【正文】 害的一切非控制燃燒，是煤炭生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一 [1]。學(xué)號(hào)：********畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 滕東煤礦半孤島工作面防滅火 技術(shù)研究 摘 要我國煤炭自燃火災(zāi)十分嚴(yán)重, 在開采煤層中大約有 50%的礦井存在自然發(fā)火危險(xiǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國煤礦自燃火災(zāi)約占礦井火災(zāi)的 70%。中國的煤炭儲(chǔ)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(chǔ)備量約 萬億噸，約占全國煤炭資源總量的 %。而煤層自燃火災(zāi)防治是一項(xiàng)復(fù)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(fēng)系統(tǒng)可靠的專項(xiàng)防治措施和管理制度, 還必須掌握相應(yīng)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)。盡管當(dāng)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(zāi)事故的發(fā)生。（3)示蹤氣體法。風(fēng)流控制的方法有短路法、調(diào)壓法、全礦反風(fēng)、局部反風(fēng)。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。 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。（2)煤的粒度、孔隙特征和破碎程度。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 表示自燃性時(shí)，氧化蓄熱量與比kQ表面積 S 的關(guān)系可表示為： K=?，隨著煤粒度不同，煤粉碎前后之氧蓄熱量為： ??. ??????????前后Q （）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。（4)煤中的瓦斯含量。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。對(duì)煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦。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(shí)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。要求巷道系統(tǒng)簡單，采用石門、沿巷開拓、少留煤柱、較少對(duì)煤體的切割，這對(duì)消除發(fā)火隱患是積極地、有利的。只有當(dāng)漏風(fēng)既有較充分的供氧條件，同時(shí)氧化生成的熱不易帶走，熱量積聚起來，自燃才能成為可能。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。 在我國，對(duì)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?；瘜W(xué)試劑這種辦法是首先要求對(duì)煤進(jìn)行化學(xué)處理，混以固態(tài)氧化劑，最后人為加熱。（2)綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法是采用對(duì)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(píng)分的方法，其指導(dǎo)思想是：首先對(duì)煤的自燃傾向性進(jìn)行鑒定，評(píng)出其分值；然后在大量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的外在因素進(jìn)行主觀評(píng)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。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(cè)方法 [13]。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(duì)不同發(fā)火類型的自燃進(jìn)行預(yù)測(cè)，且在時(shí)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]。1985 年到 1995 年期間，我國煤礦自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)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， ， [16][17]三個(gè)綜合指標(biāo)。測(cè)溫法現(xiàn)階段主要采用的儀器有：熱電偶、測(cè)溫電阻，集成溫度傳感器等。測(cè)氡方法的種類也很多，常規(guī)的射氣測(cè)量為取氣樣方法，使氣樣進(jìn)入探測(cè)器后進(jìn)入測(cè)量。近些年來，國內(nèi)外的一些礦井及科技部門對(duì)煤層內(nèi)因火災(zāi)進(jìn)行了大量的研究與實(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。內(nèi)錯(cuò)式布置在采空區(qū)上下分層巷道形成的臺(tái)階煤柱內(nèi)側(cè)造成貯熱氧化易燃隅角帶。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。采用留煤柱護(hù)巷的區(qū)段巷道布置方式時(shí)，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。封閉的方法為：在煤柱產(chǎn)生裂隙的地方應(yīng)及時(shí)向采空區(qū)打鉆孔，鉆孔需穿透煤柱，用移動(dòng)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)。 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)馐且环N無毒的不可燃?xì)怏w，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度 ，與同3mkg體積空氣質(zhì)量比為 ，無腐蝕性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由于注氮后的上述滅火作用，從而達(dá)到防滅火的目的。三相泡沫中含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(shí)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(duì)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。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。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(shí)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(shí)，該技術(shù)顯示出其他防滅火技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。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。 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。因此，抑制了漏風(fēng)供氧，所以能夠較快地使火災(zāi)自行窒息，達(dá)到消除自燃的目的。如果增壓值不夠，要更換風(fēng)量較大的輔助風(fēng)機(jī)，或者并聯(lián)一臺(tái)輔助風(fēng)機(jī)；如果增壓值過大，可在設(shè)置輔助風(fēng)機(jī)的風(fēng)門上開調(diào)節(jié)窗，使之減小。3 滕東煤礦半孤島工作面自然發(fā)火防治技術(shù) 半孤島工作面自然發(fā)火特點(diǎn)3 下 105 工作面是半孤島工作面，其軌道順槽與 3 下 107 采空區(qū)相鄰，漏風(fēng)問題比較嚴(yán)重，由于 3 下 煤層為一類易自然發(fā)火煤層，最短自然發(fā)火期為 73 天，3 下 105 工作面在回采期間極易發(fā)生煤炭自燃事故。 滕東煤礦概況 地理位置與交通滕東生建煤礦井田位于山東省滕州市西南部，京滬鐵路兩側(cè)，北距滕州城區(qū) 5km，行政區(qū)劃隸屬南沙河、鮑溝、官橋三個(gè)鎮(zhèn)管轄，地理座標(biāo)為：東經(jīng)：117176?？h、鄉(xiāng)公路四通八達(dá)。2)首采區(qū)布置、采煤方法根據(jù) 3 下 煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定結(jié)果和礦井建設(shè)過程中的實(shí)際揭露情況，考慮沖擊地壓等災(zāi)害預(yù)防及 3 上 煤層資源回收，對(duì)首采區(qū)工作面接續(xù)、首采工作面布置及采煤工藝進(jìn)行了調(diào)整。 礦井通風(fēng)、瓦斯及地質(zhì)情況（1）通風(fēng)情況1)通風(fēng)方式滕東煤礦為低瓦斯中型礦井，先期首采區(qū)距離礦井工業(yè)場(chǎng)地比較近，根據(jù)國內(nèi)中型礦井利用箕斗井兼作回風(fēng)井成功經(jīng)驗(yàn)，確定本礦井采用箕斗井回風(fēng)。表 煤層瓦斯成分、含量試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表 [20]由表 可見，井田內(nèi)最高瓦斯含量 ，重?zé)N含量甚微，瓦斯成份以二氧化碳為主，沼氣和重?zé)N含量較少，因此，根據(jù)以上資料可以確定本礦井為低瓦斯礦井。上石炭統(tǒng)太原組含煤 2 層，即 117 煤層。屬結(jié)構(gòu)簡單、賦存區(qū)內(nèi)煤層 夾石穩(wěn) 定 程 度 （%） 間 距（m）可采系數(shù)煤層名稱 最小～最大平均（點(diǎn)數(shù)） 可采范圍平均厚度（點(diǎn)數(shù)） 點(diǎn) 面積變異系數(shù)（%）穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)最小～最大平均（點(diǎn)數(shù)）層數(shù)（點(diǎn)）兩極厚度及巖性（m）3 上 ～（8） (6) 75 38 42不穩(wěn)定簡單0～1(1)～炭質(zhì)泥巖3 下 ～（11) （11） 100 86 33較穩(wěn)定較簡單～（8） 0～2（4）～炭質(zhì)泥巖泥 巖局部可采的不穩(wěn)定煤層。頂板一般為泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖，局部含炭質(zhì)泥巖偽頂。煤層 瓦斯成分（%） 瓦斯含量（%）CH4 CO2 重?zé)N N2 CH4 CO2 重?zé)N3 上 ～1/(2)(1)～79.71/（2）～7/（2）（1）3 下～15.33(9)～1/(9)～99.81(9)～(9)～9(9)～(3)（3） 礦井地質(zhì)情況1)地層及煤層根據(jù)井田內(nèi)鉆孔和主副井筒揭露的地質(zhì)資料，井田內(nèi)地層主要有第四系(Q)、上侏羅統(tǒng)蒙陰組(J3)、上下二疊統(tǒng)石盒子組(P21+P12 )、下二疊統(tǒng)山西組(P11) 、上石炭統(tǒng)太原組 (C3)和中石炭統(tǒng)本溪組 (C2)。（2） 礦井瓦斯?fàn)顩r1)鄰近礦井的瓦斯?fàn)顩r滕東生建煤礦西以人為邊界與田陳煤礦和金莊煤礦相鄰，這兩個(gè)礦井及整個(gè)滕南礦區(qū)，均為低瓦斯礦井。(3)采煤方法及回采工藝3 上 采煤工作面采用走向長壁薄煤層綜合機(jī)械化采煤法。采區(qū)接替順序?yàn)椋阂徊蓞^(qū)→三采區(qū)→二采區(qū)→四采區(qū)。礦 井 可 采 儲(chǔ) 量 3749 萬噸，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 45 萬噸/年，服務(wù)年限 59 年。 4)由于資料不足和地下情況復(fù)雜，難以準(zhǔn)確把握半孤島采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流和冒落情況，因此很難對(duì)火源的發(fā)展趨勢(shì)做出準(zhǔn)確的判斷。 本章小結(jié)本章主要介紹的是煤炭自然發(fā)火的基本理論，包括煤炭自然發(fā)火影響因素、早期識(shí)別與預(yù)防及其防治技術(shù)。設(shè)置的板墻要盡量嚴(yán)密，以避免因產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流而引起風(fēng)壓損失。所以，吸水鹽類對(duì)煤樣的阻化作用，主要是由于阻化劑與煤分子發(fā)生取代作用和絡(luò)合作用形成穩(wěn)定的鏈環(huán)，提高了煤與氧化合的活化能，增強(qiáng)了煤分子的穩(wěn)定性，抑制了煤分子的氧化斷裂，因此吸水鹽類具有較高的阻化性能和較好。阻化劑阻化機(jī)理分為吸熱作用、覆蓋作用、抑制鏈反應(yīng)、不燃?xì)庵舷⒆饔谩ｊP(guān)于阻化劑防止煤自燃的原理，一般認(rèn)為是一種吸水性很強(qiáng)的鹽類((CaC ， MgC )，在壓注和噴灑的過程中，它能浸入煤的層理、節(jié)理2l2l和微小的裂縫中去，在煤的表面形成氯化物的液膜，阻止煤和氧的接觸，減少煤的氧化，延長煤的發(fā)火期，起到防滅火的作用。該系統(tǒng)采用先進(jìn)制漿系統(tǒng)、懸浮劑(或基料)添加系統(tǒng)、膠凝劑(促凝劑)添加系統(tǒng)，成膠比例和注膠流量可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量調(diào)節(jié)，注膠過程中的各種參數(shù)可實(shí)現(xiàn)在線可視化監(jiān)測(cè)和控制。我國堵漏技術(shù)和材料在近年來發(fā)展很快，相繼研究和開發(fā)出適于高冒堵漏的抗壓水泥泡沫和凝膠堵漏技術(shù)和材料，適于巷幫堵漏的水泥漿、高水速凝材料和凝膠堵漏技術(shù)與材料，以及適于采空區(qū)堵漏的均壓、惰泡、凝膠和尾礦泥堵漏等；另外及時(shí)充填采空區(qū)地表塌陷裂隙也是防滅火行之有效的措施之一。三相泡沫發(fā)泡體積量大，單位體積的漿體材料成本低，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。近幾年來我國的放頂煤開展迅速，此法采空區(qū)丟煤多，產(chǎn)生遺煤大面積的危險(xiǎn)性堆積，極易引起煤炭自燃，且這些易發(fā)火點(diǎn)往往在頂板高冒處或采空區(qū)深部，這時(shí)采用注氮滅火效果最為顯著。因此，在開放式工作面的采空區(qū)防火中，必須有針對(duì)性地確定氮?dú)忉尫趴?，才能有效縮短氧化升溫帶范圍。為此，在回風(fēng)順槽頂板冒落不嚴(yán)時(shí)，應(yīng)該強(qiáng)制放頂，用研石堵塞采空區(qū)回風(fēng)側(cè)。有關(guān)生產(chǎn)礦井和科研機(jī)構(gòu)提供的統(tǒng)計(jì)資料顯示，采空區(qū)漏風(fēng)量與工作面供風(fēng)量的平方成正比關(guān)系，因此合理調(diào)配綜采工作面風(fēng)量是有效減少采空區(qū)漏風(fēng)，縮短氧化帶寬度，防止采空區(qū)自然發(fā)火的主要措施之一。礦山壓力作用于煤層上，會(huì)使煤體破碎，使風(fēng)流能夠深入煤壁，從而增加煤體與氧氣的接觸面積，增加煤炭自燃危險(xiǎn)性。近年來，無煤柱護(hù)巷方式已獲得廣泛應(yīng)用，將階段大巷和采區(qū)上（下）山設(shè)在煤層底板中，采用跨越式開采，不留大巷煤柱和上（下）山煤柱，已成為常規(guī)做法，區(qū)段大巷的無煤柱護(hù)巷方式也已推廣應(yīng)用，不少礦區(qū)采用沿空掘巷（或沿空留巷）方法安全的采出自燃傾向性高的煤炭，并使煤炭自然發(fā)火率明顯降低。 2）區(qū)段煤巷采用垂直重疊布置。因此，自燃火災(zāi)防治主要從三個(gè)方面著手 [18]:一是隔離煤氧接觸，使自燃火災(zāi)窒熄；二是降低煤溫使煤氧化放熱強(qiáng)度降低，最終使火熄滅；三是惰化煤體表面活性結(jié)構(gòu)降低煤氧復(fù)合速度，防止煤自燃的發(fā)生。根據(jù)礦井的實(shí)際環(huán)境，示蹤劑的選擇應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1）毒性??；2）常溫、常壓下呈氣體或易氣化處理；3）熱解前穩(wěn)定性好；4）正常礦井條件下，示蹤物質(zhì)不氧化、不反應(yīng)、不溶于水；5）分解物易被檢測(cè)；6）成本低，易獲得。此方法可以直觀地了解煤層的溫度及其發(fā)火程度，對(duì)火災(zāi)預(yù)報(bào)有重要的意義。進(jìn)入 60 年代，開始使用色譜儀對(duì)井下煤自燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)。（3)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法是建立在已發(fā)生自燃火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上，分析預(yù)測(cè)巷道松散煤體實(shí)際開采條件下的自燃危險(xiǎn)程度，根據(jù)巷道自燃事故的統(tǒng)計(jì)資料分析，巷道自燃多發(fā)生在冒頂區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、沿空測(cè)、停采線附近，隨著綜放無煤柱技術(shù)的推廣，由于沿空巷道沿底板一次掘進(jìn)，巷道服務(wù)時(shí)間長，相鄰采空區(qū)留有大量浮煤，且已氧化升溫，因此，巷道沿空測(cè)自然發(fā)火幾率較大。施式亮等用防火系數(shù)作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間序列煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)模型，來判斷自然發(fā)火程度。由于靜態(tài)吸氧法無法模擬出煤氧復(fù)合反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，而色譜動(dòng)態(tài)吸氧法這種方法不能研究煤氧作用的化學(xué)吸附與反應(yīng)。因此，該方法還有許多不完善之處。為了準(zhǔn)確的判定