（安全技术及工程专业论文）崔家沟煤矿2207工作面采空区自然发火规律研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo nc o a is p o n t a n e o u sc o m b u s “o nr u i eo f2 2 0 7w o r k f a c ei nt h ec u i j i a g o um i n e s p e c i a i t y ：s a f e t y1 e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gz h i i 【a i i n s t r u c t o r ：w e iy i ns h a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 五四型i 盆 一， ( s i g n a t u 代) n l ec u i j i a g o um i n ei sl o c a t e di nj i a o p i n gd i g g i i l gr e g i o nw l l i c hb e l o n g st 0h o n g l o n gc o a l f i e l d i ti sa1 1 i 曲g 嬲g u s m n gr n i n e d u et ot l l ec o a ld e p o s i ta c c r e t ew i t l lo i lg 觞 t l ：l e r ea r e 弱m u c ha s5k i n do fd i s a s t e r sb ea c c o m p 锄y i n g 诵t l lr i l i m n g e s p e c i a l l y ，也e4 - 2 c o a ls e 锄g r e wi i lj u r a s s i cy a n a n 粤o u p ，w l l i c hi st h em o s te a s i l ys p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n a r l dt 量l e r eh a v eb e e nb e i i l gm a l l yc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd i s 嬲t e r ss i n c ei t s s t a n i n g t h e r e b y m ek e ys t u d yi nt h ep a p e ri s 捌n g 鹤f i 出i n gt 0c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n t h e r e s e a r c h 、o r kw o u l db e g i n 心o mv e n t i l a t i o ni l lw o r kf 砬e ，g 於d r a i n a g ea i l de x p l o i t i o n ，g a p 僦n p e r ；m 鹏锄di n d e xg a l s e so fs p o n t a l l e o u sc o m b u s t i o 玛d i s c o v e r 锄da l 】m y z et h e 仃o u b l e f a c t o r sf o rg a ps p o 廊吡e o u sc o m b u s t i o n1 1 i d d e n mi i l i m n gp r o c e s s t o s u 髓a r i z i n gt h es p e c i a l m l e so fs p o n t a 】n e o l l sc o m b u s t i o ni i lm um e c h a i l i z e dc a v i n gm i m n gc o n d i t i o n b 弱e do nt l l ea c n j a lp r o d u c t i o no f l et 1 1 e o 巧o nc o a ls p o n t a n e o u sc o n l b l i s t i o i l a n d a i m i n ga tt 1 1 eb a s i cm 证i n gc 讹u i 】：l s t 锄c eo ft h e2 2 0 7w o r kf a c e i i lc u i j i a g o um i n e ，f i r s t ，t h e d e t 锄i n a t i o nt l l e o 哆o fc o a ls p o n t 锄e o 惦c o m b u s t i o nz o n ei su t i l 娩e dt 0m a k eo u tm e t e c h n i q u ep r o j e c t ，s t u d y i n g0 nt l l er u l eo fg a ps p o n t 锄e o u sc o m b u s t i o ni i l2 2 0 7 、釉r kf i a c e t h es c c o n d ，t i l el o c a ld e t e m l i m 【t et e s ti sc a 玎i e do u tt 0c o i mn l e 蚀r e es 仃i p z o n e 、i t l lt l l e r e l a t i o nb e 扣e nv e n t i l a t i o nv o l m n et 0g a sp a r a m e t e r ，a l l db a s e so nt h el a wa ：b o u tt 锄p e r a t u r e c h a n g e sa j o n gd i s t a n c ei n s i d eg a p t h et 圭l i r d ，t t l et e mo fg a ps p l o n t 觚e o u sc o m b u s t i o nw 鹤 w o r k e do u tb yu s i i 培g r e ym e o 巧t 0r e l a t et l l ec o i l s i s t e n c eo fo dt 0t h em a r c l l i n gl e n g t l lo f 、o r kf a c e a tl a s t ，af 1 0 r e c 邪t i n gs y s t e mf o rd e f e n d i n gg a ps p o n t 锄e o u sc o m b u s t i o ni ss e tu p 晰n l p 越l l l l e t e i so ft e i n p e r a t u r e 锄ds u p e n ，i s i n gg a s e s ，w 1 1 i c hi sb a s e do nt h es t u d y i n gr e s u l ta b o v e a n dt h ed e f e n d i i 坞m e 嬲u r e si sp u tf o r v 删e l s et op r e v e n tg 印s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n k e y w o r d s ：p o n t 锄e o u sc 硼曲u s t i o no fc o a lt h r e ez o n e so fs p o n 锄e o u s w o r kf a c ep r e v e n tg a ps p o n t a i l e o u sc o m b u s t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：茹矗、凯月期：o f ，z 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阕。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：拓u 叁、钉l j 指导教师签名： 繇；f沟 2 4 年月l 日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景 煤炭自燃是我国矿井的主要灾害之一，长期以来严重威胁煤矿的安全生产和影响矿 井的经济效益。在我国国有重点煤矿中，存在有煤炭自燃的矿井占矿井总数的5 6 ，因 煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的9 0 9 4 。近年来，我国广泛开展高产高效 矿井建设，使生产效率大幅提高，但是同时也导致了采空区遗留残煤多、漏风严重，使 得自燃发火频繁，成为制约矿山发展的主要因素之一。因此，煤炭自然发火的危害及其 防治越来越受到关注。 我国煤炭产量的9 0 以上来自地下开采( 印度2 0 0 2 2 0 0 3 年地下矿煤炭产量不足 2 0 ，美国地下开采产量也不足5 0 ) ，开采的作业环境远比其它采煤国家复杂，安全 生产的制约因素很多。此外，我国煤矿瓦斯、水、火、煤尘、顶板“五毒俱全 ，治理 难度极大。据统计，我国国有重点煤矿中4 4 4 的矿井是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井， 自然发火危险矿井占5 1 3 ，煤尘有爆炸危险的矿井占8 7 4 ，水文地质条件属于复杂 或极复杂类型的煤矿占2 5 0 4 。小煤矿中高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井占1 5 以上，具 有煤尘爆炸危险的矿井占9 1 3 5 ，其中高达5 7 7 1 的矿井具有强爆炸性。 表1 11 9 9 9 屯o 鸲年间煤矿事故死亡人数统计表 从上述的统计数据可以看出，虽然煤矿事故的死亡人数有所下降，但是从整体上看， 安全生产形势依然严峻。2 0 0 8 年9 月2 0 日，黑龙江省鹤岗市兴山区富华煤矿发生一起 井下火灾事故，2 6 人遇难，经调查，初步判断造成这起事故的主要原因是煤炭自然发火 引起井下的火灾事故；2 0 0 8 年9 月2 5 日中午，贵州习水县新华煤矿井下发生煤自燃引 发火灾，经过消防官兵连续六小时奋战，终将自燃煤扑灭，从而避免了一场大的井下事 故。 煤炭自燃直接损失了大量的煤炭资源，危害着矿山安全生产，特别是通过大量有害 气体的传播直接污染了大气，恶化了区域生态环境，降低了当地居民的生活环境质量， 对区域社会经济发展和人类的生存和健康也有较大的潜在危险。对煤炭企业来说，煤自 燃的发生，极易造成矿井火灾。轻则影响生产；重则可能烧毁大量的煤炭资源和矿井设 备；更为严重的则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或自燃所产生的烟气污染整个矿井，酿成人员 西安科技大学硕士学位论文 伤亡的恶性事故。据初步统计，由于煤炭自燃导致的优质煤损失量已达4 2 亿吨以上，现 在仍以每年2 0 0 0 3 0 0 0 万吨的速度增加，而受其影响造成的呆滞资源储量每年超过2 亿 吨，由此导致的间接损失，诸如土地资源、自然生态环境和人文活动受到的影响更是难 以估计。目前，煤炭自燃已成为制约我国煤炭工业高产高效的主要灾害之一。 1 2 问题的提出与研究意义 煤炭白燃是一个极其复杂的动态变化过程，其实质是煤氧化生热热量逐渐积累使煤 体升温，氧化加速，最终达到着火温度引起燃烧的过程。采空区是煤炭自然发火最易发 生地点之一，特别是随着我国大量采用放顶煤开采技术，由于综放面推进速度相对较慢， 采空区一次冒落空间大，漏风严重，且端头支架处不放顶煤，在采空区两道遗留大量浮 煤，使得采空区遗煤的自燃危险性增强，发火的次数增多。但是由于采空区自身的复杂 条件，正确预测预报遗煤自燃一直存在较大困难。 陕西益秦公司崔家沟位于铜川市西北的杏树坪，地处陕西省铜川市印台区，杏树 坪至铜川市区的公路罩程3 8k m ，梅( 家坪) 七( 里镇) 铁路线安子沟车站至矿部 2 4 k m ，交通十分便利。 矿井始建于1 9 5 8 年，占地面积2 2 0 万平方米，建筑面积3 0 万平方米。1 9 7 0 年开始 改扩建，1 9 7 7 年简易投产。1 9 9 5 年进行改扩建，1 9 9 8 年年底二水平一盘区改扩建工程 基本结束。矿井设计能力1 5 0 万t 年，固定资产4 2 亿，拥有2 4 千米铁路专用线，在 职职工1 2 0 0 多人，现有两个综采放顶煤工作面和四个综掘队，原煤生产能力2 1 0 万吨 年，系中国1 0 0 家最大煤炭采选业企业。 崔家沟煤矿采区属黄陇煤田焦坪矿区，占有资源2 9 9 1 平方公里，可采储量1 3 0 0 0 万吨，剩余开采年限4 5 年，主采中、下侏罗统延安组4 。2 煤层，煤层厚度3 1 1 米，最 厚处达2 8 米，煤层倾角2 1 0 度，煤质为中灰、低硫、低磷、含油的弱粘结长焰煤， 灰分1 0 1 6 ，发热量5 0 0 0 5 5 0 0 大卡，是较好的动力用煤和气化用煤。 崔家沟煤矿2 2 0 7 综采工作面，位于崔家沟煤矿二水平东盘区，主要开采4 呓煤层， 煤层平均厚度7 0 5 m ，为黑色块状或沫状，暗淡光泽及沥青光泽，煤层上部为光亮 半光亮型，底部为半暗暗淡型。2 2 0 7 走向长度8 5 2 米，工作面倾斜长1 3 0 米。本工 作面对应的地表为山区旱田，地貌属黄土覆盖的丘陵山地，地表无较大的永久性村庄、 水体等。 2 2 0 7 工作面内地质储量2 4 6 2 7 万吨，可采储量1 9 0 万吨，该工作面生产能力按1 0 0 万吨年，可采期为1 9 个月。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤、一次采全高、全 部垮落法管理顶板的采煤方法，平均采高6 3 8 m ( 其中机采2 8 m ) 。工作面采用单u 性 通道。 崔家沟煤矿属高瓦斯矿井，五大自然灾害齐全，煤油共生的自然灾害严重，特别是 2 1 绪论 4 - 2 煤层极易自燃，发生火期一般都在3 6 个月，最短到2 4 2 8 天。煤尘有爆炸性， 爆炸指数3 4 3 6 。矿井属高瓦斯矿井( 矿井瓦斯相对涌出量8 5 i n 3 t ，矿井瓦斯绝对涌 出量2 5 1 6 m 3 m i n ) 。从建矿到至今井下已发生过几十起自然发火事故。 因此，本课题研究重心就是围绕火灾和预防，分别从矿井通风、瓦斯抽采、采空区 温度以及束管特征指标气体等环节，发现和解决生产过程中影响煤层自然发火的隐患， 并总结矿井开采技术条件下煤层自然发火的规律。 1 3 研究现状 1 3 1 煤自燃学说研究现状 煤自燃问题自十七世纪即开始研究探索，根据研究探索的结果，到目前为止，提出 了多种煤炭自燃学说，比较有影响的学说主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基 导因学说以及煤氧复合学说等【lj 。 但是，黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说等煤自燃理论研究有其缺陷 和不足，针对很多情况不能做出合理的解释。例如：( 1 ) 大多数的煤层自燃是在完全不 含或极少含有黄铁矿的情况下发生的。黄铁矿导因学说无法对此现象作出解释，因此具 有一定的局限性。( 2 ) 将具有强自燃性的煤置于1 0 0 真空器里长达2 0 小时，在此条件 下，所有细菌都已死亡，然而煤的自燃性并未减弱。因此，细菌作用学说无法解释煤的 自燃机理，未能得到广泛承认。( 3 ) 根据酚基导因学说，煤分子中的芳香结构则首先被 氧化生成酚基，再经过醌基后，发生芳香环破裂，生成羧基。但理论上芳香结构氧化成 酚基需要较激烈的反应条件，如程序升温、化学氧化剂等，这就使得反应的中间产物和 最终产物在成份和数量上都可能与实际有较大的偏移。因此，酚羟基导因作用是引起煤 自燃的主要原因的观点尚有待进一步探讨。 煤氧复合作用学说认为：煤的自燃正是氧化过程自身加速的最后阶段，但并非任何 一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定、低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才 能导致自燃。这种氧化反应的特点是分子的基链反应：即每一个参加反应的团粒或者说 在链上的原子团首先产生一个或多个新的活化团粒( 活化链) ，然后，又引起相邻团粒 活化并参加反应。这个过程在低温条件下，从开始要持续地进行一段时间，即通常所称 的“煤的自燃潜伏期 。他们通过实验还发现，烟煤低温氧化后，着火点降低，活化度 提高，易于点燃。低温氧化过程的持续发展使得反应过程的自身加速作用增大，若最终 生成的热量不能及时散发，就会引起自热阶段的开始。 煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞同，因为煤自燃的主要参与物一个是煤，一 个是氧，煤对氧的吸附是经实验考察得到完全证实的。表面的吸附即所谓的物理吸附虽 然产生的热量微不足道，然而化学吸附以及与其相伴随的煤氧化学反应则可以放出相当 3 西安科技大学硕士学位论文 多的热量。 煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞同，但煤氧复合反应发生的机理至今仍未真 正了解。进入2 0 世纪9 0 年代，国内外学者又提出了新的煤的自燃学说： ( 1 ) 李增华于1 9 9 6 年提出了煤自燃的自由基作用学说【2 l ，该学说认为煤是一种有 机大分子物质在外力( 如地应力、采煤机的切割等) 作用下煤体破碎，产生大量裂隙， 必然超成煤分子的断裂。分子链断裂本质就是链中间价键的断裂，从而产生大量自由基。 自由基可存在于煤粒表面，也可存在于煤体内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造了条 件，引发煤的自燃。u 1 1 a l 用e s r ( 顺磁共振) 技术测量了煤氧化过程中自由基浓度变化 后指出煤的低温氧化至少部分是通过自由基反应机理。m 缸i n 用s i m s ( 次级离子质谱) 和x p s 研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持了自由基链反应机理。 ( 2 ) 皿p x l 】眦等于1 9 9 0 年提出了电化学作用学说【4 j ，该学说认为，煤中含有铁的变 价离子，组成氧化还原系f e 2 + 用e 3 + ，氧化还原系f e 2 + 用e 3 + 在煤的氧化反应中起催化作用， 在煤中引起电化学反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化过程， 引发自燃。 ( 3 ) l 0 p e z d 等于1 9 9 8 年提出氢原子作用学说t 引。该学说认为，煤低温氧化过程 中，由于氢原子在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促 进煤的自燃。 ( 4 ) w m g h h 等于1 9 9 9 年提出了基团作用理论【6 】，该理论利用孔隙模型模拟了煤 中孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基团与 氧气能充分作用，从而导致煤的自燃。 ( 5 ) 系统的总结已有研究成果，通过大量的煤自燃研究工作，西安科技大学徐精 彩教授认为：煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用并放出热量而引起。煤与空气接触后， 首先发生煤体对氧的物理吸附，放出物理吸附热，之后，又发生煤氧化学吸附和化学反 应，并放出化学吸附热和化学反应热。煤与氧作用的这个过程所放出的热量积聚起来， 就改变了煤自身所处的环境条件【7 1 。因此，煤的氧化放热是热量自发产生的根源之一， 也是引起煤炭自然发火的根本原因之一。 1 3 2 煤自燃机理研究现状 近十多年来，国内外学者从不同的角度、采用不同的方法对煤自燃的机理进行了研 究，并取一些新进展，主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 利用热分析技术研究煤自燃机理 如舒新前等【8 】用热重分析分别研究了神府烟煤和汝箕沟无烟煤的氧化自然动力学过 程，认为煤炭低温氧化遵从阿仑尼乌斯定律；路继根采用等温d t a 技术结合t g a 研究 了煤氧化机理，发现对所有的煤从室温直至着火点附近所发生的对自热有贡献的化学反 4 1 绪论 应都一样；彭本信【9 】对我国焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤及无烟煤八个煤种7 0 个煤样 进行t g a 、d t a 、d s c 及热分析红外光谱试验，测定煤的自燃倾向性，研究煤的自燃 机理，察清了煤变质程度浅的煤容易自燃的主要原因是其氧化放热量大于变质深的氧化 放热量。另外g a r c i ap 【l o 】也利用热分析技术对煤的自燃进行了研究。 ( 2 ) 从煤的活化能入手研究煤自燃机理 t e v r u c h t 【1 1 】采用f t i r 检测脂类c h 吸收峰强度的变化求取煤氧反应的活化能和 速度常数。k e l e m e n 采用x p s 考察了煤表面o c 原子比的变化并据此求出在2 9 5 3 9 8 k 时表现出的活化能为1 1 4 5 l l 【j m o l 。m a r t i n l 州用s i m s 研究了2 3 、7 0 和9 0 时煤表 面0 2 浓度变化，计算结果说明7 0 前后活化能差别很大，在氧化反应的第一周内，温 度小于7 0 ；具有以吸附扩散过程为主的低活化能特征。刘剑等【1 2 ，1 3 】通过对煤活化能的 理论理研究，推算出了活化能的计算公式。 ( 3 ) 从煤分子结构模型入手研究煤的自燃机理 煤分子的结构研究一直是煤科学领域的热点和重要的基础研究内容。多年来，国内 外的学者对煤结构的研究做了大量工作，并提出了不同的煤分子结构模型。 近年来随着计算机技术的发展，基于分子动力学、量子化学以及m o m e c 州。模拟 的计算机模拟方法在化学以及生物化学过程的研究中广泛应用，一些学者在煤化学领域 也开展了探索性的工作。1 9 9 1 年g a c 砌s o n 首先根据能量最低原理，应用计算机辅助 分子设计( c a m d ) 的方法对已提出的煤分子结构模型的最小能量模型和煤结构中键能 的分布进行了研究，但将c a m d 用于煤分子结构的研究还处于最初阶段，目前还不清 楚用c a m d 到底能进行哪些模拟【1 4 1 。x j h o u 【1 5 】用量子化学方法以及分子动力学方法进 行了煤大分子结构与煤的反应性关系的研究中。p s t r a i l ( a 【1 6 】应用分子动力学和量子化学 方法对煤中镜质组、丝质体以及壳质组的大分子结构特征进行了研究。村田等还模拟了 煤可溶成分的三维结构，鹰嘴等进行密度模拟估计煤结构中芳香簇间的连键长度。徐精 彩等在威斯结构模型和本田结构模型的基础上，参照现代研究的成果，结合对煤表面分 子活性结构的推断，提出了自燃煤的表面分子化学结构示意模型，并推断出煤氧复合的 多级反应模型及其热效应【l7 ，1 8 j 。 ( 4 ) 从煤氧化反应和表面反应热的角度研究煤白燃机理 l t a y 研究了煤的氧化机理，指出煤的低温氧化从外层开始，遵从核反应收缩模型， 反应速度是由空气从氧化层的扩散控制。g a l i e r 0 研究了化学吸附氧及化学反应的速率， 指出在不同的温度区域，该速率遵从不同的变化规律。徐精彩【7 l 根据测定煤表面氧反应 热研究煤的自燃机理，得出不同的煤其表面反应热不同，并与煤体温度有关。何萍【1 9 j 通过对煤氧化过程中氧化的形成特征的研究，选择出煤自燃指标。 ( 5 ) 从煤岩相学角度研究煤的自燃机理 舒新前、葛岭梅等【2 0 引】从煤岩学方面对神府矿区长焰煤进行研究后，认为丝炭在低 5 西安科技大学硕士学位论文 温下能吸收大量氧，吸氧时放出大量热量，因此，丝炭容易自燃，是煤炭自燃的导火索。 周安宁、王晓华等1 2 2 】在研究宁夏石嘴山矿区气肥煤也发现丝炭着火点最低。张玉贵【2 3 ，2 4 】 在考察了平庄褐煤和阜新长焰煤自燃过程后，认为镜煤的燃点低，自燃倾向性高。由上 述可知，从煤岩组成研究煤自燃出现了许多矛盾。 另外，有些学者采用红外光谱、f t i r 谱等【2 5 】来研究煤在自燃的各个阶段里，其吸 附光谱的强弱、频率的大小，各种煤处在不同的频率上，并具有不同的吸收光谱。 1 3 3 煤层自燃早期预报技术研究现状 煤炭自然发火早期预报是指在煤层开采后，煤与氧接触氧化放热，进入自热阶段， 热量积聚引起温度升高，致使自然发火的危险程度大大增加，在煤体自燃冒青烟或出现 明火之前，根据煤氧化放热时产生的标志气体、温度等参数的变化情况，较早发现自燃 征兆，预测和推断自燃发展的趋势，超前判识自燃状态，对自然发火进行早期识别并预 警的技术称为预报技术。预报方法主要分为指标气体分析法、测温法、示踪气体法等。 ( 1 ) 指标气体分析法1 2 6 j 指标气体分析法是目前普遍用来预报自燃火灾的方法。它主要利用束管监测系统、 人工采样分析、矿井监控系统等多种手段相结合来获取各类指标气体，通过分析煤自然 发火过程中产生的某些气体的浓度、比值、发生速率等特征参数，对煤自然发火发展趋 势等作出预报的方法。指标气体分析法主要分为两类，一类是利用标志性气体的浓度直 接进预报；另一类是利用某些气体组分的变化特性或某些气体组分之间变化规律进行预 测，如链烷比1 2 、火灾系数等。 ( 2 ) 测温法1 2 驯 测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测，确定煤与周围介质的温度 变化情况，以发现煤层的自然发火危险区域的预报方法。此方法可以直观了解煤层的温 度及其发火程度，对早期预报有重要的意义。现有的预报煤自然发火的测温法分为几种： 一是直接用检测到的温度进行预报，另外一种可能根据温度的变化特性对煤所处的环境 和条件对自然发火的可能性进行预报。温度测定法现阶段主要采用的方法有：热电偶、 测温电阻、集成温度传感器等。近年来普遍推广的是测试简单，操作方便的红外测温仪。 美、俄、英、德等国已成功地利用红外线技术预测预报井下自燃火灾，如红外线测温仪 检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃，为了连续观测采空区的温度变化情况，利用计算机 对监测地点进行实时监控。 ( 3 ) 煤层近距离自燃隐患点红外探测1 2 卅 红外探测技术可以用于地质构造、煤巷及煤柱自然火源的探测，是研究和应用红外 的一门新兴技术。红外测温和红外探测有着本质的区别。红外测温是测取一个物体的具 体温度值，需接触测量；而红外探测是从红外辐射能量场的理论出发，建立场的对应关 6 1 绪论 系，根据场的变化规律，来确定自燃隐患点是否存在及其发展趋势，它是触测量。尽管 介质密度不同引起红外辐射强度的差异，但在正常状态下，这种差异上是固定的，不随 时间的变化而变化；当煤炭处于自燃过程之中，引起的红外幅射异常却是变动的，并随 煤温的升高，红外幅射强度逐渐增大，由此确定的异常区则燃隐患点。对于近距离煤层 自燃隐患点尤其是在自燃多发生地点如在开切眼、停采沿空巷道顺槽、褶曲断层处、溜 煤眼等地点，利用红外探测技术具有较好的效果。 ( 4 ) 示踪气体法i 驯 国内外利用s f 6 、1 2 1 1 等热稳定性较好的示踪气体测定采空区漏风量的工作已获成 功。根据该项技术的应用经验，可以某一温度条件下易于热解的气体，与上层示踪气体 在同一环境下释放，在采样点采样检测其比例变化，或测定相关分解物，从而间接了解 自燃隐患点温度值，达到预报目的。 1 3 4 煤层自燃火灾治理技术研究现状 随着煤炭工业的高速发展，煤层自燃火灾治理技术取得了显著的成绩，5 0 年代黄泥 灌浆防灭火技术的应用；6 0 年代均压防灭火技术的推广，高泡灭火技术的出现；7 0 年 代阻化剂防灭火试验的成功，早期预报煤炭自燃的束管系统初步建立；8 0 年代惰气防灭 火技术开始应用，研究了矿井煤层自然发火预测系统、快速高效堵漏风防治煤层自燃火 灾等技术；进入9 0 年代，随着放顶煤技术的发展，采空区注氮防火得到推广与应用， 近年来，胶体防灭火技术得到推广与应用，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1 3 卜3 3 】。 由于煤自燃是煤氧复合的结果，影响煤自燃的主要条件是煤的表面活性结构浓度、 氧浓度和温度。因此，自燃火灾扑灭主要从三个方面着手：一是隔离煤氧接触，使自燃 火灾窒熄；二是降低煤温使煤氧化放热强度降低，最终使火熄灭；三是惰化煤体表面活 性结构降低煤氧复合速度，防止煤自燃的发生。目前常用的防灭火技术主要有如下几类： 惰化、堵漏、降温等以及它们几类的综合，共同发挥灭火作用，最终实现防灭火的目的。 ( 1 ) 注水和灌浆 水是最经济、来源最广泛的灭火材料。水的热容量很大，1 l 水转化成蒸汽时吸收 2 2 5 6 7 k j 热量，同时生成1 7 m 3 水蒸汽，大量水蒸汽能很快降低煤温，冲淡空气中的氧 浓度、包围、隔离及窒熄火源的作用。灌浆防灭火技术在我国应用得较为普遍，也取得 了良好的效果，成为治理井下内因火灾的主要措施之一。泥浆能够包裹煤体，其水份有 增湿减缓氧化速度，浆流能充填煤体缝隙，起到隔绝漏风阻止氧化作用，按与回采工艺 的关系分为随采随灌，采前预灌和采后灌浆，对采空区防灭火有积极的作用。但是注水 和灌浆技术也有其不足之处： 井下自燃火灾通常处于工作面或巷道顶部比较高的部位，水或泥浆不能滞留在顶 7 西安科技大学硕士学位论文 部包裹火区，流过火区仅使煤表面温度降低，内部温度仍然很高。 水的冲刷将煤体表面的灰分带走，又露出新的煤体表面；水的剧烈蒸发增加了煤 的孔隙率，使漏风通道更加畅通。另外，水对煤的自燃还有一定促进作用，在高温6 0 0 时，水会分解成h 2 与0 2 参与燃烧反应，产生大量水煤气，可能造成水煤气爆炸。 泥浆脱水量较大，恶化工作环境，有发生工作面“溃浆”的危险。 ( 2 ) 惰化技术防灭火 惰化技术就是将惰性气体或其它惰性物质送入采空区，抑制煤层自燃的技术。惰性 物质惰化技术，除已作为常规防灭火技术措施使用的黄泥浆外，近年发展起来的有粉煤 灰、页岩泥浆、选煤尾矿泥、阻化剂和阻化泥浆等已经比较广泛地被应用。它们的作用， 除惰化外还兼有降温，对煤矿本身则有微弱的污染，具有较大优势的还是粉煤灰注浆和 阻化剂。它们最大的优点是可以取自某些废弃物再利用，多用于厚煤层采全高或分层开 采。惰气防灭火技术是向火区注入惰性气体，惰气源目前发展起来的主要以注入n 2 和 c 0 2 为主，也可注入其它惰性气体来降低火区的氧浓度，达到防灭火的目的。惰气可充 满整个空间，既能扑灭大的明火火灾，又能抑制并扑灭隐蔽火源。但惰性气体对大热容 的煤体降温效果不好，灭火周期较长，火区易复燃，而且对现场的堵漏风工作也要求较 高。惰泡防灭火是7 0 年代兴起的防灭火技术，进入8 0 年代以来，前苏、法等主要产煤 国家开发了惰气泡沫压注技术防治采空区浮煤自燃，取得了较为显著的成效，该技术能 起到降温，减少漏风，降低采空区氧浓度等作用。但惰泡在碎煤中压注，发泡性能很差， 起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，且有效率太低。对已形成高温的浮煤， 仅依靠惰泡隔氧灭火，需注泡量很大，且一旦停止注泡很易复燃。 ( 3 ) 阻化剂防灭火技术 阻化剂是抑制煤氧结合，阻止煤氧化的化学药剂。常用阻化剂是c a c l 2 、m g c l 2 等 一些吸水性很强的盐类，当它们的水溶液附着在易被氧化的煤表面，在其表面形成一层 含水液膜，惰化煤体表面活性结构，阻止了煤和氧的接触，起到了阻止煤复合的作用。 同时，阻化剂吸水能使煤体长期处于潮湿状态，由于水的吸热降温作用，使煤体在低温 氧化时温度不能升高，从而抑制了煤的自热和自燃。一般的阻化剂通常都有一定的防火 效果，但当温度升高使阻化剂吸收的水份蒸发，其阻化作用会消失，失去水分的阻化剂 对煤氧复合反而有催化作用，促使煤氧复合速度加快，使煤更容易自燃。近几年研制成 功的粉状惰化阻化剂是由能在不同温度段气化产生惰性阻化气体的粉状材料按一定比 例混合而成的。所产生的气体对自由基链反应起阻碍作用，同时在汽化过程中吸收大量 热能，使煤温降低。将这些粉状材料用氮气压送、纸袋封装或与水混合后，注入煤体。 当煤温超过一定温度时，惰化阻化剂开始吸热气化，产生惰性阻化气体。该阻化剂高温 分解后的剩余物能在煤的表面生成一层薄膜，冷却后成为脆性覆盖物，使煤与空气隔绝 而防止煤体复燃。粉状惰化阻化剂技术防灭火效果较好，但粉状材料在煤体内不容易分 8 1 绪论 散均匀，因此难以充分发挥其防灭火性能。 ( 4 ) 堵漏技术防灭火技术 堵漏风技术，就是采取各种技术措施减少或杜绝向煤柱或采空区的漏风，使煤缺氧 而不会自燃。堵漏技术和材料，在我国近年来发展很迅速，相继研究和开发出适用于巷 顶高冒堵漏的抗压水泥泡沫和凝胶堵漏技术和材料，适于巷帮堵漏的水泥浆、高水速凝 材料和凝胶堵漏技术与材料，以及适于采空区堵漏的均压、惰泡、凝胶和尾矿泥堵漏等 技术成果，如马利散、艾格劳尼、聚氨脂等，它们各有其使用条件和优缺点。其中均压 防灭火和凝胶防灭火技术，操作都不复杂，具有不污染或少污染环境的优点，所需的投 入也不多，技术也成熟。 ( 5 ) 胶体防灭火技术 煤层自燃火灾的防治，需要具有既能很快地降低煤温，又很好地隔绝煤与氧气的接 触，并能惰化煤体表面，同时，在防灭火过程中还要安全可靠的技术。堵漏、惰化防灭 火技术均不能满足这一要求。西安科技大学从2 0 世纪9 0 年代初开始，进行了大量实验 和应用研究，开发和研制出了适用于矿井不同条件的系列胶体灭火材料和相应注胶设备 及应用工艺，该技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，较好地解决了灌浆、 注水的水泄漏流失问题，适用于各种类型的矿井自燃火灾。 1 4 本文研究内容与技术路线 本文所研究的内容主要是采空区煤自燃三带的范围及煤炭自然发火期。煤自燃对矿 井的损害非常大，轻则影响生产、烧毁设备，重则可能造成瓦斯爆炸，酿成人员伤亡事 故。事故造成的政治、经济以及资源上的损失往往是难以估量的，对矿工心理上的伤害 也非短期可以消除。 采空区是煤自燃发生最多的地方，通过对工作面采空区布置温度传感器及束管，收 集大量的采空区温度和束管指标气体数据，分析其与三带的关系。 通过温度与束管特征指标气体收集数据分析： ( 1 ) 阐述煤炭自燃的理论及自燃三带的划分方法，总结煤层自然发火的特定及其 规律性； ( 2 ) 通过阐述工作面的通风系统，结合束管检测气体分析研究矿井通风与工作面 三带的关系；研究工作面的瓦斯涌出量对自燃三带的影响； ( 3 ) 通过采空区的温度收集总结及束管c o 的研究，分析各与采空区三带的关系， 分析2 2 0 7 工作面采空区自然发火变化规律； ( 4 ) 通过上述的分析研究，采用温度、工作面瓦斯与采空区c o 对采空区煤自燃 进行早期预报预测； ( 5 ) 研究适合2 2 0 7 工作面采空区的预防灭火技术措施。 9 西安科技大学硕士学位论文 文献资料搜集，现场调研 1 l 分析国内外煤自燃二带埋论的研究现 上 上1 l i 研究分析了工作面通风瓦斯参数与三带的关系 研究分析了采空区温度、c o 与三带的关系 1 l 2 2 0 7 工作面自燃发火期的关联分析 上 2 2 0 7 工作面煤自燃早期预报预测技术 上 2 2 0 7 工作面煤自燃预防措施 图1 1 技术路线 1 0 2 煤炭自然三带理论 2 煤炭自燃三带理论 2 1 煤炭自燃理论 大多数煤都能够自燃，这给煤炭开采带来困难。 煤的燃烧需要氧气和一定的热量，关于煤炭自燃原因是世界各主要产煤国共同关心 的问题，科研工作者经行了大量的研究和探索，提出了不少假设，主要有黄铁矿作用学 说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧复合作用学说。其中煤氧复合学说得到了国 内外大多数学者的赞同。 2 1 1 煤的氧化过程及特征 ( 1 ) 煤的氧化过程 采山的煤或井下的煤暴露在空气中，则除无烟煤外所有的煤，除惰质组外几乎所有 的煤岩组分，都对氧特别敏感。空气对煤的最初阶段的特征是氧在煤表面上的物理吸附 和化学吸附。一般认为，煤炭低温吸氧过程有一下三种途径： 空气中的氧在范德华力的作用下吸附在煤的表面，在物理吸附时能放出与气体凝 聚热相当的能量( 即物理吸附热) ，物理吸附热是可逆。 空气中的氧分子与煤表面通过化学作用而形成的吸附。在吸附过程中，发生电子 转移或原子重排，以及化学键的断裂与形成过程，包括形成表面络合物。其吸附时放出 的热量相当与化学反应热，比物理吸附热大的多。化学吸附是不可逆的。氧气在煤表面 发生化学吸附，并随之形成酸性官能团，如酚基一0 h 、一c o o h 和c o 。如有水存在或 因氧化初氢反应( 即一c h 2 = c o + h 2 0 ) 而产生水，则同时还会有过氧化物等形成。后者 浓度积累到一定值，且达到一定温度时，氧化作用自动加速，如果连锁反应不断进行， 释放的热量不能及时排除，一旦达到煤的着火点温度就会引起自燃。如果水分含量大于 1 2 ，由于水分的大量蒸发带走了热量，自燃趋势降低。 空气中的氧分子与煤发生化学反应，并生成一定氧化产物。在低温氧化过程中形 成的氧化产物主要是c o ，这种化学反应是放热过程。 煤炭低温吸附氧的过程这三种途径是同时进行的。在常温下( 2 0 3 0 ) ，煤的化 学吸附速度和煤的化学反应速度较慢，这是煤的吸氧量主要是物理吸氧量；随着温度的 升高，其化学吸附和化学反应速度加快，这时煤的吸氧量中化学吸附和化学反应耗氧量 所占的比重增加。煤化学研究表明，煤的氧化途径先是形成酚类，进而形成醌类的酸酐， 最后形成羧基。 ( 2 ) 煤的氧化特征 西安科技大学硕士学位论文 从煤氧化合学说观点出发，认为评价煤的自燃倾向性，即化学活动性的最合适的指 标应该是煤的吸氧速度。揭示了煤炭氧化规律如下： 所有品种煤在常温下都吸氧，但吸氧速度不同。它取决于煤的分子结构和物理化 学性质。 煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比，即 d m 山= u c 式中，“单位重量煤在也时间内吸氧量，i i l l 瓜g ； u 吸氧速度常数，m 坎蚝h ) ； c 空气中的氧浓度，。 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 = u h h 式中，u l 在f = l 小时内的吸氧速度常数，m l ( 蚝h ) ； h 在对数坐标中直线方程倾角的正切，它表示吸氧速度随时间衰减的速度； 吸氧速度常数u 与煤自身温度之间符合幂函数关系 u = 玑p 2 3 8 ，- ，0 ) 式中，u 温度为t 时的吸氧速度常数，m ( 埏h ) ； u o 温度为t o 时的吸氧速度常数，m 蚝h ) ； b 比例常数，1 ；其物理意义是吸氧速度随温度增加的速度。 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。 吸氧速度常数u 与粒度之间成复杂关系。没有接触过氧的新鲜煤粒度越小，其表 面积越大，吸氧速度也越大，但随时间衰减得也越快。 2 1 2 煤的氧化自燃过程 人们在大量生产实践中总结发现，形成煤炭自然发火必须具备以下四个基本条件： ( 1 ) 具有自燃倾向的煤呈碎裂状态堆积存在； ( 2 ) 通风供氧，维持煤的氧化过程不断发展； ( 3 ) 在煤的氧化过程中，生成热量大量蓄积，难以放散。 此外，隐含的条件是上述3 条件维持足够长的时间，才能形成自然发火p 4 。 其中，煤炭具有自燃倾向性是内因，其他三个条件是外因。 煤氧化自燃过程可划分为三个时期：潜伏期、自热期、燃烧期【3 5 1 。 ( 1 ) 潜伏期 煤温在常温至6 0 ，煤样与空气接触后，吸附氧而形成不稳定的氧化物，如羧基 ( 一c 0 0 h ) 与烃基( o h ) ，此时，煤的氧化过程平稳而缓慢，氧化放热量很少，有 微量的c o 释放出。 1 2 2 煤炭自然三带理论 ( 2 ) 自热期 经过潜伏期后，煤温从6 0 逐渐升到8 0 ，煤的速度加快，水分开始蒸发，煤中 不稳定的氧化物开始分解成水以及释放出c o 、c 0 2 气体，氧化产生的热量使煤温继续 升高，达到自热的临界约为8 0 ，这一阶段称为煤的自热前期。该阶段煤的耗氧量明显 增加，c o 的发生量也随温度升上而逐渐增加。 当煤温超过自热的临界8 0 后，煤的氧化进程加快。随着煤温的升高，开始出现煤 的干馏，生成碳氢化合物、氢及c o 等可燃气体。当环境条件能继续维持煤氧化自燃的 进行，则可能使煤温升上到煤的着火点而导致自燃。这一阶段称为煤的自热后期。另一 种可能的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，或者空气中的氧 含量变低，氧化过程逐渐停止，煤不会发展的自燃阶段，而进入风化阶段。 ( 3 ) 燃烧期 当煤温达到自燃温度时，煤氧化自燃进入燃烧期，此时煤开始深度热分解反应，从 煤中释放出烃类气体、c o 、c 0 2 等，即有脱附、氧化分解气体，也有热分解气体，煤中 的结晶水开始解析。 煤的自燃倾向性是煤的一种自热属性，它表示煤与氧相互结合的能力。不同的煤层， 其自燃倾向性有很大的差异。影响煤自燃倾向性的因素有很多，到目前为止，人们认识 比较清楚的有煤的变质程度、煤的风化作用、煤的水分、煤岩组分、煤的空隙度和脆性、 煤的含硫量、煤中固定碳和灰分含量，可分为内在因素和外在因素两个方面。 2 2 煤炭自燃三带理论 在回采工作面的采空区，存在一定的破碎遗煤，并且有漏风存在，有供氧条件。随 着工作面的推进，采空区的状态逐步发生变化，煤的自燃情况随之改变。因此，采空区 的自燃状态一般可划分为三个带【3 6 j ： ( 1 ) 散热带：( 2 ) 氧化放热带；( 3 ) 窒息带。 随着工作面的推进，采空区顶板逐渐自然塌落，并在一定范围内形成比较松散的冒 落带，此区域的漏风比较严重，遗煤在氧气的作用下，开始发生氧化反应，并释放出微 量的热量，但由于其间的漏风风速比较大，氧化所产生的热量绝大部分随漏风带走，破 坏了煤自然发火的蓄热条件，使煤的氧化反应由于缺乏足够的能量补给而不能加速，即 无法进入加速氧化和激烈氧化阶段，一般不会发生自然发火。因此，这一区域通常称为 “散热带”。 在采空区中，从不燃带再往里，冒落体逐渐被压实，漏风随之减小，并呈层流状态。 在一定的范围内，一方面层流的适量漏风不足以带走过多的氧化热，使这一区域具有了 自然发火的蓄热条件，另一方面漏风又携带着足够的氧气供给遗煤，使其又具有自然发 火的供氧条件。因此，氧化热不断积聚，使煤的氧化反应自动地加速，最终将可能发展 1 3 西安科技大学硕士学位论文 到激烈氧