王玉懷 尹義超 霍忠鋒 錢國(guó)棟 馮建生 芮國(guó)相

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市，101601； 2.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

神東煤田位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部，是目前我國(guó)探明面積最大、儲(chǔ)量最多、綜合煤質(zhì)指標(biāo)相對(duì)較好的煤田，被譽(yù)為世界七大煤田之一。神東煤田生產(chǎn)礦井開采煤層多為易自燃煤層，尤以近距離煤層群及大采高易自燃煤層采空區(qū)自然發(fā)火較為嚴(yán)重。為了掌握大采高易自燃煤層的自然發(fā)火機(jī)理，以察哈素煤礦3-1煤層為例，研究了影響該煤層自燃特征的內(nèi)在因素及不同因素的影響權(quán)重。

察哈素煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，井田南北走向長(zhǎng)13.83 km，東西傾斜寬12.02 km，面積157.95 km2。礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量1833.809 Mt，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a。3-1煤層為察哈素煤礦主采煤層，煤層厚度2.05～7.15 m，平均為5.25 m；煤層傾角平緩，一般為1°；煤種屬不粘煤和少量長(zhǎng)焰煤，是良好的民用和動(dòng)力用煤。煤層瓦斯含量低，屬易自燃煤層，自然發(fā)火期37 d，同時(shí)煤塵具有爆炸性。由于煤層自然發(fā)火傾向嚴(yán)重，防治煤層自然發(fā)火是煤礦開采過(guò)程中的首要任務(wù)。

1 3-1煤層自燃影響因素

煤炭自燃影響因素分內(nèi)因和外因。煤炭自燃的外因包括漏風(fēng)強(qiáng)度、溫度、地質(zhì)因素、工作面推進(jìn)速度、煤層厚度等因素。煤炭自燃內(nèi)因是最根本的原因，研究煤炭自燃應(yīng)從煤炭本身是否具有自燃傾向性以及外界因素是否有利兩方面考慮。本文主要側(cè)重煤炭自燃內(nèi)因的分析。根據(jù)本礦區(qū)煤質(zhì)特性及煤層賦存特征，確定主要影響煤炭自燃的內(nèi)在因素為煤化程度、煤巖成分、含水量、含硫量、煤層孔隙特性、煤層瓦斯含量等。

圖1 3-1煤層自燃內(nèi)在影響因素

2 各因素對(duì)3-1煤層自燃的影響

察哈素煤礦3-1煤層工業(yè)分析及煤質(zhì)參數(shù)：揮發(fā)分34.32%，水分7.46%，灰分3.75%，硫分0.66%，固定碳57.31%，碳含量77.85%，氫含量5.47%，氮含量0.91%，氧含量12.02%。

2.1 硫的影響

煤中硫的存在能增加煤的自燃傾向性，煤中硫?qū)ψ匀加绊戄^大的主要是黃鐵礦，黃鐵礦遇濕極易被氧化，而且黃鐵礦與煤吸附等量的氧氣時(shí)，其溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦被氧化產(chǎn)生的硫酸具有強(qiáng)氧化性和酸性，加速了煤的自燃，在有硫桿菌類細(xì)菌存在時(shí)，整個(gè)反應(yīng)將大幅加快。黃鐵礦被氧化時(shí)體積增大，對(duì)煤體具有脹裂作用，能使煤體裂隙擴(kuò)張和增多，導(dǎo)致氧氣滲入。3-1煤層中含硫量為0.66%，但存在黃鐵礦薄膜及結(jié)核，具有一定脆性，因此自燃的危害性增加。

2.2 水分的影響

在察哈素煤礦31303工作面采集煤樣進(jìn)行煤樣分析測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，3-1煤層煤炭中含有7.46%的水分，這些水分對(duì)煤層的自燃和氧化表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，水分影響氧氣在煤表面的傳遞和吸附，蒸發(fā)時(shí)帶走熱量，進(jìn)而降低煤氧反應(yīng)速率，抑制煤的自燃；另一方面，水分的存在對(duì)煤自燃起催化作用，煤中高分子結(jié)構(gòu)通常含有醛基、羥基等極性基團(tuán)，發(fā)生水解時(shí)，放出潤(rùn)濕熱。水分蒸發(fā)后，煤中形成了大量的孔隙和裂隙，氧氣更易到達(dá)煤體內(nèi)部，大幅增加了煤氧反應(yīng)面積，加速煤的自燃。

2.3 煤化程度的影響

煤化程度是影響煤自熱自燃的重要因素，其影響表現(xiàn)在：煤炭自燃傾向性隨著煤的變質(zhì)程度增高而降低，揮發(fā)分越高，煤炭自燃性就越高。隨著煤化程度的增大，結(jié)構(gòu)單元中芳香環(huán)數(shù)增加，結(jié)構(gòu)致密，對(duì)氣態(tài)氧較活潑的側(cè)鏈和含氧官能團(tuán)減少甚至消失，煤的抗氧化能力增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)北方55個(gè)煤田或礦區(qū)中，由中低變質(zhì)煤構(gòu)成的煤田火災(zāi)占90%。

在察哈素煤礦31303工作面采集煤樣進(jìn)行了煤化程度的鏡質(zhì)體反射率測(cè)試。鏡質(zhì)體主要是由芳香稠環(huán)化合物組成，隨著煤化程度的增大，芳香結(jié)構(gòu)的縮合程度也加大，這就使得鏡質(zhì)體的反射率增大。測(cè)定結(jié)果如表1和圖2所示。按照《鏡質(zhì)體反射率的煤化程度分級(jí)》(MT/T1158-2011)，鏡質(zhì)體反射率處于0.5%≤Rmax<0.6%時(shí)，屬于中級(jí)煤Ⅰ。地質(zhì)資料顯示，3#煤層以不粘煤(BN31)為主，長(zhǎng)焰煤零星分布。

表1 鏡質(zhì)體反射率測(cè)定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

反射率的平均值Rran=0.50%，標(biāo)準(zhǔn)差S=0.083%

圖2 測(cè)值分布頻率直方圖

煤的著火點(diǎn)高低主要與煤化程度有關(guān)。一般規(guī)律是揮發(fā)分越高的煤，著火點(diǎn)越低。所以從不同煤化程度來(lái)看，泥炭的燃點(diǎn)最低，其次是褐煤和煙煤，無(wú)煙煤的燃點(diǎn)最高。在煙煤中以煤化程度最低的長(zhǎng)焰煤和不粘煤的燃點(diǎn)最低，其次是氣煤、肥煤和焦煤，瘦煤和貧煤的燃點(diǎn)最高。察哈素煤礦3-1煤層煤種屬不粘煤和少量長(zhǎng)焰煤，燃點(diǎn)較低。

2.4 煤巖組分的物化性質(zhì)對(duì)煤自燃的影響

不同煤巖組分煤的著火點(diǎn)溫度不同，體現(xiàn)了煤不同的自燃傾向。鏡煤的著火點(diǎn)溫度低，臨界溫度就低，低溫氧化放熱速度快，腐植酸含量高，氧化后再生腐植酸的含量高，氧化分解氣體產(chǎn)率高，自由基濃度生成速度大，說(shuō)明鏡煤的自燃傾向性大。絲炭的自燃傾向性小。殼質(zhì)組的著火點(diǎn)溫度高,自燃傾向性就低，但在煤溫較高時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈熱解反應(yīng)。

神府煤田不同類型煤巖組成及其著火點(diǎn)如表2所示。鏡煤著火點(diǎn)溫度為290℃，絲炭的著火點(diǎn)溫度在350℃，隨著煤中惰性組的增加，著火點(diǎn)溫度會(huì)逐漸增高。

表2 神府煤田不同類型煤巖組成及其著火點(diǎn)

鏡質(zhì)組的著火點(diǎn)溫度較惰性組的著火點(diǎn)溫度低，自燃傾向性較高，鏡煤較絲炭的著火點(diǎn)溫度低，自燃傾向性較高。察哈素煤礦3-1煤層顯微組分鏡質(zhì)組煤達(dá)到 60.6%，因此鏡質(zhì)組含量高是該煤層易自燃發(fā)生的主導(dǎo)因素。3-1煤層顯微組分含量如表3所示。

表3 察哈素煤礦3-1煤層顯微組分含量(無(wú)礦物基)

煤氧化復(fù)合作用在煤的外表面和內(nèi)部孔隙中同時(shí)發(fā)生，包括煤對(duì)氧的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)。其中絲質(zhì)體中的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)于鏡質(zhì)體，表現(xiàn)為特大孔隙，從而決定了空氣是否能夠容易地進(jìn)入煤中的反應(yīng)性空位，以及能否有效增加表面積，進(jìn)而在煤自燃的過(guò)程中起支配作用。不同的煤巖組分吸附氧的能力不同，氧化性也不同。鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組吸附氧的能力都很強(qiáng)，尤以惰質(zhì)組吸附氧的能力最強(qiáng)。煤層顯微組分分析結(jié)果表明：察哈素煤礦3-1煤層具有較高含量的鏡質(zhì)組和惰性組，加之絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體本身孔隙發(fā)育，因此導(dǎo)致煤層具有較強(qiáng)的自燃特性。

2.5 煤體孔隙特性對(duì)自燃的影響

察哈素煤礦井田煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，煤體中存在著十分發(fā)達(dá)的孔隙和裂隙，孔隙度越大，煤的比表面積越大，越容易吸附氧。煤體在氧化放熱的同時(shí)向周圍散熱，散熱量與導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，煤體越松散，導(dǎo)熱系數(shù)越小，煤體蓄熱性越好。因此，煤的孔隙度越大，自燃傾向性越高。

煤中的孔隙和裂隙的存在具有復(fù)雜性和隨機(jī)性的特點(diǎn)。煤中孔隙類型按照孔半徑的大小來(lái)分，而根據(jù)孔徑大小的分類標(biāo)準(zhǔn)很多，其中霍多特的十進(jìn)制分類標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，它是根據(jù)氣體在孔隙中的吸附運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行劃分的，其劃分方式為：微孔(直徑小于0.01 μm)、小孔又稱過(guò)渡孔(直徑0.01～0.1 μm)、中孔(直徑0.1～1 μm)、大孔(直徑大于1 μm)。

在現(xiàn)場(chǎng)采集3-1煤層樣品，在實(shí)驗(yàn)室室溫25℃條件下使用壓汞儀對(duì)煤樣孔隙分布進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，察哈素煤礦3-1不粘煤常溫條件下不同孔徑孔隙體積分布以大孔、中孔和過(guò)渡孔為主，其中7～16目(直徑1.18～2.80 mm)煤樣孔隙體積中大孔占比超過(guò)37%，16～18目(直徑1.00～1.18 mm)煤樣孔隙體積中大孔占比超過(guò)49%，同時(shí)兩種煤樣過(guò)渡孔的孔隙體積占比超過(guò)30%。測(cè)試結(jié)果表明，由于3-1煤層中的孔隙以大孔、中孔和過(guò)渡孔為主，尤其大孔比例高，氧氣的擴(kuò)散和滲流阻力小，因此該煤層更容易吸氧和氧化。察哈素煤礦31303工作面不同粒徑煤樣靜態(tài)吸氧量見表5。

表4 25℃條件下3-1煤層煤樣不同孔徑類型孔隙體積比

2.6 瓦斯含量對(duì)自燃的影響

瓦斯或其他氣體含量較高的煤，由于內(nèi)表面受到隔離，氧化性能較低，可使煤的自燃潛伏期延長(zhǎng)，所以瓦斯含量較高的煤難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，其自燃性能將會(huì)提高。察哈素煤礦3-1煤層瓦斯含量低，瓦斯涌出量小，如31301工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.35 m3/min，因此對(duì)煤層的自燃影響有限。

表5 不同粒徑煤樣靜態(tài)吸氧量

3 影響因素權(quán)重系數(shù)的確定

采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。根據(jù)圖1所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立各層次的判斷矩陣，判斷矩陣中各指標(biāo)的相互關(guān)系及其重要程度根據(jù)察哈素煤礦3-1煤層具體條件、參考相關(guān)研究成果并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員分析后確定。各指標(biāo)相互關(guān)系及其重要程度見表6。

表6 采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及重要程度表

指標(biāo)層包含6個(gè)因素子集，其判斷矩陣R為：

經(jīng)過(guò)對(duì)判斷矩陣計(jì)算，最大特征λmax=6.0000，則判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI=0.0000，有:

即認(rèn)為判斷矩陣R具有滿意的一致性，表明各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值是合理的。

由此可見，6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中煤化程度指標(biāo)最重要，影響權(quán)重為0.25；其次是煤巖成分和孔隙特性，影響權(quán)重均為0.2；因3-1煤層瓦斯含量小，其影響權(quán)重最小，僅為0.05。各指標(biāo)的具體影響排序依次為：煤化程度、煤巖成分、孔隙特性、含硫量、含水量、瓦斯含量。

4 結(jié)論

(1)為了研究神東礦區(qū)大采高易自燃煤層自燃內(nèi)在因素的影響，以察哈素煤礦3-1煤層實(shí)例，根據(jù)本礦區(qū)煤質(zhì)特性及煤層賦存特征，確定了影響該煤層自燃特性的主要內(nèi)在因素為煤化程度、煤巖成分、含水量、含硫量、煤層孔隙特性、瓦斯含量等。

(2)通過(guò)采集大量煤樣研究了上述因素對(duì)察哈素3-1煤層自燃特性的影響。研究結(jié)果表明，由于3-1煤層煤化程度低、煤體中具有較高含量的鏡質(zhì)組和惰性組、煤體中存在著大量的孔隙和裂隙，導(dǎo)致煤層易氧化自燃。

(3)采用層次分析法研究了察哈素煤礦3-1煤層自燃因素的影響權(quán)重，研究結(jié)果表明，影響較大的因素為煤化程度、煤巖成分和孔隙特性，其次為含硫量和含水量，由于該煤層瓦斯含量小，瓦斯含量因素影響權(quán)重最小。