【正文】 現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 煤炭自燃是我國(guó)煤礦開采過(guò)程中的主要自然災(zāi)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(jìn)行、凍結(jié)大量煤炭資源、造成采礦設(shè)備的損失。另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)和實(shí)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(zāi)的 60%。 在礦山火災(zāi)的分類辨識(shí)方面，我國(guó)的研究人員根據(jù)發(fā)生的地點(diǎn)不同 , 可分為地面火災(zāi)和井下火災(zāi)；按一次火災(zāi)所造成的人員傷亡、受災(zāi)戶數(shù)和財(cái)物損失金 額 , 可劃分為特大火災(zāi)、重大火災(zāi)和一般火災(zāi)；根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的原因 , 可分為外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)。 在礦山火災(zāi) 的預(yù)控方面，主要有以下措施和方法： 與預(yù)報(bào) ： （ 1) 指標(biāo)氣體分析法 。（ 2)測(cè)溫法 。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。 利用 6SF 等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測(cè)定采空區(qū)漏風(fēng)量的技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用。 因火災(zāi)的 預(yù)防 及適用條件： (1)開拓開采技術(shù)措施。 其中又包括開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓；（ 4）預(yù)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。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)。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 70 年代末，德、英、法、波、原蘇聯(lián)等國(guó)先后研究并推廣應(yīng)用了采空區(qū)巷旁充填材料、工藝及系列設(shè)備。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 4 國(guó)外最先采用氮?dú)夥罍缁鹗窃谖鞯逻M(jìn)行， 1974 年西德首先采用大量氣體注氮防滅火，其后法國(guó)、英國(guó)、波蘭、蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國(guó)也都先后采用了氮?dú)夥罍缁鸱椒?。近年?lái)德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)地面移動(dòng)式制氮設(shè)備的產(chǎn)氮量達(dá) 1200 hm3 ，產(chǎn)氮量在 5000 hm3 的設(shè)備在研發(fā)中。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。 研究 思路 與方法 本文主要借助于畢業(yè)實(shí)習(xí)，通過(guò)廣泛收集和整理資料、聽(tīng)從專業(yè)人 員的講解、聯(lián)系實(shí)習(xí)實(shí)踐并廣泛參考相關(guān)文獻(xiàn)，在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究思路，對(duì)本課題進(jìn)行研究。 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(shí)別與預(yù)防 煤炭自然發(fā)火防治技術(shù) 溫度檢測(cè) 指標(biāo)氣體檢測(cè) 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(duì)煤礦安全生產(chǎn)的危害在某種意義上來(lái)說(shuō)并不亞 于瓦斯、煤塵爆炸事故。但是，由于它大多數(shù)發(fā)生在人們難以達(dá)到的采空區(qū)、破裂的 煤柱之內(nèi)，所以，有時(shí)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(diǎn)；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。 煤炭自然發(fā)火影響因素 自燃火災(zāi)形成的過(guò)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。煤的變質(zhì)過(guò)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。例如： 和Y. (1999)采用交 叉點(diǎn)溫度法對(duì)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。因而許多研究者以煤變質(zhì)程度來(lái)判斷自燃趨勢(shì)。 （ 2)煤的 粒度、孔隙特征和 破碎 程度。 有人研究，當(dāng)煤粒度小于 1mm 時(shí)氧化速率與粒度無(wú)關(guān)，并認(rèn)為孔徑大于 10nm 的孔在煤氧化中起重要作用。因此，可以說(shuō)，煤的自燃性隨著其孔隙率、破碎度的增加而上升。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。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(shí)，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。 （ 3)煤巖成分 。 煤巖成分一般分為絲煤、暗煤、亮煤和鏡煤四種。 具有纖維構(gòu)造而表面吸附能力很高的絲煤在常溫下吸氧能力極強(qiáng)，著火點(diǎn)低（僅為 190～ 270℃），可以起到“引火物”的作用，含絲煤越多，自燃傾向性就越強(qiáng)。 （ 4)煤中的瓦斯含量 。實(shí)驗(yàn)表明，吸氧僅發(fā)生在山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 9 煤中瓦斯含量小于某一數(shù)值的條件下，如果煤中含有較多的瓦斯，那么其吸氧減弱。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。 （ 5)水分 。煤體中外在水分沒(méi)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。水分的催化作用隨煤溫的增高而增大。另外，對(duì)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。 （ 6)煤中硫和其他礦物質(zhì) 。 對(duì)煤自燃起主導(dǎo)作用的是黃鐵礦。黃鐵礦在低溫氧化 時(shí)產(chǎn)生硫酸鐵以及硫酸亞鐵，體積增大，使煤 體膨脹而變得松散，增大了氧化表面積而且其分解產(chǎn)物比煤的吸氧性更強(qiáng)，能將吸附的氧轉(zhuǎn)讓給煤粒使其發(fā)生氧化，在煤中含黃鐵礦越多就越容易自燃。 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(wú)煙煤。因此，煤中 物 質(zhì)放熱性的強(qiáng)弱與煤中無(wú)機(jī)礦物的成份、含量密切相關(guān)，也與氧含量和煤層含水量有關(guān)。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(guò)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。實(shí)驗(yàn)證明，它取決于煤在常溫下的氧化能力，是煤層發(fā)生自燃的基本條件。 （ 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(duì)自然發(fā)火起決定性影響。開采技術(shù)對(duì)自然發(fā) 火的 影 響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ： 1)開拓方式。要求巷道系統(tǒng)簡(jiǎn)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。采煤方法對(duì)發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在回采率的高低、回采時(shí)間的長(zhǎng)短及頂板管理和煤層切割等方面。 3)通風(fēng) 條件。漏風(fēng)使這些地點(diǎn)煤氧化生熱，生熱多少和生熱能否積聚取決于 漏風(fēng)風(fēng)速的大小。 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(lái)，自燃才能成為可能。 有的學(xué)者研究過(guò)引起煤炭自燃的風(fēng)速值范圍，認(rèn)為風(fēng)速 ～ minm3 時(shí)最容易 引 起自燃，并將其成為易自燃風(fēng)速 ； 另一些學(xué)者認(rèn)為易自燃風(fēng)速為 ～ minm3 對(duì) 于采空區(qū)，有人認(rèn)為當(dāng)其單位面積上漏風(fēng)量大于 minm3 或小于 minm3 都 不會(huì)自燃， 最危險(xiǎn)的漏風(fēng)量是 ～ minm3 。 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。究其原因，主要有下面幾點(diǎn) ： 第一，厚煤層回采率低，遺留大 量浮煤和煤柱，隨著放頂煤開采技術(shù)的推廣應(yīng)用，這個(gè)問(wèn)題更為突出 ； 第二，礦山壓力 較大，煤柱、煤壁易被壓裂而漏風(fēng) ； 第三，回采時(shí)間較長(zhǎng)，一般均超過(guò)煤層的自然發(fā)火 期 ； 第四，分層開采時(shí)，上部分層采空區(qū)的浮煤氧化產(chǎn)生的熱量難以通過(guò)下部煤層散發(fā)。 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。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(qiáng)度降低，其自燃危險(xiǎn)性也較大。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(guò)小時(shí)又容易形成 與地表溝通的裂隙，也會(huì)在采空區(qū)中形成浮煤自燃 。 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 13 為了準(zhǔn)確的判定煤層的自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度而采用 自燃傾向 向性預(yù)測(cè)法，進(jìn)而采取相應(yīng)的防滅火措施，其主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定內(nèi)在自燃性，劃分煤層自然發(fā)火的等級(jí)。 在我國(guó)，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(lái)，曾經(jīng)先后研究過(guò)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。但這種方法存在著以下缺點(diǎn)： 1） 由于該方法使用聯(lián)苯胺和汞等化學(xué)試劑，有毒性； 2） 對(duì)部分煤樣 無(wú)法分類； 3） 儀器裝置和測(cè)量系統(tǒng)的落后。到了九十年代后，因?yàn)樯V動(dòng)態(tài)吸氧法測(cè)定系統(tǒng)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)吸氧法。因此，該方法還有許多不完善之處?；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，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。與在現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)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(wú)法真實(shí)的反映在實(shí)際條件下煤的自燃傾向性?，F(xiàn)場(chǎng)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。由于靜態(tài)吸氧法無(wú)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)。 （ 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。但該方法是一種較為全面的預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的方法，因此，前蘇聯(lián)、美國(guó)、波蘭等主要產(chǎn)煤大國(guó)都在探索研究該類方法的應(yīng)用，并取得了一些效果。 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(cè)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(píng)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(duì)開采煤層自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評(píng)判預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(lái)準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)開采 煤層的自燃危險(xiǎn)性 [11]。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(lái)判斷自然發(fā)火程度。 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]。在次基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基 于粗糙集的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后利用該方法預(yù)測(cè)最小浮煤厚度。該方法為基 于 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。 （ 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(wú)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(zhǎng)，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。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]。它是礦井火災(zāi)預(yù)防與處理的基礎(chǔ)，是礦井煤層火災(zāi)