礦井火災(zāi)學(xué)第三章[1]

1、第三章第三章 礦井火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報礦井火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報 第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 1 第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報 2 第三節(jié) 外因火災(zāi)的監(jiān)測 3 第四節(jié) 火源的位置探測與判別 4 第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v煤炭自然發(fā)火的條件煤炭自然發(fā)火的條件 煤自燃是煤氧化過程自身加速的最后階段，是多種因素作 用的結(jié)果，必須同時具備以下四個條件： （1 1）煤有自燃發(fā)火傾向性）煤有自燃發(fā)火傾向性, ,并呈破碎狀態(tài)堆積存在并呈破碎狀態(tài)堆積存在; ; 浮煤自燃臨界厚度，是一個不確定值，因煤的自燃特性、煤體溫度、 漏風(fēng)強度的不同而異，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定。 （2 2）有連續(xù)的通風(fēng)

2、供氧條件）有連續(xù)的通風(fēng)供氧條件; ; 氧氣的存在時煤發(fā)生自燃的主要原因和必要條件，流經(jīng)煤體風(fēng)流的含 氧量對自燃的發(fā)展過程起著重要作用，一般有三種情況。 第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 （3 3）熱量易于積聚）熱量易于積聚; ; 在通風(fēng)或漏風(fēng)條件下，使煤氧化放出的熱量難易積聚 而不至氧化升溫的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速，目前尚無定論，一 般認(rèn)為風(fēng)速為0.10.24m/min，煤最易發(fā)生自燃。 （4 4）維持煤的氧化過程不斷發(fā)展的時間）維持煤的氧化過程不斷發(fā)展的時間 煤自燃是煤氧化放熱持續(xù)一定時間后的結(jié)果，影響煤 自燃發(fā)火期的因素很多，較難測定。 掌握了煤炭自燃的機理和條件,就能有效地防止自燃事故

3、 的發(fā)生:上述四個條件中,只要徹底破壞一個或一個以上(乃 至全部),自燃火災(zāi)就不會發(fā)生。實際工作中，為了增加防 火的可靠性，總是采用多方面的綜合防火措施來預(yù)防煤炭 自然發(fā)火事故。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 煤自燃四條件示意圖煤自燃四條件示意圖: : 煤自燃的必然性與偶然性：煤自燃的必然性與偶然性： 必然性：煤自燃的四個必要條件為煤自燃的防治提必然性：煤自燃的四個必要條件為煤自燃的防治提 供了科學(xué)依據(jù)；供了科學(xué)依據(jù)； 偶爾性：綜合因素導(dǎo)致煤自燃的發(fā)生，但是這些因偶爾性：綜合因素導(dǎo)致煤自燃的發(fā)生，但是這些因 素有不確定素有不確定 二、易自然發(fā)火

4、地點二、易自然發(fā)火地點 煤自然發(fā)火地點有一定規(guī)律可循，綜合結(jié)合煤自然發(fā) 火的條件和現(xiàn)場經(jīng)驗，井下易發(fā)生火災(zāi)的地點有： （1 1）采空區(qū)）采空區(qū) 1.1.采空區(qū)采空區(qū) “ “三帶三帶” 波蘭學(xué)者從自然發(fā)火的角度出發(fā)將采空區(qū)劃分為三個 漏風(fēng)帶，即 ：“不自燃帶”、“自燃帶”、“窒息帶”， 如圖所示： 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 L1 L2 W （1 1）不自燃帶）不自燃帶 如圖中帶，緊靠工作面，其寬度在工作面向采空區(qū) 內(nèi)部延伸，即 L1=520m，該帶頂板冒落的巖石處于松散 堆積狀態(tài)，孔隙多且大，漏風(fēng)強度大， Q生Q散，熱量容易聚集，有可能導(dǎo)致自

5、燃。 （3 3）窒息帶）窒息帶 如圖所示帶，該帶漏風(fēng)風(fēng)流基本消失，氧氣濃度進 一步下降，氧化停止。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v自燃帶的寬度和前移速度等特性參數(shù)是煤自燃防 治工作的重要數(shù)據(jù)。 自燃寬度越大，前移速度越慢，越容易發(fā)生自燃。 控制手段：控制手段： 加快回采速度加快自燃帶前移速度； 自燃帶寬度控制方法： （1）降低工作面風(fēng)阻或者進出口端點的通風(fēng)壓力 （2）對采空區(qū)灑漿以填充其中的孔隙，注水促進再 生頂板的形成，增大采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)阻。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 采空區(qū)劃分方法采空

6、區(qū)劃分方法 （1 1）根據(jù)氧氣濃度劃分）根據(jù)氧氣濃度劃分 不自然帶：氧濃度不自然帶：氧濃度C15%C15%，也稱冷卻帶或者散熱帶；，也稱冷卻帶或者散熱帶； 自燃帶：氧濃度自燃帶：氧濃度15%C5%15%C5%，持續(xù)供氧，蓄熱環(huán)境較好；，持續(xù)供氧，蓄熱環(huán)境較好； 窒息帶：氧濃度窒息帶：氧濃度C C5%5%，缺氧，煤自燃無法進行。，缺氧，煤自燃無法進行。 （2 2）根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)流速劃分）根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)流速劃分 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速V V（V0.9m/sV0.9m/s為散熱帶；為散熱帶；0.9V0.02m/s0.9V0.02m/s為自燃帶；為自燃帶； 0.02m/s0.02m/s為自窒息帶

7、。）；為自窒息帶。）； 由于缺少深入的理論研究和試驗結(jié)果，此指標(biāo)目前尚由于缺少深入的理論研究和試驗結(jié)果，此指標(biāo)目前尚 難以應(yīng)用。難以應(yīng)用。 綜上所述：目前根據(jù)氧氣濃度劃分的采空區(qū)三帶得到了廣泛的認(rèn)可。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v實例介紹：安徽淮北朱仙莊872綜放面采空區(qū) “三帶”測定： （1 1）測點的設(shè)置）測點的設(shè)置 （2 2）測試線路和傳感器的保護）測試線路和傳感器的保護 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v實例介紹：安徽淮北朱仙莊872綜放面采空區(qū) “三帶”測定： （3 3）測定內(nèi)容及周

8、期）測定內(nèi)容及周期 內(nèi)容主要包括：采空區(qū)的氣體成分； 主要部件溫度。 正常情況下，測定每天進行一次，出現(xiàn)異常時， 增加測定次數(shù) （4 4）數(shù)據(jù)的記錄與整理）數(shù)據(jù)的記錄與整理 （5 5）測定結(jié)果：）測定結(jié)果： 不自燃帶小于35.2m，自燃帶在313.6m，窒 息帶大于13.6m。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v實例介紹：安徽淮北朱仙莊872綜放面采空區(qū) “三帶”測定： （5 5）測定結(jié)果：）測定結(jié)果： 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 v “O”O(jiān)”型圈型圈 采動裂隙“O”型圈 裂隙的存在，使得采空

9、區(qū)漏風(fēng)量增加，增加了“O”型圈附 近浮煤的自燃危險性。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 （二）停采線和開切眼（二）停采線和開切眼 v 采取U型通風(fēng)無煤柱后退式開采時，停采線下端處于敞口 狀態(tài)，很難封閉，容易發(fā)生自燃。 v 采用分層開采時，上分層的停采線處風(fēng)壓最大，容易形成 較長時間漏風(fēng)通道。 （三）進、回風(fēng)巷道（三）進、回風(fēng)巷道 v 根據(jù)發(fā)火的原因不同，可以分為以下幾種情況： 1.保護煤柱自燃 在采動壓力和地應(yīng)力的作用下，煤柱容易壓裂、破碎或 坍塌，形成大量的浮煤堆積，加之工作面端頭回柱后冒落 不徹底，留下漏風(fēng)通道，容易發(fā)生煤自燃現(xiàn)象。 2.巷道

10、高冒落區(qū)自燃 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 2. 2.巷道高冒落區(qū)自燃巷道高冒落區(qū)自燃 其形成主要與巷道施工質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。 根據(jù)高冒區(qū)松散煤體的裂隙分布狀態(tài)、煤體松散程度和冒 落程度可以分為三個區(qū)域：破碎區(qū)、離層區(qū)和斷裂下沉區(qū)。 其中破碎區(qū)，煤層完全破碎 巷道中空氣進入松散層，所以 易發(fā)生自燃。 3.3.分層巷道假頂內(nèi)煤炭自燃分層巷道假頂內(nèi)煤炭自燃 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 （四）構(gòu)造帶（四）構(gòu)造帶 v 主要形式：褶曲、斷層、破碎帶、陷落柱、巖漿傾入。 v 原因： （1）構(gòu)造帶處

11、由于煤層受張力、擠壓等作用，容易形成大 量浮煤堆積； （2）構(gòu)造帶附近漏風(fēng)通道復(fù)雜，漏風(fēng)嚴(yán)重； （3）構(gòu)造帶附近一般具備有良好的熱量積聚環(huán)境。 （五）通風(fēng)設(shè)施附近（五）通風(fēng)設(shè)施附近 v 通風(fēng)設(shè)施上下側(cè)隨著局部風(fēng)阻的增大而增大，為漏風(fēng)的形 成提供有力的條件。 v 此外，溜煤眼以及瓦斯抽放孔也是極易發(fā)生煤自燃的地方。 第一節(jié)第一節(jié) 煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點煤礦井下自燃發(fā)火條件及易發(fā)火地點 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 v 煤自燃的早期識別與預(yù)報是有效防治礦井內(nèi)因火災(zāi)，一般有直接感覺 法、測溫預(yù)報法和氣體分析法 一、人的直接感覺法一、人的直接感覺法 （1）嗅覺。

12、可燃物受高溫或火源作用，會分解生成一些正常時大氣中 所沒有的、異常氣味的火災(zāi)氣體。人們利用嗅覺嗅到這些火災(zāi)氣味， 則可以判斷附近的煤炭和膠塑制品在燃燒。 （2）視覺。煤炭氧化自燃初期生成水分，往住使巷道內(nèi)濕度增加，出 現(xiàn)霧氣或在巷道壁掛有平形水珠；淺部開采時，冬季在地面鉆孔或塌 陷區(qū)處發(fā)現(xiàn)冒出水蒸氣或冰雪融化的現(xiàn)象。當(dāng)然井下兩股溫度不同的 風(fēng)流匯合處也可能有霧氣出現(xiàn)。同時透水事故的前兆也會有水珠出現(xiàn)。 因此，在井下發(fā)現(xiàn)霧氣或水珠時，要結(jié)合具體條件加以分析，得到正 確的結(jié)論。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 一、人的直接感覺法一、人的直接感覺法 （3）感覺。煤炭自燃發(fā)

13、展到一定階段，可能會使環(huán)境溫度 升高和附近氧氣濃度下降，而且會釋放大量有毒氣體。根 據(jù)這些反應(yīng)，同樣也能夠?qū)γ鹤匀甲龀鲆欢ǖ呐袛唷?（4）從煤炭自熱點或自燃區(qū)域流經(jīng)過的水或空氣，其溫度 通常較高，同樣可為人所直覺感覺。 當(dāng)上述征兆發(fā)展到較明顯的程度時，人的感官是可以識別 煤炭早期自燃的。但是，人的感覺總是帶有相當(dāng)大的主觀 性，同時，人的感覺與人的健康狀況和精神狀態(tài)也有很大 關(guān)系，因此，人的直接感覺不是早期識別煤炭自燃的可靠 方法，所以還必須使用儀器儀表來識別煤炭自燃的發(fā)生。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 一、測溫預(yù)測預(yù)報法一、測溫預(yù)測預(yù)報法 u 溫度是確定煤炭自燃

14、發(fā)展階段的最可靠、最直接的重要 的參數(shù)，測定礦內(nèi)空氣和圍巖的溫度是煤自燃早期識別 和預(yù)報的方法。 （一）傳感器測溫法（一）傳感器測溫法 1.1.溫度傳感器的種類溫度傳感器的種類 （1）熱電偶溫度傳感器 考慮經(jīng)濟成本和測定精度的要求，煤礦測溫常用銅-康銅熱電偶 溫度傳感器。 熱電偶溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，熱慣性小和輸 出信號便于遠距離傳輸?shù)膬?yōu)點，是目前接觸式傳感器中應(yīng)用最廣泛 的。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 （2）熱電阻溫度傳感器 常見的熱電阻溫度傳感器主要有鉑電阻溫度傳感器、銅電阻傳感 器、鐵電阻溫度傳感器和鎳電阻溫度傳感器等。井下應(yīng)用較多的是 鉑

15、電阻溫度傳感器。 具有測量范圍大、穩(wěn)定性好、重復(fù)性高、耐氧化和比熱電阻打燈 優(yōu)點。 （3）半導(dǎo)體溫度傳感器 半導(dǎo)體溫度傳感器具有體積小、成本低、效應(yīng)時間短、在一定范 圍內(nèi)線性較好、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。 2.2.溫度傳感器的布置與溫度測定溫度傳感器的布置與溫度測定 （1）布置要求 安裝溫度傳感器的位置要選擇合理； 溫度傳感器的安裝要符合設(shè)計要求； 溫度傳感器安裝后，使用過程中應(yīng)加強管理和維護。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 2.2.溫度傳感器的布置與溫度測定溫度傳感器的布置與溫度測定 （2）布置方法 （3）溫度檢測 （4）溫度的記錄與處理 （5）優(yōu)缺點 優(yōu)點

16、：預(yù)測可靠、直觀 局限性： 傳感器測溫時點接觸，預(yù)測預(yù)報范圍較小； 傳感器安裝、維護工作量大； 品種單一、穩(wěn)定性差、成本高，使用壽命短； 外界調(diào)節(jié)易引起傳感器的破損； 煤體熱導(dǎo)性差，放熱影響范圍小。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 （二）紅外線測溫法（二）紅外線測溫法 1.測溫原理 任何物體只要溫度超過絕對零度，就會不斷產(chǎn)生紅 外輻射。根據(jù)輻射能量的高低，測量溫度的高低，據(jù)此 對煤自燃的發(fā)展做出判斷。 2.相關(guān)儀器 探測儀器：紅外測溫儀和紅外成像儀器 3.現(xiàn)場應(yīng)用及不足 除了煤自燃會造成紅外線輻射能量異常外，煤層原始 地溫、井下環(huán)境、巷道風(fēng)量、井下機電設(shè)備、煤層內(nèi)部

17、 結(jié)構(gòu)異常也會造成紅外輻射能量異常，造成誤判。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 煤的自然發(fā)火過程可以分為緩慢氧化階段、加速氧化 階段和劇烈氧化階段，不同階段對應(yīng)著不同的氣體產(chǎn)物 種類和濃度。 （一）指標(biāo)的種類 煤炭自熱過程中會產(chǎn)生各種氣體，且這些氣體的生成 濃度與煤體溫度存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，因此可作為判斷 煤發(fā)展程度的指標(biāo)。總的來說，氣體分析法的指標(biāo)可以 分成兩類： 煤氧化產(chǎn)生的氣體成分； 煤氧化產(chǎn)生的氣體濃度變化或氣體之間的比值。 目前常用的指標(biāo)有：CO、格雷哈姆系數(shù)、O2、鏈烷 比、C2H4、C2H2、C/H、烴。 第二節(jié)第二節(jié) 煤

18、自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 1.一氧化碳（CO） 一氧化碳在煤氧化自燃過程中出現(xiàn)較早、生成量較大、濃度增長 速度也較快，其濃度和煤體溫度存在明顯對應(yīng)關(guān)系，是煤自然發(fā)火 早期預(yù)報非常靈敏的指標(biāo)氣體。 試驗研究結(jié)果： 在常溫下就有CO的出現(xiàn)， CO產(chǎn)生量隨煤溫升高而增 加并呈指數(shù)關(guān)系，初始階段 CO增幅不大，當(dāng)溫度上升到 一定階段時，CO急劇增加， 劇烈氧化階段CO濃度達到最 大值。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 1.一氧化碳（CO） 結(jié)論結(jié)論：CO持續(xù)存在，且濃度不斷穩(wěn)定增加，就可判斷風(fēng)流上

19、風(fēng)測存在高 溫隱患點或者存在自燃火源。 缺點：受漏風(fēng)的影響的影響極大，對CO濃度測量產(chǎn)生誤差，預(yù)報可靠性 降低。 解決方法： 采用CO的絕對生成量作為判定煤自燃發(fā)展階段的指標(biāo)，相應(yīng)的計算 公式： 特殊情況：自然點氧氣濃度大于15%時，煤氧化產(chǎn)物基本上是CO2， 應(yīng)綜合考慮。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 2.格雷哈姆系數(shù) （1）格雷哈姆系數(shù)三種形式 組成：煤氧化過程中CO、CO2濃度的增加量和O2濃度的減少量。 R1、R2受新鮮風(fēng)流的影響，R3指標(biāo)基本上不受新鮮風(fēng)流的影響， 因此R3指標(biāo)常用于指示火災(zāi)的發(fā)展?fàn)顩r。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃

20、的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 2.格雷哈姆系數(shù) （1）格雷哈姆系數(shù)的應(yīng)用 一般以R2作為主要指標(biāo)，以R1作為輔助指標(biāo)，R3主要 用于風(fēng)流狀態(tài)變化很大的時候。 正常情況下。R2值小于0.5%， R2若持續(xù)上升并且超 過0.5%，即表明該礦井中有自熱現(xiàn)象發(fā)生；超過1%則說 明煤礦井下已經(jīng)發(fā)生自燃現(xiàn)象。 缺陷：首先雷格哈姆系數(shù)在氧氣消耗量很小的情況 下精度很低； 其次雷格哈姆系數(shù)還受那些不是煤自燃產(chǎn)生 的CO、CO2的影響。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 3.耗氧量（O2） 耗氧量的計算基于以下兩個方

21、面的假設(shè)： （1）空氣中的氧氣含量為20.93%，惰性氣體的含量為 79.04%，一般惰性氣體視為氮氣； （2）空氣中的氮氣沒有被消耗，也沒有增加。 氧氣的消耗量可以表示為： 4.鏈烷比 在煤氧化升溫的不同階段，各種烷烴氣體和產(chǎn)生極其 濃度之間有一定的聯(lián)系。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 4.鏈烷比 主要包括兩類：（1）長鏈的烷烴氣體與甲烷濃度比值； （2）長鏈的烷烴氣體與乙烷濃度比值。 劃分標(biāo)準(zhǔn)： 影響因素：煤本身吸附的烷烴量； 吸附烷烴的釋放時間。 第二節(jié)第二節(jié) 煤自燃的早期識別與預(yù)報煤自燃的早期識別與預(yù)報 三、氣體分析法三、氣體分析法 5.乙烯 乙烯是煤氧化自燃發(fā)展到一定程度之后的產(chǎn)物，不同 的煤巖成分產(chǎn)生的乙烯初始溫度存在差異。 6.乙炔 乙炔是煤進入劇烈氧化階段的產(chǎn)物，產(chǎn)生的溫度較高， 表明井下煤自燃已經(jīng)發(fā)展到比較嚴(yán)重的程度。 7.C/H 實踐表明：該比值與格雷哈姆系數(shù)