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煤矿井下自燃发火的研究与防治
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时间:2011—11-15 20：11 来源: 阿里巴巴化工价格库
兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对以前在矿井井下煤炭自燃防治方面存在的问题进行了认真分析和归纳,就煤矿井下煤炭自燃的机理与规律等问题与有关单位共同开展了深入的研究，并且在此基础上探索出了煤矿井下防灭火的适用新技术,有效地保障了矿井的安全生产。需要说明的是，诸如“三相泡沫防灭火技术"等在其它矿区应用的先进技术本文限于篇幅没有进行论述。
1 煤炭自燃的研究
1）煤炭自燃研究有新进展
由西安科技学院完成的“煤氧复合过程及放热强度测算方法”，通过测定兖州矿业（集团）公司东滩煤矿3＃煤层所采煤炭的耗氧速率和CO、产生速率，根据煤的分子表面活性结构可能与氧复合过程的键能变化量,计算出了煤炭复合放热强度,在此类研究中是一个突破。
煤炭自燃过程的实质是煤体氧化放热和散热这对矛盾运动发展的过程。当发热大于散热的时候,煤体的热量得以积聚，温度升高，最终导致自燃。因此，研究煤炭的自燃，首先应当研究煤的放热强度。煤体热量产生的最主要根源是煤氧复合，但是由于常温下的煤氧复合速度缓慢，人们一直未能解决放热强度的直接测定问题.
此项研究结果表明：根据煤炭表面分子结构的类型，推出了煤体表面分子存在的7种活性结构，这些活性结构是常温下与氧发生化学反应的主体;煤表面活性结构与氧复合的过程中存在着化学吸附和三步化学反应过程，根据每一步反应时化学键能的变化，可以推算出化学吸附及反应每生成1molCO、等气体产物的平均键能变化量;通过实验可以测定出煤体在不同温度下的耗氧速率、CO及的产生速率，若煤氧复合消耗的氧全部转化成CO和,两者的产生量和各自的实际生成量成正比,则依据耗氧速率、CO和产生速率就可以计算出煤氧复合放热强度;若煤氧复合消耗的氧除了实际生成CO和以外，其余的均与煤发生吸附,那么据此同样可以计算出煤氧复合的放热强度；由于煤氧复合时实际消耗的氧一部分与煤发生化学吸附，一部分与煤反应生成中间产物，还有一部分与煤反应生成CO与，故煤氧复合的实际放热强度则应当介于上述两者的计算结果之间。
2）煤层自燃发火规律研究
兖州矿业（集团）公司通风处开展了对煤层自燃发火规律的研究，并且在此基础上提出了实施防灭火的有效措施。
综合机械化开采分层开采时煤层的自燃发火明显存在以下规律：第一，就发火点在采空区的分布而言，中部的发火几率低，周边的发火几率高，分别占到综合机械化开采分层采空区发火总次数的10.7％和89.3％，可称为“发火的空间分布规律"。第二，就发火点的生成与工作面的回采关系而言，本分层回采时引起本分层采空区发火的几率低，下分层及邻区准备和回采时引起上分层或相邻采空区发火的几率高,分别占到综合机械化开采分层采空区发火总次数的14.3%和85.7％，可称为“发火的时间分布规律"。
综合机械化放顶煤开采时的煤层自燃发火有以下特点：
第一，就综合机械化放顶煤开采的采空区而言，发火主要威胁仍然来自相邻的采空区，而非本工作面的采空区，分别占到综合机械化放顶煤开采工作面采空区发火总次数的86.7%和13。3%.
第二，采空区发火的重点部位在相邻的采空区“两道”和停采线，分别占到综合机械化放顶煤开采工作面采空区发火总次数的60。0%和26。7%(分层综合机械化开采为42％ 和40％）；与分层综合机械化开采工作面的采空区发火相比较，“两道”的危险性有所上升,而停采线的危险性有所下降。
第三顺槽及切眼顶板煤柱发火十分严重，占与综合机械化放顶煤开采工作面相关联的发火总次数的34.8％，是采煤工艺变化带来的一类特殊类型发火。
另外,综合机械化放顶煤开采时煤层的自燃发火期有缩短的趋势,这仍然是由综合机械化放顶煤开采的巷道布置特点所决定的。
此项研究认为:要充分发挥各种防灭火技术的效能及最大限度减少自燃发火次数，就须高度重视实施各种防灭火措施的相对时间问题；有必要对采空区内部风流运移规律进行深入研究,以便更准确地指导各种防灭火措施的实施。
3）煤炭自燃发火危险性评价指标
兖州矿业（集团）有限责任公司开展了“煤炭自燃发火危险性评价指标”的研究，认为应当以煤炭对自燃的敏感程度和外在的开采条件作为评价的基础，并且还应当对自然发火危险性评价指标方法存在的某些局限性进行了评价。
煤炭的自燃发火是煤的内在特征（包括煤的自然物理特征和埋藏地质条件）与开采共同作用的结果，人们以此为基础研究出了多种煤炭自燃发火危险性评价的预测方法。其中，以煤的内在因素为基础的分类方法就有交叉点温度法、Olpinski指标、吸氧法、绝热氧化法、煤的初始升温率（IRH）和总温度上升值（TTR）预测方程等。
尽管有大量的实验方法可以用来对煤的自燃发火倾向性进行分类，但是没有哪一种测试方法能够综合考虑影响煤炭自然发火的各种因素。在实验室的条件下无法模拟井下的条件，所以不能够只用单一的某个或者一组实验数据来对煤的自燃发火危险性进行分类评价。因此,许多学者综合了煤炭自然发火倾向性和煤层开采条件等外在的影响因素，研究出了潜伏期法、模糊聚类分类法、经修正过的Bystron和Urbaski分类方法等。英国诺丁汉大学综合考虑了煤体本身的物理特性、地质条件、采矿技术三种因素而开发的专家系统，采用实验室分析结果、地质资料和开采参数来评价煤层开采现场的自燃发火危险程度,其评价指标的计算采用经过修正的Bystron和Urbaski方法,在对煤层自燃发火危险性进行评价的同时可以向咨询者提出建议性的预防措施。
此项研究指出：即使是最现代化的专家系统评价分类方法，其评判指标中的外在因素权值仍然取决于人的主观评价,尚应进一步加以研究，并且在广泛调研论证的基础上决定各种评定方法的实用性和可靠性。
4）采空区自燃研究获成果
由中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司东滩煤矿共同开展的综合机械化开采工作面采空区自燃“三带”分布规律的研究,最近获得了新的成果.
矿井火灾是煤矿的主要灾害之一。据统计全国统配和重点煤矿中有自然发火危险的矿井大约占到47%，而且绝大部分发生在采空区附近.因此，研究和分析综采工作面采空区的自然发火规律，并且有针对性地采取一些切实可行的措施，不仅极大地提高了综采工作面生产的安全性.而且也降低了综采工作面的防灭火费用及减少了自然发火所造成的损失.
该项成果是根据采空区顶板的冒落压实状况，通过采空区流场的计算机模拟分析，得出了采空区内自燃“三带”的分布状态；通过对采空区内遗煤温度和气样成分的观察分析,验证了计算机模拟分析的结果;结合采空区遗留浮煤的分布状态，充分地阐明了“两道两线"（进风道、回风道、切眼线和停采线）是采空区内发火最危险的部位，也是采取防灭火措施的重点部位。
在此项研究的过程中，课题组人员通过对顶板的冒落压实状况、遗留浮煤分布状况、采空区流场及试验工作面的测温取样分析以后获知：工作面的开采初期，自燃“三带"在采空区四周均存在;随着工作面的推进,形成了上下巷道“三带"、中部窄的形式。而且，考虑到采空区四周也是浮煤堆放较为集中的地点，因此采空区的易自燃部位可以判定为进风道、回风道、切眼线和停采线附近，这也是对采空区实施防灭火措施的主要理论根据。东滩煤矿在上述理论分析的基础上,采取了上、下顺槽注阻化剂，并且在切眼线和停采线附近重点喷洒阻化剂等措施，均取得了比较好的防灭火效果,安全采出煤炭120万t。
5）自燃隐患预测技术与应用
为了减少自燃发火事故、确保工作面顺利回采，兖州矿业（集团）公司南屯煤矿开展了煤层自燃发火隐患预测应用技术的研究，对矿井安全生产以及提高生产效益发挥了积极的作用。
他们使用红外线测温仪对巷壁煤柱煤体破碎区及顶煤破碎区进行测量.在断面顶部和两帮各设 3个点，每隔3～5m设1个测量断面，将所有数据输入计算机,应用煤巷红外探测数据处理与位置反演系统得到火源探测结果的平面图、立体图、测点变化趋势图和隐患点位置、温度等.根据红外探测数据和现场煤体破碎程度判定,在可疑点布置测温、测气点，测温电阻和测气采管送入Φ20mm钢管，环氧树脂固化20～50mm，每天监测1~2次。
采空区自燃隐患预测主要采取气体指标分析预报办法。采空区取气样有埋管取样和钻孔取样。埋管是在工作面回风侧预留一段距离的管路，在管路中布置束管,这种方式工作量大、方位性差，但可控程度高、使用时间长，同时可以判断采空区“三带”，对采空区整体处理有指导意义。利用钻孔则需要向采空区施工钻孔，这种方式工作量小、方位性好,但是影响因素多，容易出现塌孔。观测管入口设在工作面切眼以外50m处，每天抽取气样分析。25天后工作面推进108m，观测点氧气浓度由20。4%降至3。3％，甲烷浓度由0.21%升至5.10％，说明观测口已进入窒息带.定期在采煤面回风隅角及回风流等地点人工取样，然后进行气体分析，用CO绝对产生量预报指标法进行计算，测出进、回风巷各自的风量，从而判断采空区是否发生自燃发火隐患。已封闭的联络巷、废弃的溜煤眼等地点可以预留1路束管,利用其取样分析。
2 红外探测技术在矿井防灭火中的应用
1)在东滩煤矿的应用
兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在4308工作面轨道顺槽的巷道中应用了红外探测的先进技术,预测准确，方便适用，为煤矿防火预测和探测隐蔽火源带来了比较好的应用前景。
兖州矿区的各个煤矿原先对于煤炭自燃的预测预报普遍采用的是气体分析法,依照煤炭在不同温度条件下产生气体的种类和多少来判断煤炭自燃发展的情况，无法确切地判断煤炭自燃的实际位置。
研究人员发现,发光物体在发出可见光的同时，还会发出一系列不可见的电磁波，例如红外电磁波等。火源也是如此。在隐蔽的地点，当煤炭自燃的条件形成以后，随着煤层温度的增高，红外辐射场的强度也会逐渐地增大.物体的辐射能力与其温度的四次方成正比，自燃煤体的温度升高时，其辐射的能量会大幅度增加（在实际的应用过程中应同时考虑所测煤体的密实程度），因此可以利用红外电磁波来探测隐蔽的火源。依据红外探测技术原理研制的仪器不同于一般的直读式仪器，要想知道测点的温度，还必须根据各个探测点的位置和测得的红外场强度画出一道相应的曲线，并对之进行分析和解释。
东滩矿4308综合机械化开采放顶煤工作面轨道顺槽的另一侧是4309工作面的采空区。在4309工作面的采空区内有多处浮煤自燃，高温点的位置难以准确判定.为此，他们采用防爆红外探测仪进行了隐蔽火源的探测.在4308轨道顺槽的沿空侧每隔2.5m布置一个测点，对4309采空区进行探测，并且将探测到的红外辐射场强度数据绘成曲线，120～160m处为正常场，30~90m段出现低温氧化反应，95~100m段出现强烈氧化升温反应，已经出现了明显的高温点；然后用打钻测温进行验证,情况基本相符。
红外探测技术后来在兖州矿区的南屯煤矿、兴隆庄煤矿井下相继进行了应用，也取得了很好的效果。
2）在鲍店煤矿的应用
兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿将红外线探测技术应用于防灭火工作中，通过测定场强的变化，在煤体大量吸氧活化阶段就可以早期探测到自燃的隐患地点，有利于及时采取措施进行预防，为煤矿生产提供了安全保障。
在红外线探测技术之前，煤层的自燃主要是利用安全和束管监测系统对气体进行监测分析，根据气体的监测结果（尤其是分析CO和)来确定自燃隐患的地点;或者通过观察自燃外部征兆,例如巷道挂汗、水汽、帮变红、烟雾、明火等，证明出现了煤层自燃的现象。以上探测方法（包括气体监测）都是在煤体吸氧自热出现自燃隐患以后才有效，在此之前无法探测到自燃隐患。一旦发现有害气体(CO和），煤体已经处于自热化学反应的阶段,很快就可能造成煤层自燃发火,在时间上给防止自燃发火工作带来了难度。红外线探测是一项早期预测预报的技术。它能够确定煤层自燃隐患的地点、漏风通道、瓦斯积聚地以及探测隐蔽的水源等，尤其是在煤体吸氧活化阶段就可以探测到隐患地点.
该矿在防灭火中的红外线探测采用了以下两种方法：
①对于一个特殊的地点（介质性质与周围不同），例如采煤工作面封闭以后的密闭与联络巷等一般采用同一地点不同时间的测定方法，并且绘制随着时间变化的曲线图。他们曾经从图上发现有几天出现异常场,场强量突然增大,可以判断密闭内已经出现了自燃隐患,经过治理以后恢复了正常。
②对于同一介质进行不同地点的探测。例如，沿空掘进的巷道、“孤岛”工作面的两顺槽或者严重冒顶的巷道,采用定期沿着巷道每隔一定的距离范围测定的方法，其中沿空巷道重点对沿空侧选取上、中、下三个点测定，冒顶巷道对顶板选取左、中、右三个点进行测定。
3 自燃发火防治的研究
1）煤层自燃防灭火研究有新进展
兖州矿业（集团）公司通风处通过研究以后提出了一个新的观点：要充分发挥各种防灭火技术的效能及最大限度减少自然发火次数，就必须高度重视实施各种防灭火措施的相对时间问题。
煤层自燃发火的时间分布规律表明，采空区浮煤自燃的危险性具有随工作面开采相对时间变化的特点，即在浮煤形成时（也就是本面开采时）较小，在邻面准备及回采时增大。因此，防灭火措施的实施应在相对有利的时间内进行,遵循的原则是在工作面开采期间不对本面采空区做过多的防火工作,待到开采下分层或邻区时再对其做大量的防火工作(接续上应留出防火工作的时间）,即工作面回采时的防火重点应针对与之相邻的采空区，而非本面采空区.
提出此原则主要考虑两点：一是本面采空区自燃几率较低,实施过多的防火措施没必要,另外工作面开采时对本面采空区采取措施的难度较大,且不便于措施本身作用的发挥。二是邻区工作面开采时，相邻采空区的自燃几率增大,对其采取措施的必要性亦增大;邻区工作面准备及回采时，顺槽距相邻采空区较近，便于实施各种措施，同时也利于防火作用的发挥.照此原则开展防灭火工作，既能充分发挥各种防灭火技术的效能，又能减少不必要的防火投入.当然，综合机械化放顶煤开采顺槽及切眼顶煤的防火处理应另当别论,由于这类发火多发生在顺槽切眼掘进期间或回采工作面前方的顺槽中，与工作面的回采关系不大，因此其防火处理工作宜早不宜迟，最好是发现顺槽冒顶或松动离层即行处理。此外,还有必要对采空区内部风流运移规律进行深入研究，以便更准确地指导各种防灭火措施的实施。
2）矿井防灭火关键技术研究
兖州矿业（集团)有限责任公司针对矿区井下煤层自燃防灭火工作中存在的问题，对矿井防灭火关键技术进行了研究.
实验证明，不同煤种的自燃情况不相同，同一种煤耗氧越快越容易自燃。如果时间足够长,任何煤都会自燃。具体到兖州矿区的煤种而言,温度达到200℃左右时会出现煤焦油味，此时CO浓度能达到1％；温度300℃时能见到青烟;到400℃能够见到明火.如果在100℃时不采取措施，几天就会上升到300℃而出现青烟.济宁二号煤矿2301停采线从出现到明显有煤焦油味仅两天，到明显冒青烟仅七天。
防灭火关键技术可分以下几个阶段：
①工作面布置。在进行工作面设计的时候，要保证顺槽的风流方向与相邻采空区周边的风流方向同性，即同为进风或者同为回风。工作面不能采全高，必须丢煤的时候要丢底不丢顶。
②掘进中。沿空掘进面须喷浆堵漏，对沿空有高温的区段可采用注胶体泥浆的办法进行治理。沿空掘进的巷道与采空区密闭或者上分层的溜煤眼贯通前以及在贯通二次揭露的断层时，在可能的情况下应当通过观测密闭内气体情况或者打钻的办法了解内部煤的自燃情况.
③采煤过程。工作面生产时的进风隅角一侧是防灭火的重点。最好能向采空区喷洒阻化剂,并在喷洒后挂帘。工作面推进速度较慢时，每隔一段距离用黄土袋子将巷道堵死，防止漏风引起采空区浮煤自然发火。
④工作面停采。停采前尽量加快工作面推进速度、抓紧回撤、快速封闭并对停采线采取注浆等措施。
⑤救灾时期。矿井火灾时期的通风系统稳定是非常重要的，风量不稳定会使采空区内的气体突然涌出。盲目调节风量会使高温点产生的有害气体因压力变化而涌出，而且救灾时风压的来回调整不利于对火源点位置与火灾发展情况的准确判断,尤其是对于为防灭火减小风压差的调风措施更应慎重.
3）综合机械化放顶煤开采工作面巷道沿空侧松散煤体漏风强度测算
西安科技学院和兖州矿业（集团)公司东滩煤矿提出了通过实测井下巷道沿空侧松散煤体钻孔氧气浓度来推算漏风强度的方法，分析了巷道松散煤体在自燃的过程中热风压对漏风强度的动态影响，并且在该矿4308综合机械化放顶煤开采工作面的沿空巷道自燃性预测中得到了成功的应用，对于松散煤体自然发火预测技术的研究具有重要的意义
综合机械化放顶煤无煤柱开采的时候，沿空巷道的沿空侧有一条宽度约为10m、高度为数米的松散浮煤带。这些煤体在空气漏风流氧气的作用下放出热量，若蓄热条件较好则可能引起煤体升温,从而导致煤体自燃。对于巷道松散煤体自燃预测而言,只要掌握其有关参数就能够作出比较精确的预测。例如，其中的放热强度、耗氧速度可以在实验室内测定，松散煤体厚度、岩层原始温度在现场都可以直接测定，但是测定松散煤体中漏风强度的难度很大，而测定氧浓度的分布相对则比较容易，因此可以通过实际测定的氧浓度分布来反推漏风强度。
其思路是：根据巷道沿空侧松散煤体的漏风特点，通过测定松散煤体内某一点的氧气浓度、瓦斯浓度和温度，再根据煤在该温度下的耗氧速度，便可推算出漏风强度。以这个漏风强度为初始值，并且考虑到系统风压的变化（主要为煤体温度变化引起的热风压变化），即可得到漏风强度的动态变化规律。
此项研究表明:漏风强度的氧浓度测算法是根据实测巷道松散煤体钻孔氧气浓度和煤的耗氧速度推算出漏风强度,该方法能够比较真实的反映出松散煤体的实际漏风状况，但是必须首先由实验测定出煤的耗氧速度；在煤氧化自燃的过程中，由于煤体温度升高而产生热风压，因此在研究巷道松散煤体漏风强度的时候，还必须考虑到由于热风压引起的漏风强度动态变化。
4）煤层注水技术避免火灾的发生
由兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿与煤炭科学研究总院重庆分院共同完成的“综合机械化放顶煤开采工作面煤层注水技术研究"，已经由专家通过了技术鉴定.
根据煤层裂隙中水的渗透情况，应用这项成果的装置可以自动调节注水参数，从而使得注水的效果达到最佳。此项成果具有动静压注水自动切换、自动显示及储存各项注水参数和多种保护功能，可以软化煤层和顶煤、减少大块的煤量、降低工作面的瓦斯浓度和工作场所的温度、延长发火的周期、避免火灾的发生，还提高了资源的回收率。兴隆庄煤矿应用了此项技术以后，煤层中的平均水分增量为1.174％，总粉尘降尘量达到了62。1%～86.0％，呼吸性粉尘降尘量达到了54。1%～67。6％，有效地改善了作业的环境,减少了粉尘的危害。专家认为，此项技术成果在厚煤层及中厚和薄煤层中均具有推广应用的价值.
5)煤体自燃发火的防治技术
兖州矿业（集团）有限责任公司不仅在综合机械化放顶煤开采技术研究方面得到了快速发展,而且在煤体自燃发火的防治等方面也有了显著的发展和提高，并且带动了相关专业及安全保障技术的发展，形成了完整的厚煤层综放开采技术体系及安全保障体系。
由于综合机械化放顶煤的一次开采强度大、采空区冒落空间高、采空区遗煤多、工作面顺槽沿着底板一次掘出及服务时间长等原因,加之兖州矿区一直推广无煤柱开采，因此对自燃发火防治技术的要求更高、更复杂。统计资料显示，综合机械化放顶煤开采的自燃发火与分层综合机械化开采相比显现出不同的特点，即易发火区由分层综合机械化开采的“二道二线”（工作面运输机道、回风道及切眼、停采线)转变为巷道顶煤和综合机械化放顶煤开采工作面相邻采空区松散煤体（特别是沿空送巷保留的小煤皮）。综合机械化放顶煤开采工作面的采空区虽然遗煤比较多，但是由于工作面的推进速度快,使得采空区的遗煤远在自燃发火期以内就被甩到窒息带，所以未发生自燃发火现象。
兖州矿区的煤体自燃发火防治技术可以分为以下两个方面：
①针对巷道顶煤容易自燃的情况，采取了以下措施：大力推广煤巷锚网支护技术，变被动支护为主动支护，减少顶煤松动冒落和顶板形成空洞的可能,从根本上杜绝了巷道顶煤的自燃现象;开发应用以巷道喷涂、注凝胶隔离段和惰化剂为主要内容的防火技术;采用巷道顶煤自燃预测预报技术；研究胶体泥浆快速灭火技术。
②针对相邻采空区端头松散煤体容易自燃的情况，采取了以下措施：采用聚氨酯喷涂堵漏新材料、新工艺；开发应用密集浅孔注凝胶技术；采用井下移动式膜分离制氮防灭火技术；开发应用胶体泥浆快速灭火技术。

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