【文章內(nèi)容簡介】 然傾向性厚煤層的礦井，應特別重視內(nèi)因火災的防治工作。3）地質(zhì)構造：有地質(zhì)構造的地區(qū)，自燃危險性加劇。有褶曲、斷層和巖漿巖侵入等地質(zhì)構造破壞區(qū)域，煤層自然發(fā)火危險性較大。其主要原因是由于這些地區(qū)煤體破碎，有大量裂隙存在；巖漿巖侵入?yún)^(qū)的煤層受到干餾，煙的孔隙率增加、強度降低，其自燃危險性也較大。4）開采深度：煤層賦存太淺或太深都會增加自然發(fā)火的危險性。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。 煤炭自然發(fā)火早期識別與預防 煤炭自燃危險性預測研究(1)自燃傾向性實驗預測法 [6]煤自燃傾向性是指煤層開采之前，其自然發(fā)火的可能程度，所有煤種均具有自燃傾向性，只是不同煤種、不同環(huán)境條件下的自燃傾向性呈現(xiàn)不同。為了準確的判定煤層的自然發(fā)火的危險程度而采用自燃傾向向性預測法，進而采取相應的防滅火措施，其主要是根據(jù)實驗方法來測定內(nèi)在自燃性，劃分煤層自然發(fā)火的等級。 在二十世紀八十年代之后，美國礦業(yè)局 [7]研究出利用絕熱爐這種實驗裝置測定煤炭的最小自熱溫度，進而評估煤的自燃傾向性；加拿大 [8]采用靜態(tài)恒溫法、可燃性法、絕熱法和動態(tài)法去研究煤的自燃傾向性；土耳其[9]采用非恒溫動態(tài)法來測試自燃臨界溫度和一氧化碳產(chǎn)生率，進而預測自燃傾向性；南非 [10]采用由計算機自動控制的絕熱量熱法來預測自燃傾向性的。 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、著火點溫度降低值法、靜態(tài)容量吸氧法及雙氧水法。但由于以上方法存在著缺點和各種客觀原因，我國一直用著火點溫度降低值法(即固態(tài)氧化劑法)來劃分煤自燃傾向性。但這種方法存在著以下缺點：1）由于該方法使用聯(lián)苯胺和汞等化學試劑，有毒性；2）對部分煤樣無法分類；3）儀器裝置和測量系統(tǒng)的落后。因此，為了建立更完善的新的煤樣自燃傾向性鑒定方法，我國在六十年代初曾經(jīng)進行過靜態(tài)吸氧法和雙氧水法的研究，但后來研究工作結束后并沒有得到推廣應用。到了九十年代后，因為色譜動態(tài)吸氧法測定系統(tǒng)先進，操作簡單，吸氧的大小可由色譜儀進行計算，提高工作效率，開始推廣使用色譜動態(tài)吸氧法。但該方法只能測試可逆的物理吸附和脫附量，而且因為伴隨著化學吸附和反應，難以計算氧消耗量；另外，煤的吸附性能同時也因為煤巖組份、破碎煤體孔隙結構、粒度的組成、水的含量等多種因素的不同而不同，而煤樣的自燃性是受多種因素所影響的。因此，該方法還有許多不完善之處。 在實際開采條件下煤的自然發(fā)火現(xiàn)象與現(xiàn)有自燃傾向性測試方法相差甚遠?；瘜W試劑這種辦法是首先要求對煤進行化學處理，混以固態(tài)氧化劑，最后人為加熱。這種方法是在人為強制下使煤和氧氣發(fā)生化學反應。與在現(xiàn)場條件下，暴露于空氣與低溫下條件下的煤（20℃～30℃以下）與緩慢地發(fā)生反應放熱，逐漸的積聚引起煤自然發(fā)火的現(xiàn)象是不一樣的，因此這種方法無法真實的反映在實際條件下煤的自燃傾向性。而動態(tài)和靜態(tài)吸氧法，在反應過程方面是相似的，但是實驗研究和測試的方法與現(xiàn)場實際是不同的?，F(xiàn)場的煤氧反應是在環(huán)境溫度、空氣流速和氧濃度在不斷變化的條件下進行的。并且煤氧反應是十分復雜的，物理作用可逆，而化學作用正好相反，是不可逆的。由于靜態(tài)吸氧法無法模擬出煤氧復合反應的動態(tài)變化，而色譜動態(tài)吸氧法這種方法不能研究煤氧作用的化學吸附與反應。因此，無論靜態(tài)還是動態(tài)吸氧法對煤自燃傾向性的考察與現(xiàn)場實際是相差很遠的。（2)綜合評判預測法綜合評判預測法是采用對煤自然發(fā)火相關的各種內(nèi)外影響因素進行綜合評分的方法，其指導思想是：首先對煤的自燃傾向性進行鑒定，評出其分值；然后在大量統(tǒng)計分析的基礎上，對影響煤自然發(fā)火危險程度的外在因素進行主觀評判，給出分值；將兩者綜合相加就得出了相應條件下的煤自然發(fā)火的總值及其分類。由于問題的復雜性，人們在給外在因素進行評分時帶有一定程度的主觀臆斷，而且各個采煤國家僅是根據(jù)本國自身的具體情況制定相應的評判方法。但該方法是一種較為全面的預測煤層自然發(fā)火危險程度的方法，因此，前蘇聯(lián)、美國、波蘭等主要產(chǎn)煤大國都在探索研究該類方法的應用，并取得了一些效果。尤其是波蘭已取得進展，它把復雜的外界因素歸納為地質(zhì)條件、開采條件、通風條件等七個方面因素，用 S 表示，再和煤自燃i傾向性指標 SZ (帶灰份指標)相加，即得礦井自然發(fā)火危險程度指標。 b由于煤礦開采的實際條件及其復雜，難于把影響煤層自燃危險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)學的方法定量化，因此，為預測實際開采條件下煤層的自燃危險性，可以根據(jù)影響煤層自燃危險程度的內(nèi)外因素、煤的自燃傾向性、地質(zhì)賦存條件、通風條件、開采技術因素和預防措施等，進行主觀判斷，分析評分，然后應用模糊數(shù)學理論，逐步聚類分析，根據(jù)標準模式，計算聚類中心，對開采煤層自燃危險程度進行綜合評判預測也可以應用改進的 Bp 網(wǎng)絡模型，采用自適應變步長法和改進模擬退火法等措施加快 Bp 網(wǎng)絡的收斂速度，來準確有效地預測開采煤層的自燃危險性 [11]。近年來，王省身、蔣軍成、王德明、王俊、趙向軍、李文平等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法預測煤層自燃危險程度 [12]，雖然他們采用的神經(jīng)網(wǎng)絡結構各不相同，但均是采用影響開采煤層自燃危險性的三個主要因素，即煤炭自身的自燃傾向性，開采煤層的地質(zhì)賦存條件和開拓條件、通風技術條件，作為預測指標，再對預測指標作進一步細分，來預測煤自燃的危險程度。施式亮等用防火系數(shù)作為預測指標，建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡的時間序列煤自然發(fā)火預測模型，來判斷自然發(fā)火程度。天水承、李紅霞應用煤自燃傾向性、煤層厚度、煤層傾角、煤的固性系數(shù)及開采參數(shù)運用模糊聚類方法對自然發(fā)火危險性進行了分類。侯媛彬提出一種基于粗糙集神經(jīng)網(wǎng)絡的煤自燃預測方法 [13]。該方法針對綜放面采空區(qū)，在已測到的漏風強度 Q 和煤體溫度 T 的基礎上，利用Rough Set（RS)的約簡理論對測量數(shù)據(jù)約簡。在次基礎上構建了一種基于粗糙集的神經(jīng)網(wǎng)絡，然后利用該方法預測最小浮煤厚度。實測數(shù)據(jù)驗證表明，該方法比常規(guī)預測方法簡便且精度高。該方法為基于網(wǎng)絡的遠程煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測控制系統(tǒng)奠定了良好的基礎。以上這些方法都是利用大量的統(tǒng)計資料，分析煤自燃主要因素的影響程度，粗略預測煤層自然發(fā)火危險程度，對發(fā)火期以及可能發(fā)火的區(qū)域則無法進行預測，所以該方法只能定性不能定量。（3)經(jīng)驗統(tǒng)計預測法經(jīng)驗統(tǒng)計預測法是建立在已發(fā)生自燃火災事故統(tǒng)計資料基礎上，分析預測巷道松散煤體實際開采條件下的自燃危險程度，根據(jù)巷道自燃事故的統(tǒng)計資料分析，巷道自燃多發(fā)生在冒頂區(qū)、地質(zhì)構造帶、沿空測、停采線附近，隨著綜放無煤柱技術的推廣，由于沿空巷道沿底板一次掘進，巷道服務時間長，相鄰采空區(qū)留有大量浮煤，且已氧化升溫，因此，巷道沿空測自然發(fā)火幾率較大。這種方法只能根據(jù)巷道實際情況和自然發(fā)火統(tǒng)計資料，粗略判斷巷道可能的發(fā)火區(qū)域和高溫點位置。該方法是基于大量統(tǒng)計資料，并在分析火災原因的基礎上形成的，具有相當程度的可信度，但其難以對不同發(fā)火類型的自燃進行預測，且在時間統(tǒng)計上存在較大的偏差，僅能粗略的判斷自燃危險區(qū)域范圍 [14]。 煤層自然發(fā)火預測預報技術煤層自然發(fā)火預報技術是指在煤層開采后，根據(jù)煤自燃進程中的溫度、氣體等變化特征，判識自燃狀態(tài)，對自然發(fā)火進行識別并預警的技術。它是礦井火災預防與處理的基礎，是礦井煤層火災防治的關鍵，占有極其重要的地位 [15]。（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。煤在氧化升溫過程中氣體的釋放因煤種、煤巖性質(zhì)、地質(zhì)條件等內(nèi)外因素的不同有差別。50 年代開始，我國煤礦在學習蘇聯(lián)經(jīng)驗的基礎上，開始應用檢測 CO 的方法來發(fā)現(xiàn)自燃火災，其主要檢測技術為波羅克曼分析儀。進入 60 年代，開始使用色譜儀對井下煤自燃氣體進行檢測。但是使用的氣體仍然采用 CO 以及其派生氣體，氣體的分析開始試采用紅外技術。1985 年到 1995 年期間，我國煤礦自燃火災預測預報技術和手段取得了飛速的發(fā)展，在氣體指標方面開始使用 CO， ， [16][17]三個綜合指標。國內(nèi)外相關的氣體指2HC4標如下表 所示：在氣體分析手段方面，我國 1995 年成功研制了煤礦專用 GC4008 型指標氣體國家名稱 主要指標氣體 輔助指標氣體中國 CO、 42HCCO/△ 、 /2O6HC42俄羅斯 CO /美國 CO CO/△ 2英國 CO、 42CO/△日本 CO、 HCCO/△ 、 /2O6HC42波蘭、德國、法國 CO CO/△表 各國煤自燃指標氣體 [15]氣相色譜儀，可以分析煤自燃火災的氣體產(chǎn)物，具有常量分析和微量分析的功能，最小檢知濃度可達 。80 年代開始加強推廣力度研發(fā)火災預測預報集中監(jiān)測系統(tǒng)，90 年代初成功地開發(fā)了新型 KFJ 型束管檢測系統(tǒng)，其特點是應用電子計算機技術，并目將集中監(jiān)控箱移建井下，擴大集中監(jiān)測范圍。95 年完成的國家“八五”攻關項目一 GC85 型多參數(shù)色譜檢測系統(tǒng)能夠自動進樣一次完成火災氣體的全組分分析，并目可與束管檢測采樣系統(tǒng)接口聯(lián)合使用。目前國內(nèi)最先進、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)采用最先進的色譜分析，具有獨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48 路以上。（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?，F(xiàn)有預報煤層發(fā)火的測溫法有兩種 [17]：1)直接用檢測到的溫度進行預報；2）根據(jù)溫度的變化特性進行預報。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。近年來普遍推廣的是測試簡單、操作方便的紅外測溫儀等。但據(jù)以往的現(xiàn)場經(jīng)驗單一的測溫法有時不能準確地預報煤層的自燃情況。（3)示蹤氣體法利用 等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測定采空區(qū)漏風量的技術已經(jīng)成6SF功應用。根據(jù)該項技術的應用經(jīng)驗，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，在采樣點采樣檢測其比例變化，或測定相關分解物，從而間接了解煤層火災隱患點的溫度值，達到預報目的。示蹤物質(zhì)的選擇對測定煤體熱狀態(tài)具有重大的影響。根據(jù)礦井的實際環(huán)境，示蹤劑的選擇應遵循以下幾個原則：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、不溶于水；5）分解物易被檢測；6）成本低，易獲得。（4)測氡法探測火源位置氡為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，因此在測量時既可測氡氣，又可測其子體而反映母體核素的形態(tài)及變化狀況，氡子體有很強的吸附能力，它們能牢固地附著在器物表面，因此可用不同的方法將氡或其子體收集進行測量。測氡方法的種類也很多，常規(guī)的射氣測量為取氣樣方法，使氣樣進入探測器后進入測量。探測器按工作原理可分為電離室型、閃爍室型、半導體探測器型等。三種類型探測器都是測量氡氣及其子體衰變時放出的 a 射線。同位素測氡技術探測煤層火源位置及其范圍的應用技術解決了煤層火災預測預報及防治技術的難題：1）采空區(qū)高溫異常區(qū)位置及范圍的確定；2）灌漿火火打鉆定位及火火參數(shù)的選擇；3）火區(qū)下采煤的開拓開采布署；4）封閉火區(qū)內(nèi)設備的啟封與搶險中火火方案的選擇；5）大面積均壓火火參數(shù)的選擇；6）大面積煤田自燃火災滅火方案及參數(shù)的選擇。但還有許多因素影響測氡技術探測火源的準確性，主要有：1）在氡及其子體垂直向上運移過程中，可能產(chǎn)生橫向位移，使異常點整體偏離；2）對測出異常數(shù)據(jù)的分析，還存在著一定偏差。 煤炭自然發(fā)火防治技術由于煤自燃是煤氧復合的結果，影響煤自燃的主要條件是煤的表面活性結構濃度、氧濃度和溫度。因此，自燃火災防治主要從三個方面著手 [18]:一是隔離煤氧接觸，使自燃火災窒熄；二是降低煤溫使煤氧化放熱強度降低，最終使火熄滅；三是惰化煤體表面活性結構降低煤氧復合速度，防止煤自燃的發(fā)生。目前常用的防滅火技術主要有如下幾類:惰化、堵漏、降溫等以及它們幾類的綜合，共同發(fā)揮滅火作用，最終實現(xiàn)防滅火的目的。近些年來，國內(nèi)外的一些礦井及科技部門對煤層內(nèi)因火災進行了大量的研究與實踐，研制出了一些井下防滅火的可行技術，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，在礦井設計、建設初期就應該注意選擇合理的開拓系統(tǒng)和采煤方法。在礦井生產(chǎn)過程中更應采取有效地開采技術措施，防止發(fā)生煤炭自然災害以保證礦井生產(chǎn)安全正常的進行 [1]。從預防煤炭自燃的角度出發(fā)，對易自燃煤層開拓開采方法的總要求是煤炭回采率高，工作面推進速度快，盡量減少丟煤。（1）合理的進行巷道布置1）對一些服務時間較長的巷道應盡量采用巖石巷道。開采有自燃傾向性的煤層，特別是自然發(fā)火嚴重的厚煤層，運輸大巷、回風大巷、采區(qū)上下山等服務年限長的巷道一般應設在穩(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)段運輸集中平巷和區(qū)段回風集中平巷或采用多組上山布置方式。布置在煤層中采用寬煤柱護巷。 2）區(qū)段煤巷采用垂直重疊布置。厚煤層分層開采時，分層區(qū)段平巷的布置過去有內(nèi)錯和外錯兩種方式，這兩種方式都容易造成煤炭自燃。內(nèi)錯式布置在采空區(qū)上下