【正文】 指標氣體監(jiān)測記錄 ................................................................................. 59 山東科技大學學士學位論文 目錄 本章小結(jié) ................................................................................................. 69 5 主要結(jié)論 ..................................... 70 參考文獻 ....................................... 72 致謝 ........................................... 74 附錄 ........................................... 75 山東科技大學學士學位論文 緒論 1 1 緒 論 課題的提出 礦井火災是指礦井井下或地面井口附近、威脅礦井安全生產(chǎn)、形成災害的一切非控制燃燒，是煤炭生產(chǎn)中的主要自然災害之一 [1]。 中國的煤炭儲備主要集中在北方的干旱地帶上，煤炭產(chǎn)區(qū)主要有新疆、陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)，煤炭儲備量約 萬億噸，約占全國煤炭資源總量的 %。 在總的礦井火災總數(shù)中，外因火災占比重一般為 10%左右，但危害很大，剩余的90%為內(nèi)因火災，內(nèi)因火災多由煤炭自燃引起。 我國煤炭自燃火災 于 分嚴重 , 在開采煤層中大約有 50%的礦井存在自然發(fā)火危險 ， 據(jù)統(tǒng)計我國煤礦自燃火災約占礦井火災的 70%， 一些自然發(fā)火嚴重的礦區(qū) ,如充州撫順鶴崗窯街義馬淮南六枝等其自然發(fā)火占礦井火災次數(shù)的 90%以上 。近年來我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù)，使開采效率大幅提高。但這種采煤方法采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風嚴重，使得自然火災發(fā)生頻繁。 煤炭作為我國的主要能源，在國民經(jīng)濟能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)很重要的位置。礦井火災是煤礦重大災害之一，一方面礦井火災不僅燒掉大量的 資源、材料和生產(chǎn)設備，而且由于要封閉火區(qū)，嚴重破壞了煤礦正常的生產(chǎn)秩序；另一方面燃燒消耗了風流中的氧氣，使風流中的氧氣體積分數(shù)下降，同時產(chǎn)生大量的熱能、有毒氣體和粉塵，嚴重污染環(huán)境。 礦井火災的發(fā)生又是礦井瓦斯與煤塵爆炸的火源之一，我國礦井近年來發(fā)生的瓦斯爆炸的誘發(fā)原因其中之一就是煤炭自燃火災。 而煤層自燃火災防治是一項復雜的系統(tǒng)工程 , 它不僅要求礦井有合理的開拓系統(tǒng)和開采方法、合理的礦井采區(qū)和工作面通風系統(tǒng)可靠的專項防山東科技大學學士學位論文 緒論 2 治措施和管理制度 , 還必須掌握相應的防滅火技術(shù) 、 具有完善的防滅火系統(tǒng)及裝備 ,才能得以保障礦 井的安全生產(chǎn) 。 因此，本文主要研 究煤礦火災 的辨識和控制技術(shù)， 這對于 煤礦 的安全生產(chǎn)和安全管理工作具有 于 分重要的意義。通過對 煤礦 所存在的火災 隱患 進行細致地分析，研究相應的控制技術(shù)。并根據(jù)所研究出的控制技術(shù)，對 煤礦 生產(chǎn)現(xiàn)場所存在的火災 隱患進行迅速地 分析以及進行有效地預防和控制，確保 煤礦 生產(chǎn)的安全、有序、高效進行，實現(xiàn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)目標，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，促進社會發(fā)展。此項研究對我國 煤礦 生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)活動中進行有效的安全管理，防治火災，提高生產(chǎn)效率，具有非常重要的實踐意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 煤炭自燃是我國煤礦開采過程中的主要自然災害之一，不僅威脅井下作業(yè)人員的生命安全，而且影響生產(chǎn)的正常進行、凍結(jié)大量煤炭資源、造成采礦設備的損失。據(jù)統(tǒng)計，我國統(tǒng)配和重點煤礦中具有自然發(fā)火危險的礦井約占 47%。另據(jù)不完全統(tǒng)計和實踐表明，礦井自然發(fā)火占發(fā)火總數(shù)的94%，其中采空區(qū)自燃占內(nèi)因火災的 60%。盡管當前礦井防滅火技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是仍然難以杜絕煤炭自燃火災事故的發(fā)生。 在礦山火災的分類辨識方面，我國的研究人員根據(jù)發(fā)生的地點不同 , 可分為地面火災和井下火災；按一次火災所造成的人員傷亡、受災戶數(shù)和財物損失金 額 , 可劃分為特大火災、重大火災和一般火災；根據(jù)火災發(fā)生的原因 , 可分為外因火災和內(nèi)因火災。外因火災是指由于外來熱源 , 如明火、爆破、瓦斯煤塵爆炸、機械摩擦、電路短路等原因造成的火災； 內(nèi)因山東科技大學學士學位論文 緒論 3 火災是指 由于煤炭或其他易燃物 在一定的條件和環(huán)境下自身發(fā) 生自身氧化積熱，發(fā)生燃燒引起的火災。 在礦山火災 的預控方面，主要有以下措施和方法： 與預報 ： （ 1) 指標氣體分析法 。 煤炭自燃指標氣體是指能預測和反映其自燃發(fā)火狀態(tài)的某種氣體，這種氣體的產(chǎn)率 隨煤溫的上升而 發(fā)生規(guī)律性的變化 。（ 2)測溫法 。 測溫法是指利用溫度 傳感器對被監(jiān)測地點進行溫度監(jiān)測以發(fā)現(xiàn)煤層發(fā)火危險程度的 預報方法。此方法可以直觀地了解煤層的溫度及其發(fā)火程度，對火災預報有重要的意義。（ 3)示蹤氣體法 。 利用 6SF 等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測定采空區(qū)漏風量的技術(shù)已經(jīng)成功應用。 （ 4)測氛法探測火源位置 。 因火災的 預防 及適用條件： (1)開拓開采技術(shù)措施。其中包括合理的進行巷道布置、堅持正規(guī)開采和合理的開采順序和減少煤體破碎； (2)防止漏風； (3)均壓防滅火 。 其中又包括開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓；（ 4）預防性灌漿；（ 5）阻化劑；（ 6）惰性氣體；（ 7）凝膠；（ 8）三相泡沫。 。（ 1）直接滅火。其中包括水滅火、泡沫滅火、水淹滅火、挖除火源、注漿滅火；（ 2）風流控制和隔絕滅火。風流控制的方法有短路法、調(diào)壓法、全礦反風、局部反風。常用密閉來隔絕滅火。 國外研究現(xiàn)狀 70 年代末，德、英、法、波、原蘇聯(lián)等國先后研究并推廣應用了采空區(qū)巷旁充填材料、工藝及系列設備。英國的 TekPacking 高水速凝充填料，相應的井下制漿泵輸送設備及采空區(qū)巷旁袋裝充填工藝 ； 原蘇聯(lián)東方研究所的洗煤廠尾礦地面制漿泵送下井，混合速凝水泥充填工藝 ； 日本、 波蘭的粉煤灰、水泥地面制漿泵壓下井，采空區(qū)巷旁袋裝充填工藝 ； 英國的輕質(zhì)發(fā)泡水泥漿充填及發(fā)泡水泥砌塊隔墻堵漏風等。 山東科技大學學士學位論文 緒論 4 國外最先采用氮氣防滅火是在西德進行， 1974 年西德首先采用大量氣體注氮防滅火，其后法國、英國、波蘭、蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國也都先后采用了氮氣防滅火方法。國外（如德國、英國）已將其列為撲救井下火災的一種標準方法，德國在 80 年代研制了移動式制氮裝置，這些裝置可快速運到任何地點的礦井使用。近年來德國、英國、法國地面移動式制氮設備的產(chǎn)氮量達 1200 hm3 ，產(chǎn)氮量在 5000 hm3 的設備在研發(fā)中。 惰泡防滅火是 70 年代興起的防滅火技術(shù)，進入 80 年代以來，前蘇、法等主要產(chǎn)煤國家開發(fā)了惰氣泡沫壓注技術(shù)防治采空區(qū)浮煤自燃，取得了較為顯著的成效，該技術(shù)能起到降溫，減少漏風，降低采空區(qū)氧濃度等作用。但惰泡在碎煤中壓注，發(fā)泡性能很差，起泡倍數(shù)低，若僅起阻化劑作用，則成本太高，且有效率太低。對己形成高溫的浮煤，僅依靠惰泡隔氧滅火，需注泡量很大，且一旦停止注泡很易復燃。 研究 思路 與方法 本文主要借助于畢業(yè)實習，通過廣泛收集和整理資料、聽從專業(yè)人 員的講解、聯(lián)系實習實踐并廣泛參考相關(guān)文獻，在指導老師的悉心指導下，綜合運用自己所學的專業(yè)知識，采用理論與實踐相結(jié)合的研究思路，對本課題進行研究。依據(jù)相關(guān)資料和實習經(jīng)歷，并研究各種預控技術(shù)，及時預防和控制火災事故的發(fā)生，盡量降低火災事故所帶來的損失，保護生命和財產(chǎn)的安全，確保 煤礦 企業(yè)安全、有序、高效的進行生產(chǎn)活動。 論文的研究技術(shù)路線圖如圖 所示： 山東科技大學學士學位論文 緒論 5 圖 技術(shù)路線圖 騰東煤礦概況 半孤島工作面自然發(fā)火特點 3 下 105 工作面自然發(fā)火防治技術(shù) 確保 3 下 105 工作面安全高效回采 半孤島工作面防滅火技術(shù)研究 煤炭自然發(fā)火影響因素 煤炭自然發(fā)火早期識別與預防 煤炭自然發(fā)火防治技術(shù) 溫度檢測 指標氣體檢測 應用效果分析 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 6 2 煤炭自然發(fā)火基本理論 礦井火災事故，特別是自然發(fā)火事故，對煤礦安全生產(chǎn)的危害在某種意義上來說并不亞 于瓦斯、煤塵爆炸事故。煤炭自然發(fā)火與外因火災相比，具有發(fā)生、發(fā)展緩慢并有規(guī)律的演變過程，可在他的初期 發(fā)現(xiàn)。但是，由于它大多數(shù)發(fā)生在人們難以達到的采空區(qū)、破裂的 煤柱之內(nèi)，所以，有時人們即使發(fā)現(xiàn)了自然發(fā)火征兆，也不容易找到真正的火源點；加之在自然發(fā)火初期，礦內(nèi)空氣溫度、氣體成分和濕度的變化都比較小，就更難以發(fā)現(xiàn)；一旦發(fā)現(xiàn)其外部征兆，煤炭自燃已發(fā)展到后期。所以，自燃火災對煤礦安全生產(chǎn)和礦工的生命的危害性更大。 煤炭自然發(fā)火影響因素 自燃火災形成的過程是許多因素綜合作用的結(jié)果，但煤層的自燃性能是起決定性作 用的 因素，其 它因素起加劇和增加危險程度的作用。 影響煤炭自燃的內(nèi)在因素 影響煤炭自燃的主要內(nèi)在因素是 煤的自燃性能 ， 煤的自燃性能主要受下列因素影響 [2]： （ 1)煤的變質(zhì) 程度 。煤的變質(zhì)過程伴隨著煤分子結(jié)構(gòu)的變化，煤化程度越高，煤體內(nèi)含有的活性結(jié)構(gòu)越少，所以 煤 的變質(zhì) 程度是影響煤炭自燃傾向性的決定性因素。 就整體而言，煤的自燃傾向性隨煤 的變質(zhì) 程度增高而降低，即自燃傾向性從褐煤、長焰 煤、煙煤、焦煤至無煙煤逐漸減小。例如： 和Y. (1999)采用交 叉點溫度法對煤化程度的 影響作用研究表明，山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 7 隨著煤化作用增大，煤的自燃性逐漸減弱。彭本信， Ogunsola(1991)及戴中蜀 (1999)等學者的研究發(fā)現(xiàn)隨著煤 化程度 提高，煤的氧化放熱量是按照褐煤 長焰煤 氣煤 肥煤 焦煤 瘦煤 貧煤 無煙煤 的趨勢呈有規(guī)律的變化。因而許多研究者以煤變質(zhì)程度來判斷自燃趨勢。 局部而言，煤層自燃傾向性與煤 的變質(zhì) 程度之間表現(xiàn)出復雜的關(guān)系，即同一煤化程度的 煤在不同的地區(qū)和不同的礦井，其自燃傾向性可能有較大的差異。 （ 2)煤的 粒度、孔隙特征和 破碎 程度。完整的煤體一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在， 其自燃性能顯著提高，這是因為破碎的煤炭不僅與氧氣接觸的表面積增大，而且著火溫度也明顯降低。 有人研究，當煤粒度小于 1mm 時氧化速率與粒度無關(guān)，并認為孔徑大于 10nm 的孔在煤氧化中起重要作用。根據(jù)波蘭的試驗，當煙煤的粒度直徑為 ～ 2mm 時，其著火點溫度大多在 330～ 360℃ ；粒度直徑小于 1mm 時，著火點溫度可能降低到 190～ 220℃。因此，可以說，煤的自燃性隨著其孔隙率、破碎度的增加而上升。這也是煤礦井下自燃多發(fā)在粉煤及碎煤集中的地方的原因。如采空區(qū)周圍邊緣地帶，在垮塌的煤壁和受壓破裂的煤柱等地方。 高桑功 等 (1977) 研究認為 ： 煤的破碎性通常用硬球指數(shù)表示，硬球指數(shù)即是試 驗煤樣與標準煤樣在同一外力的作用下，其暴露的表面積之比值。粒度越細，比表面積成指數(shù)的增大，粉碎后煤的傳熱性能大幅減弱，而氧化條件卻變得有利，以氧化蓄熱量 kQ 表示自燃性時，氧化蓄熱量與比表面積 S的關(guān)系可表示為 ： Q K =K1 ? ， 隨 著煤粒 度不同，煤粉碎前后之氧蓄熱量為 ： 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 8 ? ? ?????? ??? ?前后 （ ） Schroder、松樸茂雄研究表明煤粒越小，自燃傾向勝越大 ： Oreshko 認為煤的低溫 氧化速率與煤孔隙的容積有關(guān)，而不是內(nèi)表面積。 Schmidt[3]認為氧化速率與內(nèi)煤粒外 表面積的立方根成正比 ； Carpenter 和 Sergeant (1996)研究發(fā)現(xiàn)當煤粒徑低于某個 臨界粒徑 (一般為 138～ 387um)時，氧化速率基本與粒徑無關(guān) ： Karsner(1981)的研究表明當粒徑在 時氧化速率與粒徑無關(guān) ； Bouwman(1996)指出大 孔在煤的氧化行為中占支配地位，空氣的滲透為擴散控制 ； Kaji（ 1985)通過對不同 變質(zhì)程度的煤