煤礦火災(zāi)前兆信息及預(yù)警新技術(shù)

煤礦火災(zāi)前兆信息及預(yù)警新技術(shù)一、煤礦火災(zāi)概念及分類二、煤礦火災(zāi)現(xiàn)狀分析三、煤礦火災(zāi)前兆信息四、煤礦火災(zāi)預(yù)警新技術(shù)五、結(jié)論煤礦火災(zāi)是指發(fā)生在煤礦井下或地面井口附近、威脅礦井安全生產(chǎn)、形成災(zāi)害的一切非控制燃燒?；馂?zāi)是煤礦五大主要災(zāi)害之一，每一場火災(zāi)的發(fā)生，輕則影響生產(chǎn)，重則可能燒毀煤炭資源和礦井設(shè)備，更為嚴(yán)重則可能引燃瓦斯煤塵爆炸，釀成人員傷亡的重大惡性事故。煤礦火災(zāi)概念煤礦火災(zāi)內(nèi)因火災(zāi)外因火災(zāi)井下火災(zāi)地面火災(zāi)可燃物（煤炭）自身氧化自燃1、有預(yù)兆2、火源隱蔽；3、有一個或長或短的發(fā)展過程；4、持續(xù)時間長外部熱源引燃可燃物1、發(fā)生突然；2、火源明顯；3、發(fā)展迅猛；4、持續(xù)時間短礦山井下的火災(zāi)，包括井口火災(zāi)礦山地面的火災(zāi)1、不容易發(fā)現(xiàn)與察覺；2、井下狹窄不易撲救；3、產(chǎn)生大量的有害氣體；4、持續(xù)時間長1、容易發(fā)現(xiàn)與察覺；2、地面寬廣易撲救；3、產(chǎn)生的有害氣體少；4、持續(xù)時間短按引火熱源的不同按發(fā)火地點(diǎn)的不同煤炭的主體地位煤炭是我國的主要能源和重要的工業(yè)原料。國家《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004-2020年)》中明確指出“堅(jiān)持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展”的能源戰(zhàn)略。2011年，全國煤炭產(chǎn)量35億噸，同比增長7.7%，在一次能源消費(fèi)中約占70.4%，預(yù)計(jì)2050年仍將占50%以上。2011年中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)煤礦災(zāi)害事故依然多發(fā)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年-2011年，與火災(zāi)相關(guān)的煤礦事故有92起。單一礦井火災(zāi)20起，死亡233人；火災(zāi)誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等繼發(fā)災(zāi)害72起，死亡364人。2010年6月21日，河南興東二礦井下火藥自燃爆炸，造成46人遇難。2011年7月6日，山東防備煤礦井下空氣壓縮機(jī)自燃著火，進(jìn)而引燃坑木和煤炭，形成大面積的火區(qū)，導(dǎo)致28人死亡。2009年8月18日，云南尚崗煤礦自燃引起巷道垮塌，造成10人死亡。煤礦災(zāi)害事故依然多發(fā)僅2011年，43起較大瓦斯事故因火災(zāi)引起的有22起。從瓦斯爆炸火源看，電氣火花10起，放炮7起，煤炭自燃2起，工人吸煙2起，金屬撞擊1起。按引火源分類煤礦災(zāi)害事故依然多發(fā)2012年7月1日，窯街煤電集團(tuán)有限公司海石灣煤礦6112油頁巖綜采工作面出現(xiàn)間歇性噴火，7月9日工作面下端出現(xiàn)明火，由于火勢發(fā)展迅猛，被迫封閉全礦，7月11日井下油氣燃爆，出現(xiàn)較大沖擊波，將風(fēng)井防爆門破壞，迫使主扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，全礦井停產(chǎn)。人員傷亡：火災(zāi)產(chǎn)生的CO、CO2等有毒有害氣體隨高溫火煙一起流入井下各作業(yè)場所，造成人員中毒和窒息。燒毀設(shè)備和煤炭資源：井下發(fā)生火災(zāi)，會燒毀大量的設(shè)備、器材和煤炭資源，造成大量煤炭資源呆滯，影響礦井正常生產(chǎn)。煤礦火災(zāi)危害極大嚴(yán)重的環(huán)境污染：煤田及矸石山自燃排放的SO2、NxOy、CxOy和煙塵等，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，CO2占全球總排量的2%-3%。煤田火災(zāi)矸石山火災(zāi)煤礦火災(zāi)危害極大自然發(fā)火嚴(yán)嚴(yán)重2011年，全國共共有煤礦約約11000個，具有自燃燃傾向的礦礦井占50%以上，傳統(tǒng)礦區(qū)區(qū)百萬噸發(fā)發(fā)火率高達(dá)達(dá)7.47。采空區(qū)自然然發(fā)火次數(shù)數(shù)占火災(zāi)總總數(shù)的60%，巷道煤柱柱占29%，其它地點(diǎn)點(diǎn)占11%。中厚以下煤煤層的采空區(qū)自自燃或愛次次數(shù)占采空區(qū)發(fā)發(fā)火總數(shù)的的16%，厚煤層和和特厚煤層層的采空區(qū)區(qū)自燃火災(zāi)災(zāi)次數(shù)占采采空區(qū)發(fā)火火總數(shù)的84%。煤炭主產(chǎn)區(qū)區(qū)受火災(zāi)影影響嚴(yán)重煤炭主產(chǎn)區(qū)區(qū)位于北緯35°以北的北方地區(qū)，其儲量占全全國儲量80%以上，年產(chǎn)產(chǎn)量占全國國60%~70%。這些地區(qū)大大部分屬溫溫帶大陸性性氣候，晝晝夜溫差大大，夏季炎炎熱，冬季季寒冷，干干旱少雨。。區(qū)內(nèi)煤系主主要有石炭炭二疊紀(jì)、、侏羅紀(jì)、第三紀(jì)及及少量三疊疊紀(jì)。侏羅紀(jì)煤層層一般為特厚煤層，厚度在8m~120m之間，變質(zhì)質(zhì)程度較低低，以長焰焰煤、氣煤煤為主，侏侏羅紀(jì)煤田田特厚煤層層普遍自然發(fā)發(fā)火。北緯35度煤氧化自燃燃過程燃燒著火點(diǎn)溫度度準(zhǔn)備期風(fēng)化時間溫度T0冷卻0Tc＝70℃自熱期準(zhǔn)備期：重量略有增增加，著火火溫度降低低，化學(xué)活活潑性增強(qiáng)強(qiáng)。自熱期：氧化速度增增加，不穩(wěn)穩(wěn)定的氧化化物分解成成H2O、CO2和CO，煤體溫度持持續(xù)升高。。當(dāng)煤溫超過自熱的的臨界值（（60℃～80℃）時，煤溫溫急劇上升升，氧化進(jìn)進(jìn)程加快，，開始出現(xiàn)現(xiàn)煤的干餾餾，生成CmHn、H2及CO氣體體。燃燒燒期期：若若煤溫溫上上升升到到著火火點(diǎn)點(diǎn)溫溫度度，，則則煤煤持持續(xù)續(xù)燃燃燒燒；；若若煤煤溫溫不不能能上上升升到到Tc或上上升升到到這這一一溫溫度度后后由由于于外外界界條條件件的的變變化化又又降降低低了了下下來來，，則則會會進(jìn)進(jìn)入入風(fēng)風(fēng)化化狀狀態(tài)態(tài)。。Tb臨界界溫溫度度煤炭炭自自然然發(fā)發(fā)火火標(biāo)標(biāo)志志氣氣體體及及其其指指標(biāo)標(biāo)CO單一一指指標(biāo)標(biāo)CO煤自自燃燃預(yù)預(yù)測測預(yù)預(yù)報(bào)報(bào)方方面面起起到到了了積積極極的的作作用用，，但但是是CO的檢測測溫溫度度范范圍圍較較寬寬，從從常常溫溫一一直直到到進(jìn)進(jìn)入入激激烈烈氧氧化化階階段段都都能能夠夠檢檢測測到到CO，對對煤煤自自然然發(fā)發(fā)火火發(fā)發(fā)展展到到的的階階段段較較難難給給出出準(zhǔn)準(zhǔn)確確地地判判斷斷。。煤自自燃燃大大部部分分發(fā)發(fā)生生在在采采空空區(qū)區(qū)或或煤煤柱柱中中，，受漏漏風(fēng)風(fēng)條條件件的的影影響響極極大大，這這對對CO濃度度的的測測定定造造成成了了誤誤差差，，預(yù)預(yù)報(bào)報(bào)的的可可靠靠性性也也相相應(yīng)應(yīng)降降低低。。煤炭炭自自然然發(fā)發(fā)火火標(biāo)標(biāo)志志氣氣體體及及其其指指標(biāo)標(biāo)CO單一一指指標(biāo)標(biāo)國內(nèi)內(nèi)平平莊莊古古山山礦礦最最早早將將CO的絕絕對對生生成成量量指指標(biāo)標(biāo)用用于于煤煤自自燃燃的的預(yù)預(yù)測測預(yù)預(yù)報(bào)報(bào)，，該該礦礦通通過過對對36個回回采采工工作作面面的的長長期期觀觀測測，，得得到到了了CO絕對對生生成成量量相相應(yīng)應(yīng)的的預(yù)預(yù)測測預(yù)預(yù)報(bào)報(bào)臨臨界界指指標(biāo)標(biāo)。。自然發(fā)火系數(shù)安全值加強(qiáng)觀測值自然發(fā)火預(yù)報(bào)值H（m3/min）<0.00490.0049~0.0059≥0.0059印度度學(xué)學(xué)者者AshokK.Singh研究究表表明明，，自自燃燃點(diǎn)點(diǎn)處處氧氧氣氣濃濃度度大大于于15%時，，煤煤氧氧化化產(chǎn)產(chǎn)物物基基本本上上是是CO2，此此時時往往往往無無法法檢檢測測到到CO的存存在在。。因因此此，，應(yīng)應(yīng)用用CO指標(biāo)標(biāo)對對煤煤自自燃燃進(jìn)進(jìn)行行預(yù)預(yù)測測預(yù)預(yù)報(bào)報(bào)時時，，應(yīng)應(yīng)綜綜合合考考慮慮各各方方面面因因素素后后再再作作出出結(jié)結(jié)論論。。煤炭自然然發(fā)火標(biāo)標(biāo)志氣體體及其指指標(biāo)格雷哈姆姆系數(shù)由由煤氧化化過程中中CO、CO2濃度的增增加量和和O2濃度的減減少量計(jì)計(jì)算得到到。格雷哈姆姆系數(shù)一般以R2作為主要指標(biāo)標(biāo)，以R1作為輔助指標(biāo)標(biāo)，R3則主要用用于風(fēng)流狀態(tài)態(tài)變化很很大的情況。正常情況況下，R2值小于0.5%，若R2值持續(xù)上升升并超過過0.5%的話，即即表明該該礦井中中有自熱熱現(xiàn)象發(fā)發(fā)生；超過1%時則說明明煤礦井井下已經(jīng)經(jīng)發(fā)生煤煤自燃現(xiàn)現(xiàn)象。實(shí)實(shí)際應(yīng)用用過程中中，由于于井下情情況復(fù)雜雜多變，，差別較較大，應(yīng)應(yīng)根據(jù)實(shí)實(shí)際情況況選用不不同的臨臨界指標(biāo)標(biāo)。煤炭自然然發(fā)火標(biāo)標(biāo)志氣體體及其指指標(biāo)撫順礦區(qū)區(qū)實(shí)測了了格雷哈哈姆指標(biāo)標(biāo)，并根根據(jù)自身身情況，，總結(jié)多多年的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，采采用了相相應(yīng)的指指標(biāo)值。格雷哈姆姆系數(shù)自燃發(fā)展階段R1/%R2/%R3/%原始階段0-150-10-3初級階段15-301-23-7危險階段30-402-57-10著火階段>40>5>10自燃發(fā)展階段正常狀態(tài)低溫氧化階段（預(yù)警值）高溫氧化階段（臨界值）開始燃燒階段（報(bào)警值）著火R2/%00-0.450.46-44.1-9>9撫順礦區(qū)區(qū)實(shí)測的的格雷哈哈姆系數(shù)數(shù)撫順老虎虎臺礦采采用的格格雷哈姆姆系數(shù)煤氧化時會釋放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烴氣氣體，可可通過各烷烷烴氣體體濃度比值對煤煤自燃的的發(fā)展階階段進(jìn)行行判斷，，稱這些些比值為為鏈烷比比。鏈烷比主主要有兩兩類：C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4；C3H8/C2H6、C4H10/C2H6。煤炭自然然發(fā)火標(biāo)標(biāo)志氣體體及其指指標(biāo)鏈烷比鏈烷比受受煤本身吸吸附的烷烷烴量不同和吸附烷烴烴的釋放放時間的影響，，對采掘工作作面新破碎、、剝落的的區(qū)域預(yù)預(yù)報(bào)有一一定難度度，但對對發(fā)生在在采空區(qū)內(nèi)內(nèi)的高溫點(diǎn)點(diǎn)，由于于遺煤破破碎強(qiáng)烈烈，吸附附氣體又又經(jīng)歷了了較長釋釋放時間間，采用用鏈烷比比預(yù)報(bào)自自然發(fā)火火能取得得較好的的效果。。煤炭自然然發(fā)火標(biāo)標(biāo)志氣體體及其指指標(biāo)在煤吸附附的氣體體中沒有有烯烴氣氣體，井井下檢測測到的烯烯烴氣體體是煤氧氧化分解解過程中中產(chǎn)生的的，因此此，烯烴烴氣體的的出現(xiàn)表表征煤的的氧化已已經(jīng)進(jìn)入入釋放氧氧化氣體體階段。。也就是是說，只要檢檢測到到烯烴烴氣體體，則則表明明煤溫溫已達(dá)達(dá)到或或超過過其臨臨界溫溫度。由于于C2H4和C3H6不是同同一溫溫度下下出現(xiàn)現(xiàn)的，，因此此可以以根據(jù)據(jù)它們們出現(xiàn)現(xiàn)與否否判斷斷煤溫溫的大大致范圍。。烯烴及及烯烷烷比炔烴僅僅指C2H2，它是是煤氧氧化進(jìn)進(jìn)入激激烈燃燃燒階階段的的產(chǎn)物物，是是所有有自燃燃氧化化氣體體中最最晚出出現(xiàn)的的氣體體，并并出現(xiàn)現(xiàn)的臨臨界溫溫度值值較高高。根根據(jù)實(shí)實(shí)際應(yīng)應(yīng)用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，，一旦旦礦井井井下下檢測測到C2H2，則表表明在在監(jiān)測測區(qū)域域內(nèi)存存在進(jìn)進(jìn)入燃燃燒階階段的的明火火，此此時采采取滅滅火措措施一一定要要謹(jǐn)慎慎，避避免直直接將將火源源暴露露于空空氣中中，以以防引引發(fā)瓦瓦斯煤煤塵爆爆炸。。煤炭自自然發(fā)發(fā)火標(biāo)標(biāo)志氣氣體及及其指指標(biāo)炔烴（1）褐煤、、長焰焰煤、、氣煤煤和肥肥煤：烯烴烴或烯烯烷比比為首首選標(biāo)標(biāo)志氣氣體。烯烴烴預(yù)報(bào)范范圍為為110℃～180℃，濃度度為（（1.0～20.0）×10-7；烯烷烷比預(yù)預(yù)報(bào)范范圍應(yīng)應(yīng)依據(jù)據(jù)煤層層瓦斯斯組分分和礦礦內(nèi)空空氣成成分確確定。。輔助助指標(biāo)標(biāo)為CO及其派派生指指標(biāo)。。（2）焦煤、、瘦煤煤及貧貧煤：CO及其派派生指指標(biāo)為為首選選標(biāo)志志氣體體，預(yù)預(yù)報(bào)范范圍為為90℃～150℃，濃度度為（（10～30）×10-7。輔助助指標(biāo)標(biāo)為C2H4或烯烷烷比。。（3）無煙煤煤（含含高硫硫煤））：僅能能選用用CO及其派派生指指標(biāo)為為標(biāo)志志氣體體，其其預(yù)報(bào)報(bào)范圍圍為100℃～150℃，濃度度為（（10～35）×10-6。標(biāo)志氣氣體優(yōu)優(yōu)選及及煤礦礦火災(zāi)災(zāi)前兆兆信息息提取取《煤層層自然然發(fā)火火標(biāo)志志氣體體色譜譜分析析及指指標(biāo)優(yōu)優(yōu)選方方法》》（AQ/T1019-2006）常規(guī)預(yù)預(yù)警方方法技技術(shù)（1）嗅覺覺。煤煤炭自自熱到到一定定溫度度后出出現(xiàn)煤煤油味味、汽汽油味味和輕輕微芳芳香氣氣味的的非飽飽和碳碳?xì)浠衔镂?，可利用嗅嗅到的的氣味味判斷斷附近近的煤煤炭是是否在在自燃燃。?）視覺。可可通過觀測測煤在氧化化過程中產(chǎn)產(chǎn)生的水蒸蒸氣，以及及附近煤巖巖體表面凝凝結(jié)的水珠珠等物理現(xiàn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自然發(fā)火火預(yù)警。（3）感覺。煤煤炭自燃或或自熱、可可燃物燃燒燒會使環(huán)境境溫度升高高，并可能能使附近空空氣中的氧氧濃度降低低，CO2等有害氣體體增加，所所以當(dāng)人們們接近火源源時，會有有頭痛、悶悶熱、精神神疲乏等不不適之感。。利用人體生生理感覺預(yù)預(yù)報(bào)自然發(fā)發(fā)火測定礦內(nèi)空空氣及圍巖巖溫度的變變化測溫法是通通過測量溫溫度變化來來表征煤自燃進(jìn)程。通過在特定區(qū)域安設(shè)溫度探測裝置來監(jiān)測煤自自然發(fā)火程程度。測溫法可分分為兩類：：一類是用用檢測到的的溫度值進(jìn)進(jìn)行預(yù)報(bào)或或報(bào)警；另另一類是通通過監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)溫度變化化率預(yù)報(bào)。。可用于溫度度探測的主要有熱電電偶、測溫溫電阻、半半導(dǎo)體測溫溫元件、集集成溫度傳傳感器、熱熱敏元件、、光纖、紅紅外、激光光及雷達(dá)波波等。目前溫度法法主要不足足有：K型熱電偶精度低，長距離有有線數(shù)據(jù)采采集結(jié)果滯后或失真；監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量量有限，存在監(jiān)測測盲區(qū)；勞動強(qiáng)度大大，線路敷敷設(shè)困難；；常規(guī)預(yù)警方方法技術(shù)測定礦內(nèi)氣氣體成分的的變化氣體分析法法根據(jù)煤自自然發(fā)火過過程中產(chǎn)生生的氣體種類、濃度及變變化率來預(yù)預(yù)測和確定煤自然發(fā)火火發(fā)展進(jìn)程和趨勢。其預(yù)警指標(biāo)可可分為兩類類：一類是是利用某些些標(biāo)志氣體體的濃度直直接進(jìn)行預(yù)預(yù)測預(yù)報(bào)，，另一類是是利用某些些氣體濃度變化率率或濃度比值來進(jìn)行行預(yù)測，如如鏈烷比、、格哈雷姆姆系數(shù)等。。無論采用哪哪類氣體指指標(biāo)，都需需要精確、、快速檢測測出各氣體體的種類和和濃度。目前采用的主要手段是氣體傳感器器和色譜分分析儀分析。氣體傳感器器在井下實(shí)實(shí)際應(yīng)用中中受到井下下環(huán)境影響響，其穩(wěn)定定性和靈敏敏度都大幅幅降低，檢檢測結(jié)果存存在較大誤誤差，加之之傳感器使使用壽命、、價格相對對比較昂貴貴，種類比比較單一，，在一定程程度上制約約了氣體傳傳感器的使使用。常規(guī)預(yù)警方方法技術(shù)氣相色譜法法是目前氣氣體分析方方法中最精精確、最可可靠的分析析儀器之一一?！鞍宋濉逼陂g礦井火火災(zāi)多參數(shù)數(shù)色譜儀研制成功，實(shí)現(xiàn)了煤礦全組分分氣體定性性定量分析析。與束管監(jiān)測測技術(shù)融合合后，實(shí)現(xiàn)了對煤礦火災(zāi)早早期預(yù)警，，在一定程程度上促進(jìn)進(jìn)了我國煤煤礦自然發(fā)發(fā)火監(jiān)測和和預(yù)警技術(shù)術(shù)的成熟和和完善。色譜分析的吸附和脫附附周期較長，無法法實(shí)現(xiàn)快速速分析；色色譜柱需要要經(jīng)常維護(hù)；每次色譜譜分析都需需要先進(jìn)行標(biāo)樣測測試；尤其其是氫火焰焰檢測器不不能應(yīng)用到到煤礦井下下爆炸危險險環(huán)境和應(yīng)應(yīng)急救援時時期搶險救救災(zāi)等災(zāi)變變環(huán)境中使使用，常規(guī)預(yù)警方方法技術(shù)氣體光譜分析技術(shù)是儀器分析析領(lǐng)域的一一種重要方方法，已廣廣泛應(yīng)用于于食品、醫(yī)醫(yī)藥、材料料領(lǐng)域，利用紅外吸吸收原理檢檢測氣體是國內(nèi)外研究究熱點(diǎn)。煤礦火災(zāi)預(yù)預(yù)警新技術(shù)術(shù)——傅里葉變換換紅外光譜譜分析技術(shù)術(shù)棱鏡式紅外分光光度計(jì)光柵型紅外光譜儀傅里葉變換紅外光譜儀專業(yè)化、小型化及精密化煤礦火災(zāi)氣氣體檢測“十一五”期間，利用用傅立葉紅紅外光譜技術(shù)對煤礦井下下常見CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等的定量分分析進(jìn)行了