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1、预防为主、预测预控的煤层自 然发火综合防治体系 兖矿集团南屯煤矿 概 况 兖矿集团南屯煤矿是一座年产400万吨的大型矿井。 矿主采煤层为3层煤，属于自燃煤层，自然发火期36个 月，实际最短自然发火期为18天。随着开采范围的扩大， 矿井防治自然发火工作成为一通三防安全管理工作中的重 点和难点，突出表现在以下几点： 一、大面积采空区连成一片，漏风联系更加复杂，控 制采空区漏风越来越难，采空区自燃隐患难以治理； 二、开采或准备的孤岛综采（放）面多，工作面防灭火难 度大； 三、受采场条件和冲击地压的影响，有的综采（放） 面推进速度较慢； 四、受生产接续影响，工作面停采后不能及时撤除需 要临时封闭。 南
2、屯煤矿在各级领导支持帮助下，通过几代通风工作 者不断推进技术创新，科技攻关，推广应用新技术、新工 艺，实施预测预报预控，堵漏、均压、充填注浆（复合胶 体）、注胶、喷洒阻化剂、压注惰泡等综合防灭火技术手 段，积累了一定得经验，取得一定的成绩，矿井连续多年 杜绝了煤层自然发火事故。现在向大家汇报一下我们的一 些做法，不当之处敬请批评指正。 一、研究科学的煤层自然发火预测预报方法 意义：煤层火灾早期预报是矿井火灾预防与处理的基础， 是矿井防灭火的关键，占有极其重要的地位。 准确的预测预报准确的预测预报 措施有的放矢措施有的放矢 人、人、财财、 物的投入少物的投入少 提高矿井经济效益提高矿井经济效益
3、南屯煤矿在煤层自然发火预测预报方面主要进行如下研究： （一）研究应用基于指标气体的浓缩吸附方法 n 煤炭自燃指标气体 ：CO、CO2、烷烃、烯烃以及炔烃 等气体 ，选择哪些气体作为指标气体，就能可靠判断自 燃发火的征兆，是至关重要的 。 指标气体在井下气流中的浓度小，低于现有检测仪器 的检测精度，使得某些本应可以有效监控井下煤自燃的指 标气体就可能检测不出或测不准而无法利用，给有效利用 指标气体预报煤炭自燃造成了很大困难。 采用气体的吸附与浓缩技术，可提高检测气体的灵敏 度，改善现有指标气体预报的缺陷。 n 判断井下煤自燃的状态，关键是掌握煤升温过程中各 指标气体的生成速率与温度的关系，掌握浓
4、缩后指标气体 生成量、甲烷比、乙烷比、烯烷比与煤体温度的变化关系 ，才能可靠的预报煤炭自燃。 n 南屯煤矿通过对比分析，并考虑漏风因素的影响，主 要选择烯烃和烯烷比作为自燃指标，并根据实验结果，得 出烯烷比对应的特征温度。研究采用浓缩吸附技术，提高 了烯烃和烯烷比作为煤层自然发火指标气体的灵敏度，改 善了现有指标气体预报技术的缺陷，实现了煤层自燃火灾 的早期预报，从而可为防灭火争得宝贵的时间。 （二）利用大型煤自然发火实验台，研究煤的自燃特性 。 传统测定煤自燃性方法很多， 但测定方法较为单一，与井下 实际条件结合不明显。 南屯煤矿利用西安科技大学与 兖矿集团联合研制的特大型煤 自然发火实验台
5、（ZRM-15型） ，模拟现场的实际浮煤堆积、 蓄散热、漏风供氧等状况。 图1 实验台炉体外形图 图2 煤自然发火实验台炉体 结构图 实验装置分为炉体、气体检 测、温度检测和控制系统四 部分。其中炉体内部结构如 图2。 南屯煤矿利用煤自然发火实 验，测定煤的自燃倾向性、 最短自然发火期，并测算出 煤的放热强度、耗氧速率、 各种气体的产生率等特性参 数。 通过实验参数，确定煤自燃 氧化特性、放热强度和煤最 短自然发火期，为准确预测 实际条件下松散煤体自燃危 险区域奠定了基础。 （三）研究应用红外线气体分析与气相色谱仪在束管 监测系统中同步运行技术 南屯煤矿通过试验研究，把红外线气体分析仪和气相色
6、 谱仪结合在一起。 红外测量是以对非分散红外的吸收为基础，测量相关波 段红外线的衰减幅度即可得到相应气体的浓度，由红外线气 体分析仪分析一氧化碳，二氧化碳，甲烷和氧气，充分发挥 红外线气体分析仪连续快速的优势； 使用气相色谱仪的氢焰检测器快速分析碳氢化合物，仅 仅分析乙烯，乙烷和乙炔等气体，色谱仪对温度的稳定性要 求降低，实现准确、稳定、连续、重复监测； 实践证明，红外线气体分析仪与气相色谱仪的同步运行的应 用，可以实现束管系统快速、稳定、连续的气体分析，对于 提高系统的自动化水平，保障系统连续分析精度，早期发现 矿井自然发火隐患及隐患地点大量数据分析需要等方面都有 显著的效果，具有重要的推广
7、价值。 二、丰富防灭火手段，成功解决煤层 自然发火防治新困难 南屯煤矿通过技术革新和科技攻关，不断推广应用新材料、新工 艺，丰富煤层自然发火防治的技术手段，有效的应对各种复杂的自然 发火隐患，确保了矿井安全生产。主要内容如下： 液态二氧化碳防灭火工艺 大流量注氮技术 惰气泡沫技术 压注固化粉煤灰工艺 压注复合胶体 胶体泥浆技术 阻化泡沫技术 新型防灭火材料的应用 （一）液态二氧化碳防灭火工艺 液态二氧化碳防 灭火工艺 南屯煤矿在地面用槽 车将液态二氧化碳运 输到释放地点，利用 专用汽化装置进行汽 化，将二氧化碳汽化 经注浆系统输送到压 注地点 优点：液态二氧化碳 出口温度远远低于制 氮机出口的
8、温度，能 够快速带走采空区热 量，降温效果十分明 显；在采空区能够堆 积，不易被漏风带走 ，隔绝供氧；该工艺 有较强的推广应用价 值。（例子） 图3 液态二氧化碳释放工艺流程示意图 v某工作面回采过程中后部采空区出现自然发火隐患，经分析主要有两个形成漏风 的原因。一是上顺槽距离切眼70米处施工一泄水巷，该处为工作面上顺槽最低 点，为保障泄水畅通使此处形成一个漏风通道；二是工作面直接顶为工作面基本 顶，比较坚硬，在溜尾附近冒落后上部形成大空洞，工作面进风很容易通过冒落 区进入采空区后方。巷道位置示意图如图所示。 v常规的自然发火防治技术手段遇到两个难题。一是由于采空区高冒，造成进风隅 角处的漏风
9、难以封堵，在进风隅角处连续施工建筑16道凝胶隔离墙，封堵漏风 的效果均不明显。二是由于泄水通道畅通，采空区灌浆不容易堆积，且采空区范 围大，灌浆难以迅速到达自然发火隐患点。在此条件下，采用向采空区大量压注 二氧化碳气体的方法，使用压注二氧化碳气体的流量为700800m3/h，在注入 采空区二氧化碳气体气体量达到约20000 m3时，工作面回风流的一氧化碳浓度 大幅度降低，从而从根本上控制自然发火隐患的发展，为消除采空区高温隐患提 供基础条件。 （二）大流量注氮技术 v2004年南屯煤矿购置了KMD-S-600膜分离制氮机，可连续开 机对隐患地点实施注氮，氮气浓度均97%，制氮机流量达 到600
10、m3/h。该系统全部由PLC连网控制，主控面板为西门子 （MS485/422/串行传输）触摸控制屏，有多个压力、温度、 流量监测控制点且空压机具有温度、压力、电动机、过滤等 多种保护，氮气纯度达不到97直接放空，配备双套冷却循 环水，系统操作简单，维护工作量小，运行稳定。井下氮气 输送使用的是灌浆管路系统。 v当工作面受断层、顶板破碎、冲击地压等因素影响回采速度 很慢时，通过采空区埋管向采空区后部注入大量氮气，可以 改变后部采空区气体成分，从而达到抑制采空区浮煤自然发 火的目的。南屯煤矿应用此注氮方式，在一综放工作面两个 月回采不到50米的情况下，保证了采空区后部浮煤没有出现 自然发火隐患。
11、（三）惰气泡沫技术 向采空区注入惰性泡沫的实质，就是以有压惰气为气源 ，通过泡沫发生装置连续大量地产生惰气泡沫，沿管路或钻 孔压向采空区和煤堆内部，并让它们保存于冒落矸石缝隙之 中形成堵漏带,阻止风流进入采空区,预防煤自燃。 南屯煤矿近几年回采工作面逐渐向矿井深部和边角发展 ，现场条件比较复杂，且矿井安装撤除单位的力量比较薄弱 ，曾出现工作面回采结束后不能进行设备撤除而进行临时封 闭现象，带来煤层自然发火隐患。使用惰气泡沫技术，向临 时封闭的工作面后部采空区注入惰气泡沫，配合均压技术， 能够有效抑制临时封闭采空区浮煤自燃。 图4 惰泡装置示意图 （四）压注固化粉煤灰工艺 固化粉煤灰充填系统由粉
12、煤灰 池、水泥仓、粉煤灰计量泵、 水泥定量输送器和输送管路组 成。 固化粉煤灰代替密集木垛或其 它形式的支护，减少了工作面 的支护工作量，降低了材料消 耗，增大了支护强度 ，控制 了顶板事故，提高了工作面生 产效率，封堵了采空区漏风， 减少和消除了煤层自燃发火事 故隐患，经济社会效益显著， 具有很好的推广应用价值。 图5 无机固化粉煤灰防灭火充填材 料灌浆系统及工艺示意图 充填固化粉煤灰技术关键是粉煤灰、水、固化剂、促凝 剂的比例是否控制准确。 南屯矿控制配比的主要方法是：先制成一定浓度的粉煤灰 浆液，再用定量泵将粉煤灰浆抽到混合池中，与用定量输 送器输送到的水泥混合，混合均匀后即通过输浆管输
13、送下 井。在充填地点附近的输浆管上开好一个三通，将促凝剂 用泵压入管路中和浆液混合。促凝剂的加入量视要求初凝 的时间长短而定，泵选用流量可调的泵，并且其额定压力 高于输浆管中的最大压力。 注意事项：充填固化粉煤灰地点必须有完善的通讯设施， 确保在井上、下各操作点建立可靠的通讯联系。另外，在 充填地点附近的输浆管上应开一个三通，放出充填结束冲 刷管路的水，使其不流入充填地点，以免影响固化效果。 （五）压注粉煤灰复合胶体 l粉煤灰胶体防灭火系统 由粉煤灰仓、输送机、 供水系统、搅拌池、输 浆管网系统和井下外加 剂添加系统构成。 l图6 大流量粉煤灰复合胶体压注工艺流程图 复合胶体由粉煤灰、复合胶体
14、添加剂、水构成。 复合胶体防灭火技术集堵漏、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，13个月 后仍保持完好 粉煤灰复合胶体防灭火技术优点： 采用粉煤灰胶体防灭火技术时，井下材料运输量少，劳动 强度低，比井下注胶系统优越； 注胶流量大，尤其适合扑灭井下大面积煤层自燃火灾； 该工艺对固体颗粒要求不严，不易堵管； 胶体泥浆耐压稳定性好，可充填高冒空顶区； 成胶时间可
15、控制，一般情况下经过粉煤灰胶体处理过的碎 煤体不易再自燃。 （六）胶体泥浆工艺 利用水玻璃、 碳酸氢钠的胶 凝作用，以粉 煤灰作增强剂 ，增加胶体强 度、提高耐温 性能和延长有 效期，通过灌 浆管路系统将 水玻璃和粉煤 灰浆液输送到 井下自然发火 隐患地点的混 合器中，注入 煤体火区。 图7 胶体泥浆工艺示意图 人 （七）阻化泡沫技术 泡沫阻化剂FR-1主要是 由多种无机、有机高分 子聚合、而无可燃成分 组成的防灭火剂，是一 种浅色的透明液体。无 毒、无味、无污染、无 腐蚀性，可与水预先混 合。通过加压泵加到专 用发泡装置发泡形成阻 化泡沫，再通过压风或 制氮管路压注到煤炭自 燃隐患着火区域，进行 防灭火。 图8 制泡设备及工艺图 阻化泡沫有以下特点： 1、阻化泡沫的扩散、堆积、渗透性较好，能够对采空区内未完全冒落 的空间进行完全充填，从而在遗留的破碎煤体（包括较高处）表面 形成阻化泡沫附着，即使破泡后仍形成阻化液膜，起到防止自燃隐 患发生的作用。 2、阻化泡沫因携带阻化剂可以在破碎煤体上形成阻化液膜达到防灭火 效果； 3、如果使用氮气等惰气源作为动力，充分利用其堆积、隔绝性能，能 够排除可爆气体，并隔绝氧气，具有隔爆、抑爆功能，对封闭火区 的启封、缩封具有良好的应用前景。 4、阻化泡沫在破泡前可以
