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1、国内外煤矿火灾防治现状与对策,安徽理工大学能源与安全学院袁树杰 教授 博士,一、矿井火灾危险状况及趋势,在世界各采煤国家中，我国是矿井火灾比较严重的国家。据1997年的统计，在593个国有重点煤矿中，自燃发火危险矿井占51.3%，煤自燃氧化形成的自燃发火现象（或征兆）近4000次，形成火灾360次。煤炭自燃发火占90%以上。,据2000年全国425对国有煤矿的不完全统计，共发生火灾168次，其中内因火灾154次，外因火灾14次，封闭采区或工作面59个，影响煤量3080Mt，冻结煤量4217Mt，发火率为0.318次/Mt。,2002年国有重点煤矿事故严重度的统计,瓦斯 火灾 水灾,中国煤火分布
2、,自燃火灾多发地点,煤巷高冒顶煤巷巷帮和碹后破碎带采空区上下隅角地质构造破碎带煤柱起采及停采线附近等地,二、矿井火灾防治技术研究现状,目前世界上主要的产煤国家有：中国、美国、俄罗斯、印度、波兰、乌克兰、澳大利亚等七个国家。在煤矿火灾防治方面的研究做得比较好的国家有：前苏联（俄罗斯）、波兰、中国和美国。前苏联在煤的自燃机理方面做过一些研究波兰在煤矿火灾方面的研究比较多，有很多开创性的研究工作都是由波兰人做的，比如：火风压的概念及计算方法，均压防灭火，高倍泡沫灭火，惰气防灭火等都是由波兰人最先提出的。中国在矿井火灾防治方面作了大量的研究工作，从煤的自燃氧化规律到防灭火技术，从宏观研究到微观研究都有
3、人在做。美国在火灾的预测预报、火灾时期矿井通风系统中风流的计算机模拟、封闭火区评价等方面做过一些研究。,矿井火灾的防治工作主要包括三个方面：煤层自燃发火危险评价煤层自燃发火的预测预报矿井火灾的防治技术,（一）煤层自燃发火危险评价技术,1、煤层自燃性倾向评价世界各主要采煤国都依据本国的具体条件对煤的自燃倾向性的鉴定方法和界定指标做了明确规定。我国在20世纪80年代以前，对煤的自燃倾向性的鉴定沿用前苏联的着火点温度法。不能切实地反映煤低温自热氧化特性。“七五”期间依据我国的具体情况，开始研究流态色谱吸氧鉴定法。该方法操作方便，工艺简单，能切实反映低温自热氧化状态。专用仪器ZRJ-1型煤自燃倾向性鉴
4、定仪在我国煤矿普遍应用。1997年颁布了行业标准MT/T707-1997煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和MT/T708-1997煤自燃性测定仪技术条件。,2、煤层开采时期的自燃危险性评价技术多年来，国际上许多国家都在寻求一种能综合判别煤自燃发火危险程度的方法。目前国际上大多采用对各种内、外在影响因素综合评分的方法。其指导思想是：首先对煤自燃倾向性进行鉴定，评出其分值，然后在大量统计分析的基础上对影响煤自燃发火危险程度的外在因素进行主观评价，给出分值。将两者综合相加就得出了相应条件下的煤自燃发火的总分值，再按分值对煤层开采时期的自燃危险性进行分类。,3、煤层最短自燃发火期评价技术煤层最短自燃发火期一
5、直是国内外煤矿安全技术研究领域的重要方向之一。前苏联利用煤吸氧蓄热研究，提出了以煤吸氧速度为基础的检测工艺及其数据处理方法。从“八五”开始，我国从事典型易燃煤层最短自燃发火期研究。一是利用煤堆氧化实验装置在模拟条件下测定并解算自燃发火期；二是测定煤的吸氧速度、氧化反应速度，以热传导及热平衡原理推算最短自燃发火期，并结合地质、开采、通风等影响因素修正确定发火期。,（二）煤自燃发火预测预报技术,1、气体分析法气体分析法是以煤自燃发火过程中的气体产物来预测预报煤自燃发火的过程。气体分析法在过去相当长的时间内采用的是单一CO指标，但研究表明，CO指标与煤自燃发火过程的分段性对应关系差，受现场影响因素干
6、扰较大，因此现在逐步发展为以CO、C2H4、C2H2、链烷比、烯烷比等为主要指标的综合预测预报体系。,2、气味检测法近年来，日本等国研制成功一种气味传感器，并将这些气味传感器用于日本太平洋煤矿井下煤自燃发火的早期预测，取得了初步成效。研究表明，气味传感器能捕捉煤低温氧化初期释放气味的微弱变化，此时煤温比CO监测提前2030oC。气味检测法与矿井监测场所气体、气味的本底情况有密切关系，就其实用性而言，还有等于进一步研究。,3、测温法测温法主要用于煤层巷道异常点温度的监测，常用的方法有热电偶测温法、红外测温法、激光测温法等。,4、磁力预测法磁力预测法的原理：铁磁物质存在的区域温度发生变化时，其磁化
7、率、磁场强度也随之发生相应变化，通过仪器测定磁场变化规律就可对自然发火进行预测预报。此方法只适于煤层顶底板有铁磁物质或能撒布铁磁性物质的地方，其应用受到工艺和仪器灵敏度的限制。,（三）矿井火灾防治技术,1、外因火灾的防治我国煤矿外因火灾中以胶带输送机火灾最为严重。自“七五”以来，我国先后研制出多种胶带机火灾检测和自动灭火装置，但仅是对其重点发火危险部位的35个点进行监测，而且不能准确定位。“九五”期间，我国煤炭科学研究总院抚顺分院研制成功了KJS5000A型胶带输送机火灾监测系统，整个系统最大测点数为12544个。是目前国内较先进的胶带输送机火灾监测系统。,2、内因火灾防治技术内因火灾防治技术
8、的基本出发点是消除或破坏煤自燃的三个基本条件。惰化防灭火堵漏防灭火加快工作面推进速度,常见煤矿火灾防治技术介绍,1、煤矿火灾监测技术2、灌浆防灭火技术3、均压防灭火技术4、阻化剂防灭火技术5、泡沫防灭火6、凝胶防灭火技术7、堵漏风防灭火技术8、综合防灭火技术,1、煤矿火灾监测技术,煤矿火灾早期监测技术主要有气体分析法和测温法，最常用的监测特征参数有气体、温度及烟雾等。CO、C2H4、C2H2、链烷比、烯烷比等为主指标的综合指标体系。测温法主要用于煤层巷道异常点温度的监测。测温法分为两类：一类是直接用检测到的温度值进行预报或报警，另一类则是通过监测点温度的变化特性（升温速率）进行预报。,2、灌浆
9、防灭火技术,按与回采工艺的关系分为采前预灌随采随灌采后灌浆按实施方法分为埋管灌浆钻孔灌浆工作面撒灌,3、均压防灭火技术,均压防灭火技术最早由波兰人提出。均压防灭火技术就是采用通风的方法减少自燃危险区域漏风通道两端的压差，使漏风量趋近于零，从而断绝氧源起到防灭火的作用。,4、阻化剂防灭火技术,阻化剂防灭火技术是指利用阻化原理将具有阻化性能的药剂送入拟处理区，从而达到防灭火的目的。,5、泡沫防灭火,泡沫防灭火技术是以化学方法产生膨胀惰性泡沫，以进行防灭火的一种技术。由于其可堆积、流动性好，并且有一定的固泡时间，所以更适用于深部高温区域的防灭火。常用的泡沫防灭火技术有化学惰气泡沫防灭火技术和三相泡沫
10、防灭火技术（中矿王德明教授的成果）。,6、凝胶防灭火技术（西安科技大学徐精彩教授的成果）,凝胶防灭火技术是20世纪70年代以来研究出的一项防灭火新成果，适用于处理巷道帮、顶、高温区域、撤面期间的自燃隐患以及火区治理。凝胶防灭火时起到覆盖、堵漏、隔氧、阻化的作用。,7、堵漏风防灭火技术,堵漏风防灭火技术用于采空区密闭堵漏风、隔离煤柱裂隙堵漏风、无煤柱工作面顺槽巷帮隔离带堵漏风等多个场合。初期的堵漏防灭火措施主要为灌注黄泥浆、砂浆等。近年来研究成功了品种多、性能优良的新型充填堵漏材料，如凝胶类充填材料、无机固化粉煤灰、轻质膨胀快速密闭堵漏材料等。,8、综合防灭火技术,目前，在煤矿生产实践中，“以防
11、为主”的防灭火原则基本得到了贯彻，并逐渐形成了火灾预测、监测、预防、治理相结合的综合火灾防治技术体系。,9、采空区置换注氮防灭火技术,张国枢教授的“采空区置换注氮防灭火技术”,四、矿井火灾防治中存在的问题,目前我国矿井防灭火存在的问题主要表现在以下几个方面：首先，用于火灾监测的传感器种类单一，稳定性差，精度不高，寿命短而且价格高，极大地制约了火灾监测和预测预报技术的发展。其次，煤自燃发火期测定的实用技术尚未根本解决。另外，隐蔽火源探测仍是当今世界一大难题。我国在“七五”、“八五”期间就此进行了重点研究，形成了测氡法、地质雷达探测法、红外探测法以及采空区预埋探测器法等，但由于井下火源往往比较深，
12、且介质不均匀，某些辅助手段穿透能力有限或反射波受多种不均匀介质的影响，而往往探测精度不高，对实际防灭火工作指导意义不大。,五、煤矿火灾防治技术研究趋势,1、加强应用基础研究，为创新防灭火技术的开发奠定理论基础煤矿火灾演化过程的动力学突变规律研究及其定量指标煤最短自燃发火期快速测定技术的理论依据及关联评价方法等2、防灭火新材料及专用装备关键技术研究无毒生态型防灭火新材料及专用装备研究隐蔽火源精确探测技术与装备研究3、开发灾变应对技术开发基于矿井网络系统的快速应变技术与专用装备，控制煤矿火灾的扩大与继发性灾害的发生4、矿井防灭火系统的动态分析与控制研究从系统工程角度，将防灭火预测预报、监测监控等煤
13、矿火灾不同时期的防治技术有机地结合起来，研究多传感器分布条件下的火灾判别技术，研制基于三维数字化矿山的煤矿井下火灾预警专家系统，建立与矿井安全监测系统联网运行的矿井易自燃区域的连续监测与控制子系统，实现从矿井通风系统防火设计到矿井防灭火技术方案实施的全矿井防灭火系统的动态分析与控制。,波兰煤矿火灾防治技术介绍,波兰的煤矿和煤产量,波兰现有33个生产煤矿,3个正在报废中的煤矿,煤炭年产量1亿吨左右,70年代最高产量达到2亿多吨.12万3千多雇员.,2001-2004煤矿事故伤亡人数,2001-2004 煤矿事故数,百万吨死亡率,1990-2003百万吨发火率,煤层火灾危险等级划分,波兰煤矿安全规
14、程规定:在工作的地方和有人的地方,矿井空气中一氧化碳的体积含量不能超过0.0026%,即26ppm这也是采取灭火形动的依据,自燃发火预测指标,CO增量指标COCO=CO-COxCO回风流一氧化碳浓度，%COx进风流中一氧化碳浓度，%；若不测量，取0.0000%,一氧化碳量指标VCOVCO=10V rCOVCO一氧化碳量指标，l/minV测风站空气的体积流量，m3/minrCO风流中CO浓度，%,格拉汉姆系数G（采空区，密闭墙后）CO,N2,O2回风流中的体积百分比含量,根据CO指标评价发火危险,根据格拉汉姆系数评价发火危险,贝斯特龙模型,评价生产工作面采空区火灾危险的其他指标,Borynia矿
15、煤样试验结果,Staszic矿煤样试验结果,波兰煤科总院的火灾指标,气体浓度均为ppm,巷道密封技术,密封带,煤层,木垛,石膏,混凝土块或金属网,帆布,凝胶密封,封闭区惰化方法:低氧水蒸汽-空气混合气体 液氮和气态氮 液氮气化瓦斯充填封闭区用火区贫氧空气充填封闭区干冰与粉煤灰浆充填采空区,复合灭火法,复合灭火法指的是，在封闭火区的同时，采取措施主动灭火，降低火区中氧气浓度或温度。复合灭火法在下列情况下使用：只采用主动灭火或被动灭火没有效果（1、缺少足够数量的灭火剂，2、温度很高，只能用密封法，3、火区与正在使用的巷道有不可控制的通道。）在主动灭火或被动灭火期间，必须保证工作人员的安全（有瓦斯或
16、火灾气体爆炸的危险）希望尽快打开火区，恢复巷道和设备。,复合灭火法常用的火区惰化方法,水淹水砂充填惰气（常用）在火区体积小的情况下（如肓巷）可以使用瓶装惰气（CO2，N2）火区体积在1000至5000m3时，用液氮通过管道输送（从地下或地面）火区体积很大，超过10000m3时，需要大量的惰气，可以用惰气产生器，如GAG有时也可以使用贫氧火灾气体或瓦斯。,注氮管埋设及释放口位置,用贫氧火灾气体循环惰化火区,1密闭墙，2火区贫氧带，3过渡带，4火区富氧带5气体循环管道，6通风机，7冷却机组，8闸门9气体取样口，测温口，10水柱计，11惰气输送管,用瓦斯充填封闭采空区和巷道防火防止瓦斯和火灾气体爆炸
17、,Pniwek煤矿360/1煤层B-6a工作面由于爆破引起瓦斯燃烧，导致火灾,参数:煤层厚度-1,8-2,0 m,倾角-5,工作面长度-150 m,瓦斯危险等级-IV级,煤尘危险等级-B级,瓦斯涌出量-17,5 m3CH4/min（抽出量-10 m3CH4/min),风量-900 m3/min.,瓦斯气体参数:含瓦斯的空气流量-13,2 m3/min,瓦斯浓度-66%纯瓦斯流量-8.7m3/min.,瓦斯-空气混合气用量:926 700 m3,其中瓦斯量:620 900 m3.,封闭采空区气体的冷却,Brzeszcze煤矿的一个工作面,气体冷却系统,快速分析空气成分的小型气相色谱仪 HP 20
18、0(大约 2 分钟分析一个气样),确定煤自热位置的热成像摄相机,封闭火区评价方法,1、封闭火区评价存在的问题评价火区状况的各种方法都是基于由火灾气体组分计算出的火灾指标。比较熟知的火灾指标有：格拉汉姆系数，氧化碳比率，克里克特系数，扬系数，一氧化碳，氢气和烃类气体。在煤矿中，采矿地质条件非常复杂而且变化性很大。在某些情况下，外部因素会改变封闭区中气体的组分。在这种情况下，用火灾指标不能正确解释封闭区的火灾状况。,我国煤矿安全规程规定，封闭火区只有同时具备下列条件时，方可认为火已熄灭：,火区内的空气温度下降到30C以下，或与火灾发生前该区的日常空气温度相同。火区内空气中的氧气浓度降到5.0%以下
19、。火区内空气中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳浓度在封闭期间内逐渐下降，并稳定在0.001%以下。火区的出水温度低于25C，或与火灾发生前该区的日常出水温度相同。上述四项指标持续稳定的时间在1个月以上。,波兰采矿规程中没有规定火区打开的条件，每次打开火区前都经专家组论证，确定是否打开火区。不论中国煤矿安全规程给出的评价方法，还是波兰采矿规程给出的方法，都不能确切地评价封闭火区是否熄灭。在打开火区时，都是以救护形动的方式进行，随时准备重新封闭火区。有时还会发生火区的复燃或火灾气体爆炸。,2、火区状况评价方法研究对火区状况的评价包括三个方面的内容：(1)火是在发展还是在减弱，(2)火区中的气体是否具有爆
20、炸性，(3)火是否熄灭。其中，对火是否熄灭进行评价是比较困难的。决定煤火是否熄灭的条件有两个：封闭区中氧气的浓度；火源点处煤的温度。评价火区状况的难点是火源点煤温的确定。由于火源点的隐蔽性，我们往往不能确切知道火源点的位置，因此很难直接测量火源点煤温的绝对值。,下列因素有可能导致对火区状况的错误评价,封闭火区不能排除空气流入火区2）由于一氧化碳会吸附在焦炭上，不能仅仅因为一氧化碳浓度降到0，就笼统地说火熄灭了。3）火区均压使空气不能通过密闭墙，封闭区中少量的一氧化碳也有可能长期存在。一氧化碳也有可能是其他有机物低温氧化的产物，而不仅仅是煤炭燃烧形成的。4）在密闭墙不严实的情况下，氧浓度有可能随
21、着CO、CH4、H2等的增加而增加。当封闭区位于大的地质构造带、裂隙、断层等附近，特别是位于煤层之间或接近地表的采空区附近，封闭区中的氧浓度很难下降。5）从地层中涌出的甲烷或向火区注氮都会改变火灾气体的组分，从而影响根据从密闭墙后取的气样，对火区状况作出正确评价。6）由于不知道封闭区中温度的分布情况，很难估算火源点的温度。如果温度不下降，尽管封闭区中氧浓度很低，闷燃也会发生。当封闭区打开时，就会引起复燃。,波兰采矿规程中规定用三个指标来评价封闭火区中煤的温度：,上述气体的含量的单位都为ppm。从火区中取样分析上述气体的含量，用上式计算WP1、WP2和WP3的值。从同一封闭火区中取煤样在实验室条
22、件下加热氧化煤样，加热温度从35C到350C。在加热过程中取气样分析，得出上述气体在不同温度下的浓度，用上式计算不同煤温下WP1、WP2和WP3的值。比较实测计算值和实验室标准实验计算值，得出封闭火区中煤的温度。,图1某矿煤样在实验室作出的WP1、WP2、WP3指标值与煤温之间的关系标准曲线,从图1中曲线可以看出，对于煤炭自燃处于初期发展阶段的封闭火区，如果能准确测定封闭区中的气样成份，可以得出煤温变化的大概情况。对于发展程度较高的火灾，煤温很高，单凭上述指标曲线就很难确定煤温，因为WP1、WP2、WP3的值不是随着煤温的升高单调增加的，到一定的温度值以后，它们的值会随煤温的升高而降低。在火灾
23、减弱，温度降低时，WP1、WP2、WP3的值也会随之降低，在不能确切知道火灾发展趋势的时候，我们就很难确定煤温是升高了，还是降低了。必须结合其他方法，在确定了火灾的发展趋势以后，才能用上述指标来确定煤温的变化情况。,火灾特征曲线的概念封闭区中的煤炭自热或自燃是一个缓慢的，连续的氧化过程。火的熄灭也是一个连续过程。封闭区中火灾气体成分的突然变化，不能作为评价火区状况的基础。我们可以用时间序列分析法，研究气体成分在一段时间内的变化，来分析火区状况。为了避免采矿地质因素引起的火灾气体成分的变化或个别气样分析错误，采用“三期移动平均”法来分析火灾气体随时间的变化趋势。,图 2 某封闭区中氧浓度的变化-
24、根据氧浓度的实测值作出的趋势线 根据氧浓度的三期移动平均值作出的趋势线,可以用“火灾特征曲线”对火灾的发展趋势作出总的分析。火灾特征曲线就是在同一张图上用曲线来描述火灾气体五种组分（氧，氮，二氧化碳，一氧化碳和碳氢化合物）在时间上的变化趋势。封闭火区中各种气体成分在观测期间的变化趋势可以给出有用的信息。,封闭火区中氧浓度的变化趋势如果在封闭区中煤发生了氧化，氧的浓度会下降。氧浓度的下降速度取决于氧化反应的强度。氧化强度越大，氧浓度的下降速度越快。在煤自热或自燃时，氧浓度连续下降，其变化过程可以用从密闭火区后算起的时间的指数函数来描述。如果有瓦斯或煤尘爆炸发生，封闭区中的氧浓度会急剧下降。如果没
25、有发生自热、自燃或爆炸，氧浓度的变化过程是单调的。如果火趋向熄灭，氧浓度会增加或稳定在某一确定值。当甲烷等气体从岩层涌出到封闭区中，氧浓度下降。,一氧化碳浓度的变化趋势一氧化碳是主要的火灾指标气体。当煤氧化时，封闭区中一氧化碳浓度的增加速度比其它气体产物大得多。一氧化碳浓度增加，说明煤发生了燃烧或低温氧化。与二氧化碳不同，一氧化碳只来自于煤或其它有机质的燃烧或低温氧化。一氧化碳在空气中燃烧的下限浓度为12.5%，除了火以外，几乎不受其他因素的影响而变化。一般地说，在火熄灭后，一氧化碳浓度会缓慢下降。在某些情况下，封闭区中火熄灭后，一氧化碳浓度可以保持很长的时间，这可能造成对火区状况的错误评价。
26、,二氧化碳浓度的变化趋势二氧化碳是煤燃烧期间主要的气体产物。二氧化碳的生成量比其它气体产物多。火灾时，随着氧浓度的降低，二氧化碳浓度以相同的或更高的速度增加。反之，如果封闭区中二氧化碳浓度降低，氧浓度将增加。如果氧浓度缓慢均匀地下降，火灾的发展强度不大。而根据二氧化碳浓度增加速度小，不能说火灾的发展强度小。在煤矿中，二氧化碳有可能来自于岩层或碳酸盐与酸性水的反应。二氧化碳可以吸附在焦炭或火灾生成的碳黑上，也可以溶于水。,氮气浓度的变化趋势如果在封闭区中没有发生自热过程，氮气浓度的变化趋势与氧浓度的变化趋势相同。当有煤的自热发生，氮气浓度的变化趋势与氧浓度的变化趋势相反，氮气浓度增加，氧气浓度下
27、降。当出现明火时，氮气浓度保持在一稳定值或缓慢下降，而氧浓度下降很快。当有爆炸发生，氮气基本保持其在正常空气中浓度值，而氧浓度急剧下降。,氢气和其它碳氢化合物浓度的变化趋势氢气（H2），乙烯（C2H4），丙烯（C3H6），有时乙炔（C2H2）或丙烯（C4H8）随着煤温的升高，按顺序依次放出。在气样中依次检测到氢气，乙烯，丙烯和乙炔是自热发展的征兆；而当自热减弱时，上述气体依相反的次序消失。,5、封闭火区案例研究波兰“J-M”煤矿505/1 煤层44-Z1，Z2长壁工作面采矿地质条件复杂，采空区中遗煤较多。1998年2月在采空区中发现煤炭自燃征兆而停止开采。虽然采取了灭火措施，在44-Z1，Z2
28、工作面一氧化碳浓度仍然保持在0.0026%。用防火密闭墙TI-1，TI-2和TI-3将这个工作面从风网中隔离。密闭墙建好之后，对封闭区进行了均压。均压之后密闭墙上的压差如下：密闭墙 TI-1：p=-108 Pa,密闭墙 TI-2：p=+461 Pa,密闭墙 TI-3：p=+100 Pa。在对与封闭区相联的巷道进行空气动力学势能进行调节之后，密闭墙TI-1成为进风侧密闭墙，其他密闭墙成为回风侧密闭墙。从1998年2月21日至1998年4月22日从密闭墙后取气样。根据从密闭墙TI-1、TI-2和TI-3后所取气样的分析结果，作出火灾特征曲线，如图3、图4和图5所示。,图3 根据从密闭墙TI-1所取气样作出的火灾特征图,图4 根据从密闭墙TI-2所取气样作出的火灾特征图,图5 根据从密闭墙TI-3所取气样作出的火灾特征图,谢谢,
