（安全技术及工程专业论文）未压实采空区沿空掘巷防灭火技术研究.pdf

a b s t m c t a b s t r a c t t i l i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ec o a l ss p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni n t h e a d j a c e n tg o a f o f p a n y im i n e2 6 3 l ( 3 ) d r i v i n gr o a d 、v a ya l o n gg o a f f i r s t l y ，t h ei n n u e n c eo ft 1 1 eg a s f 缸c o a l sf 0 h n a t i o ni np a n y i nm i n eo nt h ec o a i s s p o n t a l l e o u sc o m b u s t i o ni si n v e s t i g a t e d ，a i l dt t l et e n d e n t i o u s n e s sl e v e lo ft h ep a n y i m i n e sc o a ll a y e r ss p o n t a l l e o u sc o m b u s t i o ni sc o n c l u d e da st y p e i i ，b a s e do nt h e c o a l so x y g e na b s o r p t i o ne x p e r i m e n t s e c o n d l y ，t 1 1 r o u 曲t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt 1 1 e 1 0 s s e dc o a l sh e a ta c c u m u l a t i n gp r o c e s sa 1 1 di t sa f f e c t i n gf a c t o r s ，也em a m e m a t i c a l m o d e lo ft h e1 0 s s e dc o a l ss p o n t a l l e o u sc o m b u s t i o ni sf o u n d e d ；t h ed i s t r i b u t i o no ft h i s g o a f st e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es p e e dn e l di n n u e n c e db yt h ew i n dl e a k e do u tf h ) m 2 6 3 1 ( 3 ) 、v i n d w a r dl a n e w a y sd r i v i n gf 她ei ss i m u l a t e db y 印p l y i n gt h ef e as o n w a r e f 1 u e n t t h er e s u l ts h o w st h a t ，w i t h o u tt a k n ga n ym e a s u r e s ，w h e nt h et u n n e l i n gi n 2 6 31 ( 3 ) w i n d w a r dl a n e w a yd r i v i n gf a c er u n st om en i n e t i e t hd a y ，h i 曲t e m p e r a t u r e a p p e a r s ，t h eh i g h e s tp o i n to fw h i c hi sa b o u t4 8 t h i r d l y ，t h ee x p e r i m e n to ns a m p l e c o a l so x i d a t i o ni n1 0 wt e 】n p e r a t u r ei si n v e s t i g a t e da | l dt h er i g h ti n d e xg a sf o rt h e s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni nt h i sg o a fi sa s c e r t a i n e d f i n a l ly ，ac o m p r e h e n s i v em e t h o do f 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 ei sp u tf o r w a r d ，s u p p l e m e n t i n gt h ec h i e ft e c h n i q u eo f i n f u s i n gn i t r o g e nw i t ht h et e c h n i q u e so f j e t c r e c t e ，p l u g g i n ga n dc o n t i n u o u ss u p e i s i o n o nf i r ed i s a s t e r ，t h u st l l es a f e t yo f p r o d u c t i o ni nt h em i n ei sg u a r a i l t e e d k e y w o r d s ： c o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，w i n d w a r d1 a n e w a y sd r i v i n gf a c e ， u n c o m p a c t e dg o a cn r e - p r e v e n t i o nt e c h n i q u eb yi n f u s i n gn i t r o g e n l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得塞堂堡墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：口f 圾 签字日期：知绰钥口2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮理王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽理王盘堂 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 。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安徽理工大学。 学位论文作者签名：。 ，级 锄签名拭于母 签字日期：跏绰瑚上。日签字日期： 嘶年6 月她日 绪论 1 1 引言 l 绪论 能源是经济发展、社会进步的主要支撵条件，在世界一次能源消费中，化石 能源( 煤炭、石油、天然气) 占9 0 以上。而世界化石能源探明可采储量中，煤炭约 占2 3 ，石油、天然气分别占1 6 【1 j 。众所周知，我国是世界上少数几个一次能源为 主的国家。煤炭是我国的第一能源，也是重要的工业原料。目前，全国约有7 5 的工业原料，7 6 的电能，8 0 的民用商品以及6 0 的化工原料依靠煤炭【1 i 。预测 我国社会经济发展对能源的需求时，有关专家认为，到2 0 5 0 年化石能源仍是我国 的主要能源，其中煤炭至少要占到5 0 。因此，煤炭工业是支持经济发展和保障 人民生活的基础产业。 我国已探明的煤炭储量9 0 0 0 亿吨，占一次能源探明储量的9 0 ，煤炭在能源 结构中的优势近十年来不断上升，原煤产量以平均每年5 7 的速度增长，目前年 产煤炭达1 2 亿吨，以后还会增长【2 l 。然而，伴随着煤炭产量的不断增加，可采范 围的不断缩小，许多安全问题也随之产生。瓦斯、火灾、粉尘、噪声、高温正在 困扰着企业的正常发展。 矿井火灾是煤矿的重大自然灾害之一。矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物 质损失，同时它也是导致井下职工伤亡的重要根源。矿井火灾根据引火的热源不 同分为外因火灾和内因火灾( 也称自燃火灾) 。外因火灾一般发生突然、来势迅猛， 如果不能及时发现和控制，往往会酿成重大事故。但是外因火灾的火焰一般是在 燃烧物的表面，如果能及时发现和补救，是容易熄灭的。与外因火灾相比，内因 火灾的发生，往往伴有一个蕴育的过程，根据预兆能够早期予以发现。但是内因 火灾火源比较隐蔽，经常发生在人们难以进入的采空区或煤柱内，要想准确找到 火源并非易事。因此难以扑灭，以至火灾可以持续数月，数年甚至几十年至上百 年之久，长期威胁着矿井的安全生产。有时燃烧的范围逐渐蔓延扩大，烧毁大量 煤炭，冻结大量资源，使自然资源造成极大的浪费。如山西大同煤田露头煤的燃 烧已持续3 0 0 多年，至今尚未完全熄灭。因此，致力于火的研究一直是众多专家和 学者的重要课题。 1 2 问题的提出及其意义 1 2 1 问题的提出 我国5 6 的矿井开采属易自燃煤层，百万吨自然发火率近年来虽然有所下降， 但仍居高不下。矿井火灾是矿井发生的重大灾害之一，尤其是近年来，重大火灾 安徽理工大学硕士学位论文 事故还时有发生，给煤炭企业带来难以估量的负面影响，不仅有损于煤炭行业的 社会形象也严重制约着煤炭企业的经济效益。据统计，在矿井火灾事故中，自 燃火灾占总数的9 4 以上，其中6 0 发生在采空区。火灾的发生与发展不仅影响 安全生产和周围环境，而且极易引起瓦斯、煤尘爆炸，而且随着采深的不断增加， 矿压增大，使煤巷壁与煤柱极易破碎，矿井的煤炭自然发火危险性增大。因此， 火灾防治工作仍然是煤矿企业领导的一项常抓不懈、重要而艰巨的任务，国内外 许多专家和学者也都致力于煤炭自然发火规律的研究。 图l2 6 3l ( 3 、工作面上风巷掘进面局部通风系统 c h a nlt h el o c a l i z e dv e n t i la t i o ns y s t e mo f 2 6 3 l ( 3 ) w i n d w a r di a l l e w a y sd r v j n gf a c e 潘一矿2 6 3 1 ( 3 ) 工作面上风巷沿空掘进巷道于2 0 0 5 年8 月开始掘进，其上部 是2 6 2 1 ( 3 ) 工作面采空区，2 6 2 1 ( 3 ) 工作面于2 0 0 5 年5 月停采：下部是2 6 3 l ( 3 ) 工 2 绪论 作面煤体，掘进工作面布置如图1 所示。由于该掘进工作面掘进过程的特殊性 其掘进过程中的瓦斯涌出和煤层自燃不同于传统的煤巷掘进工作面。潘一矿c 怫； 煤层为高瓦斯煤层，煤层自然瓦斯含量为6 1 0 m 。煤尘具有爆炸危险性，爆炸 指数为3 7 4 0 。煤层具有自然发火性，发火期为3 6 个月。掘进工作面地温 为3 0 3 1 ，地压中等。 2 6 2 1 ( 3 ) 采空区为末压实采空区。在其中尤其是在停采线附近存在大量相互贯 通的空洞和空隙。在2 6 3l ( 3 ) 上风巷掘进过程中，由于巷道与2 6 2 l ( 3 ) 采空区仅有 3 m 的留煤柱阻隔，随着上风巷向开切跟方向的掘进巷道顶都的孔洞将逐渐增大， 漏风通道更加发育( 主要是原贮水空间) 。因此，在2 6 3 l ( 3 ) 综放面上风巷掘进与工 作面回采过程中，如何防止2 6 2 1 ( 3 ) 采空区遗煤自燃，确保2 6 3 1 ( 3 ) 综放面安全回 采，是必须要研究的课题。 1 2 2 研究的意义 从理论上用数学模型来描述2 6 2 1 ( 3 ) 未压实采空区自然发火过程，并用计算机 对该过程进行模拟。在计算机模拟过程中将2 6 3 1 ( 3 ) 上风巷掘进面推进速度和留煤 柱漏风量对煤炭自燃的影响考虑进去，以实现非稳态地模拟该采空区自然发火过 程。 通过实验研究分析该层煤低温氧化的气体产物，优选出2 6 2 l ( 3 ) 未压实采空区 自燃的标志气体。结合现场监测系统，可以对采空区的自然发火作出预测预报， 为现场的防灭火实践提供一定的指导。 结合现场的条件，提出防止上风巷上部2 6 2 1 ( 3 ) 未压实采空区遗煤自燃的措 旖，并将提出的防治煤炭自燃的措旌落实到位，确保安全生产。 l 3 国内外研究现状 1 3 1 煤炭自然发火机理概论 自然发火是一种复杂的物理化学现象，早在1 8 世纪就有人研究自然发火的理 论，通过理论研究寻求预防自燃的方法。但到目前为止，还没有一种完善的理论 能详尽无遗的解释自燃的全部过程和相应的现象。 近年，根据固体有机物氧化理论，利用新的测定技术，对煤的自燃，特别是 初期的氧化现象的研究，进展较快。认为煤炭的氧化和自燃是基链反应。即煤炭 在生成过程中，形成许多含氧游离子，如羟基( o h ) 与羧基( c 0 0 h ) 和羰基( c = o ) 3 安徽理： 火学硕士学位论文 等等。 常温下煤从空气中吸附的氧，只能与这些游离基反应，并且生成更多的稳定 性不同的游离基。此时既观测不到煤体温度的变化，也看不到其周围环境温度的 上升。煤的氧化过程比较缓慢，但它确在变化之中，如重量略微增加，着火温度 下降t 化学活性增强，这个阶段通常称为煤的自燃潜伏期。这是因为煤暴露于空 气中后，由于其表面具有较强的吸附氧的能力，会在煤的表面形成氧气吸附层。 在吸附动力平衡的过程中，煤表面与氧相互作用而在煤表面形成一种中间产物， 学科上称为氧化基或过氧络合物。此期间煤的氧化处于缓慢状态，生成的热量及 煤温的变化都微乎其微，很难发现其外部着火征兆，潜伏期的长短主要取决于煤 的变质程度和外部环境( 散热条件) 。如褐煤几乎没有潜伏期；无烟煤比烟煤和焦 煤潜伏期长：长焰煤、不粘煤的潜伏期比较短，极易发生自燃。 经过潜伏期以后，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成水、二氧化碳 与一氧化碳。氧化产生的热量集聚使煤体温度继续升高，超过其自燃的临界温度 ( 6 0 - 8 0 ) 之后，煤温上升急剧加速，氧化过程加快，开始出现煤的干馏，生成芳 香族的碳氢化合物( c h ) 、氢( h 2 ) 及一氧化碳等可燃气体，这就是煤的自热期。 温攫( 。c ) b k o ，撇 f 一、，剐e ， 、 时闻t 圈2 煤的自燃过程 c h a r t2t h ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n sp r o c e s s 在2 6 3 l ( 3 ) 工作面上风巷，随着掘进巷道的前移，毗邻未压实采空区一侧漏风 严重，2 6 2 1 ( 3 ) 采空区又具有聚热条件。自热期的发展有可能使煤体温度上升到着 火温度( 3 0 0 5 0 0 ) 而导致自燃，即引发煤炭自燃而进入燃烧期。此时会出现一 般的着火现象：明火，烟雾，产生一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 及各种可燃气体， 并会出现特殊的火灾气味：煤油味、松节油味或煤焦油味。着火后，火源中心的 4 绪论 温度可达1 0 0 0 1 2 0 0 。 如果煤体温度不能上升到临界温度( 6 0 8 0 ) 或者虽然上升到这温度，但由 于外界散热条件的变化使之又降了下来，煤即进入风化状态。自燃倾向性较弱的 煤炭在氧化进程中常常出现风化现象，风化了的煤一般不再发生自燃。进入自燃 期则会出现一般的准燃烧现象，如生成烟雾、一氧化碳、二氧化碳、各种可燃气 体、最后出现明火而燃烧。图2 表示了煤的自燃过程。 煤的氧化过程可以人为地加速或减速，加入碱类化学物质可以使之加速；参 入氯化物可以使其减速，阻止煤的氧化进程。 1 3 2 采空区煤层自燃的影响因素 通过对煤层自燃机理的分析我们知道煤由常温到发生自燃需要同时具备以下 三个条件1 4 j ： 1 煤具有自燃倾向性( 即在常温下有较高的氧化活性) ； 2 有连续不断的供氧条件； 3 有热量易于积聚的客观环境。 第一条为煤的内部特性，它取决于成煤物质和成煤条件，表示煤与氧相互作 用的能力。后两条为外因，决定于矿井的地质条件和开采技术。也就是说影响煤 层自燃的因素有煤炭的自燃倾向性和矿井的地质条件和开采技术。 1 各种煤都有其自燃倾向性，有的虽然没有发火，只是外部条件还没有达到 促使其发展成自燃的要求。煤的自燃倾向性主要取决于【4 】： 1 ) 煤化程度 自然界中植物遗体在温度、压力的综合作用下，历经漫长的地质过程，首先 生成褐煤，进而向烟煤、无烟煤过度递变，这一过程称作煤的变质作用或煤的炭 化作用。煤的变质序列或煤化程度序列是：褐煤变质为低变质烟煤( 长焰煤、气煤) ； 再进一步变质成中变质烟煤( 肥煤、焦煤) 、高变质烟煤( 瘦煤、贫煤) ，直至进一步 变质成无烟煤、石墨。煤化程度最低的褐煤最易自燃发火。在烟煤中以煤化程度 最低的长焰煤及气煤最易自燃，贫煤相对较难。在煤化程度高的无烟煤矿井，自 燃火灾极其少见。所以可以认为：煤化程度愈高的煤，自燃倾向性愈小。但在生 产实践中人们发现，煤化程度相同的煤，其自燃倾向性并不相同，有的具有自燃 特性；有的就难以自燃。 2 ) 煤的风化作用 煤的风化作用主要包括物理风化和化学风化。物理风化是指温度变化和水的 5 安徽理工大学硕士学位论文 机械作用对煤质的破坏作用：化学风化是指空气及水中的氧对煤质的氧化作用， 或称煤质的缓慢氧化过程。 埋藏浅的煤层，由于距地表较近易被严重风化，其自燃倾向性就小：相反， 埋藏较深的煤层，煤的风化程度较低或根本没有发生风化，自燃倾向性则大。 3 1 煤的水分 煤的含湿量是影响其氧化进程的重要因素。在煤的自热期间，由于水分的生 成与蒸发要消耗相当的热量。煤体外在水分没有全部蒸发之前煤温很难上升到1 0 0 以上，这就是水分大的煤炭难于自燃的原因。另外，含硫较高的煤层灌水之后， 却容易自燃。从这些方面看，水分又是有利于煤炭的自燃的因素。通过实验可以 认为，一定含量的水分有利于煤炭自燃的发生，而水分大则会抑制煤的自燃。当 湿度在l o 1 5 时，煤的吸氧量最大，煤的燃点下降可达1 0 0 左右，可加速自 燃”j 。前苏联的科研人员的研究表明，随着煤中水分的增加，煤的吸氧能力降低。 他们对煤吸氧量在时间上的变化研究表明【4 】( 图3 ) ：在初期，湿润煤的吸氧量比干 燥煤的吸氧量少( 图中曲线1 和2 ) 。但是在1 3 0 天时，两种煤的吸氧量已相等。所 以，煤中存在较多水分能阻碍煤的初期氧化过程，使其自然发火潜伏期增加，而 湿润后又风干的煤，其氧化活性较大( 图中曲线3 ) 。 彩 ，以 。舀，一 己翟z 彳。，。，。 p i - 2 - _ 3 o 5 0 7 09 l l o1 3 0l l 时闻( d ) l 风干煤w = 1 5 5 ；2 - 用水湿润的煤w = 6 7 0 ；3 湿润后又风干的煤w = 1 6 0 图3 含水量不同的煤吸附氧气量随时间变化曲线 c h a r t3t h ed i a g r a mo f o x y g e nq u a n t i t ya b s o r b e db yc o a lw j t hd f 传r e n tc o m o n to f w a t e ra c c 。r d j n g t o t i m e 4 ) 煤岩成分 组成煤炭的四种煤层成分中，暗煤的硬度最大，难以自燃。镜煤与亮煤有较 高的自燃性。丝煤着火温度低，吸氧性强。通常有如个结论：在常温条件下，丝 煤是自热的中心，在煤的自燃中起到引火物的作用，而镜煤与亮煤灰分低，脆性 6 3 5 2 5 t 5 0 2 l 0 羔粤捌r辩擎擎臻 绪论 大最有利于煤炭自燃的发展。 5 ) 煤的含硫量【5 l 我国很多矿区，如四川、湖南、江西、贵州等矿区都有含硫较高的煤层，均 属于自然发火严重的矿区。经研究发现煤中的硫铁矿硫是煤氧化自燃的首燃物和 主导因素。硫在煤中以下述三种形式存在：硫铁矿、有机硫化物、单质硫。对煤 的自燃起主导作用的是硫化铁，它比热小，与煤吸附相同的氧量而温度的增值比 煤大三倍。我国硫铁硫占煤全硫的6 0 左右，与煤共生或伴生在煤岩裂隙中，其 中以黄铁矿( 主要成分f e s 2 ) 为主，呈结核状，快状，层状或浸染状。其赋集密度 和分布不均匀。f e s 2 的燃点低，约为2 9 0 ，耗氧量小，约为煤的5 0 ，氧化放热 量大，特别是体积大的呈结核状的f e s 2 。在采掘过程中，破坏了其自身的氧化外 膜，增掘了比表面积，是它首先氧化自燃放热，引燃了其它可燃物。相对富集的 f e s 2 在氧化反应中起到了加快反应速度、加速反应强度的作用。f e s 2 的赋存状态 和含量直接影响到煤的发火期，发火位置及燃烧的规模与强度，同时也关系到煤 自燃后有毒气体s 0 2 、s 0 3 的释放量， 6 ) 煤的孔隙度与脆性 孔隙度越大的煤越容易氧化而发生自燃：煤的脆性越大，易于受压破碎则易 发生自燃。而且脆性强的煤，在受压破裂中极易产生大量的煤粉。因此，变质程 度相同的煤脆性越大，越易破裂，其自燃倾向胜越强。 7 ) 煤的瓦斯含量 瓦斯或其它气体含量较高的煤，由于内表面受到隔离，氧化性能较低，可使 煤的自燃潜伏期延长。所以瓦斯吉量较高的煤往往难以自燃。但是随着瓦斯的放 散，其自燃性能将会提高，采出的煤仍会发生自燃。 2 矿井的地质条件和开采技术1 4 】 1 ) 煤层厚度和倾角 煤层厚度或倾角越大，自燃危险性越大。因为开采厚煤层或急倾斜煤层时， 煤炭回收率低，采区煤柱易遭破坏，采空区不易封闭严密和漏风较大。 动煤层埋藏深度 随着煤层埋藏深度的增加，地压和煤体的原始温度增加，煤内水分减少，这 将使煤的自燃危险性增加。而开采深度不大时，容易形成与地表沟通的裂隙，造 成采空区内有较大的漏风，也容易在采空区中形成浮煤自燃。 3 ) 地质构造 煤层中有地质构造破坏的地方( 如褶曲、断层、破裂带和岩浆侵入区等) ，煤 7 安徽理工大学硕士学位论文 炭自燃比较频繁。因为这些地区煤质松碎，有大量裂隙；加之断层带处的水力联 系，使煤体变得潮湿，从而加大了煤的氧化能力。岩浆侵入地带，煤被局部干馏， 提高了煤的自燃倾向性。 4 1 围岩性质 顶底板的物理机械性( 结构、硬度、可塑性等) 也能在一定程度上影响煤炭的 自燃过程。如果顶板岩层坚硬且裂隙发达，冒落后块度较大，因而采空区漏风大， 供氧条件好。若底板也较坚硬，护巷煤柱所受地压大，易破碎，则有利于自燃。 如果底板松软而可塑性强：顶板稳定，则煤柱不易被压碎，自燃危险性就比较小； 如果顶板松软、易陷落，冒落后能严密地充满采空区并很快被压实，则采空区漏 风较小，供氧条件差，因而采空区内遗煤自燃危险性大大降低。 5 1 煤的瓦斯含量 煤孔隙内存在的瓦斯，能够占据煤的空隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量。 瓦斯逸出后，就构成煤炭氧化较强烈的条件。 6 ) 开拓开采条件 开拓开采条件是影响煤层自燃的重要因素。选择合理的开拓系统和开采方法， 就能够减少煤层的切割量和遗煤量，改变供氧条件和热交换条件，从而大大降低 煤层的自燃危险性。 7 1 漏风条件 没有不断供给的空气，煤的氧化就不能发展。但是漏风风速很大时，改变了 热交换条件，氧化生成的热量容易被风流带走，也不能发展成自燃火灾。只有在 既有风流流通，而又风速不大的情况下，煤才能自然发火。 从生产管理的角度来看，可暂不追究煤炭自燃、自燃演变的微观物理化学变 化过程。通过无数次自然发火事例的分析可以发现，形成自然发火有内因和外因 的双重作用。煤的自燃倾向性是自然发火的内因，但要使煤炭自燃起来，还必须 有相应的外部条件。形成自燃火灾的外部条件主要有以下三个条件： 1 采空区遗留含有大量的松散堆积浮煤。如：生产过程遗弃的浮煤，仓房、 房柱、刀柱等采煤方法留置在采空区的煤柱被压碎形成堆积的浮煤和留煤假顶， 放顶煤丢弃在采空区的浮煤等。 2 有向采空区连续不断地供风条件。如：不合理的通风方法，近距离煤层群 开采层间塌陷漏风，以及密闭漏风等。 3 有形成煤炭自热、蓄热的氧化时间。 煤的自燃倾向性是自燃火灾的内因，促成自燃火灾形成的外部条件是外因。 8 绪论 内因和外因相互依存，内因靠外因起作用。因此，预防和消除矿井内因火灾的发 生、发展，要从内、外因同时入手，这样才能收到事半功倍的效果。 自燃火灾多发生在井下浮煤堆积区、工作面停采线、输送机头尾、溜煤井、 放顶煤采空区、留煤假顶采空区、断层破碎带、褶皱带以及柱式采煤方法留置在 采空区的煤柱压碎带等地点。 自燃火灾发生与季节变化有密切关系。统计分析，一般在春夏季较多。春夏 季大气温度回升，天气变暖，入井空气温度升高，风流漏入发生地点，既供氧又 供热，且春夏季也是煤矿井下煤岩热交换活跃期，在并巷调热圈范围内，春夏季 是吸热期，这样就为煤的燃烧提供了外部热源，加快了煤的氧化、自热和蓄热过 程。 1 3 3 自然发火基础理论研究现状 煤炭自然发火基础理论的研究经历了几个世纪的发展，从上个世纪末的近二 十年来，为了预防、避免和消除自燃火灾、世界各相关研究机构均对其发生、发 展的机理及其物理化学变化历程中的作用机制进行了大量的研究工作，主要集中 在煤炭低温氧化化学反应机理、煤炭自热阶段特征气体产物、煤炭自燃预测预报 理论等方面。 1 ，煤炭低温氧化化学反应机理 在煤炭低温氧化化学反应机理方面，主要发展形成了自由基反应理论和活化 能理论，另外有些学者还对矿物质包括黄铁矿( f e s 2 ) 在煤氧化过程中的催化作用 进行了大量的研究工作。 自由基反应理论认为，煤是一种有机大分子物质，在外力( 如地应力、采动影 响所形成的剪切应力) 作用下煤体破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子链的断裂， 而分子链断裂的本质是链中共价键的断裂，从而生成大量自由基【6 】。自由基可存 在于煤颗粒表面，也可存在于煤内部新生裂纹表面，为煤自氧化创造了条件，当 有氧气存在时，则会发生氧化反应，其反应历程如下： r r f 矽b 叫铬嚼+ r 一+ r r - + 0 2 卜r o - o 一 煤中自由基与0 2 反应生成过氧化物自由基。此反应为放热反应，产生的热量 导致煤温缓慢上升，并使过氧化物自由基进一步反应生成过氧化物( r o o h ) ， 过氧化物根据其自身结构不同，发生分解反应生成一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、 甲醇( c h 3 0 h ) 和甲醛( h c h o ) 等气体f 7 】，同时生成新的自由基。新的自由基再与氧 9 安徽理j ：大学硕士学位论文 气反应，产生更多的热量，使温度进一步升高，如此反复，在合适的蓄热条件下， 使煤温大辐度升高，直至燃烧。 活化能理论认为，活化能的大小决定了氧化反应速度的快慢【g 。在煤自燃发 展的潜伏期阶段，煤的吸附活化能在煤的整个氧化过程中最小，为3 4 k c a l m o l 左 右，在潜伏期内煤的总体结构没有变化，表现为活化能增加，同时这种化学活性 的增强受到煤的变质程度、煤的粒度、煤的空隙结构、煤岩煤化组份、表面残余 力场、水分以及氧化时间、环境等多种因素的影响。经过潜伏期后，煤的氧化速 度增加，表面中间产物分解成一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、水( h 2 0 ) 等产物并同 时释放出许多热量，煤重下降，煤温上升，当达到其自热的临界温度后，煤温急 剧上升，煤的失重加速，同时释放出某些芳香族碳氢化合物气体，形成煤自燃的 自热期，其活化能可达到1 6 k c a l m o l 。煤的自热期的进一步发展使煤温上升到着火 温度点从而引发煤的燃烧1 9 】。 2 煤炭自热特征气体产物研究 在煤炭自热特征气体产物研究方面，自热气体产物的相关测定方法主要有二 价离子质谱测定法( s i m s ) 、x 射线光电子频谱测定法( x p s ) 、电子扫描显微测定法 ( s e m ) 1 0 】、热分析红外光谱法等方法。煤炭低温氧化的气体产物表现为氧原 子进入煤结构发生反应使分子氢浓度增加【l ，氧化进程中含氧基团增多而脂肪基 族减少【1 4 】，伴随有低分子量的有机物及各种有毒有害易燃易爆气体的产生【1 5 】1 1 6 l 。 此方面的相关研究工作主要侧重于剖析煤分子结构的变化和有关气体产物的 反应历程，在一定程度上加深了人们对煤炭自燃的认识，但未能体现宏观煤体的 热物理化学参数的动态特性。 3 煤炭自燃预测预报理论研究 在煤炭自燃预测预报理论研究方面：预测方法主要有自燃倾向性预测法【1 7 、 因素综合评判预测法1 1 8 】【1 9 】、经验统计预测法【2 0 j 【2 ”和温度场数学模型预测法f 2 2 】。 自燃倾向性预测法仅能粗略地判断煤层自然发火的危险程度；因素综合评判法和 经验统计预测法主要是依据统计资料和经验定性判断煤层的自燃危险性及发火范 围：温度场数学模型预测法是通过建立采空区温度场的近似数学模型来进行数值 模拟。 预报方法主要有标志气体分析法和测温法。标志气体分析法依据煤氧化自热 阶段释放出的特征气体来确定煤层的自燃危险程度，该技术在国内外得到一定的 应用，并形成了较为实用的不同煤种的标志气体指标：测温法利用温度传感器对 被监测地点进行连续的温度监测以确定煤层的自燃危险程度。 1 0 绪论 综上所述，国内外对煤炭自燃机理主要是通过研究煤自然发火的影响因素， 遵循煤氧复合作用学说的原理并试图考察煤氧化过程的速度特性，来解释煤为什 么会自然发火。但是这些研究工作都离不开明确的煤分子结构模型，而煤分子结 构中物理化学组成具有不均质性，其分子模型尚无定论。因此，有关煤炭自然发 火的传热传质过程仍然需要进一步的深入研究，取得定量性的研究成果，为煤矿 火灾的防治实践提供理论依据。 i 3 4 采空区防灭火技术的研究现状 现阶段，煤层自燃防火技术主要有以下几种常用的方法f 4 】1 2 3 】1 2 4 】f 2 5 】： 1 ) 正确选择开拓、开采方法 开拓、开采方法正确与否，对煤炭自燃火灾的发生与控制效果影响很大。特 别是开采有自燃倾向性的厚煤层时，如果开拓、开采方法不正确，将会引起大量 自燃火灾。对开拓、开采方法的要求是：煤层切割量少，回采率高、回采速度快和 采空区易于隔绝。 2 ) 矿井均压防火技术 该技术的防火原理是在保证回采工作面有足够风量的前提下，调节采煤工作 面和采空区之间的压差，使之平衡，从而减少向回采区的漏风，以达到因缺氧而 抑制采空区内煤炭自燃发火的目的。 3 ) 惰性气体防火技术 惰性气体防灭火技术在国内外应用的都比较早。我国5 0 6 0 年代使用过炉烟灭 火，但未广泛应用，个别矿井还曾试用过c 0 2 和干冰灭火，但都以无结局而告终1 2 引。 8 0 年代初，天府和阜新局曾试验应用液氮灭火，取得了一些经验，但亦未得到推 广应用，主要原因是液氮源不足，且储存困难，经济上亦不合宜。后来到7 0 8 0 年代研制成功的燃油除氧惰气发生装置d q 1 5 0 、d q 5 0 0 及d q 1 0 0 0 等f 4 j 为我 国矿山救护提供了扑灭初期火灾和抑制发火时的瓦斯爆炸的有力手段，应用得比 较广泛的为d q 1 5 0 和d q 5 0 0 型惰气发生装置。 现阶段惰性气体灭火技术主要是用氮气，其原理为；氮气能使火区中氧气浓 度减低，氮气浓度增加，提高密闭区空气压力。减少漏风。低温氮气具有吸热作 用，能使火灾气体、岩层和煤层的温度降低。 4 ) 注浆防火技术1 4 】 注浆防火技术至今己发展成几种工艺，有黄泥注浆、水砂注浆、页岩注浆和 粉煤灰注浆。 安徽理工大学硕士学位论文 该技术的防火原理是将注浆材料按一定比例配合制成泥浆，借助泥浆泵通过 输浆管送到可能有自燃发火的采煤区或其它地点进行灌注。注入的泥浆可将残留 的煤炭或煤尘包裹起来，以隔绝空气、减少漏风起到阻燃作用，同时泥浆中的某 些化合物能破坏链反应，阻止煤层自燃。 5 1 阻化剂防火技术 阻化剂防灭火技术，自1 9 7 4 年开始研究。初始时作为阻化物质的主要是某些 工厂的废渣，继之又选用某些卤族化合物，最终认定在经济上可行的理想材料为 海盐生产中的副产品卤水，亦即氯化镁。此项技术在实验室取得成果的基础 上，在某些矿井中得到应用。初期主要是向煤体内压注，继之用于采空区喷洒。 进入9 0 年代，除上述两种工艺继续应用外，进一步开发了汽雾阻化剂【2 6 l f 2 7 】喷洒工 艺，扩大了阻化物质的渗透能力和范围，提高了防火效果。目前阻化剂防灭火技 术已在我国几十个矿井中的上百个工作面单独使用或与其它防灭火措施联合使 用。该技术的防火原理是将一种或几种物质的溶液或乳浊液( 阻化剂) 灌注到采空 区煤壁或煤柱裂缝等易于自燃的地点，阻化剂附于煤的表面，隔绝氧化、阻止煤 的氧化，从而起到防火作用。 6 ) 洒水( 或注水) 防火【4 j 工作面放顶前用水遍洒放顶步距条带或在放顶后向采空区注水，也能起到防 火作用。此法使用于分层法开采厚或特厚易燃煤层时。如果顶板为泥制岩石，则 此法防火效果更佳。洒水( 或注水) 后，冒落的矸石湿润，膨胀成再生项板，覆盖 浮煤，减少漏风，从而抑制了采空区内的浮煤氧化。陕西崔家沟矿和徐州大黄山 矿采用此法防火采用此法防火均取得了良好效果。 7 1 惰性泡沫防灭火【2 8 】【2 9 】 自6 0 年代试用泡沫灭火以来，我国在多次灭火的实践中证明：高倍数灭火的 威力大、速度快，可在远离火场的安全地点进行灭火工作：水量损失小，灭火后 的恢复工作容易；成本低，无毒，无腐蚀性。 高倍数泡沫的应用范围很广，对固体材料火灾，油类及液体材料火灾，机电 设备火灾均能很好地使用，广泛地应用在矿山、仓库、船舶、建筑物的防灭火工 作中。但就煤矿而言，过去人们一直认为只在扑灭表面燃烧的巷道、硐室火灾时 有效，而对采空区的火灾、煤壁深部的火源就很难奏效。 事实上，用泡沫防治内因火灾的方法早在2 0 年前就得到了日益广泛的应用。 1 9 8 0 的前苏联，仅全苏矿山救护研究所参与的3 个矿山企业联合体，就有3 8 个采区 是在泡沫的保护下开采的。到如今，泡沫防治内因火灾的措施是该国主要的矿井 1 2 绪论 火灾防治方法。 用泡沫放火和灭火主要作用有以下3 点： 1 ) 泡沫能覆盖燃烧物表面，起到隔绝空气的作用： 2 ) 泡沫具有吸热降温作用： 3 ) 泡沫液对煤具有较好的湿润作用，能在煤的表面形成液膜，阻碍煤对氧的 吸附，减弱煤的氧化作用。 1 4 课题研究内容 1 ) 利用红外光谱分析研究煤的分子结构对煤自燃的影响。由煤样的压汞实验 结果，分析煤的空隙结构对煤自燃的影响； 2 ) 通过煤的吸氧实验研究，给出潘一矿气肥煤的自燃倾向性分类； 3 ) 运用多孔介质及控制微分方程理论建立未压实采空区煤岩体自燃的数学 模型。加入边界条件后，通过有限元分析软件f l u e n t 模拟出采空区的温度场和速 度场； 4 ) 利用煤样的低温氧化实验，研究其气体生成物，优选出潘一矿2 6 2 1 ( 3 ) 采空 区自燃的指标气体； 5 ) 针对潘一矿2 6 2 l ( 3 ) 未压实采空区煤层自燃发火的实际情况，选定一套适合 该采空区防灭火的措施。 安徽理工大学硕士学位论文 2 煤的结构与煤自燃的关系研究 煤结构包括两方面的内容：一是煤的化学结构即煤的分子结构，是指组成煤 的大分子或小分子的原子种类以及键合方式、空间构型等：二是煤的物理结构即 分子间的堆跺结构与孔隙结构，是指煤大分子、小分子的空间排列。煤的分子结 构与煤对气体吸附机制的影响以及煤层甲烷的吸附理论有关，而其孔隙结构与煤 体表面积的大小和煤体表面吸附气体量的多少有关。 2 1 煤样的基础参数测定 2 1 1 煤样的工业分析 煤的工业分析包括水分( m ) 、灰分( a ) 、挥发分( v ) 和固定碳( f c ) 四个项目。对 采自潘一矿采空区的气肥煤煤样进行了工业分析。其结果如表1 。 表l 煤样的工业分析 t a b l eit h ep r o x i m a 把a n a l y s l so f c o a ls a m p l e 水分灰分挥发分固定碳发热量氢含量碎煤密度 备注 m a d a a d i d f c a d q a d m j l ( g h a d k g ，m 3 2 1 2 煤样真密度的测定 煤的真密度是指煤骨架( 不包括煤的所有孔隙) 的密度。为了计算煤的吸 氧量，按国标g b t 2 1 7 1 9 9 6 测定了煤样的真相对密度，其测定结果如表2 所示。 表2 煤的真相对密度测算表 t a b l e2t h em e 嬲u r ea n dc a l c u l a t eo f c o a ls a m p l e st m er c l a t i v ed e n s i t y 密度瓶加煤样、浸润剂密度瓶加浸润剂和干燥煤样干燥煤的真相 和水的质量m l 恒 水的质量m 2 幢质量m d 恒 对密度 2 2 煤的分子结构对煤自燃的影响 2 2 1 煤的分子结构模型概述 煤的组成结构一直是煤化学研究的中心议题。对此科学家们已提出了不少结 1 4 煤的分子构成及孔隙结构对煤自燃的影响 构模型，其中在煤炭科学中有重要影响的结构模型有煤大分子“三维结构基质”、 “三维交联结构网络”、“大分子相与分子相”和“自相关多体结构”模型。p 1 1 混合物模型 s t e r n b e 唱提出煤是由分子量分布较宽的分子通过氢键、范德华力连接起来的 混合物。对于这种混合物模型，任何一种溶剂，只要其和煤分子的作用可与煤分 子作用相匹配。均可溶解煤，但并未发现这一现象。 2 胶团模型 煤结构的胶团模型来源于抽提研究。研究者认为煤的可溶组分具有球状胶 质体形态，并假设煤的不可溶基质也可由胶团单元组分组成。 k v e u l e n 从胶体化学的观点讨论了含煤抽提物溶液，它由分散介质和胶粒相构 成。他得到的最重要结论是：煤可视为多少已沥青化的腐植质封闭系统，具有胶 团结构，胶粒分散在油质介质中。 3 三维结构基质模型 v a h n n a n 认为煤由不可溶大分子三维基质和潜在可溶小分子构成。小分予物 质位于煤基质的粒微孔体系中，其中绝大多数吸附在分子大小的孔隙中。 v a h 邶a n 煤结构模型有两个重要思想： 1 ) 煤含有不可溶大分子相和潜在可溶小分子相； 2 ) 小分子相位于煤中相微孔体系之中。 图4 典型的分子间结构模型 c h a n4t h et y p j c a ii n t e 玎r i o 】e cu j a rs t r u c t u r em o d e i l a z e r o y 认为大分子间的联系是化学交联，认为煤的热塑性是大分子网络的解 聚。他们还发现煤的许多性质在含c 8 5 8 8 范围内发生异常变化，认识到大范围 内煤大分子的交联键数目最少。 l o r s e n 等提出煤大分子三维化学交联聚合结构的分子间结构模型。这种模型 认为煤是通过网状桥结构进行联结的，它强调了共价键的作用并解释了煤基质 的不可溶性。图4 为典型的分子间结构模型。 4 三维聚合结构模型 5 安徽理工大学硕士学位论文 煤是由多种性质不同的显微组分组成。显微组分的不同组合，造成了不同煤 在组成结构与性质上的异常复杂性，但煤作为一种大分子结构已为煤化学家认可。 通常认为煤大分子是由周边连结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香 稠环( 统称芳香核或基本单元结构) ，通过各种桥键，如次甲基键( 例如c h 2 c h 2 c h 2 c h 2 一c h 2 一c h 2 等) 、氢键( 一o c h 2 - o 一等) 、硫键( - s 一) 等联结而成。在大分 子间和大分子内还包含大量的交联键。所以煤大分子呈三维交联网络。在交联网 络中还包藏了许多小分子化合物，与大分子以e d a 键相连。煤对电子授体的吸附 ( 如1 2 1 正是电子授体e d a 键更强而被取代的结果。 煤大分子三维交联网络模型的基本结构单元是缩聚多环芳香结构，基本组成 是苯环，由于平行芳环体系能量最低，所以煤大分子基本结构单元倾向于平行堆 跺和有序。但这种堆跺并不十分完善，由于强烈的交联和芳环周边原予基团等的 阻碍，因此是含有缺陷的具有平行排列倾向的堆跺。从煤结构整体范围来看，煤 大分子只能局部平行堆跺并形成局部有序结构。这也是煤各向异电性的主要原因。 研究认为煤基本结构单元堆跺越结实，各向异电性越明显，并且平行于层面方向 上的导电性要高于垂直方向上的。煤的大分子结构的有序性随煤化程度提高而增 大。在煤化过程中经历了三种结构性态的变化：多元非晶态、过渡态、结晶态， 即煤结构由无序态经局部有序到较大范围的有序。 煤大分子问的桥键和大分子内的交联键合是第二级结构成分，周边原子基团 是煤有机大分子的第三级结构成分，在煤的有机结构中还含有o 、n 、s 等杂质原 子，形成各种官能团。煤大分子中的原予基团有许多是有极性的，如羟基、羧基 等：它们的存在对煤大分子间的作用及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响。f 是这些基团的作用使得煤对瓦斯及空气中的氧有很大的吸附能力，从而引发了自 燃的发生【j “。 2 2 2 煤自燃过程中分子结构的变化规律 对于煤的化学结构分析，有经典的有机化学分析方法、解离抽提物的红外光 谱分析、可见光和紫外光谱分析，x 射线衍射分析、色谱及色谱质谱分析、电子 顺磁共振分析和差热分析等方法。本次研究采用了红外光谱分析。红外光谱主要 用于分析煤中官能团、脂肪烃和芳香结构等的变化特征，从而了解煤的化学结构 所发生的变化。利用先进的红外光谱分析技术，测试与分析煤自燃过程中的分子 结构变化，可以研究煤自燃发生和发展的规律。 国内外学者采用红外光谱分析法研究煤的化学基团在氧化过程中变化取得了 1 6 煤的分子构成及孔隙结构对煤自燃的影响 很多成果。赵继尧等【3 3 】研究了煤分别在2 1 0 ，3 0 5 和4 0 0 温度条件下的氧化， 然后用红外吸收光谱分析氧化后的煤样，煤样温度比较高：