理论研讨
摄影 乌恩
ＴＨＥ ＴＨＥＯＲＹ ＤＥＬＩＢＥＲＡＴＥＤ
与煤层自燃特征
内蒙古煤田地质局１５１勘探队 徐妙枝
煤层自燃系煤层在自然条件下燃烧的一种地质现象，广泛存在于我国西北地区。它不仅快速侵蚀着优质的煤炭资源，而且严重破坏生态环境。由于自燃，煤层顶板岩石形成烧变岩，其裂隙发育、稳定性降低，对煤矿生产构成严重危害。
鉴于我国西北地区是世界上煤层自燃最严重的地区之一，其燃烧范围之广，火势之猛，时代跨度之大，甚为罕见。煤层自燃产生的热量是煤化作用不可忽视的因素，煤的燃烧变质作用是我国煤变质作用的一种重要类型，已引起人们广泛的关注。
２．煤层自燃的地质特征
煤层自燃可引起上覆地层塌陷，在地面形成裂隙，这些裂隙、孔隙为深部煤层的进一步自燃提供了氧气通道，从而使煤层自燃逐步向深部推进。同时，煤层顶板岩石在热力作用下，经烘烤、瓷化、熔融、冷凝，形成烧变岩。但煤层自燃并非一直进行下去，当外部环境发生变化，如山洪爆发、气候突变等，或当煤层燃烧至潜水面时，煤火也会熄灭。据对我国北方现代煤火的调查研究，煤层自燃后，向两侧的燃烧速度每年可达几十至百余米，向深部的燃烧速度每年在一至数十米之间，古火区燃烧最深达４００ｍ，正在燃烧的火区最深达３３０ｍ。
现代煤层燃烧区地表常出现明火。在埋藏较浅、燃烧剧烈的地区，远处可见烟雾，近处可见火苗，某些地点火苗喷出地表高达３－４ｍ，在地表孔隙附近，可听到燃烧的声音。燃烧区现场及周围数百米之内可觉察到硫磺气味，在裂隙、空洞周围，常见硫磺与芒硝富集与结晶，或由煤焦油染色形成的空洞晕圈。在露头处，可见不同变质程度的烧变岩呈带状分布。
地质历史中煤层自燃形成的古火区，往往遗留经烧变的煤层及顶板岩石的残迹。据王庆全对大同侏罗系煤层古火区的研究，在露头，煤层烧烬成灰，向深部依次
煤层自燃概况及地质特征
１．煤层自燃概况
我国北方地区煤炭资源量占全国总储量的８０％以上，含煤岩系分布面积广阔，煤层自燃现象普遍，历史悠久。陕北神府煤田煤层自燃始于早白垩世晚期，这是我国最早的煤层自燃记录。大同煤田、甘肃窑街矿区、新疆准南煤田煤层自燃均发生在第四纪更新世之前。
目前，西北地区煤层自燃现象十分严重。据煤炭部地质总局与荷兰国际航空航天测绘与地球科学学院的调查结果，煤火强度总体呈西强东弱的态势，其分布中心相对集中在新缰、宁夏、陕西、内蒙等地。煤的燃烧变质现象十分普遍。
ＷＥＳＴＥＲＮ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ总第二十期５９
ＴＨＥ ＴＨＥＯＲＹ ＤＥＬＩＢＥＲＡＴＥＤ理论研讨
官能团和侧链的、以缩合芳香核为骨架的结构单元，通过桥键相连而组成的三维空间结构的大分子化合物，其中具芳香结构的部分稳定性较强，而桥键、侧链和含氧基团对气态氧较为活泼，如烷基侧链，在光照射下或少许热量作用下，就可以氧化生成自由基而发生链式反应。自由基的生成是氧分子在煤表面某些活性部分首先产生化学吸附的缘故。煤的氧化与这些基团的存在具有密切关系。另一方面，煤结构中芳香核之间不规则排列，可形成大量分子间微孔隙，因此，煤是一种微孔状固体，具有很大的比表面积和吸附能力。在浅部，空气常进入微孔隙中，尤其煤层被抬升后，微孔隙中的气态烃被解析，氧气即可大量进入脱气后的煤层。开始时，氧气以分子间力吸附在微孔中，随着吸附时间的延长，煤分子中的活性基团与吸附的氧分子发生化学反应，并伴随有热量产生，当氧化过程中产生的中间产物及热量积累到一定程度时，氧化作用加速，放出大量热，使煤体温度急剧上升，至煤的燃点时，即引起煤的自燃。煤层自燃热以传导和对流方式向周围扩散，形成异常地温场，导致煤的燃烧变质作用，其影响范围与煤层自燃区规模大小和围岩传热性能有关。据刘志坚及西安矿业学院矿产研究所对甘肃窑街三矿火区煤层自燃特征的研究，火区附近煤的宏观和微观结构都类似岩浆热变质，煤的结构单元中涡层状芳香迭片的直径（Ｌａ）仍与温度呈函数关系，即随着离火区的远近而减增，煤的灰分也表现出相似的变化。镜下观察，镜质组和半镜质组中具有大量气孔，组分呈小碎片状，裂隙中出现石墨化小雏晶。
煤中无机组分也对煤的氧化自燃产生影响，黄铁矿氧化时，耗氧量少，放出热量多，且燃点低，是煤中首先氧化自燃的组分。试验证明，１克分子黄铁矿，氧化即可产生３．４１ＭＪ热量。煤中一些碱金属、碱土金属离子，对煤的氧化起催化作用，促进煤层的自燃。
不同的煤岩组分，其燃点有较大
差异。对镜煤和丝炭的易燃程度，一种观点认为丝炭燃点最低，是煤层自燃的导火物质；另一种观点则认为，镜煤最易燃，而丝炭难燃。事实上，从二者的组成与结构来看，镜煤中富氢的活性基团多于丝炭。丝炭系植物的木质纤维组织，在泥炭沼泽中经强烈氧化或火焚而形成，往往保留原植物的细胞结构，未被矿化的丝炭疏松多孔，氧气易于流通。因此，对它们的易燃程度，应结合具体地质条件进行分析。试验表明，丝炭与其它组分混合，其燃点往往降低，如丝炭与镜煤的燃点分别为２３０℃和２７４℃，但二者混合后，燃点降至２０８℃。这是由于丝炭具有较大的孔隙，为其它组分的燃烧提供了氧气通道，
煤中氢、氧含量越高，煤炭越易自燃。由于氢、氧附存于煤分子结构的侧链中，因此反应能力强，具有较强的氧化性。自燃煤的有机地球化学研究表明，自燃煤分子含有较多的低中碳化合物，其生物标志化合物含较多的信丰萜和二萜类化合物，暗示着这些萜类化合物在煤层自燃中起重要作用。
煤层的厚度与产状对煤层自燃及煤的燃烧变质作用也有较大影响。煤层厚度大，煤在氧化过程中产生的热量易于积累，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，潜水位控制着煤层自燃下限，一般煤层自燃主要发生在潜水位以上。
煤层自燃是各种因素综合作用的结果，我国北方现代煤火的调查表明，新生代干旱期，低变质厚煤层自燃发火，高温燃烧，由表及里，由浅入深。煤的氧化与聚热能力控制着煤田发火， 大气环境制约着煤田燃烧，自生自灭，点多面广，长期形成不同时期不同地域的燃烧中心促其燃烧，变质作用影响深远，值得进一步研究。
为：煤层全被烧烬，剩下部分残煤，直到正常煤层。从火区止烧边界向露头方向，煤层呈楔形变薄直至尖灭。陕北神府煤田自燃煤层的调查发现，煤层自燃变薄的形态是突变的，从自燃残留煤层见煤点到正常煤层的宽度一般仅为２０ｍ左右，且煤层愈薄，该宽度愈小。
燃烧后的残煤，物理及化学性质均发生明显变化，颜色变浅、强度变弱。煤层自燃遗留下的残煤，自下而上，可分三个带：上部风化煤泥带、中部氧化变质带、下部正常煤带。上部风化煤无光泽，极松软呈煤泥状，具可塑性，可见红褐、朱红色条带；中部氧化变质带，由灰黑色与暗红色煤交替组成，具暗淡的玻璃光泽，性脆，内生裂隙非常发育；下部正常煤呈黑色，具强玻璃光泽，由亮煤和暗煤组成，夹镜煤条带，硬度大，呈块状。自上而下，煤的水分、灰分降低，挥发分、硫含量及发热量高。
煤层自燃消失后，其顶板岩石塌落，岩性发生很大变化，原中细砂岩经烘烤变为紫红、淡褐、橙黄等色彩的近似石英岩，泥质岩已变成类似板岩，岩石表面有熔化现象和明显的烧痕。王庆全认为，顶板烧成紫红色，底板则成灰黑色，顶板破碎，底板完整，是鉴定火烧煤层的重要标志。在井下火区边界附近，可见煤层因氧化而失去光泽，呈煤泥状；冒落的顶板岩层裂隙中，有水锈、淋水和漏风现象，接触面呈不规则锯齿状，界线明显。煤层上覆岩层形成烧变岩，据陈练武对神府煤田新民区烧变岩的研究，从煤层顶板向地表依次形成熔渣角砾状烧变岩、碎块状烧变岩、层块板片状烧变岩，在垂直及水平方向上呈带状分布。
煤的燃烧变质作用
煤的燃烧变质作用主要起因于煤层自燃，它是我国煤变质作用的新类型之一。从燃烧学分析，煤的燃烧即为煤分子与氧气之间发生的激烈氧化反应过程，煤能够自燃是由其成份与结构特点所决定。煤的化学结构研究表明，煤中有机质是由带有
６０西部资源２００７．５
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与煤层自燃特征
内蒙古煤田地质局１５１勘探队 徐妙枝
煤层自燃系煤层在自然条件下燃烧的一种地质现象，广泛存在于我国西北地区。它不仅快速侵蚀着优质的煤炭资源，而且严重破坏生态环境。由于自燃，煤层顶板岩石形成烧变岩，其裂隙发育、稳定性降低，对煤矿生产构成严重危害。
鉴于我国西北地区是世界上煤层自燃最严重的地区之一，其燃烧范围之广，火势之猛，时代跨度之大，甚为罕见。煤层自燃产生的热量是煤化作用不可忽视的因素，煤的燃烧变质作用是我国煤变质作用的一种重要类型，已引起人们广泛的关注。
２．煤层自燃的地质特征
煤层自燃可引起上覆地层塌陷，在地面形成裂隙，这些裂隙、孔隙为深部煤层的进一步自燃提供了氧气通道，从而使煤层自燃逐步向深部推进。同时，煤层顶板岩石在热力作用下，经烘烤、瓷化、熔融、冷凝，形成烧变岩。但煤层自燃并非一直进行下去，当外部环境发生变化，如山洪爆发、气候突变等，或当煤层燃烧至潜水面时，煤火也会熄灭。据对我国北方现代煤火的调查研究，煤层自燃后，向两侧的燃烧速度每年可达几十至百余米，向深部的燃烧速度每年在一至数十米之间，古火区燃烧最深达４００ｍ，正在燃烧的火区最深达３３０ｍ。
现代煤层燃烧区地表常出现明火。在埋藏较浅、燃烧剧烈的地区，远处可见烟雾，近处可见火苗，某些地点火苗喷出地表高达３－４ｍ，在地表孔隙附近，可听到燃烧的声音。燃烧区现场及周围数百米之内可觉察到硫磺气味，在裂隙、空洞周围，常见硫磺与芒硝富集与结晶，或由煤焦油染色形成的空洞晕圈。在露头处，可见不同变质程度的烧变岩呈带状分布。
地质历史中煤层自燃形成的古火区，往往遗留经烧变的煤层及顶板岩石的残迹。据王庆全对大同侏罗系煤层古火区的研究，在露头，煤层烧烬成灰，向深部依次
煤层自燃概况及地质特征
１．煤层自燃概况
我国北方地区煤炭资源量占全国总储量的８０％以上，含煤岩系分布面积广阔，煤层自燃现象普遍，历史悠久。陕北神府煤田煤层自燃始于早白垩世晚期，这是我国最早的煤层自燃记录。大同煤田、甘肃窑街矿区、新疆准南煤田煤层自燃均发生在第四纪更新世之前。
目前，西北地区煤层自燃现象十分严重。据煤炭部地质总局与荷兰国际航空航天测绘与地球科学学院的调查结果，煤火强度总体呈西强东弱的态势，其分布中心相对集中在新缰、宁夏、陕西、内蒙等地。煤的燃烧变质现象十分普遍。
ＷＥＳＴＥＲＮ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ总第二十期５９
ＴＨＥ ＴＨＥＯＲＹ ＤＥＬＩＢＥＲＡＴＥＤ理论研讨
官能团和侧链的、以缩合芳香核为骨架的结构单元，通过桥键相连而组成的三维空间结构的大分子化合物，其中具芳香结构的部分稳定性较强，而桥键、侧链和含氧基团对气态氧较为活泼，如烷基侧链，在光照射下或少许热量作用下，就可以氧化生成自由基而发生链式反应。自由基的生成是氧分子在煤表面某些活性部分首先产生化学吸附的缘故。煤的氧化与这些基团的存在具有密切关系。另一方面，煤结构中芳香核之间不规则排列，可形成大量分子间微孔隙，因此，煤是一种微孔状固体，具有很大的比表面积和吸附能力。在浅部，空气常进入微孔隙中，尤其煤层被抬升后，微孔隙中的气态烃被解析，氧气即可大量进入脱气后的煤层。开始时，氧气以分子间力吸附在微孔中，随着吸附时间的延长，煤分子中的活性基团与吸附的氧分子发生化学反应，并伴随有热量产生，当氧化过程中产生的中间产物及热量积累到一定程度时，氧化作用加速，放出大量热，使煤体温度急剧上升，至煤的燃点时，即引起煤的自燃。煤层自燃热以传导和对流方式向周围扩散，形成异常地温场，导致煤的燃烧变质作用，其影响范围与煤层自燃区规模大小和围岩传热性能有关。据刘志坚及西安矿业学院矿产研究所对甘肃窑街三矿火区煤层自燃特征的研究，火区附近煤的宏观和微观结构都类似岩浆热变质，煤的结构单元中涡层状芳香迭片的直径（Ｌａ）仍与温度呈函数关系，即随着离火区的远近而减增，煤的灰分也表现出相似的变化。镜下观察，镜质组和半镜质组中具有大量气孔，组分呈小碎片状，裂隙中出现石墨化小雏晶。
煤中无机组分也对煤的氧化自燃产生影响，黄铁矿氧化时，耗氧量少，放出热量多，且燃点低，是煤中首先氧化自燃的组分。试验证明，１克分子黄铁矿，氧化即可产生３．４１ＭＪ热量。煤中一些碱金属、碱土金属离子，对煤的氧化起催化作用，促进煤层的自燃。
不同的煤岩组分，其燃点有较大
差异。对镜煤和丝炭的易燃程度，一种观点认为丝炭燃点最低，是煤层自燃的导火物质；另一种观点则认为，镜煤最易燃，而丝炭难燃。事实上，从二者的组成与结构来看，镜煤中富氢的活性基团多于丝炭。丝炭系植物的木质纤维组织，在泥炭沼泽中经强烈氧化或火焚而形成，往往保留原植物的细胞结构，未被矿化的丝炭疏松多孔，氧气易于流通。因此，对它们的易燃程度，应结合具体地质条件进行分析。试验表明，丝炭与其它组分混合，其燃点往往降低，如丝炭与镜煤的燃点分别为２３０℃和２７４℃，但二者混合后，燃点降至２０８℃。这是由于丝炭具有较大的孔隙，为其它组分的燃烧提供了氧气通道，
煤中氢、氧含量越高，煤炭越易自燃。由于氢、氧附存于煤分子结构的侧链中，因此反应能力强，具有较强的氧化性。自燃煤的有机地球化学研究表明，自燃煤分子含有较多的低中碳化合物，其生物标志化合物含较多的信丰萜和二萜类化合物，暗示着这些萜类化合物在煤层自燃中起重要作用。
煤层的厚度与产状对煤层自燃及煤的燃烧变质作用也有较大影响。煤层厚度大，煤在氧化过程中产生的热量易于积累，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，潜水位控制着煤层自燃下限，一般煤层自燃主要发生在潜水位以上。
煤层自燃是各种因素综合作用的结果，我国北方现代煤火的调查表明，新生代干旱期，低变质厚煤层自燃发火，高温燃烧，由表及里，由浅入深。煤的氧化与聚热能力控制着煤田发火， 大气环境制约着煤田燃烧，自生自灭，点多面广，长期形成不同时期不同地域的燃烧中心促其燃烧，变质作用影响深远，值得进一步研究。
为：煤层全被烧烬，剩下部分残煤，直到正常煤层。从火区止烧边界向露头方向，煤层呈楔形变薄直至尖灭。陕北神府煤田自燃煤层的调查发现，煤层自燃变薄的形态是突变的，从自燃残留煤层见煤点到正常煤层的宽度一般仅为２０ｍ左右，且煤层愈薄，该宽度愈小。
燃烧后的残煤，物理及化学性质均发生明显变化，颜色变浅、强度变弱。煤层自燃遗留下的残煤，自下而上，可分三个带：上部风化煤泥带、中部氧化变质带、下部正常煤带。上部风化煤无光泽，极松软呈煤泥状，具可塑性，可见红褐、朱红色条带；中部氧化变质带，由灰黑色与暗红色煤交替组成，具暗淡的玻璃光泽，性脆，内生裂隙非常发育；下部正常煤呈黑色，具强玻璃光泽，由亮煤和暗煤组成，夹镜煤条带，硬度大，呈块状。自上而下，煤的水分、灰分降低，挥发分、硫含量及发热量高。
煤层自燃消失后，其顶板岩石塌落，岩性发生很大变化，原中细砂岩经烘烤变为紫红、淡褐、橙黄等色彩的近似石英岩，泥质岩已变成类似板岩，岩石表面有熔化现象和明显的烧痕。王庆全认为，顶板烧成紫红色，底板则成灰黑色，顶板破碎，底板完整，是鉴定火烧煤层的重要标志。在井下火区边界附近，可见煤层因氧化而失去光泽，呈煤泥状；冒落的顶板岩层裂隙中，有水锈、淋水和漏风现象，接触面呈不规则锯齿状，界线明显。煤层上覆岩层形成烧变岩，据陈练武对神府煤田新民区烧变岩的研究，从煤层顶板向地表依次形成熔渣角砾状烧变岩、碎块状烧变岩、层块板片状烧变岩，在垂直及水平方向上呈带状分布。
煤的燃烧变质作用
煤的燃烧变质作用主要起因于煤层自燃，它是我国煤变质作用的新类型之一。从燃烧学分析，煤的燃烧即为煤分子与氧气之间发生的激烈氧化反应过程，煤能够自燃是由其成份与结构特点所决定。煤的化学结构研究表明，煤中有机质是由带有
６０西部资源２００７．５