第七章 矿山自燃火灾事故与安全

1、 常见自燃物质常见自燃物质 工农产品工农产品 滤布 、稻草 煤、硫矿石 油布、油绸、 油纸、漆布、 蜡布、蜡管， 油棉麻、桐油 黄磷、三丁 基硼 矿矿 石石 油类物质油类物质 化学物品化学物品 1. 1. 煤矿自燃机理煤矿自燃机理 2. 2. 煤矿自燃早期发现煤矿自燃早期发现 一一 煤矿自燃与防治煤矿自燃与防治 3. 3. 煤矿自燃防治煤矿自燃防治 1. 1.研究现状研究现状 2.2.火灾机理火灾机理 3.3.自燃火灾发展过程自燃火灾发展过程 1.煤炭自燃火灾现状与趋势 有煤炭自燃倾向的矿井：56% 有自燃发火危险的煤层：60% 自燃火灾占矿井火灾总数：70% 趋势：综采放顶煤开采技术，火灾更

2、频繁 黄铁矿作用学说黄铁矿作用学说 煤层中的黄铁矿 (FeS2)与空气中 水份和氧发生热 反应引起 细菌作用学说细菌作用学说 在细菌作用下， 煤在发酵过程中 放出热量引起 酚基作用学说酚基作用学说 煤体内不饱和的 酚基化合物与空 气中氧反应，放 出热量引起 煤氧作用学说煤氧作用学说 在空气中氧作用 下，煤氧化放出 热量引起 ？ 自燃期自燃期 燃烧期燃烧期 潜伏期潜伏期 潜伏期潜伏期自燃期自燃期 燃烧燃烧 温温 度度 70 时间时间 0 T 临界温度临界温度 煤炭自燃过程煤炭自燃过程 潜伏潜伏自热自热燃烧燃烧 煤炭自热温度煤炭自热温度 v 自热温度自热温度 煤加速反应的临界温度。达到了该温 度点

3、后，氧化产热量高于散热量，导致环 境温度上升，氧化速度增加，并又产生更 多的热量。 v 影响因素影响因素 煤的产热能力与蓄热环境。 煤炭自燃条件煤炭自燃条件 v 煤具有自燃倾向性煤具有自燃倾向性 v 有连续的供氧条件有连续的供氧条件 v 热量易于积聚热量易于积聚 v 足够的时间足够的时间 煤炭着火点温度煤炭着火点温度 v 着火点温度着火点温度 煤自发燃烧的最低温度。达到了该温 度点后，煤炭开始燃烧。 v 主要煤炭着火温度主要煤炭着火温度 400320380270350 无烟煤无烟煤烟烟 煤煤褐褐 煤煤 1. 1.煤的自燃倾向性煤的自燃倾向性 2.2.地质采矿影响地质采矿影响 煤自燃危险程度煤自

4、燃危险程度 v 煤自燃危险程度煤自燃危险程度 （1）煤的自燃倾向性 （2）地质采矿因素 （3）自燃发火期 1. 煤的自燃倾向性煤的自燃倾向性 1.1.煤变质程度煤变质程度 2.2.煤的水分煤的水分 3.3.煤岩成分煤岩成分 4. 4.煤的含硫量煤的含硫量 5.5.煤的粒度煤的粒度 6.6.煤瓦斯含量煤瓦斯含量 煤炭自燃倾向性煤炭自燃倾向性 v取决于常温下煤的氧化能力和发热能力。不同的 煤自燃倾向性不同,是采矿安全设计的基础。 v自燃倾向性分类：容易自燃、自燃、不易自燃。 v规程要求：新建矿井与延深新水平所有煤层 的自燃倾向性要进行鉴定。 火温度法火温度法 色谱吸氧法色谱吸氧法 煤自燃倾向影响因

5、素煤自燃倾向影响因素 （1）煤的变质程度煤的变质程度 碳化程度越高，煤体内的活性结构越少。 所以煤的变质程度越低，煤自燃倾向性越大。 褐煤最易自燃，无烟煤最不易自燃，烟煤介于 之间。 烟煤的煤化度： 长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤 煤自燃倾向影响因素煤自燃倾向影响因素 （2）煤的水分）煤的水分 自热时，水分的催化作用随着温度的增自热时，水分的催化作用随着温度的增 加增大（雨后地面煤堆，灌水灭火疏干）。加增大（雨后地面煤堆，灌水灭火疏干）。 水分是水分是FeSFeS2 2反应的必要条件。反应的必要条件。 自热时水分生成蒸气要消耗热量，所以自热时水分生成蒸气要消耗热量，所以 湿度太大，温

6、度难以上升。湿度太大，温度难以上升。 煤自燃倾向影响因素煤自燃倾向影响因素 （3）煤岩成分）煤岩成分 煤岩成分：丝煤、亮煤和镜煤、暗煤煤岩成分：丝煤、亮煤和镜煤、暗煤 丝煤丝煤：结构松散，着火点低（190- 270），最易自燃，引火作用。 镜煤镜煤/ /亮煤亮煤：脆性大，易破碎，而且灰分 少，常充填有黄铁矿，易自燃，利于自燃的 发展。 暗煤暗煤：硬度大，不易自燃。 煤自燃倾向影响因素煤自燃倾向影响因素 （4）煤的含硫量）煤的含硫量 硫存在形式：FeS2、有机硫以及硫酸盐 黄铁矿：黄铁矿比热小，吸附相同氧量，温 度增值比煤大3倍。低温氧化时产生硫酸铁和硫 酸亚铁，使煤膨胀松散，促煤更易氧化自燃。

7、煤 中含黄铁矿越多，越易自燃。含硫3%以上的煤层 均为自燃发火煤层。 煤炭自燃倾向影响因素煤炭自燃倾向影响因素 （5）煤破碎程度）煤破碎程度 n 完整的煤体不会自燃，破碎后表面积增大、 着火温点降低，自燃性能显著提高。 煤粒直径=1.52mm，着火点330360； 粒度直径1mm，着火点低到190220。 n 煤的自燃性随着破碎度的增加而上升。 煤自燃倾向影响因素煤自燃倾向影响因素 （）煤的瓦斯含量（）煤的瓦斯含量 v瓦斯含量较高的煤，含有大量的吸附瓦斯， 使煤与空气隔离，氧气不易与煤表面发生接 触，使煤炭不易自燃。 v当煤中残余瓦斯量5m3/t时，煤难以自燃。 但在瓦斯的放散后，自燃特性就再

8、现出来了。 2. 地质采矿对煤自燃的影响因素地质采矿对煤自燃的影响因素 1.1.地质赋存条件地质赋存条件 2.2.开拓采矿开拓采矿 3.3.通风条件通风条件 煤自燃地质采矿影响因素煤自燃地质采矿影响因素 （）地质赋存条件（）地质赋存条件 v厚度大：回采时间长，大量残矿 v倾角大：封闭困难，大量残矿 v地质构造复杂：破碎易吸氧、氧化 v顶板坚硬：煤柱易压碎，冒落空区不密实 煤自燃地质采矿影响因素煤自燃地质采矿影响因素 （2）开拓与采矿）开拓与采矿 v 开拓 切割煤层越多，自燃发火危险性越大。 v 采矿 矿石损失越大、回采时间越长，危险性越大 煤自燃地质采矿影响因素煤自燃地质采矿影响因素 （3）通

9、风漏风）通风漏风 v 采空区：残矿、裂缝煤柱、裂缝煤壁 v 工作面：大量堆煤 v 措施：堵塞、降低风压 （4）煤的瓦斯含量）煤的瓦斯含量 瓦斯或者其它气体含量较高的煤， 由于其表面有大量的吸附瓦斯，煤与空 气隔离，不易氧化。在吸附瓦斯量 5m3 /t时，煤才会自燃。 煤自燃地质采矿影响因素煤自燃地质采矿影响因素 1.1.煤自燃阶段征兆煤自燃阶段征兆 2.2.煤自燃早期识别煤自燃早期识别 1. 煤自燃阶段征兆煤自燃阶段征兆 1. 1.自热自热初期初期阶段征兆阶段征兆 2.2.自热自热后期后期阶段征兆阶段征兆 煤自燃初期征兆煤自燃初期征兆 （1）初期征兆）初期征兆 自热潜伏期结束后进入自燃初期。

10、煤炭自燃发展有一个过程。主要征兆为： 煤温度升高，但在临界温度以下 空气中氧浓度降低 空气中相对湿度较大 出现CO、CO2 煤自燃初期征兆煤自燃初期征兆 （2）自热后期征兆）自热后期征兆 自热温度超过临界值，但未达到明火 燃烧温度，为自热后期。主要征兆为： 火源处空气湿度大、雾气、煤壁出汗 出现煤炭氧化物：CO、CO2、甲烷等 煤温、水温、空气温度升高 水酸度增大 2. 煤自燃早期识别方法煤自燃早期识别方法 1. 1.直接测试方法直接测试方法 2.2.测试分析法测试分析法 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 1. 直接测试方法直接测试方法 煤炭自燃发展有一个过程。初期发现， 可阻止发展，避免酿成火灾

11、。其自燃有明显 的外部特征，可采用直接测试的方法测定。 主要测试方法为： 人的感觉 气味测定 温度测定（空气、围岩） （1）人的直接感觉）人的直接感觉 煤自燃的初期阶段煤自燃的初期阶段 嗅觉：煤油、芳香味、非饱和碳氢化合物 视觉：水蒸气、表面水珠、烟雾 触觉：头痛、闷热、精神疲乏 根据人的感觉，是最快捷、最简便的方法。根据人的感觉，是最快捷、最简便的方法。 （2）气味剂测试法）气味剂测试法 v气味胶囊：气味胶囊： 封装有低沸点、高蒸汽 压、浓烈气味的液态物质 （硫醇和紫罗兰酮）（硫醇和紫罗兰酮）（硫醇和紫罗兰酮） v测试方法测试方法： 将其埋在测点，温度升 高，胶囊破裂发出特殊气味。 煤自燃早

12、期识别煤自燃早期识别 气味？气味？ 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 v 气味测试剂气味测试剂 紫罗兰酮紫罗兰酮 黄色液体（香精），沸点140 147。有浓郁甜花香或松木香。 硫硫 醇醇 无色液体，沸点36.2。有强烈 大蒜气味（空气中浓度达到500亿 分之一）；吸入引起头痛、恶心。 （3）温度测试方法）温度测试方法 v直接测定直接测定：将温度传感器传感器放入钻孔中或埋在采 空区内测定煤岩体温度（热电偶热电偶和热敏电阻热敏电阻） 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 温度传感器温度传感器 传感器传感器 测试仪器测试仪器 温度直接测定温度直接测定 （3）温度测试方法）温度测试方法 v间接测温间接测温：将无线

13、电或红外辐射仪传感器传感器埋入 测点，通过无线电信号、红外辐射测定热量 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 传感器传感器 接收机接收机 测定热量推测温度测定热量推测温度 2、测定矿内空气和围岩温度、测定矿内空气和围岩温度 v风风 速速：太小、太大或太远，影响气味 v仪器易损坏仪器易损坏：顶板垮落、底板开裂 v火源远火源远：煤的热传导能力弱，热量影响 范围小（1m） v湿度大湿度大：结果可靠性差 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 （4）直接测试方法存在问题）直接测试方法存在问题 测试法操作简便，但有以下问题： 2.测试气体分析法测试气体分析法 v煤炭自热时产生的煤炭自热时产生的COCO、COCO2 2，是

14、分析火，是分析火 灾变化趋势的主要指标。灾变化趋势的主要指标。 v测出这些变化值，除以氧气的消耗量，测出这些变化值，除以氧气的消耗量， 即获得新鲜空气被稀释影响。即获得新鲜空气被稀释影响。 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 气体浓度和煤温的关系气体浓度和煤温的关系 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 乙烷乙烷 乙烯乙烯 丙烯丙烯 无味无味 弱弱 中等中等 强烈气味强烈气味 COCO H2 ppm 返回返回 v原始氧气比值原始氧气比值 K= （氧气比例/惰性气体比例） =20.93%/79.04% =0.2648 v氧气减少量氧气减少量 00 / NO 222 2648. 0ONO 煤自燃早期识别煤自燃早

15、期识别 （1）氧气减少量）氧气减少量 原始原始O0现在现在O2 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 v机理：机理：CO生成温度低，生成量大，并 且生成量随温度升高按指数规律增加 vCOCO指数指数：CO/O2 （英国学者Ivon Graham提出） v优点：优点：反映自燃火灾灵敏，比其它方 法早数周，并且不受风量影响 （2）CO指数（指数（ICO） CO指数特点与不足指数特点与不足 v比值持续比值持续0.50.5：有自热现象。 v氧气消耗量小：氧气消耗量小：精度低 v非火灾非火灾COCO影响：影响：CO采空区、空气 （通常比值0.5） 煤自燃早期识别煤自燃早期识别 （2）CO2指数指数 v机理：机理

16、：火灾会产生大量的CO2，同时，在阴燃 转为明燃时，CO还会燃烧成为CO2 vCOCO2 2指数：指数：CO2/O2 v特点：特点： CO2/O2 CO/O2 。在CO2/O2 升高、CO/O2降低时，表明正向燃烧发展 vCOCO2 2：易溶于水中，不稳定 煤自燃的初期阶段煤自燃的初期阶段 （3）碳氧化物比值）碳氧化物比值 v碳氧化物比值：碳氧化物比值：CO/CO2 v机理机理：可：可显示火灾发展状况。初期该比值 上升；充分燃烧时，为一个常数。 v特点：特点：当火灾形成富燃料燃烧时，CO/CO2 值会快速增加（如煤炭、瓦斯与其它参与 燃烧）。 煤自燃的初期阶段煤自燃的初期阶段 火灾监测系统火灾

17、监测系统 测点取样 粉尘过滤器 井下至地面管线 气体分析仪气体分析仪 计算机计算机听觉警报听觉警报听觉警报听觉警报数字显示数字显示图表显示图表显示 试样选择器试样选择器 程序控制试样校对 1111 多余气体 水分捕捉器 CO/CO2 1. 1. 高温自燃火灾机理高温自燃火灾机理 2. 2. 氧化发火影响因素氧化发火影响因素 二二 高硫高温矿山高硫高温矿山 2. 高硫高温矿山火灾机理高硫高温矿山火灾机理 1.1.火灾机理火灾机理 2.2.硫铁矿性质硫铁矿性质 3.3.硫铁矿放热反应硫铁矿放热反应 1、火灾机理、火灾机理 v机理机理：高硫高温矿床由于硫化物硫化物 氧化而大量积聚热量，导致矿石 自热

18、发火燃烧。 高硫高温矿山火灾机理高硫高温矿山火灾机理 高硫高温矿山火灾机理 2、硫铁矿性质、硫铁矿性质 v物理物理：晶体呈立方体、十二面体，呈金黄色或 浅黄铜色，硬度6-6.5，密度4.9-5.2g/cm3。 v化学化学：弱导电性，溶于硝酸，不溶于水和稀盐 酸，容易氧化，燃烧时发 出SO2臭味。 v特点特点：常与有色金属共生， 可用于制硫酸, 硫磺。 高硫高温矿山火灾机理高硫高温矿山火灾机理 品种颜色比重硬度延展性结晶 黄金金黄色19.322.5好立方体 黄铁矿淡金黄色6.55差无 硫铁矿与黄金的物理性质差别硫铁矿与黄金的物理性质差别 高硫高温矿山火灾机理高硫高温矿山火灾机理 高硫高温矿山火灾

19、机理高硫高温矿山火灾机理 2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4+Q1 FeS2+3O2=FeSO4+SO2+Q2 12FeSO4+6H2O+3O2 4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q3 3、硫铁矿氧化反应、硫铁矿氧化反应 待续待续 高硫高温矿山火灾机理高硫高温矿山火灾机理 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+Q4 FeSO4+FeS2+2H2O+3O2 3FeSO4+2H2SO4+Q5 2SO2+O2+2H2O=2H2SO4+Q6 3、硫铁矿氧化反应、硫铁矿氧化反应 上述化学反应中不断产上述化学反应中不断产 生大量热量，如不能及时生大量热量，如不能及时 扩

20、散，积聚热量促使温度扩散，积聚热量促使温度 升高，就会引燃周围可燃升高，就会引燃周围可燃 物导致火灾物导致火灾 2. 硫氧化发火影响因素硫氧化发火影响因素 1.1.地质赋存条件地质赋存条件 2.2.开拓采矿开拓采矿 3.3.通风条件通风条件 LOGOLOGOYour Site Here 氧化发火影响因素氧化发火影响因素 v 1 1矿石含硫量矿石含硫量 含硫：含硫：1520%有发火可能有发火可能 含硫：含硫：4050%发火危险性最大发火危险性最大 矿岩中含炭、自然硫危险性更大矿岩中含炭、自然硫危险性更大 LOGOLOGOYour Site Here 燃点（燃点（） 含硫（含硫（%） 自然硫（自然硫（%） 名名 称称 1234 矿矿石含硫石含硫与与燃点燃点关关系系 黄铁矿 黄铜矿 旧坑木 新坑木 36.4 32.2 341 350 140 210 1.77 0.20 氧化发火影响因素氧化发火影响因素 LOGOLOGOYour Site Here 2.2.矿石赋存地带矿石赋存地带 次生富集带经轻微次生富集带经轻微 氧化，矿石疏松多孔，氧化，矿石疏松多孔， 空气接触面大，矿石易空气接触面大，矿石易 氧化。氧化。 氧化发火影响因素氧化发火影响因素 铁帽铁帽 淋蚀带淋蚀带 次生富集带次生富集带 原生带原生带 LOGOLOGOYou