矿井火灾防治.doc
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1、第二章 矿井火灾防治矿井火灾一旦发生,轻则影响安全生产,重则烧毁煤炭资源和物资设备,造成人员伤亡,甚至引发瓦斯、煤尘爆炸。我国是一个矿井火灾灾害较严重的国家,据2000 年全国425 对国有煤矿的不完全资料统计,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3080 Mt ,冻结煤量4217 Mt ,发火率为0.318 次Mt 。本章在介绍矿井火灾有关基本概念和发火原因的基础上,重点介绍矿井火灾防灭火技术及矿井火灾的处理。第一节 基本概念和理论概述凡是发生在矿井井下或地面,威胁到井下安全生产,造成损失的非控制燃烧均称为矿井火灾。如地面井口房、
2、通风机房失火或井下输送带着火、煤炭自燃等都是非控制燃烧,均属矿井火灾。一、矿井火灾发生的基本要素和所有的物质燃烧一样,导致矿井火灾发生的3个基本要素为:热源、可燃物和空气。(1)热源。具有一定温度和足够热量的热源才能引起火灾。煤的自燃、瓦斯或煤尘爆炸、放炮作业、机械摩擦、电流短路、吸烟、电(气)焊以及其他明火等都可能成为引火的热源。(2)可燃物。煤本身就是一种普遍存在的大量的可燃物。另外,坑木、各类机电设备、各种油料、炸药等都具有可燃性。(3)空气。燃烧就是剧烈的氧化现象。实验证明,在氧浓度为3的空气环境里,燃烧不能维持;空气中的氧浓度在12以下,瓦斯就失去爆炸性;空气中氧浓度在14以下,蜡烛
3、就要熄灭。火灾的3个要素必须同时存在,且达到一定的数量,才能引起矿井火灾,缺少任何一个要素,矿井火灾就不可能发生。二、矿并火灾的分类(1)根据不同引火热源,矿井火灾可分为外因火灾和内因火灾。外因火灾是由于外部热源引起的火灾。煤矿常见的外部热源有电能热源、摩擦热、各种明火(如液压联轴器喷油着火、吸烟、焊接火花)等,多发生在井筒、井底车场、石门及其他有机电设备的巷道内。内因火灾是由于煤炭等易燃物质在空气中氧化发热并积聚热量而引起的火灾。它不存在外部引燃的问题,因此,又称自燃火灾。自燃火灾多发生在采空区,特别是丢煤多而未封闭或封闭不严的采空区;巷道两侧煤柱内及煤巷掘进冒高处等。(2)根据不同发火地点
4、,矿井火灾分为井筒火灾、巷道火灾、采煤工作面火灾、煤柱火灾、采空区火灾和硐室火灾。(3)根据不同燃烧物,矿井火灾可分为机电设备火灾、火药燃烧火灾、油料火灾、坑木火灾、瓦斯燃烧火灾和煤炭自燃火灾。三、煤炭自燃发火1. 煤的氧化自燃过程煤炭自燃发火的原因,目前比较普遍的看法是煤氧复合作用学说的主要观点:即煤在常温下吸收了空气中的氧气,产生低温氧化,释放微量的热量和初级氧化产物;由于散热不良,热量聚积,温度上升,促进了低温氧化作用的进程,最终导致自燃发火。其过程如图图2-1-1所示。煤炭自燃一般要经过3个时期:图2-1-1 煤自燃发展过程示意图(1)潜伏期。煤暴露于空气中后,由于其表面具有较强的吸附
5、氧的能力,会在煤的表面形成氧气吸附层,煤与氧相互作用形成过氧络合物。此期间煤的氧化处于缓慢状态,生成的热量及煤温的变化都微乎其微,吸附了氧的煤重量略有增加,煤被活化,煤的着火温度降低。通常把这个阶段称为潜伏期。(2)自热期。经过潜伏期后,被活化了的煤能更快地吸附氧气,氧化速度加快,氧化产生的热量较大,如果不能及时散发,则煤的温度逐渐升高,这就是煤的自热期。当煤的温度超过自热的临界温度T1( 60800C)时,煤的吸氧能力会自动加速,导致煤氧化过程急剧加速,煤温上升急剧加快,开始出现煤的干馏,生成CO、C02、H2、烃类气体和芳香族碳氢化合物等可燃气体。在此阶段内使用常规的检测仪表能够测量出来,
6、甚至于被人的感官所察觉。通常把这个阶段称为自热期。(3)自燃。当自热期的发展使煤温上升到着火点温度Tj时,即引发煤炭自燃而进入燃烧期。此时会出现明显的着火现象(如明火,烟雾,产生CO、CO2及其它可燃气体),并会出现特殊的火灾气味(如煤油味、松节油味或煤焦油味)。着火后,火源中心的温度可达10001200。煤的着火温度因煤种不同而异,无烟煤为400 左右,烟煤为320380,褐煤为210350 。如果煤温不能上升到临界温度T1 ,或上升到这一温度后由于外界条件的变化煤温又降了下来,则煤的增温过程就自行放慢而进入冷却阶段,并继续氧化至惰性的风化状态,如图2-1-1虚线所示。在矿井防灭火规范中规定
7、出现下列现象之一,即为自燃发火。 煤因自燃出现明火、火炭或烟雾等现象; 由于煤炭自热而使煤体、围岩或空气温度升高至70 以上; 由于煤炭自热而分解出CO、C2H4或其它指标气体,在空气中的浓度超过预报指标,并呈逐渐上升趋势。2煤炭自燃的条件从煤的氧化自燃过程可以看出,煤炭自燃必须具备以下三个条件: (1)煤炭具有自燃的倾向性,并呈破碎状态堆积存在;(2)连续的通风供氧维持煤的氧化过程不断地发展;(3)煤氧化生成的热量能大量蓄积,难以及时散失。第一条为煤的内部特性,它取决于成煤物质和成煤条件,表示煤与氧相互作用的能力。后两条为外因,决定于矿井的地质条件和开采技术条件。3煤的自燃发火期煤炭自燃发火
8、是一渐变过程,要经过潜伏期、自热期和燃烧期三个阶段,因此,具有自燃倾向性的煤层被揭露后,要经过一定的时间才会自燃发火。这一时间间隔叫做煤层的自燃发火期,是煤层自燃危险在时间上的量度。自燃发火期愈短的煤层,其自燃危险性愈大。从理论上讲,煤层的自燃发火期定义为:从发火地点的煤层被揭露(或与空气接触)之日起,至出现矿井防灭火规范中定义的有关现象之一,或温度上升到自燃点为止,所经历的时间叫煤层的自燃发火期,以月或天为单位。煤层最短自燃发火期是指在最有利于煤自热发展的条件下,煤炭自燃需要经过的时间。4影响煤炭自燃发火的因素煤炭自燃发火是一个复杂的物理化学过程,影响煤炭自燃发火的因素较多,概括起来主要有如
9、下几个方面:(1)煤的自燃倾向性煤的自燃倾向性是煤自燃的固有特性,是煤炭自燃的内在因素,属于煤的自燃属性。煤矿安全规程规定煤的自燃倾向性分为3 类:I类为容易自燃,II类为自燃,III类为不易自燃。新建矿井的所有煤层的自燃倾向性由地质勘探部门提供煤样和资料,送国家授权的相关单位做出鉴定。生产矿井延深新水平时,也必须对所有煤层的自燃倾向性进行鉴定。其目的是使防止煤层自燃的技术措施在煤层最短自燃发火期内完成,防止煤炭自燃。煤的自燃倾向性主要取决于以下几个方面:煤的变质程度。各种牌号的煤(即不同化学成分的煤)都有自燃发火的可能,一般认为煤的炭化程度越高、挥发分含量越低、灰分越大,其自燃倾向性越弱;反
10、之则越强。煤的孔隙率和脆性。煤的孔隙率越大,其吸附氧的能力也越大,因此孔隙率越大的煤越容易自燃。煤的脆性越大则越容易破碎,破碎后不但其接触氧的表面积大大增加,而且其着火温度明显降低,所以脆性越大的煤,越容易自燃发火。因此,在矿井里最易发生自燃火灾的地方都是煤体较为破碎与碎煤集中堆积的地点。煤岩成分。煤岩成分有丝炭、镜煤、亮煤和暗煤,其中,丝炭结构松散、吸氧能力强、着火温度低(190270),是煤自热的中心,在自燃中起“引火物”的作用;镜煤和亮煤脆性大,易破碎,有利于煤炭自燃;暗煤硬度大,难以自燃。煤的水分。实验表明:煤中水分少时有利于煤的自燃;若水分大时则会抑制煤的自燃,当煤中的水分蒸发后其自
11、燃危险性会增大。煤中硫和其他矿物质。煤中含有硫和其他催化剂,则会加速煤的氧化过程。统计资料表明,含硫大于3的煤层均为自燃发火的煤层,其中包括无烟煤。但当含硫量小于1 ,其对自燃的影响则不大。煤中的瓦斯含量。煤层孔隙内的瓦斯能够占据煤的孔隙空间和内表面,减少了煤的吸氧量;瓦斯逸出后,使煤炭氧化更为强烈,自燃危险性增加。(2)煤层的赋存地质条件煤层越厚与倾角。一般说来,煤层越厚,倾角越大,回采时会遗留大量浮煤和残煤;同时,煤层越厚,回采推进速度越慢,采区回采时间往往超过煤层的自燃发火期,而且不易封闭隔绝采空区,容易发生自燃火灾。据统计,80 的自燃火灾是发生在厚煤层的开采中。地质构造。断层、褶曲、
12、破碎带及岩浆侵入区等地质构造地带,煤层松软易碎、裂隙多,吸氧性强,也容易发生自燃火灾。煤层埋藏深度。煤层埋藏深度越大,煤体的原始温度越高,煤中所含水分则较少,自燃危险性较大;但开采深度过小时又容易形成与地表的裂隙沟通,也会在采空区中形成浮煤自燃。围岩的性质。煤层围岩的性质对煤炭自燃发火也有很大影响。如围岩坚硬、矿压显现大,容易压碎煤体,形成裂隙,而且坚硬的顶板冒落难以压实充填采空区;同时,冒落后有时会连通其他采区,甚至形成连通地面的裂隙;这些裂隙及难以压实充填的采空区使漏风无法杜绝,为煤炭自燃发火提供了充分的条件。(3)开拓系统开采有自燃发火危险的煤层时,开拓系统布置十分重要。有的矿井由于设计
13、不周,管理不善,造成矿井巷道系统十分复杂,通风阻力很大,而且主要巷道又都开掘在煤层中,切割煤体严重,裂隙多、漏风大。因而,造成煤层自燃发火频繁。而有的矿井,设计合理,管理科学,使矿井的通风系统简单适用,在多煤层(或分层)开采时,采用联合布置巷道,将集中巷道(运输、回风、上山、下山等)开掘在岩石中,同时减少联络巷数目,取消采区集中上山煤柱等,对防止煤炭自燃发火起到了积极作用。(4)采煤方法采煤方法对自燃发火的影响主要有回采时间的长短、采出率的高低、采空区的漏风状况以及近距离煤层同时开采时错距和相错时间等。合理的采煤方法应该是巷道布置简单、保证煤层切割与留设煤柱少、煤炭回收率高、工作面推进度快、采
14、空区漏风少。这样可使煤炭自燃的条件难于得到满足,降低自燃发火的可能性。(5)漏风条件只有向采空区不断的供氧,才能促使煤炭氧化自燃,即采空区漏风是煤炭自燃的必要条件。但是,当漏风风流过大时,氧化生成的热量可被风流带走,不会发展成为自燃火灾,所以,必须既有风流通过且风速又不太大时,煤炭才会自燃发火。采空区中、压碎的煤柱以及煤巷冒顶和垮帮等地点,往往具备这样的条件,因此这些地点容易发生自燃火灾。图2-1-2 采空区散热、自燃、窒息三带分布示意图对于“U”型通风系统的采空区,按漏风大小和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带:散热带I(宽度为Ll )、自燃带(宽度为L2)和窒息带(不自燃带)(如图2-1
15、-2)。靠近工作面的采空区内冒落岩石处于自由堆积状态,空隙度大,漏风大,氧化产生热量小而散发热量多,故不能发生自燃,叫散热带。其宽度大约520m 。自燃带中岩石的空隙度较小,因而漏风小,蓄热条件较好,如果该带的条件保持时间超过其自燃发火期,就可能自燃。故此带称为自燃带。其宽度取决于顶板岩性、工作面推进速度、漏风通风压差,一般宽度为2070m 。自燃带向采空区内部延伸,便是窒息带。由于该带距工作面较远,漏风甚小或消失,氧浓度低,不具备自燃条件。故此带处于惰化状态,已经发生自燃的遗煤也能窒息,故叫窒息(不自燃)带。设自燃带的最大宽度为Ll + L2,工作面的推进速度为,自燃发火期为S,在自燃带内煤
16、暴露于空气的最长时间为(月),当: S(Ll + L2)/ (2-1-1)说明自燃带内有LLl + L2S 宽度存在时间超过自燃发火期,有自燃危险。而采空区自燃带最大宽度取决于顶板管理。根据顶板的岩石冒落特点,采用与岩性相适应的顶板管理方法,减小Ll + L2之值,即可减小自燃发火的危险性。由此可见,采空区遗煤自燃与否主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度Ll + L2。另外,煤层群开采的顺序以及同采时的错距不合理会增大采空区自燃发火的危险性。有的学者通过研究引起煤炭自燃的风速值范围,认为风速为0.40.8m/min 时最容易引起自燃,并将其称为易自燃风速;另一些学者认为易自燃风速为0.1
17、00.24m/min 。对于采空区,有人认为当其单位面积上漏风量大于1.2m3/( min m2)或小于0.06m3(minm2) 时都不会自燃,最危险的漏风量是0.40.8m3/(minm2)。四、矿井火灾的危害矿井火灾的发生具有严重的危害性,主要表现在以下几个方面:(1)人员伤亡。当煤矿井下发生火灾以后,煤、坑木等可燃物质燃烧,释放出有害气体,此外,火灾诱发的爆炸事故还会对人员造成机械性伤害(冲击、碰撞、爆炸飞岩砸伤等)。(2)矿井生产接续紧张。井下火灾,尤其是发生在采空区或煤柱里的内因火灾、往往在短期内难以消灭。在这种情况下,一般都要采取封闭火区的处理方法,从而造成大量煤炭冻结,矿井生产
18、接续紧张。对于一矿一井一面的集约化生产矿井,这种封闭会造成全矿停产。我国“七五”期间前4年,累计火区240多处,冻结煤量超过70Mt 。(3)巨大的经济损失。有些矿井火灾火势发展很迅猛,往往会烧毁大量的采掘运输设备和器材,暂时没被烧毁的设备和器材,由于火区长时间封闭和灭火材料的腐蚀,也都可能部分或全部报废,造成巨大的经济损失。另外,白白烧掉的煤炭资源、矿井的停产都是巨大的经济损失。(4)污染环境。矿井火灾产生的大量有毒、有害气体,如CO 、CO2、SO2、烟尘等,会造成环境污染。特别是像新疆等地的煤层露头火灾由于火源面积大、燃烧深度深、火区温度高以及缺乏足够资金和先进的灭火技术,使得火灾长时间
19、不能熄灭,不但烧毁了大量的煤炭资源,还造成大气中有害气体严重超标,形成大范围的酸雨和温室效应。五、火风压火灾时高温烟流流过巷道所在的回路中的自然风压发生变化,这种因火灾而产生的自然风压变化量,在灾变通风中称之为火风压。1、火风压的计算方法在如图2-1-3 所示的模型化的通风系统中,在F点发火,由于火源下风侧3-4 风路的风温和空气成分发生变化,从而导致其密度减小,该回路产生火风压,根据火风压定义可得: HfZg(mamg) (2-1-2)式中 Hf火灾时1-2-3-4-1 回路的火风压,Pa;图2-1-3 Z1-2-3-4-1回路的高差,m ; ma、mg分别为3-4 分支火灾前后空气和烟气的
20、平均密度,kg/m3 。由式(2-1-2)可见,所谓火风压就是指烟流流经有高差巷道时,由于风流温度升高和空气成分变化等原因而引起该巷道位能差变化值。2、火风压的特性(l)火风压产生于烟流流过的有高差的倾斜或垂直巷道中;(2)火风压的作用相当于在高温烟流流过的风路上安设了一系列辅助通风机;(3)火风压的作用方向总是向上。因此,当其产生于上行风巷道时,作用方向与主要通风机风压相同;产生于下行风巷道时与主要通风机风压作用方向相反,成为通风阻力,称之为负火风压。火风压的大小和方向取决于:烟气流过巷道的高度、通过火源的风量、巷道倾角、火源温度和火源产生的位置。3、风流的紊乱形式火风压有可能导致矿井通风系
21、统风流紊乱。风流紊乱的形式主要有旁侧支路风流逆转、主干风路烟流逆退和火烟滚退三种形式。(1)旁侧支路风流逆转。当火势发展到一定的程度时,通风网路中与火源所在排烟主干风路相连的某些旁侧分支的风流可能出现与正常风向相反的流动,在灾变通风中把这种现象叫做旁侧支路风流的逆转。如图2-1-4(a)所示,设在2-4 分支内发生了火灾,正常情况下烟气将随风流通过4-5 , 5-6 分支排出地面。当火势发展到一定程度时,会使旁侧支路3-4 分支风流反向,烟流从主干风路流向旁侧风路侵入4-3 、3-5 分支(如图2-1-4(b)) ,从而扩大了事故的范围。图2-1-4 旁侧支路风流逆转图2-1-5 主干风路烟流
22、逆退(2)主干风路烟流逆退。如图2-1-5所示,在分支2-4 内的一点产生火源,若火势迅猛,烟气生成量大,火源下风侧排烟受阻,烟气一面沿主干风路的回风系统4-5-6 排出,另一方面充满巷道全断面逆着主干风路的进风流向2 节点,这种现象叫烟流逆退。当逆退的烟流达到2 节点后,将随旁侧分支2-3 、3-5 的风流侵袭更大的范围,从而使危害扩大。下行风或水平巷道中这种风流紊乱现象更为常见。图2-1-6 火烟滚退示意图(3)火烟滚退。在火源上风侧附近的巷道断面上出现两种不同的流向:即巷道上部烟气逆风流动,经过一定的距离后又与下部风流一起按原方向流动,如图2-1-6所示。烟气生成量越大、火源温度越高、巷
23、道风速越低,发生滚退的概率越大。烟气的滚退,往往是主干风路风流的逆退和旁侧支路逆转的前兆。当井下发生火灾时,应迅速了解火源的位置,根据燃烧物的分布、燃烧规模、火源温度、流经巷道的特征(是上行还是下行)、风量大小,估算火风压大小及其对通风系统的影响,以便采取有效措施,保证矿井通风网路中风流稳定。六、矿井火灾防治的技术途径(一)外因火灾防治的技术途径外因火灾是由外部火源引起的火灾。外因火灾的发生和发展都比较突然和迅猛,并伴有大量烟雾和有害气体,如处理不当或不得其法,贻误战机,还可能引爆瓦斯、煤尘,造成人员伤亡和财产损失。目前,我国煤矿中的外因火灾所占矿内火灾总数的比重虽然很小(4一10) ,但近几
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