煤矿火灾前兆信息及预警新技术

1、煤矿火灾前兆信息及预警新技术煤矿火灾前兆信息及预警新技术一、煤矿火灾概念及分类二、煤矿火灾现状分析三、煤矿火灾前兆信息四、煤矿火灾预警新技术五、结论煤矿火灾煤矿火灾是指发生在煤矿井下或地面井口附近、威胁矿井安全生产、形成灾害的一切非控制燃烧。火灾是煤矿五大主要灾害之一，每一场火灾的发生，轻则影响生产，重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更为严重则可能引燃瓦斯煤尘爆炸，酿成人员伤亡的重大恶性事故。煤矿火灾内因火灾外因火灾井下火灾地面火灾可燃物（煤炭）自身氧化自燃1、有预兆2、火源隐蔽；3、有一个或长或短的发展过程；4、持续时间长外部热源引燃可燃物1、发生突然；2、火源明显；3、发展迅猛；4、持续时间

2、短矿山井下的火灾，包括井口火灾矿山地面的火灾1、不容易发现与察觉；2、井下狭窄不易扑救；3、产生大量的有害气体；4、持续时间长1、容易发现与察觉；2、地面宽广易扑救；3、产生的有害气体少；4、持续时间短按引火热源引火热源的不同按发火地点发火地点的不同 煤炭是我国的煤炭是我国的主要能源主要能源和重要的和重要的工业工业原料。原料。 国家国家能源中长期发展规划纲要能源中长期发展规划纲要(2004-2020(2004-2020年年) )中明确指出中明确指出“坚持以坚持以煤炭为主体煤炭为主体、电力为中心、油气和新、电力为中心、油气和新能源全面发展能源全面发展”的能源战略。的能源战略。 20112011年

3、，全国煤炭产量年，全国煤炭产量3535亿吨亿吨，同比，同比增长增长7.7%7.7%，在一，在一次能源次能源消费中约消费中约占占70.4%70.4%，预计，预计20502050年仍将占年仍将占50%50%以上。以上。原原煤煤70.4%原油17.7%天然气4.5%水力发电6.0%核能0.7%再生能源0.7%20112011年中国一次能源消费结构年中国一次能源消费结构u据统计，据统计，2009年年-2011年，与火灾相关的煤矿事故有年，与火灾相关的煤矿事故有92起起。单一矿。单一矿井火灾井火灾20起起，死亡，死亡233人人；火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸等继发灾害；火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸等继发灾害72起起，

4、死亡，死亡364人人。2010年年6月月21日日，河南兴东二矿井下火药自燃爆炸，造成河南兴东二矿井下火药自燃爆炸，造成46人遇难人遇难。2011年年7月月6日，山东防备煤矿井下空气压缩机自燃着火，日，山东防备煤矿井下空气压缩机自燃着火，进而进而引燃引燃坑木和坑木和煤炭，形成大面积的火区，导致煤炭，形成大面积的火区，导致28人死亡人死亡。2009年年8月月18日日，云南尚岗煤矿自燃引起，云南尚岗煤矿自燃引起巷道巷道垮塌，垮塌，造成造成10人死亡人死亡。瓦斯瓦斯, 533顶板顶板, 665水水, 192火灾火灾, 34其它其它, 5492011年各类事故死亡人数系列系列1, 瓦斯爆瓦斯爆炸炸, 1

5、14, 49%系列系列1, 煤与瓦煤与瓦斯突出斯突出, 103, 44%系列系列1, 其它其它, 16, 7%瓦斯事故类型仅仅2011年，年，43起较大瓦斯起较大瓦斯事故因火灾事故因火灾引起的有引起的有22起。从瓦斯爆炸火源看，起。从瓦斯爆炸火源看，电气火花电气火花10起起，放炮，放炮7起起，煤炭自燃，煤炭自燃2起起，工人吸烟，工人吸烟2起起，金属撞击，金属撞击1起起。10起，起，45.5% 7起，起，31.8% 2起，起，9.1% 2起，起，9.1% 1起，起，4.5% 电气火花电气火花放炮放炮煤炭自燃煤炭自燃 违章吸烟违章吸烟 金属撞击金属撞击按引火源分类按引火源分类2012年年7月月1日

6、，窑日，窑街煤电集团有限公司海石湾煤矿街煤电集团有限公司海石湾煤矿6112油页岩综采工油页岩综采工作面出现间歇性喷火，作面出现间歇性喷火，7月月9日工作面下端出现明火，由于火势发展迅日工作面下端出现明火，由于火势发展迅猛，被迫封闭全矿，猛，被迫封闭全矿，7月月11日井日井下油气燃爆，出现较大冲击波，将风下油气燃爆，出现较大冲击波，将风井防爆门破坏，迫使主扇停止运转，井防爆门破坏，迫使主扇停止运转，全矿井停产。全矿井停产。u人员伤亡人员伤亡：火灾产生的：火灾产生的CO、CO2等有等有毒有害气体随高温火烟一起流入井下毒有害气体随高温火烟一起流入井下各作业场所，造成人员中毒和窒息。各作业场所，造成人

7、员中毒和窒息。u烧毁设备和煤炭资源烧毁设备和煤炭资源：井下发生火灾，：井下发生火灾，会烧毁大量的设备、器材和煤炭资源，会烧毁大量的设备、器材和煤炭资源，造成大量煤炭资源呆滞，影响矿井正造成大量煤炭资源呆滞，影响矿井正常生产。常生产。u严重的环境污染严重的环境污染：煤田及矸石山自燃排：煤田及矸石山自燃排放的放的SO2、NxOy、CxOy和烟尘等，严重和烟尘等，严重影响生态环境，影响生态环境，CO2占全球总排量的占全球总排量的2%-3%。煤田火灾煤田火灾矸石山火灾矸石山火灾u2011年，全国共有煤矿约年，全国共有煤矿约11000个个，具有自燃倾向的矿井占，具有自燃倾向的矿井占50%以上以上，传统矿

8、区百万吨发火率高，传统矿区百万吨发火率高达达7.47。u采空区自然发火次数占火灾总采空区自然发火次数占火灾总数的数的60%，巷道煤柱占，巷道煤柱占29%，其，其它地点占它地点占11%。u中厚以下煤层中厚以下煤层的采空区自燃或的采空区自燃或爱次数爱次数占采空区发火总数的占采空区发火总数的16%，厚煤层和特厚煤层的采空区自燃厚煤层和特厚煤层的采空区自燃火灾次数占采空区发火总数的火灾次数占采空区发火总数的84%。巷道煤柱巷道煤柱, 29.0%其它地点其它地点, 11.0%中厚以下中厚以下煤层煤层, 16%厚及特厚厚及特厚煤层煤层, 84%采空区采空区, 60.0%u煤炭主产区位于煤炭主产区位于北纬北

9、纬35以北的以北的北方北方地区地区，其储量占全国储量其储量占全国储量80%以上，年产量占全国以上，年产量占全国60%70%。u这些地区大部分属温带大陆性气这些地区大部分属温带大陆性气候，昼夜温差大，夏季炎热，冬季候，昼夜温差大，夏季炎热，冬季寒冷，干旱少雨。寒冷，干旱少雨。u区内煤系主要有石炭二叠纪、区内煤系主要有石炭二叠纪、侏侏罗纪罗纪、第三纪及少量三叠纪。、第三纪及少量三叠纪。u侏罗纪煤层一般为侏罗纪煤层一般为特厚煤层特厚煤层，厚，厚度在度在8m120m之间，变质程度较低，之间，变质程度较低，以长焰煤、气煤为主，侏罗纪煤田以长焰煤、气煤为主，侏罗纪煤田特厚煤层特厚煤层普遍自然发火普遍自然发

10、火。系列系列1, 西北西北, 17.91%华北华北41.23%系列系列1, 中南中南, 11.80%系列系列1, 华东华东, 12.37%系列系列1, 西南西南, 11.03%系列系列1, 东北东北, 5.66%北纬北纬3535度度燃燃烧烧着火点温度着火点温度准备期准备期风化风化时间时间温温度度T0冷却冷却0Tc70自自热热期期u准备期准备期：重量略有增加，着火温重量略有增加，着火温度降低，化学活泼性增强度降低，化学活泼性增强。u自热期自热期：氧化速度增加，不稳定的氧氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成化物分解成H2O、CO2和和CO，煤体温度煤体温度持续升高。当持续升高。当煤温煤温超过自热的临

11、界值超过自热的临界值（6080）时，煤温急剧上升，氧）时，煤温急剧上升，氧化进程加快，开始出现煤的干馏，生成化进程加快，开始出现煤的干馏，生成CmHn、H2及及CO气体气体。u燃烧期燃烧期：若：若煤温煤温上升到上升到着火点温度，着火点温度，则煤持续燃烧；若煤温不能上升到则煤持续燃烧；若煤温不能上升到Tc或或上升到这一温度后由于外界条件的变化上升到这一温度后由于外界条件的变化又降低了下来，则会进入风化状态。又降低了下来，则会进入风化状态。Tb临界温度临界温度uCOCO单一指标单一指标CO煤自燃预测预报方面起到了积极的作用，但是煤自燃预测预报方面起到了积极的作用，但是CO的的检测温度检测温度范围较

12、宽范围较宽，从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到，从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到CO，对，对煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地判断。判断。煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中，煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中，受漏风条件的影响极大受漏风条件的影响极大，这对这对CO浓度的测定造成了误差，预报的可靠性也相应降低。浓度的测定造成了误差，预报的可靠性也相应降低。uCOCO单一指标单一指标国内平庄古山矿最早将国内平庄古山矿最早将CO的绝对生成量指标用于煤自燃的预测预的绝对生成量指标用于煤自燃的预测预报，该矿通过对报，该矿通过对36个回采工作面的长期观测，得

13、到了个回采工作面的长期观测，得到了CO绝对生成绝对生成量相应的预测预报临界指标。量相应的预测预报临界指标。自然发火系数安全值加强观测值自然发火预报值H（m3/min）40510自燃发自燃发展阶段展阶段正常正常状态状态低温氧化阶低温氧化阶段（预警值）段（预警值）高温氧化阶高温氧化阶段（临界值）段（临界值）开始燃烧阶开始燃烧阶段（报警值）段（报警值）着着火火R2/%00-0.450.46-44.1-99抚顺矿区实测的格雷哈姆系数抚顺矿区实测的格雷哈姆系数抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数抚顺老虎台矿采用的格雷哈姆系数煤氧化煤氧化时时会释放会释放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烃气体，可等烷烃

14、气体，可通过各烷通过各烷烃气体浓度烃气体浓度比值对煤自燃的发展阶段进行判断，称这些比值为链烷比。比值对煤自燃的发展阶段进行判断，称这些比值为链烷比。链烷比主要有两类链烷比主要有两类：C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4；C3H8/C2H6、C4H10/C2H6 。u链烷比链烷比链烷比受链烷比受煤本身吸附的烷烃量煤本身吸附的烷烃量不同和不同和吸附烷烃的释放时间吸附烷烃的释放时间的影响，对的影响，对采采掘工作面掘工作面新破碎、剥落的区域预报有一定难度，但对发生在新破碎、剥落的区域预报有一定难度，但对发生在采空区内采空区内的的高温点，由于遗煤破碎强烈，吸附气体又经历了较长释放时间，

15、采用链高温点，由于遗煤破碎强烈，吸附气体又经历了较长释放时间，采用链烷比预报自然发火能取得较好的效果。烷比预报自然发火能取得较好的效果。 在煤吸附的气体中没有烯烃气体，井下检测到的烯烃气体是煤氧化在煤吸附的气体中没有烯烃气体，井下检测到的烯烃气体是煤氧化分解过程中产生的，因此，烯烃气体的出现表征煤的氧化已经进入分解过程中产生的，因此，烯烃气体的出现表征煤的氧化已经进入释放氧化气体阶段。也就是说，释放氧化气体阶段。也就是说，只要检测到烯烃气体，则表明煤温只要检测到烯烃气体，则表明煤温已达到或超过其临界温度已达到或超过其临界温度。由于。由于C2H4和和C3H6不是同一温度下出现的，不是同一温度下出

16、现的，因此可以根据它们出现与否判断煤温的大致因此可以根据它们出现与否判断煤温的大致范围。范围。u烯烃及烯烷比烯烃及烯烷比炔烃仅指炔烃仅指C2H2，它是煤氧化进入激烈燃烧阶段的产物，是所有自燃氧，它是煤氧化进入激烈燃烧阶段的产物，是所有自燃氧化气体中最晚出现的气体，并出现的临界温度值较高。根据实际应用化气体中最晚出现的气体，并出现的临界温度值较高。根据实际应用经验，一旦矿井井下检测到经验，一旦矿井井下检测到C2H2，则表明在监测区域内存在进入燃烧，则表明在监测区域内存在进入燃烧阶段的明火，此时采取灭火措施一定要谨慎，避免直接将火源暴露于阶段的明火，此时采取灭火措施一定要谨慎，避免直接将火源暴露于

17、空气中，以防引发瓦斯煤尘爆炸。空气中，以防引发瓦斯煤尘爆炸。u炔烃炔烃（1）褐煤、长焰煤、气煤和肥煤褐煤、长焰煤、气煤和肥煤：烯烃或烯烷比为首选标志气体：烯烃或烯烷比为首选标志气体。烯。烯烃烃预报范围为预报范围为110180，浓度为（，浓度为（1.020.0）10-7；烯烷比预报；烯烷比预报范围应依据煤层瓦斯组分和矿内空气成分确定。辅助指标为范围应依据煤层瓦斯组分和矿内空气成分确定。辅助指标为CO及其派及其派生指标。生指标。（2）焦煤、瘦煤及贫煤焦煤、瘦煤及贫煤：CO及其派生指标为首选标志气体，预报范围及其派生指标为首选标志气体，预报范围为为90150，浓度为（，浓度为（1030）10-7。辅

18、助指标为。辅助指标为C2H4或烯烷比。或烯烷比。（3）无烟煤（含高硫煤）无烟煤（含高硫煤）：仅能选用：仅能选用CO及其派生指标为标志气体，其及其派生指标为标志气体，其预报范围为预报范围为100150，浓度为（，浓度为（1035）10-6。煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法（AQ/T 1019-2006）（1）嗅觉。煤炭自热到一定温度后出现煤油味、汽油味和轻微芳香气味）嗅觉。煤炭自热到一定温度后出现煤油味、汽油味和轻微芳香气味的非饱和碳氢化合物的非饱和碳氢化合物，可，可利用嗅到的气味判断附近的煤炭是否在自燃。利用嗅到的气味判断附近的煤炭是否在自燃

19、。（2）视觉。可通过观测煤在氧化过程中产生的水蒸气，以及附近煤岩体）视觉。可通过观测煤在氧化过程中产生的水蒸气，以及附近煤岩体表面凝结的水珠等物理现象，实现自然发火预警。表面凝结的水珠等物理现象，实现自然发火预警。（3）感觉。煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高，并可能使）感觉。煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高，并可能使附近空气中的氧浓度降低，附近空气中的氧浓度降低，CO2等有害气体增加，所以当人们接近火源时等有害气体增加，所以当人们接近火源时，会有头痛、闷热、精神疲乏等不适之感。，会有头痛、闷热、精神疲乏等不适之感。 u利用人体生理感觉预报自然发火利用人体生理感觉预报自然发火

20、u测定矿内空气及围岩温度的变化测定矿内空气及围岩温度的变化测温法是通过测量温度变化来测温法是通过测量温度变化来表征表征煤煤自燃自燃进程进程。通过在通过在特定区域特定区域安设安设温度温度探测探测装置装置来监测煤自然发火程度。来监测煤自然发火程度。测温法可分为两类：一类是用检测到的温度值进行预报或报警；另一测温法可分为两类：一类是用检测到的温度值进行预报或报警；另一类是通过监测点温度变化率预报。类是通过监测点温度变化率预报。可用于温度探测的可用于温度探测的主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成温度传感器、热敏元件、光纤、红外、激光及雷达波等。温度传

21、感器、热敏元件、光纤、红外、激光及雷达波等。目前温度法主要不足有目前温度法主要不足有：K K型热电偶型热电偶精度低精度低，长距离有线数据采集结果，长距离有线数据采集结果滞后滞后或或失真失真；监测点数量监测点数量有限有限，存在监测盲区；，存在监测盲区；劳动强度大，线路敷设困难；劳动强度大，线路敷设困难；u测定矿内气体成分的变化测定矿内气体成分的变化气体分析法根据煤自然发火过程中产生的气体气体分析法根据煤自然发火过程中产生的气体种类种类、浓度及变化率来预、浓度及变化率来预测测和确定和确定煤自然发火发展煤自然发火发展进程和进程和趋势。趋势。其其预警指标可分为两类：一类是利预警指标可分为两类：一类是利

22、用某些标志气体的浓度直接进行预测预报，另一类是利用某些气体用某些标志气体的浓度直接进行预测预报，另一类是利用某些气体浓度变浓度变化率化率或或浓度浓度比值来进行预测，如链烷比、格哈雷姆系数等。比值来进行预测，如链烷比、格哈雷姆系数等。无论采用哪类气体指标，都需要精确、快速检测出各气体的种类和浓度无论采用哪类气体指标，都需要精确、快速检测出各气体的种类和浓度。目前目前采用的采用的主要主要手段是手段是气体传感器和色谱分析仪气体传感器和色谱分析仪分析分析。气体传感器在井下实际应用中受到井下环境影响，其稳定性和灵敏度都大气体传感器在井下实际应用中受到井下环境影响，其稳定性和灵敏度都大幅降低，检测结果存在

23、较大误差，加之传感器使用寿命、价格相对比较昂幅降低，检测结果存在较大误差，加之传感器使用寿命、价格相对比较昂贵，种类比较单一，在一定程度上制约了气体传感器的使用。贵，种类比较单一，在一定程度上制约了气体传感器的使用。气相色谱法是目前气体分析方法中最精确、最可靠的分析仪器气相色谱法是目前气体分析方法中最精确、最可靠的分析仪器之一。之一。 “八五八五”期间矿井火灾期间矿井火灾多多参数色谱仪参数色谱仪研制成功研制成功，实现实现了了煤矿全组分气煤矿全组分气体定性定量分析体定性定量分析。与束管监测技术融合与束管监测技术融合后后，实现了，实现了对对煤矿火灾早期煤矿火灾早期预警，在一定程度上促进了我国煤矿自

24、然发火监测和预警技术的成预警，在一定程度上促进了我国煤矿自然发火监测和预警技术的成熟和完善。熟和完善。色谱分析色谱分析的的吸附和脱附周期吸附和脱附周期较长，无法实现快速分析；色谱柱需要较长，无法实现快速分析；色谱柱需要经常维护经常维护；每次色谱分析都需要先；每次色谱分析都需要先进行标样测试；尤其是氢火焰检进行标样测试；尤其是氢火焰检测器不能应用到煤矿井下爆炸危险环境和应急救援时期抢险救灾等测器不能应用到煤矿井下爆炸危险环境和应急救援时期抢险救灾等灾变环境中使用，灾变环境中使用，气体气体光谱光谱分析技术分析技术是仪器分析领域的一种重要方法，已广泛应用于食品、是仪器分析领域的一种重要方法，已广泛应

25、用于食品、医药、材料领域，医药、材料领域，利用红外吸收原理检测气体利用红外吸收原理检测气体是是国内外研究热点国内外研究热点。傅里叶变换红外光谱分析技术傅里叶变换红外光谱分析技术 棱镜式棱镜式红外分光光度计红外分光光度计 光栅型光栅型红外光谱仪红外光谱仪 傅里叶变换傅里叶变换红外光谱仪红外光谱仪 专业化、小型化及精密化专业化、小型化及精密化煤矿火灾气煤矿火灾气体体检测检测“十一五十一五”期间，利用傅立期间，利用傅立叶红外光谱叶红外光谱技术技术对对煤矿井煤矿井下常见下常见CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等的定量分等的定量分析析进行了研究，进行了研究，基于基于化学化学计量学计量学方法实现煤矿井下方法实现煤矿井下极