《矿山安全》第三章_矿井火灾防治

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1、第三章 矿井火灾防治 目 录,第一节 基本概念和理论概述 第二节 开采技术预防自燃发火 第三节 通风措施防治自燃发火 第四节 介质法防灭自燃发火 第五节 矿井火灾处理复 习 题问 题 思 考,第一节 基本概念和理论概述 主 要 内 容,一、矿井火灾发生的基本要素 二、矿井火灾的分类 三、煤的自燃 四、煤的自燃征兆及其早期发现 五、矿井火灾的危害 六、火风压 七、矿井火灾防治的技术途径,一、矿井火灾发生的基本要素,（1）热源。具有一定温度和足够热量的热源才能引起火灾。 （2）可燃物。煤本身就是可燃物。 （3）空气。燃烧就是剧烈的氧化。实验证明：3氧浓度的空气燃烧不能维持，12以下氧浓度的空气里瓦

2、斯失去爆炸性，14氧浓度以下蜡烛将熄灭。火灾的3个要素必须同时存在，且达到一定的数量，才能引起矿井火灾，缺少任何一个要素，矿井火灾就不可能发生。,二、矿井火灾的分类,（1）根据不同引火热源，矿井火灾可分为外因火灾和内因火灾。外因火灾是指由于外来热源如明火、放炮、瓦斯煤尘爆炸、机电设备运转不良、机械摩擦、电流短路等原因造成的火灾。内因火灾在煤矿里主要是指煤炭在一定的条件和环境下（如煤柱破裂浮煤集中堆积又有一定的风流供给）自身发生物理化学变化（吸氧、氧化、发热）聚积热量导致着火而形成的火灾。 （2）根据不同发火地点，矿井火灾分为井筒火灾、巷道火灾、采煤工作面火灾、煤柱火灾、采空区火灾和硐室火灾。

3、（3）根据不同燃烧物，矿井火灾可分为机电设备火灾、火药燃烧火灾、油料火灾、坑木火灾、瓦斯燃烧火灾和煤炭自燃火灾。 （4）根据发火性质不同，矿井火灾可分为原生火灾与次生火灾。次生火灾指由原生火灾而引起的火灾。,三、煤的自燃 1.煤的自燃煤不经点燃而自行着火的现象。煤层露头、老窿，以及煤堆，都是容易引起煤自燃的场所。 （1）黄铁矿作用学说该学说最早由英国人（Plott与Berzelius）于17世纪提出，19世纪下半叶曾广为流传。它认为煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿（FeS2）与空气中的水分和氧相互作用，发生热反应而引起的，其反应化学式如下：FeS2+2H2O+7O2=2FeSO4+2H2SO4+Q

4、1另外硫酸亚铁在井下潮湿的环境中可能被氧化变为硫酸铁：其中硫酸铁在潮湿环境中作为氧化剂又和黄铁矿发生反应：,内蒙古乌达煤田火区景观,新疆硫磺沟矿区灭火工程现场,（2）细菌作用学说该学说由英国人帕特尔（Potter.M.C）于1927年提出。他认为在细菌的作用下，煤体发酵，放出一定热量，这些热量对煤的自燃起了决定性的作用。英国人温米尔与格瑞哈姆曾做如下实验，将具有自燃倾向性的煤放在温度为100的真空烘箱中，经20h烘烤，在此条件下，所有细菌都已死亡，然而煤的自燃性并未减弱。1956年苏联学者札娃尔齐通过实验指出：在煤的自燃现象中，细菌不起任何作用。他认为煤的自燃是化学基链反应过程，而不是细菌作用

5、。 （3）酚基作用学说1940年苏联学者特龙诺夫提出：煤的自热是由于煤体内不饱和酚基化合物强烈地吸附空气中的氧，同时放出一定量的热量造成的。,（4）自由基作用学说中国矿业大学李增华教授于1996年提出了自由基作用学说，认为煤体在外力作用下破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子的断裂，分子链断裂的本质是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基，自由基存在于煤粒和煤体内部新生裂纹表面，为煤氧化自燃创造了条件。 （5）煤氧复合作用学说1870年瑞克特（Rachtan.H）经过实验得出：一昼夜里每克煤的吸氧量为0.10.5ml，而褐煤为0.12ml，烟煤的吸氧可达0.4ml。20世纪60年代煤炭科学研究院抚顺

6、研究所曾以煤的吸氧量作为区别煤的自燃倾向性大小的指标。通过大量煤样分析，确定了100g煤样在30的条件下经96h吸氧量小于200ml时属于不自燃的，超过300ml时属于易自燃的煤。这也说明，在低温时，煤的吸氧量越大，越易自燃。,1951年苏联学者维所沃夫斯基等人提出：煤的自燃正是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定的条件下，如低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才能导致自燃。这种氧化反应的特点是分子的基链反应，也就是每一个参加反应的团粒或者说在链上的原子团首先产生一个或多个新的活化团粒（活化链），然后又引起相邻团粒活化并参加反应。这个过程在低温条件下，从开始

7、要持续地进行一段时间，这就是人们称之为“煤的自燃潜伏期”。煤的低温氧化特点是只在其表面进行，化学组分无任何变化。低温氧化过程的持续发展使得反应过程的自身加速作用增大，最后如果生成的热量不能及时放散，就会引起自热阶段的开始。,2. 煤的氧化自燃过程其过程如图图3-1-1所示。 （1）潜伏期。煤炭吸附空气中的氧而生成不稳定的氧化物羟基（OH）与羧基（COOH）。开始阶段既观测不到煤体温度变化，也看不到周围环境温度的变化。 （2）自热期。煤的氧化速度增加，不稳定氧化物分解成水、二氧化碳、一氧化碳。氧化产生的热量使煤温继续升高，超过自热临界温度煤温上升速度加剧，开始出现煤的干馏，生成芳香族的碳氢化合物

8、、氢气、一氧化碳、等可燃物。 （3）燃烧期。自热期的发展有可能使煤温上升到着火点温度而导致自燃。若煤温根本不能上升到临界温度或上升到这一温度但由于外界条件的变化，很快地降了下来，这样便进入了风化状态。,图3-1-1 煤自燃发展过程示意图,煤层中出现下列现象之一，该煤层定为自然发火煤层： 煤因自燃出现明火； 煤炭自燃发生的烟雾； 煤炭自燃发生的煤油味； 采空区测取的一氧化碳浓度超过矿井实际统计的临界指标。 3煤炭自燃的条件从煤的氧化自燃过程可以看出，煤炭自燃必须具备以下三个条件： （1）煤炭具有自燃的倾向性，并呈破碎状态堆积存在； （2）连续的通风供氧维持煤的氧化过程不断地发展； （3）煤氧化生

9、成的热量能大量蓄积，难以及时散失。,4.煤炭自燃倾向性 煤炭倾向于自燃的难易程度的特性叫煤炭自燃倾向性。,5煤的自燃发火期煤炭自燃发火是一渐变过程，要经过潜伏期、自热期和燃烧期三个阶段，因此，具有自燃倾向性的煤层被揭露后，要经过一定的时间才会自燃发火。这一时间间隔叫做煤层的自燃发火期，是煤层自燃危险在时间上的量度。自燃发火期愈短的煤层，其自燃危险性愈大。,6影响煤炭自燃发火的因素煤炭自燃发火是一个复杂的物理化学过程，影响煤炭自燃发火的因素较多，概括起来主要有如下几个方面： （1）煤的自燃倾向性 煤的自燃倾向性主要取决于以下几个方面： 煤的变质程度。煤化程度越高的煤自燃倾向性越小。 煤的水份。水

10、份对煤的自燃作用有：耗热降温作用；活化吸附作用。一定含量的水份有利于煤的自燃，而湿度过大，则会抑制煤的自燃。 煤岩成分。暗煤硬度最大，占比重最大，难以自燃。在常温条件下，丝煤是自热的中心，起着引火物的作用；镜煤与亮煤脆性大，灰分少最有利于自燃的发展。 煤的含硫量。硫在煤中的存在型式：黄铁矿（FeS2）、有机硫及硫酸盐，对煤的自燃起主导作用的是二硫化亚铁。 煤的粒度。完整的煤一般不会自燃，一旦受压破裂呈破碎状态存在，其自燃性能将显著提高。,（2）煤层的赋存地质条件 煤层厚度与倾角。煤层越厚，倾角越大，回采时会遗留大量浮煤和残煤；同时，煤层越厚，回采推进速度越慢，采区回采时间往往超过煤层的自燃发火

11、期，而且不易封闭隔绝采空区，容易发生自燃火灾。 地质构造。断层、褶曲、破碎带及岩浆侵入区等地质构造地带，煤层松软易碎、裂隙多，吸氧性强，也容易发生自燃火灾。 煤层埋藏深度。煤层埋藏深度越大，煤体的原始温度越高，煤中所含水分则较少，自燃危险性较大；但开采深度过小时又容易形成与地表的裂隙沟通，也会在采空区中形成浮煤自燃。 围岩的性质。围岩坚硬、矿压显现大，容易压碎煤体，形成裂隙，而且坚硬的顶板冒落难以压实充填采空区；同时，冒落后有时会连通其他采区，甚至形成连通地面的裂隙；这些裂隙及难以压实充填的采空区使漏风无法杜绝，为煤炭自燃发火提供了充分的条件。,（3）开拓系统开采有自燃发火危险的煤层时，开拓系

12、统布置十分重要。有的矿井由于设计不周，管理不善，造成矿井巷道系统十分复杂，通风阻力很大，而且主要巷道又都开掘在煤层中，切割煤体严重，裂隙多、漏风大。因而，造成煤层自燃发火频繁。而有的矿井，设计合理，管理科学，使矿井的通风系统简单适用，在多煤层（或分层）开采时，采用联合布置巷道，将集中巷道（运输、回风、上山、下山等）开掘在岩石中，同时减少联络巷数目，取消采区集中上山煤柱等，对防止煤炭自燃发火起到了积极作用。 （4）采煤方法采煤方法对自燃发火的影响主要有回采时间的长短、采出率的高低、采空区的漏风状况以及近距离煤层同时开采时错距和相错时间等。合理的采煤方法应该是巷道布置简单、保证煤层切割与留设煤柱少

13、、煤炭回收率高、工作面推进度快、采空区漏风少。这样可使煤炭自燃的条件难于得到满足，降低自燃发火的可能性。,（5）漏风条件（如图3-1-2）只有向采空区不断的供氧，才能促使煤炭氧化自燃，即采空区漏风是煤炭自燃的必要条件。但是，当漏风风流过大时，氧化生成的热量可被风流带走，不会发展成为自燃火灾，所以，必须既有风流通过且风速又不太大时，煤炭才会自燃发火。采空区中、压碎的煤柱以及煤巷冒顶和垮帮等地点，往往具备这样的条件，因此这些地点容易发生自燃火灾。对于“U”型通风系统的采空区，按漏风大小和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带：不自燃带I（宽度为Ll ）、自燃带（宽度为L2）和窒息带（不自燃带）（如图

14、3-1-2）。靠近工作面的采空区内冒落岩石处于自由堆积状态，空隙度大，漏风大，氧化产生热量小而散发热量多，故不能发生自燃，叫不自燃带。其宽度大约15m 。自燃带中岩石的空隙度较小，因而漏风小，蓄热条件较好，如果该带的条件保持时间超过其自燃发火期，就可能自燃。故此带称为自燃带。其宽度取决于顶板岩性、工作面推进速度、漏风通风压差，一般宽度为2070m 。自燃带向采空区内部延伸，便是窒息带。由于该带距工作面较远，漏风甚小或消失，氧浓度低，不具备自燃条件。故此带处于惰化状态，已经发生自燃的遗煤也能窒息，故叫窒息（不自燃）带。,图3-1-2 采空区不自燃、自燃、窒息三带分布示意图,四、煤的自燃征兆及其早

15、期发现 1.煤炭自热期的初期阶段煤炭自燃过程的准备期结束之后便进入了自热期的初期阶段。在此阶段的征兆有： （1）煤温有所升高，但在临界温度60-80以下。 （2）空气中的氧浓度降低； （3）空气中的相对湿度增大； （4）出现二氧化碳、一氧化碳气体。,2.煤炭自热期的后期阶段煤炭自热超过临界值，但是尚未达到着火温度出现明火的期间，我们称之为自热期后期阶段。此阶段的征兆有： （1）火源点附近的空气湿度增大，出现雾气，煤壁挂水珠，类似“出汗”现象。 （2）出现煤炭氧化和干馏的产物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯等。 （3）煤温、水温、空气的湿度都可能升高； （4）出水酸度增大。,五、矿井火灾

16、的危害,（1）人员伤亡。当煤矿井下发生火灾以后，煤、坑木等可燃物质燃烧，释放出有害气体，此外，火灾诱发的爆炸事故还会对人员造成机械性伤害（冲击、碰撞、爆炸飞岩砸伤等）。 （2）矿井生产接续紧张。井下火灾，尤其是发生在采空区或煤柱里的内因火灾、往往在短期内难以消灭。在这种情况下，一般都要采取封闭火区的处理方法，从而造成大量煤炭冻结，矿井生产接续紧张。对于一矿一井一面的集约化生产矿井，这种封闭会造成全矿停产。 （3）巨大的经济损失。有些矿井火灾火势发展很迅猛，往往会烧毁大量的采掘运输设备和器材，暂时没被烧毁的设备和器材，由于火区长时间封闭和灭火材料的腐蚀，也都可能部分或全部报废，造成巨大的经济损失。 （4）污染环境。矿井火灾产生的大量有毒、有害气体，如CO 、CO2、SO2、烟尘等,会造成环境污染。特别是像新疆等地的煤层露头火灾由于火源面积大、燃烧深度深、火区温度高以及缺乏足够资金和先进的灭火技术，使得火灾长时间不能熄灭，不但烧毁了大量的煤炭资源，还造成大气中有害气体严重超标，形成大范围的酸雨和温室效应。,