【正文】 防治的關鍵，占有極其重要的地位 [15]。煤在氧化升溫過程中氣山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 17 體的釋放因煤種、煤巖性質、 地質條件等內外因素的不同 有差別。進入 60 年代，開始使用色譜儀對井下煤自燃氣體進行檢測。 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， 22HC ， 42CC [16][17]三 個綜合指標 。 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) 國家名稱 指標氣體 主要指標氣體 輔助指標氣體 中國 CO、 42HC CO/△ 2O 、 62HC / 42HC 俄羅斯 CO 62HC / 42HC 美國 CO CO/△ 2O 英國 CO、 42HC CO/△ 2O 日本 CO、 42HC CO/△ 2O 、 62HC / 42HC 波蘭、德國、法國 CO CO/△ 2O 表 各國煤自燃指標氣體 [15] 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 18 測范圍。目前國內最先進、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)測路數可達 48 路以上。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。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。但據以往的現(xiàn)場經驗單一的測溫法有時不能準確地預報煤層的自燃情況。根據 該項技術的應用經驗，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。根據礦井的實際環(huán)境，示蹤劑的選擇應遵循以下幾個原則 ： 1） 毒性小 ； 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。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。 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。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，可能產生橫向位移，使異常點整體偏離 ； 2）對測出 異常數據的分析，還存在著一定偏差。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。近些年來，國內外的一些礦井及科技部門對煤層內因火災進行了大量的研究山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 20 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。 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。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。 2）區(qū)段煤巷采用垂直重疊布置。內錯式布置在采空區(qū)上下分層巷道形成的臺階煤柱內側造成貯熱氧化易燃隅角帶。如果各分層巷道重疊布置可減少煤柱，從而消除了采空區(qū)浮煤自燃的基本條件。采用留煤柱護巷時，不但浪費煤炭資源，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。近年來，無煤柱護巷山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 21 方式已獲得廣泛應用，將階段大巷和采區(qū)上（下）山設在煤層底板中，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)段大巷的無煤柱護巷方式也已推廣應用，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。但是，沿空側的巷道容易向相鄰采空 (特別是其停采線 )漏風，所以應該采用有效方式封堵漏風通道，以防止相鄰采空區(qū)煤炭 自燃。特別是要避免將一個走向長壁工作面沿 走向在其中部另開切眼，形成兩個工作面同時回采的不規(guī)范做法。同時，要按照合理的回采順序進行開采，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)段內采用后退式，盡量避免形成孤島工作面。礦山壓力作用于煤層上，會使煤體破碎，使風流能夠深入煤壁，從而增加煤體與氧氣的接觸面積，增加煤炭自燃危險性。采用留煤柱護巷的區(qū)段巷道布置方式時，這一問題尤為重要，要切實搞清礦山壓力規(guī)律，選擇合適的區(qū)段煤柱尺寸。 (4)選擇合理的工作面推進速度，防止浮煤自燃 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 22 采空區(qū)按煤層自燃條件分為散熱帶、氧化帶升溫和窒息帶。加快工作面的推進速度，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。有關生產礦井和科研機構提供的統(tǒng)計資料顯示，采空區(qū)漏風量與工作面供風量的平方成正比關系，因此合理調配綜采工 作面風量是有效減少采空區(qū)漏風，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。封閉的 方法為： 在煤柱產生裂隙的地方應及時向采空區(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)內凝結，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。 （ 3)掛簾堵漏風防滅火 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 23 工作面采空區(qū)進風側是采空區(qū)漏風的主要通道，為減少此處漏風，在工作面下隅角 堅持掛風簾，以改變此處風流方向和增加進風通道阻力。工作面回風巷是氮氣必須流經的通道，氮氣注入采空區(qū)后在區(qū)內擴散，惰化氧化帶，然后大部分從回風巷流出，這是允許的。為此，在回風順槽頂板冒落不嚴時，應該強制放頂，用研石堵塞采空區(qū)回風側。 惰化技術防滅火 惰化技術防滅火 :惰化技術就是將惰性氣體或其它惰性物質送入擬處理區(qū)， 抑制煤層自燃的技術。惰氣 可充滿整個空間，既能撲滅大的明火火滅，又能抑 制 并撲滅隱蔽火源。 氮氣防滅火技術是利用制氮設備制取氮氣，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。因此，在開放式工作面的采空區(qū)防火中，必須有針對性地確定氮氣釋放口，才能有效縮短氧化升溫帶范圍。 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 24 氮氣是一種無毒的不可燃氣體 ， 在標準狀態(tài)下密度 3mkg ，與同體積空氣 質量比為 ， 無腐蝕性，化學性質穩(wěn)定。在常溫常壓下，氮分子結構穩(wěn)定，很難與其它物質發(fā) 生化學反應，所以它是一種良好的防滅火用惰性氣體。液氮與氮氣相比，具有體積小，運輸量小等優(yōu)點，尤其便于井下的貯運。近幾年來我國的放頂煤開展迅速， 此法采空區(qū)丟煤多，產生遺煤大面積的危險性 堆積，極易引起煤炭自燃，且這些易發(fā)火點往往在頂板高冒處或采空區(qū)深部，這時采用注氮滅火效果最為顯著。 由于注氮后的上述滅火作用，從而達到 防滅火的目的。但氣氮與液氮相比，其冷 卻 效應較差； 4)根據氣體擴一散原理，氮分子穿越或滲入采空區(qū)冒落區(qū)或裂隙帶，其有效擴散 半徑較大，惰化覆蓋范圍較廣； 5)注氮防火，可以實現(xiàn) “ 邊采、邊注、邊防火 ”， 注氮滅火，撲滅火災迅速， 搶險救災工作較安全可靠； 6)與注漿 (砂 )或注水相比，注氮不污染防治區(qū)，無腐蝕或不損壞綜采、設備 ；火區(qū)啟封，恢復工作安全、迅速、經濟 。 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（氮氣）和水三相防滅火介質組成。三相泡沫發(fā)泡體積量大，單位體積的漿體材料成本低，具有較高的經濟效益。三相泡沫中含山東科技大學學士學位論文 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，這些固態(tài)物質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。灌漿防滅火技術有很多優(yōu)點，泥漿能夠吸熱降溫，對煤體還有包裹作用，能夠達到隔絕氧氣的目的，同時能膠結頂板、降低采空區(qū)空 隙率及增加漏風阻力。 因此，對防滅火灌漿材料有以下主要要求： 1)不應含有能助燃和可燃的物質 ； 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。 我國堵漏技術和材料在近年來發(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。復合膠體、凝膠等系列防滅火材料， 具有良好的防滅火效果。在凝膠中加入黃土或粉煤灰，膠體強度增加，高濃度的膠體泥漿可充填高冒空頂區(qū)。復合膠體可針對性的用于預防自燃危險區(qū)，快速撲滅火災。該系統(tǒng)采用先進制漿系統(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現(xiàn)自動 定量調節(jié)，注膠過程中的各種參數可實現(xiàn)在線可視化監(jiān)測和控制。 耐溫高水膠體防滅火技術 :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，通過壓注設備注入煤層內部，在一定時間內發(fā)生膠凝固化，迅速吸熱降溫、隔絕氧氣、包裹煤體； 注入的液體由點向四周擴散，形成較大的降溫窒息區(qū)， 直接注入高溫點滅火降溫效果極佳，尤其在巷道頂煤或煤柱發(fā)生自燃火災時，該技術顯示出其他防滅火技術無法比擬的優(yōu)勢。當火區(qū) 范圍較大時，滅火成本相對較高。常用 阻化劑是一些吸水性很強的鹽類，當它們 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，山東科技大學學士學位論文 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。 關于阻化劑防止煤自燃的原理，一般認為是一種吸水性很強的鹽類((CaC 2l ， MgC 2l )， 在壓注和噴灑的過程中，它能浸入煤的層理、節(jié)理和微小的裂縫中去，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。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。從使用的效果看， CaC 2l ,MgC 2l ， 效果最好，其次是 NaCl，水玻璃及其它藥 劑。 阻化劑抑制煤層自燃的機理及特點 如下： 當向煤層注入阻化液后，阻化液分子和煤體表 面的活性物質分子之間將相互吸引， 破壞了表面自由力場，促使氧原子恢復到分子狀態(tài)，同時減少了反應物分子之間的有效碰撞機會，使氧化反應速度放慢或受到抑制，起到了一種負催化作用。阻化劑阻化機理分為吸熱作用、覆蓋作用、抑制鏈反應、不燃氣 窒息作用。 山東科技大學學士學位論文 煤炭自然發(fā)火基本理論 29 氯鹽 阻化劑的阻化機理，主要為吸水鹽類的液膜隔氧降溫學說和提高反應物之間 活化能的副催化學說等等。首先，汽霧噴灑吸水鹽類阻化劑后，阻化劑液膜覆蓋煤體表面，并浸人煤體裂隙中，使煤體表面封閉，隔斷了煤體表面活性基團與氧 的直接接觸，破 壞了活性自由基團與氧氣的化學吸附反應過程。而阻化劑阻止煤炭氧化基 鏈反應的最主要作用，還是它的負催化作用 ，即吸水鹽類阻化劑作為一種化學成份，加入到煤的自由基鏈式反應過程中，生成穩(wěn)定的鏈環(huán)，抑制或減緩煤表面活性自由基團與氧氣的反應速率。所以，吸水鹽類對煤樣的阻化作用，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 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