专题部分张家斌

1、 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 83 页采空区煤炭自燃注浆灭火技术摘要：煤炭自燃是我国矿井的主要灾害之一，长期以来严重威胁煤矿的安全生产和影响矿井的经济效益。本文从煤炭自燃的机理人手，分析了采空区煤炭自燃火灾的成因及其特点，介绍了煤炭自燃火灾灭火技术，重点论述了注浆灭火的措施，针对采空区煤炭自燃火灾的特点，研究了常用的矿井防灭火胶体材料，并论述了注浆材料的选择和灌浆的顺序及方式。 关键词：自燃火灾，防灭火，采空区，注浆。 引言我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产和消费总量的 85%川以上，但我国煤炭自燃火灾十分严重。煤矿每年由于自燃造成的直接和

2、间接经济损失近百亿元，煤层自燃火灾已成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产，阻碍高产高效煤炭开采技术的发展。 煤炭自燃火灾不但对矿井生产产生严重的，而且如果不及时扑灭小面积的煤炭自燃火灾，这些火源不断向深部发展能够形成的大面积煤田火灾。煤层自燃不仅直接烧掉了宝贵的煤炭资源，而且还破坏了煤层的赋存条件，危及煤矿的安全生产，使得大量煤炭资源难以开采而间接损失;更为严重的是煤层无控制地不充分燃烧，释放出大量有害物质，引发一系列的生态环境恶效应;煤田自燃，煤层消减，导致地表塌陷，河流改道，地下水位降低，部分土地荒漠化，严重地破坏了国土资源。这些都恶化着人类的生存环境与条件，影响着

3、地区社会经济的可持续发展。在 1992 年“世界环发大会”之后，煤田自燃作为一种自然灾害己成为有关国家政府关注的主要环境问题;1994 年我国政府己将煤田自燃灾害的治理列入“中国 21 世纪议程”，使得煤田自燃灾害的治理工作步入国家环境工程行列。 据调查统计，各类煤炭自燃所造成的经济损失(含潜在的经济损失)每年在 200 亿元以上。我国煤矿中，自然发火情况非常严重，是我国许多煤矿的重大灾害之一。据统计，在我国的现有煤矿中，有 56%的矿井存在煤炭自然发火的危险，国有重点煤矿 54.9%的矿井有自然发火危险，地方国有煤矿年产 3 万 t 以上的矿井中 29.1%有自然发火危险。煤矿的自燃火灾次数

4、占火灾总数的 90%以上。充州、枣庄、徐州、平庄等矿区，太原理工大学硕士研究生学位论文自然发火更为严重。煤炭自燃火灾给国家和矿井带来了极大的及经济损失，其中有些自燃火区长期无法扑灭，大量煤炭资源被冻结，昂贵的生产设备毁于火区之中，严重威胁着矿井的正常生产和矿工的生命安全。除了矿井自然火灾，煤田自燃也导致煤矿井下发火，这种情况在中西部地区频繁发生，一些煤矿每年发火高达 100 余次， 平均每生产万吨煤发生 2.2 次，常常造成人员伤亡，设备破坏，被迫封闭井口，矿井报废等。煤层自燃导致矿井温度升高，危及矿工人身安全，还可引发煤矿瓦斯突出、粉尘爆炸、顶板陷落、底板突水等灾害，是中西部地区煤矿安全生产

5、的主要因素之一。1984 年前的 32年中，我国煤矿共发生火灾 10296 次，其中 94%的为自然发火，采空区自燃则占自 燃火灾的 60%，例如在己开采过的 220 个综放工作面中发生了 182 次煤炭自燃火灾事故。 1985 到 1990 年间，百万吨发火率为 0.76 次。20 世纪 90 年代之后，煤矿生产逐步向高产高效集约化发展，其火灾发生的严重性和性也随之升级。为改变自然发火给煤矿造成的被动局面，自 20 世纪 60 年代以来，煤炭自燃的相关理论研究、实验和综合防治技术取 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 84 页得了显著成就。均压、注浆、阻化、凝胶、注氮等防灭火技术己成

6、功地得到应用，煤炭自燃火灾发生率明显下降。 1 研究现状及意义1.1 煤炭自燃火灾防灭火技术现状扑灭地下煤炭自燃火灾非常困难，这是因为火苗在地下运移，人们无法直接观测到， 而且已经发现地下大火常常能够穿过地下非可燃性物质组成的广阔屏障，在远处引起大火， 所以使人们不免顾此失彼，难以将其全歼，使其轻而易举的死灰复燃。如美国曾圣曲利亚 大区的地下煤炭自燃区域，人们布置了许多钻孔，并用水灌整个区域，试图覆盖并窒息地 下火灾，但未见成效。有人据此指出，地下火焰异常灼热，高温使水分子分解成氢和氧， 反而起到了火上浇油的效果。于是又有人建议用烟灰渣来熄火。几年来，人们又在该地区 布置了近 1800 个钻孔

7、，灌进约 12.3 万吨烟灰渣和 8.%万立方米的沙土，但这些努力仍然付之东流，大火依然绵绵不断6。 近年来，对煤矿火灾发生、发展和防止机理及规律，包括起火、火势蔓延和烟气太原理工大学硕士研究生学位论文传播灭火以及火灾对人体的与防止等方面进行了较深 入的研究;在煤矿火灾预预报方法、实时监测技术、防火设计、制订防火救灾措施等方面均取得了令人鼓舞的成绩。 煤矿火灾防治技术近几年的新发展主要表现在以下几个方面:(l)从观念上改变了认为火灾系单纯偶然事故的认识。煤矿火灾作为一种自然灾害现象， 它的发生既不具有完全的确定性，又不是完全的随机性，而是兼有确定性和随机性的双重特点。不仅火灾发生如此，火灾蔓延

8、及其造成的损失也是如此。 (2) 认为煤矿发生火灾的机理和规律具有普遍性，只要加以研究就可以认识和掌握，就可以控制火灾事故的数量，降低火灾事故的损失，从而使煤矿和煤田火灾科研跨上一个新台阶。 (3) 在研究方法上改变了传统的以火场实测和统计经验数据为主的手段，承认并自觉运用流体力字、热力学和传热学等自然科学中的质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本规律来指导火灾研究，并应用统计理论，力图揭示数据之间的联系，形成专家系统，同时借助于火灾模型并结合火灾现场实测的研究方法研究火灾的发生、发展和防治的机理与规律， 不断深化对火灾客观规律的认识，减少火灾发生，降低火灾损失。 (4) 在防火策略上注意从系统工

9、程角度出发，形成预测、预防、预报和灭火等四道火灾防治防线。我国对矿井防火问题给予了充分重视，并投入较多的财力和人力，科学技术进步也为改变我国煤矿安全的落后面貌起到了重要作用。我国煤矿自然发火逐年减少，外因火灾也得到了不同程度的控制。但是也应该看到，我国煤矿火灾技术发展很不平衡，原部直属矿井发展较快，地方煤矿发展较慢。每年仍有或多或少的人员在火灾中丧生，有大量财产在火灾中化为灰烬，有大量的煤炭资源被冻结，现状仍然不能令人满意。因此在现在和将来的一段时间内，防灭火仍然将是我国煤矿安全工作的重点之一，研究矿井火灾防治技术和理论，大力推广应用先进而成功的防灭火技术是减少我国煤矿火灾决策。 1.2 采空

10、区煤炭自燃火灾灭火技术研究的意义的重要战略 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 85 页煤炭是我国的主要能源，煤炭生产在我国的国民经济中具有举足轻重的作用。全国约75%的工业燃料和动力，60%的化工原料和绝大部分的民用燃料依靠煤炭，煤炭的开采和利用对我国的反战起着重要的作用。 20 世纪 90 年代，工业技术的快速发展及其在工矿企业中的应用，高产高效集约化生产被煤矿企业广泛应用，矿井机械化程度大幅度提高，综采放顶煤采煤法得到了大力推广应用，开采速度日益加快的同时，也给采空区遗留下大量浮煤，使得采空区自然发火问题更加严重。各种预测预报以及预防措施虽然有效的降低了煤炭自燃火灾的发生概率，但

11、采空区煤炭自然发火仍然时有发生，如何安全、快速、有效和经济的扑灭采空区煤炭自燃火灾不但能够保证矿井的安全生产，同时对保护现有的煤炭资源、保护自然生态环境都有巨大的意义。 2 采空区煤炭自燃火灾的成因及特点2.1 煤炭自燃火灾概述煤炭自燃是指在自然环境下，煤炭因氧化聚热引发的燃烧现象。 煤炭自燃又称煤炭自然发火，是指在没有外来热源的情况下，由于煤炭自身氧化积热， 使煤的温度升高，而发生的燃烧的现象。煤炭的氧化和自燃是基链反应，即具有自燃倾 向性的煤炭与空气接触，能吸附空气中的氧而在煤的表面生成不稳定的初级氧化物，使煤的化学活性增强，进而煤炭氧化速度加快，氧化放热量加大，当热量不能及时散发时，煤

12、温就会逐渐升高，当达到煤的着火点时(300 一 350)，便开始自燃。 煤炭自燃的发展过程一般分为三个时期:潜伏期、自热期和自燃期。见图 2 一 l。潜伏期即煤的低温氧化时期，该期氧化速度缓慢，煤温几乎不变，但化学活性增强。自热期即煤的氧化加速期，被活化的煤炭，氧化速度加快，产生的热量较大，若来不及散发，则煤温逐渐升高，当煤的温度超过临界温度TI(一般为 70 一 90)时，氧化急剧加速，煤温上 升加快，这一时期空气的O2 含量减少，CO、CO2:含量显著增加，出现烃类气体(烷系和烯 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 86 页系)，煤中水分蒸发，空气湿度加大，并形成雾气，巷壁或支架上

13、有水珠凝结，后期则出现煤的干馏，可嗅到煤油味或煤焦油味等火灾气味;自燃期，当煤温升到自燃着火点 T2(300 一350)时，煤炭开始自燃，其特征是出现烟雾、明火，产生大量的CO、CO2 气体，可嗅到浓烈的火灾气味。 在自热期，如果在达到临界温度之前，改变了供氧或散热条件，煤的增温就会自行放慢，而进入冷却阶段，煤逐渐冷却失去自燃的化学活性，而进入惰性的风化状态，己经风化了的煤，一般不会再发生自燃。 煤矿井下火灾中，90%以上属于煤炭自燃火灾。煤矿自然发火严重影响着煤矿的正常生产，威胁井下人员生命安全，烧毁煤炭资源。由于井下环境复杂，自然发火点往往比较隐蔽，难以直接观察到着火现象，因此，在实际工作

14、中，矿井某一区域或采掘工作面出现下列情况之一时，便定为自然发火:由于煤炭自燃出现明火，火灾烟雾、煤油味等现象;由于煤炭自燃使环境空气、煤炭、围岩及其它介质温度升高，并超过 70时;由于煤 炭自燃在采空区或中出现一氧化碳，其浓度超过矿井实际统计的自然发火的临界指标，并有上升趋势。在开采过程中发生过煤炭自燃的煤层，则定为自然发火煤层。 2.2 煤的自燃规律（1）煤自燃学说 煤自燃问题自十七世纪即开始研究探索，根据研究探索的结果，到目前为止，提出了多种煤炭自燃学说，主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说以及煤氧复合学说等。 煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞同，进入二十世纪九十年代，国内外

15、学者又提出了一些更具体的学说:自由基作用学说 该学说是李增华于 1996 年提出，他认为煤作为一种有机岩石，是一种以碳氢为主要成分的有机大分子物质，必然与橡胶、塑料一样具有相似的自氧化机理。在外力(如地应力、采煤机的切割等)作用下煤体被破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子链的断裂。分子链断裂本质就是链价键的断裂，从而产生大量自由基，自由基可存在于煤粒表面，也可存在于煤体内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造了条件，当有氧气存在时，发生氧化反应生成过氧化物，自由基同时放出热量使得煤温缓慢上升，并使过氧化物自由基进一步反应放出大量CO、CO2 等气体，生成新的自由基继续与氧反应产生更多的热使煤温进一步升

16、高。如此反复，在合适的蓄热条件下使得煤温大幅度升高，从而导致燃烧。运用自由基反应机理李增华对部分煤自燃现象作出了一些合理的解释，如采煤机割煤时工作面CO 浓度增加以及压裂的煤柱易自然发火等。 Martin(1959)用 SIMS(次级离子质谱)和 XPS 研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布， 也支持了自由基链反应机理。 电化学作用学说 该学说认为煤中含有铁的变价离子，组成氧化还原系 Fe2+/ Fe3+，氧化还原系 Fe2+/ Fe3+在煤的氧化反应中起催化作用，在煤中引起电化学反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化过程，引发自燃。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计

17、第 87 页氢原子作用学说 该学说是是 Loper.D.等于 1998 年提出，认为煤在低温氧化过程中，由于煤中氢原子在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤的自燃。 基团作用理论 该理论是WangH.H.等于 1999 年提出，利用孔模型模拟了煤中孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基团与氧气能充分作用，从而导致煤的自燃。 煤氧复合学说存在的问题是:煤氧复合最初的导因是什么，煤氧复合过程如何，各种临界参数如何测定，低温阶段热效应如何测定，如何确定煤最短自然发火期，氧如何在煤中运输，其动力何在，过程如何。 以徐精彩教授为代表的西安科技大

18、学矿山应用技术研究所课题组，从微观机理上分析了煤氧复合过程，并推导出煤自燃的外部影响因素;提出了煤表面分子活性，认为这些活性基团最易与氧发生作用，而且它们与氧作用的难易程度也不一样;提出煤氧复合过程的三步学说，认为煤氧复合过程主要包括三部分:煤表面分子对氧的物理吸附;煤表面分子的活性基团对氧的化学吸附;在产生化学吸附的部分活性集团中发生化学反应。定量的推算出煤氧复合的第三步即化学反应的三步过程的热效应;提出表征煤自燃程度的特性参数，并给出了这些特性参数的计算模型和测算方法。 本论文主要是在徐精彩教授的煤氧复合学说的基础上来研究煤层自燃规律的。 (2)煤的自燃危险性预测及判定的研究进展 煤层自燃

19、危险性预测及判定技术主要有自燃倾向性实验测试法、综合评判法、统计类比法三种。 自燃倾向性实验测试法 自燃倾向性实验测试法主要是根据测试煤的自燃倾向性，划分煤层自然发火等级， 以此区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。 综合评判预测法 陈立文(1992)、许波云(1990)和郭嗣踪(995)等根据影响煤层自燃危险程度的内、外因 素，进行主观判断，分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类分析，根据标准模式， 计算聚类中心，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。原苏联和波兰等国把实验室测定法与井下自然条件结合起来预测井下自然发火危险程度。尤其是波兰已取得进展，它把复杂的外界因素归纳为地

20、质条件、开采条件、通风条件等七个方面因素Si，再和煤自燃 倾向性指标SZb(带灰份指标)相加，即得矿井自然发火危险程度指标:匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量、工作面参数以及煤的活化性能等指标的关系，分析并确定出回归函数，然后计算出实际条件下总的火灾频率， 来预测煤层自然发火危险程度。近年来，王省身、蒋军成(1997)、王德明、王俊(1999)、赵向军、李文平(1995，1999)等人采用神经网络的方法预测煤层自燃危险程度，虽然他们采用的神经网络结构各不相同，但均是采用影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素，即煤 炭自身的自燃倾向性，开采煤层的地质赋存条件和开拓开采及通风技术

21、条件，作为预测指 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 88 页标，再对预测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程度。施式亮、刘宝深等(1999)用防火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时间序列煤自然发火预测模型，来判断自然发火程度。田水承、李红踱(1998)应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数运用模糊聚类方法对自然发火危险性进行了分类。这些方法都是利用大量的统计资料，分析煤自燃主要因素的影响程度，粗略预测煤层自然发火危险程度，而对发火期以及可能发火的区域则无法进行预测，所以这些方法只能定性不能定量。 统计类比预测法 统计类比预测法是建立在已发生自然发火事故统

22、计资料基础上，分析预测实际开 采条件下煤层的自燃危险性。根据开采煤层自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发生在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近，采空区自燃火灾多发生在两道和两线。随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相邻采空区留有大量浮煤，且己氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情况和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。 (3)煤自燃危险区域判定理论 虽然煤自燃危险性的预测方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但只能定性预测煤自然发火的危险程度，而无法定

23、量确定可能发火的区域。为了在潜在危险地区进一步确定出可能的发火区域，乌克兰的全苏矿山救护研究所在 1991 年确定出了临界厚度计 算方法:式中，Tkp 切为煤自燃的临界温度，K；Tok 为围岩温度，K；j 为在空气干燥的状态下煤的湿度，%； K r 为原煤样氧吸附速度常数； r m 为煤的平均密度， kg / m 。3Sujanati，Wiwki.等人根据实验室的实验结果，也提出了估算煤自燃的临界厚度的方法， 当煤炭聚集的实际厚度大于或等于临界厚度时，就有煤炭自燃的可能。英国诺丁汗大学开发了与井下数据监测系统相连的实时数据获取和控制系统，称为煤矿火灾实时智能专家监测系统，由智能专家系统监督和监

24、视数据获取并对数据进行处理，专家系统能根据获取的数据更全面的进行危险性预测，并可对特定区域的危险性进行评价，有效的指导现场的防灭火工作。 对煤层自燃区域的判定问题，国内学者也做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯轩教授、章楚涛50等通过研究采空区空气流动规律和火灾气体浓度(主要是 CO)分布规律，根据Fikc 定律和质量守恒定律，建立了采空区火源点位置判断数学模型： 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 89 页式中，C 为待求采空区CO 浓度分布函数；Co 为边界 L1 上的己知CO 口浓度函数；g 为边界 L2 上的 CO 通量、ICO 为火源 CO 涌出量；Dij 为与坐标方向有关的扩散系

25、数；Vi， Vj 分别为渗流速度在X，Y 轴方向的分量。 根据模型，对实际火源位置用计算机进行模拟，能达到与实际较接近的结果。 近几年，根据火区产生的能量或放射性气体异常5l，对煤层自燃危险区域进行判定方 法得到了快速发展。如根据放射性核素在衰变时放出的氛气含量和变化规律，判定火区的 测氧判定理论，和根据巷道表面上温度和热流密度存在差异，采用红外探测技术得到一系 列沿巷道横向和纵向的红外辐射强度分布，通过反演算法判断由煤炭自燃引起的异常区域， 从而确定煤炭自燃的位置和温度的煤炭自燃的红外探测反演理论。但这些方法对已形成高 温或大火的区域进行大范围的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要求。且由于

26、受各种 其它地质因素的干扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的自燃危险区域无法判 定。另外，利用红外遥感和地质雷达探测井下煤体自燃区域的方法也正在发展之中。 在危险区域划分方面，国内外学者提出了氧浓度划分法、漏风风速划分法、升温率划分法。氧浓度划分法认为，采空区氧浓度在 10%一 18%范围内的区域为氧化升温区域。漏风风速划分法认为漏风风速在 0.1 一 0.24m/min 范围内的区域为氧化升温区。升温率划分法认为采空区内升温率K)1d/的区域为氧化升温区。这三种方法都是独立考虑氧化条件、蓄热条件的影响，而没有考虑他们的共同影响及他们相互关系。另外这三种方法没有考虑各个矿区的不同的实际

27、情况，而给出同一划分标准，.因此他们的划分结果与实际情况有较大误差。近年来徐精彩教授提出了危险区域判定理论，该理论以煤自燃的内在氧化放热性和外部蓄热条件来划分危险区域的，提出了“三带”划分的极限值法。用该理论判定的自燃危险区域与实际情况较相符，具有很高的精度。但该理论也有不足的地方，如它认为采空区两道及采空区中部的浮煤厚度都相等，而实际采空区的浮煤是极其不均匀的。在实验模拟煤自燃过程，测算自然发火期时也未充分考虑氧浓度不同的影响。 (4)煤层自燃指标气体 煤层发火过程中，将产生一系列反映煤氧化和燃烧程度的指标气体，如CO、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2 等，随着煤温的升高，其产

28、生量将发生显著变化，因此，可以利用指标气体产生量的变化，来进行煤层火灾的早期预报。用气体分析法预测预报煤层火灾， 指标气体的选择和检测技术是至关重要的。目前国内外普遍采用CO 作为煤层火灾预报的主要指标气体，这首先是因为煤在低温氧化过程中，CO 的生成量与煤温之间有十分密切的关系，随着煤温的升高，CO 浓度的变化量最明显，所以，采用CO 作为指标气体比较灵敏;其次是因为煤层中一般不含有CO，井下爆破工作中所产生的CO 能很快被所稀释和排除;再次是 CO 检测比较容易、方便。可以肯定地说，只要井下空气中出现CO，并且持续增加，井下存在自燃现象(或高温点)就确定无疑了。但是，由于CO 的涌出温度范

29、围宽，从煤的低温氧化阶段直至着火燃烧阶段都能产生CO。因此，何时发出预报才能做到准确、适 时，就成为很大的难题。为了解决CO 定量临界值难以确定的问题，通过研究国内外学者又提出了以烷烯烃类气体作为预报的指标气体。煤样加温实验表明，烷烯烃类气体涌出温度范围相对较窄，它与煤温的关系较明确。在实验条件下，只有当煤温大于7080时才出现乙烷，超过 110130时刁出现乙烯。利用这种特殊的规律，可以根据 烷烯烃的出现与否来反推煤炭的温度范围。随着煤温升高，甲烷、乙烷、丙烷的浓度随煤 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 90 页温升高而增大，它们和甲烷(或乙烷)浓度的比值称为链烷比，用链烷比作为预

30、报煤炭自燃的指标气体最显著的特点就是，它与煤的氧化关系较小，主要随煤体温度的高低而变化， 而且受的稀释影响较小，因此链烷比这个指标比较灵敏，有一定的使用价值。 2.3 采空区煤炭自燃的成因煤炭的自燃是一个极其复杂的物理化学变化过程，科学研究和生产实践都己说明，它能否发生除了取决于煤炭本身内在的物理、化学、力学性质外，还与地质条件、开拓条件、通风条件等因素密切相关，是这些因素共同影响、相互作用的结果。根据这些因素对煤炭自燃的不同影响，可以归纳为内在影响因素和外在影响因素。内在影响因素主要是指煤化学成分和变质程度、煤岩成分、煤的水分、煤的硫含量以及煤的空隙率、碎度和脆度等， 内在影响因素也称煤的自

31、燃倾向性。煤炭自燃的外在影响因素有煤层的地质赋存条件、煤层的开拓、开采和通风条件等。 1.采空区煤炭自燃的内在因素 采空区煤炭自燃的内在因素和普通煤炭自燃的内在因素相一致，这些因素主要和煤炭的自燃倾向性有关。 煤的自燃倾向性表征煤在常温下的氧化能力和物理特征，即煤的自燃可能性。煤的自燃倾向性，是煤炭自燃的内在影响因素，而影响煤炭自燃倾向性的因素为:(1) 煤炭的化学成分和变质程度 有研究说明，煤炭的吸氧能力越大，低温下愈易氧化，其自燃性也愈大。严格地说， 任何牌号的煤，尽管其煤质不同，都有吸氧能力，也就是说都有自燃的可能。但是从科学研究和生产实践来看，其总的规律是，褐煤着火点最低，最易自燃，其

32、发火次数比其它煤种多得多，气煤、长焰煤次于褐煤，但高于瘦煤和无烟煤，无烟煤的自燃倾向性最低，但是也不排除其自然发火的可能，在其它诱发因素的作用下，无烟煤也不只一次地发生过自然发火，我国阳泉矿区无烟煤发火就是一例。 由上面的论述可以看出，煤的自燃性是随着其变质程度增高而降低的，但是由于煤自身成分的复杂性，变质程度并不是决定性的指标，同一炭化程度的煤，其自燃性有时也相差很大。因此，不能把变质程度的影响绝对化。根据近年的研究，煤中含有的某些物质， 如黄铁矿、氧的亚铁盐等都对煤的自燃起着催化促进作用，尤其是黄铁矿的作用不容忽视， 它曾是煤炭自燃导因学说之一。泥炭变质程度最低，易于氧化，着火温度也低，但

33、由于其赋存条件和氧化过程所处的特殊时期(含水高)，也很少发现有泥炭自然发火，风化煤同样亦表现出其风化程度愈高，自燃倾向性也越小的特性。 (2) 煤岩成分 煤岩成分是指煤层中煤的岩相学组分。煤炭的宏观煤岩成分一般分为丝炭、暗煤、亮煤和镜煤四种。在不同的煤炭中，这四种成分的数量变化很大，通常煤体中大多数是暗煤和亮煤，除极少数的情况外，丝炭和镜煤仅仅是煤中的少量混杂物质。四种成分中，暗煤最硬，采落后的遗煤粉碎后多呈粗粒赋存;镜煤与亮煤脆性大，易破裂，灰分小，孔隙发达， 而且在其次尘的裂隙中常常充填有黄铁矿粒，开采中易碎裂为微细的颗粒;丝炭很松，很易分裂成层而形成煤尘。暗煤和镜煤着火温度接近，其颗粒的

34、着火温度高于丝炭，粉碎成细 粒时，由于细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃性，所以它的氧化接触面积大，着火温 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 91 页度急剧下降。丝炭的结构松散，着火温度低，仅为 190 一 270，正是由于它的微孔结构决定了它的低温吸氧性能特强。英国学者试验证明:在常温条件下，0时丝炭吸附氧的数量较其它煤种要多 1.5 一 2.0 倍;50时为 5 倍 ;100OC 时反而下降，仅为 7%。 (3) 煤的水分 煤的含水量是影响其氧化进程的重要因素。在煤的自热阶段，由于水分的生成与蒸发必然要消耗相当的热量，煤体中外在水分没有全部蒸发之前温度很难上升到 100，这就是水

35、分含量大的煤炭难以自燃的原因;也有学者认为水分起催化作用，其原因是它可以深入煤的微孔隙内将充填于微孔隙中的氮困 2)与二氧化碳(CO:)等气体驱赶排出，使氧易与煤接触，当干燥以后对其吸附性能起活化作用。水分的催化作用随着煤温的升高而增大。所以地面煤堆在雨雪之后易发生自燃。井下灌水灭火，疏干之后自燃现象更为强烈。另外，对于含有黄铁矿的煤层，其中的水分可以加速黄铁矿的分解和引起其它的化学反应而促使煤氧化。从这些方面来看，水分又有利于煤炭自热，从而导致煤炭自燃的发生。 因此说，煤中含有水分和湿气在一定程度上会促使煤炭自燃，只有当水分较大而且能一直存在或者使煤反复吸湿的情况下，才会抑制煤的自燃。我国的

36、科研和生产实践也说明了这一点，广泛使用的阻化剂能在一定程度上起到防火作用，也应归结于它具有这种反复吸湿的作用。 (4) 煤的含硫量 硫在煤中有三种存在形式:硫化铁即黄铁矿(FeS:)、有机硫以及硫酸盐。有机硫与碳紧密结合，是含碳有机分子的一部分，它在煤中均匀分布。对煤的自燃起主导作用的是硫化铁，它的比热低于煤炭的比热，它与煤吸附相同的氧量而温度的增值比煤大三倍，它的分解产物氧化铁(FeZO3)比煤的吸氧性更强，能剧烈地把氧(O2)吸附在它的表面上，它本身氧化终结后可把剩余的氧(O2)转让给煤粒使之发生自燃。所有这些作用使得黄铁矿比煤更易于自热，煤层中的黄铁矿石氧化甚至可使煤温升高至 72而加速

37、煤的自热。所以虽然不能像黄铁矿作用学说那样解释是煤炭自燃的发生根源，但它对煤的自燃过程起加速的作用则是无疑的。 (5) 煤的孔隙率、碎度和脆度 完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能将显著提高。这是因为破碎的煤炭不仅与氧相接触的表面积增大，而且着火温度也随其粉碎程度增加而下降。根据波兰的试验，当烟煤粒度直径为 1.52.OITun 时，其着火点温度大多在330 一 360之间:粒度直径小于 1mm 以下时，着火温度可能下降至 190 一 200。因此可以说，煤的自燃性随着孔隙率、碎度和脆度的增加而上升。总之，决定煤的自燃倾向性的因素还有许多，如煤的瓦斯含量，煤、油

38、共生煤层的含油量、煤的导热性等，这些因素尚待进一步研究。 （2）采空区煤炭自燃的外在因素 前面所述的各种内在影响因素在煤炭自燃过程中起着重要作用，但是煤炭自燃发展成火灾，并不是从它暴露于空气中即开始的，而需要经过一定长的时间，而且也需要一定的蓄热过程，使它温度不断上升。这在很大程度上决定于外在影响因素。 (l)煤层地质赋存条件 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 92 页煤层地质赋存条件包括煤层厚度、煤层受地质构造的破坏程度、煤层倾角、围岩的性质和煤层中的瓦斯含量等。 厚煤层容易发火的原因主要是在开采厚煤层时，围岩和煤层易于被破坏，形成裂缝、冒顶、碎煤堆积等;同时也很难将煤全部采出，造

39、成遗留大量浮煤与残柱，而且采区回采时间过长，大大超过了煤层的自然发火期。 地质构造包括断层、褶曲、破碎带和岩浆入侵等。有这些地质构造破坏区域的煤层其自然发火危险性较大。这是由于煤层受张拉、挤压、裂隙大量发生、煤炭不易开采干净、煤体破碎吸氧条件好、氧化性能高所造成。 煤层的倾角对内因火灾的影响是，倾角愈大，发火愈严重。主要是急倾斜煤层顶板管理困难，采空区不易充严，生煤炭自燃火灾。煤柱也难留住，漏风大，这些因素都有利于采空区发 煤层顶板的性质也影响煤炭的自燃过程，坚硬顶板的采空区难以冒落充填密实，冒落后有时还会形成与相邻现采区、甚至地面连通的裂隙，漏风无法杜绝，这就为自然发火提供了充分有利的条件。

40、 煤层埋藏深度较大，煤体的原始温度较高，煤中所含的水分则较少，因此自燃危险性较大;但开采深度过小时又容易形成与地表沟通的裂隙，也会在采空区中形成浮煤自燃。 若煤层中含有较多的瓦斯，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量，所以高瓦斯煤层其自然发火危险性较小。 (2) 开拓开采条件 在矿井内，煤炭自燃的发源地大部分都是采空地点和支撑煤柱以及煤巷冒顶等处。开拓方式决定煤层的切割速度，影响矿压的作用和煤层的破坏程度等。适宜的开拓方式，可以减少或消除自然发火，反之会恶化火情。石门、岩巷开拓少切割煤层，少留煤柱，自然发火的危险性小。厚煤层开采岩巷进入采区，便于打钻注浆，有利于现预防性注浆或灭

41、火注浆，应当说，广泛采用的岩石结构的开拓方式，对矿井防灭火来说是有利的。 开采方法及其工艺主要决定采空区的空间状态、丢煤的程度和矿压作用。采用冒落法管理顶板的开采方法，在采空区中遗留的碎煤一般比其它的方法多，兼之由于顶板岩层的破坏，隔绝采空区的工作比较困难，自然发火易于产生。这也是充填法开采煤层，特别是厚煤层比其它方法有利的一个方面。采用前进式回采程序开采一个采区比用后退式开采的漏风大，而且也使采空区内的遗煤受氧作用的时间长，都会为自然发火创造条件。因此， 开采有自燃倾向性的煤层的采区，一般都采用后退式回采程序。 (3) 大面积采空区遗煤自燃条件 设自燃带的最大宽度为L1+L2，工作面的推进速

42、度为J ，自然发火期为t s，在自燃带内煤暴露于空气的最长时间为t (月):当满足 2 一 2 式时，说明自燃带内有此DL=L1+L2-Jt s ，宽度存在时间超过自然发火期，有自燃危险。由此可见，采空区遗煤是否会发生自燃主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度L1+L2(m)。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 93 页采空区空气动力阻力取决于顶板管理。根据顶板的岩石冒落特点，采用与岩性相适应的顶板管理方法，减小L，+LZ 之值，即可减小自然发火的危险性。 近距离煤层同时开采时错距和相错时间不合理会增大采空区自然发火的危险性。 (4)通风条件对大面积采空区煤炭自燃的影响I 采空区

43、三带划分 对于后“U”型通风系统(一源一汇)的采空区，按漏风风速、采空区氧气浓度、 采空区遗煤温升速度和遗煤发生自燃的可能性，如图 2 一 2 所示，采空区可分为三带: 散热带 I:Ll=520m，由于自由堆积，空隙漏风大，QcQs， 窒息(不自燃)带 III:漏风小，氧气浓度低。 Qc 为自热氧化产生的热量，Qs 为痛等时间内的散热量，W 为自燃危险带的宽度 II 划分三带的指标 太原理工大学硕士研究生学位论文 采空区漏风风速V(V0.9m/s 为散热带;0.9 V 0.02m/s 为自燃带;V 0.02m/s 为自窒息带。 采空区氧浓度(C)分布(认为 C1C/d 为自燃带)。 由于缺少深

44、入的理论研究和试验结果，此指标目前尚难以应用。 III 漏风对采空区遗煤自燃的影响 在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方面的作用:一是向煤提供氧化所必须的氧气，促进氧化发展;二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。 通风因素的影响主要表现在采空区、煤柱和煤壁裂隙漏风。漏风就是向这些地点供氧， 促进煤的氧化自燃。如果漏风很小，供氧不足，则抑制煤炭自燃。如果漏风量大，大量带走煤氧化后产生的热量，则也很难产生自燃。采空区面积大，尽管漏风量相当可观，但是风速有限，散热作用低，所以在浮煤大量堆积的地点，如两巷(工作面进风巷和回风巷)两线(工作面开切眼和停采线)和工作面遇断层、变薄带跳面等

45、地方最易发生自燃。通过煤柱和煤壁裂缝漏风量愈大愈易发生煤的自燃。因为通过裂隙区的漏风其冷却作用是十分有限 的。在煤块与粉煤混杂堆积的地方，如果供氧条件充分，最易发生自燃。漏风的决定因素: 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 94 页一是漏风风路的风阻;二是漏风风路两端的压差。消除漏风，一方面要从严密堵塞通道入手; 另一方面，则是降低压差。 把风速控制在易燃风速区之外，是从通风的角度预防自然发火的原则。苏联学者等研究表明，采空区及煤柱的漏风强度在 0.1 一 0.24ms/(min时)时容易自然发火。有的学者认为不会导致自燃的极限风速低于 0.02 一 0.05ms/(minm2);封闭

46、采空区密闭墙漏风压差在 300Pa、漏风强度在 0.02 1.2ms/(minm2)时容易自然发火的。用定量漏风对采空区遗 煤自燃进行研究有一定局限性，但对研究煤炭自燃问题具有参考价值。 2.2 大面积采空区煤炭自燃火灾的特点综上所述，大面积采空区煤炭自燃火灾的特点主要有:一、火灾具有隐蔽性，人们无法直接观测到，只能通过指标气体分析、测温等其他间接手段来判断地下火灾情况;二、形成漏风的条件较为优越，因此漏风量往往较大，且漏风情况更加复杂，无法或难以采取堵漏均压灭火措施;三、由于面积大，火源点往往不止一个，而是多个地点同时或先后产生煤炭自然发火现象;如果着火点离现有巷道距离较远，井下钻孔无法达到

47、着火点位置。 四、由于资料不足和地下情况复杂，难以准确把握大面积采空区内部此很难对火源的发展趋势做出准确的判断;和冒落情况， 因五、在距现有巷道和工作面较远地点发火，很难观测到采空区内早期的煤炭自燃现象， 能够观测到煤炭自燃时，火势可能己蔓延开来。 3 采空区煤炭自燃火灾灭火技术研究3.1 矿井煤炭自燃火灾防灭火方法概述目前煤矿井下常用的防灭火技术主要有:堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、阻化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、用水灭火、灌浆、胶体防灭火技术等，这些技术按其主要作用和功能可归纳为以下几类： (1) 控制漏风技术 要目的是:减少或杜绝松散煤体氧气的供给。技术手段有:水泥喷浆、泡沫喷涂、纳

48、米改性弹性体材料涂抹、均压。 水泥喷浆工作量大，回弹多，抗动压性差，堵漏效果不十分理想;泡沫堵漏性能好，抗动压性好，但其成本较高，高温时分解，释放出有害气体;纳米改性弹性体材料具有气密性好、伸长率大等性能，可刮、涂、抹在煤岩体、木材及闭墙漏风处，操作简单，使用方便， 可根据施工需要调整固化时间，固化后表面形成弹性体。 闭区均压可减少向封闭区域内的漏风，开区均压则可降低采空区周边的压差，减少向采空区浮煤漏风，从而降低自燃危险程度，但对于己经或曾经发生过自燃的火区，仅依靠均压达到完全杜绝漏风，防止自燃的目的是不现实的。 (2) 火区惰化技术 主要目的是:降低火区氧浓度，窒息火区。技术手段有:注入

49、N2 和 CO2 等惰性气体、惰气泡沫、三相泡沫。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 95 页惰气和泡沫可充满整个空间，既能迅速窒息明火，又能抑制煤层自燃高温火区的发展， 但对大热容的煤体降温效果不好，灭火周期长，火区易复燃，且对现场堵漏风工作要求较高。 惰泡和三相泡沫能起到固氮、降温、减少漏风、降低采空区氧浓度、包裹煤体等作用， 但泡沫稳定时间短，在碎煤中压注，发泡性能差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，效率低，对己形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注惰泡量很大，且易复燃。 (3) 煤体阻化技术 主要目的是:降低煤体的氧化活性，抑制煤氧结合。技术手段有:喷注 CaCl

50、2、MgCl2 等一些吸水性很强的盐类、雾化阻化剂、惰化阻化剂。 当 CaCl2、MgCl2 的水溶液附着在煤体表面时，形成一层含水液膜，阻止煤氧接触，同时能使煤体长期处于潮湿状态，在低温氧化时温度不易升高，从而抑制了煤的自热和自燃。阻化剂防火效果较好，但当煤中水份蒸发，减小到一定程度时，阻化作用就会停止，转而变为催化作用，促进煤的氧化与自燃。 惰化阻化剂在煤温超过一定温度时，开始吸热气化，产生惰性阻化气体，阻碍火区的自由基链锁反应过程，高温分解后的剩余物在煤表面生成一层薄膜，冷却后成为脆性覆盖物，使煤与空气隔绝，但该材料不易均匀地分散到煤体内，充分发挥其防灭火效能，如用其水溶液注入煤体则易流

51、失。 (4) 吸热降温技术 主要目的是:降低高温煤体温度，彻底熄灭高温火区，防止火区复燃。技术手段有:注水、灌浆、液氮、液态CO2。熄灭煤层火区的关键是降低煤温。水是最经济、来源最广泛吸热降温材料，其热容量很大，1 升水转化成蒸汽时吸收 2256.7kJ 热量，同时生成 1.7m3 水蒸汽，能很快降低煤温，大量水蒸汽具有冲淡空气中的氧浓度，包围、隔离火源，窒息火源的作用;灌浆防灭火技术在我国有自然发火危险的矿井中用得较普遍，泥浆能够吸热降温，对煤体还有包裹作用，达到隔氧的目的，对于采空区的防灭火效果显著，已成为与井下内因火灾的主要措施之一。但井下自燃火源通常处于比较高的部位，用水或泥浆灭火时，

52、不能滞留在发火部位，易形成固定的通道流动，流过发火部位后仅使煤表面温度得 到降低，煤体内部温度仍然很高;水的冲刷将煤体表面的灰分带走，又露出新的煤体表面， 水的剧烈蒸发增加了煤的孔隙率，使漏风通道更加畅通;水在 600以上会分解成氢气和氧气，有水煤气爆炸的危险，给井下灭火人员构成极大威胁。 (5) 胶体防灭火技术 胶体防灭火技术是近年来发展起来的新型防灭火技术。胶体材料在设定时间和范围内发生胶凝作用，该技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，使易于流动的水溶液在指定时间和部位发生胶凝，包裹高温煤体，充分发挥水的吸热降温作用，较好地解决了灌浆和注水的泄漏流失问题，且在近 1000的明火中不会

53、迅速汽化，仅因水份缓慢蒸发而逐渐萎缩，灭火安全性好，在井下湿度 90%，温度 28的环境下，半年至一年后仍保持完好。该技术能有效地钝化煤表面活性基团，隔绝氧气，吸热降温，终止氧化，并能降低水煤气爆炸伤人危险。该技术具有灭火速度快、安全性好、火区启封时间短、复燃性特 点。目前的胶体灭火材料主要有硅酸凝胶、稠化胶体和复合胶体、粉煤灰固化材料三类。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 96 页该技术对于巷道或工作面顶部、高处火灾防治效果很好。目前己有多种胶体体防灭火技术得到了应用，取得了较好的效果。 (6) 矿井火灾预报 近年来矿井火灾预报技术有了较大发展，预报方法由单纯依靠人体生理感觉逐步

54、发展到利用科学仪器进行预报;由间断定期预报发展到连续预报I 5。预报参数由单一到多样，检测仪器由精度较低的检知管发展到使用高精度的气相色谱仪和红外分析仪。连续、自动检测自然发火的束管系统在平庄古山、枣庄柴理、充州南屯和兴隆庄、抚顺老虎台等矿区应用效果较为显著，80 年代以来国内研究单位与现场就煤炭自燃标志气体的选择做了大量的富有成效的研究与实验，获得了不同煤种预报自然发火的标志气体。 目前我国外因火灾的预报技术亦已开始研究和应用，以微机为中心的传感器采集火灾信息的监测和自动灭火技术亦在我国少数矿区开始应用，可靠的标志气体和灵敏的检测系统使我国的煤矿火灾预测和预报技术己接近或达到世界先进水平。

55、(7) 开采技术防火 研究和总结我国煤矿自燃火灾发生的规律发现，由于开采技术和管理水平不同，会导致开采自燃倾向性相同煤层的不同矿井或同一矿井的不同采区，甚至同一采区的不同工作面，自然发火次数有明显的不同。在总结经验的基础上，开采有自燃倾向性煤层的矿井， 在开拓布局、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、采掘接替、通风系统等方面进行了改进和完善。注意提高回采率，减少煤柱和采空区遗煤，提高工作面的推进速度，减少采空区漏风的数量和时间。一些自然发火较严重的矿井百万吨煤的自然发火次数逐年降低。 开采技术防火的主要技术措施有:a、合理地进行巷道布置:1，尽量布置岩巷，有利于均压;2，区段巷道分采分掘;3，无

56、煤柱开采技术;b、选择合理的采煤方法和先进的回采工艺，提高回采率，加快回采进度; c、选择合理的通风系统;d、坚持自上而下的开采顺序;e、合理确定近距离相邻煤层和厚煤层分层开采时两工作面之间的错距，防止上、下之间采空区连通。 (8) 矿井火灾专家系统 专家系统是集计算机科学、心理学、思维科学、控制论和信息论等多种学科于一身的 人工智能，属于当代高科技领域之一。矿井火灾专家系统是模拟该领域专家扑灭火灾问题的思维模式、处理问题的能力、并做出决策过程而建造的具有人工智能的计算机软件系统。专家系统的建造不仅可以高效、准确、周密、迅速地提出灭火救灾的对策和方案，而且它不会像人类专家那样面对突发的重大事故

57、呈现出心理紧张和情绪激动，造成做出决策时出现遗漏、疏忽或失 误。进入 90 年代以来，矿井火灾专家系统的研究已是国内外专家学者 注意的焦点。目前在国内开展这项研究的有中国矿业大学、安徽理工大学(原淮南矿业学院)、抚顺煤科分院、西安矿业学院等单位。但是根据当前我国煤矿的技术装备水平和管理现状都是研究以能做出专 家灭火救灾方案为目标的诊断型专家系统，属专家系统研究的初级阶段。随着矿井灭火技 术理论的发展，相关技术装备性能的完善，整体科学水平的提高，煤 矿灭火专家系统的研究应用向实控目标前进。实控型专家系统将融合矿井火灾信息获取、 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 97 页灭火方案优选、灭火救灾手段的启用于一体。一旦矿井发生火灾就能以最快的速度和最有效的灭火手段实现控风和灭火救灾。实现这一目标难度很大，但是当今已不是可望而不可及的幻想，诊断型处理矿井火灾事故的专家系统的研究就是良好的开端和起步。 3.2 防灭火方法选择的原则欲扑灭或防止矿井火灾，都是设法去掉发生火灾要素中