[2017年整理]矿井火灾学讲稿

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1、矿井火灾学上课要求1、按时上课 2、有事请假 3、三次旷课者免考 4、每次课必须交上次课的作业,作 业本要保留一学期.讲课方式n1、一般知识点采用略讲,重点知识点采用 详 讲;n2、讲完某个知识点后进行一次讲座，讲座 的内容是该知识点国内目前发展最前沿的 研究;n3对同学感兴趣或疑惑的问题提出进行课堂 探讨教材问题1、以和讲课笔记内容为 2、以其它的教材和网上论文为辅导学习参考资 料3、参考教材有：王省生,张国枢主编的,由中国 矿业大学出版社出版的矿井火灾学、吴 中立主编主的,由中国矿业大学出版社出版的矿井通风与安全本次课的教学目的1 . 了解与掌握煤矿火灾的定义 2 . 分清内因与外因火灾的

2、形成条件, 特点等. 3 .了解矿井火灾的防治发展现状 4 .了解矿井火灾的危害本章讲授的内容提要、重点、难点 本次课讲授的内容提要1.1 矿井火灾学的定义 1.2 矿井火灾学的发展现状 1.3 矿井火灾的分类 1.4 矿井火灾研究方法和研究内容 1.5 矿井火灾的危害 重点:矿井火灾学的基本概念 难点:火灾的分类与研究方法第一章 绪 论第一节 矿井火灾学的定义 火的使用是人类文明的标志。 火? 是一种燃烧现象。燃烧?燃烧是可燃物与氧化剂之间在一定条 件下发生激烈氧化放热的化学反应过程 。发光、发热与生成新物质是燃烧反应的 三个基本特征，是否的新物质是区别燃烧 与非燃烧的依据。第一章 绪 论第

3、一节 矿井火灾学的定义1)1)灾害与事故灾害与事故灾害灾害: : 泛指意外的泛指意外的损失与破坏损失与破坏等事件等事件.( .(分分” ” 人为与天然人为与天然) )2) 2)事故事故: :事故是人们在实现其目的的行动事故是人们在实现其目的的行动 过程中，突然发生的、迫使其有目的的过程中，突然发生的、迫使其有目的的 行动暂时或永远终止的一种意外事件。行动暂时或永远终止的一种意外事件。3)火灾：违背人们意愿而发生的非控制性 燃烧；火灾等级的划分标准火灾等火灾等级级级级死亡人数死亡人数重重伤伤伤伤人数人数死亡重死亡重伤总伤总伤总伤总 人人 数数受灾受灾户户户户数数直接直接财产损财产损财产损财产损

4、失失( ( 万元万元) )特大火灾特大火灾 重大火灾重大火灾 一般火灾一般火灾1010 3310高危险险性2 绝热氧化法绝热氧化法是在绝热条件下用煤样自然升温来测 定和评价煤的自然发火危险性的方法，英国诺丁汉大学 对此的研究比较深入。根据煤在绝热测试中初始升温率 (IRH)及总温度上升值(TTR)，将煤的自然发火倾向性分 成四类(供风量是关键)，见表2。危险险性分级级IRH（）TTR（ ） 低危险险性2.07.0实例:煤样样 名称温度 段范 围围/温升 速率 /h温度 段范 围围/温升 速率 /h温度 段范 围围/温升 速率 /h温度 段范 围围/温升 速率 /h龙龙口北皂矿矿 的褐煤3040

5、7.22440907.224901206.91812020048.99枣枣庄柴里烟 煤30400.23940901.527901204.47412020018.52李一矿矿气焦 煤30400.37840901.902901205.34812020020.96北皂褐煤氧化温度与时间关系图柴里烟煤氧化温度与时间关系图 李一气焦煤氧化温度与时间关系图 4.流动吸氧色谱法根据煤矿安全规程我国现阶段的煤炭自 燃倾向性鉴定和分类标准采用抚顺煤科院的92标 准。该标准将煤炭自燃倾向性分为三个等级，其 划分标准如表21和表22所示。自燃等级级自燃倾倾向性30C常压压煤的吸氧量 cm3g-1I容易自燃0.80I

6、I自燃0.410.79III不易自燃0.40表21 煤炭自燃倾向性分类表（褐煤、烟煤类）自燃等级级自燃倾倾向 性30C常压压 煤的吸 氧量 cm3g-1全硫Sf%I容易自燃1.002.00II自燃0.81-0.992.00III不易自燃0.82.00表22 煤炭自燃倾向性分类表（高硫煤、无烟煤）表1 国内外鉴鉴定煤炭自燃倾倾向性所采用的方法一览览表序 号研究单单位主要采用的方法1澳矿业矿业 安全研究中心自热热温度法（SHT）；绝热绝热 R70 测试测试 ；气体成分分析；传统传统 交叉 点温度法2新西兰兰奥克兰兰大学新交叉点温度法3波兰兰克拉克夫矿矿院活化能法 4英国Leeds大学Frank-K

7、amanetski法和新交叉温度 法5英国艾伯丁大学工程学院改进进的SHR方法；微型量热计热计 法6美国MSHA自热热温度法（SHT）7印度中央采矿矿研究所交叉点温度法8土尔其中东东技术术大学交叉点温度法9中国抚顺抚顺 煤矿矿安全研究院流态态色谱谱吸氧法四、煤的氧化规律、各种牌号的在常温下都吸氧，但吸氧速度常数 不同,煤的初始吸氧速度非常快,可以说是瞬间完成 初始吸氧充填阶段,接着进行较慢表面吸附过程。 通过采用中国矿业大学测试分析中心的美国Terra Tek公司产的IS-100型等温吸附解析仪、煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成 正比：dm/d=UC 式中 dm是单位重量煤在d时间内的吸 氧

8、量; ml /(kg.h);-吸氧速度常数，ml /(kg.h);-空气中的氧浓度，%。 、煤在氧化的温度不变的条件下，吸氧速 度常数随时间按指数 规律衰减. 1H式中:1-在=1小时内的吸氧速度常数，ml/ (kg.h);H-在对数坐标中直线方程倾角的正切，它表示 吸氧速度随时间衰减的速度， 此方程在对数 坐标中可变为直线方程，即 lgU=lgU1-H.lg 本人做的实验看,上面的规律不适合煤刚暴 露的瞬间, 且从煤的化学反应温度开始,上述规 律是不正确的.、吸氧速度常数与煤自身温度之间符 合幂函数关系0e2.3B （tt0） 式中: -温度为t时的吸氧速度常数，ml /(kg.h);0-温

9、度为t0时的吸氧速度常数，ml/ (kg.h);-比例常数，l /;不同温度煤吸氧量煤 样30吸 氧量/ cm3/mg35吸 氧量/ cm3/mg40吸 氧量/ cm3/mg60吸 氧量/ cm3/mg80吸 氧量/ cm3/mg120 吸氧量 / cm3/mg160 吸氧 量/ cm3/mg200 吸氧量 / cm3/mg孔庄烟煤2.512.442.392.182.062.685.868.98 柴里烟煤1.781.781.751.552.234.3311.3222.56柴里煤样实验： 、煤因在氮气中加热而活化 实验表明:采出的煤在氮气中加热精通 280300 后,其氧化活动性增加,并可恢复到

10、原 煤样的氧化化学活性.加热过的煤样冷却后,其氧化活动性比加热前增加.、吸氧速度常数与粒度之间的关系煤的自燃与粒径关系较复杂.粒径小,煤吸氧 快,放热量快,但误差较快,粒径小的煤往往是不同 粒径煤引燃剂,所以巷道煤尘不成堆积状态不易 自燃。因为新鲜的煤接触空气后不会立即发生 自燃，而经过一定时间后这些小粒度的煤已经 失去了活性。 不同粒度新鲜煤样DSC曲线对比第三节 影响煤炭自然发火的因素 一、自然发火危险性与煤层的自燃倾向性区别与 联系 煤的自燃倾向性是煤本身具有的自然特性， 在相同的外部条件下(我提出实验最短发火期的 概念)，接触空气后发生自燃所经历的时间越较 短，则认为其自燃倾向性大，反

11、之则自燃倾向 性小。煤炭自燃倾向性是评价其常温下氧化能 力强弱的指标，与其物化性质和分子结构有关 ，与采矿技术、地质和通风供氧条件等外界因 素无关。1.煤层的自然发火危险性是指在开采过程中煤炭实际自然发火概率大小。2.煤层的自燃倾向性煤的自燃倾向性是煤本身具有的自然特性,其表 示煤在常温下与空气接触吸氧与氧化放热的化学 性质,也即是发生氧化而导至自燃的可能性。 3.煤层的自然发火危险性与自燃倾向性煤层自燃倾向性是煤层的自然发火的内因,地 质条件、开采技术和管理水平等是煤层的自然发 火的外因,只有具有煤层自燃倾向性的煤层在开采 过程才可能发火,但具有煤层自燃倾向性的煤层在 开采过程不一定发火。二

12、、影响煤炭自燃倾向性的因素 影响煤层自燃倾向性的因素也是多方面的。 1 1、煤的分子结构、煤的分子结构煤的氧化特性与煤的分子结构是紧密相关的， 煤的组成和结构不同，其性质也就不一样，因此 煤的分子结构对其自然发火危险性影响很大。 1)物理模型人们为了说明煤的物理结构先后提出多种模 型，典型模型有：1975年Riley提出的Riley模型 也叫乱层结构模型(turbostratic 1amellar)、1982 年由Larsen等提出交联模型、1986年Given等提 出的主客(hostguest)模型(亦称两相模型)和 1954年Hisch提出的Hisch模型。Hisch用X射线 衍射研究了煤

13、的结构提出的物理模型，将一同煤 化程度划归三种不同物理结构，如下图所示。 煤的物理模型 2 )煤的化学模型煤是结构十分复杂大分子，世界很多 科学家都在从事这方面的研究工作，提 出了很多煤的结构模型，如德国 WFuchs提出，Krevelen于1957年进行 修改的煤的结构模型、英国的PHGiven 提出的低煤化度烟煤模型、日本的本田 模型以及美国WHWiser提出的针对年 轻煤化学结构模型。目前，Wise模型被 认为是比较全面、合理的模型见下图。Wise煤的化学模型 3)近年来学术界对分子结构比较一致看法煤的有机大分子是由许多结构相似但又不同 的结构单元组成。结构单元的核心是聚合程度不同 的芳

14、环，还存在一些脂环及杂环，结构单元之间由 氧桥及亚甲基桥联结，它们还带有侧链和官能团， 主要是烷基、羟基、羧基及某些煤中的甲氧基。 结构单元核结构单元的核主要由不同缩合程度的芳香环构 成，也含有少量的氢化芳香环和氮、硫杂环。低煤 化度的煤基本结构单元的核以苯环、萘环和菲环为 主；中等煤化度烟煤基本结构单元的核则以菲环、 蒽环和芘环为主；在无烟煤阶段，基本结构单元核 的芳香环数急剧增加，逐渐趋向石墨结构。键桥桥键是联接基本结构单元的化学键，确定桥键 的类型和数量对了解煤的结构与氧化性至关重要。通 过定性的研究表明23桥键一般有以下四类：次甲基 键 ：-CH2-n ；醚键和硫醚键：O, S,SS

15、等；次甲基键醚键和次甲基硫醚键：CH2O, CH2S等；芳香碳碳键：CarCar。在这四 种桥键中键能由次甲基到碳碳键逐渐增大，被氧化 断裂的所需能量增加。这些桥键在煤中并不是均匀分 布的，在褐煤中和低煤化度的烟煤中，主要存在前三 种桥键，尤其以长的次甲基键和次甲基醚键为多，中 等煤化度烟煤中桥键数目最少，主要为CH2和 O；而无烟煤桥键又增多，其键型为CarCar。由 于桥键是处于煤分子中的薄弱环节，易受热和氧化作 用而裂解，且可以多种方式裂解。 褐煤 次 烟 煤无 烟 煤 低挥发分烟煤 高挥发分烟煤 、煤化程度（变质程度）煤化程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素，它基本煤化程度是影响煤炭自

16、燃倾向性的决定性因素，它基本 上反映了煤的结构、化学组分和物理化学性质，因而直接反上反映了煤的结构、化学组分和物理化学性质，因而直接反 映了其氧化能力的强弱、临界温度等参数。映了其氧化能力的强弱、临界温度等参数。 理论研究和实践经验都表明，各种变质程度的煤都具有理论研究和实践经验都表明，各种变质程度的煤都具有 自燃倾向性，即不仅变质程度低的褐煤和长焰煤具有自然发自燃倾向性，即不仅变质程度低的褐煤和长焰煤具有自然发 火危险性，而且变质程度较高的焦煤和无烟煤也有自然发火火危险性，而且变质程度较高的焦煤和无烟煤也有自然发火 危险性。例如，新密裴沟矿、宁夏石炭井矿等开采无烟煤的危险性。例如，新密裴沟矿、宁夏石炭井矿等