兖矿综合机械化放顶煤工作面煤层自然发火防治技术

我国煤层自然发火情况严重，据统计国有重点煤矿中大约有56%的矿井存在煤层自然发火危险，而特厚煤层开采自然发火更为严重。近年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高，日产原煤高达1.0－1.6万t，日产值达200多万元，工作面设备投资在4000－5000万元，年产500万t的矿井基本上可实现一矿一面，确保工作面安全生产显得尤为重要。但这种采煤法的开采强度大、采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，随之出现了难以解决的火灾、瓦斯、粉尘等一系列问题。据统计，我国煤矿有50%以上的综采放顶煤工作面存在着自然发火危险，严重威胁着矿井的安全生产。因此，防灭火技术的研究工作也是综放工作面安全生产的关键之一。
1、我国煤层自然发火防治技术概况
1.1防灭火技术
20世纪50年代我国开始研究并在煤矿推广黄泥灌浆防灭火技术，60-70年代研究阻化剂防火、均压通风、高倍数泡沫灭火等技术，80－90年代研究矿井自然发火预测系统、惰气防灭火、快速高效堵漏风、带式输送机火灾防治等技术，并逐步形成适应普通采煤法和高产高效采煤法的综合防灭火技术。目前我国煤矿煤层开采时期采用的火灾防治技术措施，从总体上说有惰化、阻燃、堵漏、降温及其综合防治技术，共同发挥作用来实现防灭火的目的。
1.1.1惰化防灭火技术
惰化技术主要是指将惰性气体送入拟处理区，抑制煤自燃的技术。主要用在当发生外因火灾或因煤自燃火灾而导致的封闭区。我国研制了燃油型DQ－150、DQ－1000型惰气发生装置，装备了我国煤矿救护队，成为灭火救灾的重要设备。此外还研制了BGP－200型高倍发泡机以及YZWP－180型惰泡发生装置。
近年来，注氮防灭火技术已在我国煤矿迅速推广应用。除部分煤矿用深冷固定制氮机组和管输下井注氮系统外，有些矿井开始装备近年来新研制的地面移动式碳分子筛变压吸附制氮机组（BXND－500型、KYZD－800型）、井下移动变压吸附制氮机组（JXZD－400)、膜分离制氮机组（KMDS－600型）等。由束管监测系统连续监测测定，确定采空区氧化、自燃、窒息三带宽度后，用埋管或打钻向采空区自燃带连续注氮，惰化自燃带，达到防火的目的。在扑灭巷道火灾中，建临时密闭后，向封闭区注氮气，使火区气体氧浓度降至10%以下可灭明火，降至1％－2%可快速灭火，燃烧深度大的火源，注氮量应达到火区体积的2－3倍。
1.1.2阻燃物质防灭火技术
阻燃物质防灭火技术主要是指将一些阻燃物质送入拟处理区，从而达到防灭火目的。除已作为常规防灭火措施使用的黄泥浆外，近年来发展起来的有粉煤灰、页岩泥浆、选煤厂尾矿浆、阻化剂和阻化泥浆等，已经得到较广泛的应用。
1.1.3堵漏风防灭火技术
工作面推过后，及时封闭和采空区相连通的巷道、无煤柱工作面顺槽巷旁充填隔离带、隔离煤柱裂隙注浆堵漏风等均属于堵漏风防灭火。我国近年研究了双料型高水速凝充填料和液压快速注浆设备，并进行了无煤柱工作面顺槽巷旁充填隔离带的试验，已获成功。还研制了KBJ一100/5, KBJ一50/3型速凝粉煤灰浆设备和注浆工艺，灰浆输送距离达800m，用于构筑永久密闭、煤壁裂隙、巷道高冒区灌注、胶结等作业。该设备和材料还可用于快速构筑密闭。
1.1.4灾变时期风流稳定、控制及救灾指挥技术
我国研究火灾时期风流稳定性和风流控制还处于建立物理数学模式进行通风网路解算和灾变风流模拟的阶段，未达到实用化阶段。近年来还开展了救灾专家系统的研究，试图将众多防灭火专家的技术经验，经计算机软件形成人工智能，组成救灾专家决策系统，以便在各火灾发生时快速选择救灾方案，避免人为因素的片面性。由于该研究的工作量大、难度大，还没有正规产品间世。自动防火监控风门、自控防火水幕也是开发研究的内容，已达实用化阶段。
1.2火灾的预测预报技术
1.2.1煤自然发火危险性的判定
20世纪80年代前，煤自然发火危险性的判定沿用前苏联的着火温度法鉴定煤自然发火倾向，其结果和开采后证实的情况基本相符，但对于高硫煤差异较大。
近年来，研究色谱动态吸氧法测定吸氧量和吸氧速度，判定自然发火倾向，并研制了ZRJ－1型色谱自燃性测定仪，在煤矿已推广使用。
在研究煤的自然发火期及其影响因素中，近年来采用了2种技术途径：一是用煤堆实验装置在模拟条件下测定并解算发火期；二是测定煤的吸氧速度、氧化反应速度，以热传导及热平衡原理推算最短自然发火期，并结合地质、开采、通风等影响因素的修正系数确定煤的发火期。
1.2.2自然发火预测预报
(1)预测预报指标
过去矿井火灾预测预报指标主要采用CO，但最新研究表明CO已不是在任何情况下都可作为惟一的和最灵敏可靠的判别煤自燃火灾的指标。最新的研究结果为：使用CO、C2H4及C2H2 3个指标，综合地将煤自然发火分为3个阶段：①矿井风流中出现10-6级CO时的缓慢氧化阶段；②出现10-6级CO和C2H4时的加速氧化阶段；③出现10-6级CO、C2H4和C2H2的激烈氧化阶段，此时即将出现明火。应用这3个指标，不仅可预测火灾，而且还可判别其阶段，据此而采取不同的防灭火技术措施。本项技术已在较多矿井中得到应用，但对不同的煤层必须分别进行模拟实验，优选其指标的具体应用值，才能正确地应用该项技术。
(2)预测预报手段
预报自然发火的手段，在20世纪70年代前是用井下人工采气样、地面仪器分析，并结合温度检测和人的感知来判断发火危险性。80年代煤矿普及气相色谱分析方法，并研究应用束管监测系统抽吸井下气体、地面集中分析、微机自动数据处理和预报自然发火。束管监测系统已成为工作面自然发火预报和采空区注氮防火的主要监测手段。
1.2.3外因火灾检测系统
我国煤矿近年曾发生胶带输送机或机电硐室火灾，并造成重大经济损失或人员重大伤亡。为此，近年相继开发出几种装置和仪器设备，如煤炭科学研究总院重庆分院研制开发的KHJ－1型矿井火灾监控系统及自动灭火装置以及MPZ－1A型胶带输送机自动灭火装置，它们由速差、温度、烟雾、紫外线、热敏电缆等5种传感器和电源控制箱联接，控制箱由单片微机实现监测控制、智能判断、控制喷洒泡沫或水喷雾灭火，为我国煤矿外因火灾的预测预报及防治增添了新的手段和能力。这些系统都是我国自己研制开发的产品，适应我国的具体情况，可供有关矿井选用。[page]
2、煤层自然发火机理
2.1煤体自燃的起因和过程
煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化的物理化学过程，其实质就是一个缓慢地自动放热升温最后引起燃烧的过程。该过程的关键有两点：一是热量的自发产生；二是热量的逐渐积聚。
导致煤在常温下产生热量的因素很多，如水对煤的润湿热、煤分子的水解热、煤中含硫矿物质水解及氧化热、煤中细菌作用放出的热量、煤对氧的物理吸附热、煤对氧的化学吸附热以及煤与氧的化学反应热等等。这些因素对于煤体自发产生热量都起着一定的积极作用，在某些条件下甚至是决定性的作用。但大量的研究工作发现煤的自燃主要是由煤氧复合作用放出热量而引起，煤与空气接触后首先发生煤体对氧的物理吸附，之后又发生煤氧化学吸附和化学反应。
导致煤体自燃除热量的自发产生之外，另一关键要素就是自发产生的热量被逐渐积聚。煤体自燃所需热量的积聚不但与煤氧复合作用放出热量有关，还与煤体的散热条件有关。实际条件下，煤体的放热与煤体表面活性结构种类和数量、煤体的温度、氧气浓度等因素有关；自燃煤体的散热条件则主要包括煤体的空隙率、漏风强度以及周围环境的温度等。当煤体的放热量大于煤体的散热量时，煤体热量被积聚，煤体温度上升；当煤体放热量小于散热量时，则煤体温度保持稳定。煤体热量积聚过程，也就是煤体自然的发展过程，而自燃正是煤体放热与散热这对矛盾运动发展过程的结果之一。
综上所述，煤自然发火主要是由空气渗透进入松散煤体，空气中的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生物理吸附、化学吸附及化学反应，同时放出热量，在一定的蓄热环境下，煤体不断地氧化、放热、升温，当煤温超过临界温度后，煤体继续升温，达到煤的着火点温度，最终导致煤体燃烧。
巷道在掘进过程中，煤体暴露于新鲜空气中，在采动压力作用下受压而破碎、离层，风流在各种动力作用下渗透进入煤体，使煤体氧化放热。当煤体放热速率大于周围环境散热速率时，引起升温，最后导致自燃。由于巷道煤层所处位置、松散煤体堆积形态、漏风动力、散热条件等与一般煤层不同，具有自己的特性，尤其是综放无煤柱开采。因此，巷道煤层自燃除了具有一般煤层自燃的共性之外，还有自己的特性。
2.2煤层自燃特点
2.2.1由于受煤矿开采条件及采煤工艺的限制，工作面布置走向长度大，上千米煤巷采用综掘一次完成，因而巷道煤体暴露于空气的时间较长，一般均超过煤层最短自然发火期。
2.2.2巷道内因火灾大多起始于距巷道表面一定深度的中部。在采动压力的作用下，暴露面处的煤体破碎程度较大，漏风阻力小，漏风强度较大，超过引起煤自燃的上限漏风强度，热量不能积聚，无法形成自热高温点；离暴露面较远的深部煤体，由于漏风通道不畅通，漏风阻力较大，氧气渗透到该处时浓度已很小，低于煤自燃的下限氧浓度，处于窒息状态，亦无法形成自热高温点；而在距暴露面一定深度的中部，漏风强度适中，风流速度慢，氧气浓度适宜，最容易满足煤自燃的条件而形成自热高温点。
2.2.3煤体导热性差，火源隐蔽，往往是在发现巷道煤体表面温度异常时，内部火势已形成。自燃火源点逆着风流方向发展，有害气体顺着风流方向流动，有时只见有毒有害气体而不见明火，使寻找火源点的工作非常困难。
2.2.4巷道外因火灾，火势发展迅猛，很快就会形成大火，但只要氧浓度小于12％火势就熄灭。在发火初期只有着火处煤温很高，由于煤（岩）体导热性差，周围煤（岩）体的温度升高缓慢，煤体的热容量小，因此出现外因火灾初期，火势易于扑灭。巷道松散煤体自燃火灾则不同，它是煤氧结合放出热量引起自然升温而形成的火灾，由于煤体的长期氧化，逐渐地向周围煤（岩）体散热，同时自身热量也逐渐积聚，煤（岩）体温度升高，储存了很大的热能，火源点周围煤（岩）体的温度很高，欲降低如此大范围高温煤（岩）体的温度难度很大，且易使暂时扑灭的火灾复燃。
2.2.5井下巷道属于半封闭空间，煤自燃产生的有毒有害气体和灭火时产生的水蒸气等只能朝一个方向移动，救灾人员工作空间回旋余地小，给救灾人员带来很大威胁。
2.2.6厚煤层综放开采顺槽沿底板掘进，巷道顶煤自然发火较多，火源位置高。顶煤受矿压和采动影响，易破碎离层；有些煤层煤质松软，掘进过程中时常冒顶形成空洞区；有的上分层已采，下分层采用综采放顶煤技术，由于煤层起伏变化、中间煤层破碎等原因，使综放顺槽与顶部采空区连通。
2.2.7无煤柱开采留小煤皮的沿空巷道与邻近层采空区连通，火源沿巷道顶板及沿空侧（或顶部）采空区发展迅速，火势控制困难。
2.2.8两道顶煤在回采前破碎区已受到长时间的氧化升温，由于端头顶煤放出率低，该顶煤垮落采空区后，产生5－8m宽的丢煤带，采空区这2条遗煤带相对其他地点温度更高，自然发火期缩短；当接近停采线时，为了撤架而不放顶煤，使得采空区形成较大面积悬空，且留有大量浮煤，而撤架时间又较长，使自燃性增强。当相邻综放面沿空送巷和回采时，由于一次采落煤层厚度大，采动影响范围广，相应漏风量增加，容易引起巷道自燃火灾。
2.2.9巷道自然发火主要发生在巷道高冒区、地质构造带、煤体破碎带、裂隙发育之处，以及巷道有突变的区域（巷道变形、起伏、扩大、缩小、转弯、分叉、汇合及巷道内安设风门、风窗、风嶂、堆放杂物等）。这些区域漏风强度变化较大，浮煤易自燃。
2.3煤自嫩的危险区域
2.3.1采空区遗煤带
工作面开采初期，以工作面开切眼附近采空区为主；工作面开采过程中，以靠近工作面顺槽的相邻采空区遗煤带为主；工作面停采撤架期间，以停采线附近采空区为主。
2.3.2巷道顶煤
极易自燃区为煤巷顶板局部高冒区、煤巷地质构造破坏区、煤巷起坡破碎区、煤巷煤柱沿空侧废弃硐室及开切眼、停采线；易自燃区为煤巷地质构造轴部破碎区、巷道硐室及溜煤眼、煤巷顶部破碎区、工作面回采期间煤巷超前变形区；可能自燃区为煤巷上帮中部破碎区、煤巷上帮上部破碎区、煤巷下帮破碎区。[page]

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