浅析煤炭自燃中水分的影响因素
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅析煤炭自燃中水分的影响因素范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：水分对煤的低温氧化的作用是双重的，即水分对煤的低温氧化或是促进作用或是抑制作用。通过查阅文献，对水分两种作用的原因进行解释；水分对煤的低温氧化究竟是哪种作用取决于煤中的水分含量，并存在一个最佳的水分含量使得煤的低温氧化过程最容易进行；不同煤种这个最佳水分含量是不同的，褐煤大约为25%～30%，无烟煤大约为25%，烟煤则根据其具体煤种分类的不同，最佳水分含量也不相同。
关键词：水分含量 煤氧化 促进作用 抑制作用
0 引言
煤炭自燃是煤在开采、运输和储存过程中的重要危险。众所周知煤的自然发火的过程是极其复杂的，是经过“煤吸附氧氧化自热热量积聚自燃”这样一个过程而产生的灾害。煤的物理化学结构的组成是极其复杂的不均匀体，而煤炭的自然发火恰恰是由于这一特性，大多数开始于多孔介质松散煤岩体的吸氧聚热。但是煤的自燃绝大部分原因还是始于煤的化学方面的原因的。而其中水分含量又是影响煤炭化学性质的一种重要因素。
煤体中总是会存有一定量的水分，这些水分可以分为两类：外在水分与内在水分，其区分指标是水分附着地和颗粒直径，附着（或是凝聚）在孔隙内部且直径小于十万分之一的是内在水分，附着在颗粒表面且直径大于十万分之一的称为外在水分。按水与煤的结合方式，又可分为游离水和结晶水。游离水以机械方式和物理方式与煤结合；结晶水以化学方式与煤结合。事物皆有两面性，过多的水分会抑制煤的自燃，相反如果水分适宜的话则对煤的自燃会起到推波助澜的作用。
1 水分对煤的自燃的促进作用
曾有科研人员通过大量的实验和调查发现：煤炭自热危害最为严重的情形是将干燥的煤炭暴露在高湿度条件下；俄罗斯学者也发现相似的现象：当空气湿度在较大范围与突然波动都会在一定程度上伴随煤炭自燃现象的发生，尤其明显的是在露天堆积的情况下（此种情况下各方面条件有利于聚热自燃的发生）；如神木府谷的煤层自燃等级为容易自燃煤层（Ⅰ级）且矿井积水多，正常开采的情况下未有发火现象产生，但在夏天雨后堆积3m的煤堆极易发生自燃，由此可见水分有一定的催化作用。经过大量的研究发现，水分对煤炭自燃起催化作用的原因如下：①当煤炭被水分润湿时，由于煤分子与水分子之间的作用力大约水分子之间的作用力，煤分子与水分子作用并放出一定的热量称为润湿热，从而促进煤自燃初期的氧化。有研究表明，当煤完全润湿时，放出的润湿热可使煤体升温几度到几十度。②潮湿的空气经过干燥的煤炭时，水蒸气在热量聚集区域会产生凝结的现象，凝结是一个放热的过程，这将有助于煤体的聚热，增加煤体的温度，进而推进煤的自燃。③据实验可知，湿润的煤体与之前未湿润相比较，其表面积有了明显的增大，这就增大了反应面积有助于煤体的自燃。④水分能够使得煤分子表面的一些基团发生水解，形成自由基；对过氧化络合物的形成起着重要的催化作用。有些学者则认为水分在过氧化络合物的形成中起着本质的作用，他们甚至将此种络合物命名为碳——氧——水络合物；同时研究人员还发现，水分还能促进过氧化络合物的分解。自由基的形成、过氧化络合物的形成及分解均是放热反应，这就能够促进煤早期的氧化。⑤随着煤氧化反应的进一步加深，煤体温度不断升高，煤中的水分也不断蒸发。虽然水分的蒸发会带走一定的热量，使煤体在一定的时间内处于吸热状态，但水分的蒸发会使得煤体产生更多的孔隙和通道，使煤与氧气的接触面积增大，当水分蒸发完成后，煤氧化放热的增长幅度将会很大。⑥当媒体中含有黄铁矿时，其对煤体的自燃将会起到很大的推进作用，其过程可见下：
2FeS2+2H2O+7O22FeSO4+2H2SO4+Q1
由于其不稳定行可进一步发生氧化反应，即：
2FeSO4+6H2O+3Q24Fe2（SO4）3+4Fe（OH）3+Q2
作为一种氧化剂进一步促进黄铁矿的氧化：
Fe2（SO4）3+FeS2+2H2O+3Q2FeSO4+2H2SO4+Q3
这是一个在低温下就可以进行的过程，其总的释放热量（Q1+Q2+Q3）相较于煤炭自燃的释放热量要高出两倍之多。
2 水分对煤的自燃的抑制作用
在实际生产中，当煤层自燃发火产生时，现场常会用水进行灭火。有些学者也研究了用水预防煤炭自燃的机理及其可行性并在某些矿得到了应用，取得了良好的效果。这说明水分对煤炭自然发火有一定的抑制作用。研究人员发现，水对煤炭具有自燃抑制作用的原因如下：①煤中在物理作用下吸附的水分的蒸汽压力在相对湿度为60%时是空气干燥过水分的16～20多倍，如果保持煤中有足够高的水分含量，那么充满在煤中的水分由于具有极高的蒸汽压力，将阻止空气中的氧到达煤的表面，这样也就阻止了自燃氧化。②科研人员经过试验表明，当煤的湿度增加到某一程度，煤的表面将形成含水液膜，可以起到阻化煤、氧接触，即起到隔氧阻化的作用。这种作用跟使用阻化剂进行防火所起的作用相似。③煤低温氧化所释放的热量绝大部分都难以聚集，其基本被水分的蒸发所消耗掉。据实验和统计数据：1千克的水蒸发所消耗的热量为2500多千焦，且产生的水蒸气体积为1700升。因此可实验推算媒体的水分增加一个百分点则煤的发热量就会降低千分之一，因此水分含量过高会抑制煤的自燃。④当水分含量大时，媒体内部和外部皆被水分所覆盖，这会在煤体与氧气之间形成一层隔膜，阻止煤的氧化反应，且煤体孔隙被水充满必然会增大导热系数，这些都会对煤的自燃起相反的作用。⑤考虑热容量时，水分含量大的煤体的热容量比相同的水分含量低的煤体的热容量要大的多，因此从升温速率的角度来看，湿润的煤比干燥的要缓慢的多，这对煤的自燃也起了相反的作用。
3 煤炭自燃的水分含量的影响
水分对煤炭的低温氧化过程既有催化作用又有抑制作用，这两个作用的效果是完全相反的。而水分是起促进作用亦或是抑制作用，其决定因素是煤中水分的含量。
研究人员采用控制变量法考察水分对煤低温氧化的影响。张卫亮等研究水分含量在18%和8.96%的褐煤氧化气体生成规律时发现含水量18%的煤样的CO、CO2气体产生浓度以及CO/CO2的值一直大于含水量为8.96%的煤样；姬建虎等在考察水分含量从0.2%到2.0%的煤样吸氧量时发现，随着水分含量的增大，煤样吸氧量不断增大，且两者之间服从一定的函数关系。
在研究中，人们发现当煤炭中的水分含量过少或者过多时，都会对煤炭的低温氧化起一定的抑制作用，而在某一含水量范围内，煤最容易发生低温氧化。研究人员认为存在一个最佳含水量能够使得煤低温氧化作用最容易发生，即自燃倾向性最大。
何启林教授通过实验方法研究了不同含水量对不同煤种吸氧量与放热量的影响。研究表明，由于不同煤种的煤结构上的差异，水分含量对不同煤种的煤的总吸氧量和放热量是不同的。但对于所有试验煤种（褐煤、烟煤、无烟煤），在低含水段和含水量较高段都有两个吸氧量和放热量较高的峰值点。这说明干煤和较湿煤都易自燃。研究还发现，在煤温≤100℃的初始氧化阶段，褐煤最大放热量时的含水量约为25%；烟煤最大放热量发生在含水量约为≤1.5%或15%～20%；无烟煤最大放热量时含水量约为25%，当煤中的含水量小于或大于上述最大放热量对应值后，煤的放热量都会降低，水分起抑制煤炭自燃的作用。
抚顺煤科分院张卫亮等通过差式扫描量热法也发现褐煤最易发生低温氧化的水分含量约为25%～30%，气煤最易发生低温氧化的水分含量约为12%～15%。
4 小结
①水分对煤的低温氧化或促进或抑制，这取决于煤中的含水量的多少。②存在一个最佳水分含量使得煤最容易发生低温氧化；但对于不同的煤种，这个最佳水分含量是不同的。
参考文献：
[1]梁晓瑜，王德明.水分对煤炭自燃的影响[J].辽宁工程技术大学学报，2003（4）：472-474.
[2]何启林，王德明.煤水分含量对煤吸氧量与放热量影响的测定[J].中国矿业大学学报，2005（3）：358-362.
[3]雷丹，王德明，仲晓星等.水分对煤低温氧化耗氧量影响的研究[J].煤矿安全，2011（7）：28-31.
[4]张卫亮，于涛等.褐煤在不同水分情况下氧化气体生成规律的探讨[J].煤矿安全，2009（1）：75-76.
[5]刘英学，邬培菊.水对防治煤炭自燃的作用及注水周期的研究[J].中国安全科学学报，2006（6）：29-34.
[6]张卫亮，于涛等.利用差式扫描量热法研究煤易自燃临界水分值[J].煤矿重大灾害防治技术与实践.
[7]姬建虎，谢强燕等.煤自燃内在影响因素分析[J].矿业安全与环保，2008（3）：24-26.
[8]张玉涛，王都霞，仲晓星.水分在煤低温氧化过程中的影响研究[J].煤矿安全，2007（11）：1-4.