【正文】 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。 論文的研究技術(shù)路線圖如圖 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(diǎn) 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(yù)防 煤炭自然發(fā)火防治技術(shù) 溫度檢測 指標(biāo)氣體檢測 應(yīng)用效果分析 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(zāi)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)火影響因素 自燃火災(zāi)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(xiǎn)程度的作用。例如： 和Y. (1999)采用交 叉點(diǎn)溫度法對煤化程度的 影響作用研究表明，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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。 （ 2)煤的 粒度、孔隙特征和 破碎 程度。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。粒度越細(xì)，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(xué)學(xué)士學(xué)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(rèn)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。 煤巖成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。 （ 4)煤中的瓦斯含量 。若煤層中含有較多的瓦斯，由于瓦斯占據(jù)了煤的孔隙空間和內(nèi)表面，降低了煤的吸氧量，所以其自燃危險(xiǎn)性較小。煤體中外在水分沒有全部蒸發(fā)之前很難上升到 100℃，這就是水分大的煤炭難以自燃的原因。另外，對于有黃鐵礦的煤層，水分是促使黃鐵礦分解不可缺少的條件。 對煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦。 統(tǒng)計(jì)資料表明，含硫大于 3%的煤層均為自燃發(fā)火的煤層，其中包括無煙煤。但是，煤炭自然發(fā)火，并不是從它一暴漏于空氣中就自燃，而是需要經(jīng)過一定的時間，需要一定的蓄熱環(huán)境，使它的溫度不斷上升，這在很大程度上還取決于外在條件，單純的內(nèi)在條件不能決定礦井是否自然發(fā)火以及它的嚴(yán)重程度。 （ 1)開采技術(shù) [5] 事實(shí)表明，礦井的開拓方式、采區(qū)巷道布置、回采方法和回采工藝、通風(fēng)系統(tǒng)和技 術(shù)管理等開采技術(shù)和管理水平，對自然發(fā)火起決定性影響。要求巷道系統(tǒng)簡單，采用石門、沿巷開拓、少留煤柱、較少對煤體的切割，這對消除發(fā)火隱患是積極地、有利的。 3)通風(fēng) 條件。 只有當(dāng)漏風(fēng)既有較充分的供氧條件，同時氧化生成的熱不易帶走，熱量積聚起來，自燃才能成為可能。 2） 煤層厚度 ： 實(shí)踐證明，煤層的厚度越大，自然發(fā)火的危險(xiǎn)性越大。 3） 地質(zhì)構(gòu)造： 有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，自燃危險(xiǎn)性加劇。煤層埋藏深度較大，煤體的原始 溫度越高，煤中所含水分則較少，因此自燃危險(xiǎn)性較大 ； 但開采深度過小時又容易形成 與地表溝通的裂隙，也會在采空區(qū)中形成浮煤自燃 。 在我國，對自燃傾向性鑒定方法的研究五十年代初期即開始研究起來，曾經(jīng)先后研究過克氏法、著火點(diǎn)溫度降低值法、靜態(tài)容量吸氧法及雙氧水法。到了九十年代后，因?yàn)樯V動態(tài)吸氧法測定系統(tǒng)先進(jìn)，操作簡單，吸氧的大小可由色譜儀進(jìn)行計(jì)算，提高工作效率，開始推廣使用色譜動態(tài)吸氧法?；瘜W(xué)試劑這種辦法是首先要求對煤進(jìn)行化學(xué)處理，混以固態(tài)氧化劑，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 14 最后人為加熱。現(xiàn)場的煤氧反應(yīng)是在環(huán)境溫度、空氣流速和氧濃度在不斷變化的條件下進(jìn)行的。 （ 2)綜合評判預(yù)測法 綜合評判預(yù)測法是采用對煤自然發(fā)火相關(guān)的各種內(nèi)外影響因素進(jìn)行綜合評分的方 法，其指導(dǎo)思想是 ： 首先對煤的自燃傾向性進(jìn)行鑒定，評出其分值 ； 然后在大量統(tǒng)計(jì)分 析的基礎(chǔ)上，對 影響煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的外在因素進(jìn)行主觀評判，給出分值 ； 將兩者 綜合相加就得出了相應(yīng)條件下的煤自然發(fā)火的總值及其分類。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 15 由 于 煤礦開采的實(shí)際條件及其復(fù)雜，難 于 把影響煤層自燃危險(xiǎn)程度的各種因素盡可 能地加以兼顧且 各種因素存在許多不確定性，難以用經(jīng)典數(shù)學(xué)的方法定量化，因此，為 預(yù)測實(shí)際開采條件下煤層的自燃危險(xiǎn)性，可以根據(jù)影響煤層自燃危 險(xiǎn)程度的內(nèi)外因素、煤的自燃傾向性、地質(zhì)賦存條件、通風(fēng)條件、開采技術(shù)因素和預(yù)防措施等，進(jìn)行主觀判斷，分析評分，然后應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，逐步聚類分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式，計(jì)算聚類中心，對開采煤層自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評判預(yù)測也可以應(yīng)用改進(jìn)的 Bp網(wǎng)絡(luò)模型，采用自適 應(yīng)變步長法和改進(jìn)模擬退火法等措施加快 Bp 網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，來準(zhǔn)確有效地預(yù)測開采 煤層的自燃危險(xiǎn)性 [11]。 侯媛彬提出一種基 于 粗糙集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤自燃預(yù)測方法 [13]。該方法為基 于 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測控制系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。該方法是基 于 大量統(tǒng)計(jì)資料，并在分析火災(zāi)原因的基礎(chǔ)上形成的，具有相當(dāng)程度的可信度，但其難以對不同發(fā)火類型的自燃進(jìn)行預(yù)測， 且 在時間統(tǒng)計(jì)上存在 較大的偏差，僅能粗略的判斷自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍 [14]。煤在氧化升溫過程中氣山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 17 體的釋放因煤種、煤巖性質(zhì)、 地質(zhì)條件等內(nèi)外因素的不同 有差別。 1985 年到 1995 年期間，我國煤礦自燃 火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)和手段取得了飛速的發(fā)展，在氣體指標(biāo)方面開始使用 CO， 22HC ， 42CC [16][17]三 個綜合指標(biāo) 。目前國內(nèi)最先進(jìn)、功能最完善的束管檢測為淄博祥龍儀器的 KSS200 束管 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用最先進(jìn)的色譜分析，具有獨(dú)特的編程功能和自檢功能，能夠監(jiān)測 20KM 以外的氣體，其監(jiān)測路數(shù)可達(dá) 48 路以上。測溫法現(xiàn)階段主要采用的儀器有 ： 熱電偶、測溫電阻，集成溫度傳 感器等。根據(jù) 該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以選擇一些在某一溫度條件下易 于熱解的氣體，與上述示蹤氣體在同一環(huán)境下釋放，在采樣點(diǎn)采樣檢測其比例變化，或測定相關(guān)分解物，從 而 間接了 解煤層火災(zāi)隱患點(diǎn)的溫度值，達(dá)到預(yù)報(bào)目的。測 氡 方法的種類也很多，常規(guī)的射氣測量為取氣樣方法，使氣樣進(jìn)入探測器后進(jìn)入測量。但還有許多因素影響測 氡 技術(shù)探測火源的準(zhǔn)確性，主要有 ： 1） 在 氡 及其子體垂直向上運(yùn)移過程中，可能產(chǎn)生橫向位移，使異常點(diǎn)整體偏離 ； 2）對測出 異常數(shù)據(jù)的分析，還存在著一定偏差。近些年來，國內(nèi)外的一些礦井及科技部門對煤層內(nèi)因火災(zāi)進(jìn)行了大量的研究山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 20 與實(shí)踐，研制出了一些井下防滅火的可行技術(shù)，歸納為以下兒大類 ： 開拓開采方面的措施 礦井開拓系統(tǒng)和采煤方法是影響煤炭自燃的重要因 素，因此，在礦井設(shè)計(jì)、建設(shè)初期就 應(yīng)該注意選擇合理的開拓系統(tǒng)和采煤方法。開采有自燃傾向性的煤層， 特別是自然發(fā)火 嚴(yán)重的厚煤層， 運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、采區(qū)上下山等服務(wù)年限長的巷道一般應(yīng)設(shè)在穩(wěn)定的巖層中，對于厚煤層分層開采，通常在煤層底板 巖石中開掘區(qū)段運(yùn)輸集中平巷和區(qū)段回風(fēng)集中平巷或采用多組上山布置方式。內(nèi)錯式布置在采空區(qū)上下分層巷道形成的臺階煤柱內(nèi)側(cè)造成貯熱氧化易燃隅角帶。采用留煤柱護(hù)巷時，不但浪費(fèi)煤炭資源，而且遺留在采空區(qū)中的煤柱也給 自然發(fā)火創(chuàng)造了條件。但是，沿空側(cè)的巷道容易向相鄰采空 (特別是其停采線 )漏風(fēng)，所以應(yīng)該采用有效方式封堵漏風(fēng)通道，以防止相鄰采空區(qū)煤炭 自燃。同時，要按照合理的回采順序進(jìn)行開采，煤層間、區(qū)段間一般采用下行式，下山采區(qū)則采用上行式；區(qū)段內(nèi)采用后退式，盡量避免形成孤島工作面。采用留煤柱護(hù)巷的區(qū)段巷道布置方式時，這一問題尤為重要，要切實(shí)搞清礦山壓力規(guī)律，選擇合適的區(qū)段煤柱尺寸。加快工作面的推進(jìn)速度，可以縮短采空區(qū)浮煤在氧化帶的暴露時間，從而有效防止煤層自燃。封閉的 方法為： 在煤柱產(chǎn)生裂隙的地方應(yīng)及時向采空區(qū)打鉆孔，鉆孔需穿透煤柱，用移動式注 漿泵通過鉆孔向采空區(qū)注粉煤灰、水泥和黃土摻合的混合漿液，該漿液可迅速在采空區(qū)內(nèi)凝結(jié)，在采空區(qū)靠近煤柱的邊緣形成一道封閉層，杜絕采空區(qū)漏風(fēng)。工作面回風(fēng)巷是氮?dú)獗仨毩鹘?jīng)的通道，氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后在區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，惰化氧化帶，然后大部分從回風(fēng)巷流出，這是允許的。 惰化技術(shù)防滅火 惰化技術(shù)防滅火 :惰化技術(shù)就是將惰性氣體或其它惰性物質(zhì)送入擬處理區(qū)， 抑制煤層自燃的技術(shù)。 氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)是利用制氮設(shè)備制取氮?dú)?，通過管路送入井下，注入采空區(qū)等煤 炭可能自燃的區(qū)域，主要用于防治采空區(qū)自然發(fā)火和瓦斯爆炸，加快封閉并熄滅火區(qū)的過程模式。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 24 氮?dú)馐且环N無毒的不可燃?xì)怏w ， 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度 3mkg ，與同體積空氣 質(zhì)量比為 ， 無腐蝕性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。液氮與氮?dú)庀啾龋哂畜w積小，運(yùn)輸量小等優(yōu)點(diǎn)，尤其便于井下的貯運(yùn)。 由于注氮后的上述滅火作用，從而達(dá)到 防滅火的目的。 防治煤炭自燃的三相泡沫由固態(tài)不燃物（粉煤灰、黃泥等）、惰性氣體（氮?dú)猓┖退喾罍缁鸾橘|(zhì)組成。三相泡沫中含山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 26 有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì)，這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分，科較長時間保持泡沫的穩(wěn)定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對氧氣的吸收，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然發(fā)火，這是三相泡沫防滅火性能的優(yōu)越性。 因此，對防滅火灌漿材料有以下主要要求： 1)不應(yīng)含有能助燃和可燃的物質(zhì) ； 2)能夠成 漿，利于管路的水力輸送，不易堵管； 3)具有必要的穩(wěn)定性和脫水性 ； 4)具有足夠的密 封性能。復(fù)合膠體、凝膠等系列防滅火材料， 具有良好的防滅火效果。復(fù)合膠體可針對性的用于預(yù)防自燃危險(xiǎn)區(qū)，快速撲滅火災(zāi)。 耐溫高水膠體防滅火技術(shù) :耐溫高水膠體是由基料 A 和促凝劑 B 與水按一 定比 例混合而成，通過壓注設(shè)備注入煤層內(nèi)部，在一定時間內(nèi)發(fā)生膠凝固化，迅速吸熱降溫、隔絕氧氣、包裹煤體； 注入的液體由點(diǎn)向四周擴(kuò)散，形成較大的降溫窒息區(qū)， 直接注入高溫點(diǎn)滅火降溫效果極佳，尤其在巷道頂煤或煤柱發(fā)生自燃火災(zāi)時，該技術(shù)顯示出其他防滅火技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。常用 阻化劑是一些吸水性很強(qiáng)的鹽類，當(dāng)它們 的水溶液附著在易被氧化的煤表面時，在煤表面形成一層含水液膜，阻止了煤和氧的接觸，起到了隔氧阻化作用 ； 同時，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 28 這些藥 劑吸水能使煤體長期處于潮濕狀態(tài)，由于水的吸熱降溫作用，使煤體在低溫氧化時溫度不能升高，從而抑制了煤的自熱和自燃。阻化劑能粘附于煤的表面，阻止煤的氧化，降低煤的氧化能力，起到防火作用。 阻化劑抑制煤層自燃的機(jī)理及特點(diǎn) 如下： 當(dāng)向煤層注入阻化液后，阻化液分子和煤體表 面的活性物質(zhì)分子之間將相互吸引， 破壞了表面自由力場，促使氧原子恢復(fù)到分子狀態(tài)，同時減少了反應(yīng)物分子之間的有效碰撞機(jī)會，使氧化反應(yīng)速度放慢或受到抑制，起到了一種負(fù)催化作用。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 29 氯鹽 阻化劑的阻化機(jī)理，主要為吸水鹽類的液膜隔氧降溫學(xué)說和提高反應(yīng)物之間 活化能的副催化學(xué)說等等。而阻化劑阻止煤炭氧化基 鏈反應(yīng)的最主要作用，還是它的負(fù)催化作用 ，即吸水鹽類阻化劑作為一種化學(xué)成份，加入到煤的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中，生成穩(wěn)定的鏈環(huán)，抑制或減緩煤表面活性自由基團(tuán)與氧氣的反應(yīng)速