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第一章矿井火灾学基础
矿井火灾学涉及热物理、流体力学、燃料与燃烧学、传热传质、有机化学以及化学动力学等多学科领域，是一门综合性和实践性很强的边缘性科学。本章为矿井火灾学的基础部分，紧密结合矿井火灾理论与实践的实际需要，主要介绍燃烧的相关知识，包括燃烧的条件、形式、分类、过程以及燃烧与爆炸，矿井可燃物及燃烧特性、火灾基础参数的计算，有关自燃的理论等，为以后各章提供基础的知识与理论。
第一节燃烧基础知识
可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象称为燃烧。放热、发光和生成新物质是燃烧反应的三个特征，是区分燃烧和非燃烧现象的依据。从本质上来说，燃烧是一种氧化还原反应，但它发光、发烟、伴有火焰的基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。矿井下煤炭的自然发火就是煤和氧气发生的燃烧现象，燃烧过程中放出大量热量，同时释放出CO、CO2、CH4、C2H4等气体。
一、燃烧的条件
燃烧要发生需要满足三个方面的条件：可燃物、热源和氧气（O2），通常称为燃烧三要素。只有在三要素同时具备的条件下燃烧才有可能发生，如果将燃烧的发生比作一个整体的正三角形，则三要素就是组成三角形的三条边，如图1-1-1所示，缺少任何一条边都不能构成三角形，燃烧也就不会发生。同样，燃烧发生后，如果缺少任一条件，燃烧
火
火
热源
氧气
可燃物
图1-1-1燃烧
1、可燃物
在矿井下，煤炭本身就是一个大量而且普遍存在的可燃物。另外，在生产过程中产生的煤尘、涌出的瓦斯以及所用的坑木、运输机胶带、电缆、机电设备、油料、炸药等都具有可燃性，它们的存在是矿井火灾发生的前提条件。
2、热源
热源是触发燃烧的必要因素，在矿井里，煤的自燃、瓦斯、煤尘燃烧与爆炸、放炮作业，机械摩擦生热、电流短路火花、电气设备运转不良产生的过热、吸烟、烧焊以及其它明火都可能是引火的热源。
3、氧气
燃烧实际上就是剧烈的氧化，任何燃烧过程，如果缺乏足够的氧气，都难以持续，所以说，氧气的供给是维持燃烧、形成火灾必不可少的条件。
需要说明的是，燃烧的发生和持续仅仅有三要素的存在是不够的，同时它们还必须满足一定的数量要求。对于可燃物而言，必须要求它能够达到一定的数量和浓度。例如甲烷的浓度小于1.4%时便不能燃烧[3]；同样，只有具备足够热量和温度的热源才能引燃可燃物，根据谢苗诺夫理论，只有当热源产生的热量大于散失的热量时，燃烧才能得以发生和维持，这就对热源的强度提出了一定的要求，如低于595℃的热源就不能使瓦斯与空气的混合气体燃烧；作为助燃物的氧气也必须达到一定的浓度，几乎所有的有火焰的燃烧都会在氧气浓度低于10～12％时熄灭，但是低温干馏性的燃烧却要在氧气浓度低于2％时才会熄灭。瓦斯在氧气浓度低于12％的空气中会失去爆炸性
燃烧三要素为矿井防灭火工作明确了思路，一切防灭火技术都是围绕这三要素展开，其目的就是为了消除三要素中的任何一个或全部，如向采空区或火区内注黄泥或粉煤灰浆，水起到降温消除热源作用，固体不燃介质（黄泥、煤煤灰）覆盖在易自燃的浮煤上阻止了煤与氧气的接触；如注惰性气体（CO2、N2等），则是为降低氧气浓度，使燃烧缺少氧气；再例如直接灭火中挖出固体可燃物的方法，破坏了燃烧三角形中代表可燃物这条边，是最简单、最彻底的灭火方法。
燃烧三角形足以说明燃烧发生和持续的基本条件，但是根据现已被广泛认可的燃烧链式反应理论，很多燃烧的发生和维持需要自由基（含有未成对电子的原子、原子团、分子或离子）做“中间体”，利用自由基活泼的特性，不断从稳定的原子或分子中夺得一个电子以求达到平衡，从而又不断产生新的自由基，形成链锁反应。据此有人提出了燃烧四面体(如图1-1-2）的概念，即在燃烧过程中，正是火焰前沿的自由基通过链式反应，迅速增加活化中心来使反应不断加速直至燃烧，从而保证了燃烧的持续，因此燃烧的必要条件除了“三要素”外，还必须再增加一要素 ——保持可燃物的
可燃物未受到抑制的链反应助燃物热源
可燃物
未受到抑制的链反应
助燃物
热源
图1-1-
严格地讲，链反应只存在于燃烧过程中，只是燃烧的一个中间产物，并不能算作燃烧的一个要素，尽管如此，燃烧四面体的提出对于人们研究燃烧的过程机理，采取更有效的手段进行防灭火有十分重要的作用。
二、燃烧的分类及形式
1、基本燃烧形式
根据可燃物燃烧过程的差异，燃烧可分为：分解燃烧、表面燃烧、蒸发燃烧、扩散燃烧和预混燃烧这五种基本燃烧形式。
1）分解燃烧
分解燃烧出现于固体和部分液体燃料的燃烧中。在燃烧过程中，可燃物首先遇热分解，热分解产物和氧气反应发生燃烧产生火焰，如木材、煤、橡胶、合成高分子化合物等固体燃料及柴油、煤油、润滑油等高沸点油脂类流体以及蜡、沥青等固体烃类物质的燃烧都属于此类。例如，木材在空气中燃烧时，火源首先加热木