1、专题部分综放工作面自然发火问题的研究与防治技术摘要：煤层自燃发火防治是综合机械化放顶煤开采过程中的一大技术难题，特别是自燃发火周期短，瓦斯含量大的特厚煤层尤为严重。由于煤层自燃的特点及矿井的实际条件，单一的技术手段难以取得理想的效果，往往需要多种技术的综合应用。文章主要概述我国矿井煤层自燃发火防治技术的发展现状，介绍厚煤层综放工作面自燃发火防治技术。关键字：矿井火灾；综放工作面；自燃发火；隐患点；防灭火技术。Spontaneous Combustion in Working Face Research and Control TechnologyAbstract: The coal layer
2、 control is mechanized top coal caving process of a major technical difficulties, especially in a short period of spontaneous combustion, gas content in large seam is especially serious. Because the characteristics of coal spontaneous combustion and the actual conditions of mine, a single technical
3、means difficult to obtain the desired results, often requires an integrated application of multiple technologies. Paper mainly outlines the prevention of spontaneous combustion in China coal mine technology, state of research and thick seam spontaneous combustion prevention technology. Keywords: min
4、e fire; caving face; spontaneous combustion; hidden points; Fire Fighting Technology. 0概述：矿井火灾是煤矿安全生产的主要灾害之一。煤矿井下一旦发生火灾，火势发展迅速，变化复杂，影响范围广，往往造成的人员伤亡和财产资源损失，甚至引发瓦斯煤尘爆炸，使灾害的程度和影响范围相应扩大，酿成更大的灾害。根据相关部门对全国统配煤矿和重点煤矿火灾事故的不完全统计，我国煤矿自燃发火非常严重，有56 %的煤矿存在自燃发火问题，而我国统配煤矿和重点煤矿中具有自燃发火问题危险的矿井占47 %，矿井自燃发火又占总发火次数94 %，其
5、中采空区自燃则占火灾总数的60 %。随着煤层厚度的增加，自燃发火频率增加，厚煤层自燃火灾发生次数占84 %。尽管当前矿井防灭火技术有了很大的发展，但是任然难以杜绝矿井火灾的发生，因此，做好易自燃厚煤层综放工作面的防灭火工作对保证整个矿井安全生产有着重要的作用。1 煤层自然发火防治技术的发展现状1.1 煤的自燃假说对于煤炭自燃的起因和过程，在长期的探索和争论中，学者们提出了一系列的论点和学说来阐述煤的自燃。1686年，英国学者普洛特（Plot）发表了第一篇有关煤自燃的论文，他认为煤中含硫化物的氧化造成煤堆自燃的原因。其后的几百年中，为了为解释煤炭自燃的起因，各国学者先后提出了各种假说，主要有黄铁
6、矿作用、细菌作用、酚基作用、自由基作用、煤氧复合作用等假说，其中每样复合作用假说现已被国内外广泛认同。煤氧复合作用假说认为煤自燃的主要原因是煤与氧气之间的物理、化学复合作用的结果，即煤在常温下吸收了空气中的氧气，产生低温氧化，释放微量的热量和初级氧化物；由于散热不良，热量聚积，温度上升，促进了低温氧化作用的进程，最终导致自燃发火。 随着科学研究手段的越来越先进和对煤炭微观结构的不断深入了解，一集认识到煤氧复合反应并非单纯的一个结果和一个反应，而是多种结构多步反应混杂进行。到目前尚没有根据低温下煤氧复合过程测算氧化产物及放热量的系统方法，还不能准确回答媒体自然过程中产生的CO、CO2、烷烃、烯烃
7、、低级醇、酚等气体成分是如何生的等一系列问题，因此，煤氧复合作用还只是解释煤自燃的一种假说。尽管如此，该假说还是揭示了煤炭氧化生热的本质，成为指导人们防治煤炭自燃工作的重要依据。1.2煤炭自然发火防治技术的发展现状1.2.1 煤层自燃发火处理方法1.气体分析法气体分析法是以煤自燃发火过程中的气体产物规律来预测预报煤自燃发火的过程。气体分析法在过去相当长的时间内采用的是单一CO 指标,但研究表明,CO 指标与煤矿自燃发火过程的分段性对应关系差,受现场影响因素干扰较大,因此现阶段逐步发展为以CO、PH、链烷比、烯烷比等为主要指标的综合预测预报体系。气体分析法在20 世纪70 年代前,大多数采用人工
8、取样进行分析。2.气味检测法2005 年,日本等国研制成功一种气味传感器,并将这传感器用于日本太平洋煤矿井下煤自燃发火的早期,取得了初步成效,开辟了煤自燃发火预测预报气法的新领域。我国煤炭科学研究总院抚顺分院与海道大学、日本能源中心、日本太平洋煤矿合作,矿务局老虎台煤矿以气味检测法为中心开展了煤发火综合防治技术的研究,研究结果表明传感器能捕捉煤低温氧化初期释放气味微弱时煤温比CO 提前2030 。气味检测法不但能检测出煤化初期释放气味的微弱变化,借助于人工神经网分析,还能识别不同物质(如胶带、坑木、煤炭) 燃烧时所释放的气味。1.2.2 煤层自燃发火预测法1.外因火灾的防治我国煤矿外因火灾中以
9、胶带输送机火灾最为严重。近年来,随着我国煤矿生产机械化程度的不断提高,胶带输送机在煤矿运输中所占的比例越来越大,胶带输送机发生火灾的危险性也相应增加,其灾害程度也呈日益严重的趋势。我国先后研制出多种胶带输送机火灾检测和自动灭火装置 ,但仅是对其重点发火危险部位35 个点进行监测,而且不能准确定位。另外,其对温度的监测也只是定温感测(通常为70 左右) ,不能实时地反映异常点的温度。如DFH 型、DMH 型、KHJ - l 型、MPZ - 1 型矿用胶带输送机自动灭火装置等都属于此类。九五期间,我国煤炭科学研究总院抚顺分院开发研制成功了胶带输送机火灾监测系统,该系统由地面总站、井下基站和井下检测
10、分站、测温电缆等组成,每台分站可检测112 个测点,每个基站可管理14 个分站,总站可以同时监测井下8 台基站的数据,整个系统最大测点数为12 544 个。2.内因火灾防治技术内因火灾防治技术的基本出发点是消除或破坏煤自燃发火的3 个基本条件。由于出发点不同,相应的技术措施也不同。如堵漏风防灭火技术是降低煤自燃氧化的供氧量;阻化防灭火技术是通过阻化物质改变煤本身的自燃氧化性能,延缓和彻底阻止煤自燃发火的进程。另外,从煤自燃发火期的角度出发,加快工作面的推进速度,缩短采空区浮煤在氧化自燃区域(通常指氧化自燃带) 内停留的时间,使其在最短自燃发火期内推移到窒息带之内,这也是矿井生产中通常采用而且十
11、分有效的防火措施。2 易自燃厚煤层的一般特性2.1 煤炭的自然过程根据相关研究成果，认为煤炭的氧化与自燃是基链反应，一般将煤的自然过程非为3个阶段，即潜伏期、自热期、自燃期。如图2.1所示图 2.1 煤的自然发火过程1. 潜伏阶段。煤自燃的准备阶段即煤的低温氧化过程，又成潜伏阶段。准备阶段的长短取决于煤的编织过程和外部条件，如褐煤几乎准备阶段，而烟煤则需要一个相当长的阶段。潜伏阶段的特征是：煤的表面生成不稳定的氧化物(OH、COOH等)，氧化放出的热量很少，能及时放散，煤温和巷道空气温度不变，但是煤重略有增加，被活化，着火温度降低。2. 自热阶段。经过潜伏阶段，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物
12、先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化产生得热量使煤温上升，当温度出熬过临界温度T1=6080 时，煤温急剧增加，氧化加剧，煤开始出现干馏，生成碳烃化合物、氢气、一氧化碳、二氧化碳等火灾气体，煤呈赤热状，当达到着火温度以上时便燃着。这一阶段为媒的自热阶段，有称自热期。自热阶段的发展有两种可能，一种是煤温持续上升到着火温度（T2）导致自然（煤的着火温度因煤种的不同而不同，见表2-1）；另一种发展是由于外界条件的变化不可能聚热，使煤体温度降下来，或者空气中氧含量降低，氧化过程逐渐终止，煤将不会发展到自然阶段，而进入风化阶段。3. 稳定燃烧阶段。这一阶段是煤从低温氧化发展成自燃的最后一个阶段。主要特
13、征是：空气中氧含量显著减少，CO2的数量数倍增加，同时由于燃烧不完全和CO2受热分解而产生更多的CO，巷道中出现浓烈的火灾气体和烟雾，有时还出现明火，火源温度达1000 。表2-1 煤和木材的着火温度（含氧量21%）材 质着火温度/褐煤、木材烟 煤贫瘦煤、无烟煤250300350650800从煤的自燃发张过程可见，煤自燃实质是其自身氧化速度加速的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外界放散而导致了自然。煤的氧化进程即可在常温下发生，也可以在高温下进行，伴随氧化过程的发展，其周围空气中的氧含量必然降低。没得氧化进程可以人为地使之减速或加速（如过氧化氢），掺入碱类化学物质可以加速；缠绕氯化
14、物（如工业氯化钙）可以抑制煤的氧化过程。2.2 影响煤炭自燃发火的因素2.2.1 煤炭自燃的内因1. 煤的变质程度。各种牌号的煤都有发生自燃的可能，但在褐煤矿井，煤化程度低的一些煤层自燃发火的次数要多一些。烟煤矿井中开采煤化程度最低的长焰煤和气煤的自然危险性较大，贫煤则较小。在煤化程度高的无烟煤矿井中自燃发火较为少见。所以可以认为，煤化程度越高的煤，自然倾向性越小，但是不能以煤化程度作为判定自然倾向性的唯一标志。2. 煤的水分。煤中水分是影响其氧化进程的重要因素。在煤的自热阶段，由于水分的生成与蒸发必须要消耗大量的热，而煤体中外再水分没有全部蒸发之前很难上升到100 ，这就是水分大的煤炭难以自
15、燃的原因。但是，煤中的水分又能充填于煤体微小的空隙中，把氮气、二氧化碳、甲烷等气体排除，当干燥以后对煤的吸附起活化作用。水分的催化作用随煤温的增高而增大，所以煤堆在雨雪之后容易发生自燃；井下灌浆灭火，疏干之后自然现象更为强烈。另外，对于含有黄铁矿的煤层，水分是促使黄铁矿分解不可少的条件。从这方面来看，水分有利于煤炭自燃的发生。3. 煤岩成分。煤的岩石化学成分有丝煤、暗煤、亮煤和镜煤。他们有不同的氧化性，具有纤维构造而使表面吸附能力很高的丝煤在常温下吸氧能力极强，燃点低（仅为190270 ），可以起到“引火物”的作用。所以含丝煤越多，自然倾向性就越强；相反，含暗煤越多，越不易自燃。4. 煤的含硫量。同牌号的煤中，含硫矿物（如硫铁矿）越多，越易自燃。着是由于煤中所含的黄铁矿在低温氧化时生产硫酸铁和硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变的松散，增大了氧化表面积，同时黄铁矿氧化时放出的热量也促进了煤炭自燃。5. 煤的孔隙率和脆性。煤炭孔隙率越大，氧气就越易渗入煤的内部。变质程度相同的煤，脆性越大，越易自燃，因为没的脆性大小与该种煤炭是否易于破碎和形成煤粉有关。完整没煤体一般不发生自燃，一旦呈破碎状态则使煤的的吸氧表面积增大，燃点明显降低，使其自燃性显著
