矿井火灾的预测预报

矿井火灾的预测预报第1页，共149页，2023年，2月20日，星期一第一节煤矿井下易发火地点

采空区停采线和开切眼进、回风巷构造带通风设施附近

认识煤自燃在发生地点方面的规律和特点为煤自燃的预测预报工作提供了较好的依据，现场人员可以对相关地点进行有针对性的监控，防患于未然。

第2页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区采空区三带分布图Ⅰ不自然带（5m~25m）Ⅱ自燃带(25m~65m)Ⅲ窒息带

采空区是煤矿井下较易发生煤炭自燃的区域之一，据统计，国有重点煤矿采空区内发生的煤炭自燃占煤自然发火总数的60%

原因：采空区存在遗煤、工作面后方存在漏风

从自然发火的角度出发将采空区划分为三带：“不自燃带”(散热带)、“自燃带”和“窒息带”第3页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区三带划分的原因不自燃带（散热带）

该区域虽有遗煤堆积，但由于顶板冒落的岩块呈松散堆积状态，孔隙大，且漏风强度大，煤氧化放出的热量被及时带走而无法聚积，再加上浮煤与空气接触时间尚短，所以一般不会发生自燃。自燃带（氧化自热带）

该区域由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，风阻增大，漏风强度减弱，遗煤氧化产生的热量不断聚积，并可能最终导致煤自燃的发生，故称自燃带。自燃带的宽度受顶板岩性、冒落岩石块度、压实程度、工作面端点通风压差等因素的综合制约。窒息带

自燃带之后的大部分采空区为窒息带，该区域内冒落岩块已基本压实，漏风基本消失，氧气浓度下降而无法维持煤氧化自燃过程的持续发展。如果自燃带已经发生煤自燃，那么随着工作面的推进，自燃带进入窒息带后，已经发展起来的遗煤自燃会因缺氧而熄灭。另外，窒息带的岩石导热会使煤体在处于自燃带时蓄积的热量逐渐散失，遗煤温度将逐步恢复至正常水平。第4页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区控制自燃带的宽度和使自燃带快速进入窒息带的方法：加快推进速度，让自燃带快速进入窒息带防治煤自燃，这是最直接的方法降低工作面风阻或者进出口端点的通风压差；对采空区洒浆以填充其中的孔隙，注水促进再生顶板形成，增大采空区的漏风风阻。

第5页，共149页，2023年，2月20日，星期一自燃三带的主要划分指标氧气浓度采空区漏风流速不自然带O2＞15%流速＞0.24m/min自燃带5%≤O2≤15%0.1m/min≤流速≤0.24m/min窒息带O2＜5%流速＜0.1m/min第6页，共149页，2023年，2月20日，星期一自燃三带的划分指标根据氧气浓度划分

根据氧气浓度划分采空区“三带”是目前最常用的方法

不自燃带：O2%＞15%。该区域具备充足的供氧条件，但由于漏风大造成煤氧化自燃初期产生的微小热量随风散失，煤的氧化过程始终停留在缓慢发展阶段，不易发生煤自燃现象。应该指出的是，以氧气浓度作为界定不自燃带和自燃带的指标，并不是因为氧气浓度大于某一特定值而不能自然发火，而是由于该区域的漏风风速过大带走了氧化生成的热量所致，因此不自燃带也常称为“冷却带”或“散热带”。自燃带：15%≥O2%≥5%。该区域既具备充足的供氧条件，又由于漏风量较小，氧化蓄热环境较好，煤的氧化自热过程得以持续进行，最终导致煤自燃的发生。窒息带：O2%＜5%。该区域由于缺氧，煤氧化自燃过程将无法进行。从图可以看出，按氧气浓度指标划分，采空区内存在明显的“三带”区域。山西大同忻州窑矿8916面采空区第7页，共149页，2023年，2月20日，星期一自燃三带的划分指标根据采空区漏风流速划分

漏风流速划分采空区“三带”的依据参数主要通过计算机数值模拟得到根据采空区漏风流速划分的“三带”范围

采空区的漏风强度能够在一定程度上反映自燃“三带”特性，但在现场实际测定过程中，由于采空区内设点困难、测量仪器精度不足、采空区风流方向的不可预见性等因素的影响，测定过程往往无法进行或结果可信度较低。因此，该划分标准一般不被采用。第8页，共149页，2023年，2月20日，星期一自燃三带的划分指标根据采空区温度划分

除了以上两个采空区“三带”划分指标外，有人也提出了将采空区内的温度变化作为“三带”划分的依据。实际上，温度不宜作为划分“三带”的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都会上升到某一确定的值。一定条件下自燃带内的遗煤存在自然发火的可能性，但并不表现为很快会升温自燃，在一定时间内采空区内的温度不上升并不能认为“三带”不存在。因此，采空区内的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。第9页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区三带的测定1、采空区自燃“三带”划分依据：

以氧气浓度为主，温度变化曲线为辅，参考其他气体变化曲线与采空区流速模拟分析。2、测点布置：

全面布置法、局部布置法3、测定参数：温度、气体成分4、测定仪器：

气体成分：束管、气相色谱仪、抽气泵、球心。温度：AD590恒流源温度传感器、热电偶、导线、测温仪表。5、取样：

每日一次取样对气体成分，温度进行化验分析，同时记录回采工作面进度。6、分析：

气体成分、温度曲线、O2曲线、CO曲线、采空区自燃“三带”图。第10页，共149页，2023年，2月20日，星期一局部布置法第11页，共149页，2023年，2月20日，星期一全面布置法第12页，共149页，2023年，2月20日，星期一束管气体测试第13页，共149页，2023年，2月20日，星期一抽气泵气体测试第14页，共149页，2023年，2月20日，星期一气相色谱仪气体测试第15页，共149页，2023年，2月20日，星期一为了防止测温线路、温度传感器和预设气体取样管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管，将测温导线和气体取样管置于保护套管内。保护套管的铺设一般按以下原则进行：①顺槽的保护套管沿回风顺槽铺设在上帮底部；②回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部溜子靠采空区侧。测试线路和传感器的保护1-2in保护套管；2-预设取样束管；3-测温导线；4-快速接头；5-热电偶；6-气孔；7-气体采样器第16页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体成分测定记录表

序号检测点取样时间气体成分（%）温度测点距工作面距离O2N2COCO2C2H6C2H2C2H41

2

3

4

5

CH4第17页，共149页，2023年，2月20日，星期一氧气浓度分析曲线第18页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面氧气浓度分布平面图

氧气浓度分析曲线第19页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面氧气浓度分布立体图

氧气浓度分析曲线第20页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面CO浓度分布平面图

一氧化碳浓度分析曲线第21页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面CO浓度分布平面图

第22页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面CO浓度分布立体图

第23页，共149页，2023年，2月20日，星期一温度曲线分析第24页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面温度分布平面图

温度分析第25页，共149页，2023年，2月20日，星期一工作面温度分布立体图

温度分析第26页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区“三带”范围图三带划分第27页，共149页，2023年，2月20日，星期一采空区“O”形圈在工作面推进过程中，由于矿压作用，上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙，另一类为竖向破断裂隙，离层裂隙分布呈现两阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层率下降，而采空区两侧离层裂隙仍继续存在。在顶板任意高度的水平内，第二阶段时，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶的“O-X”形破断边界相似，称之为采动裂隙“O”形圈第28页，共149页，2023年，2月20日，星期一“O”形圈的范围大小与采空区顶板的岩性有关，顶板碎胀系数Kp值越大，顶板冒落越充分，压实带范围越宽，采空区易发火区域就越小。东滩煤矿采空区顶板碎胀系数对压实带的影响模拟计算图

第29页，共149页，2023年，2月20日，星期一停采线和开切眼停采线和开切眼附近由于浮煤堆积量大、漏风严重等原因，往往容易发生煤炭自燃现象。据山东兖州矿区截止到2000年底的煤自然发火情况统计，该矿区7对矿井共发生自燃88次，其中停采线处20次，开切眼处2次，分别占自然发火总次数的22.7%和2.27%。据河南义马矿区1959~2004年的煤自然发火情况统计，停采线和开切眼处的自然发火次数占总次数的10%第30页，共149页，2023年，2月20日，星期一上区段停采线易自燃发火点示意图

停采线和开切眼U型通风无煤柱后退式开采停采线图为无煤柱开采工作面采空区的气体流动状态图，从图中可以看出，引起煤炭自燃的主要原因是由于上区段停采线排风汇密闭不好，存在严重的漏风。漏入采空区的风流经过上区段采空区汇集形成漏风汇，其中A、B流线之间的风流速度变大，故使该区域形成一个适合浮煤氧化聚热的易燃风速区，并以环带状围绕漏风区，环带的两端分别与停采线和采空区上部边界相连。又由于靠停采线的一侧采空区气体氧气浓度较高，而另一侧氧气浓度较低，所以在停采线附近相对更容易发生自燃。第31页，共149页，2023年，2月20日，星期一上分层停采线漏风状况

停采线和开切眼分层开采方式时，上分层的停采线

采用分层开采方式时，上分层的停采线位于下分层回采工作面进风巷的始端与回风巷的末端之间，即处于采场通风系统的始末端，该处风压差最大，容易形成持续时间较长的漏风通道。另外，在准备或回采下分层工作面时，工作面的进风巷均在上分层采空区下掘进，因此，进风巷假顶也会向上分层采空区产生连续漏风。而停采线处往往存在大量的遗煤，其在漏风状态下构成煤自燃的危险源。第32页，共149页，2023年，2月20日，星期一停采线和开切眼分层开采方式时，上分层的停采线

上分层停采线漏风状况

上分层停采线处的漏风状态图，由图可知，靠停采线的一侧的流线和风压等值线较密集，这说明该处漏风量较大，漏风压差大。该区域内，漏风风流流线的间距是变化的，流线始末端较密集，即风流速度大；中段稀疏，即风流速度小。根据煤自然发火的条件，可知其中某处的风流能够为煤自燃的发展提供适宜的通风供氧和蓄热条件，即存在“易自燃风速区”。当漏风量较大时，“易自燃风速区”靠近停采线中点处，反之则位于靠近停采线端点处。考虑到井下瓦斯涌出的影响，新鲜风流从停采线端点漏入后，沿风流前进的方向，瓦斯浓度将逐渐升高。若瓦斯涌出量较小，对漏风氧气浓度影响不大的话，靠停采线两端的“易自燃风速区”均容易发生煤炭自燃，否则，沿风流方向停采线下端的“易自燃风速区”可能会因氧气不足而沿风流反方向后移甚至不发生自燃。第33页，共149页，2023年，2月20日，星期一停采线和开切眼开切眼

综放开采时开切眼不放煤如果相邻的工作面进、回风巷向采空区的开切眼漏风邻近巷道的通道封闭不严，向采空区漏风

邻近巷道向开切眼漏风

第34页，共149页，2023年，2月20日，星期一进、回风巷道

进、回风巷道长期处于风流之中，也是煤矿井下易自然发火地点之一，这在个别矿区表现的尤为严重，如义马矿区1959~2004年期间共发生自燃火灾553次，其中发生在进、回风巷道的火灾218次，占火灾总数的39.4%；兖州矿区历年来统计结果的这一比例则为40.9%。根据发生原因的不同，工作面进、回风巷道的煤炭自燃又可分为保护煤柱自燃、巷道高冒区自燃和分层巷道假顶内自燃几种情况。第35页，共149页，2023年，2月20日，星期一进、回风巷道

1、保护煤柱自燃留煤柱保护区段巷道或无煤柱护巷采用留窄小煤柱的沿空掘巷方式时，在采动压力和地应力的作用下，煤柱容易被压裂、破碎或坍塌，形成大量的浮煤堆积，加之工作面端头回柱后冒落不彻底，留下漏风通道，容易发生煤炭自燃现象。厚煤层采用分层开采方式时，这一问题更加突出。分层开采时，往往将各分层巷道倾斜布置，煤柱压裂破碎后形成的碎煤在区段平巷处堆积起来，构成煤自燃隐患的物质基础。另外，该开采方式在煤层底板中设岩石集中平巷，通过联络巷与各分层的区段平巷连结，工作面推过后，落入采空区的联络巷容易形成采空区的漏风通道，漏入的风流大部分通过垮落的区段平巷流向工作面，易使区段平巷处的堆积遗煤发生自燃，特别是区段平巷与联络巷连结的部位，更容易发生煤炭自燃。第36页，共149页，2023年，2月20日，星期一进、回风巷道

2、巷道高冒区自燃

综放工作面的巷道一般都是沿煤层底板掘进，巷道顶部有比较厚的煤体。矿山压力都较显著的地方，在巷道施工完毕后，煤体原有的压力平衡被破坏，造成局部压力集中，形成高冒区。存在破碎的煤破碎区、离层区和断裂下沉区；其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，大约有2m～3m的浮煤呈自然堆积状态存在，巷道中的空气可以通过该区域的裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面与煤发生氧化反应。

暴露时间长高冒处的破碎煤体从冒顶形成以后就暴露在空气中，而该工作面剩余巷道的施工和煤层回采周期非常长，远远超过了煤的自然发火期，所以有足够的时间维持煤炭氧化自燃过程的发展。

高冒易自燃的原因高冒区冒落各区分布示意图第37页，共149页，2023年，2月20日，星期一进、回风巷道

2、巷道高冒区自燃

《煤矿安全规程》（2010版）第二百四十三条规定在容易自燃和自燃的煤层中掘进巷道时，对巷道中出现的冒顶区必须及时进行防火处理，并定期检查。1977年4越月4日，抚顺老虎台矿507采区5巷道发生瓦斯连续5次爆炸死亡83人的重大事故，就是在处理巷道冒顶发火的过程中引发的。第38页，共149页，2023年，2月20日，星期一进、回风巷道

3、分层巷道假顶内煤炭自燃

分层巷道采用内错式或重叠式布置，除第一分层外，其它各分层巷道都是在假顶下掘进。因此，在第二分层及其以下的分层巷道掘进和工作面回采期间，都会向上一分层采空区漏风，使上分层采空区中（特别是上分层垮落的进、回风巷道处）的浮煤发生氧化自燃。第39页，共149页，2023年，2月20日，星期一构造带

①构造带处由于煤层受张拉、挤压等作用，破坏了煤层原有的连续性和完整性，裂隙大量产生，煤体破碎，容易形成大量浮煤的堆积；②构造带附近漏风通道复杂，漏风严重，给煤氧化自燃提供了通风供氧条件；③构造带处一般具备良好的热量积聚环境。这些条件导致构造带附近区域煤自燃现象频繁发生。自然发火原因斜交断层造成的浮煤堆积

煤矿井下常见的地质构造形式主要有褶曲、断层、破碎带、陷落柱、岩浆入侵地区等

第40页，共149页，2023年，2月20日，星期一1959~2004年，河南义马矿区地质构造带附近区域的自然发火次数占发火总次数的7%；山东兖州矿区兴隆庄煤矿1984年~1995年间，该矿发生的24处自燃隐患或自然发火中，有15处发生在地质构造带附近。构造带

第41页，共149页，2023年，2月20日，星期一通风设施附近

1959~2004年，义马矿区风桥、风门、调风窗以及密闭等通风设施附近区域的自然发火次数占发火总次数的11%自然发火原因在通风设施安装及施工过程中煤巷周围形成了一定裂隙，之后在矿山压力的缓慢持续作用下，这些裂隙逐渐发育扩展，达到一定程度后，附近煤体具备了适宜的氧化蓄热条件，容易造成自然发火。对于建于假顶之下的通风设施，漏风情况更为严重，自然发火次数也相对频繁

假顶下设置通风设施后风流分布图1-风门；2-高温显现侧；3-易产生高温区第42页，共149页，2023年，2月20日，星期一溜煤眼以及瓦斯抽放孔等处也是极易发生煤炭自燃的地方，应该将这些区域也作为煤自燃预测预报的重点，进行实时监控并及时采取相应的防治措施，避免煤炭自燃灾害的发生。溜煤眼以及瓦斯抽放孔第43页，共149页，2023年，2月20日，星期一第二节煤自燃的早期识别与预报煤自燃的早期识别与预报是有效防治矿井内因火灾的基础《煤矿安全规程》第二百四十一条规定开采容易自燃和自燃的煤层时，在采区开采设计中，必须明确选定自然发火观测站或观测点的位置并建立监测系统、确定煤层自然发火的标志气体和建立自然发火预测预报制度。所有检测分析结果必须记录在专用的防火记录簿内，并定期检查、分析整理，发现自然发火指标超过或达到临界值等异常变化时，立即发出自然发火预报，采取措施进行处理。第44页，共149页，2023年，2月20日，星期一第二节煤自燃的早期识别与预报

人的直接感觉法测温预测预报法气体分析法

早期识别与预报煤自燃的方法有：第45页，共149页，2023年，2月20日，星期一人的直接感觉法嗅觉：煤炭氧化自热达到一定温度后会出现煤油味、汽油味和不饱和碳氢化合物发出的轻微芳香气味

,利用对这些气味的感应，则可以判断附近某个区域的煤炭可能已经发生自燃.

煤炭自燃指标气体和煤温的关系浓度/10-6煤温℃无气味CO微弱气味中度气味强烈气味氢气乙烷丙烷乙烯第46页，共149页，2023年，2月20日，星期一人的直接感觉法视觉

由于煤炭自热产生的水蒸气会在空气中形成气雾或者在煤壁和其它不经常有水滴的物体表面上形成细小的水滴，通常表现为煤壁“出汗”、支架上出现水珠等，这些都可以作为煤炭发生自热的危险特征而被观察到。但是，当冷热两股风流交汇时，也能出现雾气或水珠，对这种情况应加以区别。浅部开采时，冬季在钻孔口或塌陷区有时发现冒出水蒸气或冰雪融化现象，这表征对应区域可能发生了煤自燃现象。另外，煤炭氧化自燃过程的最后阶段将出现烟雾，人们可根据这些现象对煤自燃现象做出判断和处理。

第47页，共149页，2023年，2月20日，星期一人的直接感觉法感觉：煤炭自燃发展到一定阶段，可能会使环境温度升高和使附近空气中的氧气浓度降低，而且会释放出大量的CO、CO2、SO2、H2S等有毒有害气体，人们吸入后往往出现头疼、疲乏、昏昏欲睡、四肢无力等生理反应

煤炭自热点或自燃区域流过的水或空气，其温度通常较高，同样可为人所直接感觉。注意：利用人的直接感觉对煤自燃进行预测的方法对于培养职工的防火意识和煤自燃的早期识别具有一定的作用，但是，人的感觉往往带有很大的主观性，且受人的健康状况和精神状态的影响，准确度常常难以保证，故只能作为一种辅助的判别依据。第48页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

温度是确定煤炭自燃发展阶段的最可靠、最直观的重要参数，测定矿内空气和围岩的温度是煤炭自燃早期识别与预报的一个基本方法。该方法通过在钻孔内安设测温仪或温度传感器，或在某些区域布置温度传感器及其无线电发射装置，根据测定的温度或接收到的信号变化来判断是否发生煤炭自燃。

传感器测温法红外测温法热敏电缆法

第49页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

传感器测温法传感器测温法是将温度传感器布置在采空区、停采线等易自然发火区域，观测并分析这些区域温度的变化趋势，进而对煤炭自燃的发展阶段和发展趋势作出判断。传感器测温法的主要设备为温度传感器和温度测量仪。温度传感器分为热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、半导体温度传感器传感器测温法能够直接测取浮煤或煤岩的温度，但受测温传感器的布置位置、范围、数量、精度和使用寿命等因素的影响较大。第50页，共149页，2023年，2月20日，星期一AD590恒流源温度传感器1、AD590温度传感器AD590温度传感器为恒流源型温度传感器，与热电偶、热敏电阻等温度传感器的不同在于AD590采用恒流输出信号，精度高、误差小，采用双绞线作为测温导线，消除了线间电容的影响，因此检测精度不受井下测点距离长短的影响。特别是适应于远距离测定的特点，比其他类型的温度传感器更具优越性。2、AD590的测量范围温度测定范围为-55℃～+150℃、电源电压范围为4V～30V。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。AD590温度传感器采用专用仪表测温，检测仪表电路如图所示。

温度测试第51页，共149页，2023年，2月20日，星期一AD590温度传感器温度测试第52页，共149页，2023年，2月20日，星期一AD590测温仪表温度测试第53页，共149页，2023年，2月20日，星期一AD590温度传感器测试仪表原理图

温度测试第54页，共149页，2023年，2月20日，星期一热电偶测温的应用原理热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。②测量范围广。-50~+1600℃、③构造简单，使用方便。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，外有保护套管。1、热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。2、温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。温度测试第55页，共149页，2023年，2月20日，星期一温度测试第56页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温导线AD590恒流源温度传感器、热电偶温度测试第57页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温仪表温度测试第58页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

温度传感器的布置与温度测定（1）布置要求①安装温度传感器的位置选择要合理。其位置一般应设在自然发火危险性较大的采空区、停采线、开切眼、进回风巷道或通风设施附近等区域。②温度传感器的安装要符合设计要求，特别是钻孔角度和深度一定要能达到或者接近煤自燃高温点或隐患点。③温度传感器安装后，使用过程中应加强管理和维护，制定切实的保护措施。（2）布置方法温度传感器安装位置确定后，首先用钻机按要求打所需钻孔，然后在钻孔内安装10mm～15mm的套管或塑料管，其中放入温度传感器，用黄泥或其它材料封堵钻孔，待稳定2h～4h后即可进行温度测定。如果是在矿山压力大或者易垮落区域布置测温传感器，必须使用钢管等对导线和探头进行保护。（3）温度检测正常情况下每4d～5d对温度观测一次；当煤温达到45℃以上时每天测定一次，并制定相应的煤自燃防治措施。（4）温度的记录与处理每次测温要详细记录测定数据，并用相应的软件绘制测点温度随时间的变化曲线和某一时间测定区域的各测点的温度变化曲线，分析煤温的变化规律并对煤自燃的发展阶段作出判断。第59页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

传感器测温法

利用温度传感器检测煤体温度的方法具有预测可靠、直观的优点，得到了较为广泛地应用。

传感器测温法是点接触，预测预报的范围较小；传感器的安装、维护工作量大；温度传感器品种单一、稳定性差、成本高，使用寿命往往较短，且其测量精度有待进一步提高；采空区顶板的垮落或底板裂变易引起测温仪表和导线的破坏和折断，即使在用钢套管保护的情况下也易被损坏；由于煤体的热传导能力非常弱，放热影响的范围很小，有时钻孔即使已打到了火源边缘附近1m的范围内，也无法测知高温火源点的存在。优点局限性第60页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

传感器测温法现场应用美国、俄罗斯、英国、德国、波兰等国已成功地应用红外测温仪和红外热成像仪检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃。国内的兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪对煤壁温度进行了测定，以兖州矿区为例，20世纪90年代末，该矿区曾对所属的兴隆庄煤矿、东滩煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿、济二煤矿的煤巷进行了红外探测，共探测巷道21条，探测巷道长度16030m，发现自燃高温点7个。不足红外测温技术在煤矿现场的应用，为煤自燃预测预报工作提供了新的手段。但是，由于除了煤炭自燃会造成红外辐射能量场异常外，煤层原始地温、井下环境、巷道风量、井下机电设备、煤层内部结构异常等因素也往往会造成红外辐射能量场的异常，这些因素经常造成误判的发生。另外，由于煤体的热传导性能较差，热量影响的范围很小，加之当前红外测温技术受障碍物影响大，有效测温距离小（国内报道的最远探测距离为10m），当火源或高温隐患点离巷道表面较远时，红外辐射测温仪因感应不到热表面而显得无能为力。第61页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

红外测温法任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射。物体温度越高，辐射能量就越大。红外测温法即是利用这一原理对煤体温度进行测定的，当煤矿井下存在自燃隐患点时，往往会在附近形成红外辐射能量场，煤体温度越高，红外测温仪器接受辐射能量而转换的辐射温度就越高，据此可对煤自燃的发展程度作出判断。原理第62页，共149页，2023年，2月20日，星期一测温预测预报法

热敏电缆法热敏电缆由双股外表涂有热敏材料的导线绞结而成。通常温度下，热敏材料处于绝缘状态，当温度超过某一预先设定值时，两根导线间的绝缘状态受到破坏，从而对煤自然发火作出预报或报警。应用热敏电缆能够进行无间断点的连续沿程监测，但该方法也存在以下缺陷：①热敏电缆为定温感测，即当温度达到或超过某一定值时，才能发出预测预报信号，而此前与之后的温度变化特征则无法测知；②热敏电缆测定温度往往是以空气为介质通过热辐射的方式进行，但热敏电缆外层绝缘护套大大削弱了其感受热辐射的能力，使其反应迟钝；③热敏材料导通后是不可恢复的，需要及时更换局部或全部热敏电缆，维修工作量大；④热敏电缆的连接和接头处理也比较麻烦。这些缺陷的存在，在一定程度上限制了热敏电缆的推广应用。第63页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体分析法

煤的自然发火过程可分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。气体分析法就是根据煤矿井下某些气体成分的存在及其浓度变化特征来识别煤炭自燃的发生及其发展程度的，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法。指标的种类指标的选用气样的可靠性判断

第64页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体分析法

指标的种类煤氧化所产生的气体成分：CO、C2H4、C2H6、C3H8、C2H2等气体

煤氧化产生气体的浓度变化或气体之间的比值关系：格雷哈姆系数、ΔO2、链烷比、C/H、烃指数等。第65页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类一氧化碳（CO）一氧化碳在煤氧化自燃过程中出现较早、生成量较大、浓度增长速度也较快，其浓度与煤体温度之间存在明显的对应关系，是煤炭自然发火早期预测预报非常灵敏的指标气体。CO产生量与煤温度的关系曲线

由于CO的初始产生温度比较低，持续温度范围宽，绝对生成量大，只要煤矿井下检测出CO气体持续存在，且浓度不断稳定增加，就可判断此测点风流的上风侧存在高温隐患点或存在自燃火源。气体分析法

第66页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类一氧化碳（CO）气体分析法

CO指标在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。另外，由于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。

第67页，共149页，2023年，2月20日，星期一CO的绝对生成量计算公式如下：式中，H——CO的绝对产生量，m3/min；

C——测点气样的CO浓度，10-6；

Q——测点的风量，m3/min。为了减小漏风等因素的影响第68页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类一氧化碳（CO）气体分析法

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古山矿煤自燃预测预报的CO指标自然发火系数安全值加强观测值自然发火预报值H（m3/min）<0.00490.0049~0.0059≥0.0059第69页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类乙烯（C2H4）气体分析法

乙烯（C2H4）是煤氧化自燃发展到一定程度之后的产物，不同煤岩成分产生C2H4的初始温度存在差别。中国矿业大学曾在实验室对煤氧化升温过程中C2H4的生成规律进行了研究。结果表明：生成C2H4的起始温度因煤种的不同而异，但这一温度往往都较高（100℃以上）；C2H4的生成量均随煤温的上升而呈现出增加的趋势。因此，煤矿井下若检测到C2H4气体则说明煤体温度已经达到100℃以上，此时应积极采取相应的防治措施。不同煤种代表性煤样C2H4产生的临界温度值煤种褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤C2H4产生的临界温度/℃110120120130150150150160自1986年以来，枣庄柴里煤矿除采用CO指标外，还采用C2H4作为指标，成功预报了数十起早期煤自燃隐患。该矿的统计资料表明：利用C2H4指标预报的准确率达92%。

第70页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类乙炔（C2H2）气体分析法

乙炔（C2H2）是煤进入剧烈氧化阶段的产物。C2H2出现较晚，产生的初始温度值也较高，研究表明煤样温度在达到180℃之前往往不会产生C2H2气体。在煤自燃预测预报工作中，若监测到C2H2气体，则表明井下煤自燃已经发展到比较严重的程度，此时采取防灭火措施时一定要谨慎，防止引发爆炸事故而导致更大的灾难。辽宁抚顺、铁法等矿区在煤自燃预测预报工作中，认为一旦在煤矿井下检测到C2H2，则表明在监测区域内存在已经进入燃烧阶段的明火。第71页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体指标格雷哈姆系数（Graham’sRatio）

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，其三种不同的组合方式如下：第72页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类格雷哈姆系数气体分析法

R1称二氧化碳指数.煤自燃过程中往往会产生大量的CO2，相应的R1值也较大。由于煤矿井下CO2来源较多，以及CO2本身具有的易溶于水、易被固体吸附的特性，常对CO2测定结果的准确度造成影响。当火灾由阴燃转为明火燃烧时，原来产生的CO将燃烧成为CO2，因此，如果同时出现R1升高和R2降低的现象时，就表明火灾还在进一步地发展。R2随煤温的变化关系，由图可知ΔCO和ΔO2之间呈近似指数关系，R2值与煤体温度之间存在较好的对应关系，可用于判定煤自燃的发展阶段。由于煤矿井下的CO一般为煤的氧化自燃过程所产生，受其它因素的影响较小，且ΔO2的引入减小了风流的影响，因此预测的准确度相对较高。

第73页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类格雷哈姆系数气体分析法

虽然引入耗氧量（ΔO2）参数减小了新鲜风流对R1和R2的影响，但流入的新鲜风量过大时仍会产生影响，使这两个指标的可靠性降低，而R3指标则基本不受新鲜风流、瓦斯和注氮的影响。在火灾初期阶段，R3值随火灾的发展而变大；在充分燃烧阶段，若O2%≥5%时R3值保持为一个常数。另外，火灾形成富燃料燃烧时，CO/CO2值将会快速变大。因此，R3指标常被用于指示火灾的发展状况。烟煤CO/CO2比值随煤样温度的变化曲线

第74页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类格雷哈姆系数的应用气体分析法

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％；R2值持续上升并超过0.5％，即表明该矿井中有自热现象发生，此时应积极采取措施防止灾害的发生；R2值超过1%时则说明煤矿井下已经发生煤炭自燃现象，此时应积极采取措施防止灾害扩大。第75页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类格雷哈姆系数的应用气体分析法

现场实际应用过程中，由于煤矿井下情况复杂多变，差别较大，应根据实际情况选用不同的临界指标

抚顺矿区实测的格雷哈姆系数自燃发展阶段R1（%）R2（%）R3（%）原始阶段0~150~10~3初级阶段15~301~23~7危险阶段30~402~57~10着火阶段40以上5以上10以上抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数自燃发展阶段R2（%）正常状态0低温氧化阶段（预警值）0～0.45高温氧化阶段（临界值）0.46～4开始燃烧阶段（报警值）4.1～9着火>9抚顺老虎台矿则根据自身情况，并总结多年的经验，采用的指标

第76页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类格雷哈姆系数的缺陷气体分析法

格雷哈姆系数自提出以来，在煤自燃预测预报中得到了较广泛的应用，一定程度上改善了煤矿现场的自燃预测预报现状，但是，格拉哈姆系数仍然存在一定的缺陷。格雷哈姆系数在氧气消耗量很小的情况下精度很低，例如，当氧气消耗量小于0.3％时，利用格雷哈姆系数得到的结果就不再可靠，这个缺点也存在于其它含有氧气消耗量的判别指标中；格雷哈姆系数还受到那些不是因煤自燃而产生的CO、CO2的影响，其中包括从其它采空区运移过来的CO、CO2或进入火区的空气本身所携带的少量CO、CO2。第77页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体指标

耗氧量（ΔO2）

在测知氮气和氧气浓度的情况下，氧气的消耗量可表示为：此计算基于两个假设：空气中的氧气含量为20.93%，惰性气体的含量79.04%（0.03%的CO2气体不包括在内），对于除氮气以外的其它惰性气体，一般情况下都简单的将其全视为氮气；火区中的氮气没有被消耗，也没有被增加（空气流动增加的氮气除外）

注意：注氮气等惰性气体的时候就不适用第78页，共149页，2023年，2月20日，星期一种类：指标种类链烷比气体分析法

一类是长链的烷烃气体与甲烷的浓度（C2H6/CH4、C3H8/CH4

、C4H10/CH4）另一类是长链的烷烃气体与乙烷的浓度比值（C3H8/C2H6，C4H10/C2H6）不同矿区可根据实际情况选用不同的链烷比指标

贵州六枝矿区煤自燃预测中采用的链烷比指标自燃发展的阶段正常阶段危险阶段自燃阶段C3H/8C2H60.02~0.060.10~0.120.15~0.18适用条件：对于发生在采空区的煤自燃高温点，由于多为浮煤，破碎较为充分，且经过了较长的释放时间，所吸附的烷烃基本上已释放出来，适于应用链烷比指标对该类煤自燃现象进行预测预报。第79页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类链烷比气体分析法

因素影响：①煤本身吸附的烷烃量不同；②吸附烷烃的释放时间。煤中吸附的大量烷烃气体改变了链烷比随煤温升高而变化的规律，再加上煤暴露在空气中释放时间的不同，链烷比表现出来的规律也不同，这就使得链烷比与煤氧化自燃发展阶段之间的关系并不明显。对于采掘工作面这些新破碎、剥落的区域，采用链烷比作为指标进行煤自燃的预测预报存在一定的难度；第80页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类

C/H气体分析法

C/H表示煤氧化产物中碳和有效氢的比值，该指标最早由印度学者Ghosh和Banerjee提出印度的应用实践表明：该比值与格拉哈姆系数（Graham’sRatio）相比数值范围更大、灵敏度更高；和ΔO2联用时，能够对火源的范围和强度进行判定；另外，利用C/H能够区分煤火和木材火，从而可判定气体成份的变化是否为煤自燃引起。但是，该比值受逸出瓦斯的影响较大，不适宜在高瓦斯矿井使用。第81页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体指标烃指数

美国学者AnnG.Kim提出了以烃指数作为预测煤自燃的指标，计算公式如下：

式中，——烃类物质总量，单位10-6；当实际检测烃类物质总量为零时，默认该值为0.01×10-6，以防止出现分母为零的情况

——甲烷气体的含量，10-6。烃类物质总量越大时，相应的R1指标也越大，当烃类物质总量为零时，该值为0；当烃类物质仅为CH4一种时，该值为10第82页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标种类烃指数气体分析法

烃指数具有测定精度高的优点，但这一指标同样存在易受井下其他区域气体影响的缺陷，烃类气体总量较小时这一缺陷表现的更为明显。为了克服这一缺陷，将这一指标限制在烃类气体总量达到50×10-6以上时再使用。另外，大量研究结果表明：煤样温度在达到100℃以后，高阶烃类气体才开始大量产生。因此，烃指数用于煤自燃预测预报的及时性有待进一步研究。

烃指数指标的应用烃指数R1对应的煤体状态0~50正常50~100煤矿井下可能存在高温火源点>100井下存在高温火源点第83页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标的优用气体分析法

灵敏性煤矿井下一旦有发生煤炭自燃的趋势，或煤温超过一定值该指标就会发生明显变化，且随煤温的升高变化趋势稳定。规律性同一煤层或采区的煤在热解时产生指标所涉及气体的初始温度基本相同或差别不大，生成量与煤温有较好的对应关系，且重复性较好。可测性

现有的仪器设备能够及时检测到指标所涉及气体的产生和变化，且方便准确。原则第84页，共149页，2023年，2月20日，星期一指标的优用气体分析法

各国煤自燃发火预测预报的指标体系国家预测预报指标主要指标辅助指标中国CO、C2H4、C2H2CO/ΔO2、C2H6/CH4波兰COCO/ΔO2俄罗斯COC2H6/CH4美国COCO/ΔO2英国CO、C2H4CO/ΔO2印度CO、CO/ΔO2CO2/ΔO2、C/H日本CO、C2H4CO/ΔO2、C2H6/CH4德国COCO/ΔO2法国COCO/ΔO2国内采用的是以CO、C2H4、C2H2等为主的综合预测预报指标体系第85页，共149页，2023年，2月20日，星期一气体分析法在煤矿现场的广泛应用，对煤炭自燃灾害的防治工作起到了一定的积极作用。局限性：由于气体分析法主要通过分析煤矿井下气体成分及其浓度变化实现煤自燃的预测预报，而井下风流及复杂的环境不可避免的对这些参数的测定造成较大的影响，加之当前监测技术手段的限制，误报或延迟报警现象经常出现。这是目前气体分析法急需解决的问题，也是当前煤自燃防治领域的主要研究课题之一。解决方案：针对气体分析法应用过程中存在的问题，近年来国内相关研究人员提出了气体吸附浓缩技术，认为通过对井下气体进行吸附与浓缩，能够提高气体监测的灵敏度，达到提前预报的目的，并增强预测预报的及时性和可信度。相应实验数据表明：通过吸附与浓缩，C2H4的检出温度由之前的100℃以上降低到50℃左右。指标的优用气体分析法

第86页，共149页，2023年，2月20日，星期一煤自燃指标气体的吸附浓缩检测技术及装置

系统低温吸附装置检测器高温解吸装置气体分析法

第87页，共149页，2023年，2月20日，星期一

采用气体浓缩技术，提高煤自燃微量指标气体检出精度，实现自燃的早期预报。该气体检测精度比现有技术提高1~2个数量级微量有机气体浓缩检测

原理图气体分析法

煤自燃指标气体的吸附浓缩第88页，共149页，2023年，2月20日，星期一未浓缩分析结果:气体分析法

煤自燃指标气体的吸附浓缩第89页，共149页，2023年，2月20日，星期一浓缩后分析结果:气体分析法

煤自燃指标气体的吸附浓缩第90页，共149页，2023年，2月20日，星期一

对比煤升温过程中吸附浓缩前后气体组分可知，经吸附浓缩后，相同温度下可检测到的组分数增多，且各组分气体检出的初始温度大幅降低，如乙烯从未浓缩前的110℃降至50℃，丙烯从170℃降至80℃。可见，吸附浓缩效果明显，使检测出指标气体的初始温度平均提前了60~90℃左右，并提高了各组分气体检测的灵敏度，尤其是对低浓度气体效果显著。气体分析法

煤自燃指标气体的吸附浓缩第91页，共149页，2023年，2月20日，星期一在1987年坎伯兰矿并发生的火灾中，一个取样孔中CO浓度在连续几天低于5ppm后突然增加到50至200ppm，是火势发展了吗?经分析，原来是由于取样泵的电动机位于上风侧而取样管漏气吸收了电机的废气所致。因此，验证气样的可靠性十分重要。气样的可靠性判断气体分析法

气体浓度变化趋势特里克特比率（Tr）：

可靠性判断方法：第92页，共149页，2023年，2月20日，星期一气样的可靠性判断气体分析法

应用气体浓度变化趋势判断气样的可靠性需要建立在操作者具备丰富防火经验和全面掌握煤矿井下情况的基础上，充分考虑各种因素之后才可作出舍弃某个气样分析结果的决定，防止误判而错失采取有效防火措施的最佳时机。一般来说，只要煤矿井下环境不发生剧烈的变化，如爆炸、巷道严重垮塌、防火墙被破坏造成积水或空气的流入流出、大气压力急剧变化引起大量新鲜空气或CO2、CH4流入等，井下气体组分的变化趋势应该是和缓平滑的。气样采集、分析完成后，若分析结果与该气体的整体变化趋势很不一致，则应考虑舍弃该气样的分析结果。气体浓度变化趋势第93页，共149页，2023年，2月20日，星期一气样的可靠性判断气体分析法

特里克特比率（Tr）：

一般来说，煤炭自燃产生的气体浓度之间存在一定的比例，特里克特比率（Trickett’sRatio）Tr即是利用这种比例对气样结果进行分析筛选的，是判断气样可靠性的有效工具。特里克特比率的数学表达式如下：将气样的分析结果代入上述公式进行计算，根据计算结果即可对气样的可靠性进行分析并作出取舍。对于煤自燃来说，当Tr值大于1.0时，则说明该气样值得怀疑，应综合分析现场情况后再对其做出取舍；而当气样分析得到的Tr值大于1.6时，则意味着气样因某种因素的干扰而失去使用价值，应予以舍弃。通过分析气样的可靠性，可以帮助决策者减少误判。第94页，共149页，2023年，2月20日，星期一我国指标气体优选方法第95页，共149页，2023年，2月20日，星期一我国指标气体优选方法第96页，共149页，2023年，2月20日，星期一我国指标气体优选方法第97页，共149页，2023年，2月20日，星期一我国指标气体优选方法第98页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

井下分析型束管监测系统矿井火灾多参数色谱监测系统

连续监测系统人工取样分析20世纪70年代以前，煤矿现场大多采用人工取样方式进行分析。作为传统的取样方式，人工取样方式目前应用依然十分广泛。人工取样分析方法投资少、简单易行、适用性强，但存在工作量大、间隔时间长、无法实时连续监测等不足。

自动取样分析20世纪80年代，煤矿开始普及气相色谱分析法，并研制成功了束管监测系统，同时煤矿安全监测系统在同期也得到了较快地发展，实现了取样分析工作的自动化。煤炭自燃指标气体的采样分析方式有两种：第99页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

发展沿革

20世纪70年代，英国开始将束管监测系统用于煤矿井下火灾的早期预测预报，并取得了较好的效果1981年，平庄古山矿建成了国内第一个束管监测系统，此后束管监测系统逐渐在枣庄柴里矿、兖州南屯矿等矿井得到了推广应用早期的束管监测系统仅能分析CO、N2、CO2、CH4等气体成分，且分析精度较低；近年来，束管监测系统得到了很大的改进，能够对O2、N2、CO、CH4、CO2、H2、C2H4、C2H6、C3H8、C2H2等多种气体成分进行分析，精度也得到了很大的提高。第100页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

系统组成

该系统通过束管将监测点气体取样到地面进行分析，根据分析结果对煤自然发火的发展阶段作出判断

组成：采样系统：由抽气泵和管路组成控制装置：主要由三通实现对井下多个取样点进行巡回取样气样分析：一般采用气相色谱仪对气样进行分析数据贮存、显示和报警：分析仪器输出的模拟信号可用图形显示，采用记录仪对数据进行记录或采用计算机对数据进行贮存，必要时也可对数据表进行打印。当监测结果超过临界指标时可进行声光报警。第101页，共149页，2023年，2月20日，星期一图14地面分析型束管监测系统示意图

第102页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

束管敷设和监测点的布置束管敷设的要求主要有

：

巷道内的束管敷设高度一般不低于1.8m，束管用吊台挂钩吊挂；束管的敷设应平、直、稳；束管管线与动力电缆线路之间的距离一般应不小于0.5m，同时要避免同其它管线交叉；束管入口处必须安设滤尘器；整条束管一般至少要安设3个贮/放水器。第103页，共149页，2023年，2月20日，星期一

束管敷设和监测点的布置

束管监测点的布置应满足以下原则

：总回风道和集中回风道应设置监测点，监测点应选择围岩稳定、前后5m范围内无分支巷道并靠近巷道末端的位置，监测点应设置在距巷道顶板0.5m处的巷道中心线上；超过煤层自然发火期的分层工作面的监测点，应设在上分层回风侧的停采线处；回采巷道在上分层出现过高温点的地方，要靠顶板设监测点；各分层巷道有通风设施时应在该设施回风侧1m的顶板上设点；采区内的丢煤处，巷道内错、外错，丢顶煤，留三角煤，分层巷道的盲巷及溜煤眼上方均应设置监测点；采掘工作面有明显升温征兆的区域必须设监测点；火区密闭必须设监测点；测点应布置在高负压区，从全负压角度考虑，只要漏风风流经过易自然发火处，则负压最高处最容易反映煤自然发火隐患处的真实情况；测点处应能够有效排除炮烟的影响，井下放炮产生的炮烟中含有大量的CO，若其流经测点，则会对监测结果造成很大的影响；测点处应具有恒定的漏风量，防止风流变化对气体的分析造成影响。第104页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

防堵、防漏和防冻堵塞的主要原因：矿尘和冷凝水的积聚；解决方法：应在井下取样点进气口、传感器或分析器气样入口等处安设粉尘过滤。从吸气口至井底的束管管路中还需设置吸湿器，安装数量应根据吸气口和束管沿途的温度差而定，一般不能少于3个。漏气的主要原因：束管接头和抽气负压的影响；解决方法：束管与束管间可用直径为10mm的铜管联接，所有接口均用环氧树脂封闭。

防冻：还应采取措施防止从钻孔到分析室的束管因冬季地面气温低造成结露冻结

第105页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

技术参数

目前所采用的分析方式一般为负压采样、色谱分析，可实现监测区域的24小时连续监控或人工设定监测时间。其技术参数如表：指标技术参数控制束管监测路数12~60路且可进行扩充井下最大采样距离30km分析气体成分CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等分析精度常量分析：≤O.1%；微量分析：≤1×10-6

系统误差≤1.5%地面分析型束监测管系统的主要技术参数第106页，共149页，2023年，2月20日，星期一

地面分析型束管监测系统

存在问题束管管线较长、维护工作量大气体从井下传输至地面的过程中，由于管路较长且中间存在接头，加之煤矿井下环境恶劣，管路漏气或管路堵塞现象经常发生，若不能及时发现并排除故障，将会导致错误的分析结果相关仪器的稳定性、可靠性也有待进一步提高基于以上原因，一些已经安装了束管监测系统的煤矿，并不能正常使用，而仍采用人工采样分析的方法对易发火地点进行监测。一般来说，由于新建矿井束管系统管路相对较短，地面分析型束管监测系统的适用性更强些。第107页，共149页，2023年，2月20日，星期一

井下分析型束管监测系统

该系统是将地面分析单元置于距监测地点较近的井下硐室，分析单元在井下直接分析束管所采集的气样，再将分析结果以电信号的形式传输到地面中心站进行集中监测，从而实现煤自燃的早期预测预报。该系统每套井下分站可实现对井下多个监测地点取气样进行分析，可对CH4、CO、O2等指标气体进行实时监测井下分析型束管监测系统的主要技术参数指标技术参数监测分站每套地面分站可连接5套井下分站，每套井下分站可对8个监测地点进行取样分析取样距离<2km信号有效传输距离>10km分析气体成分CO、CH4、O2第108页，共149页，2023年，2月20日，星期一

井下分析型束管监测系统

优点：

该系统气样采集管路较短，克服了地面分析型束管监测系统容易漏气的缺点；抽气管路不经过井筒，维护简单；监测数据通过通讯电缆进行传输，能够比较准确地将井下的气体分析结果传输给地面监测站；存在问题：

需要敷设大量的专用电缆线路，初期投入较大；现有气体传感器在稳定性、灵敏度和使用寿命等方面尚有不尽人意的地方，价格相对比较昂贵，种类相对偏少

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矿井火灾多参数色谱监测系统

系统组成：自动取样器、专用色谱分析仪、数据处理工作站以及束管采样

自动取样器：有12路束管接口，通过对自动取样器的控制可循环采集各路束管的气样进行分析；留有手动进样口，可以分析人工采集的各监测地点的气样专用色谱分析仪：采用并联双柱、三柱同时进样和1台仪器2个柱箱分别控温的结构，并配备了TCD、FID、FPD、ECD多种检测器和专用色谱分离柱

数据处理工作站实现的功能：①分析得到气样的成分及各自浓度；②对自动取样器进行控制，实现自动取样；③根据监测结果对井下煤自然发火情况进行分析、提示、报警等第110页，共149页，2023年，2月20日，星期一矿井火灾多参数色谱监测系统结构示意图对于一些边远地区的中小型矿井群，可将气相色谱仪等相关仪器组装放于车内，如CA-9000型移动式矿井气体分析系统，使用过程中可直接将该系统运至需分析的地点，使用与维护较简便

第111页，共149页，2023年，2月20日，星期一第三节外因火灾的监测监测系统：发展现状系统组成：①中心站；②信息传输装置；③传感器和执行装置。

监测传感器：分类：感温传感器：燃烧生成物传感器；CO2传感器

动作：烟流温度和烟雾浓度达到预定报警限已达到预定报警限的烟流到达传感器

传感器响应第112页，共149页，2023年，2月20日，星期一

监测系统：

发展现状

目前国外煤矿安全监测系统普遍采用的先进技术有：红外瓦斯传感器；在线瓦斯浓度校正装置；本安型PLC分站的应用；传感器就地断电功能；现场总线在安全监测系统中的应用；数字通讯方式，国际标准的IP寻址方式，TCP/IP网络协议；与生产监测监控系统的互动和网络整合。第113页，共149页，2023年，2月20日，星期一图16

矿井安全监测系统井下分站和传感器对煤矿井下的各种安全及生产参数进行实时监测，并将信息及时传输到地面中心站。中心站监测软件根据预先定义好的配置，发送指令给分站，由分站执行断电控制信号。同时，中心站对监测数据进行处理

系统组成第114页，共149页，2023年，2月20日，星期一

监测传感器

分类感温传感器：感温传感器感受火灾生成的热烟流并作出响应，即感受某一点或沿某一条线范围内的温度（定温传感器）或温升速率（差温传感器）。燃烧生成物传感器：

烟雾传感器

①离子式烟雾传感器：放射性元素辐射的α或β射线，可使两个电极间的空气离子化，并在两电极间形成离子电流。烟雾进入传感器感应室后俘获离子化分子，使两电极间的离子电流减小，通过测量分析离子电流的变化实现对烟雾浓度的监测。②光电式烟雾传感器：该类传感器利用烟尘的减光或散光特性对光强度的影响测定烟雾浓度变化。

CO传感器

CO传感器是我国常用的一种火灾监测传感器，它通过烟流自行扩散或机械泵吸入方式感应烟流中的CO并测定其浓度。CO2传感器：目前煤矿使用的CO2传感器主要有KGQ11型和GRH5型等型号，其中，KGQ11型CO2传感器在煤矿现场应用相对较多，第115页，共149页，2023年，2月20日，星期一

监测传感器

动作当火灾发生地点的烟流温度、烟雾浓度等参数达到一定值时，监测传感器将作出响应。监测传感器的的动作需要满足以下几个条件：

烟流温度和烟雾浓度达到预定报警限：指传感器所在位置的烟流温度或烟雾浓度达到的定值。矿井火灾时期，温度和烟雾浓度参数要达到报警限需要经过一定时间，这一时间称为达到报警限的时间（t1），该时间的长短与报警限值有关，预定报警限越低，t1时间越短，反之则t1时间越长已达到预定报警限的烟流到达传感器：在火源位置，温度和烟雾浓度达到报警限之后，含有多种气体成分的高温烟流还需随风流扩散传播至传感器位置才能被传感器检知并报警，在传感器安设过程中，应充分考虑这一因素，尽量将传感器安设位置选择在易发火区域，从而减小高温烟流扩散传播到达传感器的运行时间t2。

传感器响应：由于传感器往往需要一定的响应时间，当已达到报警限的高温烟流到达传感器处后，还需经历一段时间传感器才会动作。现有监测传感器的响应时间t3一般为30s~60s.第116页，共149页，2023年，2月20日，星期一近年来，国内相继开发出几种装置和仪器设备，如KJS型带式输送机火灾监测系统、DMF型胶带输送机自动灭火系统、DHM型硐室与皮带自动洒水灭火系统以及之后改进型的此类装置和仪器设备（如MZS-1型等）。这些系统的推广应用，对矿井外因火灾的防治工作起到了一定的促进作用，但是，误报、延报等情况在煤矿现场仍时有发生。总体上看，由于现阶段矿井安全监测系统受到传感器种类少、稳定性差、易损耗、价格昂贵等因素的制约，加之当前许多矿区对该系统的管理、应用和维护并不完善，外因火灾监测技术的整体水平仍然不能完全满足当前煤矿安全生产的需要，该系统还有待进一步改进与提高。第三节外因火灾的监测第117页，共149页，2023年，2月20日，星期一第四节火源位置的探测与判别煤自然隐蔽性强，在发火初期，高温火源点往往范围较小，一般不到几平方米。如果在自燃灾害发生后准确探测到火源点的位置，将大大提高灭火效率和节省大量人力、物力。由于井下地质条件及采空区等地点复杂环境的限制，迄今，各种原理的探测仪器均难以准确、快速地确定煤自燃隐蔽火源的位置和范围，也就难以采取有针对性的灭火措施，使灭火工作陷于十分被动的局面。所以，煤矿井下煤自燃隐蔽火源位置的探测技术，成为防灭火工作者一直努力探索的重要课题之一。

第118页，共149页，2023年，2月20日，星期一煤自燃隐蔽火源的探测技术

气体分析法温度探测法火灾诊断法同位素测氡法测电阻率法地质雷达法磁探测法无线电波法遥感法计算机数值模拟法

第119页，共149页，2023年，2月20日，星期一

煤自燃隐蔽火源的探测技术

气体分析法

气体分析法是通过监测指标气体出现的初始温度和浓度变化趋势，对煤自燃发展的程度进行分析，并对煤自燃火源点位置、范围作近似的判定。目前，现场的应用工艺主要有井下气体测定法、地面钻孔气体分析法和示踪气体法。井下气体测定法：通过人工取样或束管监测系统对自然发火区域的气体进行监测，能够对煤自燃的发展程度及其大致范围进行判断，但较难实现对自燃火源点的准确定位。地面钻孔气体分析法：主要用于浅埋藏煤矿井下大面积采空区火源的探测。该方法要求气体能不断向上运移而不与其它物质发生化学反应，要使气体能扩散至地面，矿井通风必须是正压通风，虽能大致确定自燃火源的位置，但它受到采深、自燃火区上覆岩层性质、地表大气流动状况的影响较大，一般只作为探测火源的辅助手段。示踪气体法：利用某些气体在某一温度条件下会发生分解的特性，将示踪气体注入预计的发火区域，通过监测其分解物，从而间接测定出该区域的煤体温度，并大致判断煤自燃火源点的位置，但这一方法对高温火源点的具体位置与范围的确定较为困难。

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煤自燃隐蔽火源的探测技术

温度探测法直接测温法：在地面或井下向可能发生自燃的地方打钻，在钻孔中安设测温仪或温度探测器，根据测定的最高温度点来确定火源位置。红外测温法：煤矿井下发生煤炭自燃时，往往会在巷道表面产生红外辐射能量场，该方法通过提取分析巷道表面辐射能量场变化的异常信息，对煤自燃火源点进行判断。但由于红外探测技术受探测距离的影响，目前仍局限于距离较近煤巷、煤柱、浮煤的自燃火源点探测，对于较远区域隐蔽火源的探测尚无实质性进展预埋温度探头测温法

：在工作面回采过程中，在采空区内沿走向、倾斜方向间距布网，每一网格节上预埋一温度探头，由于所埋温度探头有电池与无线电信号发射装置，当其所在位置处的温度达到预先设定的温度报警点时，温度探头将向外发射特定的无线电信号并被安设于采区内的无线电接收装置接收，根据接收到的信号判断具体节点号，从而确定出火源点的位置。温度探测法是最直接且最可靠的，具有定位准确的优点，但存在工作量大、投入多的缺点第121页，共149页，2023年，2月20日，星期一

煤自燃隐蔽火源的探测技术

火灾诊断法（MFD)

该方法主要是基于烃指数这一指标，利用钻孔采集数据的方法对煤自燃区域进行判断。通过布置一定数量的钻孔，利用抽气泵抽取测点气样并进行分析，从而初步得到各测点烃指数原始数据。

MFD方法的应用规则：（1）某区域测孔均检测到大量（高温火源点的判定临界值）的煤自燃烃类产物时，则该区域存在煤自燃火区，且范围覆盖各钻孔所在位置；（2）相邻两个钻孔，其中一个检测到大量（高温火源点的判定临界值）的煤自燃烃类产物时，则认为靠近该钻孔的区域存在自燃隐患点

第122页，共149页，2023年，2月20日，星期一MFD火源探测法工艺图第123页，共149页，2023年，2月20日，星期一地面气样采集装置第124页，共149页，2023年，2月20日，星期一MFD方法用于火源探测时的几种情况。MFD判定方法的几种情况第125页，共149页，2023年，2月20日，星期一

煤