煤矿井下自燃发火的研究与防治

煤矿井下自燃发火的研究与防治相关专题：科技动态时间：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。