（安全技术及工程专业论文）易自燃煤层无煤柱开采自燃规律及防治技术研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nl a w sa n dp r e v e n t i n gt e c h n o l o g yi ne a s ys e l f - i g n i t i o n c o a ls e a me x p l o i t i n g w i t h o u tc o a lp i l l a r s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：l i u c a n i n s t r u c t o r ：匝盈 z h a n gx i n h a i ( s i g n a t u r e )刨“0 撕 。s ；印佃旧垄鹭堑生 a b s t r a c t t h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni so n eo ft h em a j o rc a l a m i t i e s ，w h i c hs e r i o u s l yi n f l u e n c e s s a f e t yp r o d u c t i o no fc o a lm i n e t h e r ei si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rm a s t e r i n gt h el a w so fc o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n w 1 1 i c hi st h eb a s eo f p r e v e n t i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h e yd i s c o u r s es i m u l a t e dc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nb y t h ee x p e r i m e n ts t a t i o n o fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n q u a n t i f i c a t i o n a lc a l c u l a t e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw h i c h r e f l e c tt h ed e g r e eo fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，s u c ha so x y g e nc o n s u m p t i o n & h e a t c o n d u c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc o a lb u r n i n gp e r i o d s e c o n d ，t h ed i s c o u r s es t u d i e so nl a wo fc o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni ng o b i tm a r k e do f f t h ed i s t r i b u t i o nc h a r to fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n & c o a lp l y & a i rl e a ki n t e n s i t yb yl o c a l eo b s e r v a t i o na n da c a d e m i cc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt h e c a l c u l a t e du l t i m a t ep a r a m e t e r i ta l s om a r k e do f ft h ed a n g e rz e r oo fc o a ls p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ni ng o b ；t h ed i s c o u r s es t u d i e so nl a wo fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni no t h e r s z o n e s u c ha sa r o u n dl a n e w a y & a r o u n dg e o l o g i cc o n f o r m a t i o n ；t h ed i s c o u r s es t u d i e so n s i g n a lg a s e sa l s ot h a tc a nv e r i f i e st h ei f e c t so f p r e v e n t i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h ec a s eo ft h eh e b id i g g i n g s ，t h ed i s c o u r s ep u t sf o r w a r d 暑r e v e n t i n g t e c h n o l o g yi ni o ba n da r o u n dl a n e w a yb ym a s t e r i n gt h el a w sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o a l 昂o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，a p p l y i n gt h ep r e v e n t i n gt e c h n o l o g y ，w es u c c e s s f u l l yt a c k l es e v e r a l a c c i d e n t so fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n i ti sm o r ee f f e c t i v et oi n s t m c tt h ep r a c t i c eo f a n t i f i r ea n df i r e e x t i n g u i s h i n gi nm i n i n gc o a lb yt h i sw a y k e yw o r d ：l a w s o f c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n g o b l a n e w a y d a n g e r o u sr e g i o n g e l p r e v e n t i n gt e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大擎 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：翻彤冬日期：d 名1 - - 、0 - - o 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：函鸽指导教师签名：栅幺 龇年易月d 日 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产 和消费总量的8 5 1 以上，但我国煤炭自燃火灾十分严重。据统计，我国煤矿自燃火灾 约占矿井火灾的7 0 ，一些自然发火严重的矿区，如兖州、抚顺、鹤岗、窑街、义马、 淮南、六枝、鹤壁等矿区，其自然发火占矿井火灾次数的9 0 以上。 煤矿每年由于自燃造成的直接和问接经济损失近百亿元，煤层白燃火灾已成为影响 煤炭安全生产的主要灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产，阻碍高产高效煤炭开采技 术的发展h 。 鹤壁矿区煤层为易自燃煤层，近年来，鹤壁矿区为实现矿井高产高效，在各个矿井 推行无煤柱综采放顶煤技术，煤炭的产量和效益大幅度提高，但无煤柱综采放项煤技术 带来巨大效益的同时，也给矿井防灭火带来新问题： ( 1 ) 顺槽沿底板一次掘出，服务时间长，沿空顺槽多次受到采动影响，顺槽顶煤 较破碎、易于离层、压裂冒落，小煤柱易压裂破碎，造成漏风或相邻采空区瓦斯涌出； ( 2 ) 工作面两道顶煤放出率低，沿空侧相邻采空区大量浮煤有受相邻区段开采的 影响，已经氧化升温，煤体己进入自燃替伏期，使得综放无煤柱开采巷道相邻采空区自 燃火灾增多，且在掘进期间，掘进和防火工程之间相互干扰，使得掘进期间自然发火危 险性增大； ( 3 ) 由于巷道顶煤的冒落的煤柱压酥破坏，使得巷道和相邻采空成为综放无煤柱 开采的主要自然发火区域； ( 4 ) 由于顺槽与相邻采空区连成一片，漏风规律复杂多变，一旦形成高温区，治 理将极为困难；甚至有可能发生瓦斯燃烧和爆炸灾害。 综合分析近几年综放无煤柱开采自燃火灾防治的实践经验得知：煤体自燃火源比较 隐蔽，初期难以发现，大范围的采空区往往能见冒烟，而不知高温区位置，初期发现高 温和冒烟地点后，若在4 至5 个小时内不能有效控制，就会形成大火。在发现高温点时， 用水控制火势，迅速产生大量水蒸汽，反而会促进煤层自燃火势发展，恶化工作环境， 并有产生水煤汽爆炸的危险；发生自燃时，煤岩层储存了大量热能。煤体导热性差，煤 中储存的热能难以发散，煤温不易下降，火区治理极为困难。所以研究鹤壁矿区无煤柱 综放开采矿井煤层自燃规律及其相应的防治技术具有重要意思。 因此，本论文在煤炭自然发火起因和机理的基础上，结合鹤壁矿区的实际情况，对 鹤壁矿区易自燃无煤柱开采矿井煤层自燃规律进行了研究，有针对性的提出了鹤壁矿区 西安科技大学硕士学位论文 煤层自燃火灾胶体防治技术措施，并成功的处理了易自燃无煤柱开采矿井不同危险区域 的多处煤层自燃火灾。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 煤层自燃规律研究现状 ( 1 ) 煤白燃学说 煤自燃问题自十七世纪即开始研究探索，根据研究探索的结果，到目前为止，提出 了多种煤炭自燃学说，主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说以及煤氧 复合学说等【3 j 。 煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞同，进入二十世纪九十年代，国内外学者又 提出了一些更具体的学说： 自由基作用学说 该学说是李增华于1 9 9 6 年提出【4 】，他认为煤作为一种有机岩石，是一种以碳氢为主 要成分的有机大分子物质，必然与橡胶、塑料一样具有相似的自氧化机理。在外力( 如 地应力、采煤机的切割等) 作用下煤体被破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子链的断 裂。分子链断裂本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基，自由基可存在于煤 粒表面，也可存在于煤体内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造了条件，当有氧气存在 时，发生氧化反应生成过氧化物，自由基同时放出热量使得煤温缓慢上升，并使过氧化 物自由基进一步反应放出大量c o 、c o z 等气体，生成新的自由基继续与氧反应产生更 多的热使煤温进一步升高。如此反复，在合适的蓄热条件下使得煤温大幅度升高，从而 导致燃烧。运用自由基反应机理李增华对部分煤自燃现象作出了一些合理的解释，如采 煤机割煤时工作面c o 浓度增加以及压裂的煤柱易自然发火等。 m a r t i n 【5 j ( 1 9 8 9 ) 用s i m s ( 次级离子质谱) 和x p s 研究了在低温氧化过程中煤表 面的氧分布，也支持了自由基链反应机理。 电化学作用学说 该学说是pxmm 等于1 9 8 6 年提出【6 j ，认为煤中含有铁的变价离子，组成氧化还 原系f e 2 + 用c 3 + ，氧化还原系f e 2 + f e 3 十在煤的氧化反应中起催化作用，在煤中引起电化学 反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化过程，引发自燃。 氢原子作用学说 该学说是l o p e z d 等于1 9 9 8 年提出【7 】，认为煤在低温氧化过程中，由于煤中氢原子 在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤的自燃。 基团作用理论 该理论是w a n gh h 等于1 9 9 9 年提出【8 】，利用孑l 模型模拟了煤中孔隙的树状结构， l 绪论 提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基团与氧气能充分作用，从 而导致煤的自燃。 煤氧复合学说存在的问题是：煤氧复合最初的导因是什么，煤氧复合过程如何，各 种临界参数如何测定，低温阶段热效应如何测定，如何确定煤最短自然发火期，氧如何 在煤中运输，其动力何在，过程如何。 以徐精彩教授为代表的西安科技大学矿山应用技术研究所课题组，从微观机理上分 析了煤氧复合过程，并推导出煤自燃的外部影响因素；提出了煤表面分子活性，认为这 些活性基团最易与氧发生作用，而且它们与氧作用的难易程度也不一样；提出煤氧复合 过程的三步学说，认为煤氧复合过程主要包括三部分煤表面分子对氧的物理吸附； 煤表面分子的活性基团对氧的化学吸附：在产生化学吸附的部分活性集团中发生化学 反应。定量的推算出煤氧复合的第三步即化学反应的三步过程的热效应；提出表征煤自 燃程度的特性参数，并给出了这些特性参数的计算模型和测算方法。 本论文主要是在徐精彩教授的煤氧复合学说的基础上来研究煤层自燃规律的。 ( 2 ) 煤的自燃危险性预测及判定的研究进展 煤层白燃危险性预测及判定技术主要有自燃倾向性实验测试法、综合评判法、统计 类比法三种。 自燃倾向性实验测试法 自燃倾向性实验测试法主要是根据测试煤的自燃倾向性，划分煤层自然发火等级， 以此区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。 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( r 7 1 0p j ieahc kah ) 维谢洛夫斯基( b c becej ioackhn ) 着火温度降低值法( 苏) 、马 切雅什法( z m a c i e j a s ) ( 即双氧水法) ( 波) 等f 9 】、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【l “j ) 。 这类煤自燃倾向性测试方法均采用几克煤样进行实验，与煤自燃的实际条件相差甚 远，且仅考察煤与氧的作用速度和作用量，而没有考察其作用的效果( 如热效应) ，及 其随煤温变化的动态趋势，因而不能全面地反映出煤的内在自燃性。 另一类煤自燃性测试方法以煤的放热性为基础，先后建立了更接近煤自燃实际条件 的小型、中型和大型煤自燃性实验测试装置。 1 ) d x 型( 1 0 0 2 0 0 9 煤样) 实验装置 d r h u m p l h r e y s 1 2 1 3 1 等1 9 7 9 年首次采用绝热白热法( 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 ( 4 0 7 0 问的平均升温速率，h ) 测试煤的自燃倾向性；随后，s m i t h a c 等( 1 9 8 8 ) 1 4 】利用绝热炉( 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，评估煤炭 自燃倾向性；f e n g k k ( 1 9 8 5 ) 1 1 5 、s c b a n e r j e e ( 1 9 8 5 ) 【1 6 1 、j c j o n e s ( 1 9 9 9 ) u 7 1 和w i w i k 西安科技大学硕士学位论文 s u j a n y i ( 1 9 9 9 ) 1 1 8 】等采用静态恒温法( 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 m 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 ) ， 并根据f r a n k k a m e n e t s k i i 理论【l ，测算煤的活化能e 和指前因子a ，另外f e n gk k 和 s c b a n e q e e 等还采用可燃性法( i g n i t a b i l i t y ) 测定煤的耗氧速率和放热率；j m k u e h t a 等 ( 1 9 8 0 ) 【2 0 】采用动态法( d y n a m i c ) 研究煤体在动态通入干空气的条件下的自燃特性； g o u w sm j 等( 1 9 9 1 ) 2 1 1 采用非恒温动态法( n o n i s o t h e r m a ld y n a m i cm e t h o d ) 测试煤的白燃 临界温度和c o 产生率，预测煤的自燃倾向性；b r o o k sk e v i n 等( 1 9 8 8 ) 【2 2 采用由计算机 自动控制的绝热量热法( a d i a b a t i cc a l o r i m e t e r ) 预测煤的自燃倾向性；c l e m e n s 等( 1 9 9 0 ， 1 9 9 1 ) 1 2 3 1 采用恒温d t a ( d i f f e r e n t i at h e r m a la n a l y s i s ) 和程序升温d r i f t s ( 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；英国i m c o 和 i s o 目前广泛采用将煤放入边长1 0 c m 的方形网状容器中，并在煤体中心布置热电偶， 然后悬挂于通有循环空气的1 4 0 。c 的恒温箱中，2 4 h 后考察煤体是否自燃，以此确定煤 体的自燃倾向性【2 4 i 。但这些小规模实验方法，煤的起始温度都在6 0 7 0 。c 以上，且主要 是采用少量煤样，一般在绝热或等温条件下实验，与实际煤自燃条件相差太远，测试结 果主要用于划分煤的自燃等级。 2 1 中型( 4 0 - 1 0 0 0 k g 煤样) 和大型( i t 煤样) 实验装置 1 9 8 0 年s t o t t , j b 【2 5 j 在美国矿业局建立了长5 m ，直径o 6 m 的垂直实验台；1 9 9 1 年 在s m t t ，j b 的指导下x d c h e n g 2 “”】等在新西兰设计建造了长2 m 、直径o 3 m 、装煤量 1 1 0 k g 的一维自燃实验装置；1 9 9 5 年a r e i f a 等【2 8 j 根据x d c h e n g 的实验装置，在澳大 利亚昆士兰大学建立了长2 m 、直径0 2 m ，装煤量6 0 k g 的煤自燃实验台。1 9 9 1 年s m i t h a c ，m i r o ny 和l a z z a r a 【2 9 3 0 】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 口l 】在澳大利亚昆士兰采矿安全测试与研究中心( s i m t a r s ) 建 立了装煤量1 6 t 实验台；1 9 8 8 年1 9 9 6 年徐精彩等1 3 2 3 3 】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 ) 1 3 4 】构造了可以装9 0 蚝碎煤的实验装置，此装置装煤量少，人为调节温度、湿度变化， 不能很好地模拟现场的实际条件；淮南工业学院的张国枢等人( 1 9 9 9 ) 【3 5 】也设计研制了 实验室内模拟煤炭自燃的试验装置及其参数测定系统，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，测试煤的自燃 性。 中型和大型实验装置，基本能模拟煤自燃实际条件，但实验条件单一，不能完全适 应煤矿井下复杂多变的条件，实验工作量大，周期长，影晌和干扰因素多。 综合评判预测法 陈立文( 1 9 9 2 ) 【3 6 】、许波云( 1 9 9 0 ) 3 7 和郭嗣琮( 1 9 9 5 ) 3 8 】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 1 绪论 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。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。 尤其是波兰己取得进展，它把复杂的外界因素归纳为地质条件、丌采条件、通风条件等 七个方面因素s ，再和煤自燃倾向性指标s 才( 带灰份指标) 相加，即得矿井自然发火危险 程度指标： 7 p s = s z 6 + s ， ( 1 - 1 ) i = 1 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，然后计算出实际条件下总的火灾频 率，来预测煤层自然发火危险程度。近年来，王省身、蒋军成( 1 9 9 7 ) 3 9 】、王德明、王 俊( 1 9 9 9 ) 4 0 1 、赵向军、李文平( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 4 1 “2 】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丌拓 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 ) 【4 3 】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 ) 【4 4 】 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。这些方法都是利用大量的统计资料，分析煤自燃主要因 素的影响程度，粗略预测煤层自然发火危险程度，而对发火期以及可能发火的区域则无 法进行预测，所以这些方法只能定性不能定量。 统计类比预测法 统计类比预测法【4 5 是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上，分析预测实际开 采条件下煤层的自燃危险性。根据开采煤层自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发生 在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近，采空区自燃火灾多发生在两道和两线。 随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相 邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结 论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情况 和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。 ( 3 ) 煤自燃危险区域判定理论 虽然煤自燃危险性的预测方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但只能定 性预测煤自然发火的危险程度，而无法定量确定可能发火的区域。 为了在潜在危险地区进一步确定出可能的发火区域，乌克兰的全苏矿山救护研究所 在1 9 9 1 年确定出了临界厚度计算方法【4 6 j ： 西安科技大学硕士学位论文 = 、( 一k ) 扣( 5 1 0 k ，如)( 1 2 ) 式中，t 舾为煤自燃的临界温度，k ；t 础为围岩温度，k ；妒为在空气干燥的状态下 煤的湿度，；局为原煤样氧吸附速度常数，m 3 k g rp 。为煤的平均密度，k g m 3 。 s u j a n t i ，w i w i k 等人h 7 】根据实验室的实验结果，也提出了估算煤自燃的临界厚度的 方法，当煤炭聚集的实际厚度大于或等于临界厚度时，就有煤炭自燃的可能。英国诺丁 汗大学开发了与井下数据监测系统相连的实时数据获取和控制系统【4 8 1 ，称为煤矿火灾实 时智能专家监测系统，由智能专家系统监督和监视数据获取并对数据进行处理，专家系 统能根据获取的数据更全面的进行危险性预测，并可对特定区域的危险性进行评价，有 效的指导现场的防灭火工作。 对煤层自燃区域的判定问题，国内学者也做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯轩教授 4 9 】、章楚涛5 0 l 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， 根据f i c k 定律和质量守恒定律，建立了采空区火源点位置判断数学模型： 兰d f 娄一兰( c ) + ，。= 0 o x ic x u x c ( x ，y ) i l = c o ( x ，y )( 1 3 ) 胄， ( c v , 一d v 妄兰) nl l 2 = g 式中，c 为待求采空区c o 浓度分布函数； 为边界幻上的c o 通量、厶。为火源c o 涌出量 巧分别为渗流速度在正y 轴方向的分量。 o 为边界三上的已知c o 浓度函数；g d 口为与坐标方向有关的扩散系数；以， 根据模型，对实际火源位置用计算机进行模拟，能达到与实际较接近的结果。 近几年，根据火区产生的能量或放射性气体异常【5 ”，对煤层自燃危险区域进行判定 方法得到了快速发展。如根据放射性核素在衰变时放出的氡气含量和变化规律，判定火 区的测氡判定理论，和根据巷道表面上温度和热流密度存在差异，采用红外探测技术得 到一系列沿巷道横向和纵向的红外辐射强度分布，通过反演算法判断由煤炭自燃引起的 异常区域，从而确定煤炭自燃的位置和温度的煤炭自燃的红外探测反演理论。但这些方 法对已形成高温或大火的区域进行大范围的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要 求。且由于受各种其它地质因素的干扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的 自燃危险区域无法判定。另外，利用红外遥感蟑2 j 和地质雷达【5 副探测井下煤体自燃区域的 方法也正在发展之中。 在危险区域划分方面，国内外学者提出了氧浓度划分法、漏风风速划分法、升温率 划分法。氧浓度划分法认为，采空区氧浓度在1 0 1 8 范围内的区域为氧化升温区域。 漏风风速划分法认为漏风风速在o 1 0 2 4 m m i n 范围内的区域为氧化升温区。升温率划 1 绪论 分法认为采空区内升温率k 1 d 的区域为氧化升温区。这三种方法都是独立考虑氧 化条件、蓄热条件的影响，而没有考虑他们的共同影响及他i f l j n 互关系。另外这三种方 法没有考虑各个矿区的不同的实际情况，而给出同一划分标准，因此他们的划分结果与 实际情况有较大误差。近年来徐精彩教授提出了危险区域判定理论，该理论以煤自燃的 内在氧化放热性和外部蓄热条件来划分危险区域的，提出了“三带”划分的极限值法。 用该理论判定的白燃危险区域与实际情况较相符，具有很高的精度。但该理论也有不足 的地方，如它认为采空区两道及采空区中部的浮煤厚度都相等，而实际采空区的浮煤是 极其不均匀的。在实验模拟煤自燃过程，测算自然发火期时也未充分考虑氧浓度不同的 影响。 ( 4 ) 煤层自燃指标气体 煤层发火过程中，将产生一系列反映煤氧化和燃烧程度的指标气体，如c o 、c 0 2 、 c 2 h 6 、c 2 h 4 、c s h 8 、c 2 h 2 等，随着煤温的升高，其产生量将发生显著变化，因此，可 以利用指标气体产生量的变化，来进行煤层火灾的早期预报。 用气体分析法预测预报煤层火灾，指标气体的选择和检测技术是至关重要的。目前 国内外普遍采用c o 作为煤层火灾预报的主要指标气体，这首先是因为煤在低温氧化过 程中，c o 的生成量与煤温之间有十分密切的关系，随着煤温的升高，c o 浓度的变化量 最明显，所以，采用c o 作为指标气体比较灵敏；其次是因为煤层中一般不含有c o ， 井下爆破工作中所产生的c o 能很快被风流所稀释和排除；再次是c o 检测比较容易、 方便。可以肯定地说，只要井下空气中出现c o ，并且持续增加，井下存在自燃现象( 或 高温点) 就确定无疑了。 但是，由于c o 的涌出温度范围宽，从煤的低温氧化阶段直至着火燃烧阶段都能产 生c o 。因此，何时发出预报才能做到准确、适时，就成为很大的难题。 为了解决c o 定量临界值难以确定的问题，通过研究国内外学者又提出了以烷烯烃 类气体作为预报的指标气体。煤样加温实验表明，烷烯烃类气体涌出温度范围相对较窄， 它与煤温的关系较明确。在实验条件下，只有当煤温大于7 0 8 0 时才出现乙烷，超过 1 1 0 1 3 0 时才出现乙烯。利用这种特殊的规律，可以根据烷烯烃的出现与否来反推煤 炭的温度范围。 随着煤温升高，甲烷、乙烷、丙烷的浓度随煤温升高而增大，它们和甲烷( 或乙烷) 浓度的比值称为链烷比，用链烷比作为预报煤炭自燃的指标气体最显著的特点就是，它 与煤的氧化关系较小，主要随煤体温度的高低而变化，而且受风流的稀释影响较小，因 此链烷比这个指标比较灵敏，有一定的使用价值。 1 2 1 2 矿井防灭火技术现状 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 西安科技大学硕士学位论文 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睁“”j ： ( 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的漏风，开区均压则可降低采空区周边的压差，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，在低温氧化时温度不易升高，从而抑制了煤的自热和 自燃。阻化剂防火效果较好，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，丌始吸热气化，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。 ( 4 ) 吸热降温技术 1 绪论 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。 但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， 易形成固定的通道流动，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的灰分带走，又露出新的煤体表面，水的剧烈蒸发增加了煤 的孔隙率，使漏风通道更加畅通：水在6 0 0 以上会分解成氢气和氧气，有水煤气爆炸 的危险，给井下灭火人员构成极大威胁。 ( 5 ) 胶体防灭火技术 胶体防灭火技术是近年来发展起来的新型防灭火技术。胶体材料在设定时间和范围 内发生胶凝作用，该技术集堵漏、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 。c 的环境下，半年至一 年后仍保持完好。该技术能有效地钝化煤表面活性基团，隔绝氧气，吸热降温，终止氧 化，并能降低水煤气爆炸伤人危险。该技术具有灭火速度快、安全性好、火区启封时间 短、复燃性低等特点。目前的胶体灭火材料主要有硅酸凝胶、稠化胶体和复合胶体、粉 煤狄固化材料三类。该技术对于巷道或工作面顶部、高处火灾防治效果很好。目前已有 多种胶体体防灭火技术得到了应用，取得了较好的效果。 1 3 研究内容 本论文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过煤自然发火实验测算出表征煤自燃倾向性的特性参数：放热强度、耗氧 速度、临界温度、自然发火期等； ( 2 ) 利用煤自燃危险区域判定理论研究了综放工作面采空区，综放面巷道周边煤 体，地质构造带附近等地点的自燃危险区域的煤层白燃规律； ( 3 ) 针对鹤壁矿区的实际情况提出了综放采空区两道、开切眼、停采线、综放面 相邻采空区、综放面巷道周边煤体等自燃危险区域的胶体防治技术； ( 4 ) 应用提出的自燃火灾防治技术成功的处理了综放采空区两道、开切眼、停采 西安科技大学硕士学位论文 线、综放面相邻采空区、综放面巷道周边煤体等自燃危险区域多起自燃火灾事故。 1 4 研究方法和技术路线 本研究采用理论、实验与现场实践相结合的研究方法。 技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线示意图 2 煤自燃特性参数实验研究 2 煤自燃特性参数实验研究 煤自燃过程的关键在于低温阶段，煤在常温下暴露于空气，与空气中的氧缓慢地发 生作用放出热量，使煤体升温。为了研究煤自燃机理，考察煤的氧化放热性，定量的测 定和定性分析煤自燃特性参数，我们根据煤自然发火实验台进行实验模拟。该实验台模 拟现场的蓄散热条件，漏风强度，风流温度和湿度以及相类似的煤体粒度等因素，依靠 煤自身的氧化放热来达到自燃。通过实验，可以测试出鹤壁矿区煤样在近似现场条件下 的升温速度、耗氧速率、c o 、c 0 2 产生率、放热强度、特征温度、自然发火期等特性参 数，以此为基础预测和判定现场煤自燃情况，为煤矿安全生产和防灭火提供依据。 2 1 实验装置 “x k - i i i 型”煤低温自然发火实验台由炉体、气路及控制检测系统三部分组成，其 实验原理如图2 1 所示。 炉体呈圆形，最大装 煤高度1 7 5 c m ，。内径 1 2 0 c m ，总装煤量约 1 5 7 5 k g ；顶、底部分别留 有1 0 2 0 c m 自由空问，以 保证进、出气均匀，顶盖 上留有排气口；炉壁由绝 热层和可控温夹水层组 成，该水层中装电热管及 进气预热紫铜管，在炉中 心轴处同时设有取气管。 炉内布置了若干热敏电阻 探头，各测点布置如表 2 1 。 气体由w m 一6 型无油 空气压缩机提供，通过三 通流量控制阀、浮子流量 计进入湿度控制箱，流经水层中紫铜管预热，由炉体底部通过碎煤，从顶盖出口排出。 在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。 实验炉内温度巡检、环境温度控制和湿度控制均由工业控制机自动完成。 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 实验台各测点布置表 z ( 潜c m 之百 、啬_ 未广熹备注) 、测点号测点号测点号测点号 一 2 2 实验原理 煤自然发火是由于煤与氧接触时发生化学吸附和化学反应放出热量，当放出热量大 于散发的热量时，煤温上升而导致发火。煤低温自然发火实验就是该过程的模拟，即在 实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量以及 其它气体的变化规律。该装置模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度，以井下温度 ( 1 5 3 0 ) 作为实验起始温度，利用煤氧化放热引起自然升温，连续检测实验炉内各 点煤样的温度、气体变化情况，以研究煤的低温氧化放热特性，定量测定煤自燃特性参 数，预测煤的自燃倾向性。 2 3 实验条件 表2 3 鹤壁某矿煤样粒度筛分结果表 粒度频度( ) 9 7 8 1 1 0 8 8 2 6 1 4 6 8 1 8 3 8 0 9 r a m3 7 8l 注：表中“+ ”表示未通过该筛，“一”表示通过了该筛 表2 4 实验条件 ；意勰 2 煤自燃特性参数实验研究 2 4 实验结果分析 2 4 1 升温速度 咐= 等 ( 2 1 ) 随着煤温的升高，煤自然升温速度逐渐升高，不同煤温时的升温速度与煤温关系见 图2 2 ，其回归曲线方程如下： 0 2 7 9 4 x 。( t + 2 7 3 ) v ( t 、= 0 0 1 9 8 1 0 6 e “ ( 2 2 ) 式中，v ( t ) 是升温速度，单位为 c s ；t 是温度，。 从图2 2 可以看出，在煤温为6 0 7 0 。c 时，煤样升温速度迅速提高，所以其临界温 度为6 0 7 0 c 。煤温超过11 0 1 2 0 。c ( 干裂温度) 后，升温速度随煤温升高急剧增加。 1 6 1 2 o 8 o 4 o o 划曲线彰 3 夕 夕捌舍i 1 姥 # # ；一 2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 煤温( ) 图2 2 升温速度与煤温关系 图2 3 显示煤氧化升温过程中，实验炉中心轴不同高度处煤温的变化规律。从图上 可以看出，氧化初期，中心轴的中部( 距离炉坐标原点7 5 m 处) 煤温最高，煤温升高较 快；随着煤氧化时间加长，高温点向原点移动( 即向进风侧移动) ，说明煤自然升温过 程中，高温点有向进风侧移动的趋势。 2 4 2 氧化放热强度 根据传热学和热力学理论及实验测试数据，可以近似求解煤堆自燃过程中各温度范 围的氧化发热量。因实验风速很小，可近似认为通过混煤风流温度与煤温相同，且在炉 pu世蜊赠末 西安科技大学硕士学位论文 内仅朝一个方向流动。只考虑煤的氧化放热、传导散热和风流对流散热，忽略其它形式 温1 8 0 度1 6 0 ，、1 4 0 一1 2 0 i 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 乒7 4 天 然纛 _ 二二a 疾 3 5 舌、 一 i 天 o1 53 04 56 07 59 01 0 51 2 01 3 51 5 0 纵向高度 图2 - 3中心轴测点温度与高度关系 的热交换，则实验条件下，炉内中心轴处的热平衡方程式为5 6 】 ”c 。署= 巧p 。c 8 瓦o t 吐( 2d 矿z t + 窘( 丁) 即 柙) 诅t 等+ 万饥q - 瓦8 t 吐_ 2 窘+ 窘)以 。 zr 一z 一 式中，t 、t 一混煤温度和时间，s ： 互通过混煤的空气漏风强度，c m 3 ( s c m 2 ) 兄。碎煤的导热系数，j ( c m s 0 c ) ，可用下式计算 以= n 2 9 + ( 1 一胛) 丸 2 m = 1 2 x 1 0 _ 3 ( ，c m s 一_ ) ，以= 2 6 5 x 1 0 _ 4 ( ，c m - s - 1 ) ； n 一空隙率； v ，z 径向、纵向坐标，c m ； p 。，c 。，p 。，c 。分别表示碎煤与空气的密度、t r i g - ，g c m 3 ，j ( g ) c e = 胛c g + ( 1 一n ) c 。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) c 。= 1 5 3 ( ，g 一1 ) ，c g = 1 0 0 3 5 ( ，g 1 ) ，pg = 1 2 9 3x l o g c 小3 q ( t ) 温度t 时的单位时间和单位体积发热量( 即放热强度) ，j ( c m 3