新疆大南湖北露天勘探区煤层自燃因素初探

张 虎，李东慧，张 晖，王丽娜

1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东泰安 271000 2.山东省煤田地质局第五勘探队，山东泰安 271000

1 国内煤矿煤层自燃情况

据不完全统计，目前我国国有大中型煤矿，自然发火危险矿井已经占到60%，因煤自燃导致的经济损失达42亿以上。煤的自燃，不仅浪费煤炭资源，还严重污染环境，破坏生态平衡。煤层自燃释放的大量有害气体，污染大气，影响生命健康。煤矿火灾中，自燃发火要占到70%以上，国内一些自燃发火严重的矿区，如抚顺、鹤岗、窑街、义马、淮南、六枝等地均在80%～90%以上。

2 研究区煤层的自燃倾向性等级测定

研究区位于新疆哈密市西南，距哈密市区约84km。区内煤炭资源丰富，煤层埋藏较浅、剥采比较小、开发条件优越，适宜露天开采。哈密鲁能煤电化开发有限公司近期将对该区展开露天煤矿的规划、建设工作，设计能力为2 000万t/a，首采区位于井田东部，面积5.48km2，生产剥采比3.75m3/t，均衡期20年。

在北露天勘探中，为查明区内煤层的自然发火等级，共采取煤样134件进行煤的自燃倾向性实验。煤的自燃倾向性，即煤在常温下氧化能力的内在属性。吸氧量是指煤在常温、常压下，每克干煤吸附流态氧的量，是判断煤层自燃倾向性的主要指标。样品实验采用色谱吸氧鉴定法（MT/T707—1997）[3]，测试结果显示：各主要煤层所测样点的吸氧量两极值变化在0.32ml/g～1.11ml/g，根据煤的自燃倾向性等级划分标准，各煤层均为I、II类容易自燃～自燃发火煤层，见表1所示。

3 影响煤层自燃的主要因素

3.1 煤层自燃是由其化学组成及结构决定的

煤层自燃主要是因为煤在常温下吸附空气中的氧分子并与其发生氧化作用，产生热量的一种地质现象。煤的主要成分是碳，煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化，逐渐形成的固体可燃性矿物。煤有很大的表面积及吸附能力，煤分子中的活性基团与吸附的氧分子发生化学反应，产生热量，当热量累积到一定程度，释放出大量热，从而使煤温度急剧上升，当达到燃点时，引起煤的自燃。不同的煤岩组分，受氧化的难易程度也不同。丝炭是植物的木质纤维组织，燃点为230℃；镜煤中富氢的活性基团虽多于丝炭，但燃点反高于丝炭，为274℃；但两者混合后，燃点仅为210℃左右，极易自燃。另外，煤层中的磷、硫等化学物质，也是助燃物质，极易发生氧化反应，释放大量的热，促进煤层燃烧。

表1 煤自燃倾向性测试成果表注：Ⅰ类为容易自燃发火煤层；Ⅱ类为自燃发火煤层；Ⅲ类为不易自燃发火煤层。

3.2 围岩、煤层厚度、产状及地下水对煤层自燃的影响

煤层自燃后产生的热量，主要以传导和对流方式向四周扩散，其影响范围与煤层自燃区规模大小和围岩的热传导性有关。煤层顶板岩石形成烧变岩，引起裂隙发育，而发育的裂隙又为深部煤层的进一步自燃提供氧气通道，煤层自燃便逐渐向纵深发展。在本次勘探的矿区东南部及中北部有两处古火烧区，从火烧区边界向露头方向，煤层呈楔形变薄直至尖灭。据现场钻孔揭露，燃烧后的残煤，物理性质发生明显变化，颜色变浅、强度变弱。而厚度大的煤层，在氧化过程中产生大量的热量，更易于积累，使煤层自燃的可能性增加；煤层倾角缓，煤层燃烧后易于沿倾向扩展。地表水及地下水对煤层自燃有一定的抑制作用，故一般煤层自燃主要发生在潜水位以上。

3.3 温度对煤层自燃的影响

该区属大陆干旱荒漠气候，全年日照时数在3 350小时以上。试验证明，当温度在30℃～100℃时，每增加10℃，氧化速度增加2.2倍，如果达到70℃以后，氧化则加速进行，很快便可达到燃点。外界的热源和散热条件差也能促进煤的自燃。

4 对研究区煤层自燃发火的防范措施

严格按照设计工艺开采，特别注意边坡稳定性；重视日常安全管理，置备检测仪，发现煤层自燃迹象时，及时预警；合理利用区内地下水，区内地下水经采样化验，矿化度为16.5g/L～48.1g/L，不适宜饮用及农业灌溉，可用来灭火。建立泵站及输水管路，采取水浇灭火。

5 结论

煤层自燃是一个复杂的物理、化学和环境作用过程，是多种内在原因和外在条件综合作用的结果。本文探讨了新疆哈密市大南湖北露天勘探区，煤层自燃发火的各种内在和外在原因。这些因素主要包括日照时间长，露天开采，水分散失快，氧化过快。煤的自燃，影响其开采，存储和运输，并可能造成不必要的生命及财产损失，应引起足够重视。

[1]张建民.中国北方地区煤层自燃环境影响及治理对策研究[J].中国减灾，1998，8.

[2]张国枢.矿井通风[M].中国矿业大学出版社，2000.

[3]黄春慧.新疆哈密市大南湖矿区北露天煤矿勘探报告，2009，11.

[4]煤矿安全规程.中华人民共和国能源，1992-10-22.

[5]徐妙枝.煤的燃烧变质作用与煤层自燃特征[J].西部资源，2007，5.