（安全技术及工程专业论文）深矿井易燃煤层综放开采自燃火灾防治技术研究.pdf

s u b j e e t ：s t u d yo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o np r e v e n t i n ga n d e x t i n g u i s h i n gt e c h n i q u e i n f u l l y m e c h a n i z e d t o p - c o a l c a v i n gf a c e o fd e e p - b u r i e dc o a l m i n e s p e e i a r y ：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e l l ij u n y o n g i n s t r u c t o r ：d e n g j u n ( s i g n a t - a 旧坚盥肚旧竺匕翌：五 ( s i g n a t u r e ) c o a li s ek i n do f m a i ne n e r g yl e s o 嘲i n m a n yc o u n t r i e s o f t h ew o r l d ，w h i c hi sv e r y i m p o r t a n tf o re c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h eh i s t o r yo fc o a lr e s o u r m i n i n gh a sb e e no v e r h u n d r e d so fy e a f s c o n s e q u e n t l y ，l o w e r - b u r i e dc o a ls e a n l sh a v en e a r l yb e e nm i n e do u ti n m a n yp l a c e s ，w h i c hl e a dt ot h ei n e v i t a b l yt e n d e n c yo fe x p l o i t i n gd e e p - b u r i e dc , 0 8 i l s e a i e t a s m i n i n gd e p t hi n c r e a s e s 。p r e s s u r e 矗砌m - r o u n d i n gr o c k sa sw e l la st e m p e r a t u r ei n c r e a s e d s i m u l t a n e o u s l y ，w h i c hl e a dt om o l es e r i o u sc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n x i n g c u nm i l l ei s at y p i c a ld e e p - b u r i e dc o a l m i n e w h o s ep r e s s t w ea n dt e m p e r a t u r ei ns u r r o u n d i n gr o c k s 艉v e r y h i g h ，a n do b l i q u i t yo f t h em i n i n gc o a l s e mi sr a t h e rh i g ha n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h ec o a l & l di sf a i r l yc o m p l i c a t e d s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no ff 驯l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c e 1 0 3i nx i n c j c u ni si n v e s i i g a l e di np r e s e n ts t u d y f i r s t l y ，l a r g e - s c a l ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nm o d e h n ge x p e r i m e m sa n dp r o g r a m m e d h e a t i n go x i d a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tt ot e s tp r o p m yp a r a m e t e ro fc o a ls e l f i g n i f i o n o fx i n g c u nm i n e b a s e d0 1 1e x p e r i m e n t a la n dm i n i n gs i t eo b s e r v a t i n gr e s u l t s ，b a s i c p a r a m e t e r so fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no ft h ec o a l 躺m a s t e r e d ；g a si n d i 8s y s t e mf o r f o r e c a s t i n gs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f t h ec o a lf r o m t h ef a c e1 0 3a r ce s t a b l i s h ；a n db a s i cd a m f o rn u m m i cs i m u l a t i n ga i rf l o wi nt h eg o a l a l ea l s oa c h i e v e d s e c o n d l y ，o b s e r v a t i o n 0 1 1s p o to f1 0 3f i l l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c ei s c o n d u c t e d ，a n de q u a t i o n so f o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，o f p l e s s u l ed i s t r i b u t i o n ，o nb o t hs i d e so f f a c eo f1 0 3m - ef i t t e d ，a n de q u a t i o n so fp o r o s i t yd i s t r i b u t i o np 嘲m e a b i l 姆c o e f f i c i e n ti nt h e g o a f l o o s e c o a la r ed e d u c e da c c o r d i n g l y an u v e r i cm o d e lc h a r a c t e i i z i n ga i rf l o wa n dd i f f u s i o n a n dc h e m i c a l 觑脚i nt h eg o a t o ff a c e1 0 3i ss e t 坤，w h i c hi ss o l v e dw i t hc f ds o f t w a 坞 f l u e n t t h ei s o l i n e so fo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n ds t a t i cp r e s s u r ef r o ms i m u l a t i n gr e s u l t s 种 i d e n t i c a lt ot h a tf r o ms p o to b s e r v a t i o n t h i r d l y ，t o r a h r u i n gt h es i m u l a t i n gr 懿- u l t sa n dt h es p o to b s e r v a t i o nd a t a ，l l i 雠z o n 昭 o f s p o n t a n u sc o m b u s t i o ni nt h eg o a l a r cp a r t i t i o n e da n dt h el o w e s tw o r k f a e 跫m o v i n gs p e e dt o a v o i ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni sa l s oc a l c u l a m t f h a l l y ，a c o r d i n gt ot h eg a si n d i c e sf o rf o r e c a s t i n gs e l f - i g n i t i o na n dt h ee q u i p m e n ti n e x i s t e n c ei nx i n g c u nc o a l m i n e ，c o u n t e rm e a s u f e st oc o n t r o ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na p u tf o r w a r d ，w h i c hp r o v e dt ob ee f f t x ：t i v ea n de f f i c i 删d i t i o n a u y ，t h es t u d y i n gr e s u l ti s a p p l i c a b l et op r e v e n t i o na n de x t i n g u i s h i n gs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni ne o a l m i n so fs i m i l a r c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：d e e p - b u r i e d c o a lm i n e f u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c e c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n p r e v e n t i n ga n de x t i n g u i s h i n gf i r e 西- t = 料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：糊 日期：j 一7 争四 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名妫指导教师签名：7 1 乏 旧犁p 月呷日 f i 绪论 1 1 研究背景及意义 煤矿开采已有上百年的历史。由于开采设备和技术的落后，已采或在采煤层基本上 埋藏较浅、地质条件较好。但由于世界经济的发展，各国的能源消耗日益增加，对能源 的需求量越来越大。特别是我国随着经济的飞速发展，对能源的消耗与闩剧增，已经成 为世界上第二大能源消费国，消费总量约占世界消费总量的1 1 。我国2 0 0 5 年煤炭产量 为2 1 1 亿吨，创历史新高较2 0 0 4 年增长7 鳊，这是我国煤炭年产量首次突破2 0 亿 吨。2 0 0 6 年已跃升至2 3 2 5 亿吨。据发改委预计，2 0 l o 年和2 0 2 0 年我国煤炭产量将分 别达到2 6 亿吨和2 9 亿吨。但我国大部分的煤炭储量赋存在深部，埋深大于6 0 0 和1 0 0 0 m 的储量分别占总储量的7 2 1 9 和5 2 1 7 ，如表1 1 所示“。而截至2 0 0 3 年末，我国已 经采出6 0 0 m 、1 0 0 0 m 深度以上煤炭资源的8 3 、7 6 ，如图1 1 o 6 o l ol ( o o l s o o1 5 0 0 , , - 2 0 d o 探鹿- 图1 1 我国煤炭储量深度分布图 表1 i 中国煤炭资源按深度分布的储量 随着浅埋煤层资源的不断枯竭，世界各主要采煤国家相继进入深部开采。据资料， 加拿大超过1 0 0 0 m 的矿井有3 0 对，美国有1 1 对，德国和俄罗斯开采深度都达到1 4 0 0 1 5 0 0 m 。1 9 8 0 年我国煤矿平均开采深度为2 8 8 m ，2 0 0 0 年为5 0 0 m ，2 0 年内开采深度增加 了2 1 2 m ，平均降深速度约为l o m a 。据煤炭部生产协调司1 鲫5 年初对5 9 9 处国有重点 煤矿开拓参数的调查，未来最终开采深度小于4 0 0 m 的浅矿井数目将大为减少，4 0 0 踟0 m 的中深矿井数目明显增加，8 0 0 1 2 0 0 m 的深矿井数目将成倍增加，并将出现更多的超过 i t i t l ：工森_ ! l嚣一i靠一【 ! i l j ! 一l赫陀 营荜r 擎 西安科技大擘硕士学位论文 i i _ | _ ；_ ；_ _ _ j | _ 目_ _ 日_ _ 一 1 2 0 0 m 的特深矿井。据统计，在国有重点煤矿生产矿井中，采深大于7 0 0 m 的矿井有5 0 对，占总数的8 3 5 ，采深超过8 0 0 m 的矿井有2 5 对。采深超过1 0 0 0 m 的矿井已有数l o 对，其中开滦矿务局赵各庄矿、沈阳矿务局彩屯矿采深超过1 0 0 0 m ，新汶矿务局孙村矿、 华丰矿、长广七矿采深超过8 0 0 m 。预计今后2 0 3 0 年内，采深超过7 0 0 m 的矿井将会达 到7 0 8 0 对“ 综上所述，煤炭开采已全面大规模向深部发展，开采强度越来越大，伴随着深矿井 煤层自身的特点，煤层自然发火的危险性增大，矿井火灾呈现上升的趋势，主要表现在： 地压大，煤体破碎；地温高，蓄热环境好；可能存在大倾角，工作面倾斜；地 质条件恶劣，设备安装和推进速度慢，切眼、停采线、采空区自燃火灾较多；回采期 间存在采空区二道自燃火灾威胁；采空区“三带”动态移动；采空区自燃高温区域范 围大且隐蔽；采空区自燃火灾灭火难度大。因此随着开采深度的逐渐增加，深部开采 中遇到的煤层自然发火问题日益增多，对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严 重，深矿井煤层开采的火灾防治越来越受到重视。开展深井煤层防灭火技术的研究不仅 是目前一些深矿井急需解决的问题，而且从长远看它将是今后进一步开发利用深部煤炭 资源带有战略意义的问题。 1 2 国内外研究现状 对于煤自燃危险性预测、发火期预测、煤自然发火数值模拟、危险区域判定和防灭 火技术，国内外学者进行了大量的研究和探索。 1 2 1 煤层自燃早期预测技术研究现状 煤层自然发火预测是指在煤层开采前或开采过程中，仍处在低温氧化阶段，根据实 际开采条件，超前判断煤层自燃的危险程度、自然发火期及自燃危险区域。预测技术目 前主要包括煤自燃危险性预测、自燃危险区域判定和自然发火期预测等三方面。 ( 1 ) 煤自燃危险性预测 煤自燃危险性预测技术主要包括煤自燃倾向性实验测试法和统计类比预测法咖。 自燃倾向性实验测试法 国内外对煤自燃倾向性的测试方法分为两类：一类是以煤的氧化性为基础的测试方 法，主要有：奥尔宾斯基法( c w ，0 1 p i n s k i ) ( 波) 、奥尔莲斯卡娅( r 几o p a c a c x a l ) 一维 谢洛夫斯基( b c b e c 伽c 砌) 着火温度降低值法( 苏) 、马切雅什法( z 1 4 a c i e j a s ) ( 即 双氧水法) ( 波) 等嘲、静态吸氧法和动态吸氧法( 如我国抚顺煤科分院研制开发的双气 路色谱动态吸氧化法匮”) 。这类方法均采用几克煤样进行实验剐，与煤自燃的实际条 件相差甚远，不能全面地反映出煤的内在自燃性。 另一类是以煤的放热性为基础的测试方法。先后建立了小型、中型及大型实验装置。 2 l 绪论 小型( 1 0 0 2 0 0 9 煤样) 实验装置测定煤的自燃倾向性、主要包括有绝热自热法 ( a d i a b a t i cs e l f - h e a t i n g ) ”测定煤的自热速率指数r 7 0 ；绝热炉测定煤炭最小自热温 度哪；静态恒温( s t a t i c i s o t h e r m a l o r b a s k e t m e t h o d s ) 测定煤的临界环境温度( c r i t i c a l a m b i e n t t e m p e r a t u r e ) 和交叉点温度( t h ec r o s s i n gp o i n tt e m p e r a t u r e ) “；非恒 温动态法( n o n i s o t h e r m ld y n a m i cm e t h o d ) 测试煤的自燃临界温度和c 0 产生率咖；恒温 d t a ( d i f f e r e n t i a t h e r m a la n a l y s i s ) 和程序升温d r i f t s 0 “”( d i f f u s er e f l e c t a n c e i n f r a r e df o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o s c o p y ) 测定煤的自燃特性。中型( 4 0 1 0 0 0 k g 煤样) 和大型( i t 煤样) 实验装置主要有：1 9 9 1 年在s t o t t ，j b 的指导下x d c h e n g “” “等在新西兰设计建造了长2 m 、直径0 3 m 、装煤量l l o k g 的一维自燃实验装置；1 9 9 1 年s m i t h 九c ，m i r o ny 和l a z z a r a “”“在美国矿业局建立了装煤量近1 3 t 的实验台； 1 9 9 8 年c l i f fd ，r b e n n e t 和a g a l v i n 钉在澳大利亚昆士兰采矿安全测试研究中心 ( s i m t a r s ) 建立了装煤量1 6 t 实验台；1 9 8 8 1 9 9 6 年徐精彩、邓军等“”模拟现场实际条 件，相继设计和建造了装煤量1 o t 和0 5 t 的大型煤自然发火实验台；湘潭工学院的李 仁发等人( 2 0 0 1 ) “”构造了可以装9 0k g 碎煤的实验装置：淮南工业学院的张国枢等人 ( 1 9 9 9 ) 伽研制了实验室内模拟煤炭自燃的试验装置及其参数测定系统。这一系列装置 主要模拟和研究煤炭在常温条件下自燃的发生、发展过程及其影响因素，研究自燃火源 形成及其分布规律等。 综合评判预测法 陈立文( 1 9 9 2 ) 、许波云( 1 9 9 0 ) 嘲和郭嗣琮( 1 9 9 5 ) 嘲等根据影响煤层自燃危 险程度的内、外因素，进行主观判断，分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类分 析，根据标准模式，计算聚类中心对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。近年来， 王省身、蒋军成( 1 9 9 7 ) 叫、王德明、王俊( 1 9 9 9 ) 嘲、赵向军、李文平( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 脚硎等人采用神经网络的方法预测煤层自燃危险程度，虽然他们采用的神经网络结构各 不相同，但均是采用影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素，即自燃倾向性，地质赋 存条件和开拓开采及通风技术条件作为预测指标，再对预测指标进一步细分来预测煤自 燃的危险程度。施式亮、刘宝琛等( 1 9 9 9 ) 用防火系数作为预测指标，建立了人工神 经网络的时间序列煤自然发火预测模型来判断自然发火程度。田水承，李红霞( 1 9 9 8 ) 伽应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数运用模糊聚类方 法对自然发火危险性进行了分类。原苏联和波兰等国把实验室测定法与井下自然条件结 合起来预测井下自然发火危险程度。匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、 瓦斯涌出量、工作面参数以及煤的活化性能等指标的关系，分析并确定回归函数，计算 出实际条件下总的火灾频率，预测煤层自然发火危险程度。这些方法能定量预测煤层自 然发火危险程度，而对自然发火期及可能发火的区域无法预测。 ( 2 ) 自燃危险区域判定 西安科技大学项士学位论文 煤自燃危险性的预测方法只能定性预测煤自然发火的危险程度，而无法确定可能发 火的区域。齐庆杰、黄伯轩侧、章楚涛啪等通过研究采空区空气流动规律和火灾气体浓 度( 主要是c o ) 分布规律，建立了采空区火源点位置判断数学模型并用计算机进行模拟。 近几年，利用红外遥感啪1 和地质雷达洲探测法等对煤田和井下煤体自燃区域进行确 定。另外根据火区产生的能量或放射性气体异常，对煤层自燃危险区域进行判定的方 法也得到了快速发展，如测氡判定法、红外探测技术嘲等。对已形成高温或大火的区域 进行粗略判定，但由于受各种地质因素的干扰，对井下局部高温点不能进行准确判定。 西安科技大学徐精彩，邓军等嘲从上个世纪8 0 年代开始一直致力于煤自燃危险区 域判定理论的研究，他们根据采空区漏风规律及蓄散热条件，并提出了采空区自燃危险 区域判定条件和判定方法。 ( 3 ) 煤层自然发火期预测 宋志等人嘲用人工神经网络来预测煤自然发火期和自燃地点，该理论模型并未应用 于现场实际。余明高、王清安、范维澄、廖光煊跚，黄之聪和岳超平嘲根据煤氧化放热、 升温吸热平衡关系，在原苏联学者k 卡连金提出的计算煤层最短发火期模型的基础 上进一步修正和完善，在绝热条件下，建立了煤氧化反应放热、吸氧放热和煤体升温、 水分、瓦斯解吸吸热平衡的最短自然发火期解算模型及相应的实验方法。该模型比自 燃倾向鉴定结果更准确、直观呻1 ，可以反映煤自然发火的可能性。但他们经过对近2 0 个局( 矿) 自然发火情况及其影响因素的调查分析，发现同一个局( 矿) 最长与最短自然发 火期相差达1 9 1 0 倍。一个矿同一层煤的自然发火期变化如此大，与自然发火的影 响因素及所采取的防灭火措施的有效程度有关，在总结采区地质、采掘、通风等外部影 响因素的基础上，不考虑采取的防灭火措施的影响，确定了煤自然发火期修正系数， 并结合实验数据对煤的实际自然发火期进行了预测，预测准确率达到7 5 8 6 ，对现场 安全生产具有一定指导作用。 1 2 2 煤层自燃早期预报技术研究现状 煤自然发火早期预报是指在煤层开采后，煤与氧接触氧化放热，进入自热阶段，热 量积聚引起温度升高，致使自然发火的危险程度大大增加，在煤体自燃冒青烟或出现明 火之前，根据煤氧化放热时引起的标志气体、温度等参数的变化情况，较早发现自燃征 兆，预测和推断自燃发展的趋势，超前判识自燃状态，对自然发火进行早期识别并预警 的技术称为预报技术。预报方法主要分为指标气体分析法、测温法、示踪气体法等。 ( 1 ) 指标气体分析法“” 指标气体分析法是目前普遍采用的预报自燃火灾的方法。它主要利用束管监测系 统，人工采样分析、矿井监控系统等多种手段相结合来获取各类指标气体，通过分析煤 自然发火过程中产生的某些气体的浓度、比值、发生速率等特征参数，对煤自然发火发 4 1 绪论 展趋势等作出预报。指标气体分析法主要分为二类，一类是利用标志性气体的浓度直接 进预报；另一类是利用某些气体组分的变化特性或气体组分之间的变化规律进行预测， 如链烷比、火灾系数等。 ( 2 ) 测温法 测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测，确定煤与周围介质的温度 变化情况，以发现煤层的自然发火危险区域。此方法可以直观了解煤层的温度及其发火 程度，对早期预报有重要的意义。现有的预报煤自然发火的测温法分为两种：一是直接 用检测到的温度进行预报，二是根据温度的变化特性对煤所处的环境和条件对自然发火 的可能性进行预报。温度测定法现阶段主要采用的方法有：热电偶、测温电阻，集成温 度传感器等。近年来普遍推广的是测试简单，操作方便的红外测温仪。美、俄、英、德 等国已成功地利用红外线技术预测预报井下自燃火灾，如红外线测温仪检测煤壁、煤柱 与浮煤堆的自燃。另外为了连续观测采空区的温度变化情况，利用计算机对监测地点进 行实时监控。 ( 3 ) 煤层自燃隐患点红外探测 红外探测技术可以用于地质构造、煤巷及煤柱自然火源的探测。是研究和应用红外 幅射的一门新兴技术。红外测温和红外探测有着本质的区别。红外测温是测取一个物体 表面的具体温度值，是动温，它是物体的动热密度，需接触测量；而红外探测是从红外 辐射能量场的理论出发，建立场与源的对应关系，根据场的变化规律，来确定自燃隐患 点是否存在及其发展趋势，它是非接触测量。尽管介质密度不同引起红外辐射强度的差 异，但在正常状态下，这种差异基本上是固定的，它不随时间的变化而变化；当煤炭处 于自燃过程之中，引起的红外幅射强度异常却是变动的，并随煤温的升高，红外幅射强 度逐渐增大，由此确定的异常区则是自燃隐患点。 ( 4 ) 示踪气体法 国内外利用s f 6 、1 2 1 1 等热稳定性较好的示踪气体测定采空区漏风量的工作已获成 功。根据该项技术的应用经验，可以用在某一温度条件下易于热解的气体，与上层示踪 气体在同一环境下释放，在采样点采样检测其比例变化，或测定相关分解物，从而间接 了解自燃隐患点温度值，达到预报目的。 1 2 3 采空僦模拟研究现状 自s e a o n o v ( 1 9 2 8 ) 基于热爆炸理论首次建立煤自燃理论模型( 1 9 3 8 年，在简化条件 下f r a n k - k a a e n e t s k i i 得到了理论解) 嘲以来，美国、日本、澳大利亚、新西兰、英国、 法国和中国等国学者如c a r s l a w h w ( 1 9 5 9 ) 4 5 1d s c h m a l ( 1 9 8 5 ) 嘲，k b r o o k s ( 1 9 8 8 ) 嗍、k y u r os a s a k i ( 1 9 8 7 ) 嘲、h i n s h a nz h u ( 1 9 9 1 ) 俑町、p n o r d o n ( 1 9 8 5 ) 嘲、 f a k g u n ( 2 0 0 1 ) 嘲、v a ng e n d e r e nj l ( 1 9 9 6 ) 嘲，j i e j i eh u a n g ( 2 0 0 1 ) 叫和w a c t a w i k 5 西安科技大擘硕士学位论文 j ( 1 9 9 7 ) 嘲、邓军嘲、陈亚平吲等，针对地下煤层或地面煤堆的自燃条件，根据传热、 传质学建立了多种煤自然发火数学模型，数值模拟煤的自然发火过程，研究煤的自燃规 律及影响因素。其中典型的有：f a k g u n 嘲等提出的煤堆自燃二维非稳态模型，该模 型主要考虑了煤堆高度、倾角、煤的粒度及湿度等参数对自燃过程的影响；v 醐 g e n d e r e njl 等提出的倾角模型( d i pa n g l em o d e l ) ，该模型应用半无限大线性热流 方程预测煤田自燃火灾的深度和温度分布；( 国c a r s l a v h w 等提出的辐射热流模型( t h e r a d i a lh e a tf l o w m o d e l ) ，该模型只用于确定煤层火区位置；( 至) j i e j i eh u a n g 等嘲提出 的地下自燃火灾气体温度场模型( m o d e lo fg a sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d si nu n d e r g r o u n d c o a lf i r e s ) 该模型依据多孔介质自然对流理论，面建立的二维模型，研究认为浅鄂自 燃是由于地表空气对流，而深部主要是煤挥发份燃烧而增强气体对流；t 量) w a c t a w i k j 嘲 根据多孔介质有源有汇的质量、动量和能量平衡原理，建立了模拟采空区隐蔽自燃火灾 发生过程的二维数学模型。 但上述这些数学模型都是在均质、各向同性等一定简化条件下而建立的，主要研究 煤自燃规律及影响因素，模型中的反应速度和放热强度均用e l o v i c h 或a r r h e n i u s 理论 公式进行计算，并假定的表面反应热为常数，而煤的实际反应速度随煤的粒度、空气 流速、氧气浓度和温度等参数动态变化，且表面放热也与温度有关。因此，不能用于预 测实际条件下煤的自然发火期。 1 2 4 煤层自燃火灾防治技术研究现状 由于煤自燃是煤氧复合的结果，影响煤自燃的主要条件是煤的表面活性结构浓度、 氧浓度和温度。故自燃火灾扑灭主要从三个方面着手；一是隔离煤氧接触；二是降低煤 温；三是惰化煤体表面活性结构。目前常用的防灭火技术主要有如下几类：惰化、堵漏、 降温等及其综合使用，最终实现防灭火目的。 ( 1 ) 注水和灌浆防灭火技术 水是最经济、来源最广泛的灭火材料。水的热容量很大，l 升水转化成蒸汽时吸收 2 2 5 6 7 e l 热量，同时生成1 7 m 3 水蒸汽，能很快降低煤温；大量水蒸汽具有冲淡空气中 的氧浓度、隔离火源和窒熄火源的作用。 灌浆防灭火技术在我国应用得较普遍，取得了良好效果，是治理井下内因火灾的主 要措旌之一。泥浆能够包裹煤体，其水份有增湿减缓氧化速度，浆流能充填煤体缝隙， 隔绝漏风供氧作用。按与回采工艺的关系分为随采随灌，采前预灌和采后灌浆，对采空 区防灭火有积极的作用。 但是注水和灌浆技术也有其不足之处：井下自燃火灾通常在工作面或巷道顶部， 用水或泥浆灭火时，不能滞留在发火部位，流过发火部位后仅使煤表面温度得到降低， 煤体内部温度仍然很高。水的冲刷将煤体表面的灰分带走，又露出新的煤体表面；水 6 1 绪论 的剧烈蒸发增大了煤的孔隙率，使漏风更加畅通。水对煤的自燃还有一定促进作用，在 高温6 0 0 1 3 时，水会分解成h 2 、0 2 参与燃烧反应，产生大量水煤气，可能造成水煤气爆 炸。泥浆脱水量较大，恶化工作环境，可能发生工作面“溃浆”现象。 ( 2 ) 惰化防灭火技术 一 惰化技术就是将惰性气体或其它惰性物质送入拟处理区，抑制煤的自燃。惰性物质 主要有黄泥浆、粉煤灰、页岩泥浆、选煤尾矿泥、阻化剂和阻化泥浆等。它们除惰化外 还兼有降温，对煤矿本身污染小；粉煤灰注浆和阻化剂应用广泛，它们可以取自某些废 弃物再利用，多用于厚煤层采全高或分层开采。 惰性气体主要有n 2 和c 0 2 ，也可注入其它惰性气体来降l 氐火区的氧浓度。惰气可 充满整个空间，既能扑灭大的明火，又能抑制隐蔽火源。但惰性气体对大热容的煤体降 温效果不好，灭火周期较长，火区易复燃，而且对现场的堵漏风工作要求较高。 惰泡防火技术防治采空区自燃，取得了成效，该技术能起到降温，减少漏风，降低 采空区氧浓度等作用。但惰泡在碎煤中压注，发泡性能很差，起泡倍数低，若仅起阻化 剂作用，则成本太高，有效率低；对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需要量 很大，且一旦停止注泡很易复燃。 ( 3 ) 阻化剂防灭火技术 阻化剂是抑制煤氧结合，阻止煤氧化的化学药剂。常用阻化剂是c a c l 2 、m g c l 2 等 一些吸水性很强的盐类，当它们的水溶液附着在易被氧化的煤表面，形成一层含水液膜， 惰化煤体表面活性结构，阻止煤和氧接触，起到阻止煤氧复合的作用。同时，阻化剂吸 水能使煤体长期处于潮湿状态，使煤体在低温氧化时温度不能升高，从而抑制了煤的自 热和自燃。一般的阻化剂都有一定的防火效果，但当温度升高使阻化剂吸收的水份蒸发， 其阻化作用会消失，反而对煤氧复合有催化作用，促使复合速度加快，使煤更容易自燃。 粉状惰化阻化剂是由能在不同温度段气化产生惰性阻化气体的粉状材料按一定比 例混合而成。所产生的气体对自由基链锁反应起阻碍作用，同时在汽化过程中吸收大量 热能，降低煤温。将这些粉状材料用氮气压送、纸袋封装或与水混合后注入煤体。当煤 温超过一定温度时，惰化阻化剂吸熟气化，产生惰性气体。阻化剂高温分解后在煤的表 面生成一层薄膜，冷却后成为脆性覆盖物，使煤与空气隔绝防止煤体复燃。粉状惰化阻 化剂防灭火效果较好，但粉状材料在煤体内不易分散均匀，难以充分发挥其作用。 ( 4 ) 堵漏防灭火技术 堵漏技术就是采取各种技术措施减少或杜绝向煤柱或采空区的漏风，使煤缺氧而不 会自燃。堵漏材料主要有适于巷顶高冒堵漏的抗压水泥泡沫和凝胶堵漏材料：适于巷帮 堵漏的水泥浆、高水速凝材料和凝胶堵漏材料；适于采空区堵漏的均压、惰泡、凝胶和 尾矿泥堵漏等，如马利散、艾格劳尼、聚氨脂等。其中均压防灭火和凝胶防灭火技术， 操作简单，投入少，技术成熟，具有不污染或污染小的优点。 7 西安科技大学硕士学位论文 i i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ ( 5 ) 胶体防灭火技术 胶体防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，解决了灌浆、注水的 水泄漏流失问题，适用于各种类型的自燃火灾。西安科技大学( 原西安矿业学院) 从2 0 世纪9 0 年代初开始，进行了大量实验和研究，开发和研制出了适用于不同矿井条件的 胶体灭火材料和相应注胶设备及应用工艺。胶体防灭火技术具有如下特点：灭火速度 快；安全性好；火区启封时间短；火区复燃率低。 1 2 5 存在的问题 综上所述，世界各国的学者对煤自燃危险性判定、发火期预测、实验和数值等方面 进行了大量的研究，得到的研究成果对煤炭自燃火灾的预测和防治起到很大作用，但是 对于深矿井煤层自然发火预测及防治方面，相关的研究较少，主要表现在以下几个方面： 采用自然发火期( 即煤炭自然蓄热升温的时间) 综合衡量煤自燃性的大小，具有 重要的实际意义。但目前对煤自然发火期研究较少，既没有严格准确的定义，也没有标 准的实验测试方法；对煤自然发火期理论计算方法和模型复杂，有关参数确定困难，预 测结果精度较差，不能直接工程应用； 由于煤层埋藏深，地温高，煤体的蓄热环境好，煤的自身温度高，自燃发火期变 短，极易发生煤自燃，在煤层开采初期，就产生了c o 和烷烃类气体，这就需要在原有 的技术基础上结合深矿井的特点，确定准确有效的预报指标； 对于深矿井煤层的开采，采空区和巷道在矿压的作用下，形成大片松散体，而对 于采空区松散体中空气渗流及漏风状况的研究很少； 综放面采空区的危险区域判定大多采用经验公式定性确定，存在着一定的误差， 由于深矿井地质条件的复杂性，采空区的危险区域肯定与一般工作面采空区有所区别， 前人在这方面的研究不多； 一 对于利用数值模拟软件模拟深矿井煤层采空区自然发火规律的文献也甚少。 1 3 本文研究内容、方法和思路 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 1 0 3 综放面煤层早期预报参数的实验研究和指标确定； ( 2 ) 1 0 3 综放面煤层自燃危险区域的判定：巷道危险区域的判定；采空区自燃 危险区域判定； ( 3 ) 利用f l u e n t 软件对星村矿1 0 3 工作面采空区漏风状况进行数值模拟； ( 4 ) 1 0 3 综放面煤层自燃火灾防治对策：防灭火技术的研究；巷道掘进期间的 防灭火对策；综放面生产期间的防灭火对策； 8 l 绪论 1 3 2 研究方法 本文采用实验研究、理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的研究方法，在 煤炭自然发火机理和综放面煤层自燃火灾防治技术理论的基础上，通过实验测定煤层自 然发火相关参数，确定综放面煤层采空区浮煤自燃极限参数，提出综放面煤层自燃早期 预测指标；利用现场观测数据进行数值模拟，结合模拟结果分析采空区的漏风规律，判 定自然危险区域；最后结合“以防为主，防治结合”的防火思路，形成以胶体和液态二 氧化碳防灭火技术为主，其它技术为辅的综合防灭火技术对策。 1 3 3 研究思路 本文采用的研究思路如图1 2 所示。 图1 2 研究思路 9 西安科技大学硕士学位论文 2 星村矿煤层自燃早期预报指标气体研究 煤层自燃早期预报指标气体是根据煤自然发火和程序升温实验，测试煤自燃的特性 参数，判断自燃、预测和推断自燃发展的趋势。自燃特性参数测试是实现指标预报的关 键，主要包括最短自然发火期、临界温度、干裂温度、着火温度、c o 、c 0 2 、c i - h 、 c 2 h 6 、c 2 凰、c 3 h s 和c z - 1 2 产生温度等。 2 1 星村矿概括 星村煤矿隶属于山东省天安矿业有限公司，位于山东省兖州市以东约1 5 k m ，曲阜市 西南约1 0 k m ，日东高速公路以南，主体位于曲阜市陵城镇。设计生产能力4 5 万吨年， 2 0 0 2 年开始筹建，2 0 0 6 年1 月试生产。 矿井设计初期采用中央并列抽出式通风，副井进风，主井为回风井和箕斗提升，装 备两台b d - l i 一8 n 0 2 7 对旋轴流式通风机。采煤工作面为u 形通风系统。采煤方法采用走 向长壁式综放工艺，后退式回采，钻爆法施工，机械装煤，全部跨落法管理顶板 该矿属低瓦斯矿井，但煤层埋藏深，构造发育不一致，有局部瓦斯聚集可能；各煤 层属自燃煤层，有自燃发火倾向，煤尘有爆炸危险；地温3 0 4 2 ，属于高地温矿井。 主采3 号煤层为低硫特低硫、特高热值煤，系石炭二叠系煤层，均为低中灰、高 挥发分气煤，煤层厚度4 5 9 9 2 5 m ，平均厚度7 1 5 m ，埋藏深度在- - 6 5 0 - 1 0 0 0 m 之间， 赋存较稳定。 2 2 自燃预报参数的实验研究 2 2 1 星村矿煤样自燃特性参数实验研究 利用煤自然发火实验台进行实验模拟，测定煤样的特征参数。 ( 1 ) 实验过程 将1 0 3 综放面1 6 吨煤样破碎后装炉。启动温度控制及检测系统，供入一定流量的 空气，实验即开始启动煤样在自然升温过程中，炉内各点温度及各种气体浓度均随时 间、供风量和散热条件而变化，连续监测煤体中温度和气体的变化并记录各种异常情况。 ( 2 ) 实验条件 破碎煤样的粒度频度和实验条件分别见表2 1 和2 2 1 0 2 星村矿煤层自燃早期预报指标气体研究 i i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i 表2 1 煤样筛分试验结果表 粒度 频度( ) + l o m m2 4 4 - l o m m 。+ 7 m i n9 5 2 1 m i l l + s m m，8 4 - 5 咖。十3 m m1 5 4 1 - 3 m i l l + o 9 r a m 1 3 8 7 - 0 9 r a m4 7 9 1 注：表中* + ”表示未通过该筛，“，表示通过了该筛 表2 2 实验条件 ( 3 ) 实验结果 实验共进行了5 2 天，炉温从3 0 ( 2 上升至最高温度2 2 7 1 2 初期整体煤温上升缓慢， 但炉内中心轴处温度上升较快，各种气体的浓度变化也较快；高温点煤温达到7 0 以后， 煤温上升较快：达到i i o c 以上，煤温急剧上升；超过1 4 0 ( 2 后，温度直线上升，温速 超过2 0 c h 。实验从开始到结束，最高温点温度与供风时间的关系如图2 1 和2 2 零亭沮度变婵。j ：j ：二i ：芝i ：i ：! ：! ： l 一一一lr 一一r 一一 ”一1 一1 一1 ”一一一l ”一一一r 一 、j ttlt jjji rlji 套 |t 一一一。1 一1 - 一1 ”一一一一 一r 。f + 。 p- li一 一一j 一j 一一一i 一一一l 一一f 。一一i ， 一l 一一l 一 ： ；：j 一 一一4 一一一一一一一一一一一一一一一一一一+ ： 戈彳一露一 _ 0 文扩譬 bo ”1 ”“o 墨1 ”1 。1 ”1 ”1 ”1 ”1 ”。”“。 图2 1 最高煤温与供风对问的变化曲线 图2 2 最高煤温与供风时间的变化曲线 西安科技大擘硕士学位论文 从图2 2 可以看出，煤样在氧化初期，随着供风时间增加，升温较慢；超过2 7 天后， 升温开始加快，煤温为6 0 7 0 c ；超过3 9 天，升温曲线急剧变陡，煤温为9 0 1 0 0 c 从实验结果看出，氧化初期，中心轴的中下部煤温最高；随着时间推移，高温点向 原点移动。说明煤自然升温过程中，高温点向进风侧移动。 ( 4 ) 结果分析 升温速度随着煤温的升高，自然升温速率逐渐升高，相互关系见图2 3 。从图 可看出：在煤温为6 0 7 0 c ( 临界温度) 时，煤样升温速率迅速提高；煤温超过l t 0 1 2 0 ( 干裂温度) 后，升温速度随煤温升高急