При хранении угля в штабелях иногда происходит его разогревание и самовоспламенение. Аналогичные случаи наблюдаются и непосредственно в шахтах.
Возникает вопрос о возможной роли микроорганизмов в рассматриваемых явлениях. Приступая к анализу процессов, происходящих в греющихся углях, мы должны отметить, что они исследованы значительно хуже, чем процессы, протекающие в торфах. Тем не менее, ряд соображений заставляет предположить, что и здесь деятельности микроорганизмов принадлежит исключительно большая роль.
Кратко остановимся на химической характеристике углей разного типа, так как их состав в значительной мере определяет потенциальную способность к процессу разогревания.
По своим свойствам все угли (включая торф) могут быть довольно резко разграничены на следующие большие группы: торф, бурые угли, каменные угли и антрациты. Каждая отдельная группа имеет различные возрастные разновидности, значительно различающиеся по химическому составу. Возникает вопрос — какие же из углей более легко подвергаются процессу самонагревания?
В настоящее время считается установленным, что некоторые угли на воздухе подвергаются самоокислению. В то же время другие угли, как, например, битуминозные сланцы и сапропелевые угли, могут храниться на открытом воздухе годами без какого-либо заметного изменения их элементарного состава.
Самоокисление углей рассматривается как весьма нежелательное явление, так как оно связано с понижением их теплотворной способности. При повышении температуры энергия окисления углей возрастает. Как установил Крым (1930—1937), в таком случае вес угля может повыситься до 9%. Это показывает, насколько далеко идет процесс при самоокислении углей. Присоединенный кислород обнаруживается в угле в виде гидроксильных и карбонильных групп. Гидроксильных групп при этом образуется больше, чем карбонильных.
Совершенно очевидно, что более легко окисляемые угли должны иметь и большую склонность к самонагреванию и самовоспламенению. Пентегев и Няньковская (1931) определили у некоторых углей относительную температуру их самовозгорания, содержание в них гуминовой кислоты и окисляемость перманганатом. Большая окисляемость угля и повышенное содержание гуминовой кислоты связываются с понижением температуры самовозгорания. Отсюда становится понятным значение подвижных форм органического вещества в разбираемых нами процессах.
Вопрос о том, какие компоненты угля играют основную роль в процессе его самонагревания и самовоспламенения, изучен весьма недостаточно. Большинство исследователей сходится лишь на том, что легко окисляется только небитумная часть угля. Известно также, что менее разложившиеся (фюзеновые) угли легче подвергаются процессу самонагревания. Между прочим, установлено существование весьма легко окисляемой разновидности фюзена, напоминающей по ее свойствам полукокс.
Раковский и Войтова (1931) подчеркивают, что большая склонность к разогреванию углей, богатых подвижным органическим веществом, говорит о биологической сущности данного процесса.
Об участии гумусовых веществ в процессе самонагревания нет единого мнения. Так, Эрдман (Erdmann) и другие исследователи указывают, что наибольшей склонностью к окислению и самонагреванию обладает остаточный уголь. Гуминовая часть угля после ее извлечения из содового раствора и подсушки показывает слабую склонность к самоокислению. Имеются, однако, ученые, придерживающиеся иной точки зрения.
Во всяком случае, можно полагать, что без наличия каких-то легко подвижных форм органических соединений самоокисление угля, а следовательно, и его нагревание не начинается. Для осуществления второй стадии процесса — самовозгорания — необходимо образование вещества типа полукокса. В свойствах последнего большое значение имеет железо. Таким образом, между самонагреванием торфа и угля имеется много сходных моментов.
Остановимся на рассмотрении роли химических и микробиологических процессов в самонагревании угля. На первых фазах самонагревания (как и в торфе) основную роль должна играть деятельность микробов. Еще исследованиями Эрдмана было показано, что даже землистый, наиболее легко окисляемый бурый уголь, адсорбирует при обычных температурах такое количество кислорода, которое не может объяснить факта его разогревания. По данным Эрдмана, за 6 дней 10 г бурого угля при 14—15° присоединили около 4 см3 кислорода. Если бы весь этот кислород был использован на реакции окисления, то выделилось бы лишь 2 кал на 1 г угля. При повышении температуры до 80—85° энергия потребления кислорода углем увеличивается почти в восемь раз. Таким образом, без биологического катализа самонагревания произойти не может.
Возникает все же вопрос — могут ли микроорганизмы активно размножаться в угле? Существующие пока разрозненные данные подтверждают эту возможность. Так, Галлем (1910) был установлен рост некоторых бактерий на средах из древесного угля. Среди них указывались Micrococcus carbo и Micrococcus lignitum. На средах из каменного угля развивались также некоторые, в том числе и спороносные, бактерии (Вас. subtilis, Bac. mesentericus, Bac. pseudo subtilis и другие).
Лиске (Lieske, 1929) и Липман (Lipman, 1932) сообщили о нахождении в углях живых микроорганизмов. Все это говорит о возможности развития в углях микробиологических процессов, приводящих к термогенезу. Микробиологических исследований разогревающегося угля, насколько нам известно, до сих пор произведено не было. Поэтому обрисовать имеющуюся здесь смену микробных фаз мы не можем.
Накопленный фактический материал показывает, что для начала разогревания угля требуется достаточный доступ к нему кислорода. В силу этого хорошо спрессованный уголь может храниться долгое время без заметного повышения температуры. Отмеченный момент хорошо объясняет случай, описанный Вальтнером и Биленбери (Waltner a. Bielenbery). Четыре корабля шли с грузом угля, который дорогой начался греться. На трех из них уголь начали вентилировать, желая понизить температуру. В результате начался пожар, приведший к гибели судов. На четвертом корабле трюм был плотно закрыт, и корабль благополучно прибыл к месту назначении. Отмечается, что в греющемся сдое угля содержится немного кислорода. Это вполне понятно, так как здесь кислород весьма быстро потребляется. Чтобы разогревание шло достаточно энергично, к греющемуся очагу должен быть непрекращающийся приток воздуха.
Крым указывает, что случаи самонагревания учащаются после выпадения осадков. Это также говорит в пользу микробиологической теории процесса. Совершенно очевидно, однако, Что микроорганизмы могут повысить температуру угля не более Чем до 80—85°. Далее уже совершаются чисто химические процессы, аналогичные имеющимся в торфах.
В отличие от торфа, разогревание в углях происходит не послойно, а отдельными гнездами или очагами. Фокус нагревания часто наблюдается на крупном куске угля, особенно в месте минеральной прослойки. Удаление фокуса часто приводит к прекращению самонагревания угля. Мелкий уголь лучше противостоит самонагреванию, что зависит, очевидно, от худшей возможности его активного аэрирования.
Как мы видим, процесс самонагревания углей изучен весьма поверхностно, и для выяснения его сущности следует проделать еще большую работу.