兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層自然發(fā)火防治技術(shù)

1、兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層自然發(fā)火防治技術(shù) 我國煤層自然發(fā)火情況嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)國有重點(diǎn)煤礦中大約有 56% 的礦井存在煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，而特厚煤層開采自然發(fā)火更為嚴(yán)重。 近年來，隨著我國特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的試驗(yàn)和推廣，煤炭的產(chǎn) 量和效益大幅度提高，日產(chǎn)原煤高達(dá) 1.0 1.6 萬 t ，日產(chǎn)值達(dá) 200多 萬元，工作面設(shè)備投資在 40005000萬元，年產(chǎn) 500萬 t 的礦井基本 上可實(shí)現(xiàn)一礦一面，確保工作面安全生產(chǎn)顯得尤為重要。但這種采煤 法的開采強(qiáng)度大、采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重，隨之 出現(xiàn)了難以解決的火災(zāi)、瓦斯、粉塵等一系列問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤 礦有 50%以上的綜采

2、放頂煤工作面存在著自然發(fā)火危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅著礦 井的安全生產(chǎn)。因此，防滅火技術(shù)的研究工作也是綜放工作面安全生 產(chǎn)的關(guān)鍵之一。1、我國煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況1.1 防滅火技術(shù)20世紀(jì) 50 年代我國開始研究并在煤礦推廣黃泥灌漿防滅火技 術(shù)， 60-70 年代研究阻化劑防火、均壓通風(fēng)、高倍數(shù)泡沫滅火等技術(shù)， 8090 年代研究礦井自然發(fā)火預(yù)測系統(tǒng)、惰氣防滅火、快速高效堵漏 風(fēng)、帶式輸送機(jī)火災(zāi)防治等技術(shù)，并逐步形成適應(yīng)普通采煤法和高產(chǎn) 高效采煤法的綜合防滅火技術(shù)。目前我國煤礦煤層開采時(shí)期采用的火 災(zāi)防治技術(shù)措施，從總體上說有惰化、阻燃、堵漏、降溫及其綜合防 治技術(shù)，共同發(fā)揮作用來實(shí)現(xiàn)防滅火的目的。1

3、.1.1 惰化防滅火技術(shù) 惰化技術(shù)主要是指將惰性氣體送入擬處理區(qū)，抑制煤自燃的技 術(shù)。主要用在當(dāng)發(fā)生外因火災(zāi)或因煤自燃火災(zāi)而導(dǎo)致的封閉區(qū)。我國 研制了燃油型 DQ150、DQ1000 型惰氣發(fā)生裝置，裝備了我國煤礦 救護(hù)隊(duì)，成為滅火救災(zāi)的重要設(shè)備。此外還研制了 BGP200 型高倍發(fā) 泡機(jī)以及 YZWP 180 型惰泡發(fā)生裝置。近年來，注氮防滅火技術(shù)已在我國煤礦迅速推廣應(yīng)用。除部分煤 礦用深冷固定制氮機(jī)組和管輸下井注氮系統(tǒng)外，有些礦井開始裝備近 年來新研制的地面移動式碳分子篩變壓吸附制氮機(jī)組（ BxND500 型、 KYZD800 型）、井下移動變壓吸附制氮機(jī)組（ JxZD 400） 、膜分離

4、制 氮機(jī)組（ KMDS 600 型）等。由束管監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測測定，確定采空 區(qū)氧化、自燃、窒息三帶寬度后，用埋管或打鉆向采空區(qū)自燃帶連續(xù) 注氮，惰化自燃帶，達(dá)到防火的目的。在撲滅巷道火災(zāi)中，建臨時(shí)密 閉后，向封閉區(qū)注氮?dú)?，使火區(qū)氣體氧濃度降至 10%以下可滅明火，降 至 1 2%可快速滅火，燃燒深度大的火源，注氮量應(yīng)達(dá)到火區(qū)體積的 2 3 倍。1.1.2 阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù) 阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù)主要是指將一些阻燃物質(zhì)送入擬處理區(qū)，從 而達(dá)到防滅火目的。除已作為常規(guī)防滅火措施使用的黃泥漿外，近年 來發(fā)展起來的有粉煤灰、頁巖泥漿、選煤廠尾礦漿、阻化劑和阻化泥 漿等，已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。1.1.3

5、 堵漏風(fēng)防滅火技術(shù) 工作面推過后，及時(shí)封閉和采空區(qū)相連通的巷道、無煤柱工作面 順槽巷旁充填隔離帶、隔離煤柱裂隙注漿堵漏風(fēng)等均屬于堵漏風(fēng)防滅 火。我國近年研究了雙料型高水速凝充填料和液壓快速注漿設(shè)備，并 進(jìn)行了無煤柱工作面順槽巷旁充填隔離帶的試驗(yàn)，已獲成功。還研制 了 KBJ 一 100/5,KBJ 一 50/3 型速凝粉煤灰漿設(shè)備和注漿工藝，灰漿輸 送距離達(dá)800m用于構(gòu)筑永久密閉、煤壁裂隙、巷道高冒區(qū)灌注、膠 結(jié)等作業(yè)。該設(shè)備和材料還可用于快速構(gòu)筑密閉。1.1.4 災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定、控制及救災(zāi)指揮技術(shù) 我國研究火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定性和風(fēng)流控制還處于建立物理數(shù)學(xué)模 式進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)路解算和災(zāi)變風(fēng)流模擬

6、的階段，未達(dá)到實(shí)用化階段。近 年來還開展了救災(zāi)專家系統(tǒng)的研究，試圖將眾多防滅火專家的技術(shù)經(jīng) 驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件形成人工智能，組成救災(zāi)專家決策系統(tǒng)，以便在各 火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速選擇救災(zāi)方案，避免人為因素的片面性。由于該研究 的工作量大、難度大，還沒有正規(guī)產(chǎn)品間世。自動防火監(jiān)控風(fēng)門、自 控防火水幕也是開發(fā)研究的內(nèi)容，已達(dá)實(shí)用化階段。 1.2.1 煤自然發(fā)火 危險(xiǎn)性的判定20世紀(jì) 80年代前，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的判定沿用前蘇聯(lián)的著火 溫度法鑒定煤自然發(fā)火傾向，其結(jié)果和開采后證實(shí)的情況基本相符， 但對于高硫煤差異較大。近年來，研究色譜動態(tài)吸氧法測定吸氧量和吸氧速度，判定自然 發(fā)火傾向，并研制了 ZRJ1 型色

7、譜自燃性測定儀，在煤礦已推廣使 用。在研究煤的自然發(fā)火期及其影響因素中，近年來采用了 2 種技術(shù) 途徑：一是用煤堆實(shí)驗(yàn)裝置在模擬條件下測定并解算發(fā)火期；二是測 定煤的吸氧速度、氧化反應(yīng)速度，以熱傳導(dǎo)及熱平衡原理推算最短自 然發(fā)火期，并結(jié)合地質(zhì)、開采、通風(fēng)等影響因素的修正系數(shù)確定煤的 發(fā)火期。1.2.2 自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)(1) 預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)過去礦井火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)主要采用 co但最新研究表明co已 不是在任何情況下都可作為惟一的和最靈敏可靠的判別煤自燃火災(zāi)的 指標(biāo)。最新的研究結(jié)果為：使用 CO C2H4及C2H23個(gè)指標(biāo)，綜合地將 煤自然發(fā)火分為3個(gè)階段：礦井風(fēng)流中出現(xiàn)10-6級CO時(shí)的緩慢氧

8、化階段；出現(xiàn)10-6級CO和C2H4時(shí)的加速氧化階段；出現(xiàn)10-6 級CO C2H4和C2H2的激烈氧化階段，此時(shí)即將出現(xiàn)明火。應(yīng)用這 3 個(gè)指標(biāo)，不僅可預(yù)測火災(zāi)，而且還可判別其階段，據(jù)此而采取不同的 防滅火技術(shù)措施。本項(xiàng)技術(shù)已在較多礦井中得到應(yīng)用，但對不同的煤 層必須分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選其指標(biāo)的具體應(yīng)用值，才能正確地應(yīng) 用該項(xiàng)技術(shù)。(2) 預(yù)測預(yù)報(bào)手段預(yù)報(bào)自然發(fā)火的手段，在 20世紀(jì) 70年代前是用井下人工采氣 樣、地面儀器分析，并結(jié)合溫度檢測和人的感知來判斷發(fā)火危險(xiǎn)性。 80年代煤礦普及氣相色譜分析方法，并研究應(yīng)用束管監(jiān)測系統(tǒng)抽吸井 下氣體、地面集中分析、微機(jī)自動數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)自然發(fā)火。

9、束管監(jiān) 測系統(tǒng)已成為工作面自然發(fā)火預(yù)報(bào)和采空區(qū)注氮防火的主要監(jiān)測手 段。1.2.3 外因火災(zāi)檢測系統(tǒng) 我國煤礦近年曾發(fā)生膠帶輸送機(jī)或機(jī)電硐室火災(zāi)，并造成重大經(jīng) 濟(jì)損失或人員重大傷亡。為此，近年相繼開發(fā)出幾種裝置和儀器設(shè) 備，如煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開發(fā)的 KHJ1 型礦井火災(zāi)監(jiān)控 系統(tǒng)及自動滅火裝置以及 MPN 1A型膠帶輸送機(jī)自動滅火裝置，它們 由速差、溫度、煙霧、紫外線、熱敏電纜等 5 種傳感器和電源控制箱 聯(lián)接，控制箱由單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制、智能判斷、控制噴灑泡沫或 水噴霧滅火，為我國煤礦外因火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)及防治增添了新的手段 和能力。這些系統(tǒng)都是我國自己研制開發(fā)的產(chǎn)品，適應(yīng)我國的

10、具體情 況，可供有關(guān)礦井選用。2、煤層自然發(fā)火機(jī)理2.1 煤體自燃的起因和過程煤自燃的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的動態(tài)變化的物理化學(xué)過 程，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)緩慢地自動放熱升溫最后引起燃燒的過程。該過 程的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是熱量的自發(fā)產(chǎn)生；二是熱量的逐漸積聚。導(dǎo)致煤在常溫下產(chǎn)生熱量的因素很多，如水對煤的潤濕熱、煤分 子的水解熱、煤中含硫礦物質(zhì)水解及氧化熱、煤中細(xì)菌作用放出的熱 量、煤對氧的物理吸附熱、煤對氧的化學(xué)吸附熱以及煤與氧的化學(xué)反 應(yīng)熱等等。這些因素對于煤體自發(fā)產(chǎn)生熱量都起著一定的積極作用， 在某些條件下甚至是決定性的作用。但大量的研究工作發(fā)現(xiàn)煤的自燃 主要是由煤氧復(fù)合作用放出熱量而引起，煤與空

11、氣接觸后首先發(fā)生煤 體對氧的物理吸附，之后又發(fā)生煤氧化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)致煤體自燃除熱量的自發(fā)產(chǎn)生之外，另一關(guān)鍵要素就是自發(fā)產(chǎn) 生的熱量被逐漸積聚。煤體自燃所需熱量的積聚不但與煤氧復(fù)合作用 放出熱量有關(guān)，還與煤體的散熱條件有關(guān)。實(shí)際條件下，煤體的放熱 與煤體表面活性結(jié)構(gòu)種類和數(shù)量、煤體的溫度、氧氣濃度等因素有 關(guān)；自燃煤體的散熱條件則主要包括煤體的空隙率、漏風(fēng)強(qiáng)度以及周 圍環(huán)境的溫度等。當(dāng)煤體的放熱量大于煤體的散熱量時(shí)，煤體熱量被 積聚，煤體溫度上升；當(dāng)煤體放熱量小于散熱量時(shí)，則煤體溫度保持 穩(wěn)定。煤體熱量積聚過程，也就是煤體自然的發(fā)展過程，而自燃正是 煤體放熱與散熱這對矛盾運(yùn)動發(fā)展過程的結(jié)

12、果之一。綜上所述，煤自然發(fā)火主要是由空氣滲透進(jìn)入松散煤體，空氣中 的氧與煤分子表面的活性結(jié)構(gòu)接觸，發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附及化學(xué) 反應(yīng)，同時(shí)放出熱量，在一定的蓄熱環(huán)境下，煤體不斷地氧化、放 熱、升溫，當(dāng)煤溫超過臨界溫度后，煤體繼續(xù)升溫，達(dá)到煤的著火點(diǎn) 溫度，最終導(dǎo)致煤體燃燒。巷道在掘進(jìn)過程中，煤體暴露于新鮮空氣中，在采動壓力作用下 受壓而破碎、離層，風(fēng)流在各種動力作用下滲透進(jìn)入煤體，使煤體氧 化放熱。當(dāng)煤體放熱速率大于周圍環(huán)境散熱速率時(shí)，引起升溫，最后 導(dǎo)致自燃。由于巷道煤層所處位置、松散煤體堆積形態(tài)、漏風(fēng)動力、 散熱條件等與一般煤層不同，具有自己的特性，尤其是綜放無煤柱開 采。因此，巷道煤層自

13、燃除了具有一般煤層自燃的共性之外，還有自 己的特性。2.2 煤層自燃特點(diǎn)2.2.1 由于受煤礦開采條件及采煤工藝的限制，工作面布置走向 長度大，上千米煤巷采用綜掘一次完成，因而巷道煤體暴露于空氣的 時(shí)間較長，一般均超過煤層最短自然發(fā)火期。2.2.2 巷道內(nèi)因火災(zāi)大多起始于距巷道表面一定深度的中部。在 采動壓力的作用下，暴露面處的煤體破碎程度較大，漏風(fēng)阻力小，漏 風(fēng)強(qiáng)度較大，超過引起煤自燃的上限漏風(fēng)強(qiáng)度，熱量不能積聚，無法 形成自熱高溫點(diǎn)；離暴露面較遠(yuǎn)的深部煤體，由于漏風(fēng)通道不暢通， 漏風(fēng)阻力較大，氧氣滲透到該處時(shí)濃度已很小，低于煤自燃的下限氧 濃度，處于窒息狀態(tài)，亦無法形成自熱高溫點(diǎn)；而在距暴

14、露面一定深 度的中部，漏風(fēng)強(qiáng)度適中，風(fēng)流速度慢，氧氣濃度適宜，最容易滿足 煤自燃的條件而形成自熱高溫點(diǎn)。2.2.3 煤體導(dǎo)熱性差，火源隱蔽，往往是在發(fā)現(xiàn)巷道煤體表面溫 度異常時(shí)，內(nèi)部火勢已形成。自燃火源點(diǎn)逆著風(fēng)流方向發(fā)展，有害氣 體順著風(fēng)流方向流動，有時(shí)只見有毒有害氣體而不見明火，使尋找火 源點(diǎn)的工作非常困難。 2.2.4 巷道外因火災(zāi)，火勢發(fā)展迅猛，很快就會 形成大火，但只要氧濃度小于 12火勢就熄滅。在發(fā)火初期只有著火 處煤溫很高，由于煤（巖）體導(dǎo)熱性差，周圍煤（巖）體的溫度升高 緩慢，煤體的熱容量小，因此出現(xiàn)外因火災(zāi)初期，火勢易于撲滅。巷 道松散煤體自燃火災(zāi)則不同，它是煤氧結(jié)合放出熱量引

15、起自然升溫而 形成的火災(zāi)，由于煤體的長期氧化，逐漸地向周圍煤（巖）體散熱， 同時(shí)自身熱量也逐漸積聚，煤（巖）體溫度升高，儲存了很大的熱 能，火源點(diǎn)周圍煤（巖）體的溫度很高，欲降低如此大范圍高溫煤 （巖）體的溫度難度很大，且易使暫時(shí)撲滅的火災(zāi)復(fù)燃。2.2.5 井下巷道屬于半封閉空間，煤自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體和 滅火時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣等只能朝一個(gè)方向移動，救災(zāi)人員工作空間回旋 余地小，給救災(zāi)人員帶來很大威脅。2.2.6 厚煤層綜放開采順槽沿底板掘進(jìn)，巷道頂煤自然發(fā)火較 多，火源位置高。頂煤受礦壓和采動影響，易破碎離層；有些煤層煤 質(zhì)松軟，掘進(jìn)過程中時(shí)常冒頂形成空洞區(qū)；有的上分層已采，下分層 采用綜采放

16、頂煤技術(shù)，由于煤層起伏變化、中間煤層破碎等原因，使 綜放順槽與頂部采空區(qū)連通。2.2.7 無煤柱開采留小煤皮的沿空巷道與鄰近層采空區(qū)連通，火 源沿巷道頂板及沿空側(cè)（或頂部）采空區(qū)發(fā)展迅速，火勢控制困難。2.2.8 兩道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長時(shí)間的氧化升溫，由于 端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區(qū)后，產(chǎn)生 5-8m寬的丟煤帶， 采空區(qū)這 2 條遺煤帶相對其他地點(diǎn)溫度更高，自然發(fā)火期縮短；當(dāng)接 近停采線時(shí)，為了撤架而不放頂煤，使得采空區(qū)形成較大面積懸空， 且留有大量浮煤，而撤架時(shí)間又較長，使自燃性增強(qiáng)。當(dāng)相鄰綜放面 沿空送巷和回采時(shí)，由于一次采落煤層厚度大，采動影響范圍廣，相 應(yīng)漏風(fēng)量增加，容易引起巷道自燃火災(zāi)。2.2.9 巷道自然發(fā)火主要發(fā)生在巷道高冒區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、煤體 破碎帶、裂隙發(fā)育之處，以及巷道有突變的區(qū)域（巷道變形、起伏、 擴(kuò)大、縮小、轉(zhuǎn)彎、分叉、匯合及巷道內(nèi)安設(shè)風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)嶂、堆 放雜物等）。這些區(qū)域漏風(fēng)強(qiáng)度變化較