煤自燃发火危险性评价及早期预测预报培训课件

煤自燃发火危险性评价及早期预测预报培训课件CONTENTS目录01煤自燃发火概述02煤自燃发火危险性评价指标03自然发火期的测定方法04煤自燃发火的影响因素CONTENTS目录05煤自燃发火早期预测预报技术06采空区自然发火预测技术07煤自燃发火预测预报管理制度08煤自燃发火预测预报的工程应用01煤自燃发火概述煤自燃发火的定义与危害煤自燃发火的科学定义

煤自燃发火是指煤炭及其包含的可燃物（如硫化矿物等）接触空气后，发生化学反应（吸氧、氧化、生热等）和物理作用（散热、聚热）而形成的火灾。其起算时点为煤层揭露并与空气接触的日期，终结标志包括出现明火、烟雾或检测点温度升至70℃以上。煤自燃发火的主要危害表现

煤自燃发火会造成煤炭资源的直接损失，引发瓦斯爆炸等次生灾害，破坏井下设备和巷道，威胁矿工生命安全，同时灭火过程需耗费大量人力、物力、财力，严重影响煤矿正常生产秩序。煤自燃发火的典型征兆识别

井下发生自然发火时，往往会出现温度上升、湿度增加、出现煤焦油味、人体不适（如头痛、恶心）、出现烟雾或明火等征兆。当采空区一氧化碳浓度持续上升且甲烷与二氧化碳比值异常时，也可作为辅助判定依据。自然发火期的概念与意义

自然发火期的定义自然发火期是煤矿安全领域衡量煤层自燃风险的核心指标，指从煤层被开采暴露于空气之日起至出现自燃现象所经历的时间。

自然发火期的判定标准起算时点为煤层揭露并与空气接触的日期，终结标志包括出现明火、烟雾或检测点温度升至70℃以上。采空区一氧化碳浓度持续上升且甲烷与二氧化碳比值异常时，可作为辅助判定依据。

自然发火期的时间单位该参数的单位通常采用月，特殊情况下按天计量。

自然发火期的核心意义最短自然发火期数据被纳入煤矿开采防灭火专项设计，直接影响采区开采期限规划与密闭作业时间控制，是构建预测、预警、处置全流程管理体系的基础。煤自燃发火的机理分析01煤自燃的本质：煤氧复合反应煤自燃是煤体与空气中的氧气发生物理吸附和化学反应（煤氧复合），释放热量并逐渐升温的过程。当放热速率大于散热速率时，热量积聚导致温度持续升高，最终引发自燃。02煤自燃的关键阶段：氧化升温过程煤自燃过程可分为低温氧化阶段（常温至70℃）、加速氧化阶段（70℃至临界温度）和激烈氧化阶段（临界温度至自燃）。各阶段会释放不同种类和浓度的气体产物，如CO、CO₂、烯烃及炔烃等。03煤自燃的必要条件：四要素协同作用煤自燃需同时满足四个条件：具有自燃倾向性的煤体、充足的氧气供应、良好的蓄热环境（热量不易散失）以及一定的时间。缺少任一条件，自燃过程均无法发生或持续。04煤表面活性结构：氧化反应的主体煤表面存在7种活性结构，是常温下与氧发生化学反应的主体。这些活性结构与氧复合时存在化学吸附和三步化学反应过程，其键能变化和反应产物生成是放热强度计算的重要依据。02煤自燃发火危险性评价指标煤自然倾向性评价指标

内在属性指标包括煤的挥发分、硫分等化学组分含量，是衡量煤自燃风险的基础特性。高挥发分煤层在相同破碎度下发火期可缩短40%-60%。

实验测定指标主要有交叉点温度、WITS-EHAC指数等。如交叉温度法中，最易自燃煤层交叉温度约100℃，最不易自燃煤层约181℃。

氧化特性指标涵盖耗氧速率、CO及CO₂产生速率等，可通过实验测定推算煤氧复合放热强度，反映煤自燃氧化反应的活跃程度。

综合评价指标需结合煤的物理特性、地质条件、采矿技术等多因素，如英国诺丁汉大学开发的专家系统，综合实验室分析、地质资料和开采参数进行评价。煤炭自燃发火危险性综合评价指标内在因素：煤自身物理化学特性煤的挥发分、硫分等化学组分含量是关键，高挥发分煤层在相同破碎度下发火期可缩短40%-60%。煤自燃倾向性是首要指标，表征煤层开拓前自然发火的可能程度，我国现行鉴定方法为流态色谱吸氧法。外在因素：开采与地质条件包括煤层开采后的裂隙发育程度、碎煤堆积形态、工作面通风强度及漏风通道分布特征。综放工艺开采时，采空区遗煤量增加会使发火期比分层开采减少。综合评价方法：多因素融合需结合煤对自燃的敏感程度和外在开采条件，如层次分析法和模糊综合评价法，构建综合评价结构，确定不易自燃、自燃和易自燃煤层的对应数值范围。英国诺丁汉大学专家系统综合煤体物理特性、地质条件和采矿技术进行评价。不同评价方法的局限性分析

01实验室方法的场景模拟局限实验室条件无法完全复现井下复杂的地质构造、通风供氧及采空区遗煤堆积状态，单一实验数据难以全面反映现场自燃风险。

02统计法的数据依赖与适用性限制统计法需建立在足够的历史发火案例基础上，对新建矿井或地质条件差异大的区域适用性不足，难以预测新出现的风险情况。

03单一指标评价的片面性问题仅依靠煤自燃倾向性等内在指标或单一气体指标进行评价，忽略了开采工艺、通风管理等外在因素的综合影响，评价结果易偏离实际。

04类比法的匹配度与准确性风险类比法依赖煤质特性、开采工艺的相似性，若参照矿井与目标矿井在关键影响因素上存在差异，可能导致预测结果出现较大偏差。03自然发火期的测定方法统计法测定自然发火期统计法的定义与核心原理统计法是通过系统分析矿井历史自然发火案例数据，建立不同地质条件下自然发火期数据库，进而推算煤层自然发火期的方法，是生产矿井常用的测定与校验手段。数据来源与案例筛选标准数据来源于矿井历年自然发火事故记录，需筛选煤层赋存条件、开采工艺、通风参数等关键要素明确的案例，确保样本具有代表性和可比性。数据处理与发火期计算对筛选后的案例数据进行统计分析，计算从煤层暴露至出现自燃现象（如明火、烟雾或温度≥70℃）的时间跨度，取最短自然发火期作为风险评估基准值。应用场景与《煤矿防灭火细则》要求生产矿井可采用统计法补充校验自然发火期数据，为采区开采期限规划、密闭作业时间控制及防灭火措施效果评估提供依据，需符合《煤矿防灭火细则》关于多参数监测与管理制度的要求。类比法测定自然发火期类比法的定义与核心思路类比法是通过参照煤质特性、开采工艺相近矿井的实测自然发火期结果，来推算目标矿井或煤层自然发火期的方法，是矿井常用测定方法之一。类比要素的选择原则需重点考虑类比矿井与目标矿井在煤的挥发分、硫分等化学组分，煤层裂隙发育程度、碎煤堆积形态，以及通风强度、漏风特征等关键影响因素的相似性。适用场景与应用条件该方法适用于地质条件、开采技术与已测定矿井相似的生产矿井，可作为实验法和统计法的补充，尤其在缺乏系统历史数据或实验条件有限时应用广泛。结果的校验与修正类比结果需结合目标矿井实际情况进行调整，如高挥发分煤层在相同破碎度下发火期可缩短40%-60%，综放工艺比分层开采遗煤量增加会使发火期减少，需据此对类比数据修正。实验测定法测定自然发火期

实验测定法的定义与原理实验测定法是通过煤样氧化实验，模拟不同氧浓度、温度条件下的自燃进程，从而测定煤层自然发火期的方法。其核心原理是在实验室环境中，观察煤样从接触空气到出现自燃现象（如温度升至70℃以上或产生标志性气体）所经历的时间。

实验测定法的技术优势实验测定法能够在可控条件下精确模拟煤层自燃过程，不受现场复杂地质和开采条件干扰，数据重复性好，结果准确度高。根据《煤矿防灭火细则》第十三条，新建矿井须优先采用实验法测定最短自然发火期。

实验测定的关键参数控制实验过程中需严格控制氧浓度、温度、煤样破碎度等参数。通常模拟井下实际通风供氧条件，通过监测煤样的耗氧速率、CO产生速率及温度变化，推算自燃进程，为矿井防灭火设计提供基础数据。

实验结果的应用与验证实验测定的最短自然发火期数据是煤矿开采防灭火专项设计的核心依据，直接影响采区开采期限规划与密闭作业时间控制。生产矿井可结合统计法对实验结果进行补充校验，确保数据与现场实际情况相符。不同测定方法的适用场景与要求统计法：生产矿井数据校验通过分析矿井历史发火案例数据，建立不同地质条件下发火期数据库，适用于生产矿井补充校验最短自然发火期。类比法：相似条件矿井推算参照煤质特性、开采工艺相近矿井的实测结果进行推算，适用于缺乏直接测定数据或新建矿井前期评估。实验法：新建矿井优先采用通过煤样氧化实验模拟不同氧浓度、温度条件下的自燃进程，新建矿井须优先采用以测定最短自然发火期。方法选择依据与规范要求根据《煤矿防灭火细则》第十三条，新建矿井优先实验法，生产矿井可结合统计法校验，确保数据满足防灭火专项设计需求。04煤自燃发火的影响因素煤的化学组分对发火期的影响

挥发分含量与发火期的关联性煤的挥发分含量是影响自然发火期的关键内在因素。高挥发分煤层在相同破碎度下，发火期可缩短40%-60%，因其更易与氧发生氧化反应释放热量。

硫分对自燃倾向性的作用煤中硫分（尤其是黄铁矿硫）的存在会加速氧化进程，通过催化作用降低煤的着火点，从而缩短自然发火期，增加自燃风险。

活性结构与煤氧复合反应煤表面存在7种活性结构（如羟基、羧基等），是常温下与氧发生化学吸附及反应的主体，直接影响煤氧复合放热强度，进而决定发火期长短。

煤的内在因素与外在条件的协同作用煤的化学组分是自燃的内在基础，其与开采后裂隙发育、通风供氧等外在条件共同作用，综合决定煤层自然发火期，需结合多因素进行风险评估。煤层开采条件对发火期的影响

开采工艺与遗煤量的影响综合机械化放顶煤开采工艺会使采空区遗煤量增加，导致自然发火期比分层开采减少，增加自燃风险。

煤层破碎度与堆积形态的作用煤层开采后裂隙发育程度高、碎煤堆积形态松散，会增大煤与空气的接触面积，加速氧化进程，缩短发火期。

通风强度及漏风通道的影响工作面通风强度不合理及漏风通道分布多，会为煤的氧化提供充足氧气，促进自燃，缩短发火期；需优化通风系统减少漏风。

采空区封闭时间的控制采空区需在回采结束后45天内完成永久密闭施工，若封闭不及时，会延长煤与空气接触时间，增加自燃可能性，影响发火期。通风条件对发火期的影响

通风强度与供氧关系通风强度直接影响煤体氧气供给量，过高风速会加速煤氧复合反应，而过低风速则导致热量积聚，均可能缩短自然发火期。需通过风量调控维持氧浓度在安全阈值内。

漏风通道分布特征采空区裂隙、巷道连接处等漏风通道会形成局部富氧区域，促进遗煤氧化。综放工艺开采时，漏风通道发育可使发火期比分层开采减少，需加强密闭堵漏管理。

风流状态与散热效果合理的风流组织可增强散热，延缓升温；紊乱风流易导致热量局部积聚。工作面通风系统设计需平衡供氧与散热，避免形成高温氧化带。

通风参数优化方向结合煤的物理状态参数与开采条件，优化通风压力、风速等参数。如高挥发分煤层需控制风速≤1.5m/s，降低氧化反应速率，延长发火期。其他物理状态参数的影响煤体破碎度的影响煤体破碎度越高，表面积越大，与氧气接触面积增加，氧化反应速率加快，自然发火期缩短。高挥发分煤层在相同破碎度下发火期可缩短40%-60%。煤的孔隙结构特征煤的孔隙结构发达，透气性好，有利于氧气渗透和热量积聚，增加自燃风险。煤表面活性结构是常温下与氧发生化学反应的主体，其数量和类型影响氧化放热强度。煤的水分含量适量水分可抑制煤的氧化反应，降低自燃风险；但水分过高会导致散热困难，可能促进热量积聚。煤自燃过程中会出现巷道湿度增大、壁面挂汗等水分相关征兆。煤的温度初始状态初始温度较高的煤体，氧化反应启动更快，达到自燃临界温度的时间缩短。井下温度超过正常值、采空区气温超过35℃等可作为自然发火的辅助判定依据。05煤自燃发火早期预测预报技术标志气体分析法

气体产物分类与特征煤自燃气体产物分为氧化气体（如CO、CO₂）和吸附气体（成煤过程吸附气体）。氧化气体随煤温升高逐步释放，吸附气体因温度上升解吸，共同构成预测基础。

关键标志气体指标核心指标包括CO浓度（早期敏感指标）、烯烃（如C₂H₄，激烈氧化标志）、烯烷比（判断氧化阶段）及炔烃（如C₂H₂，自燃临近标志）。采空区CO临界指标浓度通常为100PPm。

检测技术与系统应用传统束管监测系统通过地面气相色谱分析井下气体，存在实时性差、易漏气等问题；新型井下型系统（如TDLAS激光光谱技术）可实现CO、O₂等气体在线连续监测，数据抗干扰能力强。

指标气体应用原则CO浓度持续上升且出现乙烯时，即使浓度较低也视为早期征兆；炔烃出现表明已进入激烈氧化阶段。需结合气体浓度梯度（如CO超过0.0024%/min）触发预警响应。测温法预测预报技术测温法技术原理通过监测煤体温度变化判断自燃进程，温度升高是煤自燃的直接物理征兆。当检测点温度升至70℃以上，或超过正常温度一定范围（如35℃）时，可作为自燃发生的重要标志。主要监测方式包括实时温度传感器监测和定期人工测温。传感器可布置在易发火地点如采空区、工作面上下隅角等，实时采集温度数据；人工测温则使用温度计对重点区域进行定期检测，与传感器数据对比验证。技术应用特点直接反映煤体氧化升温状态，数据直观。但易受环境因素干扰，需结合气体分析法等其他手段综合判断，以提高预测准确性。气味检测法在预测中的应用

气味检测法的基本原理气味检测法是通过人工嗅觉感知煤自燃过程中释放的特征气味（如煤油味、汽油味、松节油味、焦油味等）来判断煤层是否存在自燃征兆的方法，是早期预测预报的辅助手段之一。

主要识别的气味类型煤自燃不同阶段会释放不同气味，早期主要为煤油味、松节油味，随着氧化程度加剧，会出现焦油味等更浓烈的气味。这些气味是煤体氧化分解产生的有机化合物挥发所致。

现场应用方法与注意事项安排专人定期对井下巷道、工作面上下隅角、采空区附近等易发火区域进行巡查，仔细嗅闻空气中是否存在异常气味。巡查人员需具备敏锐的嗅觉和丰富经验，注意与其他异味（如机电设备油污味）区分，并做好记录。

与其他预测方法的协同作用气味检测法需与气体分析法、测温法等结合使用，当闻到特征气味时，应立即结合气体浓度（如CO是否升高）和温度变化进行综合判断，以提高预测的准确性和可靠性。束管监测系统的应用与发展

传统束管监测系统的原理与局限传统束管监测系统基于气相色谱原理，通过长距离束管将井下气体采样至地面设备进行分析。存在实时性差、管道漏气易导致测量误差大、维护量大、气体分析设备操作复杂等缺点。

井下型束管监测系统的技术突破井下型束管监测系统将抽气泵、气体分析设备放置在井下，就近抽送气体至工作面附近硐室或临时变电站进行分析，克服了传统系统的不足，实现了近距离采样、即时分析、实时监测。

先进束管监测系统的组成与功能以徐州吉安研发的束管自动监测装置及监测系统为例，该系统由束管气体自动监测装置、光纤测温装置、煤自燃预警终端组成，利用激光光谱吸收（TDLAS）和拉曼光纤测温（DTS）技术，可在线连续监测采空区温度及CO、O₂、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂等标志性气体，数据抗干扰能力强，稳定性高，为煤自燃早期防治提供科学依据。基于机器学习的预测技术进展

主要预测指标与特征工程机器学习在煤自燃预测中主要分析温度、气体组分（如CO、C₂H₄）等预测指标，并通过特征工程处理数据，构建预测模型输入特征。

主流机器学习算法应用包括人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)、聚类分析(CA)和集成学习(EL)等算法，用于煤自燃温度、危险性等方面的预测研究。

现存问题与挑战目前存在预测指标选择有待商榷、训练样本数量较少且难以全面反映现场实际情况等问题，影响预测模型的准确性和适用性。

未来发展方向展望未来将着重提升样本数量和质量，构建煤自燃预测指标自适应优选模型，开发煤自燃灾害预测大模型，以提高煤矿灾害事故防范化解能力。06采空区自然发火预测技术采空区发火的特点与规律发火点空间分布规律采空区中部发火几率低，周边发火几率高，周边发火占综合机械化开采分层采空区发火总次数的比例较高。发火时间分布规律本分层回采时引起本分层采空区发火几率低，下分层及邻区准备和回采时引起上分层或相邻采空区发火几率高。综放开采采空区发火重点部位主要威胁来自相邻采空区，发火重点部位在相邻采空区“两道”和停采线，顺槽及切眼顶板煤柱发火问题严重。综放开采发火期变化趋势综合机械化放顶煤开采时，由于巷道布置特点，煤层自然发火期有缩短的趋势，采空区遗煤量增加也会使发火期减少。采空区发火标志性气体的选择标志性气体的分类及特征煤自燃过程中释放的标志性气体主要包括一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、烷烃（乙烷、丙烷）、烯烃（乙烯）及炔烃（乙炔）。其中，CO与烷烃出现阶段较早，烯烃次之，炔烃出现最迟，是激烈氧化阶段的产物。关键指标气体的选择依据CO是30～200℃温度段内的核心标志性气体，其浓度持续上升且无其他来源时，可判断煤温已达80℃左右。乙烯（C₂H₄）的出现标志着煤自燃进入加速氧化阶段，乙炔（C₂H₂）则提示已临近明火阶段。多气体协同监测原则实际应用中需结合CO浓度梯度（如超过0.0024%/min触发一级响应）、乙烯出现情况及甲烷与二氧化碳比值异常等综合判断，形成多参数预警体系，提高预测准确性。井下型束管监测系统的优势

实时性显著提升系统将抽气泵、气体分析设备放置在井下，气体无需长距离抽送到地面，可就近在井下工作面附近硐室或临时变电站等位置进行气体成分分析，极大缩短了数据获取时间，实现了对采空区自燃发火标志性气体的在线连续监测。

测量准确性提高避免了传统束管监测系统因管道长距离传输可能导致的漏气问题，减少了气体测量误差，数据抗干扰能力强，稳定性高，能更准确地反映井下气体真实情况。

维护工作量降低相较于传统基于气相色谱原理的束管监测系统操作复杂、维护量大的缺点，井下型束管监测系统简化了设备布局和维护流程，降低了日常维护的人力和物力成本。

集成化监测能力强可集成激光光谱吸收（TDLAS）和拉曼光纤测温（DTS）等技术，实现对采空区内部温度和CO、O₂、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂等多种自燃发火标志性气体的同步监测，为煤自燃早期防治提供更全面的科学依据。07煤自燃发火预测预报管理制度预测预报工作流程科学测点布置依据矿井开拓开采布局、煤层赋存条件及地质构造，在采空区、回风巷、工作面上下隅角、煤柱、地质构造带等易发火区域合理布置测点，绘制测点布置图并纳入安全技术资料档案。规范数据采集按规定周期使用专业气体检测仪器和温度传感器采集数据，严格遵循操作规程，确保数据准确。填写包含测点编号、检测时间、气体浓度（CO、CO₂等）、温度、检测人员等信息的检测记录。专业数据分析与处理由专业技术人员对比不同时期数据，绘制气体浓度和温度变化曲线，判断自然发火状态。发现数据异常时深入分析原因并组织现场排查。及时报告与高效处置检测人员发现自然发火征兆立即向矿调度室汇报，矿调度室迅速通知相关方启动应急预案，制定处理措施，明确责任单位和责任人限期整改，消除隐患。各部门管理职责划分

01矿长职责矿长是煤层自然发火防治工作的第一责任人，全面负责矿井煤层自然发火防治的管理工作。组织制定煤层自然发火防治工作计划和措施，保障防治工作所需的人力、物力和财力投入。定期召开会议，研究解决煤层自然发火防治工作中的重大问题。

02总工程师职责总工程师负责煤层自然发火防治技术管理工作。组织编制煤层自然发火防治专项设计和安全技术措施，审核预测预报数据和分析报告，指导现场防治工作。组织开展煤层自然发火防治技术研究和创新，提高防治工作的科学性和有效性。

03通风部门职责通风部门负责煤层自然发火预测预报的具体实施工作。按照规定的周期和方法进行气体检测、温度监测等工作，及时准确地提供预测预报数据。加强通风管理，确保井下通风系统稳定可靠，防止有害气体积聚。负责通风设施的检查和维护，保证通风设施完好，提高通风效果。

04采、掘部门职责采、掘部门负责本单位作业区域内煤层自然发火防治工作的落实。严格按照作业规程和安全技术措施进行施工，避免因生产作业引发自然发火。加强对采空区、煤柱等重点部位的管理，及时封闭不用的巷道和采空区。协助通风部门做好预测预报测点的保护和管理工作。

05安全管理部门职责安全管理部门负责对煤层自然发火防治工作进行监督检查。对违反自然发火防治制度和措施的行为进行查处，督促相关部门和单位及时整改安全隐患。参与煤层自然发火事故的调查处理，分析事故原因，提出防范措施和建议。预测预报周期与数据处理要求

常规监测周期正常生产期间，每周对井下所有采掘工作面、硐室及其他可能发火地点进行一次全面的气体分析和温度检测。

特殊时期监测周期新采区、新工作面投产前，必须进行一次详细的煤层自然发火倾向性鉴定；工作面回采结束后，每周至少进行一次封闭区域内的气体检测，直至气体稳定且无自然发火征兆。

数据采集规范严格按照操作规程使用专业仪器采集数据，记录内容包括测点编号、检测时间、气体浓度（CO、CO₂、O₂、C₂H₄、C₂H₂等）、温度、检测人员等信息。

数据分析处理要求专业技术人员对数据进行分析，对比不同时期数据变化，绘制气体浓度和温度变化曲线；发现异常时深入分析原因，组织现场排查。

报告与处置流程若显示自然发火征兆，立即向矿调度室汇报，矿调度室迅速通知相关领导和部门启动应急预案，制定处理措施并限期整改。培训教育与应急管理措施

全员培训教育制度定期组织全体员工进行煤层自然发火防治知识培训，内容涵盖自然发火的危害、预测预报方法、管理制度及应急