火灾防治

第十章矿井火灾防治 本章的主要内容 掌握火灾的定义及分类 理解物质燃烧的充要必要条件 了解外因火灾的预防 掌握煤炭自燃条件及影响自然发火的因素 了解火灾预测及预报的方法 开采技术的防火措施 常用的防灭火措施 火灾时期通风与矿井火灾处理与控制 本章的难点与难点 1 煤炭自燃理论 2 煤炭自燃预测预报 3 防灭火技术4 均压防灭火 5 火灾时期风流控制 第一节概述一 火灾与矿井或煤田火灾的概念凡失去控制并对财产和人身造成损失的燃烧现象都为火灾 由公安部 劳动部 国家统计局制定颁布的 火灾统计管理规定 中定义 广义地说 凡是超出有效范围的燃烧称为火灾 火灾是工伤事故类别中的一类事故 在消防工作中有火灾和火警之分 两者都是超出有效范围的燃烧 当人员和财产损失较小时称为火警 在矿井或煤田范围内发生 威协安全生产 造成一定资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故 称之为矿井或煤田火灾 我国是一个矿井火灾灾害较严重的国家 据2000年全国425对国有煤矿的不完全资料统计 共发生火灾168次 其中内因火灾154次 外因火灾14次 封闭采区或工作面59个 影响煤量3080Mt 冻结煤量4217Mt 发火率为0 318次 Mt 二 矿井火灾的构成要素矿井火灾发生的原因虽是多种多样 但构成火灾的基本要素归纳起来有热源 可燃物 氧气三个方面 俗称火灾三要素 一 热源具有一定温度和足够热量的热源才能引起火灾 在矿井中 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成为引火源 二 可燃物在煤矿矿井中 煤本身就是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 三 空气燃烧就是剧烈的氧化现象 空气的供给是维持燃烧不可缺少的条件 实验证明 在氧浓度为3 的空气环境里 燃烧不能维持 以上介绍的火灾三要素必须是同时存在 相互配合 而且达到一定的数量 才能引起矿井火灾 三 矿井火灾的类型及其特性 按引火原因分类 内因 自燃 火灾 自燃物在一定的外部 适量的通风供氧 条件下 自身发生物理化学变化 产生并积聚热量 使其温度升高 达到自燃点而形成的火灾称之为内因火灾 在煤矿中自燃物主要是具有自燃倾向性的煤炭 在整个矿井火灾事故中 内因火灾占的比例很大 我国在1953 1984年32年矿井火灾统计资料中 自燃火灾占94 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 自燃火灾具有发生和发展缓慢 须经历一段时间 有预兆和火源比较隐蔽等特点 2 外因火灾 多发生在井口房 井筒 井底车场 石门及机电硐室和有机电设备的巷道等地点 外因火灾具有火源明显 发生突然 来势凶猛等特点 若发现不及时 则可能酿成重大事故 由于外因火灾往往是由表及里进行的 若发现及时 还是容易扑灭的 矿井外因火灾所占的比重一般都比较小 三 矿井火灾的类型及其特性 消防分类 类火灾 煤炭 木材 橡胶 棉 毛 麻等含碳的固体可燃物质 类火灾 指汽油 煤油 柴油 甲醇 乙醇 丙酮等可燃液体 类火灾 指煤气 天燃气 甲烷 乙炔 氢气等可燃气体 类火灾 象钠 钾 镁等可燃金属燃烧形成的火灾 3 其他分类方法还有按火源特性 可分为原生火灾与再生火灾 按可燃物状态分类 可分为阴燃火灾与和明火火灾 按发火地点的不同分类 可分为井筒火灾 巷道火灾 采面火灾 煤柱火灾 采空区火灾 硐室火灾 按燃烧物的不同分类 可分为机电设备火灾 火药燃烧火灾 油料火灾 坑木火灾 瓦斯燃烧火灾 煤炭自燃火灾等 三 防灭火研究的内容煤矿火灾防治是一项系统工程 其理论与技术的研究内容应围绕一个目标和三个问题 一个目标就是防止矿井火灾发生 对于已发生的火灾要防止其扩大 并最大限度地减小火灾中的人员伤亡和经济损失 三个问题是 一 火灾是如何发生的 其内容主要是研究矿井火灾的类型及其产生的原因 条件以及各类火灾的发生过程和特点 这是防灭火的理论基础 二 如何防止火灾发生 包括火源预测 火灾预防和预报技术 三 火灾发生后如何进行及时而有效地控制和处理 第二节矿井外因火灾及其预防一 物质燃烧的充要条件燃烧 可燃物与氧化剂两组分在空间发生化学反应的过程 放热 发光和有新物质生成是燃烧反应的三个特征 是区别燃烧和非燃烧现象的依据 必要条件 可燃物 助燃物 高温能量或火源 充分条件 三个必要条件同时存在 互相作用 Q生 Q散火源可分为显火源和潜火源两种 所谓显火源既是以明火 高温的表面或灼热的物体的形式显露于空间 可燃物一旦与其接触即可发生燃烧 如气焊和电焊产生的高温焊碴 燃着的香烟头等皆属于此类 所谓潜火源既是平时处于常温状态 在一定的外部条件下 人员操作失误 设备零件故障 安全装置失效等原因 有可能产生火花 放出热量和转化为高温热源 如具有短路危险的电缆接头 作高速相对运动的两固体接触面 不合格的炸药爆破等都属于潜热源 3 煤矿常见的外因火源主要有以下几种 电能热源 摩擦热 放明炮 糊炮等 明火 高温焊碴 吸烟 二 外因火灾的预防1 我国的消防方针 预防为主 消防结合2 防火对策 矿井火灾的防治可以采取下列三个对策 技术 Engineering 对策 1 灾前对策 防止起火 防止火灾扩大 2 灾后对策 报警 控制 灭火 避难 教育 Education 对策 知识 技术 态度 管理 法制 Enforcement 对策 制定各种规程 规范和标准 且强制性执行 这三种对策简称 三 对策 前两者是防火的基础 后者是防火的保证 三 预防外因火灾的技术措施预防火灾发生有两个方面 一是防止火源产生 二是防止已发生的火灾事故扩大 以尽量减少火灾损失 一 防止火灾产生1 防止失控的高温热源产生和存在 按 煤矿安全规程 及其执行说明要求严格对高温热源 明火和潜在的火源进行管理 2 尽量不用或少用可燃材料 不得不用时应与潜在热源保持一定的安全距离 3 防止产生机电火灾 4 防止摩擦引燃 1 防止胶带摩擦起火 胶带输送机应具有可靠的防打滑 防跑偏 超负荷保护和轴承温升控制等综合保护系统 2 防止摩擦引燃瓦斯 5 防止高温热源和火花与可燃物相互作用 三 预防外因火灾的技术措施 二 防止火灾蔓延的措施限制已发生火灾的扩大和蔓延 是整个防火措施的重要组成部分 火灾发生后利用已有的防火安全设施 把火灾局限在最小的范围内 然后采取灭火措施将其熄灭 对于减少火灾的危害和损失是极为重要的 其措施有 1 在适当的位置建造防火门 防止火灾事故扩大 2 每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库 3 每一矿井必须在地面设置消防水池 在井下设置消防管路系统 4 主要通风机必须具有反风系统或设备 反风设施并保持其状态良好 第三节煤炭自燃的理论基础一 煤炭自然机理主要的有黄铁矿作用学说 细菌作用学说 酚基作用学说以及煤氧化合学说等 随着科学技术的进步和生产的发展 人们发现虽然在高变质富含黄铁矿的煤层发生自燃 但完全不含黄铁矿的煤也发生自燃 煤即使在真空中让细菌充分死亡的条件下 其自然发火危险性也未降低 这说明用黄铁矿作用假说和细菌作用假说解释煤的自然发火现象是不完备的 酚基作用假说认为 煤中不饱和的化合物与空气中氧的作用 是引起煤炭自燃的主要原因 有人认为酚基作用假说实际上是煤氧复合作用 或者是煤氧作用假说的补充 目前 煤氧复合作用假说已被较多的人们所接受 一 煤炭自然机理按照煤氧化合学说 煤的自燃过程一般可分为四个阶段 潜伏 或准备 自热 自燃和熄灭四个阶段 1 潜伏期 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 煤自燃的准备阶段即煤的低温氧化过程 潜伏阶段的特征是 煤的表面生成不稳定的氧化物 OH COOH等 氧化放出的热量很少 能及时放散 煤温和巷道空气气温不变 但煤重略有增加 煤被活化 化学活性增加 煤的着火温度降低 准备阶段的长短取决于煤的变质程度和外部条件 如褐煤几乎没有准备阶段 而烟煤则需要一个相当长的准备阶段 一 煤炭自然机理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 当温度超过临界温度60 80时 煤温急剧憎加 氧化加剧 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CO CO2和碳氢 CmHn 类气体产物 并散发出煤油味和其他芳香气味 有水蒸气生成 火源附近出现雾气 遇冷会在巷道壁面上凝结成水珠 即出现所谓 挂汗 现象 微观结构发生变化 在自热阶段 若改变了散热条件 使散热大于生热 或限制供风 使氧浓度降低至不能满足氧化需要 则自热的煤温度降低到常温 称之为风化 风化后煤的物理化学性质发生变化 失去活性 不会再发生自然 一 煤炭自然机理3 燃烧阶段 煤温达到其自燃点后 褐煤250度 烟煤300 350 贫瘦煤 无烟煤650 800 若能得到充分的供氧 风 则发生燃烧 出现明火 其主要特征 空气中氧含量显著减少 CO2的含量倍增 同时由于燃烧不完全和CO2受热分解 而产生更多的CO 巷道中出现浓烈的火灾气味和烟雾 若煤温达到自燃点 但供风不足 则只有烟雾而无明火 此即为干馏或阴燃 煤炭干馏或阴燃与明火燃烧稍有不同 CO多于CO2 温度也较明火燃烧要低 一 煤炭自然机理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 从煤的自燃发展过程可见 煤自燃实质是其自身氧化速度加速的过程 其氧化速度之快 以致产生的热量来不及向外界放散 而导致了自燃 煤的氧化进程既可在常温下发生 也可在高温下迸行 伴随氧化过程的发展其周围空气中的氧含量必然降低 二 煤的氧化特性1 所有品种煤在常温下都吸氧 但吸氧速度不同 2 煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比 3 在温度不变条件下 吸氧速度常数随时间按指数规律衰减 吸氧速度常数 与煤自身温度之间符合幂函数关系 煤在氮气中加热后再冷却可使它的活性增加 并有重新恢复到原有活性的可能 吸氧速度常数与粒度之间成复杂关系 三 自然发火与自然发火期自然发火 有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触发生氧化 产生热量使其温度升高 出现发火和冒烟的现象 在 矿井防灭火规范 中规定出现下列现象之一 即为自然发火 1 煤因自燃出现明火 火炭或烟雾等现象 2 由于煤炭自热而使煤体 围岩或空气温度升高至70 以上 3 由于煤炭自热而分解出CO C2H4 乙烯 或其它指标气体 在空气中的浓度超过预报指标 并呈逐渐上升趋势 自然发火期 从煤层被开采破碎接触空气之日起 至出现自燃现象或温度上升至燃点为止所经历时间 以月或天为单位 自然发火期等于潜伏期和自热阶段 它是煤炭自然发火危险程度在时间上的度量 发火期越短的煤层自然发火危险程度越大 据调查 煤炭自然发火期最短的只有十几天 最长者可达数年 四 煤炭自燃条件 1 有自燃倾向性的煤被开采后呈破碎状态 堆积厚度一般要大于0 4m 2 有较好的蓄热条件 空气流动速度的大小 是氧化热量能否积聚的重要条件 在采空区内如果渗流速度太大 热量则不能积聚 不易形成煤炭自燃 如果渗流速度过低 则会供氧不足 氧化非常缓慢 也不能形成自燃 煤炭自燃都是在风速比较适中的情况下发生的 大量事实证明 在采空区内 当风速由高变低或由低变高的区域 往往是容易发生煤炭自燃的区域 3 有适量的通风供氧 通风是维持较高氧浓度的必要条件 是保证氧化反应的前提 实验表明 氧浓度 15 时 煤炭氧化方可较快进行 4 上述三个条件共存的时间大于煤的自燃发火期 上述四个条件缺一不可 前三个条件是煤炭自燃的必要条件 最后一个条件是充分条件 上述四个条件中 第一条是最根本的 是内因 是煤的内部特性 取决于成煤物质和成煤条件 表示煤与氧相互作用的能力 当研究同一煤层的不同开采方法对自然发火的影响时 则要着重分析形成煤炭自燃的外界条件 五影响煤炭自然发火的因素1 煤的自燃性能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 2 煤化程度 煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低 3 煤岩成分 氧化能力 镜煤 亮煤 暗煤 丝炭4 煤中的瓦斯含量 它类似用惰性气体稀释空气对氧化发生的影响5 水分 既有加速氧化的一面 也有阻滞氧化的因素 6 煤中硫和其它矿物质 煤中含有的硫和其它催化剂 则会加速煤的氧化过程 五 影响煤炭自然发火的因素2 开采技术矿井的开拓方式 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 1 矿井开拓方式和采区巷道布置 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推进速度 3 影响采空区自燃的因素 采空区三带划分对于后 U 通风系统 一源一汇 的采空区 按漏风风速 采空区氧气浓度 采空区遗煤温升速度和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带散热带 L1 5 20m 该带顶板冒落的岩石处于松散堆积状态 孔隙多且大 漏风强度大 Q生Q散 热量容易聚集 有可能导致自燃 窒息 不自燃 带 该带漏风风流基本消失 氧气浓度进一步下降 氧化停止 划分三带的指标有三种 采空区漏风风速V V 0 9m s为散热带 0 9 V 0 02m s为自燃带 V 0 02m s为窒息带 采空区氧浓度 C 分布 认为C 8 为窒息带 C 8 为自燃带 采空区遗煤温升速度 dt 1 d为自燃带 由于缺少深入的理论研究和试验结果 此指标目前尚难以应用 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L1 L2 工作面的推进速度为V 自然发火期为 S 在自燃带内煤暴露于空气的最长时间为 月 则 L1 L2 V当 S 时 可能发生自燃 4 漏风在煤炭氧化过程的热平衡关系中 漏风起两方面的作用 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 苏联学者等研究表明 采空区及煤柱的漏风强度在0 1 0 24m3 min m2 时容易自然发火 有的作者认为不会导致自燃的极限风速低于0 02 0 05m3 min 封闭采空区密闭墙漏风压差在300Pa 漏风强度在 02 1 2m3 min时容易自然发火的 因此 有一定局限性 但对我们研究自燃问题是有参考价值的 把风速控制在易燃风速区之外 是从通风的角度预防自然发火的原则 5 地质因素 1 煤层倾角和厚度 厚煤层和急倾斜煤层容易发生自燃 这是因为开采厚煤层和急倾斜煤层时 煤炭回采率低 采区煤柱易遭破坏 采空区不易封严所致 2 地质构造 在有地质构造的地区 自燃危险性加剧 因为这些地区煤质松碎 有大量裂隙 从而增加了煤的氧化活性 供氧通道和氧化表面积 3 开采深度 煤层赋存太深或太浅都会增加自然发火的危险性 煤层埋藏深度大 地压和煤体的原始温度增高 煤内自然水分少 危险性增加 但埋藏太浅时 容易形成和地表沟通的裂隙 造成采空区有较大的漏风 也容易形成自燃 第四节矿井火灾预测和预报 现代汉语辞海 中定义 预测 预先测定或推测 预报 预先报告 多用于天气 气象方面 预测预报的目的在于及早发现隐患 明确重点 争取防治时间 把火灾消灭在萌芽状态 预测预报适时是关键 过早预报 一般很容易被忽视 往往会贻误战机 过晚预报则来不及采取措施即酿成火灾 给煤矿安全生产和职工的生命安全带来严重威胁 自燃发火的预测技术是指在煤处于低温氧化阶段 即潜伏期 还未出现自然发火征兆之前 仅根据煤的氧化放热特性和实际开采条件 超前判断松散煤体自燃的危险程度 自然发火期及易自燃区域的一种技术 根据煤田地质勘探或在矿井开采的过程中 所采集的煤样的分析化验结果和自然发火的统计资料 判定待开采煤层的自燃严重程度及其在空间上的分布规律 为有针对性制定防灭火措施提供可靠的依据 一 煤层自燃倾向性的鉴定方法我国从50年代开始采用苏联的方法 即着火温度降低值法 也叫 T法 一直沿用到80年代初 没有新的发展 1987年抚顺分院提出了一种新的步入现代水平的方法 双气路气相色谱仪吸氧鉴定法 使用的仪器为ZRJ l型煤自燃倾向性检测仪 该法已于1987年通过部级鉴定 现已列入 煤矿安全规程 1992年版的 煤矿安全规程 执行说明规定采用吸氧量法 所谓双气路气相色谱仪吸氧鉴定法 就是用现代色谱技术 在流动空气状态下测定煤在低温下的吸氧能力 量和速度 作为指标来判别煤的自燃倾向性 此法工艺简单 快速且数据精确可靠 且能保持与煤在井下自燃的条件更为相似 使用此法时 操作人员只需粉碎煤样 安装样品管 调节阀门等 使用的试剂只有氧和氮 无有害物质 且在低温下操作 符合卫生要求 采用双气路气相色谱仪吸氧鉴定法 在30 常压下吸氧量 按煤的吸氧能力将其分为三类 二 煤层自然发火期的估算方法及其延长途径1 煤层自然发火期的估算 1 统计比较法 此法适用于生产矿井 矿井生产建设期间 应对煤层自燃情况作认真的统计和记录 将同一煤层发生的自燃火灾逐一比较 以其发火时间最短者作为该煤层的自然发火期 2 类比法 此法适用于新建矿井 即通过与该煤层的地质构造 煤层赋存条件和开采方法相似的生产矿井类比 估算煤层的自然发火期 延长煤层自然发火期的途径煤炭自燃的发展过程受自燃倾向性 即低温时的氧化性 堆积状态 通 漏 风强度 风量和风速 以及与周围环境的热交换条件等多种因素影响 其发展速度是可以通过人为措施而改变的 因此 煤层的自然发火期是可以延长的 其途径有 1 减小煤的氧化速度和氧化生热 减小漏风 降低自热区内的氧浓度 选择分子直径较小 效果好的阻化剂或固体浆材 喷洒在碎煤或压注至煤体内使其充填煤体的裂隙 阻止氧分子向孔内扩散 2 增加散热强度 降低温升速度 增加遗煤的分散度以增加表面散热量 对于处于低温时期的自热煤体可用增加通风强度的方法来增加散热 增加煤体湿度 三 矿井外因火灾预测矿井外因火灾预测的任务是 通过井巷中的可燃物和潜在火源分布调查 确定可能产生外因火灾的空间位置 及其危险性等级 准确的预测 可以使外因火灾的预防更具有针对性 灭火准备更充分 外因火灾预测可遵循如下程序 调查井下可能出现火源 包括潜在火源 的类型及其分布 调查井下可燃物的类型及其分布 划分发火危险区 井下可燃物和火源 包括潜在火源 同时存在的地区视为危险区 四 矿井火灾的预报所谓矿井火灾预报 就是根据火灾发生和发展的规律 应用成熟的经验和先进的科学技术手段 采集处于萌芽状态的火灾信息 进行逻辑推断后给出火情报告 及时而准确地进行火灾早期预报 可以弥补预防之不足 矿井火灾预报的方法 按其原理可分为 1 利用人体生理感觉预报自然发火2 气体成分分析法3 测量井下发热体温度预测自然发火 1 利用人体生理感觉预报自然发火 1 嗅觉 可燃物受高温或火源作用 会分解生成一些正常时大气中所没有的 异常气味的火灾气体 例如煤炭自热到一定温度后出现具有煤油味 汽油味和轻微芳香气味非饱和碳氢化合物 橡胶 塑料制品在加热到一定温度后 会产生烧焦味 人们利用嗅觉嗅到这些火灾气味 则可以判断附近的煤炭和胶塑制品在燃烧 2 视觉 煤炭氧化自燃初期生成水分 往住使巷道内湿度增加 出现雾气或在巷道壁挂有平形水珠 浅部开采时 冬季在地面钻孔或塌陷区处发现冒出水蒸气或冰雪融化的现象 当然井下两股温度不同的风流汇合处也可能有雾气出现 同时透水事故的前兆也会有水珠出现 因此 在井下发现雾气或水珠时 要结合具体条件加以分析 得到正确的结论 3 温度感觉 煤炭自燃或自热 可燃物燃烧会使环境温度升高 因此 从该处流出的水和空气的温度较正常时高 4 疲劳感觉 煤炭氧化自燃过程中 从自热到自燃阶段都要放出有害气体 如二氧化碳 一氧化碳等 这些气体能使人头痛 闷热 精神不振 不舒服 有疲劳感觉 因此 当井下出现这种现象时 如果是多数人的感觉 那更要提高警惕 查明原因 以防煤层自然发火 当上述征兆发展到较明显的程度时 人的感官是可以识别煤炭早期自燃的 但是 人的感觉总是带有相当大的主观性 同时 人的感觉与人的健康状况和精神状态也有很大关系 因此 人的直接感觉不是早期识别煤炭自燃的可靠方法 所以还必须使用仪器仪表来识别煤炭自燃的发生 2 气体成分分析法用仪器分析和检测煤在自燃和可燃物在燃烧过程中释放出的烟气或其他气体产物 预报火灾 1 指标气体及其临界指标能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期特征的 并可用来作为火灾早期预报的气体称指标气体 指标气体必须具备如下条件 灵敏性 即正常大气中不含有 或虽含有但数量很少且比较稳定 一旦发生煤炭自热或可燃物燃烧 则该种气体浓度就会发生较明显的变化 规律性 即生成量或变化趋势与自热温度之间呈现一定的规律和对应关系 可测性 可利用现有的仪器进行检测 2 常用的指标气体 1 一氧化碳 CO 一氧化碳生成温度低 生成量大 其生成量随温度升高呈指数规律增加 是预报煤炭自燃火灾的较灵敏的指标之一 在正常时若大气中含有CO 则采用CO作为指标气体时要确定预报的临界值 确定临界值时一般要考虑下列因素 各采样地点在正常时风流中CO的本底浓度 临界值时所对应的煤温适当 即留有充分的时间寻找和处理自热源 2 气体成分分析法2 常用的指标气体 1 一氧化碳 CO 2 Graham系数 CO J JGraham提出了用流经火源或自热源风流中的CO浓度增加量与氧浓度减少量之比作为自然发火的早期预报指标 根据Graham指数预报矿井火灾时 不同的矿井有不同的临界指标 3 乙烯 实验发现 煤温升高到80 120 后 会解析出乙烯 丙烯等烯烃类气体产物 而这些气体的生成量与煤温成指数关系 一般矿井的大气中是不含有乙烯的 因此 只要井下空气中检测出乙烯 则说明已有煤炭在自燃了 同时根据乙烯和丙烯出现的时间还可推测出煤的自热温度 4 其它指标气体 国外有的煤矿采用烯炔比 乙烯和乙炔 C2H2 之比 和链烷比 C2H6 CH4 来预测煤的自热与自燃 3 测量井下发热体温度预测自然发火煤炭自燃的过程中 在自热期后阶段 由于氧化加剧 产生热量增加 使煤体及其周围温度升高 因此 测量发热体及其周围的温度变化是确定煤炭自燃状态的重要参数1 直接测温法就是在不破坏现有温度场的情况下 把温度传感器布置在煤炭的易自燃区域 观测自燃温度随时间的变化趋势 从而判断煤炭自燃的发展阶段和发展趋势 煤的自然发火 一般经过潜伏期 自热期和燃烧期 潜伏期煤的氧化过程发展缓慢 温度一般不超过70 经过潜伏期之后 煤的氧化速度增加 氧化产生的热量使煤温升高 且升温急剧加速 自热期煤温可达到120 150 自热期的发展使煤温上升到着火温度而导致自燃 煤的着火温度因煤种而异 无烟煤为400 烟煤为320 380 褐煤小于300 而预测预报的关键是煤的自燃不能超过自热期 因此 温度传感器应根据这一要求选择 即在0 150 之间 温度传感器的精度要高 并且稳定可靠 达到测温要求 目前 用于煤炭自燃测温的传感器主要有热电偶 铂电阻 半导体传感器等 3 测量井下发热体温度预测自然发火2 红外线探测火源红外探测技术的原理 发光物体在发出可见光的同时 还发出一系列不可见的其他电磁波 如红外电磁波等 火源也是如此 在隐蔽地点 当煤自燃的条件形成后 煤层温度逐渐增高的同时 其红外辐射场的强度也在逐渐增大 依据红外探测技术的原理研制出来的仪器不同于一般的直读式仪器 它不能够直接读出某一测定的温度 只能读出该测点的红外辐射场强度 还必须对根据各探测点的位置和测得的红外场强度画出曲线 并对之进行分析和解释 红外探测技术在矿井防灭火中方便适用 准确性较高 它的作用 一是进行防火预测 二是进行隐蔽火源探测 五 连续自动检测系统现在大多数矿井使用束管监测系统连续监测井下空气成分变化 利用抽气系统将井下测点气体经过来管抽到井上 经气体选取器依次将不同测点的气样送往色谱仪进行分析 其优点为采取气样比较及时 能连续监测 分析数据比较精确可靠 现已成为自然发火早期预报的主要手段之一 当然束管法也有不足之处 当输送井下气体到井上的管路长时 取样时间较长 且管理难度较大 管路易发生漏气 堵塞等情况 影响束管的使用效果 为解决这些问题 束管技术又应用了电信号和光缆传输等新技术 即把抽气系统移到井下 使用传感器测量气体浓度 然后把电信号通过电缆或光缆传输到井上计算机进行实时显示 图3束管检测系统示意图 第五节开采技术防火措施 矿井开拓系统和采煤方法是影响煤炭自燃的重要因素 因此 在矿井设计 建设以及生产过程中应注意选择合理的开拓系统和采煤方法 采取有效的开采技术措施 防止发生煤炭自燃灾害 以保证矿井生产安全 正常地进行 从预防煤炭自燃的角度出发 对开拓 开采方法的要求是 煤层切割量少 煤炭回采率高 工作面推进速度快 采空区容易封闭 一 矿井自燃火源的分布规律1 采空区 采空区火灾占50 以上 2 煤柱 3 巷道顶煤 4 断层和地质构造附近 二 开拓开采技术防火措施总要求 1 提高回采率2 限制或阻止空气流入疏松煤体 消除供氧 减少漏风 减小压差 3 漏风风速小于自燃风速 主要技术措施有 一 合理地进行开拓布置1 尽可能采用岩石巷道开采有自燃倾向性的煤层 应尽可能采用岩石巷道布置 以减少煤层与空气接触的暴露面积降低自然发火的可能性 2 分层巷道垂直重叠布置厚煤层开采时 各分层巷道应采用垂直或重叠方式布置 即各分层区段平巷沿铅垂线呈重叠式布置 可以减小煤柱尺寸甚至不留煤柱 消除自燃的基本条件 而且 区段巷道受支承压力的影响较小 维护比较容易 3 分采分掘布置区段巷道区段平巷应分采分掘 即准备每一区段时只掘出本区段的区段平巷 而下区段的回风平巷等到准备下一区段时再进行掘进 同时 上 下区段的区段平巷间不应掘进联络巷 4 推广无煤柱开采技术采用无煤柱开采 也就消除了由此带来的煤炭自燃隐患 将阶段大巷和采区上 下 山设在煤层底板岩层中 采用跨越式开采 不留大巷煤柱和上 下 山煤柱 区段巷道采用沿空掘巷或沿空留巷 取消区段煤柱 采区区间煤柱等措施 主要技术措施有 二 选择合理的采煤方法长壁式采煤法巷道布置简单 回采率高 有较大的防火安全性 特别是综合机械化的长壁工作面 回采速度快 生产集中 单产高 在相同产量的条件下煤壁暴露的时间短 面积小 对于防止自然发火非常有利 在合理的采煤法中也应包括合理的管理顶板方法 顶板岩性松软 易冒落 碎胀比大 采用全部陷落法管理顶板 对开采易自燃的煤层是较好的 即使在采空区发生了自燃 出于充填密实 其发展和影响范围也是有限的 相反的如果顶板岩层坚硬 冒落块度大 采空区难以充填密实 漏风与浮煤堆积易造成自燃火灾 三 选择合理的开采顺序合理的开采顺序是 煤层间采用下行式 即先采上煤层 后采下煤层 上山采区先采上区段 后采下区段 下山采区与此相反 区段内先采上区段 后采下区段 而反常规的短期行为先吃 肥肉 后啃 骨头 其结果是采区内巷道维护困难 通风管理难度大 采空区漏风严重 并易形成 孤岛 工作面 对防止煤炭自燃发火十分不利 综上所述 选择对矿井防火有利的开拓系统和采煤方法 是提高矿井防火抗灾能力的有效措施 一 灌浆防火灌浆就是把粘土 粉碎的页岩 电厂飞灰等固体材料与水混合 搅拌 配制成 浆液 借助输浆管路注入或喷洒在采空区里 达到防火和灭火的目的 一 灌浆防灭火的机理灌浆防灭火的作用为 浆液充填煤岩裂隙及其孔隙的表面 增大氧气扩散的阻力 减小煤与氧的接触和反应面 浆水浸润煤体 增加煤的外在水分 吸热冷却煤岩 加速采空区冒落煤岩的胶结 增加采空区的气密性 灌浆防火的实质是 抑制煤在低温时的氧化速度 延长自然发火期 第六节灌浆与阻化剂防灭火 二 灌浆系统灌浆系统由制浆 输浆和灌浆三部分组成 1 浆液的制备1 浆液性能 对浆液性能的基本要求是 浓度适当 渗透能力强 在浆液中 固体浆材与水的 体积 比例称之为浆液的 体积 浓度 用黄土做浆材时也叫土水比 浓度是影响灌浆质量 防火效果和经济指标的重要参数 渗透性取决于浆材粒度和浆液粘度 粒度和粘度小 则渗透能力就强 从渗透性这个角度来看 浆材的固体颗粒愈小愈好 2 浆材的选取 浆材必须满足一定的基本要求 预防性灌浆的防火效果及其经济合理性 在很大程度上取决于浆液材料的选择 浆液中的固体材料应满足下列要求 1 不含可燃或助燃成分 2 不含催化物质 3 粒度不大于2mm 粒度小于lmm的细小颗粒所占比例要达到75 4 相对密度一般要求为2 5 2 6 5 收缩量尽可能小 含砂量不超过30 6 易于加水制成泥浆 7 易于脱水 同时还具有一定的稳定性 选取的灌浆材料除满足上述的基本性能要求外 还要求其来源丰富 运输和加工成本低廉 尽量不占或少占耕地和良田 煤矿中应用最多的灌浆材料是黄土 但大量应用黄土会使农田遭到破坏 有的矿区无土可取 因此 有些矿区采用破碎后的页岩 破碎后的矸石 热电厂的炉灰等作为代用材料 在实践中也取得了很好的防灭火效果 浆液的制备工艺泥浆的制备工艺随取土方式和制浆设备不同而异 1 水力取土自然成浆这种方法适用以山坡表土层或贮土场的积土为浆创 制浆过程是 先用放炮使表土层变松 或直接用高压水枪 水力喷射器 冲刷 黄土随水而流 在流动的过程中混合均匀 形成泥浆 用筛板过滤除去颗粒较大的砂石后 流入输浆管 这种制浆方法 设备简单 投资少 劳动强度低 效率高 缺点是水土比难以控制证浆液质量 窑街 大同 淮南 义马等矿区一些矿井 采用此种方法 2 人工或机械取土机械制浆用人工或机械把黄土取出装入V型翻斗车或胶带运输机 距离近或运输量大时 直接运往泥浆浸泡池 当土源距溜浆站较远时 应在溜浆站附近建贮土场 起缓冲调节作用 贮土场的土可用水力或皮带 矿车 等运输工具运至溜浆站 机械制浆主要由搅拌机完成 按搅拌机的运动方式可分为固定式和行走式两种 泥浆搅拌池应分成两格 一池浸泡 一池搅拌 轮换使用 浆他的容积 一般按2小时灌浆量计算 其底部有向出口方向2 一5 的坡度 在泥浆引溜浆管前应设两层过滤筛子 孔径分别为15mm和10mm 在注浆时应及时清除筛前的碴料 浆液的输送1 输浆压力与输浆管线输送浆液的压力有两种 一是利用浆液自重及浆液在地面入口与井下出口之间高差形成的静压力进行输送 叫静压输送 当静压不能满足要求时应采用加压输送 前者使用较多 输浆倍线表示输浆管路阻力与压力之间关系 用N表示 倍线一般控制在3 8之间 过大时 应加压 过小时 容易发生裂管跑浆事故 可在适当的位置安装闸阀进行增阻 L 总长度 H 入出口高差 h 泵压力 2 灌浆管道的选择当管道中浆液恰好处于无沉积的悬浮状态时的流速 称为临界流速 vc 时 也叫不淤流速 在这个流速下输送浆液 既能保证不淤积 不堵管 而且消耗的能星又最小 因此 临界流速是一重要参数 与临界流速对应的管径叫临界管径 3 灌浆钻孔 利用钻孔代替矿井输浆干管具有选点灵活 节省干管 投资少 维护费用低等优点 在岩层条件好 埋藏较浅时 应优先考虑采用 在有裂隙的岩层 应下套管 三 灌浆防火方法由于具体条件的不同 各矿区采用的预防性灌浆方法也多种多样 按与回采的关系分 预防性灌浆有采前预灌 随采随灌 采后封闭灌浆等三种 1 采前预灌 所谓采前预灌即是在工作面尚未回采前对其上部的采空区进行灌浆 这种灌浆方法适用于开采老窑多的易自燃 待厚煤层 2 随采随灌 灌浆作为回采工艺的一部分 随工作面回采向采空区灌浆 随采随灌又有埋管灌浆 插管灌浆 洒浆 打钻灌浆等多种方法 3 采后注浆 可以利用钻孔向工作面后部采空区内注浆 采空区封闭后 在密闭墙上插管灌浆 防止停采线遗煤自燃 三 灌浆防火方法目前采用的灌浆方法主要有 1 钻孔灌浆 在煤层底板的集中运输巷或回风巷道或专门开掘的灌浆巷道内 每隔一定距离 10 5m 向采空区打钻灌浆 2 埋管灌浆 把灌浆管铺设在工作面的回风道内 工作面放顶前 在回风巷的灌浆支管上接一段预埋钢管 10 15m 预埋管和支管之间用高压胶管连接 工作面放顶后始终保持预埋管压在采空区内5 8m 预埋管用回柱绞车拉着外移 这种方法优点是简便 工作量小 但浆液在采空区内流动情况难控制 浆液在采空区分布不均匀 当工作面倾斜长度大时 灌浆效果差 3 工作面灌浆 为了保证灌浆质量 自然发火危险性较大的工作面应在埋管灌浆的同时还向采空区喷洒灌浆 其方法是 工作面放顶之前 从回风巷灌浆管上接出一根预埋注浆管 沿倾斜方向分段向冒落区里洒喷泥浆 4 综采工作面插管灌浆 方法是 注浆主管路沿工作面倾斜铺设在支架的前连杆上 每隔20m左右预留一个三通接头 并安装分支软管和插管 将插管插入支架掩护梁后面垮落的岩石内灌浆 插入深度应不小于0 5m 工作面每推进两个循环 注浆一次 义马千秋煤矿应用回风巷压管灌浆与工作面插管灌浆相结合 收到了较好的效果 四 灌浆管理加强灌浆管理对保证灌浆质量 提高灌浆效果至关重要 随采随灌时注意观察灌入水量与排水量比例 如果排出水量过少 则说明灌浆区可能有泥积存 应停止灌浆 如果排出水里含泥量过大或过于集中 说明采空区已形成泥浆沟 灌浆不均匀 应移动管口位置 进行预防件灌桨时 要特别注意防止发生溃浆事故 并要做好灌浆后的排水工作 要经常观测水情 对灌浆量和排出的水量进行记录和分析 发现问题要及时处理 在灌浆区下部进行回采前 要对灌浆区进行检查 如果有积水 必须在打钻放水后才能在下部进行回采 灌浆后应再灌几分钟清水 清洗管道 以免泥浆在管道内沉淀 二 阻化剂防灭火在化学上 凡是能减小化学反应速度的物质皆称为阻化剂 inhibitors 阻化剂又称阻氧剂 是具有阻止氧化和防止煤炭自燃作用的一些盐类物质 作用机理 增加惰性 形成液膜 充填 蓄水 降温 增加煤在低温时的化学惰性 或提高煤氧化的活化能 形成液膜包围煤块和煤的表面裂隙面 充填煤柱内部裂隙 增加媒体的蓄水能力 水分蒸发吸热降温 实质是降低煤在低温时的氧化速度 延长煤的自然发火期 利用和扩大了以水防火的作用 如果离开了水 阻化剂的阻化作用也就没有了 1 阻化剂的评价指标及其影响因素 阻化率 我国抚顺煤科分院建议 含硫量小于2 的煤样在阻化前后放出CO气体的相对变化量作为评定指标 含硫量大于2 的煤 一般称为高硫煤 采用煤样在阻化前后放出SO2气体的相对变化量作为评定指标 此指标称之为阻化率 按公式计算阻化率 A B 分别为原煤样和阻化煤样在规定的实验条件下氧化5小时放出的CO pmm 或SO2 mg 二 阻化剂防灭火 阻化剂的阻化寿命阻化剂喷洒至煤体表面后 从开始生效至失效所经过的时间叫阻化剂寿命 单位为月 阻化剂的寿命可用下式表示 V 衰减速度 阻化剂寿命是一个重要指标 为了达到有效的预防自然发火 阻化寿命不应小于自然发火期 阻化寿命可以通过二次或多次喷洒以及保持环境具有较高的湿度等措施来延长 2 阻化剂选择煤矿使用的阻化剂有 氯化钙 氯化镁 氯化铵以及水玻璃等 煤矿中常用的阻化剂多为无机盐类化合物 如氯化钙 CaCl2 氯化镁 MgCl2 氯化铵 NH4Cl 碳酸氢铵 NH4HCO3入 和水玻璃 xNa2O ySiO2 等 某些工厂的废液及副产品 如酿酒厂的废液 造纸厂的废液 炼镁槽渣和化工厂的硼酸废液等 也常作为阻化剂使用 以及工业废液等 二 阻化剂防灭火3 阻化剂防火工艺方法阻化剂防火工艺可分为三类 喷洒阻化剂 压注阻化剂 雾化阻化剂 1 喷洒阻化剂喷洒阻化剂 即在采煤工作面向采空区喷洒阻化剂溶液 为此 需建立喷洒系统 喷洒系统分为三种形式 临时性喷洒系统 半永久性喷洒系统和永久件喷洒系统 其中 半永久件喷洒系统用得最多 2 压注阻化剂压注阻化剂 是向可能发生自燃或已经开始氧化发热的煤壁钻孔 通过钻孔向煤壁中压注阻化剂溶液 以控制煤的自燃 3 雾化阻化剂雾化阻化剂 是将阻化剂溶液雾化 然后借助漏风风流将雾化阻化剂带到采空区中 其具体方法是 在采煤工作面的进风口处 即向工作面后部采空区漏风的人口处 用发雾器将阻化剂雾化 由漏风风流将阻化剂溶液微粒带人工作面后部采空区 落人采空区遗留的浮煤上 阻止其氧化自燃 阻化剂防火工艺简单 成本低廉 是防灭火的重要技术措施 特别适用于缺乏黄土和水 灌浆困难的矿区 第七节均压防灭火均压防灭火的实质 利用风窗 风机 调压气室和连通管等调压设施 改变漏风区域的压力分布 降低漏风压差 减少漏风 从而达到抑制遗煤自燃 惰化火区 或熄灭火源的目的 均压的概念始于50年代 由波兰学者汉 贝斯特朗提出 60年代一些采煤技术发达的国家竞相采用 多次获得成功 与此同时我国在淮南 开滦 阜新 抚顺 芜蓉和六枝等矿区开始推广应用 并在应用中使这一技术不断完善和发展 根据阻力定律 h R漏Q漏2为减少采空区内漏风 使Q 0 可以采取措施增加漏风风阻 使R漏无穷大 也可以采取措施使漏风通道两端风压差趋于0 第一种措施属于封闭防灭火的范畴 第二种措施则属于均压防灭火的范畴 根据均压作用的机理及使用条件不同 均压防灭火技术措施大体分为开区均压和闭区均压 开区均压定义 在生产工作地点建立均压系统 以减少采空区漏风 抑制遗煤自燃 防止一氧化碳等有毒有害气体超限聚集或者向工作区涌出 从而保证生产正常进行 闭区均压定义 就是在有可能发生煤炭自燃而已经密闭的区域 采取均压措施以防止煤炭自燃的发生 一 调压设施均压防灭火的原理 一 调节风窗调压的原理特性 1 风窗上风侧风流压能增加 下风侧风流压能降低 A点风流压能增加 B点风流压能降低 其增加和降低的幅度取决于风窗的阻力和该分文在网路中所处的地位 2 因风量减小 风宙前后风路上的压力坡度线变缓 因风量减小 实质 增阻减风 改变调压风路上的压力分布 达到调压目的 前提条件 本分支风量允许减少 一 调压设施均压防灭火的原理需要调压的风路上安装带风门的风机 实质上是辅助通风机 利用风机产生的增风增压作用 改变风路上的压力分布 达到调压目的 二 风机调压的原理在需要调压的风路上安装带风门的风机 利用风机产生的增风增压作用 改变风路上的压力分布 达到调压目的 前提 单独使用调压风机以增加风量为前提 三 风窗 风机联合调压的原理 风窗 风机增压调节所谓增压调节是指使两调压装置中间的风路上风流的压能增加 增压调节又可分为风量不变和减少两种 风窗 风机联合降压调节作降压调节时 风窗安装在上风侧 风机安装在下风侧 二 生产工作面采空区自燃火源或高温点的调压处理采空区火源或高温点产生的位置取决于采空区内堆积的遗煤和漏风分布 因此 采用调压法处理采空区的高温点或自燃火源之前 必须首先了解可能产生火源的空间位置及其相关的漏风分布 以便进行有针对性调节 一 采空区的漏风形式1 并联漏风2 角联漏风 二 调压处理方法 1 当火源或高温点处于自燃带 中后部 靠近窒息带 时 则可用降低漏风压差的方法 减小漏风带宽度 使窒息带复盖高温点 2 高温点位于自燃带的前部 可采用在工作面下端挂风帘的方法来 减小火源所在区域内的漏风 同时加快工作面的推进速度 使窒息带快速复盖高温点 3 角联漏风采空区内除存在并联漏风外 还有部分漏风与其它风巷发生联系 这种漏风叫角联漏风 调压处理方法 1 在风路中安装风门和风机等调压装置 降低漏风源的压能 提高漏风汇的压能 2 改变相邻支路的风阻比 使之保持 具体措施 2 1 3 6 5 4 7 R25 R23 R37 R57 三 调压气室 连通管调压防灭火的原理与应用一般适用于封闭火区灭火 有单气室与双气室调压两种 一 双调压气室 连通管调压原理与应用1 布置方式K1 K2 密闭墙 F1 F2 辅助密闭墙 在密闭墙和辅助密闭墙形成的调压气室之间铺一根金属管 2 调压原理辅助密闭墙增加火区的漏风风阻 降低火区的漏风压差 连通管与火区并联 起到并联分风和降压的作用 3 调压时的火区动态观察 二 单调压气室 连通管调压原理与应用1 布置方式及其调压原理 在回风侧构成调压气室 同时利用金属管将调压气室与火区进风侧相连 要消除火区漏风 需满足下式 式中 RT 连通管 包括闸门 风阻 RM 辅助密闭墙M与CB巷道风阻之和 RAB RDA 分别为巷道AB和DA的风阻 2 火区的动态观测当水拄计的示值为零时表示火区漏风消失 否则应根据水校计两傀液面高低和变化 改变连通管的风阻或增加辅助密闭的气密性 达到调压目的 应用调节风压法平衡封闭火区的漏风压差 除上述的一些方法外 还有其他一些方法 如调压气室与风机相配合 风机与风筒相配合等 为了避免调压盲目进行 在制定调压方案之前应进行阻力测定和采空区漏风探测等工作 以获得必要的基础资料 四 调整通风系统调节漏风压差事实上 不少火区的形成和发展 都与通风系统不合理有一定的联系 因此 在保证采掘工作面按需供风和安全生产的前提下 针对具体情况 合理调整通风系统 也可起到平衡火区漏风压差的作用 一 调整通风系统的原则1 增加火区或采空区的并联 低风阻 风路 或减少火区并联分支的风阻或风量 不得在该分支增阻 2 增加火区所在分支或其漏风流经路线上其它分支的风阻 在非漏风流经的路线上减阻 增阻或减阻巷道离火区或采空区越近 效果越好 3 当火区的漏风源与漏风汇分别处于进回风井附近时 应设法降低主要通风机负压 4 降低火区漏风源的压能 增加其漏风汇的压能 二 通风构筑物的合理位置在有漏风源或漏风汇附近的风路上 设置增阻型通风构筑物时 应遵循的总原则是 既起到应有的风流调节和控制作用 又不增大火区或采空区的漏风压差 具体而言 若在有并联漏风的风路上设置风窗等增阻型通风构筑物时 其位置不应选择在漏风的源与汇之间 2 在有漏风源或漏风汇附近的风路上安设增阻型通风构筑物时 应将其设在漏风源的上风侧 或漏风汇的下风侧 3 风门 调节风门和密闭墙等控制风流的设施设置后 应使采空区或火区同处于进风或回风侧 以降低其漏风压差 第八节惰气防灭火惰气系指不可燃气体或窒息性气体 主要包括氮气 二氧化碳以及燃料燃烧生成的烟气 简称燃气 等 一 氮气防灭火氮气既可以迅速有效的扑灭明火 又可以防止采空区遗煤自燃 使用注氮灭火的火区具有恢复工作量小 不损坏设备等优点 1 液 氮气防灭火原理1 氮气注入采空区后具有降低氧浓度的作用 2 液氮灭火还具有冷却降温作用 在 的环境温度下 液氮的汽化热为 kJ kg 直接用液氮注入火区时 液氮气化 吸收热量 使火区气体 煤层和围岩的温度降低 火区冷却会加速火源熄灭 3 在封闭火区的过程中 氮气注入火区后 兼有抑爆作用 2 氮气制取三种工艺方法 一是深冷空分法99 9 二是碳分子筛变压吸附法 三是膜分离法 3 生产工作面采空区注氮防火向采空区注入氮气要根据具体条件确定注氮制度 方式 在有自燃早期预报时 一般应采用非连续注氮 以降低成本 并根据高温点的温度或CO浓度大小选择注氮强度 注氮口的位置以及注氮时工作面风量选择等 注氮方法取决于注氮目的 是防火还是灭火 和注氮方式 一般有两种 一种是压管注氮 即注氮管口由进风顺槽压埋在采空区里 借助于漏风将注入的氮气散布在采空区内 另一种是在采空区附近的巷道内向采空区打钻 利用钻孔注入氮气 4 注氮处理封闭火区1 向封闭火区注氮 有条件时注氮过程中逐渐缩封火区 以提高注氮效果 2 定向注氮 目标惰化 注氮时使氮气流经火源点 用氮气流置换漏风气流 或者用数个钻孔能包围火源点进行注氮 这就是目标惰化 3 提高注氮效果的途径 适当增加密闭墙的气密性 限制漏风量 增大注氮强度和保持注氮的连续性 选择合适的注氮口位置 二 湿式惰气灭火湿式惰气是燃料油与一定比例的空气混合在惰气发生装置 机 内经充分燃烧后产生的烟气 由于烟气中基本上是惰性气体或不可燃气体