矿井火灾防治技术

《矿井火灾防治技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿井火灾防治技术（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、煤炭科学研究总院 重庆分院矿井火灾防治技术煤炭科学研究总院重庆分院张延松 博士 教授 博导13708386963 023-65239386主要课授内容第一章 概述第二章 煤炭自然发火机理第三章 矿井火灾监测及早期预测预报第四章 矿井火灾防治技术第五章 火区的封闭、管理与启封我国火灾情况我国北方7省煤层露头火区面积720km2,已累计烧毁 煤量42亿吨,目前仍以50006000万吨/年速度发展;96年统计,发生矿井火灾568次,煤层火灾548次,占 96.5%;96年底,国有重点煤矿残存火区255处,占44.9%,冻结 煤量4000万吨;高瓦斯矿,引燃瓦斯,爆炸,如阳泉推广综采放顶煤,原 不发火

2、的一矿、二矿，由于煤自燃引燃采空区瓦斯 燃烧爆炸。煤矿煤层自燃的特点火源点隐蔽，位置较高立体分布；松散煤体蓄热性好，热量不易散失；能低温贫氧氧化，温度越高反应速度越快， 防热量越多；由温差产生气体热力循环，自然对流自供氧 等。煤层自燃防灭火技术特点降低煤（岩）体内部温度；提高反应活化能；减少或隔绝流经松散煤体的氧含量；耐温性好，不易产生高温气流加热周围松散煤体等目前注水、灌浆、注阻化剂、注惰气等仅具有其中 12种特性，有一定的局限性胶体有综合性第一章 概述引起火灾的基本要素主要有一下三点：可燃物、热 源、氧气。 可燃物：可燃物是矿井火灾发生的物质基础。煤矿井下最普遍、最常见的可燃物就是煤炭本身

3、。同时，生产过程中使用的胶带、胶皮风筒等橡胶制品，坑木、竹笆等竹木材料，液压油、润滑油等油料，棉纱等擦拭材料，以及生产过程中产生的煤尘和瓦斯、氢气等气体，都具有可燃性，所以都是可燃物。 热源：可燃物在开始燃烧之前，必须具有一定温度 和足够热量的热源才能引起火灾。具备足够的热量和温度的热源才能引燃可燃物，因此热源是触发火灾在必要因素。在矿井中，明火以及机械摩擦等机械能转化的热，电流短路、电气设备超载运转、静电放电等电能转化的热和煤炭自燃、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等化学反应产生的热，都是可能引火的热源。氧气：燃烧是一种剧烈的氧化过程，只有足够的氧 气供给才能维持氧化燃烧的持续进行。如果缺乏足够的氧气

4、，燃烧就难以维持。所以供给足够的氧气、保证有一定量的氧气参与，是维持燃烧、形成火灾的必要条件之一。人们通过实验证实，在氧浓度为3的环境里，任何可燃物的燃烧都不能持续下去；氧浓度低于14时，燃着的蜡烛就要熄灭。煤炭自燃的四个条件煤有自燃发火倾向性,并呈破碎状态堆积存在;有连续的供氧条件;热量易于积聚;维持煤的氧化过程不断发展的时间掌握了煤炭自燃的机理和条件,就能有效地防止自燃事故的发生:上述四个条件中,只要彻底破坏一个或一个以上(乃至全部),自燃火灾就不会发生。实际工作中，为了增加防火的可靠性，总是采用多方面的综合防火措施来预防煤炭自然发火事故。第一节 矿井火灾一、矿井火灾的分类： 根据燃烧源不

5、同分为内因火灾和外因火灾；外因火灾：亦称外源火灾，是指由于外部热源如明火、放 炮、瓦斯煤尘爆炸、机械摩擦与冲击、电流短路、电气设备运 转不良等引起的火灾。内因火灾：亦称自燃火灾或自然发火，是指煤炭等可燃物 接触空气后发生物理化学变化，产生热量而导致着火的火灾。 我们说的内因火灾主要是指煤的自燃火灾，即煤在一定条件下 自燃形成的火灾。根据发生性质不同分为原生火灾和再生火灾；根据发生地点及所在巷道的风流方向不同分为上行风流火灾、下行风流火灾和进风风流火灾。上行风流火灾：发生在上行风流中的火灾下行风流火灾：发生在下行风流中的火灾。进风风流火灾：发生在进风风筒、进风大巷或采空区进风风路的火灾。二、火灾

6、的危害 人员伤亡 矿井生产接续紧张 巨大的经济损失 严重的环境破坏。三、矿井火灾危险状况及趋势 近年来，煤矿生产越来越走向集约化。集约化生产减少了工作 面的搬家次数，简化了巷道布置，减少了预留煤柱，有利于防 灭火。但是，综采放顶煤开采增加了采空区丢煤量，工作面推进进度 也相对减慢(看与哪种情况比)，同时，由于开采强度大，瓦斯 涌出量增大，工作面通风强度亦增大，工作面的风压差亦显著 增加，向采空区的漏风亦增大，这些都增加了自然发火的危险 性。此外，集约化生产使矿井生产的大型机电设备高度集中，一旦 发生火灾，将造成无法估量的损失。第二节 矿井火灾防治技术的发展现状及趋势一、煤层自然发火危险性评价技

7、术（一）煤层自燃倾向性评价 煤自燃倾向性是煤自然发火危险性评价的首要指标，它表征了煤层开拓之前自然发火的可能程度，反映了煤自身的物理化学性质与其自然发火特性之间的关联性。（二）煤层开采时期的自然危险性评价技术 煤层开采时期的自燃危险程度除取决于自身的自燃倾向性外，还与煤层的赋存条件、采煤方法、顶板管理方法、开采方式、开采顺序、开采工艺、采场通风方式等外在因素有关。因此，多年来国际上许多国家都在寻求一种能综合判别煤自然发火危险程度的方法。目前国际上大多采用对各种内、外在影响因素综合评分的方法。（三）煤层最短自然发火期评价技术 煤层最短自然发火期预测一直是国内外煤矿安全技术研究领域的重要方向之一。

8、二、煤自然发火预测预报技术煤自然发火的早期预测预报方法主要有气体分析法、测温法、光电法、电离法、烟雾法、磁力预测法等。近年来，随着气味传感器的问世，又逐步形成了气味分析法。我国煤矿矿井火灾预测预报主要采用气体分析法和测温法，并以气体分析法为主。（一）气体分析法 气体分析法是以煤自然发火过程中的气体产物规律来预测预报煤自然发火的过程。气体分析法在过去相当长的时间内采用的是单一CO指标，但研究表明，CO指标与煤自然发火过程的分段性对应关系差，受现场影响因素干扰较大，因此，随着测试手段的不断发展，现阶段逐步发展为以CO、C2H4、C2H2、链烷比、烯烷比等为主要指标的综合预测预报体系。（二）气味检测

9、法 气味检测法利用了一组不同类型(目前主要有5种类型)的气味传感器。虽然气味检测法及其预测指标的研究取得了一定的研究成果。但在实际应用中，井下放炮的炮烟，胶带输送机和采煤机等大型机电设备的开停、放煤落煤以及通风系统的改变等都会对气味传感器的监测造成一定的影响。因此，气味检测法与矿井监测场所气体、气味的本身情况有密切关系，就其实用性而言，还有待于深入研究。（三）测温法 测温法主要用于煤层巷道异常点温度的监测，常用的方法有热电偶测温法、红外测温法、激光测温法等。但由于受煤矿井下作业环境流动性、分散性、相对空间的受限及作业战线长的影响，温度监测不仅所需监测的点多，而且工作量巨大，采用热电偶等温度传感

10、器时，其成本昂贵，管理困难，致使矿井火灾温度监测技术未能得到推广应用。（四）磁力预测法 此方法只适于煤层顶底板有铁磁性物质或能撒布铁磁性物质的地方，其应用受到工艺和仪器灵敏度的限制。采空区火区的氡探测方法采空区发生自然时会产生氡气，这种气体的特点是其会垂直向地面扩散而不受上覆岩层的影响，因此在地面布置网格，来测量氡的变化，可以确定井下是否发生火灾，并能较准确的确定火区，该方法目前在国内外用的比较多。三、矿井火灾防治技术（一）外因火灾的防治 我国煤矿外因火灾中以胶带输送机火灾最为严重。近年来，随着我国煤矿生产机械化程度的不断提高，胶带辅送机在煤矿运输中所占的比例越来越大，胶带输送机发生火灾的危险

11、性也相应增加，其灾害程度也呈日益严重的趋势。（二）内因火灾防治技术 内因火灾防治技术的基本出发点是消除或破坏煤自然发火的三个基本条件。（三）矿井火灾防治中存在的问题目前我国矿井防灭火存在的问题主要表现在以下几个方面： 首先，用于火灾监测的传感器种类单一，稳定性差，精度不高，寿命短而且价格昂贵，极大地制约了火灾监测和预测预报技术的发展。其次，煤自然发火期测定的实用技术尚未根本解决。虽然我国长期以来围绕煤自然发火期预测进行了大量的理论、实验和模拟等方面的研究，取得了许多相当有价值的成果，也研制出了专用测试装置，但由于试验周期长，与最短自然发火期相当(最快也需二十几天)，试验的煤样量大(几十至上千公

12、斤)，因此难以作为常规测试装置普及，有关此方面的技术还有待于进一步提高和发展。 另外，隐蔽火源探测仍是当今世界一大难题。第二章 煤炭自然发火机理第一节 概述 一、煤自然发火定义煤炭自然发火是一极其复杂的物理化学过程，是指处于特定环境条件下的煤吸附氧、氧化产生热、热量积聚而自燃而形成的一种频发性灾害。依据引火热源不同对矿井火灾的分类：煤炭自燃属于内囚火灾的范畴。二、煤自然发火条件 煤炭能够自然发火是煤所具有的共性之一，只是不同的煤种具有不同的呈现，不同的条件具有不同的反映。一般认为，煤炭自然发生必须同时具备三个条件： (1)以易于低温氧化的粉煤或碎煤状态堆积； (2)存在着适宜的通风供氧条件；

13、(3)存在着蓄热的环境条件并持续一定的时间。三、煤自然发火过程煤炭自燃一般要经过3个时期：潜伏期、自热期和燃烧期。如图1所示。潜伏期(准备期)该阶段,煤与空气接触后,吸收空气中的氧而形成不稳定的氧化物或含氧游离基,常温下吸收的氧,只能与这些游离基反应,并形成更多的、稳定的不同的游离基。该阶段特性：煤氧化过程平稳而缓慢，持续的时间较长；含氧游离基增加，吸氧速度变快；放出的热量较少，煤温变化较少，煤的着火点降低，化学活性增加，煤容重略有增加；潜伏期的长短取决于煤的变质程度和外部条件，不同类型的煤差异较大，如褐煤几乎没有潜伏期。自热期经潜伏期后，被活化了的煤能更快地吸收氧气，氧化速度增 加，氧化产生

14、的热量较大，若不及时散发，煤温逐渐升高， 达到自热阶段，当煤的温度超过自热的临界温度Tc（6080 0C ）时，氧化过程急剧加速，煤温上升急剧加快，开始出现煤的干馏，生成CO、CO2、H2、烃类气体（烷系和烯系）和芳香族碳氢化合物等。该期内，煤的水分被蒸发，生成一定数量的水蒸气，使空气 的湿度增加，在支架或巷道壁上出现凝结的水珠（巷道出汗 ）；有时看到小虫大量出现在巷道中，这是坑木上的虫卵被 孵化成幼虫所致。燃烧期当自热期的发展使煤温上升到着火温度Tb后，煤就着火燃烧 起来，即进入燃烧期。此时，就会出现着火现象；明火、烟 雾，产生CO、 CO2、H2及各种可燃性气体，并出现特殊的 火灾气味：煤

15、油味、松节油味或煤焦油味。着火后温度可达 10001200 0C 。煤种不同着火温度不同，无烟煤400 0C左右、烟煤 3203800 0C左右，褐煤210350 0C左右。如果煤温不能上升到临界温度Tc或者由于供氧和散热条件的 改善，使上升到临界点的温度的煤温又降下来，则煤的增温 过程就自行放慢进入冷却阶段，如图所示。煤逐渐冷却并继续缓慢氧化，直至惰性的风化状态。已经风化了的煤炭，一般不会再发生自燃。自燃倾向性较弱的煤常常会出现风化现象。煤的氧化过程是能够人为控制的：向煤中掺入碱类物质可使之加速，加入氯化物可使之减弱或阻止氧化。四、自然发火基础理论研究现状（一）煤炭低温氧化化学反应机理方面（

16、二）煤炭自热特征气体产物研究方面（三）煤炭自然预测预报理论研究方面 综上所述，国内外对煤炭自燃机理研究，主要都是通过研究煤自然发火的影响因素，遵循煤氧复合作用学说的原理并试图考察煤氧化过程的速度特性，来解释煤自然发火的过程特性的。这些研究工作都离不开对煤分子结构模型的认识。由于煤的物理化学组成的不均质性、煤分子结构的复杂性，目前的研究结果对煤分子结构模型尚无定论，这是研究煤自然发火机理的一大障碍。因此，开辟新的研究途径，从有关传热传质学及热物理场论理论研究煤自然发火的过程或许是一个方向，我国有的学者在这方面作了一些初步的探索。第二节 煤炭自然机理一、煤自燃机理研究历史简介煤层自燃是比较普遍的自然现象，关于煤炭自燃起因和过程人们在17世纪即开始了探索和研究，但迄今仍然未能圆满的解决。各国学者发表