20120827煤矿火灾前兆信息及预警新技术-西宁

煤矿火灾前兆信息及预警新技术 梁运涛研究员煤矿安全技术国家重点实验室副主任煤炭科学研究总院沈阳研究院科技发展部主任 煤炭科学研究总院沈阳研究院SHENYANGBRANCHOFCHINACOALRESEARCHINSTITUTE 一 煤矿火灾概念及分类二 煤矿火灾现状分析三 煤矿火灾前兆信息四 煤矿火灾预警新技术五 结论 煤矿火灾是指发生在煤矿井下或地面井口附近 威胁矿井安全生产 形成灾害的一切非控制燃烧 火灾是煤矿五大主要灾害之一 每一场火灾的发生 轻则影响生产 重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备 更为严重则可能引燃瓦斯煤尘爆炸 酿成人员伤亡的重大恶性事故 煤矿火灾概念 煤矿火灾 内因火灾 外因火灾 井下火灾 地面火灾 可燃物 煤炭 自身氧化自燃 1 有预兆2 火源隐蔽 3 有一个或长或短的发展过程 4 持续时间长 外部热源引燃可燃物 1 发生突然 2 火源明显 3 发展迅猛 4 持续时间短 矿山井下的火灾 包括井口火灾 矿山地面的火灾 1 不容易发现与察觉 2 井下狭窄不易扑救 3 产生大量的有害气体 4 持续时间长 1 容易发现与察觉 2 地面宽广易扑救 3 产生的有害气体少 4 持续时间短 按引火热源的不同 按发火地点的不同 煤炭的主体地位 煤炭是我国的主要能源和重要的工业原料 国家 能源中长期发展规划纲要 2004 2020年 中明确指出 坚持以煤炭为主体 电力为中心 油气和新能源全面发展 的能源战略 2011年 全国煤炭产量35亿吨 同比增长7 7 在一次能源消费中约占70 4 预计2050年仍将占50 以上 2011年中国一次能源消费结构 煤矿灾害事故依然多发 据统计 2009年 2011年 与火灾相关的煤矿事故有92起 单一矿井火灾20起 死亡233人 火灾诱发瓦斯 煤尘爆炸等继发灾害72起 死亡364人 2010年6月21日 河南兴东二矿井下火药自燃爆炸 造成46人遇难 2011年7月6日 山东防备煤矿井下空气压缩机自燃着火 进而引燃坑木和煤炭 形成大面积的火区 导致28人死亡 2009年8月18日 云南尚岗煤矿自燃引起巷道垮塌 造成10人死亡 煤矿灾害事故依然多发 仅2011年 43起较大瓦斯事故因火灾引起的有22起 从瓦斯爆炸火源看 电气火花10起 放炮7起 煤炭自燃2起 工人吸烟2起 金属撞击1起 按引火源分类 煤矿灾害事故依然多发 2012年7月1日 窑街煤电集团有限公司海石湾煤矿6112油页岩综采工作面出现间歇性喷火 7月9日工作面下端出现明火 由于火势发展迅猛 被迫封闭全矿 7月11日井下油气燃爆 出现较大冲击波 将风井防爆门破坏 迫使主扇停止运转 全矿井停产 人员伤亡 火灾产生的CO CO2等有毒有害气体随高温火烟一起流入井下各作业场所 造成人员中毒和窒息 烧毁设备和煤炭资源 井下发生火灾 会烧毁大量的设备 器材和煤炭资源 造成大量煤炭资源呆滞 影响矿井正常生产 煤矿火灾危害极大 严重的环境污染 煤田及矸石山自燃排放的SO2 NxOy CxOy和烟尘等 严重影响生态环境 CO2占全球总排量的2 3 煤田火灾 矸石山火灾 煤矿火灾危害极大 自然发火严重 2011年 全国共有煤矿约11000个 具有自燃倾向的矿井占50 以上 传统矿区百万吨发火率高达7 47 采空区自然发火次数占火灾总数的60 巷道煤柱占29 其它地点占11 中厚以下煤层的采空区自燃或爱次数占采空区发火总数的16 厚煤层和特厚煤层的采空区自燃火灾次数占采空区发火总数的84 煤炭主产区受火灾影响严重 煤炭主产区位于北纬35 以北的北方地区 其储量占全国储量80 以上 年产量占全国60 70 这些地区大部分属温带大陆性气候 昼夜温差大 夏季炎热 冬季寒冷 干旱少雨 区内煤系主要有石炭二叠纪 侏罗纪 第三纪及少量三叠纪 侏罗纪煤层一般为特厚煤层 厚度在8m 120m之间 变质程度较低 以长焰煤 气煤为主 侏罗纪煤田特厚煤层普遍自然发火 北纬35度 煤氧化自燃过程 燃烧 着火点温度 准备期 风化 时间 温度 T0 冷却 0 Tc 70 自热期 准备期 重量略有增加 着火温度降低 化学活泼性增强 自热期 氧化速度增加 不稳定的氧化物分解成H2O CO2和CO 煤体温度持续升高 当煤温超过自热的临界值 60 80 时 煤温急剧上升 氧化进程加快 开始出现煤的干馏 生成CmHn H2及CO气体 燃烧期 若煤温上升到着火点温度 则煤持续燃烧 若煤温不能上升到Tc或上升到这一温度后由于外界条件的变化又降低了下来 则会进入风化状态 Tb 临界温度 煤炭自然发火标志气体及其指标 CO单一指标 CO煤自燃预测预报方面起到了积极的作用 但是CO的检测温度范围较宽 从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到CO 对煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地判断 煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中 受漏风条件的影响极大 这对CO浓度的测定造成了误差 预报的可靠性也相应降低 煤炭自然发火标志气体及其指标 CO单一指标 国内平庄古山矿最早将CO的绝对生成量指标用于煤自燃的预测预报 该矿通过对36个回采工作面的长期观测 得到了CO绝对生成量相应的预测预报临界指标 印度学者AshokK Singh研究表明 自燃点处氧气浓度大于15 时 煤氧化产物基本上是CO2 此时往往无法检测到CO的存在 因此 应用CO指标对煤自燃进行预测预报时 应综合考虑各方面因素后再作出结论 煤炭自然发火标志气体及其指标 格雷哈姆系数由煤氧化过程中CO CO2浓度的增加量和O2浓度的减少量计算得到 格雷哈姆系数 一般以R2作为主要指标 以R1作为辅助指标 R3则主要用于风流状态变化很大的情况 正常情况下 R2值小于0 5 若R2值持续上升并超过0 5 的话 即表明该矿井中有自热现象发生 超过1 时则说明煤矿井下已经发生煤自燃现象 实际应用过程中 由于井下情况复杂多变 差别较大 应根据实际情况选用不同的临界指标 煤炭自然发火标志气体及其指标 抚顺矿区实测了格雷哈姆指标 并根据自身情况 总结多年的经验 采用了相应的指标值 格雷哈姆系数 抚顺矿区实测的格雷哈姆系数 抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数 煤氧化时会释放CH4 C2H6 C3H8 C4H10等烷烃气体 可通过各烷烃气体浓度比值对煤自燃的发展阶段进行判断 称这些比值为链烷比 链烷比主要有两类 C2H6 CH4 C3H8 CH4 C4H10 CH4 C3H8 C2H6 C4H10 C2H6 煤炭自然发火标志气体及其指标 链烷比 链烷比受煤本身吸附的烷烃量不同和吸附烷烃的释放时间的影响 对采掘工作面新破碎 剥落的区域预报有一定难度 但对发生在采空区内的高温点 由于遗煤破碎强烈 吸附气体又经历了较长释放时间 采用链烷比预报自然发火能取得较好的效果 煤炭自然发火标志气体及其指标 在煤吸附的气体中没有烯烃气体 井下检测到的烯烃气体是煤氧化分解过程中产生的 因此 烯烃气体的出现表征煤的氧化已经进入释放氧化气体阶段 也就是说 只要检测到烯烃气体 则表明煤温已达到或超过其临界温度 由于C2H4和C3H6不是同一温度下出现的 因此可以根据它们出现与否判断煤温的大致范围 烯烃及烯烷比 炔烃仅指C2H2 它是煤氧化进入激烈燃烧阶段的产物 是所有自燃氧化气体中最晚出现的气体 并出现的临界温度值较高 根据实际应用经验 一旦矿井井下检测到C2H2 则表明在监测区域内存在进入燃烧阶段的明火 此时采取灭火措施一定要谨慎 避免直接将火源暴露于空气中 以防引发瓦斯煤尘爆炸 煤炭自然发火标志气体及其指标 炔烃 1 褐煤 长焰煤 气煤和肥煤 烯烃或烯烷比为首选标志气体 烯烃预报范围为110 180 浓度为 1 0 20 0 10 7 烯烷比预报范围应依据煤层瓦斯组分和矿内空气成分确定 辅助指标为CO及其派生指标 2 焦煤 瘦煤及贫煤 CO及其派生指标为首选标志气体 预报范围为90 150 浓度为 10 30 10 7 辅助指标为C2H4或烯烷比 3 无烟煤 含高硫煤 仅能选用CO及其派生指标为标志气体 其预报范围为100 150 浓度为 10 35 10 6 标志气体优选及煤矿火灾前兆信息提取 煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法 AQ T1019 2006 常规预警方法技术 1 嗅觉 煤炭自热到一定温度后出现煤油味 汽油味和轻微芳香气味的非饱和碳氢化合物 可利用嗅到的气味判断附近的煤炭是否在自燃 2 视觉 可通过观测煤在氧化过程中产生的水蒸气 以及附近煤岩体表面凝结的水珠等物理现象 实现自然发火预警 3 感觉 煤炭自燃或自热 可燃物燃烧会使环境温度升高 并可能使附近空气中的氧浓度降低 CO2等有害气体增加 所以当人们接近火源时 会有头痛 闷热 精神疲乏等不适之感 利用人体生理感觉预报自然发火 测定矿内空气及围岩温度的变化 测温法是通过测量温度变化来表征煤自燃进程 通过在特定区域安设温度探测装置来监测煤自然发火程度 测温法可分为两类 一类是用检测到的温度值进行预报或报警 另一类是通过监测点温度变化率预报 可用于温度探测的主要有热电偶 测温电阻 半导体测温元件 集成温度传感器 热敏元件 光纤 红外 激光及雷达波等 目前温度法主要不足有 K型热电偶精度低 长距离有线数据采集结果滞后或失真 监测点数量有限 存在监测盲区 劳动强度大 线路敷设困难 常规预警方法技术 测定矿内气体成分的变化 气体分析法根据煤自然发火过程中产生的气体种类 浓度及变化率来预测和确定煤自然发火发展进程和趋势 其预警指标可分为两类 一类是利用某些标志气体的浓度直接进行预测预报 另一类是利用某些气体浓度变化率或浓度比值来进行预测 如链烷比 格哈雷姆系数等 无论采用哪类气体指标 都需要精确 快速检测出各气体的种类和浓度 目前采用的主要手段是气体传感器和色谱分析仪分析 气体传感器在井下实际应用中受到井下环境影响 其稳定性和灵敏度都大幅降低 检测结果存在较大误差 加之传感器使用寿命 价格相对比较昂贵 种类比较单一 在一定程度上制约了气体传感器的使用 常规预警方法技术 气相色谱法是目前气体分析方法中最精确 最可靠的分析仪器之一 八五 期间矿井火灾多参数色谱仪研制成功 实现了煤矿全组分气体定性定量分析 与束管监测技术融合后 实现了对煤矿火灾早期预警 在一定程度上促进了我国煤矿自然发火监测和预警技术的成熟和完善 色谱分析的吸附和脱附周期较长 无法实现快速分析 色谱柱需要经常维护 每次色谱分析都需要先进行标样测试 尤其是氢火焰检测器不能应用到煤矿井下爆炸危险环境和应急救援时期抢险救灾等灾变环境中使用 常规预警方法技术 气体光谱分析技术是仪器分析领域的一种重要方法 已广泛应用于食品 医药 材料领域 利用红外吸收原理检测气体是国内外研究热点 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 煤矿火灾气体检测 十一五 期间 利用傅立叶红外光谱技术对煤矿井下常见CO CO2 CH4 C2H6 C2H4等的定量分析进行了研究 基于化学计量学方法实现煤矿井下极性气体的定量分析 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 利用2500 15400nm中红外光谱区 能够定性检测煤矿全极性组份气体 并且定量检出限达到ppb级 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 矿用光谱多参数检测装置 MT T757煤矿自然发火束管监测系统通用技术条件 仪器界面 便携式光谱爆炸三角形测定仪 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 AQ1044 2007矿井密闭防灭火技术规范 矿用光谱多参数检测装置及便携式光谱爆炸三角形测定仪应用方案 煤矿气体红外光谱分析仪 煤矿火灾预警新技术 傅里叶变换红外光谱分析技术 煤矿气体红外光谱分析仪与束管系统对