（矿业工程专业论文）南屯煤矿九采区松软煤层综放面自燃火灾预测及防治技术.pdf

论文题目：南屯煤矿九采区松软煤层综放面自燃火灾预测及防治技术 专业：矿业工程 硕士生：郝迎格 指导教师：陈晓坤 崔洪义 摘要 ( 签名) ( 签名) ( 签名) 煤炭自燃火灾是煤矿的主要灾害之一，严重影响了煤矿的安全生产。论文的研究立 足于南屯煤矿实际情况，以南屯九采区松软煤层的自然发火防治为研究对象，紧紧围绕 南屯煤矿九采松软煤层综放面自然发火特点，分析松软煤层自然发火的规律，确定出煤 层自燃危险区域，对煤层自燃火灾防治技术进行研究，旨在对松软煤层自燃火灾预测及 防治等关键技术进行研究，确保南屯煤矿九采区松软煤层的安全开采。 论文首先采用国内最大的煤自然发火实验台，实验测试了耗氧速度、放热强度、发 火期等表述煤自燃程度的特性参数，在此基础上，采用煤自燃指标气体的吸附浓缩实验 系统，对煤样在不同温度条件下热解放出的烃类指标气体吸附浓缩前后检测结果分析， 得出自燃过程中烃类指标气体吸附浓缩规律，以及气体生成速率及吸附浓缩后链烷比与 煤温的变化关系，确定煤自燃程度判定指标气体的早期检测方法，提高检测的灵敏度和 早期预报的精度，改善了现有指标气体预报的缺陷，从而为煤层自燃的准确预报提供量 化的依据。 结合现场观测的数据，研究了松软煤层自然危险区域判定技术，并采用相应的防灭 火技术措施处理自然危险区域防止煤自燃，同时，建立了粉煤灰复合胶体防灭火系统及 应急防灭火技术，形成了一套松软煤层自燃火灾预测及防治技术保障体系，成功的实现 了南屯煤矿九采区松软煤层9 3 叭、9 3t ，1 4 综放面的安全生产，对松软煤层综放面的防 灭火有一定的借鉴意义。 关键词：松软煤层；自燃火灾；粉煤灰复合胶体；预测 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nt h et e c h n i q u eo ff o r e c a s t i n ga n dc o n t r o l l i n g f o r l o o s ea n dw e a kc o a ls e a mo fs p o n t a n e o u si nt h en 0 9f i e l do f n a n t u n s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：h a oy i n g g e i n s t r u c t o r ：c h e nx i a o k u n ( s j g n a t u r e ) 丝丝翌丝 ( s i g n a t u r e c u ih o n g y i ( s i g n a t u r e ) 么幽皇 a b s t r a c t t h ec o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r e i so n eo fm a i nd i s a s t e r si nc o a lm i n e ，i th a s s e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f e t yo fc o a lm i n ei np r o d u c t i o n t h ep a p e rm s e a r c hi sb a s e do nt h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h en a n t u nc o a lm i n e ，w i t ht h er e s e a r c ho ft h es o f tc o a ls e a ms p o n t a n e o u s c o m b u s t i o np r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h en i n ec o a lm i n i n gr e g i o n ，i tc l o s e l yr e v o l v e st o t h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs o f tc o a ls e a ms y n t h e s i ss u r f a c eo ft h en i n ec o a l m i n i n gr e g i o n ，a n a l y z e ds o f t c o a ls e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nr u l e ，d e t e r m i n e dt h ec o a l s e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd a n g e r o u sr e g i o n ，s t u d i e dt h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i n ga n d c o n t r o l l i n gt h ec o a ls e a f ns p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r e f o rt h ep u r p o s eo fs t u d y i n gt h e e s s e n t i a lt e c h n o l o g yt ot h es o f tc o a ls e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r e ，s u c ha sf o r e c a s t i n g a n dp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n ga n ds oo n ，t h a te n s u r i n gs o f tc o a ls e a n ls a f em i n i n go fn i n e c o a lm i n i n gr e g i o ni nn a n t u nc o a lm i n e t h ep a p e rf i r s tu s e dt h eh o m eb i g g e s tc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nl a b o r a t o r yb e n c h ， t h ee x p e r i m e n tt e s th a sm e a s u r e dt h es p e e do fc o n s u m i n go x y g e n ，t h ee x o t h e r m i ei n t e n s i t y ， t h ei g n i t i o nt i m ea n ds oo nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri n d i c a t i n gt h ec o a ls p o n t a n e o u s c o m b u s t i o nd e g r e e m a k i n gu s eo fe x p e r i m e n t a ld e v i c eo fa d s o r p t i o na n dc o n c e n t r a t i o nf o r c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ns i g n a lg a s e s ，a n a l y s e st e s t i n gr e s u l to fh y d r o c a r b o ns i g n a lg a s e s t h a tg i v e no f fo nd i f f e r e n tt e m p e r a t o u r e sc o n d i t i o no fc o a ls a m p l ea r ec o n c e n t r a t e da n d a d s o r p t e db o t hf r o n ta n db a c k ，r e a c h e sa d s o r p t i o na n dc o n c e n t r a t i o nl a wo fh y d r o c a r b o n s i g n a lg a s e sd u r i n gt h ec o u r s ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，p r o d u c i n gg a sr a t e ，a n dv a r i a t y r e l a t i o no fc h a i n a l k a n er a t i oa f t e ra d s o r p t i o na n dc o n c e n t r a t i o na n dc o a lt e m p e r a t u r e ，d e f i n e s e a r l yd e t e c t i o nt e c h n i q u eo fs i g n a lg a s e so fd e t e r m i n a t i o no fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n e x t e n t ，i m p r o v e ss e n s i f i v i t yo fd e t e c t i o na n dp r e c i s i o no fe a r l yf o r e c a s t , m o d i f i e sf o r e c a s t f o u l t i n e s so fs i g n a lg a s e sn o wa v a i l a b l e ，a n dp r o v i d e sq u a n t i z a t i o nb a s i so ff o r e c a s ti np r e c i s e t e r mf o rc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n u n i f i e dt h es c e n eo b s e r v a t i o n a ld a t a ，i th a ss t u d i e dt h es o f tc o a ls e a mn a t u r ed a n g e r o u s r e g i o nd e t e r m i n a t i o nt e c h n o l o g y , a n du s e dc o r r e s p o n d i n g l yg u a r d sa g a i n s tt h ef i r ef i g h t i n g t e c h n o l o g ym e s s u r ep r o c e s s i n gn a t u r ed a n g e r o u sr e g i o nt op r e v e n tt h ec o a ln a n t u nn i n ec o a l m i n i n gr e g i o n ，a tt h es a m et i m e ，e s t a b l i s h e dt h ep u l v e r i z e dc o a la s hc o m p o u n dc o l l o i dt o g u a r da g a i n s tt h ef i r ef i g h t i n gt ob es y s t e m a t i ca n de m e r g e n c yt og u a r da g a i n s tt h ef i r e f i g h t i n gt e c h n o l o g y , d e t e r m i n e dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yp a r a m e t e ro ft h er e a s o n a b l ei n e r tg a s g u a r d e da g a i n s tt h ef i r ef i g h t i n ga n di t sa p p l i c a t i o nc r a f t ，f o r m e da s e to fs o f tc o a ls e a m s s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r e f o r e c a s ta n dt h et e c h n i c a ls u p p o r ts y s t e mo fp r e v e n t i n ga n d c o n t r o l l i n g i tm a k et h ep r o d u c t i o ns a f e t ys u c c e s s f u l l yo f 9 3 0 1 ，9 3 1 4s y n t h e s i ss u r f a c eo f s o f t c o a ls e a mi nn a n t u nn i n ec o a lm i n i n gr e g i o n ，i ti sag o o dm o d e lo ft h ef i r ef i g h t i n gt ot h 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 ei nt h ew e a k s e a m k e y w o r d s ：s o f ta n dw e a kc o a ls e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r e p u l v e r i z e dc o a la s hc o m p o u n dc o l l o i df o r e c a s t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 1 绪论 1 1 选题的背景与意义 1 绪论 综采放顶煤的防灭火一直是个难题，而松软煤层的防灭火又有其特殊性。南屯煤矿 以往开采的煤层，煤体较硬，工作面冒顶少，推进速度很快( 月推进速度均在1 2 0 m 以 上) ，综放面采空区发火几率低。在今后的一段时期内，南屯矿将以开采九采区的3 。煤 为主，确保矿井实现高产高效的安全问题主要以松软煤层的防灭火为主。九采区3 。煤 层厚度3 9 5 8 m ，平均厚5 0 5 m ，煤层倾角3 8 度，平均5 度，采高2 8 m ，顶煤厚度 1 1 - 3 m ，平均2 2 5 m 。上部有1 1 5 m 左右的煤层较为松软，易冒落。直接顶为粉砂岩， 老顶为细砂岩，岩性较硬，顺槽采用锚网支护，断面1 0 1 3 m 2 。 其九采区综放面自燃的特点体现在： ( 1 ) 煤层自然发火期短，最短只有1 8 天； ( 2 ) 9 3 。1 4 综放面切眼附近没有放顶煤，其煤层厚度5 2 4 m ，采高2 8 m ，采空区平 均丢煤厚度为2 4 4 m ，留有大量遗煤； ( 3 ) 巷道采用锚网支护，采空区两道和切眼顶煤冒落不充分，采空区周边漏风严重； ( 4 ) 顶部煤体松软，随采随冒，为了处理冒顶，工作面推进速度较慢( 月推进度7 0 至8 0 m ，最小时仅4 0 m ，且遗留在采空区的煤体破碎； ( 5 ) 综放面两道、端头支架及过渡支架约6 8 m 宽度不放顶煤，使得采空区两道留有 大量浮煤； ( 6 ) 9 3t 0 1 综放面断层多，倾角大( 2 5 度) ，浮煤的自燃危险性增强。 由于九采区煤层自燃存在上述特点，使得其防灭火问题显得尤为突出。为了确保南 屯煤矿松软煤层高产高效综放面的安全生产，提出了“南屯矿九采区松软煤层综放面自 燃火灾预测及防治技术研究”这个课题，课题由兖州煤业集团公司南屯煤矿和西安森兰 科贸有限责任公司联合承担。 课题主要研究南屯煤矿九采松软煤层综放面自然发火特点和规律，确定九采区综放 面煤层自燃危险区域，对煤层自燃火灾防治技术进行研究，旨在对松软煤层自燃火灾预 测及防治等关键技术进行研究，确保南屯煤矿九采区松软煤层的安全开采。 因此，对南屯煤矿而言，本项研究的开展目的明确、意义重大。 1 2 国内外研究成果综述 煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一【“。为抑制、减少煤层自燃火灾事故的发生，世 界各科研机构和生产部门对煤自燃火灾防治技术进行了大量的理论探讨、实验研究和现 西安科技大学工程硕士学位论文 场应用，试图完善煤炭自燃火灾防治技术。 1 2 1 煤层自燃预测技术研究现状 煤层自然发火预测是指在煤层开采前或煤层开采过程中，仍处在低温氧化阶段，仅 根据煤层实际开采条件，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层自燃危险性预测、自燃危险区域确定和自燃发火期的预测等 三方面。 ( 1 1 煤的自燃危险性预测 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、统计类比预测法 2 1 两种 方法，从不同角度对煤自燃危险| 生进行预测。 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 ， o l p i n s k i ) ( 波) 、奥尔莲斯卡娅正j i o p e a h c k 强) 一维谢洛夫斯基( b c b e c e n o a c k a 巅) 着火温 度降低值法( 苏) 、马切雅什法( z m a c 竭a s ) ( 即双氧水法) ( 波) 等、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b3 1 ) 。这类方法均采 用几克煤样进行实验【5 1 ，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。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 ) 1 4 , 5 1 测定煤的自热速率指数r t 0 ：绝热炉( a d i a b a t i ch e a t i n go v e n ) 测定煤炭最小自热温度【6 】；静态恒温法( s t a t i ci s o t h e r m a lo rb a s k e tm e t h o d s ) 测定煤的临 界环境温度( c r i t i c a la m b i e n tt 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 ) 【7 1 ：非恒温动态法( n o n i s o t h e r m a ld y n a m i cm e t h o d ) n 0 试煤的自燃临界温度和c o 产生 率1 9 1 ；恒温d t a ( d i f f e r e n t i at h e n n a la n a l y s i s ) 和程序升温d r i f t s 1 0 , 1 1 1 ( d i f f u s e r e f l e c t a n c ei 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( 1 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 i m l 习等在新西兰设计建造了长2 m 、直径o 3 m 、装煤量1 l o k g 的一维自燃 实验装置；1 9 9 5 年a r e i f a 等【1 4 】根据x d c h e n g 的实验装置，1 9 9 1 年s m i t h a c ，m i r o n y 和l a z z a r a 1 5 - 1 6 】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 f d r b e n n e t 和a g a l v i n 1 7 】在澳大利亚昆士兰采矿安全测试与研究中一i 二, ( s i m t a r s ) 建立了装煤量 1 6 t 实验台；1 9 8 8 年1 9 9 6 年徐精彩、邓军等剐模拟现场实际条件，相继设计和建造 了装煤量1 , 0 t 和o 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 ) 【l 9 j 构造了可以装9 0 蚝碎煤的实验装置；淮南工业学院的张国枢等人( 1 9 9 9 ) 1 2 叫研制了 1 绪论 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 ) 2 1 】、许波云( 1 9 9 0 ) 2 2 】和郭嗣琮( 1 9 9 5 ) 1 2 3 1 等根据影响煤层自燃 危险程度内、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 ) 2 4 、王德明、王俊( 1 9 9 9 ) 2 5 1 、赵向军、李文平( 1 9 9 8 ， 1 9 9 9 ) 【2 6 2 7 】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，即煤炭自身的自燃 倾向性、开采煤层的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 测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程度。施式亮、刘宝琛等( 1 9 9 9 ) 【28 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 ) 【29 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燃发火危险l 生进行了分类。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，分析并确定出回归函数，计算出实际条件下的火灾频率，预测煤层自燃的危险程 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区域无法 预测。 ( 2 ) 煤自燃危险区域判定 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、章楚涛川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。徐精彩，邓军等口2 】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。 近几年，利用红外遥感和地质雷达刚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情况p ”，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p6 j 等，这些对已形成高温 或大火的区域进行大范围粗略的判定，但由于受各种因素的干扰，不能对井下局部高温 点进行准确判定。 ( 3 ) 煤层自然发火期预测 煤自然发火期是衡量煤层自燃性大小最直接、最广泛的重要参数之一。宋志等人 3 7 1 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 西安科技大学工程硕士学位论文 际。余明高、王清安、范维澄、廖光煊【3 8 】、黄之聪和岳超平【3 9 1 根据煤氧化放热、升 温吸热平衡关系，在原苏联学者t , i b 卡连金提出的计算煤层最短发火期模型【4 0 】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1 3 9 1 1 及相应的实验方法。该模型比 自燃倾向鉴定结果更准确、直观口9 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【3 9 】。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，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 现有矿井防灭火技术及其持点 煤层自燃必须同时具备四个条件： ( 1 ) 煤层破碎堆积状态存在： ( 2 ) 适量通风供氧； ( 3 ) 良好的蓄热环境； ( 4 ) 维持煤的氧化过程不断发展的时间。 煤层自燃的预防就是要消除煤层自燃四个条件中的一个或多个条件，下表1 1 列 出了为消除煤炭自燃四个条件所采用的方法。 表1 - 1 矿井火灾防治方法 煤层自燃预防是一项复杂的系统工程， 法、合理的矿井、采区和工作面通风系统， 完善的的管理制度。 它不仅要求矿井有合理的开拓系统和开采方 可靠的专项防治措施及其设备，还必须具有 在煤矿井下，扑灭煤层火灾主要应该从两个方面着手： ( 1 ) 隔离煤氧接触，当煤体隔绝氧气后，煤不再氧化放热，自燃火灾被窒熄，高温煤 体热量向周围温度较低的围岩发散，煤温逐渐下降； ( 2 ) 降低煤温，通常情况下，煤氧复合速度随煤温升高增加很快，随着煤温下降，煤 1 绪论 氧化放热强度也不断降低。 因此，煤层火灾防治技术必须能够做到： ( i ) 隔绝煤氧接触； ( 2 ) 降低煤温； ( 3 ) 既能隔绝煤氧接触又能降低煤温。此外，向煤体表面洒一些惰化煤表面反应活性 基团的物质，也能防止煤自燃的发生。 目前煤矿井下常用的防灭火技术主要有：堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、阻 化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、用水灭火、灌浆、胶体防灭火技术等，这些技术按其 主要作用和功能可归纳为以下几类： ( 1 ) 控制漏风技术 主要目的是：减少或杜绝松散煤体氧气的供给。技术手段有：水泥喷浆；泡沫喷涂； 纳米改性弹性体材料涂抹；均压。 水泥喷浆工作量大，回弹多，抗动压性差，堵漏效果不十分理想：泡沫堵漏性能好， 抗动压性好，但其成本较高，高温时分解，释放出有害气体；纳米改性弹性体材料具有 气密性好、伸长率大等性能，可刮、涂、抹在煤岩体、木材及闭墙漏风处，操作简单， 使用方便，可根据施工需要调整固化时间，固化后表面形成弹性体。 闭区均压可减少向封闭区域内漏风，开区均压则可降低采空区周边压差，减少向采 空区浮煤漏风，从而降低自燃危险程度，但对于已经或曾经发生过自燃的火区，仅依靠 均压达到完全杜绝漏风，防止自燃的目的是不现实的。 ( 2 ) 火区惰化技术 主要目的是：降低火区氧浓度，窒息火区。技术手段有：注入n 2 和c 0 2 等惰性气 体；惰气泡沫：三相泡沫。 惰气和泡沫可充满整个空间，既能迅速窒息明火，又能抑制煤层自燃高温火区的发 展，但对大热容的煤体降温效果不好，灭火周期长，火区易复燃，且对现场堵漏风工作 要求较高。 惰泡和三相泡沫能起到固氮、降温、减少漏风、降低采空区氧浓度、包裹煤体等作 用，但泡沫稳定时间短，在碎煤中压注，发泡性能差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用， 则成本太高，效率低，对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注惰泡量很大， 且易复燃。 ( 3 ) 煤体阻化技术 主要目的是：降低煤体的氧化活性，抑制煤氧结合。技术手段有：喷注c a c l 2 、m g c l 2 等一些吸水性很强的盐类；雾化阻化剂；惰化阻化剂。 当c a c l 2 、m g c l 2 的水溶液附着在煤体表面时，形成一层含水液膜，阻止煤氧接触， 同时能使煤体长期处于潮湿状态，从而抑制了煤的自热和自燃；阻化剂防火效果较好， 西安科技大学工程硕士学位论文 但当煤中水份蒸发，减小到一定程度时，阻化作用就会停止，转而变为催化作用，促进 煤的氧化与自燃。 惰化阻化剂在煤温超过一定温度时，开始吸热气化，产生惰性阻化气体，阻碍火区 的自由基链锁反应过程，高温分解后的剩余物在煤表面生成一层薄膜，冷却后成为脆性 覆盖物，使煤与空气隔绝；但该材料不易均匀地分散到煤体内，充分发挥其防灭火效能， 如用其水溶液注入煤体则易流失。 f 4 ) 吸热降温技术 主要目的是：降低高温煤体温度，彻底熄灭高温火区，防止火区复燃。技术手段有： 注水；灌浆；液氮：液态c 0 2 。 熄灭煤层火区的关键是降低煤温。水是最经济、来源最广泛吸热降温材料，其热容 量很大，1 升水转化成蒸汽时吸收2 2 5 6 7 k j 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、包围、隔离火源、窒息火源的作用；灌浆 防灭火技术在我国有自然发火危险的矿井中用得较普遍，泥浆能够吸热降温，对煤体还 有包裹作用，达到隔氧的目的，对于采空区的防灭火效果显著，已成为与井下内因火灾 斗争的主要措施之一。 井下自燃火源通常处于比较高的部位，用水或泥浆灭火时，不能滞留在发火部位， 易形成固定通道流动，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灰分带走，又露出新的煤体表面，水剧烈蒸发增加了煤的孑l 隙 率，使漏风通道更加畅通：水在6 0 0 。c 以上会分解成氢气和氧气，有水煤气爆炸危险， 给井下灭火队员构成极大威胁。 ( 5 ) 胶体防灭火技术【4 0 1 西安科技大学开发的凝胶、胶体泥浆、稠化胶体和复合胶体防灭火技术集堵漏、降 温、阻化、固结水等性能于一体，使易于流动的水溶液在指定时间和部位发生胶凝，包 裹高温煤体，充分发挥水的吸热降温作用，较好地解决了灌浆和注水的泄漏流失问题， 且在近1 0 0 0 的明火中不会迅速汽化，仅因水份缓慢蒸发而逐渐萎缩，灭火安全性好， 在井下湿度9 0 ，温度2 8 的环境下，1 3 个月后仍保持完好。 同时，在该技术的现场使用和推广过程中，研制开发出了井下移动式、管网式、地 面移动式和多功能灌浆注胶防灭火系统等多种应用工艺，可根据矿井实际条件进行灵活 地设计与使用。 胶体防灭火技术在煤层自燃火灾防治中的应用证明其具有灭火速度快、安全性好、 火区启封时间短、火区复燃性低等特点。 1 2 3 小结 综上所述，国内外对煤层自然发火预测及防治技术研究存在以下不足 6 l 绪论 ( 1 ) 未对松软煤层自燃特点及规律进行系统全面的研究； ( 2 ) 未能针对松软煤层综放面自燃危险区域早期判别及高温区域发展规律进行研 究，难以对松软煤层自然发火进行准确的预测。 ( 3 ) 未能建立适合南屯煤矿的粉煤灰胶体灭火系统及快速灭火应急技术。南屯九采 区松软煤层自然发火期短，一旦煤层有自然发火倾向，采用现有的防灭火技术很难快 速有效地进行处理，贻误灭火时机。 1 3 研究目标及主要内容 1 3 1 研究目标 课题紧紧围绕南屯煤矿九采松软煤层综放面自然发火的特点，分析松软煤层自然发 火的规律，确定煤层自燃危险区域，建立粉煤灰胶体防灭火系统，对煤层自燃火灾应急 快速防灭火技术进行研究，旨在对松软煤层自燃火灾预测及防治等关键技术进行研究， 确保南屯煤矿九采区松软煤层的安全开采。 1 3 2 技术路线及研究方法 本课题拟采用实验模拟、理论分析和现场工业性试验相结合的研究方法。本项目研 究的总体技术路线如下图1 - 1 ： 图1 - 1 研究技术路线图 西安科技大学工程硕士学位论文 2 南屯煤矿九采区煤自燃特性实验研究 实验利用西安科技大学与兖矿集团联合研制的特大型煤自然发火实验台( z r m 一1 5 型) ，模拟现场的实际浮煤堆积、蓄散热、漏风供氧等状况，以井下岩层温度( 1 5 - 3 0 。c ) 作为实验起始温度，用空气压缩机供入风量，模拟实际漏风条件：依靠松散煤体自身氧 化放热量，引起煤体升温；同时连续检测实验炉内各点煤样的温度、氧浓度及其它气体 的变化情况，测定煤的自燃倾向性、最短自然发火期，并测算出煤的放热强度、耗氧速 率、各种气体的产生率等特性参数。 2 1 实验装置 该实验装置模拟实际情况下的供氧和蓄热条件，跟踪测定煤自然升温过程中煤体的 温度、氧浓度和其它气体含量的变化。实验装置分为炉体、气体检测、温度检测和控制 系统四部分。 2 1 1 炉体结构 炉体呈圆柱形，内径2 8 0 c m ，装煤高度2 0 0 c m ，由保温层和跟踪外层煤温的控温水 层使炉内煤体处于良好的蓄热环境下，炉体顶、底部均有气流缓冲层，使气流由下向上 均匀通过实验煤体，空气经控温水层预热，使之与所创造的煤自燃环境温度相同，然后 从炉体底部送入。炉体外形如图2 - 1 ，。 图2 一l实验台炉体外形图图 图2 - 2 气体检测分析系统 2 1 2 气体检测系统 气样检测采用g c 。8 5 型自动气相色谱仪( 如图2 - 2 ) ，每天检测各取气测点的气体 变化情况，主要监测的参数有：0 2 、c o 、c 0 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、n 2 等八种气 体的浓度。系统通过气泵和束管自动地抽取炉内的气样，送至气相色谱仪分析气体成份 2 南屯煤矿九采区煤自燃特性实验研究 和浓度，并保存分析结果。 2 1 1 3 温度检测系统 采用数据采集系统巡回检测煤体内各测点温度值，动态显示实验台内温度变化情 况，并通过比较分析，每隔3 0 m i n 将数据存盘一次。温度检测界面如图2 - 3 。 图2 - 3 温度检测及分析软件界面 实验台内1 2 个检测层上的4 6 个温度测点以及控温水层内的2 个热电偶被分别接到 4 个热电偶监控模块上，4 个热电偶模块通过线路连接到工控机内的采集卡。监控软件 每隔一定的时间间隔采集一次温度数据( 包括煤温和水温) 。 2 1 4 监控系统 实验台监控系统随时监控实验台外层环境温度和供风量，采集并储存各个测点的温 度数据。监控软件的运行界面见图2 - 4 。 图2 - 4 监控软件运行界面 9 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1 2 南屯矿煤样自然发火过程实验模拟 采集兖卅i 矿区南屯矿九采区3 层煤1 5 吨，运送到南屯煤矿救护中队院内的煤自然 发火实验中心。将煤样破碎至粒度小于3 0 m m ，边破碎边装炉。启动温度控制及检测系 统，供入一定流量的空气，实验开始启动。由自动控温系统，跟踪炉内煤体的温度变化 情况，调节控温水层与外层煤体的温差不超过2 。c ，连续监测煤体内的温度和气体变化 情况。 2 2 1 实验条件 破碎煤样的粒度频度和实验条件分别见表2 2 和表2 3 表2 - 2 煤样筛分试验结果表 堡竺翌鳖竺鲎兰堡兰竺兰鲎! 笠鐾盏，! ! 竺竺篮兰签苎 南屯矿 2 72 0 01 3 7 9 0 1 2 31 4 51 1 20 2 30 6 1 03 1 2 2 2 实验过程与结果 从2 0 0 2 年1 0 月1 4 日开始送入空气到1 1 月2 0 日结束，煤温从3 0 9 。c 上升至4 7 7 5 ， 历时3 8 天。高温点煤温达到4 7 7 。c 后，停止供气，煤温在3 0 分钟后降至4 0 0 。c ，再对 其供风温度又迅速上升。停止供风和加热后，煤温不断下降，2 天后，高温点降至2 5 0 。c ， 煤温低于1 0 0 后，降温速度明显减慢。 煤自然升温过程中，炉内混煤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。实验炉内煤温的分布及其变化规律见表2 - 4 ，图2 5 。 o 2 南屯煤矿九采区煤自燃特性实验研究 曲体正割磊灌童蔷努辔 a 时间：2 0 0 2 1 0 1 4 2 1 ：5 8 偏差：2 c 妇滓丘副萄僧惠荨努国 妒湛丑：引而湿虚蔷努匝 b 时间：2 0 0 2 1 0 2 7 1 1 ：2 1 偏差：2 妒淳丑斜面盘虚荨，势国 c 时间：2 0 0 2 1 1 - 1 1 - 1 1 ：2 1 偏差：3 c d 时间：2 0 0 2 一】1 - 1 5 - 1 5 ：2 1 偏差：4 c 如湛盘射击灌痘每，努固 妇湛盈利蕃灌虚每| 势窜 e 时间：2 0 0 2 1 1 - 1 8 - 0 3 ：2 0 偏差：一8 f 时间：2 0 0 2 1 l - 1 9 - 2 i ：2 1 偏差：l o t 图2 5 煤温分布及其变化规律图 西安科技大学工程硕士学位论文 表2 - 4 最高温度的位置及升温速度 位置t o t i t 2 a ta t t ，t风量 序弓q t h ( m )r ( m ) ( )( ) 一 ( )( )( h )( 6 c h )( m 3 h ) l1 403 1 11 4 0 8 ：2 03 0 91 4 2 2 ：0 03 1 3 0 4 1 3 50 0 3 00 6 2i 403 2 11 5 i i ：3 03 i 61 6 j l ：3 03 2 6j 02 4 00 0 4 20 6 3 1 0 o3 8 o1 8 11 ：2 03 7 61 9 1 0 ：2 03 840 82 3 00 0 3 so 6 41 0o4 0 51 9 1 0 ：2 03 8 82 1 1 0 ：5 04 2 23 44 0 50 0 8 40 6 5o 6 04 5 72 2 1 2 ：2 04 4 12 3 1 3 ：2 04 7 33 22 5 oo 1 2 81 5 6o 6 05 0 52 4 1 1 ：0 04 9 22 5 1 4 ：3 05 1 72 52 7 50 0 9 l 1 5 7o 6o5 5 72 6 一1 0 ：3 05 3 42 8 1 1 ：3 05 8 o4 64 9 00 0 9 42 6 80 606 0 32 8 2 3 ：5 05 922 9 2 1 ：5 06 1 4 2 2 2 2 00 1 0 02 6 90 606 4 93 0 2 2 ：2 06 4 03 1 一1 4 ：2 06 5 8i 81 6 00 1 1 32 6 1 00 6o6 9 71 1 2 ：2 06 8 12 1 5 ：2 07 123 12 7 o0 1 1 52 6 1 10 607 6 o3 一1 0 ：3 07 3 15 2 2 ：0 07 8 95 85 9 ，50 0 9 73 6 1 20 608 5 19 1 5 ：5 08 4 5l o 1 5 ：2 08 5 71 22 3 50 0 5 13 6 1 3o 2o9 0l1 2 0 4 ：2 08 9 01 2 2 2 ：5 09 i 12 11 8 5o1 1 43 6 1 4o 2o9 5 o13 2 2 ：5 09 4 11 4 1 2 ：2 09 5 91 81 3 501 3 33 6 1 5o 209 9 51 4 2 2 ：5 09 7 41 6 o l ：2 01 0 1 64 22 5 50 1 6 53 6 1 6o 41 21 1 5 71 6 1 6 ：5 01 0 5 91 8 0 3 ：2 01 2 5 51 9 6 3 4 5o 5 6 8 3 6 1 7o 41 21 2 8 51 8 0 3 ：2 0 1 2 5 51 8 1 0 ：2 01 3 1 45 97 00 8 4 33 6 1 8o 21 21 3 2 718 1 0 ：2 01 2 5 91 8 2 3 ：2 0 1 3 9 4 1 3 5 1 3 o1 0 3 8 4 6 1 9o 21 ，21 4 7 6 1 8 2 3 ：2 0 13 9 41 9 0 8 ：2 01 5 5 71 6 3901 8 1 146 2 0 o 21 21 7 9 4 19 0 8 ：2 01 5 5 7 1 9 2 1 ：2 0 2 0 3 14 7 ；41 3 036 4 64 6 2 l01 22 2 5 0 1 9 2 1 ：2 01 6 2 52 0 0 2 ：2 02 8 7 4 1 2 49 5 o2 4 9 8 0 46 2 2o1 23 1 9 42 0 0 2 ：2 02 8 7 42 0 一0 8 ：2 03 5 1 46 4 0601 0 6 6 74 6 2 3 o 1 24 1 4 52 0 0 8 ：2 03 5 1 42 0 一i j ：2 04 7 7 51 2 6 】3 04 2 0 3 3】0 o 注：表中位置指最高温度点t 2 所处的位置：t o = ( t 广t i ) ，2 2 2 南屯煤矿九采区煤自燃特性实验研究 一1 8 。 8 一 薹，一。 ，2 0 ，。 8 。 6 。 4 。 2 。 。 024681 01 21 4 1 6 1 82 02 22 42 62 83 0 3 2 3 43 63 8 供风时间( d ) 4 4 耄4 0 已3 6 簧a z 望2 8 h2 4 2 0 1 6 12 8 4 图2 - 6 最高煤温与供风时间的关系 2 03 04 05 06 07 0b 09 01 0 01 1