了一些初步的探索。 第二节 煤炭自燃机理 一、煤自燃机理研究历史简介 煤炭自然发火是一个极其复杂的物理化学过程，对其机理的研究早在几个世纪以前就已开始。在沸沸扬扬的争论中，人们提出了一系列不同的学说来阐述煤的自燃，其中主要有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧复合作用学说等。 黄铁矿作用学说认为，煤的自燃过程，是由于煤层中的黄铁矿（FeS2）暴露于空气后与水份和氧相互作用，发生放热反应而引起的。该学说是英国人Plott与Berzelius在17世纪初提出的，19世纪下半叶，曾被广为认定，系首次解释煤炭自燃机理的学说。 细菌作用学说认为，煤在细菌作用下的发酵过程中放出一定的热量，对煤在70℃以前的自热起了决定性的作用。这一学说是英国人Potter.M.L于1927年提出。1951年波兰学者Dubois.R等指出，当微生物极度增长时，一般都有生化放热过程，随煤（特别是泥煤）自热温度的升高至70℃以上时，所有的生化过程都将消亡。1956年前苏联学者Н.В.Эавэртин指出细菌对煤的自燃不起任何作用，煤的自热是化学基链反应过程，而不是细菌作用过程。 酚基作用学说由前苏联学者Б.В.Тронов于1940年提出，认为导致煤自燃是因为空气中的氧与煤体中含有的不饱和酚基化合物作用时，放出热量所致。 煤氧复合作用学说认为，煤的自燃根本原因在于煤具有吸附氧的能力和与此相联系的放热作用，至今为大多数学者所承认。1870年，Rachtan.H实验得出，一昼夜每克煤的吸氧量为0.10～0.50ml。1951年，前苏联学者В.С.виселовский进行了大量的煤氧化自燃过程的研究后，完善了煤氧复合作用学说的阐述，指出煤自燃正是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定的低温和良好的蓄热条件下，氧化过程可自动加速才能导致自燃。20世纪60年代初中国煤炭科学研究总院抚顺分院，用静态容量法测定中国各煤田的煤在温度30～60℃之间的吸氧量，随煤种不同而异，干煤为0.8～2.50ml/g。20世纪80年代初，该院以色谱吸氧法测定了在常压（10133Pa）、常温（30℃）下中国各煤种的煤吸附流态氧的量值，并以吸氧量为主指标，对煤的自燃倾向性进行了分类。 综合上述，可以说煤氧复合作用学说是被大多数学者认可的理论阐述，煤自燃的主体是煤和氧，煤吸附氧的作用是经实验考察完全证实了的事实，煤与氧相互作用产生热量并积聚是导致煤自燃主要因素。有关煤自燃机理的其它假说是煤氧复合作用学说的补充。此外还需指出的是，尽管煤氧复合作用学说广泛地被人们所接受，在实践中也逐渐得到科学的证实，但是鉴于煤的物质组成及其性质的复杂性，这一学说主要是对煤自燃机理的定性解释，许多问题仍然有待于深入地研究和探讨。 二、煤自燃机理的主要研究内容 （一）煤对氧的表面作用特性 煤分子表面具有残余力场，为降低其自身的自由能，其表面就有了吸附的趋势。根据煤表面和被吸附氧气（或水分）之间的相互作用力的性质，可将煤表面吸附特性分为物理吸附和化学吸附。当相互作用力表现为分子间的范德华引力时为物理吸附，当作用力具有化学性质，且其强度几乎达到了稳定化学计量化合物的强度时，其吸附过程就是化学吸附或活化吸附。煤表面与空气中氧之间的作用力性质依据温度、煤的物理化学性质和氧化程度而变化。煤氧化导因于煤对氧的表面吸附作用，不同种类的煤、不同粒度、不同孔隙结构的煤对氧有不同的吸附作用。煤的表面吸附特性是对煤自燃特性影响因素的综合度量。 （二）煤氧化过程特性 煤的氧化过程伴随有各种气体产物的释放，这些气体产物包括两部分，一部分由于煤自身氧化出来的气体产物，叫煤自燃氧化气体，另一部分是成煤过程中吸附在其孔隙内的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，叫煤自燃解吸气体。探讨煤自然发火氧化过程中气体产物的规律特性涉及到煤化学、反应动力学等多学科的知识，另外，由于煤炭自然发火是一个包含多项内热源项的传热传质过程，无论是分析气体产物浓度的变化，还是考察氧分子的自由扩散或者是在一定压力下的扩散特性，都离不开质量传递。因此，煤的氧化过程特性涵盖了氧化过程中热量、能量和质量传递规律，并主要体现为温度、湿度、浓度、耗氧量、氧化速度、扩散系数、热物理量等特征参数的变化。 （三）煤自然发火影响因素与作用机理的研究 煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均质体，因此研究煤的自然发火的影响因素与作用机理是一项复杂的系统工程。不仅要分析煤本身的内在因素（如煤的碳化程度、煤岩成份、煤的孔隙结构、煤的破碎程度、煤的含硫量、煤的水份、煤的比表面积、煤的比热等），而且还要考虑煤层的具体赋存地质条件、开拓开采条件等影响因素，这样才能给出切合实际的矿井煤层的自然发火机理及相应的防治措施。 三、煤自燃机理的主要研究方法 煤炭自然发火主要受煤本身内在因素的制约，但在一定程度上又是环境条件等外在因素综合影响的结果，因此，我们在研究煤自燃机理时要抓住其本质的方面（即煤氧化自热的规律），但又不能忽视环境条件所起到的加速或延缓作用、甚至阻止煤炭自燃的客观事实。从辩证论的科学观出发，只能采用以实验研究为主，实测数据为辅的研究方法，主要的实验方法有光谱法、色谱法、多干扰全内反射法、红外光谱法、微量热法等。通过考察煤氧化过程中的氧化动力学特性、热力学特性、气体产物特性和煤的结构特性及其与各影响因素之间的变化关系来揭示煤的自燃过程。 四、主要研究成果及其应用 研究煤自然发火机理，或者说煤自燃特性，其目的是用于指导矿井煤炭自然发火防治措施的制定和实施。人们在探讨该技术领域过程中，依据煤自然发火与煤表面对空气中氧气的吸附作用有关这一被科学实践所证实了的结论，提出了各种各样行之有效的方法，其实质是避免或减少煤表面和氧（空气）的接触氧化，概括起来主要有三类一是减少煤炭和空气接触的表面积；二是降低与煤炭表面接触的氧气含量；三是用某种方法钝化自然发火煤炭表面的氧化活性，相应的研究成果集中在以下几个方面 （一）煤自燃倾向性研究 煤的自燃倾向性是指煤层开拓之前其自然发火的可能程度，所有的煤炭都具有自燃倾向性，只是不同的煤种、不同的环境条件下煤自燃倾向性具有不同的呈现。煤的自燃倾向性鉴定是煤自然发火预测预报必需的项目，各国都依据本国的具体条件制定了相应的煤自燃倾向性鉴定方法。主要有奥氏法、静态吸氧法、量热法以及动态吸氧法、交叉点温度法、绝热氧化法、流态色谱吸氧鉴定法。 表4-2-2-1 煤自燃倾向性奥氏法分类表 氧化速度值（℃/min） 自燃程度 SZb120 容易自燃 100≤SZb≤120 自燃 80≤SZb≤100 难于自燃 SZb80 不自燃 1、 奥氏法 奥氏法是波兰法定的煤自燃倾向性鉴定方法。它是以煤在230℃时受空气流作用的氧化速度值为指标，其分类如表4-2-2-1。 2、 静态吸氧法 902-602 502-402 401-101 此方法是将装有煤样的玻璃瓶置于恒温30℃左右的恒温箱中，每间隔一定的时间抽取瓶中的气体进行分析，计算1g煤吸附的氧量。Winmill在研究煤静态吸氧量与自燃倾向性关系时认为，96h以后煤吸氧量大于30cm3/g为最易于自燃，而小于20cm3/g为不自燃。 3、 着火点法 着火点法实际上就是利用煤炭经过氧化后（空气或其它氧化剂）其着火点温度相对降低的原理进行分类。煤炭经过一定氧化后其着火温度降低得越大越易于自燃，而且不随氧化剂而变。我国20世纪50年代依照此原理建立了煤自燃倾向性鉴定方法，并沿用至上个世纪九十年代。 4、 动态吸氧法 表4-2-2-2 煤自燃倾向性交叉点温度分类法 交叉点温度T（℃） 自燃程度 120～140 容易自燃 140～160 自燃 160～190 不易自燃 动态吸氧法是让一定空气或氧气流经煤体，同时用气体分析法测量煤的吸附量及其与时间对应曲线关系，由此可反应煤的动态氧化速度和氧化深度。Chambenlain和Hall依据此法提出了一种煤自燃倾向性鉴定方法即煤样置于35℃/h升温的容器中，空气流经煤样，测定流出气体中的残余氧系数和煤温，将其对应关系描绘成一曲线（如图4-2-2-1）。其结果分成三类，其中902-602（NCB煤阶分类法）为最易自燃。 5、 交叉点温度法 交叉点温度法是将煤样在空气或氧气流下恒速升温，将煤温上升曲线与加热升温曲线的交点定义为交叉点温度。其分类如表4-2-2-2所示 6、 差热分析法 表4-2-2-3 煤自燃倾向性差热分析分类法 参数 最易自燃 自燃 最不易自燃 交叉温度（℃） 100 134 181 第二段梯度 1.46 1.17 1.03 跃迁点温度（℃） 163 187 200 WITS-EHAC指数 5.65 4.47 3.09 差热分析法是利用差热分析曲线对煤自燃倾向性进行研究。它们同样将煤的差热分析曲线划分为三段并以交点温度（差热曲线第二段与零点基线交点的横坐标值）、差热曲线第二段梯度值、跃迁点的温度和WITS-EHAC指数为综合指标进行煤自燃倾向性分类，其分类如表4-2-2-3所示 7、 流态色谱吸氧法 流态色谱吸氧法是煤炭科学研究总院抚顺分院依据我国的实际情况，并参照其它产煤国家正在使用的煤自燃倾向性鉴定方法及相关研究成果，所提出的一项双气路流动色谱检测技术。它以煤在低温下吸附流态氧的能力（量和速度）作指标来判断煤的自燃倾向性，工艺简单、快速而且数据精度可靠，较为真实的模拟了井下煤炭自燃的环境条件，是我国目前法定的煤炭自燃倾向性鉴定方法，并于1997年形成了煤炭行业标准MT/T707-1997煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和MT/T708-1997煤自燃性测定仪技术条件。 8、 绝热氧化试验法 这种方法是将煤按预定升温速度经空气氧化，并通过一个或几个参数观测其氧化过程的变化，同时测量其热量的传递变化，用这些参数来综合评价煤的自燃倾向性。此方法适合于模拟井下煤自燃的环境条件或自燃煤堆，同时由于煤体中热传导很小，因此，绝热氧化法代表了较真实的自燃环境条件，鉴于此，目前英、美等国都在研究用绝热氧化实验法来测定煤自燃倾向性。但由于这种模拟试验的难度较大，因此目前该方法还处在探索研究中。 （二）阻化机理及阻化技术 煤炭科学研究总院抚顺分院通过现场观察和分析，并在实验室建立了煤的氧化、阻化试验装置，对不同煤样的氧化、阻化、吸热、放热情况进行了系统的试验，给出了正确的阻化原理的阐述吸水盐类液膜隔氧降温学说。该学说认为阻化剂都是一些吸水性很强的有机盐类（如Cacl2、Mgcl2），当它们附着在煤粒的表面时，吸收空气中的水份，在煤的表面形成含水液膜，从而阻止了煤氧的接触，起到了隔氧阻化作用。同时，这些吸水性能很强的盐类能使煤体长时间处于含水潮湿状态，水在蒸发时的吸热降温作用使煤体在低温氧化过程中温度不能升高，也起到了抑制煤炭自热自燃的发展。 阻化防灭火技术除了喷洒阻化剂以外，还发展了汽雾阻化防灭火技术。近年来，随着综采放顶煤技术的广泛应用，逐步形成了以注氮为主的惰气防治采空区自然发火的技术途径。 （三）开采技术条件的影响 实践表明，合理的开拓方式与开采方法对于防止煤自燃火灾起决定性的作用。合理的巷道布置、合理的采煤方法、合理的开采方式和开采顺序以及合理的通风系统和方式、提高回采率，以及其它以“防”为主的防治措施，是防灭火工作的基础前提条件，只有做到了这一点，才能防患于未“燃”。 近年来，根据煤自然发火的过程特性，提出了采空区“三带”的概念，即将采空区划分为冷却带、氧化带和窒息带。采空区煤自然发火发生在氧化带内。通过对采空区“三带”的正确划分，并综合考虑漏风强度的影响，依据煤层的最短自然发火期可判定出采空区自燃危险区域，最终确定回采工作面的最小安全推进度，使“氧化带”的遗煤在还未发生自燃以前便进入“窒熄带”，消除自然发火危险。 第三节 煤层自然发火危险指数评价 一、煤自然发火外部条件 （一）煤层厚度 实践证明，煤层的厚度越大，自然发火的危险性越大。统计数据表明，有80的自燃火灾发生在厚煤层中。因此开采有自燃倾向性厚煤层的矿井，应特别重视内因火灾的防治工作。 （二）煤层倾角 煤层倾角较大时，特别是急倾斜煤层，由于采煤方法等原因往往造成较多丢煤，且采空区封闭困难，其自燃危险性较大。 （三）煤层埋藏深度 煤层埋藏深度越大，煤体的原始温度越高，煤中所含水分则较少，自燃危险性较大；但开采深度过小时又容易形成与地表沟通的裂隙，也会在采空区中形成浮煤自燃。 （四）地质构造 有褶曲、断层和火成岩侵入等地质构造破坏区域，煤层自燃发火危险性较大。 （五）围岩性质 若煤层的顶底板较坚硬，则煤柱易被压裂；同时，坚硬顶板冒落后其块度较大，难以将采空区充填密实，易于形成漏风通道，在这种情况下的自燃危险性较大。 （六）煤层的瓦斯含量 煤层中瓦斯含量较高时，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量，其自燃危险性较小。研究表明，当煤层中的剩余瓦斯含量大于5m3/t时，自燃难以发生；瓦斯涌出速度高时，很难发生煤的氧化，但是瓦斯涌出速度小于0.04～0.05ml/gh时，瓦斯涌出对煤的氧化过程没有影响。 （七）开拓开采条件 采煤方法对煤炭自燃的影响主要表现在回采率的高低和回采时间的长短上，合理的采煤方法应该是巷道布置简单、保证煤层切割与留设煤柱少、煤炭回收率高、工作面推进度快、采空区漏风少。这样可使煤炭自燃的条件难于得到满足，降低自然发火的可能性。 （八）漏风条件 只有向采空区不断的供氧，才能促使煤炭氧化自燃，即采空区漏风是煤炭自燃的必要条件。但是，当漏风风流过大时，氧化生成的热量可被风流带走，不会发展成为自燃火灾。所以，必须既有风流通过且风速又不太大时，煤炭才会自然发火。采空区中、压碎的煤柱以及煤巷冒顶和垮帮等地点，往往具备这样的条件，因此这些地点容易发生自燃火灾。 有的学者通过研究引起煤炭自燃的风速值范围，认为风速为0.4～0.8m/min时最容易引起自燃，并将其称为易自燃风速；另一些学者认为易自燃风速为0.10～0.24m/min。对于采空区，有人认为当其单位面积上漏风量大于1.2m3/minm2或小于0.06m3/minm2时都不会自燃，最危险的漏风量是0.4～0.8m3/minm2。 二、煤自然发火内部条件 （一）煤的自燃倾向性 煤的自燃倾向性是煤的一种自然属性，它表示煤与氧相互作用的能力。不同的煤层，其自燃倾向性差异甚大。影响煤炭自燃倾向性的因素很多。其中，影响比较大、人们认识又比较清楚的有煤的变质程度（煤化程度）、煤岩组份、煤的水分、煤的含硫量、煤的孔隙度与脆性等。 1、煤的变质程度 一般来讲，煤的变质程度越低越容易自燃，反之，其自燃倾向性越小。 2、煤岩组分 煤岩成分有丝炭、镜煤、亮煤和暗煤，其中，丝炭结构松散、吸氧能力强、着火温度低（190～270℃），是煤自热的中心，在自燃中起“引火物”的作用；镜煤和亮煤脆性大、易破碎，有利于煤炭自燃；暗煤硬度大，难以自燃。 3、煤的水分 水分对煤炭自燃的影响比较复杂。实验表明煤中水分少时有利于煤的自燃；若水分大时则会抑制煤的自燃，当煤中的水分蒸发后其自燃危险性会增大。 4、煤的含硫量 煤中含硫化铁越多，越容易自燃，此外，煤的含硫量对煤自燃的影响还与硫在煤体中的分布状态有关，但当含硫量小于1，其对自燃的影响则不大。 5、煤的孔隙率和脆性 煤的孔隙率越大，其吸附氧的能力也越大，因此孔隙率越大的煤越容易自燃。煤的脆性越大则越容易破碎，破碎后不但其接触氧的表面积大大增加，而且其着火温度明显降低，所以脆性越大的煤，越容易自然发火。 （二）煤炭自燃倾向性等级及其鉴定 掌握煤的自燃倾向性是进行防灭火工作的基础，为此我国煤矿安全规程明确规定，所有煤矿都要对开采煤层的自燃倾向性作出鉴定。 煤炭自燃倾向性的鉴定方法很多。我国从20世纪50年代至80年代，一直沿用着火温度降低值测定法，目前采用的方法为色谱吸氧法。色谱吸氧法使用的仪器为“ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪”。使用该仪器测定出常压下30℃煤的吸氧量，然后根据每克干煤的吸氧量大小，将煤的自燃程度划分为三级Ⅰ级容易自燃；Ⅱ级自燃；Ⅲ不易自燃。自燃倾向性划分标准如表4-2-3-1和表4-2-3-2所示。 表4-2-3-1 煤炭自燃倾向性分类表（褐煤、烟煤类） 自燃等级 自燃倾向性 30℃常压煤的吸氧量/cm3g-1（干煤） 备注 Ⅰ 容易自燃 ≥0.70 Ⅱ 自燃 0.400.70 Ⅲ 不容易自燃 ≤0.40 表4-2-3-2 煤炭自燃倾向性分类表*[高硫煤、无烟煤（含可燃挥发分）] 自燃等级 自燃倾向性 30℃常压煤的吸氧量/cm3g-1（干煤） 备注 Ⅰ 容易自燃 ≥1.00 Ⅱ 自燃 ≤1.00 Ⅲ 不容易自燃 ≤0.80 三、自然发火危险程度划分 对具体的一个矿井或煤层而言，其自然发火的危险程度不但取决于煤的自燃倾向性，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的影响。因此，应在综合考虑上述各种因素的基础上，确定矿井自然发火危险程度。目前国际上大多采用对各种内、外在影响因素综合评分的方法。但这种方法在国内外尚无定论，各个采煤国家仅是根据自身的具体情况制定相应的评判方法。尽管如此，但由于它对影响煤层自然发火危险程度的因素考虑比较全面，如能进行大量的统计分析，它确实不失为一种更为全面的预测煤层自然发火危险程度的方法。因此，前苏联、美国、波兰等主要产煤大国都在探索研究此类方法的应用，并取得了许多积极的效果。 第四节 煤层最短自然发火期评价 一、煤最短自然发火期定义 （一）自然发火煤层 煤炭自然发火是一渐变过程，要经过潜伏期、自热期和燃烧期三个阶段，因此，具有自燃倾向性的煤层被揭露后，要经过一定的时间才会自然发火。这一时间间隔叫做煤层的自然发火期，是煤层自燃危险在时间上的量度，自然发火期愈短的煤层，其自燃危险性愈大。 从理论上讲，煤层的自燃发火期定义为从发火地点的煤层被揭露（或与空气接触）之日起到发火所经历的时间。煤层最短自然发火期是指在最有利于煤自热发展的条件下，煤炭自燃需要经过的时间。 二、煤自然发火期预测方法 国内外都有学者提出过在实验室测定煤层最短自然发火期的方法，但目前还难以被实际工作所采用。目前，我国通常采用统计比较法和类比法确定煤层的自然发火期。 （一）统计比较法 此法适用于生产矿井。矿井生产建设期间，应对煤层的自燃情况作认真的统计和记录，将同一煤层发生的自燃火灾逐一比较，以其发火时间最短者作为该煤层的自然发火期。 （二）类比法 此法适用于新建矿井，即通过与该煤层的地质构造、煤层赋存条件和开采方法相似的生产矿井类比，估算煤层的自然发火期。 三、煤自然发火期研究现状及趋势 煤自然发火期预测一直是国内外煤矿安全技术研究领域的主攻方向，更是生产矿井迫切需求并具有重大现实意义的一项技术。此方面各现场单位有着各自的经验方法，由于这些方法是根据自身的生产条件而定，带有很大的人为因素，缺乏科学依据。近年来，随着检测仪表设备的现代化以及对煤的自燃基础参数研究的新进展，尤其是对煤与氧相互作用特性的进一步认识，为解决这一问题提供了途径。国际上前苏联利用煤吸氧蓄热研究方法得出的结果尚属满意。继前苏联的研究之后，不管是东欧还是欧美各主要产煤国家都在紧跟这一趋势，不断在改善研究条件、扩大研究规模，以期取得最终成果。 我国对这一问题呼声很高，现场要求迫切，但至今尚无实质性进展。近年虽已开始研究，但还属起步分散无系统的研究，而且也不够深入，特别是煤与氧相互作用的有关基础研究，还有大量工作要做。 我国在“八五”期间开展了有关煤最短自然发火期预测的研究。研究集中对所选的代表性煤样进行了煤自然发火气体产物模拟实验、DSC差示扫描量热热分析、DTA（差热）与TG（热重）热分析、自然发火过程模拟试验、自然发火期预测装置模拟试验、自然发火过程中氧化速度（耗氧速度）试验、煤物理化学基础参数测试等七大类试验，在此基础上，建立了煤的活化能的计算方法和煤自然发火环境条件的传热、传质数学模型，据此研制出煤层最短自然发火期预测装置，并提出了描述煤自然发火的新指标碳、氢氧解指数。 从目前煤炭自然发火期预测技术来看，今后我国在这方面技术的发展方向是 （一）充分利用绝热氧化模拟装置和色谱综合分析系统等先进仪器仪表，总体研究表征煤自然发火过程的氧化动力学特性、热力学特性（吸氧量和吸氧速度、温升时间特性等）和氧化产物特性，详细考察、研究煤自然发火特征参数和影响煤层最短自然发火期的内在及外在因素，为得出可信性、可靠性高的发火期数值而提供科学的基础数据； （二）加强现场定点跟踪的系统研究，在矿井或矿区煤田范围内考察与煤层自然发火期有关的数据资料，并建立相应的数据库；同时切实重视煤层自然发火期实验室综合模拟基础研究，以多层次、多学科的模拟测试体系配合现场实际观测研究，两者互补修订，形成从实践到归纳研究的综合性判断结果； （三）采用先进的信息技术，对实验室结果和现场观测结果对比分析，进行数据统计处理，总结归纳其规律性，由此提出适合我国国情的煤层自然发火期预测方法、预测指标和定型的预测手段，为最终提出我国煤层自然发火期预测体系之规范化先行一步。 17