大面積采空區(qū)煤炭自燃區(qū)域防治技術(shù)

1、論文題目：大面積采空區(qū)煤炭自燃區(qū)域防治技術(shù)作者姓名： 樊 海 艷入學(xué)時(shí)間：2005 年 9 月專業(yè)名稱：安全技術(shù)及工程 研究方向：災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治指導(dǎo)教師： 尹 增 德職稱：副 教 授論文提交日期：2008 年 6 月論文答辯日期：2008 年 6 月授予學(xué)位日期：1the region prevention technology of thecoal spontaneous combustionin the large goafa dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofmaster o

2、f philosophyfromshandong university of science and technologybyfan haiyansupervisor: associate professor yin zengdecollege of natural resources and environmental engineeringmay 2008聲明本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒(méi)有呈交于其它任何學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)作鑒定。碩士生簽名：日期：affirmationi declare that thi

3、s dissertation, submitted in fulfillment of the requirementsfor the award of master of philosophy in shandong university of science andtechnology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. thedocument has not been submitted for qualification at any other academicinstitute.signature:dat

4、e:山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘 要煤炭自燃火災(zāi)一直是我國(guó)煤礦的重大災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的現(xiàn)有煤礦中，國(guó)有重點(diǎn)煤礦 54.9%的礦井有自然發(fā)火危險(xiǎn)，煤礦的自燃火災(zāi)次數(shù)占火災(zāi)總數(shù)的 90%以上。煤炭自燃火災(zāi)給國(guó)家和礦井帶來(lái)了極大的危害及經(jīng)濟(jì)損失，除此，煤炭自燃不僅浪費(fèi)了煤炭資源，而且還給人類的生存環(huán)境、生態(tài)平衡帶來(lái)了極大的危害。本文從大面積采空區(qū)的自燃特點(diǎn)和規(guī)律入手，綜合分析和研究了大面積采空區(qū)的自燃特點(diǎn)和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)大面積采空區(qū)的流場(chǎng)分布和對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究，給出了采空區(qū)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，為科學(xué)地制定防滅火技術(shù)措施提供了必要的理論基礎(chǔ)；根據(jù)許廠煤

5、礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，綜合分析了影響煤炭自燃環(huán)境因素的作用規(guī)律，并對(duì)采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)與分級(jí)，對(duì)礦井的防滅火技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義；建立了礦井均壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的壓力變化狀況，并對(duì)有關(guān)測(cè)點(diǎn)的壓力均衡情況進(jìn)行分析判斷，進(jìn)而采用先進(jìn)科學(xué)的方法進(jìn)行了均壓調(diào)節(jié)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)選；結(jié)合許廠煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)條件和煤的自燃條件，將 c2h4、c2h6 作為標(biāo)志氣體主指標(biāo)，提高了煤炭預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的精度，從而快速、可靠的進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)；最后，通過(guò)建立安全可靠的礦井通風(fēng)系統(tǒng)、研制新型密封和凝膠、采用艾格勞尼快速堵漏泡沫密封防漏等有效措施，指導(dǎo)了許廠煤礦大面積采

6、空區(qū)煤炭自燃的區(qū)域防治工作，取得了良好的效果。關(guān)鍵詞：煤炭自燃，采空區(qū)，危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，區(qū)域防治i山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要abstractthe fire disaster caused by coal spontaneous combustion has been one of coal minesignificant disasters in our country. according to statistics, the number of state-owned keycoal mines which have the risk of spontaneous combusti

7、on is 54.9 percent; the number of firecaused by coal spontaneous combustion is more than 90 percent of the total. enormous harmand economic loss have been brought to the country and coal mine by fire caused by coalspontaneous combustion. in addition, not only has the coal resource been wasted by coa

8、lspontaneous combustion, but also humanitys living environment and ecological balance havebeen seriously destroyed.proceed from the characteristic and rule of coal spontaneous combustion in large goaf,distribution of flow field, corresponding temperature distribution and their rules along with thech

9、ange of time have been researched, the necessary theoretical foundation has given toprovide essential rationale scientifically for fire prevention by the research. according to thecondition in situ of xuchang coal mine, influence factors action law of coal spontaneouscombustion has been researched b

10、y means of meta-analysis, quantitative assessment andclassification of the risk of coal spontaneous combustion in large goaf has beeen researched.the research is of great realistic instructive significance in coal mine preventing andextinguishing fire technology. dynamic monitoring system of mine pr

11、essure balancing hasbeen establish, pressure variation of ventilation system is real-time monitored, design andoptimization of pressure balancing regulation scheme has been researched thought judgmentof pressure balancing situation of the measuring points concerned. c2h4,c2h6 have been beingthe main

12、 index of sign gas combined with field condition and of xuchang coal mine, precisionof the predication and forecast of coal spontaneous combustion has been improved so as tosecurity monitoring and forecasting has been implemented fastly and reliably. finally, regionprevention and control of coal spo

13、ntaneous combustion in large goaf in xuchang coal minehas been guided thought establishment of safe, reliable ventilation system and using new seal,gel, aigelaoni rapid plugging bubble and other effective measures, and good results have beenachieved.keywords: coal spontaneous combustion, goaf, hazar

14、d assessment, predication andforecast, region preventionii山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目 錄1 緒 論11.1 課題的提出 11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3 研究的主要內(nèi)容 81.4 技術(shù)路線及研究方法81 . 5 創(chuàng)新點(diǎn) 92 大面積采空區(qū)的漏風(fēng)數(shù)學(xué)模型102.1 采空區(qū)松散煤體的空氣動(dòng)力學(xué)特性102.2 采空區(qū)松散煤體的能量方程式102.3 本章小結(jié)243 大面積采空區(qū)煤炭自燃的影響因素與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)253.1 大面積采空區(qū)的自燃環(huán)境253.2 煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法303.3 本章小結(jié)354 大面積采空區(qū)煤炭自燃的均壓控制技術(shù)3

15、64.1 壓能的計(jì)算374.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)384.3 調(diào)壓方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)選384.4 軟件研制404.5 均壓通風(fēng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用414.6 本章小結(jié)465 大面積采空區(qū)煤炭自燃的早期預(yù)測(cè)方法研究475.1 指標(biāo)氣體的確定475.2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要功能535.3 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果54i山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄5.4 本章小結(jié)556 大面積采空區(qū)煤炭自燃的綜合防治技術(shù)體系566.1 建立安全可靠、穩(wěn)定合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)566.2 阻化劑防火技術(shù)576.3 新型凝膠阻化劑586.4 采后注漿596.5 注氮防火技術(shù)626.6 組合式結(jié)構(gòu)密閉墻636.7 停采線堵漏防滅火656.8

16、 本章小結(jié)667 結(jié) 論67附 件68致 謝 69參考文獻(xiàn)70ii山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄contents1 introduction11.1 the background of the research11.2 the development of this research field21.3 the contents of the study81.4 the study methods 81.5 innovative points 92 mathematical model of air leakage in large goaf102.1 aerodynamics characte

17、ristic of loose coal in large goaf102.2 energy equation of loose coal in large goaf112.3 discussion243 influencing factors and risk evaluation of coal spontaneous combustion inlarge goaf253.1 coal spontaneous combustion environment in large goaf253.2 risk quantitative evaluation methodology of coal

18、spontaneous combustion303.3 discussion354 pressure balancing technology in controlling coal spontaneouscombustion in large goaf364.1 calculating pressure energy374.2 overall design of monitoring system384.3 designing and optimization of pressure balancing regulation scheme384.4 development of softwa

19、re404.5 the application of dynamic monitoring system of pressure balancingventilation414.6 discussion465 studies on early prediction of coal spontaneous combustion in largegoaf47iii12山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄5.1 determination of index gases475.2 the main functions of prediction system535.3 the application of k

20、ss-200-type tube bundle monitoring system545.4 discussion556 integrated control system of coal spontaneous combustion in largegoaf566.1 the establishment of safe and reliable, stable and reasonable system566.2 fire prevention technology of inhibitor576.3 new type of gel resistance agent586.4 groutin

21、g after mining596.5 nitrogen injection against fire626.6 combinating structure closed wall636.7 fire control at stop line of plugging656.8 discussion667 conclusion67accessories68thanks69reference documents70iv山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論1 緒 論1.1 課題的提出煤炭自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象，也是煤礦井下最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，這種現(xiàn)象已經(jīng)存在了數(shù)百萬(wàn)年。在我國(guó)，煤炭自然發(fā)火不僅在正

22、在開采的礦井中普遍存在，在尚未開采的煤田也相當(dāng)嚴(yán)重。礦井火災(zāi)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)威脅很大，除造成礦井設(shè)備和煤炭資源的巨大破壞和損失外，還嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，甚至引起瓦斯、煤塵爆炸釀成重大惡性傷亡事故。我國(guó)大約有 56%的礦井開采易自燃煤層，百萬(wàn)噸發(fā)火率近年雖有下降，但仍居高不下，達(dá) 1%強(qiáng)，與世界幾個(gè)主要產(chǎn)煤國(guó)家相比，差距還很大。西北五省的 13 個(gè)礦區(qū)和陜北的神府煤田自燃隱患都很突出，每年發(fā)火次數(shù)不下幾十次。據(jù) 1996 年統(tǒng)計(jì)，國(guó)有礦井全年自然發(fā)火 548 次，至年底仍存火區(qū) 255處，凍結(jié)煤量 4000 萬(wàn)，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò) 50 億元1。隨著厚煤層放頂煤開采技術(shù)的推廣，煤

23、層自燃事故亦呈上升趨勢(shì)。因此，火災(zāi)防治工作依然是煤炭企業(yè)的一項(xiàng)常抓不懈、重要而艱巨的任務(wù)。近幾十年來(lái)，為了解決煤炭自燃問(wèn)題，我國(guó)煤礦安全工作者以及煤炭企業(yè)圍繞著自燃相繼開展了許多技術(shù)攻關(guān)，無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐上都取得了豐碩的成果。但迄今為止，仍存在著一些明顯缺陷，即各項(xiàng)措施尚處于單項(xiàng)階段，沒(méi)有用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來(lái)看待煤炭自燃的問(wèn)題，沒(méi)有用系統(tǒng)工程的方法來(lái)分析自燃問(wèn)題，在各項(xiàng)措施與煤礦現(xiàn)場(chǎng)的具體應(yīng)用相結(jié)合方面，適應(yīng)性還比較差。煤炭自燃防治是一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、巷道布置、防火技術(shù)和管理均是系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，各部分相互促進(jìn)，共同實(shí)現(xiàn)煤炭自燃防治。任何割裂這些組成部分的做法，都會(huì)對(duì)煤炭自燃防

24、治帶來(lái)隱患，以至于影響煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人員傷亡。另外各組成部分又構(gòu)成一個(gè)個(gè)分系統(tǒng)，有其內(nèi)在規(guī)律性，必須用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，對(duì)其中每一個(gè)部分進(jìn)行深入研究，找出規(guī)律并進(jìn)行綜合，從而保證煤炭自燃防治做到技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理。據(jù) 2002 年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)綜放工作面自燃火災(zāi)發(fā)生率已達(dá) 82.7%，其中采空區(qū)火災(zāi)占 36.3%，巷道火災(zāi)占 63.7%2。因此煤炭自燃的防治已成為制約綜放開采和實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的關(guān)鍵問(wèn)題之一。所以，本課題的提出具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 煤炭自燃機(jī)理學(xué)說(shuō)（1）自然發(fā)火細(xì)菌導(dǎo)因?qū)W說(shuō)細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)主要認(rèn)為煤

25、炭自燃是細(xì)菌的作用。波特爾經(jīng)研究認(rèn)為，酵母菌的發(fā)酵作用在煤的自燃過(guò)程中起著決定性的作用。哈爾丹等人認(rèn)為，細(xì)菌的作用不在于它本身，而在于它接觸煤炭后將產(chǎn)生一些易于氧化的化合物，它們與氧接觸放出大量的熱使煤升溫而自燃。細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)，在實(shí)踐中也遇到了很多矛盾，使它很難為人們所信服。例如放在真空中溫度 100以下的煤炭，經(jīng)過(guò) 20h，所有的細(xì)菌都會(huì)死掉，它的自燃傾向性與加熱前完全相同，因此，這一學(xué)說(shuō)沒(méi)有被人們所承認(rèn)。自然發(fā)火黃鐵礦導(dǎo)因?qū)W說(shuō)這種學(xué)說(shuō)把煤的自燃主要?dú)w因于黃鐵礦的作用，此學(xué)說(shuō)認(rèn)為，煤炭自熱是氧和水與煤中的黃鐵礦發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量后的結(jié)果，這種放熱反應(yīng)促使煤炭發(fā)熱，在適宜的條件下導(dǎo)致燃燒。但是，

26、黃鐵礦作用學(xué)說(shuō)在煤炭自燃學(xué)說(shuō)發(fā)展的過(guò)程中不斷受到一些批評(píng)，因?yàn)椴擅旱膶?shí)踐和科學(xué)研究都說(shuō)明，發(fā)生自燃的煤炭并不完全含有黃鐵礦，不含黃鐵礦的煤照樣自燃。然而許多研究仍然說(shuō)明，煤中含有黃鐵礦，尤其是其含量較大時(shí)，將有助于煤自燃過(guò)程的發(fā)展，它起著催化劑的作用。（2）酚基導(dǎo)因?qū)W說(shuō)這一學(xué)說(shuō)的提出者弗金爾和特洛諾夫認(rèn)為，煤炭自熱是由于煤中含有不飽和酚基化合物激烈吸收大氣中的氧，同時(shí)放出熱量所引起的。但對(duì)于酚的產(chǎn)生，它與氧化合反應(yīng)的機(jī)理，尤其是這種反應(yīng)是否足以導(dǎo)致煤的自熱尚待進(jìn)一步研究和探討。（3）煤氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)這是目前比較為人們所認(rèn)可的煤炭自燃學(xué)說(shuō)。盡管不同學(xué)者對(duì)它有不同的解釋，但是都把煤自燃的原因歸結(jié)

27、于煤有吸氧的能力和與此相聯(lián)系的放熱作用。不同學(xué)者從不同角度對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了研究。當(dāng)前，煤氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)受到大多數(shù)學(xué)者的贊同，是現(xiàn)在最為流行的煤炭自燃機(jī)理的學(xué)說(shuō)。根據(jù)對(duì)煤炭自燃過(guò)程的分析以及生產(chǎn)實(shí)際表明，煤炭自燃的必須具備四個(gè)條件3：1）有自燃傾向性的煤2）有連續(xù)的供氧條件3）熱量易于積聚4）上述三個(gè)條件必須具有一定的時(shí)間2山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論上述四個(gè)條件缺一不可，前三個(gè)條件為煤炭自燃的必要條件，最后一個(gè)是充分條件。1.2.2 綜放采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律山東綜放工作面采空區(qū)及綜放順槽（或切眼）頂煤的發(fā)火次數(shù)統(tǒng)計(jì)表如表 1.1 所示，由表可以看出，綜放開采時(shí)煤層自然發(fā)火有以下規(guī)律：表 1.1

28、 綜放采空區(qū)發(fā)火次數(shù)及位置分布（單位：次）table1.1 the number and the location of ignition about the fully-mechanized gob（unit :number）與工作面回采關(guān)系采空區(qū)中部開切眼順槽聯(lián)絡(luò)巷溜煤眼 停采線總計(jì)本工作面相鄰已采工作面合計(jì)20120551232431215481251217156075（1）自然發(fā)火主要威脅仍然來(lái)自相鄰已采面，其中相鄰已采工作面自然發(fā)火占綜放工作面總發(fā)火次數(shù)的 92.1%，本工作面自然發(fā)火占 7.9%。相鄰已采工作面自然發(fā)火的重點(diǎn)部位在相鄰工作面的兩道、兩線、聯(lián)絡(luò)巷、溜煤眼等，其中，兩道

29、自然發(fā)火占鄰工作面總發(fā)火次數(shù)的 45.7%，開切眼和停采線占 28.6%，聯(lián)絡(luò)巷和溜煤眼占 25.7%。就綜放工作面本工作面而言，綜放開采時(shí)，采空區(qū)丟煤較多，對(duì)防火不利，但其采空區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分層開采時(shí)的一分層采空區(qū)基本相似，只是一次采全高時(shí)，采空區(qū)高度增加，致使采空區(qū)周邊風(fēng)阻進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致周邊漏風(fēng)強(qiáng)度有所增強(qiáng)。另外，由于增加了一道放煤工序，可能導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度減慢，這些因素將會(huì)導(dǎo)致綜放面本工作面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性較綜采分層開采時(shí)一分層本工作面采空區(qū)有所增加。但是只要綜放工作面保持一定的推進(jìn)速度，這種增加的危險(xiǎn)性就會(huì)降低，并很可能與綜采分層開采時(shí)本工作面自燃危險(xiǎn)性持平。這是由于綜放工作面本

30、工作面采空區(qū)與分層工作面采空區(qū)浮煤均屬初次氧化，其自燃所經(jīng)歷的過(guò)程相似，因此，漏風(fēng)強(qiáng)度變化對(duì)浮煤自燃的影響最終都體現(xiàn)在漏風(fēng)對(duì)浮煤的有效作用時(shí)間上，而這種情況下漏風(fēng)有效作用時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于工作面推進(jìn)速度，因此工作面推進(jìn)速度最終決定了綜放工作面本工作面采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度。據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料，在正常情況下，綜放工作面平均推進(jìn)度一般都在62173m 之間，而漏風(fēng)“三帶”之前兩帶（即散熱帶和可能自燃帶）寬度之和在 70151m 之間，因此，只要綜放工作面正常回采，自燃帶未及發(fā)火就已進(jìn)入窒熄帶，難以發(fā)火。即本工作面采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性相對(duì)較小。3山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論對(duì)于相鄰綜放工作面采空區(qū)，

31、綜放工作面一次采全高，消除了分層綜采時(shí)頂鄰采空區(qū)的發(fā)火威脅，僅存?zhèn)揉彶煽諈^(qū)的自燃可能性，但綜放開采時(shí)，漏風(fēng)作用于側(cè)鄰采空區(qū)的時(shí)間約為分層開采時(shí)漏風(fēng)作用于側(cè)鄰采空區(qū)時(shí)間的 1/31/2。因此，從氧化時(shí)間角度看，綜放開采時(shí)相鄰采空區(qū)（尤其是停采線）的自燃危險(xiǎn)性要比分層綜采時(shí)低。但是由于相鄰綜放工作面端頭、初次放頂前幾十米和停采前十余米不放頂煤或放出很少，較多的頂煤呈破碎狀堆積在采空區(qū)兩道和兩線，具有良好的氧化蓄熱條件，經(jīng)過(guò)初次氧化后，當(dāng)綜放工作面（尤其對(duì)無(wú)煤柱綜放面）準(zhǔn)備或回采時(shí)，煤柱壓裂破碎，引起漏風(fēng)供氧，當(dāng)巷道漏風(fēng)從堆積的浮煤穿過(guò)，相鄰工作面采空區(qū)浮煤極易發(fā)生自燃。因此，相鄰采空區(qū)發(fā)火的重點(diǎn)部

32、位為相鄰工作面的兩道兩線、聯(lián)絡(luò)巷以及溜煤眼等廢棄硐室。（2）本工作面順槽、切眼和停采線自燃危險(xiǎn)性較大，礦區(qū)綜放開采本工作面總發(fā)火次數(shù) 31 次，其中本工作面順槽自然發(fā)火占 74.19%，切眼和停采線發(fā)火占 22.58%。綜放工作面巷道沿煤層底板掘進(jìn)，通常頂部留有幾米厚（一般大于 3m）的頂煤，在掘進(jìn)動(dòng)壓及相鄰采煤工作面回采動(dòng)壓影響下，頂煤受壓而破碎、離層，區(qū)段煤柱也被壓酥；在掘進(jìn)過(guò)程中還經(jīng)常出現(xiàn)頂煤冒落，支護(hù)后，在棚網(wǎng)上堆積了一定量的松散浮煤；遇地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，巷道煤體十分破碎。若不采取有效措施，在巷道漏風(fēng)供氧條件下，巷道煤體（尤其是頂煤）極易發(fā)生自燃。綜放工作面的開切眼斷面大，受礦壓影響易壓裂破

33、碎，存在漏風(fēng)供氧；綜采設(shè)備安裝時(shí)，供風(fēng)量小，風(fēng)流溫度較高；安裝時(shí)間較長(zhǎng)，初期工作面推進(jìn)速度一般相對(duì)較慢，開切眼松散煤體氧化升溫時(shí)間長(zhǎng)，煤體溫度較高。停采前 30m 左右，工作面不放頂煤，采空區(qū)遺煤較厚；停采后不能及時(shí)撤面、封閉，而導(dǎo)致自燃危險(xiǎn)性增加。特別是在形成大面積采空區(qū)時(shí)，相鄰工作面開采使得其采空區(qū)更易形成自然發(fā)火，特別是在開切眼、停采線附近采空區(qū)易發(fā)生自燃火災(zāi)。1.2.3 早期預(yù)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀煤層自燃火災(zāi)的防治技術(shù)在近些年來(lái)取得了較快的發(fā)展，形成了較為全面的自燃火災(zāi)防治體系，但是隨著近年來(lái)開采強(qiáng)度的增大，高產(chǎn)高效新技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井的不斷延伸開拓，通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜化，煤層自燃危險(xiǎn)性有

34、明顯增大的趨勢(shì)。環(huán)境的復(fù)雜性，危險(xiǎn)區(qū)域的隱蔽性使現(xiàn)有的煤自燃防治技術(shù)仍難以滿足集約化礦井生產(chǎn)的需要。為抑制、減少煤層自燃火災(zāi)事故的發(fā)生，世界各科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)部門對(duì)煤自燃火災(zāi)防治技術(shù)進(jìn)行了大量的理論探討、實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，試圖完善煤炭自燃火災(zāi)防治技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)的研究集中體現(xiàn)在煤層自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和自燃火災(zāi)的治理技術(shù)。4山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論國(guó)內(nèi)外對(duì)煤自燃性的測(cè)試方法分為兩類。一類是以煤的氧化性為基礎(chǔ)的測(cè)試方法，主要有：奧爾賓斯基法（cw，olpinski）（波）、奧爾蓮斯卡婭-維謝洛夫斯基著火溫度降低值法（蘇）、馬切雅什法（z.maciejas）（即雙氧水法）（波）4

35、等、靜態(tài)吸氧法和動(dòng)態(tài)吸氧法（如我國(guó)撫順煤科分院研制開發(fā)的雙氣路色譜動(dòng)態(tài)吸氧化法）5，6。這類煤自燃傾向性測(cè)試方法均采用幾克煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)7，與煤自燃的實(shí)際條件相差甚遠(yuǎn)，且僅考察煤與氧的作用速度和作用量，而沒(méi)有考察其作用的效果（如熱效應(yīng)），及其隨煤溫變化的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，因而不能全面地反映出煤的內(nèi)在自燃性。另一類煤自燃性測(cè)試方法以煤的放熱性為基礎(chǔ)，先后建立了更接近煤自燃實(shí)際條件的小型、中型和大型煤自燃性實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。（1）小型（100200g 煤樣）實(shí)驗(yàn)裝置d.r.humplhreys8，9等 1979 年首次采用絕熱自熱法（adiabatic self-heating）測(cè)定煤的自熱速率指數(shù) r70 （

36、4070間的平均升溫速率，/h）測(cè)試煤的自燃傾向性；隨后，smith a.c.10 等（1988）利用絕熱爐（adiabatic heating oven）測(cè)定煤炭最小自熱溫度 ， 評(píng) 估 煤 炭 自 燃 傾 向 性 ； bowes （ 1984 ） 、 feng k.k （ 1985 ）11、s.c.banerjee（1985）12 、j.c.jones（1999）13和 wiwik sujanyi（1999）14等采用靜態(tài)恒溫法（ static isothermal orbasket method）測(cè)定煤的臨界環(huán)境溫度（ critical ambienttemperature）和交叉點(diǎn)溫度

37、（the crossing point temperature），并根據(jù) fank-kamenetskii理論15，測(cè)算煤的活化能 e 和指前因子 a。另外 feng k.k 和 s.c.banerjee 等還采用可燃性法（ignitability）測(cè)定煤的耗氧速率和放熱率；j.m. kuchta 等（1980）16采用動(dòng)態(tài)法（ dynamic ）研 究 煤 體 在 動(dòng) 態(tài) 通 入 干 空 氣 的 條 件 下 的 自 燃 特 性 ； gouws m.j. 等（1991）17 采用非恒溫動(dòng)態(tài)法（nonisothermal dynamic method）測(cè)試煤的自燃臨界溫度和 co 產(chǎn)生率，預(yù)測(cè)煤

38、的自燃傾向性；btooks kevin 等（1988）18采用由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制 的 絕 熱 量 熱 法 （ adiabatic calorimeter ） 預(yù) 測(cè) 煤 的 自 燃 傾 向 性 ； clemens 等（1990,1991）19，20 采用恒溫 dta（differentia thermal analysis）和程序升溫 drifts（diffuse reflectance infrared fourier transform spectroscopy）測(cè)定煤的自燃特性21；英國(guó) imco 和 iso 目前廣泛采用將煤放入邊長(zhǎng) 10cm 的方形網(wǎng)狀容器中，并在煤體中心布置熱電偶，然

39、后懸掛于通有循環(huán)空氣的 140的恒溫箱中，24h 后考察煤體是否自燃，以此確定煤體的自燃傾向性。但這些小規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法，煤的起始溫度都在 6070以上，且主要是采用少量煤樣，一般在絕熱或等溫條件下實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際煤自燃條件相差太遠(yuǎn)，測(cè)試結(jié)果主要用于劃分煤的自燃等級(jí)。5山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論（2）中型（401000kg 煤樣）和大型（1t 煤樣）實(shí)驗(yàn)裝置1980 年 stott.j.b22在美國(guó)礦業(yè)局建立了長(zhǎng) 5m，直徑 0.6m 的垂直實(shí)驗(yàn)臺(tái)；1991 年在 stott,j.b 的指導(dǎo)下 x.d.cheng23-25等在新西蘭設(shè)計(jì)建造了長(zhǎng) 2m、直徑 0.3m,裝煤量110kg 的一維自燃實(shí)驗(yàn)

40、裝置；1995 年 areif a.26等根據(jù) x.d.cheng 的實(shí)驗(yàn)裝置，在澳大利亞昆士蘭大學(xué)建立了長(zhǎng) 2m、直徑 0.2m，裝煤量 60kg 的煤自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)。 1991 年smith a.c，miron y.和 lazzara27，28在美國(guó)礦業(yè)局建立了裝煤量近 13t 的實(shí)驗(yàn)臺(tái)；1998年 cliff d.,r.bennet 和 a.galvin29 在 澳 大 利 亞 昆 士 蘭 采 礦 安 全 測(cè) 試 與 研 究 中 心（simtars）建立了裝煤量 16t 實(shí)驗(yàn)臺(tái)；19881996 年徐精彩、鄧軍等30，31模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，相繼設(shè)計(jì)和建造了裝煤量 1.0t 和 1.5t 的大

41、型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)；湘潭工學(xué)院的李仁發(fā)等人（2001）32。構(gòu)造了可以裝 90kg 碎煤的實(shí)驗(yàn)裝置，此裝置裝煤量少，人為調(diào)節(jié)溫度、濕度變化，不能很好的模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件；淮南工業(yè)學(xué)院的張國(guó)樞等人（1999）33-36也設(shè)計(jì)研制了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬煤炭自燃的試驗(yàn)裝置及其參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，模擬和研究煤炭在常溫條件下自燃的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程及其影響因素，研究自燃火源形成及其分布規(guī)律等，測(cè)試煤的自燃性。中型和大型實(shí)驗(yàn)裝置，基本能模擬煤自燃實(shí)際條件，但實(shí)驗(yàn)條件單一，不能完全適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜多變的條件，實(shí)驗(yàn)工作量大，周期長(zhǎng)，影響和干擾因素多。1.2.4 早期預(yù)報(bào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀煤炭自然發(fā)火早期預(yù)報(bào)是指在煤層開采后，煤與氧

42、接觸氧化放熱，進(jìn)入自熱階段，熱量積聚引起溫度升高，致使自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度大大增加，在煤體自燃冒青煙或出現(xiàn)明火之前，根據(jù)煤氧化放熱時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)志氣體、溫度等參數(shù)的變化情況，較早發(fā)現(xiàn)自燃征兆，預(yù)測(cè)和推斷自燃發(fā)展的趨勢(shì)，超前判識(shí)自燃狀態(tài)，對(duì)自然發(fā)火進(jìn)行早期識(shí)別并預(yù)警的技術(shù)稱為預(yù)報(bào)技術(shù)。預(yù)報(bào)方法主要分為指標(biāo)氣體分析法、測(cè)溫法、示蹤氣體法等。（1）指標(biāo)氣體分析法37，38指標(biāo)氣體分析法是目前普遍用來(lái)預(yù)報(bào)自燃火災(zāi)的方法。它主要利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人工采樣分析、礦井監(jiān)控系統(tǒng)等多種手段相結(jié)合來(lái)獲取各類指標(biāo)氣體，通過(guò)分析煤自然發(fā)火過(guò)程中產(chǎn)生的某些氣體的濃度、比值、發(fā)生速率等特征參數(shù)，對(duì)煤自然發(fā)火發(fā)展趨勢(shì)等作出預(yù)報(bào)的

43、方法。指標(biāo)氣體分析法主要分為兩類，一類是利用標(biāo)志性氣體的濃度直接進(jìn)行預(yù)報(bào)，另一類是利用某些氣體組分的變化特性或某些氣體組分之間變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，如鏈烷比、烯炔比38、火災(zāi)系數(shù)等。（2）測(cè)溫法396山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論測(cè)溫法是指利用溫度傳感器對(duì)被監(jiān)測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，確定煤與周圍介質(zhì)的溫度變化情況，以發(fā)現(xiàn)煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)報(bào)方法。此方法可以直觀了解煤層的溫度及其發(fā)火程度，對(duì)早期預(yù)報(bào)有重要的意義?，F(xiàn)有的預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的測(cè)溫法分為幾種。一是直接用監(jiān)測(cè)到的溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，另外一種可以根據(jù)溫度的變化特性對(duì)煤所處的環(huán)境和條件對(duì)自然發(fā)火的可能性進(jìn)行預(yù)報(bào)。溫度測(cè)定法現(xiàn)階段主要采用的方法有熱電偶、

44、測(cè)溫電阻、集成溫度傳感器等。近年來(lái)普遍推廣的是測(cè)試簡(jiǎn)單，操作方便的紅外測(cè)溫儀。美、俄、英、德等國(guó)己成功地利用紅外線技術(shù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)井下自燃火災(zāi)，如紅外線測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)了煤壁、煤柱與浮煤堆的自燃，但是它的預(yù)測(cè)距離有限，而且不連續(xù)，為了連續(xù)觀測(cè)采空區(qū)的溫度變化情況，需要利用計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。（3）煤層近距離自燃隱患點(diǎn)紅外探測(cè)40，41紅外探測(cè)技術(shù)可以用于地質(zhì)構(gòu)造、煤巷及煤柱自燃火源的探測(cè)，是研究和應(yīng)用紅外輻射的一門新興技術(shù)。紅外測(cè)溫和紅外探測(cè)有著本質(zhì)的區(qū)別。紅外測(cè)溫是測(cè)取一個(gè)物體表面的具體溫度值，需接觸測(cè)量而紅外探測(cè)是從紅外輻射能量場(chǎng)的理論出發(fā)，建立場(chǎng)與源的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)場(chǎng)的變化規(guī)律，來(lái)確定自

45、燃隱患點(diǎn)是否存在及其發(fā)展趨勢(shì)，它是非接觸測(cè)量。盡管介質(zhì)密度不同引起紅外輻射強(qiáng)度的差異，但在正常狀態(tài)下，這種差異基本上是固定的，不隨時(shí)間的變化而變化。當(dāng)煤炭處于自燃過(guò)程之中，引起的紅外輻射強(qiáng)度異常卻是變動(dòng)的，并隨煤溫的升高，紅外輻射強(qiáng)度逐漸增大，由此確定的異常區(qū)則是自燃隱患點(diǎn)。對(duì)于近距離煤層自燃隱患點(diǎn)，尤其是在自燃多發(fā)生地點(diǎn)，如在開切眼、停采線、沿空巷道順槽、褶曲斷層處、溜煤眼等地點(diǎn)，利用紅外探測(cè)技術(shù)具有較好的效果。（4）示蹤氣體法42國(guó)內(nèi)外利用 sf6，1211 等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測(cè)定采空區(qū)漏風(fēng)量的工作己獲成功。根據(jù)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以采用某一溫度條件下易于熱解的氣體，與上層示蹤氣體在同一環(huán)境下釋放，在采樣點(diǎn)采樣檢測(cè)其比例變化，或測(cè)定相關(guān)分解物，從而間接了解自燃隱患點(diǎn)溫度值，達(dá)到預(yù)報(bào)目的。1.3 研究的主要內(nèi)容（1）綜合分析研究大面積采空區(qū)的自燃特點(diǎn)和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)大面積采空區(qū)的流場(chǎng)分布和對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布及其隨