第三章矿井火灾的预测预报

第三章矿井火灾的预测预报本章要点：1.掌握煤矿井下容易自然发火地点；2.掌握早期煤自燃的识别和预报方法；3.了解矿井安全监测系统的组成、监测传感器的分类及其动作；4.了解目前煤自燃隐蔽火源探测技术、掌握判定外因火灾火源分支的方法；第一节煤矿井下易发火地点采空区停采线和开切眼进、回风巷构造带通风设施附近认识煤自燃在发生地点方面的规律和特点为煤自燃的预测预报工作提供了较好的依据，现场人员可以对相关地点进行有针对性的监控，防患于未然。采空区采空区三带分布图Ⅰ不自然带（5m~25m）Ⅱ自燃带(25m~65m)Ⅲ窒息带采空区是煤矿井下较易发生煤炭自燃的区域之一，据统计，国有重点煤矿采空区内发生的煤炭自燃占煤自然发火总数的60%原因：采空区存在遗煤、工作面后方存在漏风从自然发火的角度出发将采空区划分为三带：“不自燃带”(散热带)、“自燃带”和“窒息带”采空区三带划分的原因不自燃带（散热带）该区域虽有遗煤堆积，但由于顶板冒落的岩块呈松散堆积状态，孔隙大，且漏风强度大，煤氧化放出的热量被及时带走而无法聚积，再加上浮煤与空气接触时间尚短，所以一般不会发生自燃。自燃带（氧化自热带）该区域由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，风阻增大，漏风强度减弱，遗煤氧化产生的热量不断聚积，并可能最终导致煤自燃的发生，故称自燃带。自燃带的宽度受顶板岩性、冒落岩石块度、压实程度、工作面端点通风压差等因素的综合制约。窒息带自燃带之后的大部分采空区为窒息带，该区域内冒落岩块已基本压实，漏风基本消失，氧气浓度下降而无法维持煤氧化自燃过程的持续发展。如果自燃带已经发生煤自燃，那么随着工作面的推进，自燃带进入窒息带后，已经发展起来的遗煤自燃会因缺氧而熄灭。另外，窒息带的岩石导热会使煤体在处于自燃带时蓄积的热量逐渐散失，遗煤温度将逐步恢复至正常水平。采空区控制自燃带的宽度和使自燃带快速进入窒息带的方法：加快推进速度，让自燃带快速进入窒息带防治煤自燃，这是最直接的方法降低工作面风阻或者进出口端点的通风压差；对采空区洒浆以填充其中的孔隙，注水促进再生顶板形成，增大采空区的漏风风阻。自燃三带的主要划分指标氧气浓度采空区漏风流速不自然带O2＞15%流速＞0.24m/min自燃带5%≤O2≤15%0.1m/min≤流速≤0.24m/min窒息带O2＜5%流速＜0.1m/min自燃三带的划分指标根据氧气浓度划分根据氧气浓度划分采空区“三带”是目前最常用的方法不自燃带：O2%＞15%。该区域具备充足的供氧条件，但由于漏风大造成煤氧化自燃初期产生的微小热量随风散失，煤的氧化过程始终停留在缓慢发展阶段，不易发生煤自燃现象。应该指出的是，以氧气浓度作为界定不自燃带和自燃带的指标，并不是因为氧气浓度大于某一特定值而不能自然发火，而是由于该区域的漏风风速过大带走了氧化生成的热量所致，因此不自燃带也常称为“冷却带”或“散热带”。自燃带：15%≥O2%≥5%。该区域既具备充足的供氧条件，又由于漏风量较小，氧化蓄热环境较好，煤的氧化自热过程得以持续进行，最终导致煤自燃的发生。窒息带：O2%＜5%。该区域由于缺氧，煤氧化自燃过程将无法进行。从图可以看出，按氧气浓度指标划分，采空区内存在明显的“三带”区域。山西大同忻州窑矿8916面采空区自燃三带的划分指标根据采空区漏风流速划分漏风流速划分采空区“三带”的依据参数主要通过计算机数值模拟得到根据采空区漏风流速划分的“三带”范围采空区的漏风强度能够在一定程度上反映自燃“三带”特性，但在现场实际测定过程中，由于采空区内设点困难、测量仪器精度不足、采空区风流方向的不可预见性等因素的影响，测定过程往往无法进行或结果可信度较低。因此，该划分标准一般不被采用。自燃三带的划分指标根据采空区温度划分除了以上两个采空区“三带”划分指标外，有人也提出了将采空区内的温度变化作为“三带”划分的依据。实际上，温度不宜作为划分“三带”的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都会上升到某一确定的值。一定条件下自燃带内的遗煤存在自然发火的可能性，但并不表现为很快会升温自燃，在一定时间内采空区内的温度不上升并不能认为“三带”不存在。因此，采空区内的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。采空区三带的测定1、采空区自燃“三带”划分依据：以氧气浓度为主，温度变化曲线为辅，参考其他气体变化曲线与采空区流速模拟分析。2、测点布置：全面布置法、局部布置法3、测定参数：温度、气体成分4、测定仪器：气体成分：束管、气相色谱仪、抽气泵、球心。温度：AD590恒流源温度传感器、热电偶、导线、测温仪表。5、取样：每日一次取样对气体成分，温度进行化验分析，同时记录回采工作面进度。6、分析：气体成分、温度曲线、O2曲线、CO曲线、采空区自燃“三带”图。局部布置法全面布置法束管气体测试抽气泵气体测试气相色谱仪气体测试为了防止测温线路、温度传感器和预设气体取样管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管，将测温导线和气体取样管置于保护套管内。保护套管的铺设一般按以下原则进行：①顺槽的保护套管沿回风顺槽铺设在上帮底部；②回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部溜子靠采空区侧。测试线路和传感器的保护1-2in保护套管；2-预设取样束管；3-测温导线；4-快速接头；5-热电偶；6-气孔；7-气体采样器气体成分测定记录表序号检测点取样时间气体成分（%）温度测点距工作面距离O2N2COCO2C2H6C2H2C2H412345CH4氧气浓度分析曲线工作面氧气浓度分布平面图氧气浓度分析曲线距切顶线距离（m）44.43.16.07.49.213.216.219.225.229.734.236.939.340.502468101214161820221#2#3$4#5#氧气浓度（%）工作面测点工作面氧气浓度分布立体图氧气浓度分析曲线工作面CO浓度分布平面图一氧化碳浓度分析曲线工作面CO浓度分布平面图0510152025303.11527.540.51#2#3#4#5#距切顶线距离（m）工作面测点CO浓度(ppm)工作面CO浓度分布立体图温度曲线分析工作面温度分布平面图温度分析工作面测点距切顶线距离（m）温度T℃2628303234363.19.21521.627.533.540.5453#5#4#工作面温度分布立体图温度分析采空区“三带”范围图三带划分采空区“O”形圈在工作面推进过程中，由于矿压作用，上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙，另一类为竖向破断裂隙，离层裂隙分布呈现两阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层率下降，而采空区两侧离层裂隙仍继续存在。在顶板任意高度的水平内，第二阶段时，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶的“O-X”形破断边界相似，称之为采动裂隙“O”形圈“O”形圈的范围大小与采空区顶板的岩性有关，顶板碎胀系数Kp值越大，顶板冒落越充分，压实带范围越宽，采空区易发火区域就越小。东滩煤矿采空区顶板碎胀系数对压实带的影响模拟计算图停采线和开切眼停采线和开切眼附近由于浮煤堆积量大、漏风严重等原因，往往容易发生煤炭自燃现象。据山东兖州矿区截止到2000年底的煤自然发火情况统计，该矿区7对矿井共发生自燃88次，其中停采线处20次，开切眼处2次，分别占自然发火总次数的22.7%和2.27%。据河南义马矿区1959~2004年的煤自然发火情况统计，停采线和开切眼处的自然发火次数占总次数的10%上区段停采线易自燃发火点示意图停采线和开切眼U型通风无煤柱后退式开采停采线图为无煤柱开采工作面采空区的气体流动状态图，从图中可以看出，引起煤炭自燃的主要原因是由于上区段停采线排风汇密闭不好，存在严重的漏风。漏入采空区的风流经过上区段采空区汇集形成漏风汇，其中A、B流线之间的风流速度变大，故使该区域形成一个适合浮煤氧化聚热的易燃风速区，并以环带状围绕漏风区，环带的两端分别与停采线和采空区上部边界相连。又由于靠停采线的一侧采空区气体氧气浓度较高，而另一侧氧气浓度较低，所以在停采线附近相对更容易发生自燃。上分层采空区进风顺槽回风顺槽下分层回采工作面上分层停采线上分层停采线漏风状况停采线和开切眼分层开采方式时，上分层的停采线采用分层开采方式时，上分层的停采线位于下分层回采工作面进风巷的始端与回风巷的末端之间，即处于采场通风系统的始末端，该处风压差最大，容易形成持续时间较长的漏风通道。另外，在准备或回采下分层工作面时，工作面的进风巷均在上分层采空区下掘进，因此，进风巷假顶也会向上分层采空区产生连续漏风。而停采线处往往存在大量的遗煤，其在漏风状态下构成煤自燃的危险源。停采线和开切眼分层开采方式时，上分层的停采线上分层采空区进风顺槽回风顺槽下分层回采工作面上分层停采线上分层停采线漏风状况上分层停采线处的漏风状态图，由图可知，靠停采线的一侧的流线和风压等值线较密集，这说明该处漏风量较大，漏风压差大。该区域内，漏风风流流线的间距是变化的，流线始末端较密集，即风流速度大；中段稀疏，即风流速度小。根据煤自然发火的条件，可知其中某处的风流能够为煤自燃的发展提供适宜的通风供氧和蓄热条件，即存在“易自燃风速区”。当漏风量较大时，“易自燃风速区”靠近停采线中点处，反之则位于靠近停采线端点处。考虑到井下瓦斯涌出的影响，新鲜风流从停采线端点漏入后，沿风流前进的方向，瓦斯浓度将逐渐升高。若瓦斯涌出量较小，对漏风氧气浓度影响不大的话，靠停采线两端的“易自燃风速区”均容易发生煤炭自燃，否则，沿风流方向停采线下端的“易自燃风速区”可能会因氧气不足而沿风流反方向后移甚至不发生自燃。停采线和开切眼开切眼综放开采时开切眼不放煤如果相邻的工作面进、回风巷向采空区的开切眼漏风邻近巷道的通道封闭不严，向采空区漏风工作面开切眼邻近巷道向开切眼漏风进、回风巷道进、回风巷道长期处于风流之中，也是煤矿井下易自然发火地点之一，这在个别矿区表现的尤为严重，如义马矿区1959~2004年期间共发生自燃火灾553次，其中发生在进、回风巷道的火灾218次，占火灾总数的39.4%；兖州矿区历年来统计结果的这一比例则为40.9%。根据发生原因的不同，工作面进、回风巷道的煤炭自燃又可分为保护煤柱自燃、巷道高冒区自燃和分层巷道假顶内自燃几种情况。进、回风巷道1、保护煤柱自燃留煤柱保护区段巷道或无煤柱护巷采用留窄小煤柱的沿空掘巷方式时，在采动压力和地应力的作用下，煤柱容易被压裂、破碎或坍塌，形成大量的浮煤堆积，加之工作面端头回柱后冒落不彻底，留下漏风通道，容易发生煤炭自燃现象。厚煤层采用分层开采方式时，这一问题更加突出。分层开采时，往往将各分层巷道倾斜布置，煤柱压裂破碎后形成的碎煤在区段平巷处堆积起来，构成煤自燃隐患的物质基础。另外，该开采方式在煤层底板中设岩石集中平巷，通过联络巷与各分层的区段平巷连结，工作面推过后，落入采空区的联络巷容易形成采空区的漏风通道，漏入的风流大部分通过垮落的区段平巷流向工作面，易使区段平巷处的堆积遗煤发生自燃，特别是区段平巷与联络巷连结的部位，更容易发生煤炭自燃。进、回风巷道2、巷道高冒区自燃综放工作面的巷道一般都是沿煤层底板掘进，巷道顶部有比较厚的煤体。矿山压力都较显著的地方，在巷道施工完毕后，煤体原有的压力平衡被破坏，造成局部压力集中，形成高冒区。存在破碎的煤破碎区、离层区和断裂下沉区；其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，大约有2m～3m的浮煤呈自然堆积状态存在，巷道中的空气可以通过该区域的裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面与煤发生氧化反应。暴露时间长高冒处的破碎煤体从冒顶形成以后就暴露在空气中，而该工作面剩余巷道的施工和煤层回采周期非常长，远远超过了煤的自然发火期，所以有足够的时间维持煤炭氧化自燃过程的发展。高冒易自燃的原因破碎区离层区断裂下沉区高冒区冒落各区分布示意图进、回风巷道2、巷道高冒区自燃《煤矿安全规程》（2010版）第二百四十三条规定在容易自燃