山煤集团东古城矿防灭火方案设计(修改)20111024.doc

山西煤炭进出口集团山西煤炭进出口集团 左云东古城煤业有限公司左云东古城煤业有限公司 防灭火专项设计 三次修订稿 煤炭科学研究总院重庆研究院煤炭科学研究总院重庆研究院 工程设计乙级资质编号 工程设计乙级资质编号 A250004477A250004477 二二O O一一年十月一一年十月 山西煤炭进出口集团山西煤炭进出口集团 左云东古城煤业有限公司左云东古城煤业有限公司 防灭火专项设计 三次修订稿 院院 长长 邵邵 军军 研究员研究员 总总 工工 黄声树黄声树 研究员研究员 项目负责项目负责 陆陆 伟伟 高高 工工 报告编制报告编制 郝郝 宇宇 工程师工程师 煤炭科学研究总院重庆研究院 二O一一年十月 参参加加设设计计及及审审核核人人员员名名单单 姓名职称签字 郝 宇工程师 陈 辉工程师 叶正亮工程师 王正辉高级工程师 参加设计人员 张青松工程师 陆 伟高级工程师 审核人员 王正辉高级工程师 目录 目录目录 4 1 前言前言 6 1 1 设计编制依据 6 1 2 设计指导思想 7 1 3 设计主要特点 7 1 4 设计的主要内容 7 2 矿井及工作面基本概况矿井及工作面基本概况 8 2 1 位置及交通 8 2 2 自然地理 8 2 2 1 地形地貌 8 2 2 2 水系 8 2 2 3 气象 8 2 2 4 地震 9 2 3 煤层 地质情况 9 2 4 矿井开拓与开采 10 2 5 工作面基本概况 11 2 6 瓦斯 火灾等灾害情况 12 2 6 1 瓦斯 12 2 6 2 煤尘爆炸危险性 12 2 6 3 火灾 13 3 煤层开采自燃危险性分析及自燃特性实验研究煤层开采自燃危险性分析及自燃特性实验研究 14 3 1 煤层自然发火影响因素分析 14 3 1 2 煤的赋存条件 16 3 1 3 开采技术条件 16 3 2 煤层自燃特性实验结果 16 3 2 1 煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性 16 3 2 2 煤最短自然发火期解算数学模型及其求解 17 4 矿井自然发火预测预报技术矿井自然发火预测预报技术 19 4 1 自然发火预测预报 19 4 1 1 实验煤样自然发火预测预报指标及其临界值 19 4 2 煤矿自燃预测预报系统 22 4 2 1 人工监测系统 22 4 2 2 人工采样实验室色谱分析 22 4 2 3 束管监测系统 23 4 3 矿井自然发火监测方案 26 4 3 1 束管监测系统测点布置方案 27 4 3 2 人工取样检测 28 5 自燃综合防治方案自燃综合防治方案 30 5 1 注浆防灭火系统 30 5 1 1 注浆防灭火系统设计参数 30 5 1 2 制浆站及泥浆的制备工艺流程 35 5 1 3 注浆方法 36 5 1 4 地面灌浆系统及设备 36 5 1 5 注浆日常工作 38 5 2 氮气防灭火技术 39 5 2 1 氮气防灭火指标 39 5 2 2 矿井防灭火注氮流量的计算 39 5 2 3 制氮系统 40 5 2 4 输氮管路 40 5 2 5 注氮的工艺和方法 41 5 2 6 注氮区气体监测 42 5 3 阻化剂防灭火技术 42 5 4 其他方面防灭火措施 44 6 井下外因火灾防治井下外因火灾防治 46 6 1 电器事故引发的火灾防治措施及装备 46 6 1 1 井下机电设备硐室防火措施 46 6 1 2 井下电气设备的防火措施 46 6 3 3 井下电缆的选择 敷设 连接 47 6 4 4 井下电气设备的各种保护 48 6 4 5 井下电气设备的检查 维护 修理和调整 48 6 2 带式输送机的防 灭火措施 49 6 3 其它火灾的防治措施及装备 49 6 3 1 防止地面明火引发井下火灾的措施 49 6 3 2 防止地面雷电波及井下 52 6 3 3 防止井下爆破引发火灾 53 6 3 4 爆炸器材运输 储存安全措施 53 6 4 井下防火构筑物 54 6 5 职工消防培训 56 7 矿井防灭火组织与管理矿井防灭火组织与管理 58 7 1 组织保障措施 58 7 2 生产管理措施 59 7 3 专业管理措施 60 7 4 监督检查措施 61 8 矿井防灭火系统所需资金概算矿井防灭火系统所需资金概算 63 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 6 1 前言前言 煤矿安全规程 规定 开采有自燃倾向性煤层的矿井 在矿井和新水平的设计 中 必须采取综合 包括开拓方式 巷道布置 开采方法 回采工艺 通风方式和通 风系统等 以及专项 包括注浆或注砂 喷注阻化剂 注入惰性气体 均压技术等 预防煤层自然发火措施 开采有自燃倾向的煤层 必须对采空区 突出和冒落孔洞等 空隙采用预防性注浆或全部充填 喷洒阻化剂 注入阻化泥浆 惰性气体以及均压通 风等措施 防止自然发火 煤炭工业矿井设计规范 GB50215 2005 规定 一级自燃矿井应建立以注浆 或注砂 为主 以阻化剂或均压技术为辅的防灭火系统和预测预报系统并配备惰气 灭火装置 二级自燃矿井应建立注浆 或注砂 为主 以阻化剂或均压技术为辅的防 灭火系统和预测预报系统 1 1 设计编制依据设计编制依据 煤炭工业矿井设计规范 GB50215 2005 煤矿安全规程 2011 版 矿井防灭火管理规范 煤矿注浆防灭火技术规范 MT T 702 1997 煤矿用氮气防灭火技术规范 MT T 699 1997 煤矿采空区阻化汽雾防火技术规范 GB50116 98 矿井均压防灭火技术规范 MT T626 1996 采矿工程设计手册 矿井均压防灭火技术规范 MT T698 1997 煤层自然发火标志性气体色谱分析及指标优选方法 AQ T1019 2006 中煤国际工程集团沈阳设计研究院编制的 山西煤炭进出口集团左云东古城煤 业有限公司矿井兼并重组整合项目初步设计说明书 煤炭科学研究总院重庆研究院关于东古城煤业公司 22 号煤层自燃倾向性 自 然发火期 煤层煤尘爆炸性 自燃标志性气体优选分析等实验鉴定报告和测试分析报 告 国家和地方政府有关煤炭工业生产的法律 法规 技术政策等 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 7 1 2 设计指导思想设计指导思想 本项目设计坚持 安全第一 预防为主 综合治理 的原则 严格贯彻执行 煤矿 安全规程 等安全生产法规 条例 采取综合防灭火技术设计方案 借鉴相似矿井防 灭火成功经验 积极推广使用成熟有效的防灭火新技术 新工艺和新设备 将矿井建 成装备先进 抗灾能力强 安全高效的现代化矿井 1 3 设计主要特点设计主要特点 本设计方案从矿井的系统设计着手 通过结合煤层地质情况 开采开拓系统 开 采方法 采取以注浆防灭火技术为主 以阻化剂防灭火技术等为辅助的综合防灭火技 术 对矿井工作面及采空区等容易自燃的区域采取有针对性的防灭火技术措施 同时 健全和完善矿井防灭火的安全管理工作制度 通过实验室实验研究 对类似矿井防灭火系统设计调研 并结合类似矿井防灭火 设计方案实例 对所设计矿井进行防灭火方案专项设计 1 4 设计的主要内容设计的主要内容 本专项设计的主要内容包括 煤层开采自燃危险性分析 矿井煤层自燃监测方案设计 矿井火灾预测预报系统及装备包括 矿井火灾束管监测系统 人工现场检测 和 人工采样色谱分析 煤层自燃综合防治技术方案 注浆防灭火技术及装备 注阻化剂技术相关的设计和装备选型 矿井防灭火组织与管理措施 组织保障措施 生产管理措施 专业管理措施 监督检查措施等 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 8 2 矿井及工作面基本矿井及工作面基本概况概况 2 1 位置及交通位置及交通 该矿位于左云县小京庄乡西南 14km 处东古城村 行政区划属小京庄乡管辖 其 地理坐标为 东经 112 35 47 112 37 00 北纬 39 48 51 39 49 56 井田南北长 2 029km 东西宽 1 783km 井田面积 3 4991km2 批准开采煤层为 5 6 26 号煤层 该矿井位于左云县小京庄乡西南 14km 处东古城村 左云县西南 距左云县城直 距 25km 矿区内有简易公路与 109 国道和口泉公路相连 经 109 国道和口泉公路通往 大同及左云 井田外东部有小京庄至酸茨河公路通过 西距右玉至山阴柏油公路 6 5km 左右 东距左云县至怀仁县吴家窑 18km 左右 距大同市约 60km 东距大运高 速公路 20km 交通条件较为便利 2 2 自然地理自然地理 2 2 1 地形地貌地形地貌 本井田位于大同煤田中部东缘 为侵蚀的中低山地貌 地表大部被黄土覆盖 零 星出露有白垩系左云组 井田内东侧有东古城自然村 工业广场位于井田中部 地势总 体为西高东低 最高点位于井田北部边界 海拔为 1488 10m 最低处位于井田东南部 边界沟谷中 海拔 1413 30m 相对高差为 74 8m 2 2 2 水系水系 本区属海河流域桑干河水系 各沟谷平时干枯无水 只有在雨季汇集流水 由西 向东流出本井田 汇入井田外东侧的酸茨河 酸茨河碾转向西汇入元子河 元子河向 东南归入桑干河 2 2 3 气象气象 本区属高原地带干旱大陆性气候 冬季寒冷 夏季炎热 气候干燥 风沙严重 年降水量分配极不均匀 暴雨强度大 降水量多集中在 7 8 9 三个月 约占年降水 量的 60 75 年最大降水量为 628 3mm 全年日照时间为 2880 3140 小时 平均 为 3011 4 小时 年日照百分率为 68 历年来蒸发量大大超过降水量 一般蒸发量为 降水量的 4 5 倍 年蒸发量在 1644 2105mm 之间 平均年蒸发量为 1847 8mm 4 7 月间 月蒸发量为 200 300mm 最大日蒸发量为 19 2mm 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 9 大同左云及朔州右玉地区一向以风沙多而著称 西北风几乎贯穿全年 每年有风 时间占全年总时间 70 多集中于冬春季节 年平均风速为 3 2m s 历年年平均相对 温度为 46 52 初霜期一般为 9 月上 中旬 无霜期 122 天 冰冻期为 10 月上旬至翌年 4 月下旬 最大冻土深度 60cm 2 2 4 地震地震 根据 GB18306 2001 中国地震动参数区划图 本区地震基本烈度值为 度 地震动峰加速度值为 0 10g 2 3 煤层 地质情况煤层 地质情况 井田内含煤地层为太原组和山西组 太原组平均厚度 112 23m 含煤 7 层 编号为 2 1 2 22 23 26 9 10 号 2 1 9 10 号煤层为不稳定不可采煤层 2 号煤层仅 在 Z101 Z102 号孔中达到可采厚度 其他孔均为不可采 厚 0 1 81m 平均 0 65m 属不稳定不可采煤层 22 23 223 号煤层为稳定可采煤层 本组煤层总厚 24 35m 含煤系数为 21 70 可采煤层厚度 22 95 m 含煤系数为 20 45 山西组平均厚 60 76m 含煤 4 层 其中 123 号煤层 为稳定大部可采煤层 其余为 不可采煤层 煤层总厚 3 13m 本组含煤系数为 5 15 可采煤层厚度 2 48m 含煤系 数为 4 08 本井田内可采煤层为山西组 123 号煤层和太原组 22 23 223 号煤层 本井田位于大同煤田西部边缘 含煤地层主要为石炭 二叠系 井田煤层主要可 采煤层为 16 22 23 223 号层 本井田位于大同煤田西部边缘 总体为一背斜构造 地层倾角 2 8 在井田南 部发现有两条正断层 未发现陷落柱 1 褶曲 S1 背斜 位于井田内中部 Z103 北侧 左 14 号钻孔与 2 号钻孔之间 轴向北东 南西向 向西南翘起 北翼地层倾向北西 产状平缓 倾角 2 3 南翼地层倾向 较陡 倾向南东 倾角 5 8 背斜轴在井田内延伸长度 2200m 左右 2 断层 F99 正断层 位于井田南部 512 和 1 号钻孔之间 左云南普查勘探时 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 10 108 711 1304 等钻孔推测的正断层 本井田内由 512 1 Z102 号钻孔推测 走向 南西西 倾向北北西 落差 70 100m 倾角 70 井田内延伸长度为 1750m 左右 F98 正断层 位于 F99 正断层北侧 左云南普查勘探时 909 左 40 等钻孔控制的 正断层 本井田内 512 号钻孔发现此断层 走向南西西 倾向南南东 落差 10 20m 倾角 70 井田内延伸长度为 1330m 左右 与 F99 正断层构成一地堑构造 2 4 矿井开拓与开采矿井开拓与开采 1 井田境界 根据山西省国土资源厅 2010 年 8 月 17 日为东古城煤矿颁发的 采矿许可证 证 号为 C1400002009121220046814 批准矿井开采山 16 22 23 26 煤层 开采高程由 1330 1060 m 井田南北长 2 029 km 东西宽 1 783 km 面积 3 4992 km2 矿井工业资源 储量 104 16 Mt 矿井设计资源 储量为 71 53 Mt 矿井设计可采储 量为 38 29 Mt 巷道煤柱取 40 m 在井田的东部边界有东古城饮用水水源地一级保护 区 水资源保护区设计按一级标准保护 在靠近井田一侧留保护煤柱 煤柱留设按表 土移动 2 矿井设计生产能力 根据山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室以晋煤重组办发 2009 9 号 关于大同市直和左云县 大同县煤矿企业兼并重组整合方案的批复 确定矿井的 设计生产能力为 0 90 Mt a 3 矿井服务年限 虽然本井地质构造简单 煤层赋存稳定 但井田范围内钻孔数量有限 可采储量 尚有一定的不确定性 因此储量备用系数取 1 3 按矿井生产能力 0 90 Mt a 计算 矿 井服务年限为 32 7 年 4 井田开拓方式 本井资源埋藏较浅 矿井的开拓方式为斜井开拓 目前有主工业场地和风井工业 场地两处 主工业场地位于井田的南部东古城村附近 场地内有主 副斜井 2 条 风 井工业场地靠近井田中部 场地内有回风立井 1 条 设计废弃风井工业场地和已有风 井井筒 单独保留主工业场地 在 22 号煤层上部 67m 左右 有山 4 号煤的剩余储量赋存 主要分布在井田的中 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 11 部 南部和中西部 与 22 号煤层存在压茬关系 本井田煤层倾角平缓 平均 2 6 确定采用大巷条带式开采方式 主要大巷两 组 其中主水平带式输送机大巷沿 26 煤底板布置 辅助运输大巷及回风大巷由 8 煤挑 至 5 煤煤层 5 煤辅助运输大巷沿煤层底板布置 5 煤回风大巷沿煤层顶板布置 待 回采 26 号煤层时 再在 26 号煤层内布置辅助运输大巷和回风大巷 辅助水平三条大 巷没山 4 号煤层布置 三条大巷均南北方向布置 终止于北部井田边界保护煤柱 根据煤层的层位关系 先采二盘区 再采一盘区 最后再采二盘区 采盘区沿井 田西部边界布置 8 煤带式输送机大巷 22 煤辅助运输大巷和 5 煤回风大巷 三条大巷 水平间距 30m 在 22 号煤层上部井底车场附近布置首采工作面 采用长壁式开采 矿 井利用一个盘区一个工作面达到矿井的设计生产能力 运输顺槽通过盘区车场与 22 煤 辅助运输大巷相连 煤炭运输由运输顺槽通过溜煤眼与 26 煤带式输送机大巷相连 回 风顺槽直接与 22 煤回风大巷相连 采煤工作面依次由南向北接续 2 5 工作面基本概况工作面基本概况 1 工作面生产能力 井田范围内共赋存煤层 4 层 其中 22 号煤层为主采层 煤层厚 赋存稳定 22 号煤层平均厚度 17 27 m 先沿顶部采 3 5 m 后 剩余厚度 13 77 m 采用放顶煤工艺 采放比 1 3 22 号煤层采用一次放顶煤工艺 因此设计初期在 22 号煤中布置一个综采 工作面 达到 0 90 Mt a 设计生产能力 2 22 号煤层 位于太原组中下部 上距 123 号煤层 66 79 m 煤层厚度 10 40 20 94 m 平均厚 度 17 27 m 为稳定全区可采煤层 含 3 9 层夹矸 结构较简单 复杂 顶板为粉 粗砂岩 底板多为砂质泥岩 局部为泥岩 炭质泥岩 3 采煤方法选择 根据井田内煤层的赋存特征及对井田煤层开采技术条件和矿井规模综合分析 井 田内所有可采煤层均适合采用长壁垮落采煤法 4 采煤工艺选择 井田范围内共赋存煤层 4 层 其中 22 号煤层为主采层 煤层厚 赋存稳定 适合 分层综采 预采顶分层放顶煤综采等多种综合机械化采煤工艺 二盘区 22 号煤层顶底 板特征见表 2 1 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 12 表表 2 12 1 二盘区二盘区 2222 号煤层顶底板特征号煤层顶底板特征 顶 底 板 岩 性 煤层 编号 煤层厚度 m 最小 最大 平均 煤层 结构 夹石 层数 顶 板底 板 埋藏深度 m 最小 最大 平均 稳定性 22 10 40 20 94 17 27 较简单 复杂 3 9 粉砂岩 中 粗砂 岩 泥岩 砂质泥 岩 炭质泥岩 245 290 270 稳定 5 矿井通风 本设计通风方式采用抽出式 采用中央并列式通风系统 主斜井和副斜井入风 回风斜井 1 和回风斜井 2 回风 综采工作面 20 m3 s 综掘工作面 10 m3 s 普绝工作面 6 m3 s 爆炸材料发放硐室 6 m3 s 2 6 瓦斯 火灾等灾害情况瓦斯 火灾等灾害情况 2 6 1 瓦斯瓦斯 大同市煤炭工业局同煤机字 2008 193 号文件 关于大同市地方煤矿年产 0 3Mt 以 下 94 座矿井 2008 年度瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定结果的批复 该矿 2008 年度 矿井瓦斯等级鉴定结果 瓦斯相对涌出量 2 05 m3 t 绝对涌出量为 0 66 m3 min 二氧 化碳相对涌出量 3 44 m3 t 绝对涌出量为 1 11 m3 min 为低瓦斯矿井 中国矿业大学 北京 编制的山西煤炭进出口集团左云东古城煤业有限公司矿井 瓦斯含量测定和瓦斯涌出量预测研究报告 本矿井瓦斯绝对涌出量为 7 64 m3 min 相 对瓦斯涌出量为 4 03 m3 t 为低瓦斯矿井 邻近长春兴煤矿同样为整合煤矿 现开采 5 26 号煤层 根据整合前各个矿井的 鉴定报告看 矿井为低瓦斯矿井 整合后东古城煤矿开采范围不变 瓦斯涌出量按照 2008 年瓦斯等级鉴定结果 即 矿井绝对瓦斯涌出量为 0 66 m3 min 相对瓦斯涌出量为 2 05 m3 t 为低瓦斯矿井 2 6 2 煤尘爆炸危险性煤尘爆炸危险性 根据山西省煤炭工业局综合测试中心 2010 年 6 月对该矿 123 号煤层煤样的测试结 果 火焰长度 400 mm 最低岩粉用量 75 有爆炸危险性 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 13 根据山西省煤炭工业局综合测试中心 2010 年 3 月对该矿 22 号煤层煤样的测试结 果 火焰长度 400 mm 最低岩粉用量 80 有爆炸危险性 2 6 3 火灾火灾 根据山西省煤炭工业局综合测试中心 2010 年 6 月对该矿 123 号煤层煤样的测试结 果 吸氧量 0 64 cm3 g 自燃等级为 级 根据山西省煤炭工业局综合测试中心 2010 年 3 月对该矿 22 号煤层煤样的测试结 果 吸氧量 0 76 cm3 g 自燃等级为 级 倾向性质为容易自燃 补充勘探时在 Z102 孔中对 22 23 223 号煤层采取了煤芯煤样 测试了煤的自燃 倾向性 2008 年 1 月 10 日由山西省煤炭工业局综合测试中心测试 123 号煤层倾向性 质为自燃 其余各煤层均属容易自燃 该矿曾在 2008 年 1 月在 22 号煤层井下西一巷 西二巷 西三巷 西四巷距皮带 运输大巷 50 m 处发生自燃现象 在 2009 年 7 月在 22 号煤层井下西六巷 西七巷发生 一氧化碳涌出现象 测表已超限 由于及时采取措施 没造成任何事故 在今后的开 采中一定要注意浮煤的清除和采空区的密闭 防止发生煤的自燃及有毒气体的涌出 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 14 3 煤层开采自燃危险性煤层开采自燃危险性分析及自燃特性实验研究分析及自燃特性实验研究 3 1 煤层自然发火影响因素分析煤层自然发火影响因素分析 1 煤的炭化程度 根据有关资料 一般认为煤的自燃倾向性 是随炭化程度增高而减少的 事实 上 同牌号的煤也有自燃难易之分 这是由煤的化学物理性质的多样性所决定的 据地质报告 井田内主采的 22 号煤层变质阶段为 1 3JM 2 煤岩成分 在丝煤 暗煤 亮煤 镜煤四种煤岩成分中 具有纤维构造而表面吸附能力很 高的丝煤在常温下吸氧能力特别强 着火点低 可以起着 引火物 的作用 所以 含丝煤愈多 自燃倾向愈大 据邻近杜家村矿井详查报告 D5 D23 号钻孔中采取 22 号煤层煤岩样 22 号 煤层显微组分为 镜质组 77 6 83 8 惰质组 14 1 18 3 壳质组 2 1 4 7 无机组成为粘土类 3 9 40 7 显微煤岩类型以混合暗亮煤亚型和混 合亮暗煤亚型为主 次为混合亮煤亚型和混合暗煤亚型 镜煤最大反射率在 0 83 0 89 之间 煤变质阶段属于 变质阶段 推断本矿井情况类似 根据以上煤的显微煤岩组分和显微煤岩类型 分析 各煤层自燃程度中等 3 煤的含硫量 同牌号的煤中 含硫矿物愈多 愈易自燃 煤中所含硫铁矿 低温氧化时生成 硫酸铁和硫酸亚铁 使煤体膨胀而变得松散 增大氧化表面积 硫铁矿氧化时放出 的热量 也促进煤炭自燃 据地质报告 22 号煤层为低 中硫煤 原煤硫份平均 1 55 1 96 平均 1 72 煤的含硫量中等偏低 对自燃的危害性较小 4 煤的水份 煤中所含水份对自燃倾向影响比较复杂 近年来有 观点认为 同一种煤水份 愈多 着火温度愈高 但当它干燥 如不发生氧化 后 着火温度又变为最低 炭 化程度低而水份多的煤 水份蒸发后 煤的自燃危险性增加 这是因为水分蒸发使 煤的粉碎性增加 从而增大其吸氧面积 炭化程度高而水份少的煤 水份蒸发对煤 的自燃危险性影响不明显 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 15 据地质报告 本井田 22 号煤层含水份较高 其自燃危害性会减少 这也说明 宁武煤田井下煤层自然发火 情况基本没有 但是地面堆放是容易自燃的主要原因 5 煤的破碎程度 煤的破碎程度越高 吸氧面积越大 自燃危险性越高 本井田煤层韧性较差 据实际揭露 22 号煤层情况 煤块易破碎 对自燃的危害性相对较大 由于煤的破 碎程度大 煤的氧化表面积 使煤的氧化速度加快 容易自燃 脆性与风化率较大 的煤就易于自燃 本井田各煤层比较疏松 据此分析煤层自燃危险性较大 6 煤的瓦斯含量 孔隙度及导热能力等物理性质也是影响自燃倾向的因素 煤炭的孔隙率越大 越易自自燃 变质程度相同的煤 脆性越大 越易自燃 据实际揭露 22 号煤层情况 本井田煤层孔隙较发育 具有一定脆性 因此 自燃的危害性增加 7 煤层厚度 倾角 埋藏深度 煤层厚度与倾角愈大 自燃危险性愈大 在厚煤层开采时 由于开采条件复杂 回收率较低 采区煤柱易遭破坏 采区封闭不严 漏风较大等原因造成容易自燃 此外 煤是不良导热体 煤层愈厚 愈易造成良好的热积聚条件 煤层埋藏深度增 加 煤的原始温度增加 自然水份减少 也将使自燃危险性增加 8 地质构造 煤层遭到地质作用 如褶曲 断层 破碎带及岩浆侵入等 破坏的地点 自燃 发火比较频繁 原因是地质构造破坏处 煤质较松 有大量裂隙 围岩裂隙渗水 都使煤的氧化能力提高 岩浆侵入区 煤层受到局部干馏 煤的孔隙率增加 强度 降低 自燃危险性也可能增大 本井田地质构造简单 断层 稀少 无岩浆岩侵入 从而使煤的自燃危险性减小 9 围岩性质 煤层顶板坚硬而裂隙发育 冒落后块度较大 采空区漏风大 供氧条件良好 若底板也较坚硬 则煤柱所受地压大 易破坏 均有利于煤层自燃 如顶板松软 冒落后采空区充填较致密 且能很 快压实 则采空区遗煤的自燃危险性大大减少 10 开拓方式及采煤方法 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 16 采区虽然采用煤巷开拓 但支护方式为锚 网 喷 留煤柱少 煤层切割少 自燃发火危险小 采煤方法对自燃发火的影响主要取决于采空区遗煤量及其集中程度 顶板管理 方法 煤层切割情况 煤柱破坏程度以及采空区封闭难易程度等 11 漏风条件 空气流通不仅使煤氧化 同时又把氧化生成的热量带走 风速很小 供氧量不 足 风速过大 热量不能积聚 都不会发展成自燃火灾 因此 只有在既有风流流 通而又风速不大的情况下 煤才可能自燃 顶板冒落的采空区 煤巷冒顶 垮邦处 压碎的煤柱等地点的漏风 往往具备了这种自燃条件 本矿井回采工作面采空区 漏风小 采空区煤层发火危险性小 12 综放一次采全高开采工艺煤层自燃的特点 采煤方法 本矿井开采的为 大倾角厚煤层 结合矿井开拓布置 各采区的工 作面均采用走向长壁式采煤法 后退式回采 全部冒落法管理顶板 综采的易发火区为 两道二线 工作面胶带运输道 辅助运输回风道 开切 眼 停采线 3 1 2 煤的赋存条件煤的赋存条件 22 号煤层位于太原组中下部 上距 16 号煤层 66 79 m 煤层厚度 10 40 20 94 m 平均 17 27 m 为稳定全区可采煤层 含 3 9 层夹矸 结构较简单 复杂 顶 板为粉 粗砂岩 底板多为砂质泥岩 局部为泥岩 炭质泥岩 3 1 3 开采技术条件开采技术条件 对 22 号煤层进行分层放顶煤 上分层采高 10 m 采用综采放顶煤采煤方法开 采 容易造成采空区遗煤多 漏风大 给煤层自燃造成良好条件 增加自燃的可能 性 因此 容易发生自燃的区域为工作面 两线 两道 即工作面开采线 停采线 进风道与回风道 3 2 煤层自燃特性实验煤层自燃特性实验结果结果 3 2 1 煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性 煤炭科学研究总院重庆研究院对东古城煤业公司煤层自燃倾向性 煤尘爆炸性 等进行了实验室实验鉴定和分析 鉴定结果见表 3 1 3 2 结果显示 22 号煤层的 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 17 自燃倾向性等级为 类 属容易自燃煤层 煤尘具有爆炸性 火焰长度为 270 mm 表表 3 1 东古城煤业有限公司东古城煤业有限公司煤自燃倾向性鉴定结果表煤自燃倾向性鉴定结果表 矿井名称山西煤炭进出口集团左云东古城煤业有限公司 煤层名称22 号煤层采样地点东 1 巷 样品状态块 粉混合样品质量 3kg 检 测 结 果 检验项目符号单位结果 水分Mad 1 75 灰分Ad 18 65 挥发分Vdaf 37 06 全硫St ad 真相对密度TRD 1 48 吸氧量Vdcm3 g0 75 鉴定结论所检样品煤层的自燃倾向性等级为 类 属容易自燃煤层 表表 3 23 2 煤层爆炸性鉴定结果表煤层爆炸性鉴定结果表 检测项目符号单位结果 水分Mad 1 75 灰分Ad 18 65 Vd 30 15 挥发份 Vdaf 37 06 火焰长度 mm270 最低岩粉添加量 80 检验结果此煤样 有煤尘爆炸性 3 2 2 煤最短自然发火期解算数学模型及其求解煤最短自然发火期解算数学模型及其求解 本实验将绝热条件下煤从常温缓慢氧化 自热升温到加速氧化临界温度所需的 时间计为煤层最短自然发火期 通过差示扫描量热法 DSC 测定煤样比热 升温 氧化实验确定煤样加速氧化临界温度 以升温氧化实验中气体产物的浓度变化计算 煤样的放热速率 根据建立的数学模型解算实验煤样的最短自然发火期 本实验用煤样由我院技术人员到山煤集团东古城煤业公司取样 委托我院对该 煤样进行最短自然发火期实验 参考重庆院自然发火期实验报告 编号 WSSYBG2010 0205 相关实验测试结 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 18 果为 东古城煤业公司东古城煤业公司 2222 号煤层最短自然发火期为号煤层最短自然发火期为 4444 天 解算过程见表天 解算过程见表 3 33 3 最短自然发火期的计算结果为实验室模拟最优化条件下煤质自燃特性 是对煤 体自燃情况的理想状态下的模拟 具有参考意义 实际矿井自燃发火期除与煤质自 身影响外 还受到开采方法 通风条件等多种因素影响 表表 3 33 3 实验煤样最短自然发火期计算表实验煤样最短自然发火期计算表 t i K VO2 10 6mol min VCO 10 6mol min VCO2 10 6mol min q J kg min m3 Kg Wp d 3150 712300 09646 18787 397 72 3351 310500 09138 98174 9611 32 3481 401700 08909 36833 826 58 3631 370700 09149 28872 836 62 3791 338600 08799 04432 060 08753 58 3921 39370 00240 09249 44871 591 66252 92 4061 36970 00670 11159 89371 202 43 4211 36720 02530 170511 64550 892 17 4343 82150 16580 575735 82260 680 91 45436 16632 25038 2944423 51080 460 11 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 19 4 矿井自然发火预测预报技术矿井自然发火预测预报技术 矿井火灾的预测预报是矿井火灾防治的重要环节 特别是矿井内因火灾的发生 要经历准备期和自热期 其变化过程具有明显的征兆 故矿井火灾发展过程中的早 期预测预报显得尤为重要 矿井防灭火规范 试行 要求每一自燃矿井均要及时 掌握自然发火动向 建立自然发火观测网 确定自然发火的临界值 对全矿井的自 燃危险区域进行系统的 定期的观测 一旦发现某一指标达到临界值 应迅速作出 预报 4 1 自然发火预测预报自然发火预测预报 所谓矿井自然火灾预报 就是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煤炭氧化自热信息 并进行逻辑推断工 作 报告高强点发生的空间位置及其发展状况 我国最常用的预测预报方法有气体分析法 测温预测预报法 气体分析法是根 据煤在自然发火过程中生成的气体产物的组成 浓度及其变化速率等特性 确定煤 的自然发火进程并预测煤的自然发火趋势的预测方法 目前国内外常用的气体分析方法可以分为四类 以 O2和 CO 浓度构成指标 预测 根据烷烃和烯烃浓度值及其变化趋势预测 根据烯烃和链烷比预测自 然发火情况 根据芳香烃 苯 甲苯 二甲苯和气体的 C H 比值预测 4 1 1 实验煤样自然发火预测预报指标及其临界值实验煤样自然发火预测预报指标及其临界值 在煤低温氧化过程中生成 并能用来预报煤炭自然发火的气体称之为指标气体 煤在热解过程时要产生多种气体 且各种气体产生的最低温度 以及气体生成量和 煤温之间的关系因煤质不同而异 因此 通过试验优选适合的指标气体为煤炭自燃 火灾早期预报提供了必要的前提条件 煤样升温氧化过程中气体产物及其浓度变化见表 4 1 其临界温度为 152 在实验过程中对所取煤样气体成分 浓度和指标气体分析如表 4 1 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 20 表表 4 1 煤样实验指标气体原始数据煤样实验指标气体原始数据 煤样升温氧化过程中的气体 CO CO2以及烃类气体 变化趋势如图 4 1 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 020406080100120140160180200 温度 气体浓度 ppm CO CO2 图图 4 14 1 COCO COCO2 2 变化趋势 变化趋势 气体浓度 ppm 温度 COCO2CH4C2H4C2H6C2H2C3H8 30 064 7 00000 40 1 952 108 6 0 0000 50 3 424 282 5 00000 60 14 39 306 8 00000 70 39 77 411 0 0000 80 101 2 761 1 0 0000 90 201 2 1442 0 0000 100 401 5 3040 7 389 0000 110 614 3 4293 7 332 0000 120 878 1 5653 8 559 0 96490 824400 130 1517 8931 22 26 3 2143 02306 35 140 2173 11870 34 79 7 1246 027014 77 150 2497 13220 42 86 7 6357 236015 36 160 3039 1513055 99 8 0757 863019 95 170 3020 1455056 05 10 6867 869021 36 180 3017 1473052 69 16 27 7 832 023 03 190 3346 1589065 83 21 118 402021 77 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 21 0 10 20 30 40 50 60 70 020406080100120140160180200 温度 气体浓度 ppm CH4 C2H4 C2H6 C2H2 C3H8 图图 4 24 2 烃类气体变化趋势烃类气体变化趋势 从图 4 2 中我们可以发现煤样在 40 到 190 的氧化过程中有规律的出现 CO CO2 其浓度随煤温升高基本而快速升高 煤样在 120 时候出现 C2H4 且生 成量随温度的升高而不断升高 CH4在 100 时就出现 随着温度的升高而升高 这也说明煤中原生的 CH4较少 CO 在 40 时开始出现 其在低温阶段生成量较小 但在 80 90 时 CO 温升率迅速增加 说明此时煤已经开始迅速氧化 物理吸附已经越来越弱而化学吸 附和化学反应占据了主要位置 因此可以看出 CO 在煤氧化自燃过程中出现较早 生成量较大 浓度增长速度也较快 其浓度与煤体温度之间存在明显的对应关系 因此作为煤炭自然发火早期预测预报非常灵敏的指标气体 C2H4的生成量随煤温的上升而呈现出增加的趋势 C2H4说明此时煤与氧发 生了较强的化学反应 而 C2H2在 30 190 没有出现 说明其出现的温度高于 190 一旦有 C2H2则表明煤已经发生剧烈的化学反应 因此 煤在的氧化自燃过程中 以 CO 和 C2H4为主要的现场自燃预测预报指标 气体 应用 CO 作为预报自然发火指标气体时 要以 CO 的浓度或绝对值大于临界 值 CO 的浓度或绝对值有稳定增加的趋势为主要参考依据 一般井下空气中不含 C2H4 不需要制定临界值指标 煤矿井下若监测到 C2H4气体则说明温度已经达到 120 以上 此时应积极采取响应的防治措施 说明煤炭已经激烈氧化 而预测指标的优选及指标值的确定是预测准确与否的关键 根据理论研究以及 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 22 对东古城矿 22 号煤层氧化升温实验研究 采用以 CO 为主 以 C2H4为辅助的标志 气体分析法 4 2 煤矿自燃预测预报系统煤矿自燃预测预报系统 4 2 1 人工监测系统人工监测系统 人们凭感观可感知井下高温点附近温度升高 冒水雾 煤油味 冒烟等 从而 确定发火危险 是矿井某些隐蔽高温点发现的有效途径 应充分利用矿工的这些感 知报告来监测内因火灾 人工检测一直作为煤层火灾的主要监测手段 人工气体监测主要采用 O2 CO CH4等便携式气体分析仪 由人工直接在各测点进行气体检测 并定期采 用气袋取气样 送地面进行气相色谱分析 给出气体的成分和浓度 以此判断煤层 发火程度 该法适用性强 投入设备少 简单易行 但人工取样工作量大 间隔时 间长 不能连续实时进行检测 使用智能多参数检测仪测定工作面和上隅角等处的 O2 CH4 CO 和温度 使 用便携式红外线测温仪测定放顶煤煤温 每班派员进行检测 每天三班每班三次对 工作面回风 隅角 尾部溜前后等位置的 CO 检测 检测到 CO 异常情况时 使用 束管监测测系统加强监测 并人工取样到地面实验室进行色谱分析 制定井下巡逻采样制度 根据全矿回采 掘进工作面数量 位置 采区回风巷 位置 已封闭火区 密闭位置等 确定全矿需要采样的数量 地点 制定每个采样 工巡回采样路线 间隔时日 并绘成图表交由采样工执行 要对井下采样工培训 使其了解自然发火预报的基本知识 学习井下采样方法 便携式仪器的操作使用方 法等 采样工采集气样的同时记录采样点风速 温度 以便携式仪器分析采样点气 体以便与分析室结果对照 当班采集的气样必须当天完成分析 结果制表报送通风主管和矿安全副总 或 发送矿井管理局域网上 当发现异常情况要特别标明并同时报矿总工程师 通风主 管工程师对报来的分析结果 标示出各测点变化图表 并计算工作面 CO CO2的释 放速率 qco qco2及 h1 h2参数 绘成变化图表 并根据其变化规律及标志气体 C2H4 H2 C2H2及 C3H8 C2H6等的变化提出自然发火趋势的预报 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 23 4 2 2 人工采样实验室色谱分析人工采样实验室色谱分析 通过建立地面色谱分析实验室 对井下容易自然发火区域定期取样 送地面实 验室进行气相色谱仪气体分析 在异常情况下 加强对井下自燃危险区域的人工气 体采样分析 选用 SP 6800A MK 型气相色谱仪 该专用色谱分析系统技术参数包 括如下 最小检测浓度 CO 1 ppm CO2 2 ppm CH4 1ppm C2H4 0 1ppm C2H6 0 5ppm C2H2 0 5ppm N2 O2 100 ppm 尺寸 宽 606 mm 高 450 mm 深 450 mm 重量 42 Kg 电源 200 V 50 HZ 2100 W 热导检测器 TCD 火焰离子化检测器 FID 柱箱温度范围 10 399 增量为 1 控温精度 0 1 检测器温度范围 10 399 增量为 1 控温精度 0 01 TCD 和 0 1 其它 可由键盘设定过热保护值 工作站 4 2 3 束管监测系统束管监测系统 束管监测系统能通过预先安设于采空区及回采面的束管将各处气体抽吸到一处 进行分析 可以监测各采样点气体的连续变化趋势 是监测采空区隐蔽自然发火的 有效手段 分为地面分析型束管监测系统和井下分析型束管监测系统 井下型束管火灾监测系统相比地面型束管监测系统 具有经济适用 维护方便 适用于大 中 小型煤矿自然发火预测预报和防治工作 特别是大型矿井高产高效 工作面的自然发火预测预报 井下束管火灾监测系统可对井下任意地点的 O2 CH4和 CO 等气体浓度实现 24 小时连续监测和分析 对预测监测地点自然发火危险性和可燃混合气体爆炸危险性 分析 为煤矿自然发火和矿井事故防治工作提供科学依据 因此 选用 JSG 型井下束管监测系统 该系统可最多挂接 5 套井下分站 每套 井下分站可实现对井下 8 个监测地点抽取气体 井下部分放置于井下采区石门或采 区上山附近的硐室中运行 使用水环真空泵通过束管抽取监测点气体 采用 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 24 CH4 O2 CO 传感器连续监测和实时分析监测点气体成分 对工作面及采空区有关火 灾参量进行监测 采用自然发火预测预报专家系统程序实现自然发火预测预报 系统标准配置清单如下 井下分站 束管气体采样柜 1 套 内含 一氧化碳传感器 1 台 高低浓度甲烷传感器 1 台 矿用氧气传感器 1 台 矿用防爆电磁阀 8 个 矿用隔爆型接线盒 3 个 气水分 离器 除尘器 流量计 真空表及附属气室和管路等 抽气装置 矿用防爆水环式真空泵 1 台 井下分站控制箱 KXSG8C 井下束管监测系统控制箱 1 台 矿用单芯束管 矿用聚乙烯阻燃抗静电束管 标准配置为 5000m 束管接头及除尘除湿器等管路附件 1 套 通讯电缆 矿用通讯屏蔽电缆 标准配置 5000m 地面中心站 通讯接口 KJJ 2400 地面数据接口 1 台 监控软件 JSG8 井下火灾束管监测系统软件 监控主机 地面工业控制微机 1 台 打印机和不间断电源等 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 25 图图 4 34 3 系统结构示意图系统结构示意图 安装内容 地面中心站的安装 监控主机的安装 监控主机应该安装在矿监控中心 专人监护 主机安装 XP 系统 专机专用 由 重庆研究院技术人员指导安装 JSG8 井下火灾束管系统软件 数据通讯接口 将通讯电缆从井下安装 KXSG8C 井下束管监测系统控制箱 处铺设至地面监控 主机处 由重庆研究院技术人员指导安装数据接口和监控主机及井下通讯电缆的连 接 井下部分的安装 安装地点的选择 山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司防灭火专项设计 26 a 首先要符合使用说明书中关于工作环境的要求 温度 0 40 相对湿度 井下 95 井上室内 90 周围无腐蚀性气体 无干扰 震动冲击的场所 大气压力 80 kPa 106kPa b 下部分应安装于井下采区石门或采区上山附近的硐室中运行 如果系统处于 回风流中 必须按照 煤矿安全规程 的要求采取相应的安全措施 c 选取离各监测点距离最佳的地点 便于看护和值守 有条件的情况下设立栅 栏 独立管理维护 d 井下安装地点水泥底座施工 由矿方选择井下安装地点 并按井下分站尺寸设计施工水泥底座 设计原则如 下 采样分析柜放在中间 电控箱和水环真空泵按现场情况放置于采样分析柜两边 采样分析柜与巷道壁应保持 500mm 距离 平台后面应有排水沟 保证水环真空泵排水顺畅 所需电源 水源及材料 a 两路 660v 电源 一路供电控箱使用 两相 660v 容量大于 200VA 一路供水环真空泵使用 三相 660v 功率大于 10kw b 两个防爆开关 电控箱和水环真空泵各一个 c 稳定干净的水源 可设置一个