煤矿火灾防治新技术

煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室2016年7月28日煤矿火灾防治新技术罗海珠汇报提纲一、我国煤矿火灾现状分析二、煤矿火灾防治先进适用技术三、煤矿火灾应急救援新技术四、煤矿火灾防治技术展望一、我国煤矿火灾现状分析开采容易自燃、自燃煤层矿区分布广。全国130余个大中型矿区均受自然发火威胁；总体呈现北多南少的趋势。具有煤层自然发火倾向的矿井占54%。最短自然发火期小于3个月的矿井占50%以上。自燃火灾为主防治重点采空区一、我国煤矿火灾现状分析2013年吉林八宝事故，采空区自燃引发瓦斯爆炸，火区治理及密闭施工期间发生二次爆炸，共死亡53人2014年新疆大黄山事故，封闭自燃火区引发瓦斯爆炸，死亡17人次生灾害事故严重火灾引发瓦斯爆炸等次生灾害事故易造成重大伤亡。2012-2015年，共发生重大以上瓦斯爆炸事故19起，其中9起由火区（煤炭自燃）引发。防治重点火区一、我国煤矿火灾现状分析2012年，辽宁省阜新市青年煤矿井下电缆着火事故，造成5人死亡。2013年，河北省张家口市艾家沟煤矿井下压风机着火，13人死亡。2011年，山东省枣庄市防备煤矿井下空气压缩机着火，28人死亡。外因火灾时有发生2015年11月20日，龙煤鸡西杏花矿皮带着火，造成22人死亡防治重点电气设备、皮带、电缆一、我国煤矿火灾现状分析煤田火灾损失大量资源正在燃烧的煤田火区共有56处，总面积720km2，主要集中分布在新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、山西、内蒙古等7个省区。新疆煤田火区达39处，火区总面积605.6万m2，年燃煤损失量达776.95万吨。防治重点火源探测汇报提纲一、我国煤矿火灾现状分析二、煤矿火灾防治先进适用技术三、煤矿火灾应急救援新技术四、煤矿火灾防治技术展望二、煤矿火灾防治先进适用技术预防为主、持续监测、综合防治、安全施救•自燃倾向性•自然发火期•标志气体基础参数测试•采掘部署•防灭火系统•火灾监测系统系统设计•注浆防灭火•注氮防灭火•喷阻化剂•……综合防灭火技术----总体原则二、煤矿火灾防治先进适用技术自燃倾向性？煤层分类（Ⅰ类、Ⅱ类），专项设计、采掘部署要求、后退式开采……矿井分级建设综合防灭火系统，注浆、注氮……色谱动态吸氧法（GB/T20104）氧化动力学测定法----基础参数二、煤矿火灾防治先进适用技术自然发火期？特殊采煤工艺要求（未采取防火措施）水采区段划分、连续采煤机块段划分……自然发火期内回采结束并封闭一般采煤工艺要求（采取防火措施）最小安全推进度、合理防灭火工艺……常规方法：统计法、类比法、大煤样模拟新方法：基于热量平衡的快速测定方法----基础参数二、煤矿火灾防治先进适用技术自然发火标志气体？※≠单一CO指标！！！CO的24ppm是风流环境对人的健康指标，而非自然发火预测预报指标开采容易自燃和自燃煤层时，必须开展自然发火监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值……通常采用CO、C2H4、C2H2三种综合气体指标，分别对应缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化的三个阶段。其临界值应通过实验分析、现场考察进行确定----基础参数二、煤矿火灾防治先进适用技术•自然发火危险的矿井，应定期检查CO和其他有害气体情况。预测预报•开采容易自燃和自燃的煤层时，应建立自然发火监测系统。监测系统•火区封闭、管理及启封等过程中，应分析火区内气体成分。气体分析法律法规《煤矿安全规程》第180条、第184条、第261条、第271条、第279条、第280条等对矿井火灾预测预报及监测进行了相关规定。《煤矿安全规程》对自然发火监测系统的规定----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术煤矿火灾光谱束管监测技术----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术•监测主机置于煤矿井下，可就近安放本地检测•能够实现在线实时连续监测实时在线•监测主机具有数据分析功能，可实现爆炸危险、煤矿火灾预报、监测并报警就地分析•混合气体中的待测组分不受其他组分变化的影响；上限为100%，下限到1ppm；选择性好精度高•测定分析精确度高、速度快、周期短、稳定性好精度稳定性高火灾光谱束管监测系统优点煤矿火灾光谱束管监测技术----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术采空区开切眼停采线采样束管光纤至地面监控室光谱分析仪、抽气泵、预处理装置、光纤交换机将光谱检测装置放置在工作面终采线外的硐室内，将束管敷设至工作面回风隅角及采空区，利用负压抽气泵将需要检测的气体泵入检测装置，分析结果通过光纤上传至地面监控室。煤矿火灾光谱束管监测技术----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术成功应用到神华榆神公司郭家湾、青龙寺、山西离柳焦煤集团宏岩等煤矿。煤矿火灾光谱束管监测技术----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术分布式光纤测温技术分布式光纤测温技术利用光的拉曼散射效应测温，通过光时域反射OTDR技术进行定位，测温系统主要包括光纤解调主机与测温光缆两部分。发光器APD1光纤分路器光纤波分复用器光纤放大器APD2光电转换光电转换信号采集与处理系统测温光缆上位机LD驱动器同步控制光路电路----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术分布式光纤测温技术技术特点：与传统测温技术相比，分布式光纤测温技术具有本质安全、连续监测、传输距离远、测温范围广、定位精度高等特点煤矿内因火灾监测煤矿外因火灾监测系统可用于采空区内因火灾监测领域，随工作面推进，将钢管保护的铠装测温光缆埋设于采空区内，当采空区出现高温点和自然发火隐患时，即可实现内因火灾的分布式在线监测。系统可用于胶带输送机、矿用电缆、机电硐室的火灾监测当中，通过在监测位置直接铺设测温光缆，即可实现煤矿外因火灾的分布式在线监测。----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术分布式光纤测温案例2012年10月~12月，山东能源葛亭煤矿2313工作面采空区进行分布光纤自然发火监测。11月7日，采空区后方56m发现高温异常区域，通过采取采空区注氮、注浆等预防手段，成功消除自然发火隐患，保障了工作面安全回采。----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术微电子机械系统（MEMS）火灾监测技术力热电光化学其它微传感器模拟信号处理模拟信号处理模拟信号处理与其它MEMS的通讯/接口（光/电/磁）微执行器运动能量信息其它MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微电子机械系统的简称。MEMS技术是集微型传感器、微执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通讯和电源于一体，具有信息获取、处理和执行等多功能的完整微电子机械系统。----监测预警二、煤矿火灾防治先进适用技术微电子机械系统（MEMS）火灾监测技术系统微型化：体积小、质量轻、耗能低、响应时间短材料性能好：以硅为主要材料，其机电性能优良生产成本低：批量生产可以大大降低制造成本集成化程度高：多传感器集成于一体，形成微传感器阵列MEMS带式输送机火灾监测系统，红阳二矿现场应用。----监测预警无线接收基站无线温度传感器二、煤矿火灾防治先进适用技术我国煤矿普遍建立了以注浆、注氮防灭火方法为主，辅以其它方式的综合防灭火系统。注浆防灭火充填堵漏防灭火均压防灭火惰性气体防灭火阻化剂防灭火高分子材料防灭火三相泡沫防灭火燃油惰气灭火高倍数泡沫灭火地面固定式制浆系统井下移动式注浆系统----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术近水平浅埋深井上下联合注浆技术主要问题近水平煤层——浆液流动性差工作面范围大(300×5000m)——难以全覆盖工作面距离井口远（大于10Km）——倍线不足浅埋深近距离煤层群——上覆采空区自然重点区域井上下联合注浆----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术近水平浅埋深井上下联合注浆技术----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术主切眼辅切眼联巷联巷联巷回顺主切眼辅切眼运顺联巷联巷联巷主切眼联巷运顺回顺采空区采空区采空区上覆采空区上覆采空区上覆采空区切眼回顺主切眼辅切眼回顺主回撤通道上覆采空区浆体覆盖区域图例本煤层采空区浆体覆盖区域工作面正在开采工作面工作面地面钻孔（间距50m）地面钻孔上覆采空区开切眼区域进行补充注浆地面钻孔（间距50m）联合注浆技术应用案例——神东补连塔----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术地面钻孔注浆实景图----综合防治联合注浆技术应用案例——神东补连塔二、煤矿火灾防治先进适用技术辅运顺槽主运顺槽回风顺槽开切眼主回撤通道辅回撤通道本煤层采空区井下插管、埋管注浆：注浆管路埋设示意图停采线进风测300m范围埋管注浆利用回撤通道联巷密闭对停采线进行插管注浆开切眼预埋注浆管路注浆开切眼回风侧预埋300m管路注浆开切眼进风侧300m插管注浆停采线回风测300m范围埋管注浆----综合防治联合注浆技术应用案例——神东补连塔二、煤矿火灾防治先进适用技术应用效果2012年6月神东公司补连塔煤矿22305工作面上覆12煤采空区遗煤自燃，工作面封闭2个月，直接经济损失达1.6亿元。此后，在补连塔煤矿进行该项技术试验，至今未再发生自然发火事故，同时也可对下层煤开采时起到预防性作用。目前该技术已在神东公司、宁东等矿区成功推广应用。----综合防治联合注浆技术应用案例——神东补连塔二、煤矿火灾防治先进适用技术窒息作用CO2比空气密度大，向采空区注入CO2能够形成惰化带，使位于自燃带底部的遗煤完全被CO2覆盖。煤对CO2具有较强吸附作用，煤被CO2包裹，减少煤体燃烧体表面氧气浓度。大量的高浓度CO2的扩散会提高火区内气体静压，进而会降低火区的漏风量。冷却作降温作用液态CO2直接喷入火区空间会瞬间气化，吸收大量热能，温度急剧下降到-78.5℃，可使火源温度降低到着火点温度以下而停止燃烧。煤对CO2极易吸附的特点，在吸附过程中将吸附热转移给CO2气体，从而会遏止燃烧的连锁反应。液态二氧化碳防灭火原理液态CO2灭火技术----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术液态CO2灭火技术系统地面装备部分设置有液相管路系统和气相管路系统，其中液相系统将把贮液罐内的液态二氧化碳连续不断地供给气液转换器，使之气化；而气相系统则对气液转换器实施增压作用。地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统井下移动式液态CO2防灭火装置矿用液态二氧化碳直注式防灭火装备系统由液态二氧化碳储液罐、自增压调控系统、液相管路、气相管路、安全装置及控制阀门组成，并将以上设备安装在平板矿车上，以便井下运输。----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术液态CO2灭火应用案例陕西韩城小南沟矿井电缆火灾灭火，2010年7月17日20时10分，矿井副斜井井底发生电缆着火事故，导致木棚支架着火，导致28名矿工遇难，井下火势难以控制，大量烟雾溢出井口，井下救援工作无法进行，抢救5人后难以继续进行救援。救灾过程中发现3号煤层被引燃，并使局部巷道发生冒顶，风门3处着火。注液态二氧化碳管路风井主井副井回风眼着火区风门2风门1密闭1密闭22号平台风门3----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术液态CO2灭火应用案例20日16时：向密闭内压注液态二氧化碳20吨，烟雾量明显减少；21日09时：距副斜井井口170m处CO浓度高达1200ppm，能见度不到1m；21日16时：缩封至距井口110m处，压注液态二氧化碳80吨；22日09时：锁风启封，距井口230m巷道冒顶处着火冒青烟；22日20时：缩封至距井口110m处，压注液态二氧化碳75吨，控制和熄灭了火区；23日09时：矿井反风，救出全部遇难矿工，取得圆满成功。----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术高效阻化泡沫煤的自燃特性主要由煤中的非芳香结构中的烷基侧链、桥键和含氧官能团，其中甲基、亚甲基含量丰富，氧夺其氢就产生羟基（-OH），就启动了煤自燃过程。采用阻化离子消除煤中的这种关键活性结构，就能实现高效阻化煤自燃。----综合防治二、煤矿火灾防治先进适用技术高效阻化泡沫化学阻化剂作用后，煤中甲基、亚甲基明显减少，改变了煤的自燃特性。化学阻化剂的阻化效果较无机盐阻化剂提高了３倍以上。煤