兖矿综合机械化放顶煤工作面煤层自然发火防治技术

1、兖矿综合机械化放顶煤工作面煤层自然发火防治技术 我国煤层自然发火情况严重，据统计国有重点煤矿中大约有 56% 的矿井存在煤层自然发火危险，而特厚煤层开采自然发火更为严重。 近年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭的产 量和效益大幅度提高，日产原煤高达 1.0 1.6 万 t ，日产值达 200多 万元，工作面设备投资在 40005000万元，年产 500万 t 的矿井基本 上可实现一矿一面，确保工作面安全生产显得尤为重要。但这种采煤 法的开采强度大、采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，随之 出现了难以解决的火灾、瓦斯、粉尘等一系列问题。据统计，我国煤 矿有 50%以上的综采

2、放顶煤工作面存在着自然发火危险，严重威胁着矿 井的安全生产。因此，防灭火技术的研究工作也是综放工作面安全生 产的关键之一。1、我国煤层自然发火防治技术概况1.1 防灭火技术20世纪 50 年代我国开始研究并在煤矿推广黄泥灌浆防灭火技 术， 60-70 年代研究阻化剂防火、均压通风、高倍数泡沫灭火等技术， 8090 年代研究矿井自然发火预测系统、惰气防灭火、快速高效堵漏 风、带式输送机火灾防治等技术，并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。目前我国煤矿煤层开采时期采用的火 灾防治技术措施，从总体上说有惰化、阻燃、堵漏、降温及其综合防 治技术，共同发挥作用来实现防灭火的目的。1

3、.1.1 惰化防灭火技术 惰化技术主要是指将惰性气体送入拟处理区，抑制煤自燃的技 术。主要用在当发生外因火灾或因煤自燃火灾而导致的封闭区。我国 研制了燃油型 DQ150、DQ1000 型惰气发生装置，装备了我国煤矿 救护队，成为灭火救灾的重要设备。此外还研制了 BGP200 型高倍发 泡机以及 YZWP 180 型惰泡发生装置。近年来，注氮防灭火技术已在我国煤矿迅速推广应用。除部分煤 矿用深冷固定制氮机组和管输下井注氮系统外，有些矿井开始装备近 年来新研制的地面移动式碳分子筛变压吸附制氮机组（ BxND500 型、 KYZD800 型）、井下移动变压吸附制氮机组（ JxZD 400） 、膜分离

4、制 氮机组（ KMDS 600 型）等。由束管监测系统连续监测测定，确定采空 区氧化、自燃、窒息三带宽度后，用埋管或打钻向采空区自燃带连续 注氮，惰化自燃带，达到防火的目的。在扑灭巷道火灾中，建临时密 闭后，向封闭区注氮气，使火区气体氧浓度降至 10%以下可灭明火，降 至 1 2%可快速灭火，燃烧深度大的火源，注氮量应达到火区体积的 2 3 倍。1.1.2 阻燃物质防灭火技术 阻燃物质防灭火技术主要是指将一些阻燃物质送入拟处理区，从 而达到防灭火目的。除已作为常规防灭火措施使用的黄泥浆外，近年 来发展起来的有粉煤灰、页岩泥浆、选煤厂尾矿浆、阻化剂和阻化泥 浆等，已经得到较广泛的应用。1.1.3

5、 堵漏风防灭火技术 工作面推过后，及时封闭和采空区相连通的巷道、无煤柱工作面 顺槽巷旁充填隔离带、隔离煤柱裂隙注浆堵漏风等均属于堵漏风防灭 火。我国近年研究了双料型高水速凝充填料和液压快速注浆设备，并 进行了无煤柱工作面顺槽巷旁充填隔离带的试验，已获成功。还研制 了 KBJ 一 100/5,KBJ 一 50/3 型速凝粉煤灰浆设备和注浆工艺，灰浆输 送距离达800m用于构筑永久密闭、煤壁裂隙、巷道高冒区灌注、胶 结等作业。该设备和材料还可用于快速构筑密闭。1.1.4 灾变时期风流稳定、控制及救灾指挥技术 我国研究火灾时期风流稳定性和风流控制还处于建立物理数学模 式进行通风网路解算和灾变风流模拟

6、的阶段，未达到实用化阶段。近 年来还开展了救灾专家系统的研究，试图将众多防灭火专家的技术经 验，经计算机软件形成人工智能，组成救灾专家决策系统，以便在各 火灾发生时快速选择救灾方案，避免人为因素的片面性。由于该研究 的工作量大、难度大，还没有正规产品间世。自动防火监控风门、自 控防火水幕也是开发研究的内容，已达实用化阶段。 1.2.1 煤自然发火 危险性的判定20世纪 80年代前，煤自然发火危险性的判定沿用前苏联的着火 温度法鉴定煤自然发火倾向，其结果和开采后证实的情况基本相符， 但对于高硫煤差异较大。近年来，研究色谱动态吸氧法测定吸氧量和吸氧速度，判定自然 发火倾向，并研制了 ZRJ1 型色

7、谱自燃性测定仪，在煤矿已推广使 用。在研究煤的自然发火期及其影响因素中，近年来采用了 2 种技术 途径：一是用煤堆实验装置在模拟条件下测定并解算发火期；二是测 定煤的吸氧速度、氧化反应速度，以热传导及热平衡原理推算最短自 然发火期，并结合地质、开采、通风等影响因素的修正系数确定煤的 发火期。1.2.2 自然发火预测预报(1) 预测预报指标过去矿井火灾预测预报指标主要采用 co但最新研究表明co已 不是在任何情况下都可作为惟一的和最灵敏可靠的判别煤自燃火灾的 指标。最新的研究结果为：使用 CO C2H4及C2H23个指标，综合地将 煤自然发火分为3个阶段：矿井风流中出现10-6级CO时的缓慢氧

8、化阶段；出现10-6级CO和C2H4时的加速氧化阶段；出现10-6 级CO C2H4和C2H2的激烈氧化阶段，此时即将出现明火。应用这 3 个指标，不仅可预测火灾，而且还可判别其阶段，据此而采取不同的 防灭火技术措施。本项技术已在较多矿井中得到应用，但对不同的煤 层必须分别进行模拟实验，优选其指标的具体应用值，才能正确地应 用该项技术。(2) 预测预报手段预报自然发火的手段，在 20世纪 70年代前是用井下人工采气 样、地面仪器分析，并结合温度检测和人的感知来判断发火危险性。 80年代煤矿普及气相色谱分析方法，并研究应用束管监测系统抽吸井 下气体、地面集中分析、微机自动数据处理和预报自然发火。

9、束管监 测系统已成为工作面自然发火预报和采空区注氮防火的主要监测手 段。1.2.3 外因火灾检测系统 我国煤矿近年曾发生胶带输送机或机电硐室火灾，并造成重大经 济损失或人员重大伤亡。为此，近年相继开发出几种装置和仪器设 备，如煤炭科学研究总院重庆分院研制开发的 KHJ1 型矿井火灾监控 系统及自动灭火装置以及 MPN 1A型胶带输送机自动灭火装置，它们 由速差、温度、烟雾、紫外线、热敏电缆等 5 种传感器和电源控制箱 联接，控制箱由单片微机实现监测控制、智能判断、控制喷洒泡沫或 水喷雾灭火，为我国煤矿外因火灾的预测预报及防治增添了新的手段 和能力。这些系统都是我国自己研制开发的产品，适应我国的

10、具体情 况，可供有关矿井选用。2、煤层自然发火机理2.1 煤体自燃的起因和过程煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化的物理化学过 程，其实质就是一个缓慢地自动放热升温最后引起燃烧的过程。该过 程的关键有两点：一是热量的自发产生；二是热量的逐渐积聚。导致煤在常温下产生热量的因素很多，如水对煤的润湿热、煤分 子的水解热、煤中含硫矿物质水解及氧化热、煤中细菌作用放出的热 量、煤对氧的物理吸附热、煤对氧的化学吸附热以及煤与氧的化学反 应热等等。这些因素对于煤体自发产生热量都起着一定的积极作用， 在某些条件下甚至是决定性的作用。但大量的研究工作发现煤的自燃 主要是由煤氧复合作用放出热量而引起，煤与空

11、气接触后首先发生煤 体对氧的物理吸附，之后又发生煤氧化学吸附和化学反应。导致煤体自燃除热量的自发产生之外，另一关键要素就是自发产 生的热量被逐渐积聚。煤体自燃所需热量的积聚不但与煤氧复合作用 放出热量有关，还与煤体的散热条件有关。实际条件下，煤体的放热 与煤体表面活性结构种类和数量、煤体的温度、氧气浓度等因素有 关；自燃煤体的散热条件则主要包括煤体的空隙率、漏风强度以及周 围环境的温度等。当煤体的放热量大于煤体的散热量时，煤体热量被 积聚，煤体温度上升；当煤体放热量小于散热量时，则煤体温度保持 稳定。煤体热量积聚过程，也就是煤体自然的发展过程，而自燃正是 煤体放热与散热这对矛盾运动发展过程的结

12、果之一。综上所述，煤自然发火主要是由空气渗透进入松散煤体，空气中 的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生物理吸附、化学吸附及化学 反应，同时放出热量，在一定的蓄热环境下，煤体不断地氧化、放 热、升温，当煤温超过临界温度后，煤体继续升温，达到煤的着火点 温度，最终导致煤体燃烧。巷道在掘进过程中，煤体暴露于新鲜空气中，在采动压力作用下 受压而破碎、离层，风流在各种动力作用下渗透进入煤体，使煤体氧 化放热。当煤体放热速率大于周围环境散热速率时，引起升温，最后 导致自燃。由于巷道煤层所处位置、松散煤体堆积形态、漏风动力、 散热条件等与一般煤层不同，具有自己的特性，尤其是综放无煤柱开 采。因此，巷道煤层自

13、燃除了具有一般煤层自燃的共性之外，还有自 己的特性。2.2 煤层自燃特点2.2.1 由于受煤矿开采条件及采煤工艺的限制，工作面布置走向 长度大，上千米煤巷采用综掘一次完成，因而巷道煤体暴露于空气的 时间较长，一般均超过煤层最短自然发火期。2.2.2 巷道内因火灾大多起始于距巷道表面一定深度的中部。在 采动压力的作用下，暴露面处的煤体破碎程度较大，漏风阻力小，漏 风强度较大，超过引起煤自燃的上限漏风强度，热量不能积聚，无法 形成自热高温点；离暴露面较远的深部煤体，由于漏风通道不畅通， 漏风阻力较大，氧气渗透到该处时浓度已很小，低于煤自燃的下限氧 浓度，处于窒息状态，亦无法形成自热高温点；而在距暴

14、露面一定深 度的中部，漏风强度适中，风流速度慢，氧气浓度适宜，最容易满足 煤自燃的条件而形成自热高温点。2.2.3 煤体导热性差，火源隐蔽，往往是在发现巷道煤体表面温 度异常时，内部火势已形成。自燃火源点逆着风流方向发展，有害气 体顺着风流方向流动，有时只见有毒有害气体而不见明火，使寻找火 源点的工作非常困难。 2.2.4 巷道外因火灾，火势发展迅猛，很快就会 形成大火，但只要氧浓度小于 12火势就熄灭。在发火初期只有着火 处煤温很高，由于煤（岩）体导热性差，周围煤（岩）体的温度升高 缓慢，煤体的热容量小，因此出现外因火灾初期，火势易于扑灭。巷 道松散煤体自燃火灾则不同，它是煤氧结合放出热量引

15、起自然升温而 形成的火灾，由于煤体的长期氧化，逐渐地向周围煤（岩）体散热， 同时自身热量也逐渐积聚，煤（岩）体温度升高，储存了很大的热 能，火源点周围煤（岩）体的温度很高，欲降低如此大范围高温煤 （岩）体的温度难度很大，且易使暂时扑灭的火灾复燃。2.2.5 井下巷道属于半封闭空间，煤自燃产生的有毒有害气体和 灭火时产生的水蒸气等只能朝一个方向移动，救灾人员工作空间回旋 余地小，给救灾人员带来很大威胁。2.2.6 厚煤层综放开采顺槽沿底板掘进，巷道顶煤自然发火较 多，火源位置高。顶煤受矿压和采动影响，易破碎离层；有些煤层煤 质松软，掘进过程中时常冒顶形成空洞区；有的上分层已采，下分层 采用综采放

16、顶煤技术，由于煤层起伏变化、中间煤层破碎等原因，使 综放顺槽与顶部采空区连通。2.2.7 无煤柱开采留小煤皮的沿空巷道与邻近层采空区连通，火 源沿巷道顶板及沿空侧（或顶部）采空区发展迅速，火势控制困难。2.2.8 两道顶煤在回采前破碎区已受到长时间的氧化升温，由于 端头顶煤放出率低，该顶煤垮落采空区后，产生 5-8m宽的丢煤带， 采空区这 2 条遗煤带相对其他地点温度更高，自然发火期缩短；当接 近停采线时，为了撤架而不放顶煤，使得采空区形成较大面积悬空， 且留有大量浮煤，而撤架时间又较长，使自燃性增强。当相邻综放面 沿空送巷和回采时，由于一次采落煤层厚度大，采动影响范围广，相 应漏风量增加，容易引起巷道自燃火灾。2.2.9 巷道自然发火主要发生在巷道高冒区、地质构造带、煤体 破碎带、裂隙发育之处，以及巷道有突变的区域（巷道变形、起伏、 扩大、缩小、转弯、分叉、汇合及巷道内安设风门、风窗、风嶂、堆 放杂物等）。这些区域漏风强度变化较