多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术研究1.doc

多层易燃煤层小煤柱综放面防灭火技术研究多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术研究（项目验收材料）华亭煤业集团新窑煤矿有限责任公司二0一0年十月项目简介一、概 况新窑煤矿综采放顶煤工作面开采煤5层，其平均厚度为10.19m，在煤5层上部4.87m的高度有煤4-2层，其平均厚度为3.5m，在煤4-2层上部约7.15m的高度还有煤4-1层，其平均厚度为3.06m，工作面推进后，不仅煤5层20%的浮煤留在了采空区，而且当采空区老顶垮落时，煤4-2层和煤4-1层也全部垮落到采空区，使采空区浮煤成倍增加，其采空区留下的浮煤量在国内也是罕见。根据化验，这3层煤均为易自燃煤层，这样就形成了多层易燃煤层采空区，使工作面采空区极易自燃发火，其自燃发火因素为：煤5层、煤4-2层和煤4-1层的最短发火期为2030天，在工作面推进的2030天里，这些成倍增加的浮煤还处于采空区的氧化带，易自燃发火；采空区浮煤呈立体赋存，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些浮煤。工作面撤架时不仅采空区易自燃发火，而且支架上部的这3层松动煤层也易自燃发火。综放面小煤柱开采，目前小煤柱很多地方已松动，不仅使小煤柱易自燃发火，而且使邻近采空区也易漏风自燃发火。正是由于多层易燃煤层采空区存在极易发火的因素，使矿井开采以来，工作面上隅角一直存在CO，个别采面上隅角CO浓度经常超限，一旦工作面推进度放慢，工作面极易自燃发火，为了保障矿井的安全生产，我公司与阜新兴纪煤矿技术信息服务所合作开展了“多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术”项目的研究。二、经费预算经费投入预算（万元）经费支出预算（万元）来源预算合计45支出预算合计45省级科技三项费人员费国家拨款仪器、设备费集团公司拨款30材料、燃动费单位自筹15试验费其它管理费技术服务费调研费其它项目完成单位及参加人员项目完成单位：华亭煤业集团新窑煤矿有限责任公司项目完成日期：2010年9月报告提交日期：2010年9月项 目 参 加 人 员序号姓 名性别年龄文化程度职 务职 称1徐元强男38大学经理高级工程师2李文科男40大学副经理、总工工程师3刘志雄男40大学副经理工程师4翟晓彤男42大学科 长工程师5王 文男28大专副科长安全工程师6徐兴华男26大学技术员助理工程师7丁 超男36大专副队长工程师89项目验收申请报告（项目验收材料之一）华煤集团新窑煤矿有限责任公司项目验收申请报告集团公司：多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术研究项目是新窑公司二0一0年度完成的科技项目之一，由新窑公司组织有关专业技术人员完成。本项目自立项以来，经过项目组人员的共同努力，现已完成了该项目的全部内容，达到了预期目标。该项目通过对煤5层、煤4-1层和煤4-2层自燃发火标志性气体、最短自燃发火期、温度与气体产物量化关系等参数实验室研究、矿井通风系统优化、多层易燃煤层采空区自燃发火水平及垂直三带研究等，总结防治措施，为工作面回采安全管理提供可靠的技术依据。为了总结经验，推广该技术成果在同等地质条件下的应用，确保矿井安全生产，特申请集团公司组织对本项目进行鉴定验收。提交的项目验收材料：验收材料之一：项目验收申请报告验收材料之二：科技项目建议书验收材料之三：项目研究报告验收材料之四：项目效益分析 华煤集团新窑煤矿有限责任公司 二0一0年九月一日科技项目建议书（项目验收材料之二）项 目 名 称：多层易燃煤层小煤柱综放面防灭火技术研究承 担 单 位：新窑煤矿有限责任公司 项 目 负 责 人：李文科 联 系 电 话建议书编制单位：新窑煤矿有限责任公司生产技术科 项目具体内容1、研究目的及意义：目的：新窑煤矿综采放顶煤工作面开采煤5层，其平均厚度为10.19m，在煤5层上部4.87m的高度有煤4-2层，其平均厚度为3.5m，在煤4-2层上部约7.15m的高度还有煤4-1层，其平均厚度为3.06m，工作面推进后，不仅煤5层20%的浮煤留在了采空区，而且当采空区老顶垮落时，煤4-2层和煤4-1层也全部垮落到采空区，使采空区浮煤成倍增加，其采空区留下的浮煤量在国内也是罕见。根据化验，这3层煤均为易自燃煤层，这样就形成了多层易燃煤层采空区，使工作面采空区极易自燃发火。使矿井开采以来，工作面上隅角一直存在CO，个别采面上隅角CO浓度经常超限，一旦工作面推进度放慢，工作面极易自燃发火，为了保障矿井的安全，必须通过多层易燃煤层小煤柱综放面防火的研究和各项有力措施的实践，从而降低采空区及小煤柱的自燃发火几率。意义：通过项目的研究，能够较准确地掌握多层易燃煤层的水平、垂直三带距离，为综放工作面防灭火提供较可靠的技术依据，并通过各项有力措施的实践，确保工作面风量配备合理，CO有害气体不超限，采空区不自燃发火，从而保障工作面的安全生产，产生较好的经济和社会效益。该项目的成果可以在国内外类似条件矿井使用，具有很好的推广应用前景。2、项目研究内容： 煤5层、煤4-1层和煤4-2层自燃发火标志性气体、最短自燃发火期、温度与气体产物量化关系等参数实验室研究。多层易燃煤层采空区自燃发火垂直三带研究；小煤柱综放面采空区水平三带研究；矿井通风系统优化及工作面合理风量的设计；小煤柱自燃发火预测预报技术； 小煤柱堵漏阻化防火技术； 多层易燃煤层采空区科学注氮防火技术； 多层易燃煤层综放面回撤综合防火技术。3、完成的主要工作及创新之处： 完成的主要工作：煤层自燃发火标志性气体、最短自燃发火期、温度与气体产物量化关系等参数实验室研究；通过扩巷、优化巷道设计减少矿井通风阻力；垂直打钻并在钻孔中设置束管，进行检测分析，从而划分综放面的自燃发火垂直三带；利用矿井束管监测系统监测采空区不同深度氧浓度的变化，建立采空区三带数学模型，解算采空区三带，然后用综合法划分采空区自燃发火水平三带；对压力较大的小煤柱打钻，钻孔中插入束管单管和热敏电阻，监测小煤柱的温度和气体；对小煤柱进行堵漏、阻化和降温，将自燃发火消除在萌芽之中；实施适合新窑煤矿综放面的最佳防火风量、通风方式、注氮地点、注氮时机、注氮流量、埋管注氮方法、注氮效果考察和合理的防火推进度；综放面撤架时在工作面建立三道防火线。主要创新之处：通过对煤5层、煤4-1层和煤4-2层自燃发火标志性气体、最短自燃发火期、温度与气体产物量化关系等参数实验室研究、矿井通风系统优化、多层易燃煤层采空区自燃发火水平及垂直三带研究等，总结防治措施，为工作面回采安全管理提供可靠的技术依据。 4、提交的项目验收材料：验收材料之一：项目验收申请报告验收材料之二：科技项目建议书验收材料之三：项目研究报告验收材料之四：项目效益分析项 目 研 究 报 告（项目验收材料之三）华煤集团新窑煤矿有限责任公司 多层易燃煤层小煤柱综放面防灭火技术研究1、前言新窑煤矿综采放顶煤工作面开采煤5层，其厚度为10m，在煤5层上部4m的高度有煤4-2层，其厚度为3m，在煤4-2层上部约4m的高度还有煤4-1层，其厚度为2.5m，工作面推进后，不仅煤5层20%的浮煤留在了采空区，而且当采空区老顶垮落时，煤4-2层和煤4-1层也全部垮落到采空区，使采空区浮煤成倍增加，其采空区留下的浮煤量在国内也是罕见。根据化验，这3层煤均为易自燃煤层，这样就形成了多层易燃煤层采空区，使工作面采空区极易自燃发火，其自燃发火因素为：煤5层、煤4-2层和煤4-1层的最短发火期为2030天，在工作面推进的2030天里，这些成倍增加的浮煤还处于采空区的氧化带，易自燃发火；采空区浮煤呈立体赋存，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些浮煤。工作面撤架时不仅采空区易自燃发火，而且支架上部的这3层松动煤层也易自燃发火。综放面小煤柱开采，受矿压影响，小煤柱很多地方已松动，不仅使小煤柱易自燃发火，而且使邻近采空区也易漏风自燃发火。矿井通风系统不太合理：角联巷道较多；有的巷道变形严重，风阻太大；有的巷道存在下行通风。正是由于多层易燃煤层采空区存在极易发火的因素，使矿井开采以来，工作面上隅角一直有CO存在，一旦工作面推进度放慢，工作面极易自燃发火，为了保障矿井的安全，很有必要开展“多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术”项目的研究。目前国内外只开展了单一煤层和两层复合煤层自燃发火机理及防治技术的研究，例如平煤集团八矿进行了复合煤层防火技术的研究，铁煤集团大兴矿采用注氮为主的综合防火技术有效地防治了复合煤层大采高综放面的自燃发火。但国内外均未进行多层易燃煤层自燃发火的研究，特别是采空区注氮防火时，未研究防止处于采空区高位的浮煤氧化自燃发火的注氮方法和注氮参数，本课题的研究，将解决多层易燃煤层工作面的防火难题，具有很好的推广应用前景。根据项目任务书的要求，从2010年1月至2010年10月9日，新窑煤矿有限责任公司和阜新兴纪煤矿技术信息服务所共同完成了以下研究内容： 煤5层、煤4-1层和煤4-2层自燃发火标志性气体、最短自燃发火期、温度与气体产物量化关系等参数实验室研究。 矿井通风系统优化及工作面合理风量的设计； 多层易燃煤层采空区自燃发火垂直三带研究； 小煤柱综放面采空区水平三带研究； 小煤柱自燃发火预测预报技术； 小煤柱堵漏阻化防火技术； 多层易燃煤层采空区科学注氮防火技术； 多层易燃煤层综放面回撤综合防火技术。项目采用的总体研究思路如下框图：实验室研究现场研究多层易燃煤层小煤柱综放面防火技术多层煤煤层最短发火期采空区水平及立体三带考察巷道松动圈防火技术采空区自燃发火预报多层煤采空区注氮防火技术小煤柱自燃发火监测及防火技术多层煤工作面撤架防火技术保障工作面安全回采煤层自燃发火标志气体本项目已按进度完成了项目任务书规定的研究内容，有效地防止了试验工作面自燃发火，保证了矿井安全生产，达到了预期目标。2、试验工作面概况（1）工作面概况选取3512工作面为本项目试验工作面，工作面位置及井上下关系（见表22） 工作面位置及井上下关系 表22水平名称950m水平（运输巷）采区名称西三采区东翼地面标高/m13701335井下标高/m939.81010地面相对位置3512工作面对应地面位置为新窑荒山，无建筑物，标高1370-1335米，工作面西临我公司工业广场。其它均为山沟、丘陵状地表，生有灌木，相对高差385-396米。回采对面地面设施的影响回采后对地表有一定的影响。工业广场内建筑物距该面最近的有炸药库及地面生产系统，为保证以上建筑物不受采动影响，经计算工作面回采长度确定为200米。 井下位置及其与四邻关系3512工作面位于矿井西三采区东翼，为该采区煤5层第二个倾斜综采放顶煤工作面。工作面西接西三采区东翼轨道及运输下山，东接井田边界保护煤柱，上部为3511工作面采空区隔离保护煤柱，下部未受采动影响。 工作面煤层情况 表23煤层厚度/m10.35煤层结构简单煤层倾角（度）2233开采煤层煤5层煤种长焰煤稳定程度稳定煤层情况 描述该面煤层平均厚度10.35米，煤层产状147-134sw33-22；其顶板主要为泥岩、油页岩，平均厚度4.49米,底板主要为砂质泥岩、砂岩互层,平均厚度4.82米。工作面回风巷、运输巷布置在煤层中，未沿底板掘进，留有底煤。本工作面可采走向长200米，工作面倾斜宽118米，采放高度为10.35米，工作面煤层容重为1.38t/m3，工业储量为33.7万吨。本采区为矿井的西三采区东翼，高低位于1050950m水平之间，上部以1050大巷为界，下部为未开采的四采区，东至井田边界保护煤柱，西至矿井工业广场保护煤柱。采区西面布置轨道下山、运输下山，轨道下山布置在煤5层底板岩石中，3512回风巷经1000中部车场与采区轨道下山相联通；3512运输巷与950集中运输巷相联通形成生产系统。3512综采工作面下顺槽沿煤层布置在950-939.8米水平，区部地段底板留有23米底煤，走向长432.3米，上顺槽沿煤层底板布置在1005-989米水平，长486米，开切眼沿煤层倾向布置，倾角22-330，斜长118米。工作面两道及联络巷均为梯形断面，锚网（索）支护，巷道净高2.8m，净上宽运输巷为3.6m，回风巷及联络巷为2.8m，净下宽运输巷为.4m，回风巷及联络巷为3.6m，净断面运输巷为11.2m2，回风巷及联络巷为8.96m2。开切眼为矩形断面，净高2.7m、净宽6.4m、净断面17.28m2，采用锚网（索）配单体柱钢抬棚、木垛联合支护。采煤工作面实际需风量取787.88 m3/min，工作面的采煤方法为倾斜特厚煤层走向长壁综合机械化低位放顶煤采煤法。3、 煤层自燃发火机理及规律煤层自燃发火的机理分为内因和外因，内因通过实验室对煤样的研究得出；外因通过对试验工作面的考察得出。引起煤层自燃发火的内因和外因找到后，再对矿井的自燃发火危险程度进行综合的评判。（1） 煤层自燃发火内因 为研究新窑煤矿3512工作面煤层自燃发火的内因，在重庆煤科院实验室对工作面煤层的煤样进行了考察，考察内容为：煤样的工业分析，煤样的自燃倾向鉴定，煤样的最短自燃发火期。 煤样取样时间：2010年3月20日； 煤样取样地点：3512工作面； 煤样鉴定和考察日期：2010年5月。（2） 煤层自燃发火倾向煤的自热首先开始于吸附空气中的氧气。当煤中不含或含少量硫化矿物时，其自燃主要表现为煤自身吸附空气中的氧而开始的自热过程。有鉴于此，对煤的吸氧特性的一些主要参量，如吸附氧量、吸附环境温度和吸附过程的有关参量等的研究以及建立各参量的测定方法等等，也就成为研究包含煤自燃倾向性在内的煤自燃机理的内容之一。实验研究证明，煤在低温常压下的吸附，符合Langmuir方程的吸附规律，而其吸附氧能力的差异则与煤化参数之间存在一定的对应关系，且亦受多种因素的影响与制约。根据煤低温吸氧的性能是表征煤自燃性的关键参量的结论，集中探索了以煤在低温常压下吸附流态氧的特性，并以大量试验数据为基础，提出了以双气路流动色谱法测定煤吸氧量的测试方法和条件，据此制订出煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和分类方案。ZRJ一1型煤自燃性测定仪（图1），依据煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法的需要而研制的鉴定仪器。利用双气路流动色谱法，测定煤低温吸附流态氧的特性，以煤在限定条件下测定的吸氧量值，对煤自燃倾向性进行分类。图1 9ZRJ-1型流态色谱吸氧仪器测定结果以煤在一定条件下吸附流态氧的量值为主，配以工业分析等参数，通过模糊数理统计的聚类分析方法，将煤的吸氧量值与工业分析结果综合评判，同时结合现场有关煤自燃发火特征资料反馈修正，确定煤自燃倾向性等级分类方案，见表3-1。 褐煤、烟煤类自燃倾向性分类表 表3-1自燃倾向性等级自燃倾向性煤的吸氧量，cm3g干煤I容易自燃0.80II自燃0.410.79III不易自燃0.40重庆煤科院按照上述实验过程对新窑煤矿3512工作面煤样的真密度与吸氧量测试如表3-2所示： 煤样真相对密度 表3-2煤样名真相对密度3512工作面煤5层1.453512工作面煤4-1层1.473512工作面煤4-2层1.42按照上述实验过程对所取煤样进行吸氧实验。实验测量的煤样的吸氧量如表3-3、表3-4、表3-5所示：工业分析及自燃倾向等级鉴定结果 表3-3项目编号工业分析 (%)全硫St,ad（%）真相对密度dTRD吸氧量Vdcm3/g干煤自燃倾向性MadAdVdaf煤5层2010-07165.0710.3529.241.450.66类工业分析及自燃倾向等级鉴定结果 表3-2 项目编号工业分析 (%)全硫St,ad（%）真相对密度dTRD吸氧量Vdcm3/g干煤自燃倾向性MadAdVdaf4-2煤层2010-07175.0210.0530.121.420.81类工业分析及自燃倾向等级鉴定结果 表3-3 项目编号工业分析 (%)全硫St,ad（%）真相对密度dTRD吸氧量Vdcm3/g干煤自燃倾向性MadAdVdaf4-1煤层2010-07184.8310.8632.981.470.63类实验结果表明：新窑煤矿3512煤5层、煤4-1层圴属于类自燃煤层，煤4-2层属于类自燃煤层。（3） 煤层最短自燃发火期实验结果 数学模型式中： 煤层最短自燃发火期，d；、 煤在温度为ti、ti+1时的比热容； ti、ti+1温度段内煤样的水分蒸发量，%； 水蒸发吸热，J/Kg； 瓦斯解吸热，J/m3； ti、ti+1温度段内煤样的瓦斯解吸量；m3/Kg；、 煤样在温度为ti、ti+1时的瓦斯吸附量，m3/Kg；煤样在不同温度下的吸附瓦斯量按下述经验公式计算：式中： 煤样在实验室内，温度为t0时的瓦斯吸附量，m3/Kg； 煤样在温度为ti时的瓦斯吸附量，m3/Kg； n 系数，可用下式确定：P 瓦斯压力，KPa。、煤样在温度为ti、ti+1时的放热速率，J/(Kgmin)；按下式计算： 式中： 给的条件下的CO发生率，mol/(Kgmin)； 给的条件下的CO2发生率，mol/(Kgmin)； 给定条件下的耗氧率，mol/(Kgmin)； 煤与氧化学吸附热，KJ/mol； CO的标准生成焓，KJ/mol； CO2的标准生成焓；KJ/mol；、 CO、CO2在1.01325105Pa压力下、温度为T时焓差。由于煤在常温363K温度段内的水分蒸发量较小，所以近似认为水分的蒸发主要在363K393K温度段内完成。 解算结果解算得煤5层煤样实验最短自燃发火期为24天，解算过程见表3-4。实验煤样最短自燃发火期计算表 表3-4 NOt(i)(K)VO2(10-6mol/min)VCO(10-6mol/min)VCO2(10-6mol/min)q(J/kg.min)(m3/Kg)Wp(%)(d)13010.3241 0 0.0995 4.3656 9.78 -0.53 23200.5793 0 0.0988 5.6022 6.69 11.15 33410.7439 0 0.0960 6.3367 4.40 13.04 43610.7567 0 0.0921 6.2984 2.95 10.07 53740.8347 0 0.0876 6.5585 2.27 0.0145.75 63900.8255 0.0021 0.0864 6.4927 1.65 0.2664.34 74030.8957 0.0036 0.0873 6.8739 1.27 3.76 84141.0133 0.0063 0.0919 7.5951 1.02 2.74 94270.9825 0.0113 0.1058 7.8657 0.79 2.47 104401.7960 0.0220 0.1326 12.6661 0.61 1.87 解算得4-1煤层煤样实验最短自燃发火期为26天，解算过程见表3-5。实验煤样最短自燃发火期计算表 表3-5 NOt(i)(K)VO2(10-6mol/min)VCO(10-6mol/min)VCO2(10-6mol/min)q(J/kg.min)(m3/Kg)Wp(%)(d)12960.3296 0 0.1108 4.7076 10.81 -4.91 23140.4039 0 0.0974 4.7022 7.54 9.39 33320.4702 0 0.1033 5.1972 5.26 13.97 43530.5804 0 0.0987 5.6155 3.46 12.67 53680.6363 0 0.0961 5.8229 2.56 0.0267.96 63850.7095 0.0025 0.0983 6.2599 1.82 0.4945.45 74030.8231 0.0061 0.1016 6.9327 1.27 4.89 84140.9426 0.0131 0.1178 8.0132 1.02 3.32 94271.3023 0.0347 0.1716 11.4061 0.79 1.99 104432.7969 0.1387 0.4076 25.9206 0.57 1.24 解算得4-2煤层煤样实验最短自燃发火期为22天，解算过程见表3-6。实验煤样最短自燃发火期计算表 表 3-6 NOt(i)(K)VO2(10-6mol/min)VCO(10-6mol/min)VCO2(10-6mol/min)q(J/kg.min)(m3/Kg)Wp(%)(d)12930.5661 0 0.1037 5.6664 11.48 4.04 23101.0386 0 0.1029 7.9643 8.17 11.78 33311.1790 0 0.0997 8.5710 5.37 11.69 43491.2020 0 0.0949 8.5603 3.75 9.97 53661.1729 0 0.0985 8.5531 2.67 0.04655.88 63831.1208 0.0080 0.0996 8.3368 1.90 0.88355.00 73981.0786 0.0105 0.0974 8.0846 1.41 4.29 84151.1284 0.0192 0.1761 10.6006 1.00 3.46 94291.5692 0.0596 0.3304 17.3316 0.76 2.36 104452.8720 0.1101 0.7150 34.8915 0.55 1.22 （4）小 结新窑煤矿3512工作面煤5层、4-1煤层和4-2煤层的自燃发火倾向及最短自燃发火期汇总于表3-7。表3-7 煤样自燃发火倾向及最短发火期煤样名吸氧量 （cm3/g干煤）自燃发火类别最短自燃发火期（天）煤5层0.66类自燃煤层24煤4-1层0.63类自燃煤层26煤4-2层0.81类自燃煤层223.2 煤层自燃发火外因影响煤层自燃发火的外因很多，但主要为煤层赋存条件、采煤方法、通风状况和掘进方式等。3.2.1 煤层赋存条件对煤层自燃的影响 新窑煤矿3512新窑煤矿综采放顶煤工作面开采煤5层，其平均厚度为10.19m，在煤5层上部4.87m的高度有煤4-2层，其平均厚度为3.5m，在煤4-2层上部约7.15m的高度还有煤4-1层，其平均厚度为3.06m，工作面推进后，不仅煤5层20%的浮煤留在了采空区，而且当采空区老顶垮落时，煤4-2层和煤4-1层也全部垮落到采空区，使采空区浮煤成倍增加，形成了近距离煤层群，实践证明，近距离煤层群比远距离煤层群和单一煤层更易自燃发火。3.2.2 采煤方法对煤层自燃发火的影响新窑煤矿3512工作面为低位放顶煤开采，使采空区浮煤成倍地增加，形成了多层易燃煤层采空区，使工作面采空区极易自燃发火，其自燃发火因素为：采空区浮煤呈立体赋存，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些浮煤；工作面撤架时不仅采空区易自燃发火，而且支架上部的4-2煤层松动煤层也易自燃发火。3.2.3 掘进方式对煤层自燃发火的影响新窑煤矿3512工作面的煤层赋存为近距离多层煤，在工作面巷道掘进时沿煤5层底板掘进，在巷道顶部有8m厚的煤5层，在煤5层上部4.87m处还有3.5m厚的煤4-2层。由于掘进时压力大，煤层软，不可避免地要经常发生巷道变形和冒顶，当压力大时，巷道产生松动圈，煤5层全部松动，当巷道压力特别大时，巷道产生大的冒顶区，巷道上部的4-2煤层也将产生松动，易发生碎煤氧化自燃，据统计，试验工作面在掘进期间，进、回风顺槽已发生高冒顶2次，其中有1个高冒区还存在高温点。3.3 矿井自燃发火危险程度评价 评价新窑煤矿3512工作面的自燃发火危险程度，必须通过引起煤层自燃的内因和外因综合评价。 实验室对煤层自燃发火内因的考察表明：煤的自燃发火倾向鉴定虽然将煤5层的自燃发火倾向定为类自燃发火煤层，但煤层尚有其它自燃的内因：煤5层的吸氧量为0.66cm3/g干煤，接近0.70cm3/g干煤的类自燃发火煤层指标。煤种挥发分高，含氧量高，化学活性高，燃点低，自燃倾向性强。煤层软、易碎，易碎煤越多，其氧化性越强。煤5层上部的4-2煤层属类自燃发火煤层，比煤5层更易自燃发火。综上所述，煤层存在极易自燃发火的内因。 煤层自燃发火的外因分析和考察表明，新窑煤矿3512工作面尚存在以下极易引起煤层自燃的外因：煤层赋存条件为近距离多层煤；掘进方式为极易引起煤层冒顶的沿多层煤层底部掘进。工作面压力较大，使工作面推进度较慢。 综合新窑煤矿3512工作面煤层自燃发火的内因和外因，新窑煤矿3512工作面应定为类极易自燃发火工作面。3.4 工作面自燃发火规律 通过以上实验室对煤层自燃发火的研究，结合对试验工作面发火的考察，找出了煤层自燃发火期、氧化自热期、易自燃发火地点和易自燃发火时间等自燃发火规律。3.4.1 煤层自燃发火期在采掘过程中考察的煤层自燃发火期比实验室的堆煤实验考察更为准确，故对新窑煤矿近几年的自燃发火进行分析。 新窑煤矿在开采的历史中曾在巷道揭露煤层后25天出现过明火，共计2次，说明工作面所采煤层的自燃发火期为25天左右。3.4.2 易自燃发火地点通过对试验工作面自燃发火的统计，结合对煤层自燃发火的内、外因素的分析，提出以下地点为新窑煤矿3512工作面最易自燃发火地点： 巷道冒顶区 由于综采面进、回风顺槽沿近距离多煤层底部掘进，巷道压力大，且所掘煤层又为软煤层，因此在掘进过程中易产生高冒顶，在这些冒顶区中，碎煤居多，漏风后易发生氧化，且氧化发热的热量不易扩热，极易发生自燃。开切眼 开切眼为工作面最易发火的地点之一，其原因为：开切眼断面大，煤5层的顶煤和上部的4-2煤层和4-1煤层均属易自燃发火煤层，易产生松动圈或高冒区漏风氧化自燃；开切眼由于安装支架时间较长，一般都超过了煤层自燃发火期才开始回采，因此煤层易自燃；开切眼初采时支架移架后大量已达到发火期的煤炭被丢入采空区，增加了采空区发火的因素；开切眼由于尚未形成采空区，无法实施注氮防火。采空区氧化带深部工作面压力较大，推进度较慢，特别是碰到断层时推进度更慢，这样就使采空区氧化带浮煤在没有进入窒熄带时就达到其自燃发火期而氧化自燃。工作面采空区氧化带的深部为82m，煤层最短发火期为22天，如果工作面的月推进度没有达到82m，则采空区内氧化带的深部极易发生煤层自燃。例如，工作面2010年3月出现100ppm高浓度CO，就是由于工作面当月只推进50m，使采空区浮煤达到其最短自燃发火期后，仍然处在氧化带的范围内，从而使采空区氧化带深部的浮煤氧化发热。 巷道拐弯处巷道拐弯处巷道压力增大，易发生巷道冒顶，风流经过巷道拐弯处时，风向发生变化，风阻增加，易向巷道顶部冒顶区渗漏，使冒顶区易氧化自燃。 巷道断面突然缩小处巷道断面突出缩小，通常是由于支架失修，煤壁变形外移，使断面缩小，但支架的残余支撑力又能防止破碎煤体坍塌。这种断面突然缩小造成的局部通风阻力所产生的风压差更容易在煤壁裂隙内形成渗透流场。在渗流场内，空气流动速度会呈现紊流区、层流区、直至流速为零的有序分布。由于风流路径短，易自燃风速在裂隙内将非常稳定，极易发生自燃。3.4.3 易自燃发火时期 工作面初采时期在工作面初采时期，支架移架后，大量已达到发火期的煤炭被丢入采空区，采空区极易自燃。初采时，由于采空区沿走向范围窄，不能实施注氮注浆等防灭火措施，也给初采时采空区增加了自燃发火因素。试验工作面初采时，CO含量为6080PPm，高于正常回采。 工作面停采时期前面已述，新窑煤矿3512工作面煤5层、4-1煤层和4-2煤层最短自燃发火期分别为26d、24d和22d，工作面撤架或其它故障使工作面停采，均容易使采空区浮煤达到氧化自热期，进而发展为煤层自燃。 工作面推进度放慢时期试验工作面在风量为700m3/min时，在不注氮气时，其采空区窒熄带约为采空区82m以里，煤层最短自燃发火期为22d26天，为此，工作面只要每月推进度大于100m/月时，就不易自燃发火；当工作面推进度放慢，少于100m/月时，则易发生煤层自燃。4、 火灾预测预报技术煤从低温氧化开始到自燃火灾的发生，要经过一个发展过程，在这个自燃过程中，煤与氧的反应，从缓慢到激烈，要经历低温氧化、自热二个阶段，才能进入燃烧状态。矿井火灾预测预报就是利用煤在氧化自燃发展的各个过程的不同特征，及早发现并正确判断煤的自燃状态及地点。4.1 火灾预测预报标志气体的选择在煤氧化自燃过程中生成，并能用来预报煤炭自燃发火的气体称之为指标气体。煤在热解过程时要产生多种气体，且各种气体产生的最低温度，以及气体生成量和煤温之间的关系因煤质不同而异。因此，通过试验优选适合的指标气体为煤炭自燃火灾早期预报提供了必要的前提条件。4.1.1 指标气体优选原则为了使预报自燃发火更为及时准确，所选择的指标气体必须具备下列条件：（1）灵敏性：煤矿井下一旦有煤炭处于自燃或自燃状态，且煤温超过一定值时，则该气体一定出现，其生成量随煤温升高稳定增加；（2）规律性：指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系，且重复性好；（3）可测性：普通色谱分析仪能检测到指标气体的存在。4.1.2 实验设备指标气体实验系统图如图4-1所示，其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。气体分析仪质量流量控制器煤样罐程序控温箱控制键盘及显示面板空气测温元 件图4-1 指标气体实验系统图4.1.3 实验过程（1）煤样选取煤样选取后，经密封储存邮运至实验室。采样前先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出4080目的颗粒50g作为实验煤样。（2）实验过程将50g粒度为4080目的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。测试时向煤样内通入50ml/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度时，恒定温度5分钟后采取气样进行气体成分和浓度分析。4.1.4 指标气体分析新窑煤矿3512工作面煤5层、煤4-1层和煤4-2层煤样升温氧化过程中气体产物及其浓度变化分别见表4-1、图4-2，表4-2、图4-3，表4-3和图4-4。 节煤5层煤样升温氧化过程中气体浓度及临界温度 表4-1煤样及进气温度（）O2（%）CO（PPm）CH4（PPm）CO2（PPm）C2H4（PPm）C2H6（PPm）C2H2（PPm）C3H8（PPm）TcminTcmaxTa11111118.17 0 0 322.6 000016233418.17 0 0 326.5 000025395417.88 0 0 326.8 000039567317.87 0 0 332.6 000053749117.80 0 0 342.6 0000648910617.80 7.0 0 428.6 00007310512217.70 16.6 0 438.9 00008612313717.70 43.9 0 542.4 000010514215317.38 128.6 0 865.1 000014819016915.31 1414.9 6.5 5363.4 2.81.304.92042971883.42 8494.2 4039.5 40295.0 255.2 259.55.5256.93314242082.05 8619.1 3692.8 42508.0 181.3268.93.4252.5 煤样最低温度、最高温度和进气温度对应关系图4-2 煤5层煤样CO、C2H4和C2H2随时间变化曲线煤4-1层煤样升温氧化过程中气体浓度及临界温度 表4-2煤样及进气温度（）O2（%）CO（PPm）CH4（PPm）CO2（PPm）C2H4（PPm）C2H6（PPm）C2H2（PPm）C3H8（PPm）TcminTcmaxTa11111118.14 0 0 324.9 000015213318.01 0 0 329.2 000023355317.99 0 0 336.6 000037527317.99 0 0 403.7 000051688917.95 12.7 0 426.7 0000668410617.77 31.6 0 530.8 0000799912117.71 50.4 0 673.4 00009211613517.53 96.7 0 932.9 000011614015317.07 261.6 0 1659.0 000017021916912.84 4802.6 731.9 21566.0 96.7120.0 2.0 152.42194011861.30 9298.6 5126.7 42294.0 899.0 1003.122.71252.83124712060.68 7659.6 7085.8 42929.0 952.7198.731.91297.1煤样最低温度、最高温度和进气温度对应关系图4-3 4-1煤层煤样CO、C2H4和C2H2随时间变化曲线煤4-2层煤样升温氧化过程中气体浓度及临界温度 表4-3 煤样及进气温度（）O2（%）CO（PPm）CH4（PPm）CO2（PPm）C2H4（PPm）C2H6（PPm）C2H2（PPm）C3H8（PPm）TcminTcmaxTa23232320.90 0 0 334.7 000026334120.87 0 0 312.0 000034485920.84 0 0 349.8 000047678020.79 0 0 355.4 000059829520.76 0 0 361.0 0000769911220.72 9.8 0 386.2 00009611713020.66 25.0 0 417.9 000010912514120.60 55.2 5.7 497.8 000012914315420.43 151.0 7.6 747.9 000016118417019.73 627.2 28.3 1842.3 1.66.904.11993081837.44 8451.4 8088.7 30678.0 443.7827.6 6.8523.43145111977.27 9284.4 11367.0 33673.0 336.5176.729.8382.5 煤样最低温度、最高温度和进气温度对应关系图4-5 4-2煤层煤样CO、C2H4和C2H2随时间变化曲线由升温氧化实验结果看出：煤升温氧化气体产物的生成规律是，一氧化碳（CO）出现的最早，其次是乙烯（C2H4），最后出现的是乙炔（C2H2）。CO是煤在氧化过程中出现的最早的氧化气体产物，并贯穿于整个氧化过程。C2H4的出现，表征煤已进入了加速氧化阶段，对应温度超过120。C2H2的出现，表征煤已进入剧烈氧化阶段，对应温度超过200。首选的自燃标志气体是CO，可采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标，结合C2H4和C2H2相对量进行自燃状态预测预报。4.2 火灾预报指标根据国内外煤矿火灾预测预报的考察数据，新窑煤矿3512工作面早期预报煤层自燃的CO含量指标为：当工作面上隅角或支架上部出现一氧化碳，其含量向上递增，达到60PPm时；一氧化碳含量波动和变化，达到80PPm时；工作面采空区内出现乙稀。4.3 火灾预测预报体系4.3.1 矿井火灾常规检测矿井火灾束管监测系统和传感器监测系统虽然是现代化的先进监测系统，但工作面有的地方不便设置传感器和束管测点，而且当这两个系统发生故障时也将严重防碍火灾的预报，为此，矿井火灾常规检测是新窑煤矿3512工作面最重要的火灾预报检测手段之一。常规检测以瓦检员每班巡回检测为主，防灭火专业人员重要地点检测为辅。瓦检员每班用便携式仪器检测工作面有关地点的气体浓度和温度值。一氧化碳气体采用快速一氧化碳检定管、通过变色环的长度测定一氧化碳浓度，或采用便携式CO化学测定仪测定CO气体。温度采用红外测温仪测定结合水银温度计测定。二氧化碳和甲烷的检测用光学瓦斯检定器测定混合瓦斯浓度和甲烷浓度。正确选择气体检测地点，是火灾预报是否及时，是否准确的关键。回风顺槽是工作面所有气体必经之地，所以回风顺