煤炭自燃（Spontaneous combustion of coal），簡稱煤自燃，是一個複雜的物理化學過程。煤炭自燃是自然界存在的一種客觀現象，已經存在了數百萬年，它是礦井火災控制管理中的一個重要方面。從化學中可知，自燃是物質在空氣中發生氧化作用而自動發生燃燒的現象，而燃燒則是物質劇烈氧化而發光、發熱的一種化學現象，由此可知，煤炭自燃是煤長期與空氣中的氧接觸，發生物理、化學作用的結果。
它是一個自加速的氧化放熱反應，氧分子首先在煤表面形成物理、化學吸附熱，使煤體溫度緩慢上升，而溫度的升高促使氧分子克服勢阻與煤分子表面活性官能團發生深度氧化分解反應，生成小分子氣體，並釋放大量反應熱，這些熱量在煤體內部積聚起來，最終導致了煤炭的自燃。
基本介紹
- 中文名：煤炭自燃
- 外文名：Spontaneous combustion of coal
- 簡稱：煤自燃
- 煤發生氧化：使煤堆的溫度升高
- 屬於：煤
- 學科：煤礦工程
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煤自燃的原因
煤是一種重要燃料。煤堆中的煤與空氣接觸，會發生氧化反應，並放出熱量。煤發生氧化反應後，使煤堆的溫度升高。煤的溫度升高后，又加速了煤的氧化反應速度。這樣，就使煤堆的溫度越來越高。當溫度超過煤的自燃點時，就會自燃。
煤的自燃是通風不好熱量積累，外層煤的熱量能夠得到散發，所以煤的自燃都是從內開始，逐漸向外擴展。
煤具有自燃的性質，特別是那些低品位的煙煤，當從環境中吸收的熱量大於釋放到環境中的熱量時自燃現象就會發生。影響自燃主要有以下幾方面的因素：
1.水份：水份的含量及變化是影響煤自發熱最主要的因素，當水蒸發時從外界吸收大量的熱，冷凝時就將這些熱傳給煤粉，理論上講，含水量增加1%將使煤溫上升17℃。因此不能用水來冷卻已經產生自發熱的煤堆，這是因為冷卻水很難將全部的煤浸透而只是讓部份溫度下降而已。
2.通風率：理論上在鬆散的煤堆中不流通的空氣完全反應的話將使其溫度上升2℃，實際上當高速流通的空氣在提供煤以氧氣的同時也會帶走大量的熱，而低速則恰好相反，儘管也提供相當數量的氧氣但卻不能帶走其自發產生的熱量。操作上長期置放的煤粉一定要壓緊，清除周圍的雜草勿使草根造成煤堆松質化，使空氣容易進入，溫度容易提高。
3.顆粒細度：與自發熱成反比的關係，顆粒越小其表面積越大，與空氣的接觸越充分，更容易產生自熱。但出於堆置上的考量，使煤堆不致於容易坍塌，一般會將其細度控制在一定範圍。
4.揮發份：按揮發份可以將煤分為煙煤、褐煤、無煙煤，其熱值遞增，自發熱可能性降低。而且由於煤粉飛灰都攙在生料中使用(G生料配料必須考慮到這一點)，因此根據不同的燃煤要求不同配比的生料，燒成操作上也作調整。
5.溫度：最重要的操作參數，跟據實驗室檢定，80℃以下溫升其反應率反而下降，80℃其活性隨溫度上升而上升。
影響煤炭自燃的因素
煤自燃是煤氧化產熱與向環境散熱的矛盾發展的結果。因此，只要與煤自燃過程產熱和熱量向環境散熱相關的因素都能影響煤的自然發火過程。可以將影響煤自燃的因素分為兩個方面，即影響煤自燃的內在因素和外在因素。
煤自燃的內因
(1)煤的變質程度。煤的變質過程伴隨著煤分子結構的變化，碳化程度越高，煤體內含有的活性結構越少。所以煤的變質程度是煤自燃傾向性的決定性因素。然而煤是很複雜的固體化合物，影響煤自燃的因素義很多，所以同一變質程度的煤可能自燃，也可能不自燃。現場的統計表面．褐煤最易自燃，無煙煤最不易A燃，煙煤的煤化度和自燃傾向性低於無煙煤而高於褐煤。煙煤是自然界最重要、分布最廣、儲量最大、品種最多的煤種。根據煤化度的不同．我國將其劃分為長焰煤、不黏煤、弱黏煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤等，這些煤種的自燃傾向性逐漸降低。
(2)煤岩成分。煤岩成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。在不同的煤炭中，這四種成分的數量變化很大，通常煤體中大多數是暗煤和亮煤，除極少數的情況外，絲煤和鏡煤僅僅是煤中的少量混雜物質。
不同的煤岩成分有著不同的氧化性。在低溫下，絲煤吸氧最多，但是，隨著溫度的升高，鏡煤吸附氧能力最強，其次是亮煤．暗煤最難於自燃。絲煤結構鬆散。吸氧量強。在常溫條件下，絲煤吸附氧的數量較其他煤種要多1．5～2．0倍，50℃時為5倍。絲煤的著火溫度低，僅為190～270℃。所以人們認為，在常溫條件下，絲煤是自燃的導因，起著引火物的作用。
鏡煤與亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常常充填有黃鐵礦，開採中易碎裂為微細的顆粒，細微狀的煤粒或黃鐵礦都有較高的自燃氧化特性，因此它的氧化接觸面積大，著火溫度低，故鏡煤與亮煤在絲煤吸附氧化升溫的促使誘導下很容易自燃。
(3)煤的含硫量。硫在煤中有三種存在形式：硫化鐵即黃鐵礦、有機硫以及硫酸鹽。對煤自燃起主導作用的是黃鐵礦一黃鐵礦的比熱小，它與煤吸附相同的氧量而溫度的增值比煤大3倍。黃鐵礦在低溫氧化時產生硫酸鐵和硫酸亞鐵，體積增大，使煤體膨脹而變得鬆散，增大了氧化表面積，而且其分解產物比煤的吸氧性更強，能將吸附的氧轉讓給煤粒使之發生氧化?在煤中含黃鐵礦越多，就越易白燃。
(4)煤的粒度孔隙特性和破碎程度。完整的煤體一般不會發生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態存在，其自燃性能顯著提高。這是因為破碎的煤炭不僅與氧接觸的表面積增大，而且著火溫度也明顯降低。有人研究，當煤粒度小於1mm時氧化速率與粒徑無關，並認為孔徑大於10nm的孔在煤氧化中起重要作用，根據波蘭的試驗，當煙煤的粒度直徑為1．5~2mm時，其著火點溫度大多在330～360℃；粒度直徑小於1mm以下時，著火點溫度可能降低到190～220℃。因此，可以說，煤的自燃性隨著其孔隙率、破碎度的增加而上升，這也是煤礦井下自燃多發生在粉煤及碎煤聚集的地方的原因。如採空區周圍邊緣地帶，在垮塌的煤壁和受壓破裂的煤柱等處均為自燃多發地。
(5)煤的瓦斯含量。瓦斯或者其他氣體含量較高的煤，由於其內表面含有大量的吸附瓦斯，使煤與空氣隔離，氧氣不易與煤表面發生接觸，也就不易與煤進行複合氧化，使煤炭自燃的準備期加長。當煤中殘餘瓦斯量大於5m3/t時，煤往往難以自燃。但是隨著瓦斯的放散，煤與氧就更易結合。
(6)水分對煤自燃的影響。水分對煤炭自燃過程的影響有兩個相互對立的過程。一方面，煤炭中的水分在初期階段會因為蒸發作用而散失，因此，一部分熱量就會以水分潛熱的形式被水蒸氣帶走，這就會阻止煤體溫度升高的趨勢。另一方面，煤體也會從空氣中吸收水分。這就是所謂的吸收熱(有時也叫濕潤熱)會促使煤的溫度升高。那么水分對煤的總的作用就取決於這兩種過程誰占主導地位。
根據煤中水分賦存的特點，煤的水分分為內在水分和外在水分，煤的內在水分是吸附或凝聚在煤顆粒內部的毛細孔中的水分，煤的外在水分是附著在煤的裂隙和煤體表面上的水分。一般來說，煤的內在水分在100℃以上的溫度才能完全蒸發到周嗣的空氣中，煤的外在水分在常溫狀態下即能不斷蒸發到周圍空氣中，在40～50℃溫度下，經過一定時間，煤的外在水分即完全蒸發乾。在煤的外在水分還沒有全部蒸發之前，溫度很難上升到100℃，因此，從這種情況看，煤的含水量對煤的氧化進程有影響，主要還是煤的外在水分。
煤自燃的外因
煤炭自燃傾向性是煤的一種自然屬性。實驗證明，它取決於煤在常溫下的氧化能力。是煤層發生自燃的基本條件。然而在生產中。一個煤層或礦井自然發火危險程度並不完全取決於煤的自燃傾向性，還受煤層的地質賦存、開拓、開採和通風條件的制約。
1、煤層地質賦存條件
據統計，80%的自燃火災是發生在厚煤層開採中，鶴崗礦區統計86%的自燃火災發生在5m以上的厚煤層中，厚煤層容易自然發火的原因，一是難以全部採用，遺留大量浮煤與殘柱；二是採區回採時間長，大大超過了煤層的自然發火期；三是煤層易受壓破裂而發生自燃。
開採急傾斜煤層比開採緩傾斜煤層易自燃。俄羅斯庫茲涅茨礦區75%的自燃火災發生在45°～90°傾角的煤層中。徐州大黃山煤礦煤層傾角南陡北緩，南翼局部倒轉，自然發火次數南翼為北翼的一倍以上。急傾斜煤層易於發生自燃火災的原因主要是採煤方法不正規、丟煤多、采後難以封閉。
綜上所述，可以認為絕大多數厚煤層都應按自然發火危險煤層處理．急傾斜厚煤層尤應如此。
地質構造複雜的地區，包括斷層、褶曲發育地帶、岩漿入侵地帶，自然發火頻繁。這是由於煤層受張力、擠壓，裂隙多，煤體破碎，吸氧條件好所造成。據四川芙蓉礦統計．巷道自燃火災52%發生在斷層附近。
煤層頂板堅硬，煤柱最易受壓碎裂。堅硬頂板的採空區難以冒落充填密實．冒落後還會形成與相鄰近的采I爰甚至地面連通的裂隙．漏風難以杜絕，為自然發火提供了條件，大同礦區的自然發火就具有這方面的特徵。
2、開拓開採條件
用石門、岩巷開拓，少切割煤層，少留煤柱，自然發火的危險性就小。厚煤層開採岩巷進入採區．便於打鑽注漿有利於實現預防性或滅火灌漿。
採煤方法對自然發火的影響主要表現在煤炭回採率的高低，回採時間的長短上。丟煤越多，丟失的浮煤越易集中，工作面的推進速度越慢，越易發生自燃。
3、通風條件
通風因素的影響主要表現在採空區、煤柱和煤壁裂隙漏風。採空區面積大，漏風量也大。在工作面的“兩巷兩線”(進風巷、迴風巷、開切眼、停采線)，過斷層地帶，煤層變薄跳面的地方有大量浮煤堆積，最易發生自燃。
決定漏風大小的因素有礦井、採區的通風系統，採區和工作面的推進方向，開採與控頂方法等。
