煤矿火灾前兆信息及预警新技术[1]

北纬35度
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煤氧化自燃过程
准备期：重量略有增加，着火温 度降低，化学活泼性增强。
自热期：氧化速度增加，不稳定的氧 化物分解成H2O、CO2和CO，煤体温度 持续升高。当煤温超过自热的临界值（ 60℃～80℃）时，煤温急剧上升，氧化 进程加快，开始出现煤的干馏，生成 CmHn、H2及CO气体。
2009年8月18日，云南尚岗煤矿自燃引起巷道垮塌，造成10人死亡。 2010年6月21日，河南兴东二矿井下火药自燃爆炸，造成46人遇难。 2011年7月6日，山东防备煤矿井下空气压缩机自燃着火，进而引燃 坑木和煤炭，形成大面积的火区，导致28人死亡。
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煤矿灾害事故依然多发
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标志气体优选及煤矿火灾前兆信息提取
《煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法》（AQ/T 1019-2006）
（1）褐煤、长焰煤、气煤和肥煤：烯烃或烯烷比为首选标志气体。烯 烃预报范围为110℃～180℃，浓度为（1.0～20.0）×10-7；烯烷比预报范 围应依据煤层瓦斯组分和矿内空气成分确定。辅助指标为CO及其派生 指标。 （2）焦煤、瘦煤及贫煤：CO及其派生指标为首选标志气体，预报范围 为90℃～150℃，浓度为（10～30）×10-7。辅助指标为C2H4或烯烷比。 （3）无烟煤（含高硫煤）：仅能选用CO及其派生指标为标志气体，其 预报范围为100℃～150℃，浓度为（10～35）×10-6。
时则说明煤矿井下已经发生煤自燃现象。实际应用过程中，由于
井下情况复杂多变，差别较大，应根据实际情况选用不同的临界
指标。
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煤炭自然发火标志气体及其指标
格雷哈姆系数
抚顺矿区实测了格雷哈姆指标，并根据自身情况，总结多年的经
验，采用了相应的指标值。
抚顺矿区实测的格雷哈姆系数
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煤炭自然发火标志气体及其指标
格雷哈姆系数 格雷哈姆系数由煤氧化过程中CO、CO2浓度的增加量和O2浓度的 减少量计算得到。
一般以R2作为主要指标，以R1作为辅助指标，R3则主要用于风流 状态变化很大的情况。正常情况下， R2值小于0.5%，若R2值持续 上升并超过0.5%的话，即表明该矿井中有自热现象发生；超过1%
►仅2011年，43起较大瓦斯事故因火灾 引起的有22起。从瓦斯爆炸火源看， 电气火花10起，放炮7起，煤炭自燃2 起，工人吸烟2起，金属撞击1起。
按引火源分类
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煤矿灾害事故依然多发
2012年7月1日，窑街煤电集团有限公司海石湾煤矿6112油页岩综采工 作面出现间歇性喷火，7月9日工作面下端出现明火，由于火势发展迅 猛，被迫封闭全矿，7月11日井下油气燃爆，出现较大冲击波，将风井 防爆门破坏，迫使主扇停止运转，全矿井停产。
自然发火系数 H（m3/min）
安全值 <0.0049
加强观测值 自然发火预报值
0.0049~0.0059
≥0.0059
印度学者Ashok K. Singh研究表明，自燃点处氧气浓度大于15%时 ，煤氧化产物基本上是CO2，此时往往无法检测到CO的存在。因 此，应用CO指标对煤自燃进行预测预报时，应综合考虑各方面因 素后再作出结论。
✓ 2011年，全国煤炭产量35亿吨，同 比增长7.7%，在一次能源消费中约占 70.4%，预计2050年仍将占50%以 上。
2011年中国一次能源消费结 构
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煤矿灾害事故依然多发
据统计，2009年-2011年，与火灾相关的煤矿事故有92起。单一矿 井火灾20起，死亡233人；火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸等继发灾害 72起，死亡364人。
1、不容易发现 与察觉； 2、井下狭窄不 易扑救； 3、产生大量的 有害气体； 4、持续时间长
1、容易发现与 察觉； 2、地面宽广易 扑救； 3、产生的有害 气体少； 4、持续时间短
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煤炭的主体地位
✓ 煤炭是我国的主要能源和重要的工业 原料。
✓ 国家《能源中长期发展规划纲要 (2004-2020年)》中明确指出“坚持 以煤炭为主体、电力为中心、油气和 新能源全面发展”的能源战略。
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常规预警方法技术
测定矿内空气及围岩温度的变化
➢测温法是通过测量温度变化来表征煤自燃进程。通过在特定区域安
设温度探测装置来监测煤自然发火程度。
➢测温法可分为两类：一类是用检测到的温度值进行预报或报警；另
一类是通过监测点温度变化率预报。
➢可用于温度探测的主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集
➢煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中，受漏风条件的影响极大， 这对CO浓度的测定造成了误差，预报的可靠性也相应降低。
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煤炭自然发火标志气体及其指标
CO单一指标
国内平庄古山矿最早将CO的绝对生成量指标用于煤自燃的预测预 报，该矿通过对36个回采工作面的长期观测，得到了CO绝对生成 量相应的预测预报临界指标。
成温度传感器、热敏元件、光纤、红外、激光及雷达波等。
➢目前温度法主要不足有：
✓K型热电偶精度低，长距离有线数据采集结果滞后或失真；
✓监测点数量有限，存在监测盲区；
✓劳动强度大，线路敷设困难；
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常规预警方法技术
测定矿内气体成分的变化
➢气体分析法根据煤自然发火过程中产生的气体种类、浓度及变化率来预 测和确定煤自然发火发展进程和趋势。其预警指标可分为两类：一类是利 用某些标志气体的浓度直接进行预测预报，另一类是利用某些气体浓度变 化率或浓度比值来进行预测，如链烷比、格哈雷姆系数等。
R2/% 0
0-0.45
0.46-4
煤矿火4灾.1前-兆9信息及预警>新9技术[1]
煤炭自然发火标志气体及其指标
链烷比 ➢煤氧化时会释放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烃气体，可通过各烷 烃气体浓度比值对煤自燃的发展阶段进行判断，称这些比值为链烷比。 ➢链烷比主要有两类：C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4；C3H8/C2H6 、C4H10/C2H6 。 链烷比受煤本身吸附的烷烃量不同和吸附烷烃的释放时间的影响，对采 掘工作面新破碎、剥落的区域预报有一定难度，但对发生在采空区内的 高温点，由于遗煤破碎强烈，吸附气体又经历了较长释放时间，采用链 烷比预报自然发火能取得较好的效果。
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2020/11/21
煤矿火灾前兆信息及预警新技术[1]
一、煤矿火灾概念及分类 二、煤矿火灾现状分析 三、煤矿火灾前兆信息 四、煤矿火灾预警新技术 五、结论
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煤矿火灾概念
煤矿火灾是指发生在煤矿井下或地面井口附近、威胁矿井安全生产、 形成灾害的一切非控制燃烧。火灾是煤矿五大主要灾害之一，每一场 火灾的发生，轻则影响生产，重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更 为严重则可能引燃瓦斯煤尘爆炸，酿成人员伤亡的重大恶性事故。
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煤炭自然发火标志气体及其指标
烯烃及烯烷比
在煤吸附的气体中没有烯烃气体，井下检测到的烯烃气体是煤氧化 分解过程中产生的，因此，烯烃气体的出现表征煤的氧化已经进入 释放氧化气体阶段。也就是说，只要检测到烯烃气体，则表明煤温 已达到或超过其临界温度。由于C2H4和C3H6不是同一温度下出现的， 因此可以根据它们出现与否判断煤温的大致范围。
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按引火热源的不同
煤矿火灾
按发火地点的不同
内因火灾
外因火灾
可燃物（煤炭） 外部热源引燃 自身氧化自燃 可燃物
井下火灾
矿山井下的火 灾，包括井口 火灾
地面火灾
矿山地面的火 灾
1、有预兆 2、火源隐蔽； 3、有一个或长 或短的发展过 程； 4、持续时间长
1、发生突然； 2、火源明显； 3、发展迅猛； 4、持续时间短
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煤炭主产区受火灾影响严重
煤炭主产区位于北纬35°以北的北 方地区，其储量占全国储量80%以 上，年产量占全国60%~70%。 这些地区大部分属温带大陆性气 候，昼夜温差大，夏季炎热，冬季 寒冷，干旱少雨。 区内煤系主要有石炭二叠纪、侏 罗纪、第三纪及少量三叠纪。 侏罗纪煤层一般为特厚煤层，厚 度在8m~120m之间，变质程度较低 ，以长焰煤、气煤为主，侏罗纪煤 田特厚煤层普遍自然发火。
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煤炭自然发火标志气体及其指标
炔烃 炔烃仅指C2H2，它是煤氧化进入激烈燃烧阶段的产物，是所有自燃氧 化气体中最晚出现的气体，并出现的临界温度值较高。根据实际应用 经验，一旦矿井井下检测到C2H2，则表明在监测区域内存在进入燃烧 阶段的明火，此时采取灭火措施一定要谨慎，避免直接将火源暴露于 空气中，以防引发瓦斯煤尘爆炸。
煤矿火灾危害极大
严重的环境污染：煤田及矸石山自燃排 放的SO2、NxOy、CxOy和烟尘等，严重 影响生态环境，CO2占全球总排量的 2%-3%。
煤田火灾
矸石山火灾
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自然发火严重
2011年，全国共有煤矿约11000 个，具有自燃倾向的矿井占50% 以上，传统矿区百万吨发火率高 达7.47。 采空区自然发火次数占火灾总 数的60%，巷道煤柱占29%，其 它地点占11%。 中厚以下煤层的采空区自燃或 爱次数占采空区发火总数的16% ，厚煤层和特厚煤层的采空区自 燃火灾次数占采空区发火总数的 84%。
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煤矿火灾危害极大
人员伤亡：火灾产生的CO、CO2等有 毒有害气体随高温火烟一起流入井下 各作业场所，造成人员中毒和窒息。
烧毁设备和煤炭资源：井下发生火灾 ，会烧毁大量的设备、器材和煤炭资 源，造成大量煤炭资源呆滞，影响矿 井正常生产。
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燃烧期：若煤温上升到着火点温度， 则煤持续燃烧；若煤温不能上升到Tc或 上升到这一温度后由于外界条件的变化 又降低了下来，则会进入风化状态。
温 度
Tb 着火点温度
Tc＝70℃ 临界温度 T0 0
准备期
冷却 自热期
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燃 烧
风化 时间
煤炭自然发火标志气体及其指标
CO单一指标 ➢CO煤自燃预测预报方面起到了积极的作用，但是CO的检测温度 范围较宽，从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到CO，对 煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地判断。
自燃发展阶段 原始阶段
R1/% 0-15
R2/% 0-1
初级阶段
15-30
1-2
危险阶段
30-40
2-5
着火阶段
>40
>5
R3/% 0-3 3-7 7-10 >10
抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数
自燃发 正常 低温氧化阶 高温氧化阶 开始燃烧阶 着 展阶段 状态 段（预警值） 段（临界值） 段（报警值） 火
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常规预警方法技术
气相色谱法是目前气体分析方法中最精确、最可靠的分析仪器之一 。 “八五”期间矿井火灾多参数色谱仪研制成功，实现了煤矿全组 分气体定性定量分析。与束管监测技术融合后，实现了对煤矿火灾 早期预警，在一定程度上促进了我国煤矿自然发火监测和预警技术 的成熟和完善。
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常规预警方法技术
利用人体生理感觉预报自然发火
（1）嗅觉。煤炭自热到一定温度后出现煤油味、汽油味和轻微芳香气味 的非饱和碳氢化合物，可利用嗅到的气味判断附近的煤炭是否在自燃。 （2）视觉。可通过观测煤在氧化过程中产生的水蒸气，以及附近煤岩体 表面凝结的水珠等物理现象，实现自然发火预警。 （3）感觉。煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高，并可能使 附近空气中的氧浓度降低，CO2等有害气体增加，所以当人们接近火源时 ，会有头痛、闷热、精神疲乏等不适之感。
➢无论采用哪类气体指标，都需要精确、快速检测出各气体的种类和浓度 。目前采用的主要手段是气体传感器和色谱分析仪分析。
气体传感器在井下实际应用中受到井下环境影响，其稳定性和灵敏度都大 幅降低，检测结果存在较大误差，加之传感器使用寿命、价格相对比较昂 贵，种类比较单一，在一定程度上制约了气体传感器的使用。