韓 啟

（北京鐵路局 張家口車務(wù)段，河北 張家口 075000）

煤炭是國家能源經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，同時也是鐵路運(yùn)輸?shù)闹攸c物資。但由于煤炭自燃的特性，在儲存和運(yùn)輸過程中煤炭自熱與自燃現(xiàn)象非常普遍，不僅影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼Ｖ刃?，還將造成財產(chǎn)損失，甚至危及人民生命安全。因此，探究煤炭自燃的原因，制定有效的預(yù)防措施，防止鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃十分必要。

1 煤炭自燃的原因

煤炭主要由有機(jī)物和無機(jī)物組成，其可燃元素有碳 (60%～95%)、氫 (1%～6%)、氧 (3%～5%，有時高達(dá) 25%）、硫 ( 0.1%～10% )，這些元素構(gòu)成可燃化合物，稱為煤的可燃質(zhì)。此外，煤還含有一些不可燃的礦物質(zhì)，如灰分 ( 5%～50% ) 和水分 ( 2%～20% )，這些物質(zhì)稱為煤的惰性質(zhì)。

為了掌握煤炭發(fā)生自燃的規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，結(jié)合各種論據(jù)，煤炭發(fā)生自燃的因素有以下幾個方面。

（1）化學(xué)成份的影響。煤碳所含的硫有3種存在形式：二硫化鐵即黃鐵礦 ( FeS2)、有機(jī)硫和硫酸鹽。煤炭發(fā)生自燃起主導(dǎo)作用的是硫化鐵，其與煤炭吸附相同的氧量而溫度的增值比煤碳大3倍，所以黃鐵礦在煤炭自燃過程中起著加速的作用。

（2）氧氣的影響。煤炭中的碳、氫等元素在常溫下會生成可燃物 CO、CH4及其他烷烴物質(zhì)(烷烴主要是作為燃料)。煤炭的氧化又是放熱反應(yīng)，如果熱量不能及時散發(fā)出去，煤堆的溫度升高后，又加速煤的氧化，放出更多的可燃質(zhì)和熱量。當(dāng)熱量聚集使溫度上升到一定值時，即會引起煤炭自燃。

（3）煤炭的含水量促進(jìn)其氧化進(jìn)程。研究表明，煤炭自燃前的全水分為 5%～7%，當(dāng)含水量達(dá)到 12%時，不會發(fā)生自燃。但隨著水分的揮發(fā)，加速煤炭的各種反應(yīng)，如硫份的酸化，產(chǎn)生的熱量又加快了氧化反應(yīng)過程。另外，煤炭中含水量多，則煤質(zhì)松軟，裂隙孔隙因水的蒸發(fā)使吸氧表面積增大，吸氧量加強(qiáng)，煤炭更易導(dǎo)致自燃。

（4）氣溫、氣壓的影響。煤炭自燃經(jīng)常發(fā)生在大氣溫度下降、氣壓增大時，這種氣候條件下，大氣密度比煤堆的空氣密度大，因此滲入煤堆的新鮮空氣量增大，導(dǎo)致煤炭自燃加劇。

（5）煤炭的粒度影響。煤炭的粒度越小煤炭的表面積越大，吸氧量越大，越易自燃。煤炭破碎后著火點溫度下降，當(dāng)煤炭粒度為 1.5～2.0 mm3時，著火點溫度為 330 ℃～360 ℃。當(dāng)煤炭粒度＜1.0 mm3時，著火點溫度為 190 ℃～220 ℃。

（6）煤種的影響。表1 表明煤種不同其著火點也不同，從褐煤到無煙煤，其著火點越來越高，自燃傾向性越來越弱。

表1 各類煤種的著火點范圍

2 煤炭自燃的過程

煤炭從氧化到發(fā)生自燃會經(jīng)歷以下 5 個階段。

（1）水吸附階段。水吸附階段是物理過程，煤炭與氧不會發(fā)生反應(yīng)，煤炭吸附水雖不是煤炭自燃的根本原因，但煤炭吸附水會放出大量熱，因此該階段對煤炭自燃起著關(guān)鍵作用。

（2）化學(xué)吸附階段。化學(xué)吸附階段煤炭會產(chǎn)生氣體，根據(jù)煤炭品級和類型不同，放熱量在5.04～6.72 J/g。當(dāng)煤炭溫度達(dá)到 60 ℃ 時會分解，煤炭中水分蒸發(fā)可以帶走一些熱量，該過程中產(chǎn)熱量的變化范圍為 16.8～75.6 J/g，在這個階段煤炭一般會發(fā)生自燃。

（3）煤氧復(fù)合物生成階段。煤氧復(fù)合物生成階段生成一種穩(wěn)定的化合物，即煤氧復(fù)合物。其反應(yīng)溫度范圍為 150 ℃～230 ℃，產(chǎn)生的熱量為 25.2～103.4 J/g，在這個階段煤炭必然發(fā)生自燃。

（4）燃燒初始階段。燃燒初始階段是煤氧復(fù)合物生成階段到煤炭快速燃燒階段的過渡時期，煤炭溫度達(dá)到 230 ℃ 時，煤炭的反應(yīng)熱為 42～243.6 J/g，這些熱量使煤炭溫度迅速上升進(jìn)而促進(jìn)煤炭快速燃燒。

（5）快速燃燒階段?？焖偃紵A段是煤炭的實際燃燒過程。在這個階段根據(jù)氧氣供應(yīng)情況，如果燃燒充分，其反應(yīng)熱等于煤炭的發(fā)熱量。

3 煤炭自燃的部位

根據(jù)煤炭自燃的實際情況，發(fā)生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆的深部，而是在煤堆的表層以下。在自然堆積狀況下，可將煤堆分為3層，如圖1所示。

（1）冷卻層。冷卻層是煤堆的表層，厚度為0.5～1.5 m。該層煤炭較松散，與空氣接觸充分，雖然發(fā)生氧化反應(yīng)但是散熱條件好，所以一般不會發(fā)生自燃。

（2）氧化層。氧化層位于冷卻層以下，厚度為1～4 m。該層煤炭具備自燃的所有條件，達(dá)到自然發(fā)火期即會自燃。

（3）窒息層。窒息層位于氧化層以下，煤層相對壓實，供氧不充分，且含水率較高，氧化程度較低，不易發(fā)生煤炭自燃。

煤炭在自然堆放時，一般中心部位處顆粒較細(xì)，越往四周顆粒越粗。相應(yīng)地，從中心往四周，空隙越來越大，通風(fēng)散熱條件越來越好，冷卻層和氧化層越來越厚。

煤炭自燃一般發(fā)生在氧化層，同時伴隨著溫度升高，產(chǎn)生冒熱氣、冒煙等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤堆上某處釋放熱氣或冒煙，則自燃點一定在該部位垂直向下的氧化層內(nèi)。因為，受煤炭自熱或自燃的熱壓作用，氣體流動方向為垂直向上。一旦某個部位的煤炭發(fā)生了自燃，也會使其上部冷卻層的煤炭自燃。

4 鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃的原因

（1）直接裝運(yùn)已自燃煤炭。裝車時，如將部分自燃的煤炭裝車，在列車運(yùn)行中，因車速快、風(fēng)大，為自燃煤炭供應(yīng)的氧氣增加，燃燒將進(jìn)一步加劇。近年來，隨著鐵路運(yùn)輸企業(yè)嚴(yán)格控制、嚴(yán)格檢查，這種情況已很少發(fā)生。

（2）裝運(yùn)嚴(yán)重自熱煤炭。因檢查工作不到位，所裝煤炭雖無明火，但已自熱到溫度接近或超過著火點溫度，只因壓在煤堆里層，供氧不足，未發(fā)生明火。裝車后由于車速快、風(fēng)大、供氧充足，最終導(dǎo)致煤炭自燃。由于此種情況沒有明顯的煙、火現(xiàn)象，現(xiàn)場不容易發(fā)現(xiàn)(尤其是夜間裝車)。這是近年來在煤炭運(yùn)輸中發(fā)生自燃的主要原因。

5 張家口地區(qū)鐵路煤炭運(yùn)輸?shù)奶攸c

（1）煤種、煤質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜。張家口地區(qū)發(fā)運(yùn)的煤源來自內(nèi)蒙古、山西及蔚州等地區(qū)，而且是多種品質(zhì)的煤炭摻配混合，其中大部分屬于自燃傾向性較強(qiáng)的煤炭。并且大部分煤炭先由汽車遠(yuǎn)距離調(diào)入張家口地區(qū)煤場存放、摻配，上報日請求車前再用汽車運(yùn)至貨位等待裝車。因煤炭來源雜、經(jīng)歷雜，所以鐵路作為承運(yùn)人根本無法詳細(xì)掌握煤炭存儲時間、煤質(zhì)、煤種配比、混合均勻與否、有無發(fā)生過自燃現(xiàn)象等情況。而這些情況往往決定該批煤炭是否會在運(yùn)輸中發(fā)生自燃。

圖1 煤堆自燃分布剖面示意圖

（2）煤炭質(zhì)量的檢測手段單一。煤炭質(zhì)量的檢查僅依靠托運(yùn)人提供的煤炭技術(shù)參數(shù)，而煤炭的溫度檢測僅依靠在裝車前使用移動式煤炭測溫儀對煤堆局部進(jìn)行測溫(見圖2)，在裝車過程中無法監(jiān)測煤炭溫度。

（3）煤炭存放場地不標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有煤炭存放場均為軟地面，由于反復(fù)輾壓造成不規(guī)則凹坑，下雨過后，造成底層煤炭含水量較高，并逐漸向上傳導(dǎo)，導(dǎo)致中部煤炭積水積熱，加上張家口地區(qū)風(fēng)大、日照時間長，這些都會導(dǎo)致煤炭久存自燃。

（4）車輛技術(shù)狀態(tài)不良。多數(shù)裝運(yùn)煤炭車輛需要使用封堵材料方能封堵嚴(yán)密，封堵材料大多為編織布包裹稻草、密封條、泡沫膠等。一般貨主考慮經(jīng)濟(jì)成本，使用廉價的編織布包裹稻草的封堵方法。該種材料密封效果差，不能有效隔離車輛在運(yùn)行中對煤炭的供氧，故引起煤炭自燃頻發(fā)。

（5）作業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)較低。有些監(jiān)裝貨運(yùn)員未經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)，安全意識差，對操作規(guī)程和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，再加上安全意識不強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)存在煤炭自燃傾向不匯報，從而為煤炭在運(yùn)輸過程中發(fā)生自燃埋下隱患。

6 預(yù)防煤碳自燃應(yīng)采取的措施

（1）強(qiáng)化過程控制。結(jié)合煤炭自燃條件，設(shè)立數(shù)據(jù)監(jiān)控表(見表2 ～ 表 4 )，逐項確定關(guān)鍵控制點，并對照加以解決。

表2 煤源參數(shù)

表3 裝車前檢查

當(dāng)表2或表3中出現(xiàn)√項目，該煤炭列為重點進(jìn)行監(jiān)控，采取翻垛、晾曬、測溫、壓實等措施，降低煤炭溫度，密切注意煤炭的動態(tài)變化。

圖2 裝車前對煤堆局部測量溫度

表4 裝車過程監(jiān)控

當(dāng)表4中出現(xiàn)√項目：①采取翻垛、晾曬、測溫、壓實等措施，降低煤炭溫度；②溫度超過 60 ℃時，嚴(yán)禁裝車；③如發(fā)現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，將發(fā)生自燃的煤炭清理出貨位；④車輛有縫隙時，重新封堵，做到嚴(yán)密封堵，并記下問題車號，沿途重點檢查。

（2）配備先進(jìn)的測溫設(shè)備。給各裝車地點配備移動式測溫儀和手持測溫儀，在裝載機(jī)上配備固定式測溫設(shè)備。利用測溫設(shè)備對存儲煤炭的多個深層部位進(jìn)行檢測，選擇向陽、迎風(fēng)、煤垛之間的交叉點等位置，準(zhǔn)確探測煤炭內(nèi)部溫度，判定是否存在陰燃現(xiàn)象。在裝車過程中，由貨運(yùn)作業(yè)人員、托運(yùn)人、裝載機(jī)司機(jī)根據(jù)各自職責(zé)對煤炭狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有煤炭自燃現(xiàn)象，應(yīng)立即停止裝車，積極組織滅火，嚴(yán)禁將著火或冒煙的煤炭裝車，確定無自燃隱患后再繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

（3）改善煤炭堆放場地條件。堆放煤炭場地以水泥類硬質(zhì)地面最為理想，地面不宜鋪墊空隙較大的襯墊物，以防空氣進(jìn)入煤堆增加自燃風(fēng)險。

（4）選擇合適貯煤場和堆置方式。宜將貯煤場設(shè)在寬敞背光的地方，或者設(shè)置煤棚，保持貯煤場通風(fēng)良好，防止煤堆暴曬，同時周圍無高溫?zé)嵩础Ｃ禾块L期貯存時要噴水壓實，盡量減少煤堆中的空氣。

（5）采取合理堆煤方式。存貯的煤堆間應(yīng)留出足夠的翻跺距離，特別是對容易自燃的煤種，如褐煤、長焰煤、不粘煤、噴吹煤或經(jīng)過摻配的煤炭，重點監(jiān)控堆放通道的預(yù)留。盡量在較低的溫度下貯存煤炭，避開在中午烈日下進(jìn)行堆煤，以減少熱量的積聚。塊煤、末煤混在一起的煤堆，由于煤堆中有相當(dāng)多的空氣使煤炭氧化，導(dǎo)致溫度迅速升高，因此，塊煤和末煤以分開貯存為宜。末煤單獨(dú)貯存時可以用推土機(jī)一層一層地壓緊，盡量減少煤堆中的空氣，從而不易引起自燃。

（6）減少堆放的時間。煤炭的存放時間應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)而定，加快煤炭發(fā)送周轉(zhuǎn)效率，合理使用貨位，有條件的應(yīng)該做到裝車當(dāng)天上煤，剩余煤炭應(yīng)及時清理出貨位。

（7）避免新、老煤炭混放。新煤堆放在老煤上可能造成煤炭的粒度分離，從而擴(kuò)大氧化面積。因此，應(yīng)從源頭上避免新、老煤炭混放，并定期對老煤炭狀態(tài)進(jìn)行測溫和檢查。

（8）勤翻煤垛。煤場中長時間存放的煤炭會產(chǎn)生一定的熱量，通過翻倒煤垛破壞煤堆氧化層，可有效散放出內(nèi)部熱量，延緩煤炭的自燃過程。

（9）做好車門封堵工作。車門封堵應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采取密封條與泡沫膠相結(jié)合的方式，在列車運(yùn)行中隔絕煤炭供氧，做到封堵嚴(yán)密，減少發(fā)生自燃的條件。

（10）建立健全培訓(xùn)機(jī)制。為提高作業(yè)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和安全責(zé)任意識，對貨場、專用線的作業(yè)人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)，考核達(dá)標(biāo)后憑崗位合格證上崗，杜絕因違章蠻干造成煤炭自燃事故。

7 結(jié)束語

防止鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃事故，事關(guān)鐵路運(yùn)輸安全與和諧發(fā)展，應(yīng)引起路企雙方高度重視。這需要路企雙方在安全責(zé)任上達(dá)成共識，密切配合；需要在生產(chǎn)實踐中加強(qiáng)學(xué)習(xí)，不斷探索；更需要總結(jié)運(yùn)輸事故的經(jīng)驗教訓(xùn)，積極超前預(yù)警，制定切實有效措施，并且嚴(yán)格落實，才能真正做到防患于未然。