酚基作用假说
1940年，前苏联学者特龙诺夫（Б．B．Tpoиoв）提出酚基作用假说：煤的 自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物吸附空气中的氧，同时放出一定的热量所致。
煤氧复合作用假说
煤氧复合作用假说认为煤自燃的主要原因是煤与氧气之间的物理、化学复合 作用的结果， 其复合作用包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应产生的热 量导致煤的自燃。
第二节 煤自燃假说
1686年，英国学者普洛特（Plot）发表了第 一篇有关煤自燃的论文 ，距今已有320多年
世界各主要采煤国家都开展了对煤炭自燃的 研究，在煤炭自燃机理及防治技术方面取得 了许多研究成果
由于煤炭的构成及其自燃过程极为复杂，迄 今还没有能完善解释煤炭自燃的学说，成为 没有解决的一大世界难题。
150
粒度/目
不同粒度煤物理吸氧量
潘一肥煤 柴里气煤 北皂褐煤 百善无烟煤 李一气肥煤
200
粒度影响煤的孔隙分布和内外表面积，因此也就影响了煤的物理吸附能力。 随着煤粒度不断变小，其吸氧量相应增加，一旦粒度太小之后破坏了这些微 孔隙结构，那么其物理吸附能力反而有所下降。
煤低温氧化过程的耗氧特性
煤的物理吸附氧的试验
煤自燃影响因素
内在因素：
煤的变质程度 煤的水分 煤岩成分 煤的含硫量 煤的粒度、孔隙度 煤的瓦斯含量
煤自燃影响因素
煤炭自燃倾向性取决于煤在常温下的氧化能力，是煤 层发生自燃的基本条件。然而在生产中，一个煤层或矿井 的自然发火危险程度并不完全取决于煤的自燃倾向性，还 受外界条件的影响。
外在因素：
煤层地质赋存条件 采掘技术因素 通风管理因素
kJ/（kg∙K）
温升值，K
北皂褐煤
1.4037
0.1968
1.5
0.13
柴里气煤
0.5998
0.0841
1.4
0.06
潘一肥煤
0.5576
0.0782
1.3
0.06
百善无烟煤
0.8070
0.1131
1.1
0.10
煤低温氧化过程的耗氧特性
煤低温氧化阶段的耗氧试验
煤样 卡布梁煤 大淑村煤 北杨411煤 长广07煤 五沟煤 东滩煤 朱仙庄煤 大佛寺煤 秦源煤 义马煤 北皂煤
燃烧期
煤温达到着火温度（无烟煤﹥400℃、烟煤320380 ℃ 、褐煤﹤300℃）开始燃烧。
风化冷却
如果煤温根本不能上升到临界温度，或能上升到这 一温度但由于外界条件的变化更适于热量散发而不是聚 集，煤炭自燃过程自行放慢而进入冷却阶段，继续发展， 便进入风化状态，使煤自燃倾向性能力降低而不易再次 发生自热。
煤自燃自热期
• 经过准备期之后，煤的氧化速度增加，不稳定的 氧化物分解成水（H2O）、二氧化碳（CO2）、 一氧化碳（CO）。氧化产生的热量使煤温继续 升高，超过煤自热的临界温度（一般为60～ 80℃），煤温急剧加速上升，氧化进程加快，开 始出现煤的干馏，产生芳香族的碳氢化合物 （CxHy）、氢（H2）、更多的一氧化碳（CO） 等可燃气体，这个阶段为自热期。
通风管理因素
通风因素的影响主要表现在采空区、煤柱和煤壁裂隙漏风。
矿井通风网络结构简单，风网阻力适中，主要通风机与风网匹配，通风 设施布置合理，通风压力分布适宜的通风系统可以大大减少或消除自然 发火的供氧因素，主要表现在：
➢从全矿井网络结构来看，开采自燃煤层的大中型矿井，以中央分列式 和两翼对角式通风为好；
第二章 煤炭自燃及特性
本章要点：
➢ 了解煤炭自燃的假说，掌握煤氧复合假说的内容 ➢ 掌握煤炭自燃的条件、过程及其影响煤炭自燃的
因素 ➢ 了解煤低温氧化过程的耗氧、产热、产物和自由
基官能团变化特性 ➢ 掌握我国煤炭自燃倾向性的测试方法与分类标准 ➢ 掌握自然发火期的定义与确定方法。
第一节 煤的基础特性
kg/(Kg.K)-1 kg/(Kg.K)-1
第一节 煤的基础特性
煤的比热容
比
煤的比热（在常温下1g煤升高1℃时所需 的热量）很小，水的比热（5℃时为
热 容
4.184kJ/kg.℃）大约为其4倍，因而煤的
比热随煤中水分含量的增加而提高；同时，
它随煤化程度的加深而降低。此外，由于
煤中矿物质的主要成分的比热较小，因此，
不同煤样在各种温度下的氧气浓度值 单位：%
煤种 无烟煤 无烟煤
贫煤 气肥煤
焦煤 气煤 气煤 不黏煤 长焰煤 长焰煤 褐煤
40℃ 20.78 20.92 20.93 20.85 20.63 20.93 20.77 20.93 20.70 20.69 20.52
50℃ 20.83 21.01 20.84 20.88 20.77 20.73 20.65 20.76 20.03 19.87 19.94
煤的化学吸附特性
不同煤种对氧物理吸附能力的示意图
➢化学吸附时吸附分子与固体表面间有某种化学作用，即它们之间有电子的 交换、转移或共有，从而可导致原子的重排、化学键的形成与破坏；
➢化学吸附速度与化学反应类似，吸附需活化能，速度比较慢，属单分子层 吸附，而且是不可逆的，有明显的选择性；
➢煤的化学吸附热一般为80～420 kJ/mol。
➢开采一个采区时采用前进式开采程序比用后退式开采的漏风大，而且 也使采空区内的遗煤受氧作用时间长，都为自燃创造了条件
➢规程规定：开采容易自燃和自燃的煤层（薄煤层除外）时，采煤工作 面必须采用后退式开采
➢一个采区或工作面回采时应力求采用进度快的生产工艺，使采空区遗 煤经受氧的作用时间大大小于煤层的自然发火期，就不易自燃发生。
煤层地质赋存条件
地质构造
自然发火次数要多于煤层层位规则的地方如断层、褶曲发育地带、 岩浆入侵地带 。这是由于煤层受张拉、挤压的作用，裂隙大量发生， 破碎的煤体吸氧条件好，氧化性能高。据四川芙蓉煤矿统计，巷道自 燃火灾52％发生在断层附近。
煤层顶板
煤层顶板坚硬，煤柱易受压碎裂。坚硬顶板的采区空冒落充填不 密实，冒落后有时还会形成与相邻正在回采的采区，甚至地面连通的 裂隙，漏风无法杜绝，为自燃提供了条件
第三节 煤的自燃过程及影响因素
自然发火的条件
➢煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积 ➢有连续的通风供氧条件 ➢热量易于积聚 （有聚热环境） ➢持续一定的时间
煤自燃过程
温
度
燃
着火点温度
烧
Tc＝70℃
T0 0
准备期
冷却 自热
风化 时间
煤自燃准备期
• 准备期又成为潜伏期，此阶段煤体温度的 变化不明显，煤的氧化进程十分平稳缓慢， 煤与氧接触后煤的重量略有增加、着火点 温度降低，氧化性被活化。在该阶段因环 境起始温度低，煤的氧化速度慢，产生的 热量较小，因此需要一个较长的蓄热过程， 它的长短取决于煤的自燃倾向性的强弱和 外部条件。
煤层地质赋存条件
煤层厚度
➢开采厚煤层的矿井，内因火灾发生次数比开采中厚和薄煤层的矿井多； ➢据统计，有80％的自燃火灾发生在厚煤层开采中 ； ➢国内的鹤岗矿区统计，有86.6％的自燃火灾发生在5m以上的厚煤层中； ➢原苏联库兹涅茨矿区2/3以上的煤炭自燃也发生在5m以上的厚煤层中。
煤层倾角
➢开采急倾斜煤层比开采缓倾斜煤层易自燃 ； ➢原苏联库兹涅茨矿区75％的自燃火灾发生在45°～90°倾角的煤层中； ➢德国鲁尔矿区81.5％的自燃火灾发生在36°～90°倾角的煤层内； 原因： ✓倾角大的煤层受到地质作用影响比较大，使得煤层在开采过程中比较容易破 碎 ✓倾角大的煤层频繁发生自燃还因为急倾斜煤层顶板管理困难，采空区不易充 严，煤柱也不易保留，漏风大
• 煤静态物理吸 附氧的热效应
T＝ qy Vd 22.4 u
式中：qy 为氧的液化热，其值为3.41kJ/mol；Vd为煤物理吸附氧量,ml/g； μ为煤的质量热容，kJ/（kg∙K）。
静态物理吸附使煤体温度上升值
煤样
静态物理吸氧量， 煤体物理吸附氧获得 煤样质量热容， 物理吸附使煤体
ml/g
的热量，kJ/kg
煤的分类：
按煤的干燥无灰基挥发分： 褐煤>37%、烟煤>10％、无烟煤≤10%， 根据表征烟煤煤化程度的参数（粘结指数、胶质层最大厚度 或奥亚膨胀度），将烟煤划分为： 长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3 焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤
图8 中国煤种分布与煤层自燃倾向性区划
煤低温氧化过程的耗氧特性
煤的物理吸附氧的试验
不同环境温度吸氧量 随着温度上升煤物理吸氧量呈下降趋势，且初始吸氧量大的物理吸氧量 降值大，初始吸氧量不同的煤样在某个温度处的吸氧量有可能相等或者 极其接近。
煤低温氧化过程的耗氧特性
煤的物理吸附氧的试验
1.2
吸氧量/ml/g
0.8
0.4
0.0 50
100
若顶板易于垮落，垮落后能够严密地充填采空区并很快被压实， 火灾就不易形成，即使发生，规模也不会很大。
采掘技术因素
采掘技术因素对自燃危险性的影响主要表现在采区回采速度、回采 期、采空区丢煤量及其集中程度、顶板管理方法、煤柱及其破坏程度、 采空区封闭难易等方面。
➢采煤方法影响煤炭自燃主要表现在煤炭回采率的高低和回采时间的长 短等，丢煤愈多、浮煤越集中的采煤方20.72 20.55 20.63 20.67 20.63 20.61 19.06 19.03 19.10
70℃ 20.72 20.75 20.64 20.83 20.29 20.18 20.27 20.39 17.24 17.63 17.10
煤低温氧化过程的耗氧特性
煤的物理吸附氧的试验
吸氧量/ml/g
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
潘一肥煤 柴里气煤 北皂褐煤 百善无烟煤 李一气肥煤