太原理工大学矿山安全学讲义2

2020/1/13、煤炭自燃理论；2、煤炭自燃预测预报；3、防灭火技术4、均压防灭火；5、火灾时期风流控制2020/1/13第十章矿井火灾防治第一节概述一、火灾与矿井或煤田火灾的概念在矿井或煤田范围内发生，威协安全生产、造成一定资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故，称之为矿井或煤田火灾。二、矿井火灾的类型及其特性１、按引火原因分类１）内因(自燃)火灾。2）外因火灾。２、消防分类Ａ类火灾:,煤炭、木材、橡胶、棉、毛、麻等含碳的固体可燃物质Ｂ类火灾，指汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醇、丙酮等可燃液体Ｃ类火灾，指煤气、天燃气、甲烷、乙炔、氢气等可燃气体。Ｄ类火灾，象钠、钾、镁等可燃金属燃烧形成的火灾。2020/1/13第一节概述３、其它分类方法。还有按火源特性，可分为原生火灾与再生火灾；按火源产生的位置，可分为井上火灾与和井下火灾等。三、防灭火研究的内容煤矿火灾防治是一项系统工程，其理论与技术的研究内容应围绕一个目标和三个问题。2020/1/13第二节矿井外因火灾及其预防一、物质燃烧的充要条件１、必要条件----可燃物、助燃物、高温能量火源。２、充分条件----三个必要条件同时存在，互相作用；Q生Q散煤矿常见的外因火源主要有以下几种：１）电能热源：２）摩擦热。３）放明炮、糊炮等。4）明火（高温焊碴、吸烟）。二、外因火灾的预防1、我国的消防方针----预防为主，消防结合2、防火对策-----矿井火灾的防治可以采取下列三个对策：１）技术(Engineering)对策(1)灾前对策----防止起火、防止火灾扩大(2)灾后对策----报警、控制、灭火、避难２）教育（Education）对策-----知识、技术、态度３）管理（法制(Enforcement））对策----制定各种规程、规范和标准，且强制性执行。这三种对策简称“三Ｅ”对策。前两者是防火的基础，后者是防火的保证。2020/1/13三、预防外因火灾的技术措施预防火灾发生有两个方面：一是防止火源产生；二是防止已发生的火灾事故扩大，以尽量减少火灾损失。（一）防止火灾产生1、防止失控的高温热源产生和存在。按《煤矿安全规程》及其执行说明要求严格对高温热源、明火和潜在的火源进行管理。2、尽量不用或少用可燃材料，不得不用时应与潜在热源保持一定的安全距离。3、防止产生机电火灾。4、防止摩擦引燃（１）防止胶带摩擦起火。胶带输送机应具有可靠的防打滑、防跑偏、超负荷保护和轴承温升控制等综合保护系统；（２）防止摩擦引燃瓦斯。5、防止高温热源和火花与可燃物相互作用。2020/1/13三、预防外因火灾的技术措施（二）防止火灾蔓延的措施限制已发生火灾的扩大和蔓延，是整个防火措施的重要组成部分。火灾发生后利用已有的防火安全设施，把火灾局限在最小的范围内，然后采取灭火措施将其熄灭，对于减少火灾的危害和损失是极为重要的。其措施有：1、在适当的位置建造防火门，防止火灾事故扩大。2、每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库。3、每一矿井必须在地面设置消防水池，在井下设置消防管路系统。4、主要通风机必须具有反风系统或设备，反风设施并保持其状态良好2020/1/13第三节煤炭自燃的理论基础一、煤炭自然机理主要的有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧化合学说等二、煤的氧化特性1、所有品种煤在常温下都吸氧，但吸氧速度不同。2、煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比，即dm/dτ＝ＵＣ３、在温度不变条件下，吸氧速度常数随时间按指数规律衰减，即Ｕ＝Ｕ1τ—H４、吸氧速度常数Ｕ与煤自身温度之间符合幂函数关系５、煤在氮气中加热后再冷却可使它的活性增加，并有重新恢复到原有活性的可能。６、吸氧速度常数Ｕ与粒度之间成复杂关系2020/1/13三、自燃发火与自燃发火期自燃发火：有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触发生氧化，产生热量使其温度升高，出现发火和冒烟的现象(1)明火、冒烟、火炭；(2)T70℃；(3)CO、C2H4等超临界值并上升自燃发火期：从煤层被开采破碎接触空气之日起，至出现自燃现象或温度上升至燃点为止所经历时间。以月或天四、煤炭自条件1、具有自燃倾向的煤被开采后呈破碎堆积状态.2、有较好的蓄热条件。3、有适量的通风供氧。4、上述三条件共存的时间大于煤的自燃发火期。2020/1/13、煤的自燃性能1）煤的分子结构。2）煤化程度。煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低。3）煤岩成分。镜煤亮煤暗煤丝炭4）煤中的瓦斯含量。它类似用惰性气体稀释空气对氧化发生的影响5）水分。既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。6）煤中硫和其它矿物质，煤中含有的硫和其它催化剂，则会加速煤的氧化过程。2、开采技术矿井的开拓方式、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、通风系统和技术管理等开采技术和管理水平，对自然发火起决定性影响。1）矿井开拓方式和采区巷道布置。2）回采方法和回采工艺，但其决定的因素是回采率和工作面推进速度2020/1/13、影响采空区自燃的因素１）采空区三带划分对于后”U”通风系统(一源一汇)的采空区，按漏风风速、采空区氧气浓度、采空区遗煤温升速度和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带散热带：L1=5~20m,由于自由堆积，空隙漏风大，Q生Q散，自燃带：L=20~70m，空隙、漏风小，Q生Q散窒息（不自燃）带Ⅲ：漏风小，氧气浓度低ⅠL1ⅢL2WⅡ2020/1/13划分三带的指标有三种：①采空区漏风风速V（V0.9m/s为散热带；0.9≥V≥0.02m/s为自燃带；∨＜0.02m/s为自窒息带。）；②采空区氧浓度（C）分布（认为C＜8%为窒息带，C≥8%为自燃带）；③采空区遗煤温升速度（dt1℃/d为自燃带）。由于缺少深入的理论研究和试验结果，此指标目前尚难以应用。２）采空区遗煤自燃的条件及其影响因素设自燃带的最大宽度为L1+L2，工作面的推进速度为V，自然发火期为τS，在自燃带内煤暴露于空气的最长时间为τ(月)，则τ＝(L1+L2)/V当:τS≤τ时，可能发生自燃。2020/1/13、漏风在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方面的作用：一是向煤提供氧化所必须的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。苏联学者等研究表明，采空区及煤柱的漏风强度在0.1～0.24m3/(min.m2)时容易自然发火。有的作者认为不会导致自燃的极限风速低于０.０2～0.05m3/(min.m2)；封闭采空区密闭墙漏风压差在300Pa、漏风强度在０.02～1.2m3/(min.m2)时容易自然发火的[136]。因此，有一定局限性。但对我们研究自燃问题是有参考价值的。把风速控制在易燃风速区之外，是从通风的角度预防自然发火的原则。5、地质因素地质因素主要有：１）倾角。２）煤层厚度。３）地质构造。在有地质构造的地区，自燃危险性加剧。４）开采深度。2020/1/13六、煤的自燃过程及特点１、潜伏（自燃准备）期：以物理吸附，煤温开始升高，无宏观现象，２、自热阶段：自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化生成热量逐渐积累、温度自动升高的过程。３、自燃阶段：煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧（风），则发生燃烧，出现明火。4、熄灭：降到燃点以下，潜伏期自热期自热期风化燃烧时间温度TC=70TB2020/1/13第四节矿井火灾预测和预报根据煤田地质勘探或在矿井开采的过程中，所采集的煤样的分析化验结果和自然发火的统计资料，判定待开采煤层的自燃严重程度及其在空间上的分布规律，为有针对性制定防灭火措施提供可靠的依据。一、煤层自燃倾向性的鉴定方法《煤矿安全规程》执行说明规定采用吸氧量法。30度常压下吸氧量等级自燃倾向等级挥发分18%挥发分18%硫含量Ⅰ容易自燃≥0.7≥1.0≥2.0%Ⅱ自燃0.41~0.71.0≥2.0%Ⅲ不易自燃≤0.42.0%2020/1/13二、煤层自然发火期的估算方法及其延长途径1、煤层自然发火期的估算（１）统计比较法----生产矿井，揭煤统计，分煤层统计，以最短（２）类比法----根据地质资料，参照吸氧量鉴定，对照同类矿井２、延长煤层自然发火期的途径，其途径有：１）减小煤的氧化速度和氧化生热。２）增加散热强度，降低温升速度。三、矿井外因火灾预测矿井外因火灾预测是，通过井巷中的可燃物和潜在火源分布调查，确定可能产生外因火灾的空间位置，及其危险性等级。四、矿井火灾的预报根据火灾发生和发展的规律，应用成熟的经验和先进的科学技术手段，采集处于萌芽状态的火灾信息，进行逻辑推断后给出火情报告。2020/1/13主要有：1、利用人体生理感觉预报自然发火依靠人体生理感觉预报矿井火灾的主要方法有：１）嗅觉；２）视觉；３）感（触）觉。2、气体成分分析法1）指标气体及其临界指标能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期阶段特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体叫指标气体。2）常用的指标气体(1)一氧化碳（ＣＯ）(2)Ｇｒａｈａｍ系数ＩCO(3)乙烯。(4)其它指标气体。国外有的煤矿采用烯炔比（乙烯和乙炔（C2H2）之比）和链烷比（C2H6/CH4)来预测煤的自热与自燃。222265.0100O100ONCOCOICO△2020/1/13五、连续自动检测系统1、束管系统1）、采样系统2）、控制装置3）、气样分析4）、数据贮存、显示和报警２、矿井火灾监测与监控2020/1/13第五节开采技术防火措施一、矿井自燃火源的分布规律1、采空区。采空区火灾占50％以上。2、煤柱。3、巷道顶煤。4、断层和地质构造附近。二、开拓开采技术防火措施要求：(1)提高回采率(2)限制或阻止空气流入疏松煤体，消除供氧(减少漏风、减小压差)(3)漏风风速小于自燃风速2020/1/13主要技术措施有：1、合理地进行巷道布置(1)尽量岩巷，有利于均压，(2)区段巷道分采分掘；(3)无煤柱开采技术2、选择合理的采煤方法和先进的回采工艺，提高回采率，加快回采进度。3、选择合理的通风系统。4、坚持自上而下的开采顺序。5、合理确定近距离相邻煤层和厚煤层分层同采时两工作面之间的错距，防止上、下之间采空区连通。2020/1/13第六节灌浆与阻化剂防灭火一、灌浆防火灌浆就是把粘土、粉碎的页岩、电厂飞灰等固体材料与水混合、搅拌，配制成一定浓度的浆液，借助输浆管路注入或喷洒在采空区里，达到防火和灭火的目的。1、灌浆防灭火的机理机理：充填煤岩裂隙及其孔隙的表面，增大氧气扩散的阻力，减小了煤与氧的接触和反应面；浆水浸润煤体，增加煤的外在水份，吸热冷却煤岩；加速采空区冒落煤岩的胶结，增加采空区的气密性。2020/1/13（二）灌浆系统灌浆系统由制浆、输浆和灌浆三部分组成。1、浆液的制备1）浆液性能。对浆液性能的基本要求是，浓度适当，渗透能力强。水土比2）浆材的选取浆材必须满足一定的基本要求。３）浆液的制备工艺。２、浆液的输送1）输浆压力与输浆倍线输送浆液的压力有两种。一是利用浆液自重及浆液在地面入口与井下出口之间高差形成的静压力进行输送，叫静压输送；当静压不能满足要求时应采用加压输送。L----总长度，H----入出口高差，h—泵压力HLNhHLN2020/1/13）灌浆管道的选择