煤矿火灾前兆信息及预警新技术

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1、煤矿火灾前兆信息及预警新技术 提纲提纲 一、煤矿火灾概念及分类 二、煤矿火灾现状分析 三、煤矿火灾前兆信息 四、煤矿火灾预警新技术 五、结论 一一、煤矿火灾概念及分类、煤矿火灾概念及分类 煤矿火灾是指发生在煤矿井下或地面井口附近、威胁矿井安全生产、 形成灾害的一切非控制燃烧。火灾是煤矿五大主要灾害之一，每一场 火灾的发生，轻则影响生产，重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更 为严重则可能引燃瓦斯煤尘爆炸，酿成人员伤亡的重大恶性事故。 n n 煤矿火灾概念煤矿火灾概念 一一、煤矿火灾概念及分类、煤矿火灾概念及分类 煤矿火灾 内因火灾外因火灾井下火灾地面火灾 可燃物（煤炭） 自身氧化自燃 1、有预兆

2、2、火源隐蔽； 3、有一个或长 或短的发展过 程； 4、持续时间长 外部热源引燃 可燃物 1、发生突然； 2、火源明显； 3、发展迅猛； 4、持续时间短 矿山井下的火 灾，包括井口 火灾 矿山地面的火 灾 1、不容易发现 与察觉； 2、井下狭窄不 易扑救； 3、产生大量的 有害气体； 4、持续时间长 1、容易发现与 察觉； 2、地面宽广易 扑救； 3、产生的有害 气体少； 4、持续时间短 按引火热源的不同按发火地点的不同 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 煤炭的主体地位煤炭的主体地位 煤炭是我国的主要能源和重要的工业 原料。 国家能源中长期发展规划纲要(2004 -2020年)

3、中明确指出“坚持以煤炭 为主体、电力为中心、油气和新能源 全面发展”的能源战略。 2011年，全国煤炭产量35亿吨，同比 增长7.7%，在一次能源消费中约占 70.4%，预计2050年仍将占50%以上。 2011年中国一次能源消费结构 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 煤矿煤矿灾害事故依然多发灾害事故依然多发 u据统计，2009年-2011年，与火灾相关的煤矿事故有92起。单一矿 井火灾20起，死亡233人；火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸等继发灾害 72起，死亡364人。 2010年6月21日，河南兴东二矿井下火药自燃爆炸，造成46人遇难。 2011年7月6日，山东防备煤矿井下空气压缩

4、机自燃着火，进而引燃 坑木和煤炭，形成大面积的火区，导致28人死亡。 2009年8月18日，云南尚岗煤矿自燃引起巷道垮塌，造成10人死亡。 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 煤矿煤矿灾害事故依然多发灾害事故依然多发 仅2011年，43起较大瓦斯事故因火灾 引起的有22起。从瓦斯爆炸火源看， 电气火花10起，放炮7起，煤炭自燃2 起，工人吸烟2起，金属撞击1起。 按引火源分类 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 煤矿煤矿灾害事故依然多发灾害事故依然多发 2012年7月1日，窑街煤电集团有限公司海石湾煤矿6112油页岩综采工 作面出现间歇性喷火，7月9日工作面下端出现

5、明火，由于火势发展迅 猛，被迫封闭全矿，7月11日井下油气燃爆，出现较大冲击波，将风 井防爆门破坏，迫使主扇停止运转，全矿井停产。 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 u人员伤亡：火灾产生的CO、CO2等有 毒有害气体随高温火烟一起流入井下 各作业场所，造成人员中毒和窒息。 u烧毁设备和煤炭资源：井下发生火灾 ，会烧毁大量的设备、器材和煤炭资 源，造成大量煤炭资源呆滞，影响矿 井正常生产。 n n 煤矿火灾危害极大煤矿火灾危害极大 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 u严重的环境污染：煤田及矸石山自燃排 放的SO2、NxOy、CxOy和烟尘等，严重 影响生态环境，CO2占全球总排量

6、的 2%-3%。 煤田火灾 矸石山火灾 n n 煤矿火灾危害极大煤矿火灾危害极大 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 自然发火严重自然发火严重 u2011年，全国共有煤矿约 11000个，具有自燃倾向的矿井 占50%以上，传统矿区百万吨发 火率高达7.47。 u采空区自然发火次数占火灾总 数的60%，巷道煤柱占29%，其 它地点占11%。 u中厚以下煤层的采空区自燃或 爱次数占采空区发火总数的16% ，厚煤层和特厚煤层的采空区自 燃火灾次数占采空区发火总数的 84%。 二二、煤矿火灾现状分析、煤矿火灾现状分析 n n 煤炭主产区受火灾影响严重煤炭主产区受火灾影响严重 u煤炭主产区

7、位于北纬35以北的北 方地区，其储量占全国储量80%以 上，年产量占全国60%70%。 u这些地区大部分属温带大陆性气 候，昼夜温差大，夏季炎热，冬季 寒冷，干旱少雨。 u区内煤系主要有石炭二叠纪、侏 罗纪、第三纪及少量三叠纪。 u侏罗纪煤层一般为特厚煤层，厚 度在8m120m之间，变质程度较低 ，以长焰煤、气煤为主，侏罗纪煤 田特厚煤层普遍自然发火。 北纬35度 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 n n 煤氧化自燃过程煤氧化自燃过程 燃 烧 着火点温度 准备期 风化 时间 温 度 T0 冷却 0 Tc70 自热期 u准备期：重量略有增加，着火温 度降低，化学活泼性增强。 u自热期

8、：氧化速度增加，不稳定的氧 化物分解成H2O、CO2和CO，煤体温度 持续升高。当煤温超过自热的临界值（ 6080）时，煤温急剧上升，氧化 进程加快，开始出现煤的干馏，生成 CmHn、H2及CO气体。 u燃烧期：若煤温上升到着火点温度， 则煤持续燃烧；若煤温不能上升到Tc或 上升到这一温度后由于外界条件的变化 又降低了下来，则会进入风化状态。 Tb 临界温度 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 n n 煤炭自然发火标志气体及其指标煤炭自然发火标志气体及其指标 uCO单一指标 CO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

9、CO，对 煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地判断。 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。 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 n n 煤炭自然发火标志气体及其指标煤炭自然发火标志气体及其指标 uCO单一指标 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。 自然发火系数安全值加强观测值自然发火预报值 H（m3/min）40510 自燃发 展阶段 正常 状态 低温氧化阶 段（预警值 ） 高温氧化阶 段（临界值

10、） 开始燃烧阶 段（报警值 ） 着 火 R2/%00-0.450.46-44.1-99 抚顺矿区实测的格雷哈姆系数 抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 煤氧化时会释放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烃气体，可通过各烷烃 气体浓度比值对煤自燃的发展阶段进行判断，称这些比值为链烷比。 链烷比主要有两类：C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4；C3H8/C2H6、 C4H10/C2H6 。 n n 煤炭自然发火标志气体及其指标煤炭自然发火标志气体及其指标 u链烷比 链烷比受煤本身吸附的烷烃量不同和吸附烷烃的释放时间的影响，对采 掘工

11、作面新破碎、剥落的区域预报有一定难度，但对发生在采空区内的 高温点，由于遗煤破碎强烈，吸附气体又经历了较长释放时间，采用链 烷比预报自然发火能取得较好的效果。 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 n n 煤炭自然发火标志气体及其指标煤炭自然发火标志气体及其指标 在煤吸附的气体中没有烯烃气体，井下检测到的烯烃气体是煤氧化 分解过程中产生的，因此，烯烃气体的出现表征煤的氧化已经进入 释放氧化气体阶段。也就是说，只要检测到烯烃气体，则表明煤温 已达到或超过其临界温度。由于C2H4和C3H6不是同一温度下出现的 ，因此可以根据它们出现与否判断煤温的大致范围。 u烯烃及烯烷比 三三、煤矿火灾的

12、前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 炔烃仅指C2H2，它是煤氧化进入激烈燃烧阶段的产物，是所有自燃氧 化气体中最晚出现的气体，并出现的临界温度值较高。根据实际应用 经验，一旦矿井井下检测到C2H2，则表明在监测区域内存在进入燃烧 阶段的明火，此时采取灭火措施一定要谨慎，避免直接将火源暴露于 空气中，以防引发瓦斯煤尘爆炸。 n n 煤炭自然发火标志气体及其指标煤炭自然发火标志气体及其指标 u炔烃 三三、煤矿火灾的前兆信息、煤矿火灾的前兆信息 （1）褐煤、长焰煤、气煤和肥煤：烯烃或烯烷比为首选标志气体。烯 烃预报范围为110180，浓度为（1.020.0）10-7；烯烷比预报范 围应依据煤层瓦斯组分和矿

13、内空气成分确定。辅助指标为CO及其派生 指标。 （2）焦煤、瘦煤及贫煤：CO及其派生指标为首选标志气体，预报范围 为90150，浓度为（1030）10-7。辅助指标为C2H4或烯烷比。 （3）无烟煤（含高硫煤）：仅能选用CO及其派生指标为标志气体，其 预报范围为100150，浓度为（1035）10-6。 n n 标志气体优选及煤矿火灾前兆信息提取标志气体优选及煤矿火灾前兆信息提取 煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法（AQ/T 1019-2006 ） 四四、煤矿火灾预警新技术、煤矿火灾预警新技术 n n 常规预警方法技术常规预警方法技术 （1）嗅觉。煤炭自热到一定温度后出现煤油味、汽油味

14、和轻微芳香气味 的非饱和碳氢化合物，可利用嗅到的气味判断附近的煤炭是否在自燃。 （2）视觉。可通过观测煤在氧化过程中产生的水蒸气，以及附近煤岩体 表面凝结的水珠等物理现象，实现自然发火预警。 （3）感觉。煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高，并可能使 附近空气中的氧浓度降低，CO2等有害气体增加，所以当人们接近火源时 ，会有头痛、闷热、精神疲乏等不适之感。 u利用人体生理感觉预报自然发火 四四、煤矿火灾预警新技术、煤矿火灾预警新技术 u测定矿内空气及围岩温度的变化 测温法是通过测量温度变化来表征煤自燃进程。通过在特定区域安设 温度探测装置来监测煤自然发火程度。 测温法可分为两类：一类是用

15、检测到的温度值进行预报或报警；另一 类是通过监测点温度变化率预报。 可用于温度探测的主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成 温度传感器、热敏元件、光纤、红外、激光及雷达波等。 目前温度法主要不足有： K型热电偶精度低，长距离有线数据采集结果滞后或失真； 监测点数量有限，存在监测盲区； 劳动强度大，线路敷设困难； n n 常规预警方法技术常规预警方法技术 四四、煤矿火灾预警新技术、煤矿火灾预警新技术 u测定矿内气体成分的变化 气体分析法根据煤自然发火过程中产生的气体种类、浓度及变化率来预 测和确定煤自然发火发展进程和趋势。其预警指标可分为两类：一类是利 用某些标志气体的浓度直接进行预测预报

16、，另一类是利用某些气体浓度变 化率或浓度比值来进行预测，如链烷比、格哈雷姆系数等。 无论采用哪类气体指标，都需要精确、快速检测出各气体的种类和浓 度。目前采用的主要手段是气体传感器和色谱分析仪分析。 气体传感器在井下实际应用中受到井下环境影响，其稳定性和灵敏度都大 幅降低，检测结果存在较大误差，加之传感器使用寿命、价格相对比较昂 贵，种类比较单一，在一定程度上制约了气体传感器的使用。 n n 常规预警方法技术常规预警方法技术 四四、煤矿火灾预警新技术、煤矿火灾预警新技术 气相色谱法是目前气体分析方法中最精确、最可靠的分析仪器之 一。 “八五”期间矿井火灾多参数色谱仪研制成功，实现了煤矿全组 分气体定性定量分析。与束管监测技术融合后，实现了对煤矿火灾 早期预警，在一定程度上促进了我国煤矿自然发火监测和预警技术 的成熟和完善。 色谱分析的吸附和脱附周期较长，无法实现快速分析；色谱柱需要 经常维护；每次色谱分析都需要先进行标样测试；尤其是氢火焰检 测器不能应用到煤矿