煤矿火灾防治讲义

1、煤矿火灾防治n 为什么火灾救灾难度和危险性最大？n 为什么有的火灾诱发爆炸，有的却不会？n 为什么下山火灾风流流向反复变化？n 如何分析所取气样可靠性？n 如何注意直接灭火的安全保障？n 分析火灾隐患时如何排除环境影响？n 如何判断火源位置？n 如何分析封闭火区燃烧状态？n 为什么掌握计算机风流模拟技术比定性分析方法还简单？n 如何进行有效的火灾现场勘察分析？n 矿井火灾隐患侦知u 供氧风流状态风压分布和漏风u 火源电气、自燃、摩擦、撞击、爆破等u 燃料煤、木材、塑料（了解其燃烧特性）u 监察火灾隐患预警-靠风流气体成分的分析1.燃烧的基本概念n 燃烧的特征u 放热、发光和生成新物质。u 电灯

2、：钨丝放热、发光，但未生成新物质。u 金属生锈，动物呼吸：放热、生成新物质，但无发光现象。u 所以，以上两种现象均非燃烧。n 燃烧的形式u 扩散燃烧（气体可燃物燃烧）« 可燃气体从管道孔口 或巷道流出，在与空 气的交界面燃烧。 u 分解燃烧（固体和部分液体燃料燃烧）« 可燃物遇热分解其产物氧化反应火焰燃烧 « 矿井火灾时期，着火带中燃烧带燃烧。 u 表面燃烧（固体燃料燃烧的后期）u 固体燃料热分解后，剩余的焦炭与空气的接触表面燃烧。u 固体燃料呈红热表面，但没有火焰。u 矿井火灾时期，着火带中的焦化带燃烧。u 预混燃烧（气体可燃物燃烧） u 可燃气体与空气预先充分

3、混合的燃烧。燃烧在混合气体分布空间快速蔓延，在一定条件下会转变为爆炸。u 矿井火灾引起的爆炸事故往往由预混燃烧引起。u 有时因分解燃烧生成大量富余可燃挥发性气体，与空气混合形成预混气体，在一定条件下点燃而发生预混燃烧。u 在上述四燃烧形式中，预混燃烧范围最大。2.火灾的特点及治理难点 *燃烧源高温 *高温有毒烟流（中毒、爆炸） *风流紊乱、逆转加剧上述危害u 发展迅猛 比内因火灾更迅速的预警、救灾u 持续时间长 较纯爆炸、突出等更危险u 长期、大范围风流紊乱 控风技术应用有效、但难度大u 技术推广的难点 外因火灾几率小，控风设施日常维修、购置费用大3.矿井外因火灾燃烧特性 *高温(1000)、

4、大量高温气体流向下风侧 *形成再生火源（跳蛙现象） *产生爆炸隐患 *引起风流紊乱(逆转、形成爆炸预混气体)4. 矿井火灾预警4.1 矿井火灾燃烧生成产物u 富氧燃烧u 富燃料燃烧 *火风压-节流作用和上浮作用（定义） *低、微风的火源-烟流逆向蔓延 *火源的顺风蔓延：井下风速下，火源蔓延速度与风速成正比5.火灾风流紊乱现象u 风流逆转u 浮力节流 > 机械风压，巷道全断面风流反向u 风流逆退u 浮力节流巷道纵横断面温度和压力差。新风顺风向从巷底流入，热烟流沿巷顶流出。n 风流滚退u 由节流、温度和压力差引起浮力作用方向朝上；节流作用与风流流向相反，一般情况下，节流作用比浮力作用小得多。

5、上山火灾风流逆转后风向一般不变下山中小火灾风流逆转后风向变化频繁火势大的下山火灾风流逆转后风向较稳定下山火灾实例联絡巷对风流逆转的影响6. 直接灭火的实用技术u 防止烟流滚退的最小风速6.2 防止烟流滚退u 风帘遮挡巷道下半部 提高风速 u 巷道左右侧同时喷水 u 反光镜的应用 u 自关风门 6. 3 火源下风侧洒水的控风保护u 注意打开联络巷和设置风幛的顺序（例1）u 联络巷处于危险漏风状态（例2）u 顶板垮塌的影响（例3）n 倾斜上山着火（例4：倾角5.7）u 倾斜下山着火（例5：倾角5.7 ）u 直接灭火人员的撤退路线保护u 难以保证灭火人员安全的危险情况u 烟流泄漏现象（图中显示3条平

6、行巷由上至下，胶带机巷、轨道巷和进风巷）u 烟流泄漏的控风n 直接灭火期间的气体监测，u 分析爆炸的可能性n 气体监测u 火源下风侧监测检查风流是否稳定；压力脉动产生因素火势增强气体局部小爆炸检查氧气浓度氧气浓度太低，便携式电子检测仪表误差大，氧气浓度需大于17。u 上风侧气体监测（特别是着火巷与其相邻平行巷风向相反时更应注意。n 注意直接灭火的退路n 直接灭火时的下风侧烟流组分监测u 注意风流稳定性，是否有压力脉动u 注意O2、CO、CH4的变化趋势« 持续增加：灭火效果不佳，预示爆炸可能发生 « 注意O212% 时，电子检测仪表易出错 « 浓度差值法排除环境因

7、素影响 CO 200ppm 220ppm 220-200=20 150+50 150+70 70-50=20« 浓度比值法减少风量因素影响。 « CO 200ppm 风量增10 倍 20ppm O2 10% 风量增10 倍 1%用水直接灭火 u 水流方向u 水与风流应在同一方向流动。u 避免巷道垮塌破坏水管或高温破坏橡胶垫圈，引起漏水。u 管路系统u 供水管道应由进风井进入，消防栓接头盖应用塑料。u 应采用能清楚显示开关状况的阀门。u 供水量应充足 高倍泡沫灭火u 适宜于距采煤工作面或未封闭采空区较远的巷道着火。u 不适宜于倾角大于11.3°下山或大于5.7

8、76;上山火灾。 不适用于熄灭煤体深部火灾和巷道死头。u 进入成泡机的风流不含烟流或是只含少量烟流，因烟流妨碍泡沫形成。u 发泡作业一旦开始，不能间歇作业u 若必须暂停发泡作业，应停止供水，并保持通风机运行，稀释并带走可燃气体。u 如何判断泡沫流动走向和灭火效果 应注意分析泡沫旁路而不能流入着火带 泡沫是否有足够含水量 故须监测分析回风巷及泡沫灭火机附近大气状况。u 泡沫栓前进的两个信号« 泡沫机隔墙两端压差逐渐增高。« 回风巷可燃气体浓度增加。u 泡沫栓旁侧流失或过着火带« 压差停止增高。« 可燃气体浓度停止增高。u 如何判断泡沫栓旁侧流失或过着火带呢

9、？u 若泡沫栓过着火带呢« 泡沫栓暂停延长，压差稳定一段时间后，又继续增加，« 若泡沫含水充足，回风巷水蒸气和湿度增加。u 否则，泡沫栓旁路，从旁侧巷道流失。u 若回风巷可燃物浓度增加一段时间又开始降低说明火势得到抑制。u 高倍泡沫灭火的缺点：u 泡沫栓难以充填整个巷道断面，巷道顶部火灾不易扑灭。 u 泡沫栓难以通过垮塌严重区域。 u 泡沫栓阻塞进风，在打了隔墙情况下，可能形成富燃料燃烧。 u 或瓦斯积聚，并被推向着火带。 u 在火源上风侧瓦斯浓度大或有旁侧巷道进风时，必须考虑瓦斯爆炸的危险。 u 下山火灾注泡沫，因火风压上浮作用，可能阻止泡沫下流。 7.火区状态分析7.1

10、 火区内瓦斯爆炸性变化趋势分析(注惰气等防治措施的效果）n 结论u 1.注惰气、阻漏风等措施，不仅有助于灭火，而且有助于避免形成爆炸性大气使O2曲线变陡，CH4曲线变缓，两危险时间段不重叠。u 2.火区漏风矛盾影响 利冲淡瓦斯、延缓瓦斯浓度增加，瓦斯曲线变缓。 弊渗入空气，延缓氧浓度下降，氧气曲线变缓 利弊分析：O2相对密度1.1，CH4相对密度0.55 漏风易与火区大气混合，较难与火区内瓦斯层混合。所以应注意火区内瓦斯分布的不均匀性， 局部积聚瓦斯层，流经火源，易发生爆炸。 u 3.在火区内存在多个火源点情况下，局部积聚瓦斯层流经火源概率增大，更易发生爆炸。u 4.为什么近年来，封闭火区易发

11、生瓦斯爆炸？ 开采强度增加，瓦斯涌出量增大，瓦斯曲线变陡，其危险区易落在O2危险区内，而易形成爆炸性大气。 沿空留巷及放顶煤开采等采煤方法，使漏风增加，氧气曲线变缓，增加O2危险范围。7.2 确定所取气样是否可靠？u 特里克特比率« Tr1.6，气样不可靠« 燃烧类型判别 Tr<0.4 无燃烧或已熄灭 0.4<Tr<0.5 甲烷燃烧 0.5<Tr<1.0 煤、油类、胶带、塑料等 0.9<Tr<1.6 木材« 爆炸类别判断 Tr0.5左右， 瓦斯爆炸 Tr0.87， 煤尘爆炸 Tr0.50.87，瓦斯与煤尘爆炸7.3 爆炸三

12、角形计算法u Y(轴值)CH4(%)0.4CO(%)1.25H2(%)u （以CH4为基准的等效可燃气体总体积浓度）u X(轴值)富余N2（%）1.5CO2（%）u (以富余N2为基准的等效惰性气体总体积浓度)u 富余N2(%)N2（%）O2(%)(79.04/20.93)u 应用实例：一井下气体试样：CH4 8%，CO 5%，H2 3%，O2 6%和N2 68%，CO2 10%，u PT=8%5%3%16%，u 确定混合气体组分点u Y（轴值）80.451.25313.75（%）u X（轴值）45.31.510=60.3（%）u 根据R=8% / 16%=0.5,在图中确定爆炸三角形u 根据

13、（X、Y）值确定混合气体组分点。u 看是否在爆炸三角形外，若是无爆炸性。u 简便算法：用最小助燃氧浓度确定爆炸性u 最小助燃氧浓度，MO2=5.07Ru 本例MO2=5.070.5=8.5%6%u 所以无爆炸性。u 注意，若混合气体O2浓度MO2.应作上述计算。火区启封的规定：安全规程230条“方可认为”；执行说明“方可认定”7.6 如何正确分析火区状态：u 煤类火灾气体产生顺序：COH2C2H4(乙烯)C3H6(丙烯)C2H2(乙炔)u 火区状态的逻辑分析法:排除非火灾因素影响u 量化分析前提气样中各气体的变化速率（气体百分比浓度）即下图曲线斜率：式中：x、x”分析期间时间初、末值 r、r”

14、对应于时间x、x”的气体百分浓度u 实例：某矿井封闭火区，經调查，火区内无大量木材，水体水量和PH值不清u 由上式和上图得« RN2-0.0004 Rco20.0003« Ro2-0.008 Rco-0.001« RCH40.003 RH2-0.008u 火区状态分析« 判断是否存在综合影响因素« 判断准则1：(推理法)CH4涌入稀释气体，N2%« 判断准则2：(反证法) 若无燃烧，无O2吸附，CH4稀释应使 RO2RN2 本例：RO2-0.008是RN2-0.0004的20倍 所以：存在燃烧或O2吸收（吸附）« 判断准则3

15、：(反证法) 若火灾熄灭，或缓慢氧化反应停止，则因CH4稀释，使RCO2RCORO2RN2，且RCH4，其余气体R。本例： RCH40.003，但RCO2=0.0003，RCO=-0.001， RO2=-0.008，RN2=-0.0004 所以：存在燃烧或缓慢氧化反应。下面进一步分析确定哪一种原因。以RCO2值分析。 RCO2=0.0003>RCO，RH2(为负值）u 判断来源：« A.酸性水与碳酸盐反应：情况不清，无法判断.« B.若吸附作用影响： CO2比CO更易吸附，RCO2比RCO负值更大。 但本例 RCO2=0.0003(正）,RCO=-0.001(负），说

16、明吸附非主要作用。« C.缓慢氧化作用：RCO2应为0.001左右，本例为0.0003。所以：缓慢氧化非CO2主要来源。« D.采空区自热： 初期 RCO2=RCO，发展期 RCORCO2。 本例中 RCORCO2， 所以：采空区自热非CO2主要来源。« E.CO2富集带涌出，RCO2大，应有短暂、急剧增加。 本例：Rco2小，排除这一可能。u 小结：RCO2因燃烧产生，火未熄灭。u 以RCO值分析« 由判断准则3,无燃烧和缓慢氧化时， RCO2RCORO2RN2成立。« 本例：RO2=-0.008>RCO=-0.001(8倍） 在RCO

17、2分析中已排除缓慢氧化。« 所以：CO浓度变化由燃烧所致，负值可能因CO为焦炭，炭黑吸收所致。u 以RH2值分析« 火区木材少，H2生成系燃烧所致。u 结论« A.180天后，火未熄灭« B.O212%，非CH4燃烧« C.火区木材少，不能支持180天燃烧« D.煤是主要燃料« E.90天后，O2%5%，阴燃，火势遏制，不会蔓延« F.火势遏制，着火带温度，RH2与实际相符。7.7 分析火灾过程« 判断准则4: 当RO2负值与RCO2、RCO正值相近，火势发展。本例第1月：RO2=-0.02，RCO=RC

18、O2=0.03所以，第1月火势发展情况恶化。 « 判断准则5： RO2、RCO和RCO2稳定，且近似为零，表明火势受遏制。是建立永久防火墙、堵漏风、加固防火墙的最佳时机。 本例第2月：RO2、RCO2、RCO在0位置波动，而CH4稳定上升，说明火势稳定；但漏风大（因RCH4，其他气体R应下降，漏风造成浓度波动）。应加固修补防火墙、阻塞漏风。u 火区受环境影响大，但可通过逻辑推理逐步排除其他可能性。u 判断准则可根据矿区的不同而完善。u 逻辑推理方法是现场技术应用和技术进步的重要保证。7.8 启封火区u 通风启封火区法（较简单）u 预先确定有害气体排放路线，撤出人员。u 首先打开一个出

19、风侧防火墙（由小孔扩大）。u 过一段时间打开进风侧防火墙。u 排放有害气体一段时间无异常，打开其余防火墙。u 进风侧防火墙若处于火区下部，防止CO2逆向流动。u 打开防火墙短期内采区强力通风，人员撤退，待12小时再进入火区进行恢复工作。u 通风时间和通风风量的确定。n 实例：u 火区V=7.65*104m3，火区内甲烷浓度C1=31%，CH4要达到Ct1.5%，G=3.4m3/min（瓦斯涌出量），A=9.3m2。u 求：通风风量Q和最小通风时间Tu 解：（1）防治气体层形成的最小风速 n 式中：M环境参数，n （m3/min）n 所以 （m3/min）u (3)最小通风时间u n 锁风启封火

20、区u 适用于火区范围大，南翼确定火源是否完全熄灭，或适用于高瓦斯涌出火区防止瓦斯爆炸等情况。u 锁风法可能危险：新鲜空气进入增加原火区大气O2浓度。u 有文献建议：“锁风法应O22%才能开始”u 注意监测地面大气压力和火区内外压力的变化。u 火区内气压下降，新鲜空气可能流入u 火区内气压上升或火区外气压下降，区内有害气体可能流出。u 注意观察下列现象，判断爆炸发生的可能性。« 压力波动预示爆炸的可能« CO或H2连续增加，火势发展« 冒顶处烟雾增加，预警复燃的可能。 u 经验推断方法u 井下人员见火源报警，或根据烟流流动方向逆推。u 定性判断方法u （1 ）根据井

21、下报警和未报警传感器设置位置，按风流方向逆推。 u （2 ）求出是各报警传感器均可能报警的公共巷道。 u （3 ）求出未报警传感器对应的巷道， 前提：假设无风流逆转现象出现。 u （4 ）可疑火源（2 ）（3 ） u 定量判断方法u 应用风流状态模拟技术，计算定性判断出的存在火源的各可疑巷道烟流（定性方法第4 步）流至各报警传感器的时间； u 计算各报警传感器的报警时间差，形成若干报警时间差组合； u 与矿井火灾发生时，监测系统传感器的实际报警时间差组合逐一对比； u 选择最接近的几组计算报警时间差组合对应的巷道为火源可能存在巷道。 n 根据定性判断方法u 第（2）步求得报警公共巷道，2、5、

22、6、10、45；u 由定性判断方法，第（3）步求得未报警巷道2、45；u 由定性判断方法，第（4）步求得可疑巷道5、6、10；u 因巷道6、10串联，报警时间相同。n 根据定量判断方法u 计算出对应于火源在巷道5的传感器报警时间差组合，与实际传感器报警时间差组合接近。u 排除巷道6、10着火的可能，u 火源在巷道5。 9.矿井火灾风流模拟与控制技术u 经验和定性分析的救灾技术为何难以发展？9.2 风流动态模拟技术9.3 风流动态控制技术u 事故现场 报告 矿调度室下达u 应变要点 u      烟侵区人员自救，撤离或避难u  

23、0;   切断灾区或相关区域毋需保留的电源u      救护人员进入烟侵区救人和直接灭火u      报告灾情和已下达应变要点u      通知有关人员待命u      通讯部门安设救灾指挥通讯线路u      火灾风流状态模拟和控风技术支持 u 矿长、总工 局总调度室 救灾总指挥部u 井下指挥部救灾实施u 应变措施 u 救护队下井侦察营救受困人员（进入相关区域）u

24、检查全矿或灾区反风准备工作。反应波及地区人员设备、设施撤离或保护措施落实。u 下令全矿或灾区反风并做好直接灭火u 通风部门维护反风后的系统和设施u 救护队直接灭火和侦察营救被困人员u 运输、机电部门组织受害人员的撤离u 医护人员抢救u 救灾全过程的记录、录音 u 勘察与调查u 设备、巷道破坏情况u 火灾烟侵区域及影响范围u 遇难、遇险人员数量、分布u 火灾延续时间，对生产的影响u 火灾直接间接损失u 应变效果检查u 应变措施是否达到预期目的，反风效果、人员撤退、火势控制或熄灭。人员救出状况u 应变措施的不良后果和危害u 应变措施是否部分未达到预期效果和原因 u 查询内容u 火源点和时间u 燃烧

25、物质种类和数量u 烟侵区域气体组份、浓度、可见度、风量、风向、风压u 烟侵区域受威胁人员撤离情况u 直接灭火效果u 控风措施的准备和实施u 实施后人员撤离、设备保护情况u 事实人员和设施到位情况11.矿井火灾事故勘察技术及方法 火灾现场勘察基础知识1. 火灾发生位置和影响区域2. 火灾对井巷支护、井下建筑和设施的破坏3. 火灾对金属材质的作用：受热、变形、烧熔、破坏及倒塌4. 火灾蔓延及烟流流动状态的时空变化5. 火场残留物状况6. 火源位置、可燃物种类、引火源7. 人员伤亡位置、数量、伤害状况8. 监测系统和灭火设施动作状况和效果u 木材燃烧痕迹 明火 较薄的炭化层，裂纹宽、深热辐射烘烤 较

26、厚的炭化层，裂纹随温度升高变短受热自燃 厚度大的炭化层，有不同程度炭化区 较长时间的热分解和炭化特征低温 炭化层平坦，呈小裂纹干馏着火 在缺氧情况下的高温热分解，一般可 在炭化木材下部发现以木焦油为主黑 色粘稠液体u 电弧灼烧 电弧若未引起明火或明火迅速熄灭， 则炭化层浅，且与非炭化部分界限 分明。 弱电弧的较长期作用，木材将形成 不规则小坑，炭化层浅，与非炭化 部分界限明显。u 赤热体灼烧热焊渣、高温固体接触木材使其灼烧 的痕迹、炭化明显，有明显炭化坑甚至穿洞以上分析结果用于判断火因u 蔓延速度:« 炭化层簿，炭化与非炭化部分界限分明 火势强，蔓延快« 炭化层厚，炭化与非

27、炭化部分有明显过渡区火势弱，蔓延慢u 蔓延方向：« 木材辐射着火痕迹的发展方向显示蔓延方向« 火烧成斜茬的木支柱，其斜茬面为迎火面« 木支柱半腰烧损严重，表明曾处于强大热辐射源或有强大火流迅速通过.u 火场温度：« 100 木材水份蒸发« 150250 热分解加剧，木材表面不同程度炭化« 260以上 危险温度、表面出现黑色« 360 产生炭化花纹« 360420 达到自燃« 400以上 炭化层出现龟裂纹u 金属在火灾中的变化物态变化：随温度上升，金属出现软化熔瘤 熔滴熔化等不同程度变化表面氧化：金属表面形

28、成金属氧化物、锈层弹性变化：金属回火、退火外形变化：强度降低，« 钢材：>300，强度开始下降；至500，强度降低1/2；至600，强度降低1/61/7；« 铁支架垮蹋(>500，作用时间25分钟)u 混凝土在火灾中的变化« 火场直观鉴定外观无变化，强度增加火场温度100300开始有裂纹，强度不变火场温度300400裂纹增大增多，强度下降较多火场温度600700酥裂破坏，强度几乎全部丧失火场温度800900熔结、熔瘤，1000以上« 化学方法鉴定 中性化鉴定：水泥在火灾中Ca(OH)2或CaCO3在600900分解而呈中型化. 分析当时的温度

29、和作用时间.1%酒精酚酞试剂检查其水泥碱性变化呈红色(Ca(OH)2 存在多)<500，或火灾作用时间短红色很淡或不呈红色(Ca(OH)2 存在少或没有)>600，或火灾作用时间长u 短路在金属中的痕迹« 区别短路与燃烧熔痕分析导线是先短路后烧熔或是先烧熔后短路短路：电弧温度高、短路时间短、作用点集中燃烧熔痕：电弧温度较低、燃烧时间长、作用区域广u 因此两者出现以下差异u 区别火灾前及火灾中短路熔痕：u 过负荷痕迹区别导线因火烧或过负荷所破坏(分析火灾致因，责任，和教训)11.3 结论12. 矿井内因火灾12.1 致因及过程u 煤-氧复合作用学说 ：空气中O2+ 煤常温氧

30、化自燃 u 自燃三阶段« 准备期 ：缓慢氧化, 温度逐渐 ；着火温度 « 自热期 ：氧化速度,热量积聚，温度, 煤的干馏（>6080 ） 生成CO， 碳氢化合物，H2 等« 燃烧期 « 出现明火、烟雾以及燃烧生成物 * 煤本身具有自燃发火本性的一种度量标志*鉴定方法：双回路气相色谱吸氧鉴定方法12.3 内因火灾防治u 合理的开拓开采系统、采煤方法及通风系统« 开拓：主要巷道底板岩石« 采煤方法：减少煤柱，提高回收率，全陷落法管理顶板« 通风系统：减少漏风，中央分列、两翼对角u 预防性灌浆« 浆材、不燃、粒度&

31、lt;2mm，其中<1mm75%« 泥浆料水比 1.21.5u 阻化剂防火 « 阻化率： 愈大，煤抗氧化能力愈强« 阻化衰减期：阻止氧化的有效期u 均压防灭火 « 降低压差减少漏风（散热带、燃烧带、窒息带）（SF6示踪气体）；安全问题u 惰气： 以氮气为主 u 凝胶 ：固结水，成胶和汽化降温，密封堵漏，阻化13. 矿井火灾事故案例分析 例：某矿“11.l”胶带机暗斜井火灾案例分析 ××年11月1日凌晨5：10分左右，某矿胶带机暗斜井第二部胶带机头以下200米左右处，因胶带摩擦起火，造成16人死亡，18人受伤的重大恶性事故。直接经济损失200多万元。 13.1 事故经过 该暗斜井全长780米，倾角为16度，共安装胶带机两台，第一部长400米，第二部长为370米。 ××年11月1日凌晨5：40分，矿运转区调度员向矿调度员汇报，井下二水平胶带暗斜井第二部胶带机中部着火。矿调度室接到事故汇报后，立即通知矿总值班的副总工程师以及有关矿领导和局调度室。同时矿总值班及调度员立即布