（安全技术及工程专业论文）综合防灭火技术在高瓦斯矿井近距离煤层火灾中的研究应用.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：煤炭自燃，近距离煤层，指标气体，注氮防灭火技术， 注胶防灭火技术 太原理工大学硕士研究生学位论文 a bs t r a c t p r e s e n t l y , o u r6 0 s t a t e o w n e dc o a lm i n e sh a v ea l r e a d yb e e nt h ed a n g e r o u s c o a lm i n e sb e c a u s eo ft h ec o a l ss p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n t h el o s sq u a n t i t yo f h i 曲g r a d ec o a ld u et ot h ec o a l ss p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nh a sb e e nt o4 2b i l l i o n t o n s b e s i d e s ，t h el o s sq u a n t i t yh a sb e e ng r o w i n gb y2 0 0 0 - 3 0 0 0m i l l i o nt o n s e v e r yy e a r m o r e o v e r , t h eh e a v yc a s u a l t i e sc a u s e db yt h ef i r eh a z a r da n n u a l l y l e a dt oh e a v yt o l lo fl i v e sa n dn e a r l yb i l l i o n sy u a ne c o n o m i cl o s s e s n o to n l y d o e st h ec o a l ss p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nw a s t e sc o a lf c s o l r c e s ，b u ta l s ol e a d s , t o - t h es e r i o u se n v i r o n m e n t a la n de c o l o g i c a lp r o b l e m s t h em a s s i v e p o i s o n o u sg a s w h i c hi sc a u s e db yt h ec o a l sf i r ew i l l s e r i o u s l yp o l l u t et h ea t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n ta n dd i r e c t l ye n d a n g e ro u rl i v i n gs p a c e b a s eo nt h er e a s o na n dr e s e a r c hl e v e lo fe x i s t i n gc o a l s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n ，b e g i n n i n g - w i t ht h ec h a r a c t e ra n dl a wo fh i i 曲g a sm i n es h o r t d i s t a n c ec o a ls e a mb r e e d i n g - f i r e ，d i s c u s s e dt h er e a s o no fs h o r td i s t a n c ec o a l s e a mb r e e d i n g - f i r ea n di t sh a r m f u l n e s s ，s t u d i e dt h ek e yt e c h n i q u eo ff i r ea n d c o n t r o l ，f o r m e dt h ee a r l ys t a g ef o r e c a s ta n dp r e v e n t ss y s t e mt h a tr e l ym a i n l yo n i n d e xg a sa n a l y s i s ，a n de s t a b l i s h e dt h em i n ec o a ls e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n i n t e g r a t e dc o n t r o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i tg a v ear e l i a b l es c e n i c b a s i sf o rc o n t r o l e x t i n g u i s h m e n tf i r e t h r o u g ht h es t u d yo ns e l f - i g n i t i o no fc o a l ，a u t h o rt h i n k st h a ti nt h ec o u r s e o fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，t h es e l e c t i o no fi n d e xg a sh a st h ei m p o r t a n t a n a l y s i sa n dg u i d a n c ea f f e c t i o ni nt h ef i r ec o n t r o lw o r k i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m i n eh a si t s e l fs p e c i a lp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h es h o r td i s t a n c ec o a l s e a m ss e l f - i g n i t i o na l s oh a v ei t su n i q u ec h a r a c t e r b ea f f e c t e db yt h ec l o s e rc o a l s e a ma n do t h e rf a c t o r ss u c ha s g a s a n d v e n t i l a t i o n ，t h es i n g l e c o n t r o l e x t i n g u i s h m e n tf i r et e c h n i q u eh a dc o u l d n tc o n t r o lt h eh i 曲g a sm i n e s h o r td i s t a n c ec o a ls e a mf i r ee f f e t e l y b yt h es t u d yt h i sp a p e ri n t e g r a t e da p p l i e d v a r i o u sc o n t r o l e x t i n g u i s h m e n tf i r e t e c h n i q u e s c o n t r o l l e dt h e s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o no f2 3 5 0 9w o r k i n gf a c ei ng u a n d im i n eb ys t a g e sa n dg o tw e l l e f r e c t k e yw o r d ：t h ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，c o n t i g u o u ss e a m s ，i n d e x g a s ，p o u rg e l a t i nc o n t r o l e x t i n g u i s h m e n t f i r e t e c h n i q u e s ，p o u rn i t r o g e n c o n t r o l e x t i n g u i s h m e n t f i r e t e c h n i q u e s i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨翌塾塾日期： 跏7 j 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签墨：岛乙日期-兰三7 - _ 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 我国是少数几个以煤作为主要能源的国家之一，也是世界产煤大国。煤炭在我国一 次能源消费中占7 6 ，随着我国经济的快速发展，对煤炭的需求还会进一步增加，我国 以煤为主要能源的生产和消费特征在今后相当长的时间内都不会改变i l j 。在煤炭生产过 程中存在着水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害，其中煤炭自燃火灾是煤矿一大突 出灾害。我国5 6 的矿井开采易自燃煤层，百万吨发火率近年虽有所下降，但仍高居不 下，达l 强，与世界几个主要产煤国家相比，差距还很大【2 】。煤层自燃不仅直接烧掉 了宝贵的煤炭资源，而且还破坏了煤层的赋存条件，危及煤矿的安全生产，使得大量煤炭 资源难以开采而间接损失：更为严重的是煤层无控制地不充分燃烧，释放出大量有害物 质，引发一系列的生态环境恶效应：煤田自燃，煤层消减，导致地表塌陷，河流改道，地下 水位降低，部分土地荒漠化，严重地破坏了国土资源。这些都恶化着人类的生存环境与条 件，影响着地区社会经济的可持续发展。在1 9 9 2 年“世界环发大会”之后，煤田自燃作为 一种自然灾害已成为有关国家政府关注的主要环境问题：1 9 9 4 年我国政府已将煤田自燃 灾害的治理列入“中国2 1 世纪议程”，使得煤田自燃灾害的治理工作步入国家环境工程 行列【3 】。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 矿井火灾 矿井火灾是煤矿主要灾害之一。据不完全统计，全国重点煤矿中有自然发火危险的 矿井约占4 9 。矿井火灾与煤层瓦斯爆炸的发生常常是因果关系，相互扩大灾害的程 度范围是酿成煤矿重大恶性事故的原因之一。 凡是发生在矿井地下或地面而威胁到井下安全生产，造成损失的非控制燃烧均称为 矿井火灾。矿井火灾的发生的原因是多种多样，但引起火灾的基本要素归纳起来有三点： ( 1 ) 热源：是触发火灾的必要因素。具有一定温度和足够热量的热源才能引起火 灾。在矿井里煤的自燃、瓦斯煤尘爆炸、放炮作业、机械摩擦、电流短路、吸烟、烧焊 以及其他明火等都可能是引火的热源。 ( 2 ) 可燃物：在煤矿矿井里，煤本身就是一个大量而且普遍存在的可燃物。另外， 坑木、各类机电设备、各种油料、炸药等都具有可燃性。可燃物的存在是火灾发生的基 础。 ( 3 ) 空气：燃烧就是剧烈的氧化。任何可燃物尽管有热源点燃，但是缺乏足够的 氧气，燃烧是不能持续的。 根据引火的热源不同，通常将矿井火灾分成两大类： ( 1 ) 外源火灾( 或称外因火灾) ： 外源火灾是指由于外来热源如明火、放炮、瓦斯煤尘爆炸、机电设备运转不灵、摩 擦、电流短路等原因造成的火灾。外源火灾可以发生在矿井的任何地点，但多发生在井 口楼、井筒、机电硐室、火药库以及安有机电设备的巷道或工作面内。 外源火灾的特点是：突然，来势凶猛，如果不及时发现，往往可能酿成重大恶性的 事故。据统计，国内外有记载的每次数十甚至上百人的煤矿重大恶性火灾事故中9 0 属于外源火灾。但外源火灾的燃烧往往在表面，如果发现及时，还是容易扑救的。 ( 2 ) 自燃火灾( 或称内因火灾) 在煤矿里自燃火灾主要是指煤炭在一定条件和环境下( 如煤柱破裂、浮煤集中堆积 又有一定风流供给) 自身发生物理化学变化( 吸氧、氧化、发热) ，聚积热量导致着火 而形成的火灾。自燃火灾大多发生在采空区、遗留的煤柱、破裂的煤壁、煤巷的高冒以 及浮煤堆积的地点。 自燃火灾的特点是：它的发生有一个或长或短的过程，而且有预兆，易于早期发现。 但火源隐蔽，往往发生在人们难以或不能进入的采空区或煤柱内，要想找到真正的火源 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 确非易事。因此不能及时扑灭，以致有的自燃火灾可以持续数月、数年、数十年而不灭。 燃烧的范围逐渐蔓延扩大，烧毁大量煤炭资源，冻结大量丌拓煤量。 矿井火灾对人的危害主要是在发展期间产生大量的有毒有害气体。煤炭燃烧会产生 一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、烟尘以及附着在烟尘之上的3 , 4 一苯并茈( c 2 0 h 1 2 ) 。另 外，坑木、橡胶、聚氯乙烯制品燃烧也会产生大量的一氧化碳、醇类、醛类以及其它复 杂的有机化合物。这些有毒有害气体和物质随风扩散，有时可能波及相当大的区域甚至 全矿，从而伤害井下人员。据统计，在矿井火灾事故中遇难的人员9 5 以上是烟雾中 毒牺牲1 4 j 。 煤矿火灾曾给矿井造成了巨大的经济损失和人员伤亡，对矿井安全生产造成了严重 的威胁，是煤矿危害中最大的灾害之一。在矿井火灾事故中，外源火灾发生的次数占总 数量不到1 0 ，煤层自燃火灾达9 0 以上。开采具有自燃倾向性煤层的矿井占矿井总 数约5 0 党、国家以及煤炭系统各级职能部门对防火问题给予了充分重视，并投入较多的财 力和人力，科学技术进步也为改变我国煤矿安全的落后面貌起到了重要作用。我国煤矿 自然发火逐年减少，外因火灾也得到了不同程度的控制。但是也应该看到，我国煤矿火 灾技术发展很不平衡，部直属矿井发展较快，地方煤矿发展较慢。每年仍有或多或少的 人员在火灾中丧生，有大量财产在火灾中化为灰烬，有大量的煤炭资源被冻结，现状仍 然不能令人满意。因此在现在和将来的一段时问内，防灭火仍然将是我国煤矿安全工作 的重点之一，研究矿井火灾防治技术和理论，大力推广应用先进而成功的防灭火技术是 减少我国煤矿火灾危害的重要战略决策嶂j 。 煤炭自燃的防治是一项复杂的综合系统工程，涉及到矿井生产的各个主要环节，通 过大量的实践，山西省安全工程技术研究中心提出制定了矿并煤层自燃火灾综合防治信 息管理系统，该技术将众多防灭火专家的技术经验，经计算机软件形成人工智能，结合 救灾专家决策系统，在日常生产中，可对煤层自然发火进行及时、准确预报，火灾发生 后，快速选择救灾方案及科学合理起用灭火方法，避免人为因素的盲目性和被动性，从 而做到预防为主、防治结合，最大限度地降低自然发火造成的损失。 矿井煤层自燃火灾综合防治信息管理系统主要包括以下内容： ( 1 ) 煤层自燃火灾档案管理，矿井基本开采技术资料、图纸及煤炭自燃特性参数等； 录入煤层自燃火灾基本数据记录； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 编辑煤层自燃火灾基本数据记录； 查询煤层自燃火灾基本数据记录： 统计煤层自燃火灾基本数据记录； ( 2 ) 决策功能，自燃发火早期预测预报、应急措施、防灭火方法、专家系统等； ( 3 ) 网上传输功能，通过局域网实现信息共享；通过i n t e r n e t 实现信息共享。 煤 层 自 燃 火 灾 基 太 数 据 录 入 信息管理功能卜+ l 决策功能卜_ 叫信息传输功能 煤 层 自 燃 火 灾 基 太 数 据 编 辑 1 2 问题的提出 煤 层 自 燃 火 灾 基 本 数 据 查 询 煤 层 自 燃 火 灾 基 本 数 据 统 计 自 然 发 火 旦 期 预 测 预 报 渊巨 局 域 网 共 享 图卜1 矿井垛层自燃火灾综合防治信息管理系统 f i g 1 lm i n ec o a ls e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni n t e g r a t e d c o n t r o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 互 联 网 共 享 随着我国市场经济的快速发展，国家对能源特别是煤炭的需求逐年增加，我国以煤 为主要能源的生产和消费特征在今后相当长的时间内不会改变。 我国煤炭资源丰富，分布地域广阔，但煤层赋存条件差异大，含瓦斯煤层多，瓦斯 储量大，煤与瓦斯突出严重。矿井火灾与煤层瓦斯爆炸的发生常常是因果关系，相互扩 大灾害的程度范围是酿成煤矿重大恶性事故的原因之一。在治理高瓦斯矿井的自燃火灾 时，由于要防止火区内的瓦斯被引燃而发生爆炸，以及灭火时可能发生的水煤汽爆炸和 火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间流动，给矿井生产工作人员生命安全造成严重 威胁，从而增加了防治的复杂性，给我们火区治理工作带来了更高的要求。 目前世界上研究人员主要针对地面煤堆进行自燃性实验、预测技术等方面研究，为 地面煤堆自燃的防治提供理论和技术支持，而对井下动态开采条件下煤层自燃过程的研 究较少，对井下实际条件下煤层自燃的发展过程、影响因素、发火时问和发火地点等的 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 定量描述、测定和预测问题一直没有很好地解决，尤其是对一些瓦斯含量高、近距离煤 层开采的工作面自燃火灾的研究较少。 高瓦斯煤矿近距离煤层的开采，给煤自然发火的防治带来了一系列新的问题，主要 表现在： ( 1 ) 近距离煤层的上部煤层开采，要相应布置工作面，在相邻工作面问须留设足 够的保护煤柱；而下部煤层在开采时，工作面的布置就要与相应的上部煤层的工作面错 开一定的位置，即上部煤层保护煤柱正好落在下部煤层工作面内。一般来说，先开采上 部煤层，后开采下部煤层。待上部煤层采过后，开采下部煤层时，受采动影响，矿压显 现明显，顶部岩层垮落，保护煤柱被压酥破坏，产生大量裂隙，漏风严重，容易引起保 护煤柱自燃。而对于综放开采来说，两道及切眼不放顶煤，浮煤较厚，也易引起自燃。 ( 2 ) 近距离煤层由于上下煤层间距较小，煤层开采时受采动影响比较大。在下部 煤层开采过程中，老顶初次来压、垮落后，发生周期性来压、垮落，引起顶部岩层产生 冒落带、裂隙带和整体移动带 6 1 ，称后两者为破裂带。下部煤层工作面采过后，顶板岩 层相继垮落，上部煤层煤柱被压酥垮落，近距离煤层采空区则是一个松散体，其空气渗 流场、氧气浓度分布场、温度场和煤的物理化学过程相互影响，呈非稳态变化，从而使 得近距离煤层采空区自然发火过程十分复杂。 ( 3 ) 由于近距离煤层的特点，在对发生自燃的工作面火区封闭后，邻近煤层之间 的相互影响，增加了治理的难度。采取单一的火区治理技术往往使火情发生反复，火源 容易发生转移；火区封闭后，火区内的气体不易控制，火区存在爆炸的危险。 因此，采用综合防灭火技术治理高瓦斯矿井近距离煤层综采工作面火区成为我们研 究的重点，具有重要的工程应用价值。 1 3 煤层自燃防治技术国内外韵研究现状 近年来，对煤矿火灾发生、发展和防治机理及规律，包括起火、火势蔓延和烟气传 播、灭火以及火灾对人体的危害及防治等方面进行了较深入的研究；在煤矿火灾预测预 报方法、实时监测技术、防火设计、制订防火救灾措施等方面均取得了令人鼓舞的成绩。 煤矿火灾防治技术近几年的新发展主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 从观念上改变了认为火灾系单纯偶然事故的认识。煤矿火灾作为一种自然灾 害现象，它的发生既不具有完全的确定性，又不是完全的随机性，而是兼有确定性和随 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 机性的双重特点。不仅火灾发生如此，火灾蔓延及其造成的的损失也是如此。 ( 2 ) 认为煤矿发生火灾的机理和规律具有普遍性，只要加以研究就可以认识和掌 握，就可以控制火灾事故的数量，降低火灾事故的损失，从而使煤矿和煤田火灾科研跨 上一个新的台阶。 ( 3 ) 在研究方法上改变了传统的以火场实测和统计经验数据为主的手段，承认并 自觉运用流体力学、热力学和传热学等自然科学中的质量守恒、动量守恒和能量守恒的 基本规律来指导火灾研究，并应用统计理论，力图揭示数据之间的联系，形成专家系统， 同时借助于火灾模型并结合现场实测的研究方法研究火灾的发生、发展和防治的机理与 规律，不断深化对火灾客观规律的的认识，减少火灾的发生，降低火灾损失。 ( 4 ) 在防火策略上注意从系统工程角度出发，形成预测、预防、预报和灭火等四 道火灾防治防线【7 】。 1 3 1 我国煤矿火灾防治技术发展 建国以来，我国矿井火灾防治理论与技术有了较大的发展和进步，取得令人瞩目的 成就。 由于煤层自燃火灾发生于地下数百米深处，人员无法靠近以及火源的隐蔽性，使得 自燃火源位置的精确探测成为防灭火的关键技术，也是一项世界性难题。在火区治理过 程中火区内部信息不准确，给及时、科学地调整灭火方案带来了困难。近年来，太原理 工大学矿业工程学院研究的煤层自燃火源位置探测技术和火区内部信息检测技术，很好 地解决了这一难题，运用该技术并将注浆、注凝胶、堵漏等防灭火技术有机地结合，形 成了一项基于火源探测的综合的防灭火技术体系引。其技术路线如图卜1 所示。 1 3 1 1 煤自燃危险性预测 煤矿井下发生自燃火灾，根本的原因是煤炭本身具有自燃倾向性。尽管不同的煤种 和不同的煤层赋存条件和开采状态都会使煤层的自燃危险性具有不同的显现和差异。 1 ) 煤的自燃倾向性鉴定 9 1 8 0 年代前，煤自燃发火危险性的判定沿用原苏联的着火温度鉴定煤的自燃发火 倾向：但对高硫煤，用此法判定差异较大。 近年来，采用色谱动态吸氧法测定吸氧量和吸氧速度来判定自燃发火倾向。使用 的仪器多为z r j 一1 型色谱自燃性测定仪。鉴定结果按表1 - 1 分类确定白燃倾向性等级。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 开采 图i - 2 基于火源信息探测及检测的煤层自燃火灾综合防治新技术体系 f i g 】- 2 t h e i l e w t e c h n i q u e o f c o a ls e ms p o n t a n c o c o m b u s t i o n i n t e g r a t e d c o n t r o l t h a tb a s eo nt i 】峙f i r es o 1 t c 2e x p l o r i n ga n dc h e e k i n gi n f o r m a t i o n 表卜1 煤的自燃倾向性分类【1 0 1 t a b 1 - 1s p o n t a n o o u sc o m b u s t i o nt e n d e n t i o u s n e s sc l a , 镕i 母c h a r t 3 0 c 常压条件下煤吸氧量c m 3 g 。1 ( 干燥) 自燃等级自燃倾向性备注 褐煤、烟煤类高硫煤、无烟煤类 i容易自燃o 81 0 0全硫( s f ) 2 0 0 自燃0 4 1 0 7 91 0 0全硫( s f ) 2 ，0 0 i不易自燃0 4 00 8 0全硫( s f 。) 1 5 时，煤炭氧化才可较快进行； ( 4 ) 以上三个条件共存的时间大于煤的自然发火期。 上述四个条件缺一不可，前三个条件为煤炭自燃的必要条件，最后一个是充分条件。 2 2 2 影响煤炭自然发火的因素 自燃火灾形成的过程是许多因素综合作用的结果，但煤层的自燃性能是起决定性作 用的因素，其它因素起加剧和增加危险程度的作用。影响煤层自燃发火的因素主要有： ( 1 ) 煤的自燃性能，煤的自燃性能主要受下列因素影响： 1 ) 煤的分子结构： 研究表明，煤的氧化能力主要取决于含氧官能团多少和分子结构的疏密程度。随煤 化程度增高，煤中含氧官能团减少，孔隙度减小，分子结构变得紧密。 2 ) 煤的破碎性( 粒度) ： 高桑功等( 1 9 7 7 ) 2 2 1 研究认为：煤的破碎性通常用硬球指数表示，硬球指数即是试 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 验煤样与标准煤样在同一外力的作用下，其暴露的表面积之比值。粒度越细，比表面积 成指数的增大，粉碎后煤的传热性能大幅减弱，而氧化条件却变得有利，以氧化藩热量 级表示自燃性时，氧化蓄热量与比表面积s 的关系可表示为：q 。= k ，s “，随着煤粒 度不同，煤粉碎前后之氧蓄热量为： 丝： 8 8 x1 0 - 2e xp(o098c)+46106(2-1) 鲰 5 5 3 。 式中，c 为含碳量。 s c h r o d e r 、松朴茂雄研究表明煤粒越小，自燃倾向性越大；o r e s h k o 认为煤的低温 氧化速率与煤孔隙的容积有关，而不是内表面积。s c h m i d t l 2 3 1 认为氧化速率与内煤粒外 表面积的立方根成正比；c a r p e n t e r 和s e r g e a n t ( 1 9 9 6 ) 【2 q 研究发现当煤粒径低于某个 临界粒径( 一般为1 3 8 3 8 7 朋1 ) 时，氧化速率基本与粒径无关；k a r s n e r ( 1 9 8 1 ) 1 2 5 1 的研究表明当粒径在0 8 4 2 ，7 8 r a m 时氧化速率与粒径无关；b o u v n n a n ( 1 9 9 6 ) 【2 q 指出大 孔在煤的氧化行为中占支配地位，空气的渗透为扩散控制：k a j i ( 1 9 8 5 ) 通过对不同 变质程度的煤在3 0 2 5 0 的氧化行为进行研究后，指出当煤粒度 1 0 0 彳的孔在煤氧化中起主要作用：a k u c u k ( 2 0 0 3 ) 1 2 9 等通过 对土耳其褐煤实验研究，得出混合粒度煤样的氧化速率大于单一粒度煤样的氧化速率。 3 ) 煤化程度：煤化程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。 就整体而言，煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低，即自燃倾向性从褐煤、长焰 煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小。例如：d c h a n d r a 和y v s p r a s a d ( 1 9 9 9 ) 采用交 叉点温度法对煤化程度的影响作用研究表明，随着煤化作用增大，煤的自燃性逐渐减弱。 彭本信 2 9 1 、o g u n s o l a ( 1 9 9 1 ) f 3 四及戴中蜀( 1 9 9 9 ) p 1 1 等学者的研究发现随着煤化程度 提高，煤的氧化放热量是按照褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 的趋势呈有规律的变化。因而许多研究者以煤变质程度来判断自燃趋势。 局部而言。煤层自燃倾向性与煤化程度之间表现出复杂的关系，即同一煤化程度的 煤在不同的地区和不同的矿井，其自燃倾向性可能有较大的差异。 4 ) 煤岩成分： 煤岩成分对煤的自燃倾向性表现出一定的影响，但不是决定性的因素。各种单一的 煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤 亮煤 暗煤 丝煤的顺序递减。镜 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤受力后易成碎屑。含氢、氧和挥发成分高，易氧化自燃；丝煤虽然本身氧化活性弱， 自燃点高，但丝炭组分中的细胞空腔能增大煤的裂隙和反应面，为氧向深部扩散提供通 路，促进烟煤氧化自燃。 5 ) 煤中的瓦斯含量： 煤中瓦斯存在和放散影响吸氧和氧化过程进行，它类似用惰性气体稀释空气对氧化 发生的影响。实验表明，吸氧仅发生在煤中瓦斯含量小于某一数值的条件下，如果煤中 含有较多的瓦斯，那么其吸氧减弱。但也有人认为，煤吸附瓦斯与吸附氧的机理不同， 因此影响不大。若煤层中含有较多的瓦斯，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降 低了煤的吸氧量，所以其自燃危险性较小。有的研究表明，当煤层中的剩余瓦斯含量大 于5 m v t 时，自燃难以发生；瓦斯涌出速度高时，很难发生煤的氧化，但是瓦斯涌出速 度小于0 0 4 o 0 5 m l g h 时，瓦斯涌出对煤的氧化过程没有影响。 6 ) 水分： 煤的外在和内在水分以及空气中的水蒸气对褐煤和烟煤在低温氧化阶段起一定的 影响，既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。如高桑功、田代襄等人( 1 9 7 8 ，1 9 7 4 ) 【3 2 1 在热天平和差示热分析仪上的分析曲线表明，煤内含水量越大，则开始升温的时间越 迟；0 n 契尔诺夫( 1 9 8 3 ) 认为，煤孔隙中的水分尽管会使煤炭破碎，但因仍能降低煤 中的氧扩散速度，从而降低煤的氧化活性，惰化煤的自燃性，但这一点与通常实际有出 入，从实践得知井下浸水区，当水被排除后，容易引起自燃。地面煤堆或矸石堆在暖和 天气里下过雨之后，也最易冒烟自燃，说明水是会促进自燃的。另一种看法，如霍捷斯 ( d t h o d g e s ) 等实验研究认为空气湿度或煤中水份愈大时，发热速度愈大的结果； b e r k o w i t z ( 1 9 9 8 ) p 列认为引起煤堆温升的主要原因是空气中的水分而非氧化放热效应， 将煤进行彻底脱水或保持干燥的环境可以防止氧化与自燃：o g u n s o l a ( 1 9 9 1 ) 牌l 研究发 现煤干燥可以使煤的自燃趋势下降；j o n e s ( 1 9 9 5 ) p 5 1 曾建立了水分含量与煤自燃关系 模型，该模型中包括三个决定性的变量：煤的温度、氧浓度及水蒸气的浓度。说明环境 湿度、水分对煤炭自燃的影响是不容忽视的。s a u r a b hb h a t ( 1 9 9 6 ) 等通过对煤粒自燃 性与湿度关系的数学模型研究和分析，得出了引起煤体自燃的最小i 临界相对湿度 喀1 7 3 ( c + 1 ) ，式中c 为b e t 方程中的常数) 。 6 ) 煤中硫和其他矿物质： 煤中含有的琉和其他催化剂，则会加速煤的氧化过程，统计资料表明，含硫大于3 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的煤层均为自燃发火的煤层，其中包括无烟煤。 h e r m a n ( 1 9 9 4 ) 1 3 6 综合使用x r d ，s e m ，e d x a 和m o s s b a u e r 波谱等手段考察了煤中矿 物质在低温氧化过程f 1 的变化，指出含c a 矿物( c a c o ，和c a s o ；) 对煤的低温氧化起催 化作用，还有的学者认为菱铁矿等含二价铁离子的矿物对自燃也有较火影响，尤其是在 c o 、m n 等离子的催化作用下，它们更容易氧化并有利于过氧化物的产生。因此，煤中 物质放热性的强弱与煤中无机矿物的成份、含量密切相关，也与氧含量和煤层含水量有 关。 ( 2 ) 开采技术 事实表明，矿井的开拓方式、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、通风系统和技 术管理等开采技术和管理水平，对自然发火起决定性影响。许多开采同一煤田、相同煤 层的不同矿井，甚至回一矿井不同的开采时期，在煤的性质、煤层赋存条件基本相同的 矿井，但由于以上因素的差异，造成自然发火的次数明显不同。开采技术对自然发火的 影响主要表现在以下几个方面： ：1 ) 矿井开拓方式和采区巷道布置，既决定保护煤柱的数量及其大小，又决定所留 煤柱受压与破碎程度，即决定可燃物的分布和集中情况，又决定向这些可燃物供风的时 问 二2 ) 回采方法和回采工艺，但其决定的因素是回采率和工作面的推进速度。 3 ) 通风方面原因，煤炭自燃需要有连续供氧条件。但是，当漏风风流过大时，氧 化生成的热量可被风流带走，不会发展成为自燃火灾。所以，必须既有风流通过且风速 又不太大时，煤炭才会自然发火。对应于实际中主要是通过漏风和扩散供氧，因此，对 于开采自燃煤层的矿井，要求低风压通风( 采空区风压不宜于超过2 0 0 p a ，矿井风压不 得超过3 0 0 0 p a ) ，待超过时及时封闭。 有的学者研究过引起煤炭自燃的风速值范围，认为风速为0 4t o 8 m l i l l i n 时最容易 引起自燃，并将其成为易自燃风速：另一些学者认为易自燃风速为0 1 0 o 2 4 i l l m i n 。 对于采空区，有人认为当其单位面积上漏风量大于1 2 m 3 m i n i l l 2 或小于o 0 6 ，m i n m 2 都不会自燃，最危险的漏风量是0 4 0 8 m 1 m i n m 2 。 ( 3 ) 影响采空区自燃的因素 1 ) 采空区三带的划分 对于“u ”型通风系统的采空区，按漏风大小和遗煤发生自燃的可能性采空区可分 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 为：散热带、自燃带、窒息带， 2 ) 采空区遗煤自燃的条件及其影响因素 设自燃带的最大宽度为k + l 2 ，工作面的推进速度为u ，自然发火期为ts ，在自燃 带内煤暴露于空气的最长时间为t ( 月) ，当：ts ( l i + l 2 ) u 时，说明自燃带内有 a l = l l + l 2 一uts 宽度存在时间超过自然发火期，有自燃危险。由此可见，采空区内遗 煤自燃与否主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度l 。+ l ：( 珂) 。近距离煤层同 时开采时错距和相错时间不合理会增大采空区自然发火的危险性。 ( 4 ) 漏风： 在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方砸的作用：一是向煤提供氧化所必须 的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。 表2 - 1 煤层倾角和厚度对自燃影响 t a b 2 - 1t h ea f f e c t i o nt os p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f c o a ! d i p sa n g l ea n dt h i c k n e s s 倾角发火次数比例煤层厚度 发火次数比例 缓倾斜5 51 6 中厚以下 5 61 6 倾斜 1 2 13 4 厚煤层1 3 53 8 急倾斜 1 7 65 4 特厚煤层 1 6 1 4 6 ( 5 ) 地质因素 主要有： 倾角： 煤层倾角较大时，特别是急倾斜煤层，由于采煤方法等原因往往造成较多丢煤，且 采空区封闭困难，所以其自燃危险性较大 煤层厚度： 实践证明，煤层的厚度越大，自然发火的危险性越大。统计数据表明，有8 0 的自 燃火灾发生在厚煤层中。究其原因，主要有下面几点：第一，厚煤层回采率低，遗留大 量浮煤和煤柱，随着放顶煤开采技术的推广应用，这个问题更为突出；第二，矿山压力 较大，煤柱、煤壁易被压裂而漏风：第三，回采时间较长，一般均超过煤层的自然发火 期；第四，分层开采时，上部分层采空区的浮煤氧化产生的热量难以通过下部煤层散发。 所以，厚煤层是自然发火危险性最大的煤层，开采有自然倾向性厚煤层的矿井，应 特别重视内因火灾的防治工作。 地质构造。 有地质构造的地区，自燃危险性加剧。有褶曲、断层和岩浆岩侵入等地质构造破坏 太原理工大学硕七研究生学位论文 区域，煤层自然发火危险性较大。其t 要原因是由于这些地区煤体破碎，有大量裂隙存 在：岩浆岩侵入区的煤层受到_ r _ 馏，烟的孔隙率增加、强度降低，其自燃危险性也较大。 开采深度。 煤层赋存太浅或太深都会增j i i 自然发火的危险性。煤层埋减深度较人，煤体的原始 温度越高，煤中所含水分则较少，因此自燃危险性较大；但开采深度过小时又容易形成 与地表沟通的裂隙，也会在采空区中形成浮煤自燃。 2 2 3 自燃过程及其特点 煤炭的自燃过程按其温度和物理化学变化特征，分为潜伏期( 或准备) 、自热、自 燃、和熄灭四个阶段。如图所示，图中虚线为风化进程线。潜伏期与自热期之和为煤的 自然发火期。 1 、潜伏( 自燃准备) 期 自煤层被开采、接触空气起至煤温开始升高止的时间区间称之为潜伏期。在潜伏期， 煤与氧的作用是以物理吸附为主，放热很小，无宏观效应，经过潜伏期后煤的燃点降低， 图2 - 1 烟煤自燃过程温度与时间关系 f i g 2 1t h et e m p e r a t u r ea n dt i m er e l a t i o ng r a p ho f b i t u m i n o u s c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ne o n l s e 表面的颜色变暗。潜伏期长短取决于煤的分子结构、物化性质，煤的破碎和堆积状态、 散热和通风供氧条件等对潜伏期的长短也有一定影响，改善这些条件可以延长潜伏期。 2 、自热阶段 温度开始升高起至其温度达到燃点的过程叫自热阶段。自热过程是煤氧化反应自动 加速、氧化生成热量逐渐积累、温度自动升高的过程。其特点是：氧化放热较大，煤 温及其环境( 风、水、煤壁) 温度升高；产生c o 、c o ：和炭氢( c 。h 。) 类气体产物，并散 发出煤油味和其他芳香气味；有水蒸气产生，火源附近出现雾气，遇冷会在巷道壁面 凝结成水珠，即出现所谓“挂汗”现象：微观结构发生变化。 2 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、燃烧阶段 煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧( 风) ，则发生燃烧，出现明火。这时 会产生大量的高温烟雾，其中含有c 0 、c o 。以及炭氢类化合物。若煤温达到自然点，但 供风不足，则只有烟雾而无明火，此即为干馏或阴燃。煤炭于馏或阴燃于明火燃烧稍有 不同，c o 多于c o , ，其温度也较明火燃烧要低。 4 、熄灭 及时发现，采取有效的灭火措施，煤温降至燃点以下，燃烧熄灭。 2 3 近距离煤层自燃条件分析 所谓近距离煤层，“煤矿安全规程”( 2 0 0 l 版) 附录中解释为“煤层群层间距离较 小，开采时相互有较大影响的煤层”。近距离煤层的相互影响包括对工作面及巷道围岩 控制影响，包括对煤层开采过程中自然灾害防治的影响等等。其产生的根本原因主要是 由于煤层间开采引起的围岩应力重新分布引起临近煤层顶( 底) 板的塑性屈服。 煤自燃过程主要是一个煤氧复合放出热量、环境散发热量，在放热和散热这对矛盾 中运动发展。在煤矿井下煤层最易自燃的地点有两类，一是煤层巷道周围( 尤其是顶煤) 松散煤体，二是采空区松散煤体。 巷道煤层自燃主要与以下因素有关：巷道松散煤体蓄散热环境；松散煤体漏风 动力与漏风强度；巷道松散煤体内氧气分卸规律。 采空区遗煤所处的环境的变化将会引起浮煤自燃过程的动态变化。工作面正常推进 时，采空区内沿空工作面各点遗煤厚度、矿山压力的作用程度、遗煤的松散程度、漏风 强度都将发生变化，从而影响遗煤蓄热、放热环境变化。生产工作面的采空区随着工作 面的推进在不断的增大和变化。故工作面推进速度对遗煤自燃环境影响很大m 】。 2 ，4 1 巷道松散煤体 2 4 1 1 巷道松散煤体漏风动力与漏风强度 巷道松散煤体漏风动力主要由以下原因形成的压力差产生： ( 1 ) 巷道松散煤体内氧化升温形成的热力风压。 ( 2 ) 由于巷道起伏等原因而引起的动压差。 ( 3 ) 倾斜巷道的位压差。 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 巷道煤柱两侧的风压差。 ( 5 ) 由巷道壁面摩擦、巷道变形、转弯、分岔、汇合、扩大、缩小、堆放杂物等形成 的风流沿巷道的压力降。 巷道周围煤体总漏风强度为： q 2 q ，+ q ，+ q ：+ q p + q ，+ 9 ， ( 2 2 ) 其中： q ，热风压形成的单位面积漏风量( 漏风强度) ： 酚z 孕2x 等5 k 等级一t o ) 伢s ， 式中：z 由热风压形成的漏风修正因子； t 煤体内距巷道顶的垂直高度为x 处的空气温度，； 瓦- 巷道风流空气温度，。 片热力风压，p a ； & 巷道风流密度，g c m 3 。 巷道松散煤体暴露后，由于煤体氧化升温，在煤体内部与巷道表面形成温度差，从 而产生热力风压。巷道项煤着火时，常可以看到着火处风呼呼地往顶煤中吸，同一巷道 不着火处却见不到这种现象，说明着火处风流渗透强度大，这是由于煤体高温而产生的 一个自身动力( 热力风压) 推动着风流运动。 由以上的理论推导可以看出，松散煤体内温度越高，与巷道表面的温度梯度越大， 产生的热力风压越大，漏风强度也越大。 9 ，巷道风流起伏变化产生的漏风强度： 酚呼= 学谠 式中：k _ 松散煤体对空气的渗透系数； 三巷道长度，m ； 日。风流动压。 2 3 ( 2 4 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 风流平均速度，m s 。 巷道起伏变化，使得风流方向与巷道表面形成一个夹角0 ，风流碰到障碍物，方向 发生改变，风流的动能在漏风处产生一个风压，这个压力迫使风流往煤体内部渗透。由 公式可以看出，风流方向与巷道表面的夹角口为9 0 。时，风流动压最大，漏风强度也最 大。 q ：位压差产生的漏风强度： ， 酚呼= 学 防s ， 式中：k 松散煤体对空气的渗透系数； 上巷道长度，m ； 毛一z 2 巷道z l 、z 2 两点之间的高度差，m 。 在非水平巷道中，由于存在高差，巷道内存在位压差，向下流的风流位压差为正。 z 。一z ：的值最大时，即巷道毛、z ：两点之间的高度差最大时，产生的位压差越大，漏风 强度也越大。 q 。巷道煤柱两侧的风压差产生的漏风强度： - - 矿n 丁h p = 弛一 ( 2 - 6 ) 式中：k 松散煤体对空气的渗透系数； 三巷道长度，i l l ； a 巷道侧压力，p a ； p ：采空区侧压力，p a 。 掘进巷道与相邻采空区之间的煤柱两侧风压不同，在煤柱两侧存在风压差。煤柱内 的漏风强度与煤柱两侧的风压差成正比。 q ，风流沿巷道的摩擦阻力产生的漏风强度： 蚕，= k 等= k 芋 z ， 式中：上巷道长度，h i ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 口摩擦阻力系数，k g m 3 ； p 通过井巷的风鼍，i i i 3 s ： s 巷道断面面衫! ，m 2 ： u 巷道周界，m 。 q 。局部阻力产生的漏风强度： 百，= k 等= 聪竿( 2 - 8 ) 式中；工巷道长度，m ； 局部阻力系数，k g m 3 ； v 气体平均流速，m s ； 在风流流动