矿井火灾的预测预报

1、第三章第三章 矿井火灾的预测预报矿井火灾的预测预报本章要点：本章要点：掌握煤矿井下容易自然发火地点；掌握煤矿井下容易自然发火地点；掌握早期煤自燃的识别和预报方法；掌握早期煤自燃的识别和预报方法；了解矿井安全监测系统的组成、监测传感器的分了解矿井安全监测系统的组成、监测传感器的分类及其动作；类及其动作；了解目前煤自燃隐蔽火源探测技术、掌握判定外了解目前煤自燃隐蔽火源探测技术、掌握判定外因火灾火源分支的方法；因火灾火源分支的方法； 采空区采空区 停采线和开切眼停采线和开切眼 进、回风巷进、回风巷 构造带构造带 通风设施附近通风设施附近 采空区三带分布图采空区三带分布图 不自然带不自然带（5m25m

2、） 自燃带自燃带(25m65m) 窒息带窒息带 采空区是煤矿井下较易发生煤炭自燃的区域之一，据统计，采空区是煤矿井下较易发生煤炭自燃的区域之一，据统计，国有重点煤矿采空区内发生的煤炭自燃占煤自然发火总数的国有重点煤矿采空区内发生的煤炭自燃占煤自然发火总数的60% 原因：采空区存在遗煤、工作面后方存在漏风原因：采空区存在遗煤、工作面后方存在漏风 三带划分的原因三带划分的原因 该区域虽有遗煤堆积，但由于顶板冒落的岩块呈松散堆积状态，孔隙大，且漏风强度大，煤氧化放出的热量被及时带走而无法聚积，再加上浮煤与空气接触时间尚短，所以一般不会发生自燃。 该区域由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，风阻增大，漏风

3、强度减弱，遗煤氧化产生的热量不断聚积，并可能最终导致煤自燃的发生，故称自燃带。自燃带的宽度受顶板岩性、冒落岩石块度、压实程度、工作面端点通风压差等因素的综合制约。 自燃带之后的大部分采空区为窒息带，该区域内冒落岩块已基本压实，漏风基本消失，氧气浓度下降而无法维持煤氧化自燃过程的持续发展。如果自燃带已经发生煤自燃，那么随着工作面的推进，自燃带进入窒息带后，已经发展起来的遗煤自燃会因缺氧而熄灭。另外，窒息带的岩石导热会使煤体在处于自燃带时蓄积的热量逐渐散失，遗煤温度将逐步恢复至正常水平。 氧气浓度 采空区漏风流速 不自然带 O215% 流速0.24m/min 自燃带 5% O215% 0.1 m/

4、min流速0.24 m/min 窒息带 O25% 流速0.1 m/min 根据氧气浓度划分采空区根据氧气浓度划分采空区“三带三带”是目前最常用的方法是目前最常用的方法 ：O2%15%。该区域具备充足的供氧条件，但由于漏风大造成煤氧化自燃初期产生的微小热量随风散失，煤的氧化过程始终停留在缓慢发展阶段，不易发生煤自燃现象。15%O2%5%。该区域既具备充足的供氧条件，又由于漏风量较小，氧化蓄热环境较好，煤的氧化自热过程得以持续进行，最终导致煤自燃的发生。O2%5%。该区域由于缺氧，煤氧化自燃过程将无法进行。从图可以看出，按氧气浓度指标划分，采空区内存在明显的“三带”区域。山西大同忻州窑矿山西大同忻

5、州窑矿8916面采空区面采空区 根据采空区漏风流速划分的根据采空区漏风流速划分的“三带三带”范围范围 除了以上两个采空区除了以上两个采空区“三带三带”划分指标外，有人也提出了将采空划分指标外，有人也提出了将采空区内的温度变化作为区内的温度变化作为“三带三带”划分的依据。实际上，温度不宜作划分的依据。实际上，温度不宜作为划分为划分“三带三带”的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都会上升到某一确定的值。一定条件下自燃带内的遗煤存在自然发会上升到某一确定的值。一定条件下自燃带内的遗煤存在自然发火的可能性，但并不表现为很快会升温自燃，在一定时间内采空火的可

6、能性，但并不表现为很快会升温自燃，在一定时间内采空区内的温度不上升并不能认为区内的温度不上升并不能认为“三带三带”不存在。因此，不存在。因此，采空区内采空区内的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。1、局部布置法局部布置法全面布置法全面布置法气相色谱仪气相色谱仪保护套管的铺设一般按以下原则进行：保护套管的铺设一般按以下原则进行：顺槽的保护套管沿回风顺槽铺设在上帮底部；顺槽的保护套管沿回风顺槽铺设在上帮底部；回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部溜子靠采空区侧。回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部溜子靠采空区侧。1-2in保护套管

7、；2-预设取样束管；3-测温导线；4-快速接头；5-热电偶；6-气孔；7-气体采样器 序序号号检测检测点点取取样样时时间间气体成分（气体成分（% %）温温度度测点测点距工距工作面作面距离距离O O2 2N N2 2COCOCOCO2 2C C2 2H H6 6C C2 2H H2 2C C2 2H H4 41 12 23 34 45 5CHCH4 4工作面氧气浓度分布平面图工作面氧气浓度分布平面图距距切切顶顶线线距距离离（m m）4 44 4. .4 43 3. .1 16 6. .0 07 7. .4 49 9. .2 21 13 3. .2 21 16 6. .2 21 19 9. .2

8、22 25 5. .2 22 29 9. .7 73 34 4. .2 23 36 6. .9 93 39 9. .3 34 40 0. .5 50 02 24 46 68 81 10 01 12 21 14 41 16 61 18 82 20 02 22 21 1# #2 2# #3 3$ $4 4# #5 5# #氧氧气气浓浓度度（% %）工工作作面面测测点点工作面氧气浓度分布立体图工作面氧气浓度分布立体图 工作面工作面CO浓度分布平面图浓度分布平面图工作面工作面CO浓度分布平面图浓度分布平面图0 05 51 10 01 15 52 20 02 25 53 30 03 3. .1 11 1

9、5 52 27 7. .5 54 40 0. .5 51 1# #2 2# #3 3# #4 4# #5 5# #距距切切顶顶线线距距离离（m m）工工作作面面测测点点C CO O浓浓度度( (p pp pm m) )工作面工作面CO浓度分布立体图浓度分布立体图 温度曲线分析温度曲线分析工作面温度分布平面图工作面温度分布平面图 温度分析温度分析工工作作面面测测点点距距切切顶顶线线距距离离（m m）温温度度T T2 26 62 28 83 30 03 32 23 34 43 36 63 3. .1 19 9. .2 21 15 52 21 1. .6 62 27 7. .5 53 33 3. .

10、5 54 40 0. .5 54 45 53 3# #5 5# #4 4# #工作面温度分布立体图工作面温度分布立体图 温度分析温度分析三带划分三带划分在工作面推进过程中，由于矿压作用，上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙 ，另一类为竖向破断裂隙 ，离层裂隙分布呈现两阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层率下降，而采空区两侧离层裂隙仍继续存在。在顶板任意高度的水平内，第二阶段时，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶的“O-X”形破断边界相似，称之

11、为采动裂隙“O”形圈 “O”形圈的范围大小与采空区顶板的岩性有关，顶板碎胀系数Kp值越大，顶板冒落越充分，压实带范围越宽，采空区易发火区域就越小。东滩煤矿采空区顶板碎胀系数对压实带的影响模拟计算图东滩煤矿采空区顶板碎胀系数对压实带的影响模拟计算图 上区段停采线易自燃发火点示意图上区段停采线易自燃发火点示意图 上分层采空区进风顺槽回风顺槽下分层回采工作面上分层停采线上分层停采线漏风状况上分层停采线漏风状况 上分层采空区进风顺槽回风顺槽下分层回采工作面上分层停采线上分层停采线漏风状况上分层停采线漏风状况 上分层停采线处的漏风状态图，由图可知，靠停采线的一侧的流线和风压等值线较密集，这说明该处漏风量

12、较大，漏风压差大。该区域内，漏风风流流线的间距是变化的，流线始末端较流线始末端较密集，即风流速度大；密集，即风流速度大；中段稀疏，即风流速度中段稀疏，即风流速度小。小。根据煤自然发火的条件，可知其中某处的风流能够为煤自燃的发展提供适宜的通风供氧和蓄热条件，即存在“易自燃风速区”。当漏风量较大时，“易自燃风速区”靠近停采线中点处，反之则位于靠近停采线端点处。考虑到井下瓦斯涌出的影响，新鲜风流从停采线端点漏入后，沿风流前进的方向，瓦斯浓度将逐渐升高。若瓦斯涌出量较小，对漏风氧气浓度影响不大的话，靠停采线两端的“易自燃风速区”均容易发生煤炭自燃，否则，沿风流方向停采线下端的“易自燃风速区”可能会因氧

13、气不足而沿风流反方向后移甚至不发生自燃。 工作面开切眼邻近巷道向开切眼漏风邻近巷道向开切眼漏风 进、回风巷道长期处于风流之中，也是煤矿井下易自然发火地点进、回风巷道长期处于风流之中，也是煤矿井下易自然发火地点之一，这在个别矿区表现的尤为严重，如义马矿区之一，这在个别矿区表现的尤为严重，如义马矿区19592004年年期间共发生自燃火灾期间共发生自燃火灾553次，其中发生在进、回风巷道的火灾次，其中发生在进、回风巷道的火灾218次，占火灾总数的次，占火灾总数的39.4%；兖州矿区历年来统计结果的这一比例；兖州矿区历年来统计结果的这一比例则为则为40.9%。根据发生原因的不同，工作面进、回风巷道的煤

14、炭。根据发生原因的不同，工作面进、回风巷道的煤炭自燃又可分为保护煤柱自燃、巷道高冒区自燃和分层巷道假顶内自燃又可分为保护煤柱自燃、巷道高冒区自燃和分层巷道假顶内自燃几种情况。自燃几种情况。 1、保护煤柱自燃、保护煤柱自燃 2、巷道高冒区自燃、巷道高冒区自燃 破碎区、离层区和断裂下沉区；其中在破碎区内，破碎区、离层区和断裂下沉区；其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，大约有煤体已经充分破碎，应力完全释放，大约有2 m3 m的浮煤呈自然堆积状态存在，巷道中的的浮煤呈自然堆积状态存在，巷道中的空气可以通过该区域的裂隙渗透进入松散煤体中，空气可以通过该区域的裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴

15、露的煤表面与煤发生氧化反应。并在裂隙暴露的煤表面与煤发生氧化反应。 高冒易自燃的原因高冒易自燃的原因破碎区离层区断裂下沉区高冒区冒落各区分布示意图高冒区冒落各区分布示意图 2、巷道高冒区自燃、巷道高冒区自燃 3、分层巷道假顶内煤炭自燃、分层巷道假顶内煤炭自燃 分层巷道采用内错式或重叠式布置，除第一分层外，其它各分层巷道都是在假顶下掘进。因此，在第二分层及其以下的分层巷道掘进和工作面回采期间，都会向上一分层采空区漏风，使上分层采空区中（特别是上分层垮落的进、回风巷道处）的浮煤发生氧化自燃。上分层采空区进风顺槽回风顺槽下分层回采工作面上分层停采线 煤矿井下常见的地质构造形式主要有褶曲、断层、破碎带

16、、陷落褶曲、断层、破碎带、陷落柱、岩浆入侵地区柱、岩浆入侵地区等 19592004年，义马矿区年，义马矿区等通风设施等通风设施附近区域的自然发火次数占发火总次数的附近区域的自然发火次数占发火总次数的11%在通风设施安装及施工过程中煤在通风设施安装及施工过程中煤巷周围形成了一定裂隙，之后在巷周围形成了一定裂隙，之后在矿山压力的缓慢持续作用下，这矿山压力的缓慢持续作用下，这些裂隙逐渐发育扩展，达到一定些裂隙逐渐发育扩展，达到一定程度后，附近煤体具备了适宜的程度后，附近煤体具备了适宜的氧化蓄热条件，容易造成自然发氧化蓄热条件，容易造成自然发火。火。 假顶下设置通风设施后风流分布图假顶下设置通风设施后

17、风流分布图1-风门；2-高温显现侧；3-易产生高温区 溜煤眼以及瓦斯抽放孔等处也是极易发生煤炭自燃的地方，应该将这些区域也作为煤自燃预测预报的重点，进行实时监控并及时采取相应的防治措施，避免煤炭自燃灾害的发生。第二节第二节 煤自燃的早期识别与预报煤自燃的早期识别与预报第二节第二节 煤自燃的早期识别与预报煤自燃的早期识别与预报p 人的直接感觉法p 测温预测预报法 p 气体分析法 早期识别与预报煤自燃的方法有：早期识别与预报煤自燃的方法有：嗅觉：煤炭氧化自热达到一定温度后会出现煤油味、汽油味和煤油味、汽油味和不饱和碳氢化合物发出的轻微芳香气味不饱和碳氢化合物发出的轻微芳香气味 ,利用对这些气味的感

18、应，则可以判断附近某个区域的煤炭可能已经发生自燃. 煤炭自燃指标气体和煤温的关系浓度浓度/10-6煤温煤温无气味无气味CO微微弱弱气气味味中度中度气味气味强烈强烈气味气味氢气氢气乙烷乙烷丙烷丙烷乙烯乙烯视觉 由于煤炭自热产生的水蒸气会在空气中形成气雾或者在煤壁和其它不经常有水滴的物体表面上形成细小的水滴，通常表现为煤壁表现为煤壁“出汗出汗”、支架上出现水珠等、支架上出现水珠等，这些都可以作为煤炭发生自热的危险特征而被观察到。但是，当冷热两股风流交汇时，也能出现雾气或水珠，对这种情况应加以区别。浅部开采时，冬季在钻孔口或塌陷区有时发现冒出水蒸气或冰雪融化现象，这表征对应区域可能发生了煤自燃现象。

19、另外，煤炭氧化自燃过程的最后阶段将出现烟雾，人们可根据这些现象对煤自燃现象做出判断和处理。 感觉：煤炭自燃发展到一定阶段 ，可能会使环境温度升高和使附近空气中的氧气浓度降低， 煤炭自热点或自燃区域流过的水或空气，其温度通常较高 ，同样可为人所直接感觉。利用人的直接感觉对煤自燃进行预测的方法对于培养职工的防火意识和煤自燃的早期识别具有一定的作用，但是，人的感觉往往带有很大的主观性，且受人的健康状况和精神状态的影响，准确度常常难以保证，故只能作为一种辅助的判别依据。 温度是确定煤炭自燃发展阶段的最可靠、最直观的重要参数，测温度是确定煤炭自燃发展阶段的最可靠、最直观的重要参数，测定矿内空气和围岩的温

20、度是煤炭自燃早期识别与预报的一个基本定矿内空气和围岩的温度是煤炭自燃早期识别与预报的一个基本方法。该方法通过在钻孔内安设测温仪或温度传感器，或在某些方法。该方法通过在钻孔内安设测温仪或温度传感器，或在某些区域布置温度传感器及其无线电发射装置，根据测定的温度或接区域布置温度传感器及其无线电发射装置，根据测定的温度或接收到的信号变化来判断是否发生煤炭自燃。收到的信号变化来判断是否发生煤炭自燃。 AD590AD590温度传感器为恒流源型温度传感器，与热电偶、热敏电阻等温度传感温度传感器为恒流源型温度传感器，与热电偶、热敏电阻等温度传感器的不同在于器的不同在于AD590AD590采用恒流输出信号，精度

21、高、误差小，采用双绞线作为采用恒流输出信号，精度高、误差小，采用双绞线作为测温导线，消除了线间电容的影响，因此检测精度不受井下测点距离长短测温导线，消除了线间电容的影响，因此检测精度不受井下测点距离长短的影响。特别是适应于远距离测定的特点，比其他类型的温度传感器更具的影响。特别是适应于远距离测定的特点，比其他类型的温度传感器更具优越性。优越性。温度测定范围为温度测定范围为-55-55+150+150、电源电压范围为、电源电压范围为4V4V30V30V。AD590AD590共有共有I I、J J、K K、L L、M M五档，其中五档，其中M M档精度最高，在档精度最高，在-55-55+150+1

22、50范围范围内，非线性误差为内，非线性误差为0.30.3。AD590AD590温度传感器采用专用仪表测温，检测仪表电路如图所示。温度传感器采用专用仪表测温，检测仪表电路如图所示。AD590AD590温度传感器测试仪表原理图温度传感器测试仪表原理图 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。测量范围广。-50+1600、构造简单，使用方便。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，外有保护套管。构造简单，使用方便

23、。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，外有保护套管。1、热电偶测温基本原理、热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体将两种不同材料的导体或半导体A和和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和和B的两个执着点的两个执着点1和和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中因而在回路中形成一个大小的电流形成一个大小的电流,这现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。这现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 2、温度测量仪表、温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。按测温方式可分为接触式

24、和非接触式两大类。接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温

25、度场，反应速触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。响，其测量误差较大。测温导线测温导线AD590AD590恒流源温度传感器、恒流源温度传感器、热电偶热电偶 美国、俄罗斯、英国、德国、波兰等国已成功地应用红外测温仪和红外热成像仪检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃。国内的兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪对煤壁温度进行了测定，以兖州矿区为例，20世纪90年代末，该矿区曾对所属的兴隆庄煤矿、东滩煤矿、鲍店煤矿、南

26、屯煤矿、济二煤矿的煤巷进行了红外探测，共探测巷道21条，探测巷道长度16030 m，发现自燃高温点7个。红外测温技术在煤矿现场的应用，为煤自燃预测预报工作提供了新的手段。但是，由于除了煤炭自燃会造成红外辐射能量场异常外，煤层原始地温、井下环境、巷道风量、井下机电设备、煤层内部结构异常等因素也往往会造成红外辐射能量场的异常，这些因素经常造成误判的发生。另外， 任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射。物任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射。物体温度越高，辐射能量就越大。红外测温法即是利用这一原理体温度越高，辐射能量就越大。红外测温法即是利用这一原理对煤体温度进行测定的，当

27、煤矿井下存在自燃隐患点时，往往对煤体温度进行测定的，当煤矿井下存在自燃隐患点时，往往会在附近形成红外辐射能量场，煤体温度越高，红外测温仪器会在附近形成红外辐射能量场，煤体温度越高，红外测温仪器接受辐射能量而转换的辐射温度就越高，据此可对煤自燃的发接受辐射能量而转换的辐射温度就越高，据此可对煤自燃的发展程度作出判断。展程度作出判断。原理原理 热敏电缆由双股外表涂有热敏材料的导线绞结而成。通常温度下，热敏材料处于绝缘状态，当温度超过某一预先设定值时，两根导线间的绝缘状态受到破坏，从而对煤自然发火作出预报或报警。应用热敏电缆能够进行无间断点的连续沿程监测，但该方法也存在以下缺陷：热敏电缆为定温感测，

28、即当温度达到或超过某一定值时，才能发出预测预报信号，而此前与之后的温度变化特征则无法测知；热敏电缆测定温度往往是以空气为介质通过热辐射的方式进行，但热敏电缆外层绝缘护套大大削弱了其感受热辐射的能力，使其反应迟钝；热敏材料导通后是不可恢复的，需要及时更换局部或全部热敏电缆，维修工作量大；热敏电缆的连接和接头处理也比较麻烦。这些缺陷的存在，在一定程度上限制了热敏电缆的推广应用。 煤的自然发火过程可分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。 CO、C2H4、C2H6、C3H8、C2H2等气体 格雷哈姆系数、O2、链烷比、C/H、烃指数等。

29、指标种类 一氧化碳（CO）一氧化碳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，是煤炭自然发火早期预测预报非常灵敏的指标气体。CO产生量与煤温度的关系曲线产生量与煤温度的关系曲线 p 指标种类 一氧化碳（CO） CO的绝对生成量计算公式如下 ： 式中，HCO的绝对产生量，m3/min； C测点气样的CO浓度，10-6； Q测点的风量，m3/min。HC Q为了减小漏风等因素的影响p 指标种类 一氧化碳（CO） 古山矿煤自燃预测预报的古山矿煤自燃预测预报的CO指标指标自然发火系数自然发火系数安全值安全值加强观测值加强观测值自然发火预报值自然发

30、火预报值H（m3/min）9抚顺老虎台矿则根据自身情况，抚顺老虎台矿则根据自身情况，并总结多年的经验，采用的指标并总结多年的经验，采用的指标 p 指标种类格雷哈姆系数的缺陷 格雷哈姆系数自提出以来，在煤自燃预测预报中得到了较广泛的应用，格雷哈姆系数自提出以来，在煤自燃预测预报中得到了较广泛的应用，一定程度上改善了煤矿现场的自燃预测预报现状，但是，格拉哈姆系数一定程度上改善了煤矿现场的自燃预测预报现状，但是，格拉哈姆系数仍然存在一定的缺陷。仍然存在一定的缺陷。格雷哈姆系数在氧气消耗量很小的情况下精度很低，例如，当氧气消耗量小于0.3时，利用格雷哈姆系数得到的结果就不再可靠，这个缺点也存在于其它含

31、有氧气消耗量的判别指标中；格雷哈姆系数还受到那些不是因煤自燃而产生的CO、CO2的影响，其中包括从其它采空区运移过来的CO、CO2或进入火区的空气本身所携带的少量CO、CO2。 气体指标 耗氧量（O2） 在测知氮气和氧气浓度的情况下，氧气的消耗量可表示为：2222648. 0ONO此计算基于两个假设：l空气中的氧气含量为20.93%，惰性气体的含量79.04%（0.03%的CO2气 体不包括在内），对于除氮气以外的其它惰性气体，一般情况下都简单的 将其全视为氮气；l火区中的氮气没有被消耗，也没有被增加（空气流动增加的氮气除外） 种类：p 指标种类链烷比 一类是长链的烷烃气体与甲烷的浓度（C2H

32、6/CH4、C3H8/CH4 、C4H10/CH4）另一类是长链 的烷烃气体与乙烷的浓度比值（C3H8/C2H6，C4H10/C2H6）不同矿区可根据实际情况选用不同的链烷比指标不同矿区可根据实际情况选用不同的链烷比指标 贵州六枝矿区煤自燃预测中采用的链烷比指标自燃发展的阶自燃发展的阶段段正常阶段正常阶段危险阶段危险阶段自燃阶段自燃阶段C3H/8C2H60.020.060.100.120.150.18适用条件：对于发适用条件：对于发生在采空区的煤自生在采空区的煤自燃高温点，由于多燃高温点，由于多为浮煤，破碎较为为浮煤，破碎较为充分，且经过了较充分，且经过了较长的释放时间，所长的释放时间，所吸附

33、的烷烃基本上吸附的烷烃基本上已释放出来，适于已释放出来，适于应用链烷比指标对应用链烷比指标对该类煤自燃现象进该类煤自燃现象进行预测预报。行预测预报。 p 指标种类链烷比 24222426/2/3.78COCOCHC HNOCOCHCOH其他碳氧化物其他碳氢化物p 指标种类 C/H C/H表示煤氧化产物中碳和有效氢的比值，该指标最早由印度学者Ghosh和Banerjee提出印度的应用实践表明：该比值与格拉哈姆系数（Grahams Ratio）相比数值范围更大、灵敏度更高；和O2联用时，能够对火源的范围和强度进行判定；另外，利用C/H能够区分煤火和木材火，从而可判定气体成份的变化是否为煤自燃引起。

34、但是，该比值受逸出瓦斯的影响较大，不该比值受逸出瓦斯的影响较大，不适宜在高瓦斯矿井使用。适宜在高瓦斯矿井使用。 气体指标 烃指数 美国学者Ann G. Kim提出了以烃指数作为预测煤自燃的指标，计算公式如下： 式中， 烃类物质总量，单位10-6；当实际检测烃类物质总量为零时，默认该值为0.0110-6，以防止出现分母为零的情况 甲烷气体的含量，10-6。 411.01 THCCHRTHCTHC4CH烃类物质总量越大时，相应的R1指标也越大，当烃类物质总量为零时，该值为0；当烃类物质仅为CH4一种时，该值为10p 指标种类 烃指数 烃指数具有测定精度高的优点，但这一指标同样存在易受井下其他区域气

35、体影响的缺陷，烃类气体总量较小时这一缺陷表现的更为明显。为了克服这一缺陷，将这一指标限制在烃类气体总量达到5010-6以上时再使用。另外，大量研究结果表明：煤样温度在达到100 以后，高阶烃类气体才开始大量产生。因此，烃指数用于煤自燃预测预报的及时性有待进一步研究。 烃指数指标的应用烃指数指标的应用烃指数烃指数R1对应的煤体状态对应的煤体状态050正 常50100煤矿井下可能存在高温火源点100井下存在高温火源点p 指标的优用 煤矿井下一旦有发生煤炭自燃的趋势，或煤温超过一定值该指标就会发生明显变化，且随煤温的升高变化趋势稳定。 同一煤层或采区的煤在热解时产生指标所涉及气体的初始温度基本相同或

36、差别不大，生成量与煤温有较好的对应关系，且重复性较好。 现有的仪器设备能够及时检测到指标所涉及气体的产生和变化，且方便准确。原则p 指标的优用 各国煤自燃发火预测预报的指标体系国国家家预测预报指标预测预报指标主要指标主要指标辅助指标辅助指标波兰COCO/O2俄罗斯COC2H6/CH4美国COCO/O2英国CO、C2H4CO/O2印度CO、CO/O2CO2/O2、C/H日本CO、C2H4CO/O2、C2H6/CH4德国COCO/O2法国COCO/O2p 指标的优用 煤自燃指标气体的吸附浓缩检测技术及装置煤自燃指标气体的吸附浓缩检测技术及装置 系统系统低温吸附装低温吸附装置置检测器检测器高温解吸装

37、置高温解吸装置 采用气体浓缩技采用气体浓缩技术，提高煤自燃微术，提高煤自燃微量指标气体检出精量指标气体检出精度，实现自燃的早度，实现自燃的早期预报。该气体检期预报。该气体检测精度比现有技术测精度比现有技术提高提高1212个数量级个数量级微量有机气体浓缩检测微量有机气体浓缩检测原理图原理图 煤自燃指标气体的吸附浓缩煤自燃指标气体的吸附浓缩煤煤升升温温过过程程中中烷烷烯烯烃烃类类气气体体定定性性分分析析表表（未未浓浓缩缩）空气浴温度（） 气体成分 50 80 110 140 170 200 烷 烃 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 C5H12 烯 烃 C2H4 C3H6

38、C4H8 未浓缩分析结果未浓缩分析结果: 煤自燃指标气体的吸附浓缩煤自燃指标气体的吸附浓缩煤煤升升温温过过程程中中烷烷烯烯烃烃类类气气体体定定性性分分析析表表（浓浓缩缩吸吸附附后后）空气浴温度（） 气体成分 50 80 110 140 170 200 烷 烃 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 C5H12 烯 烃 C2H4 C3H6 C4H8 浓缩后分析结果浓缩后分析结果: 煤自燃指标气体的吸附浓缩煤自燃指标气体的吸附浓缩对比煤升温过程中吸附浓缩前后气体组分可对比煤升温过程中吸附浓缩前后气体组分可知，经知，经吸附浓缩吸附浓缩后，相同温度下可检测到的组分后，相同温度下可检

39、测到的组分数增多，且各组分气体检出的数增多，且各组分气体检出的初始温度初始温度大幅降低，大幅降低，如乙烯从未浓缩前的如乙烯从未浓缩前的110降至降至50，丙烯从，丙烯从170降至降至80。可见，吸附浓缩效果明显，使检测出指标气可见，吸附浓缩效果明显，使检测出指标气体的初始温度体的初始温度平均提前平均提前了了6090左右，并提高了左右，并提高了各组分气体检测的各组分气体检测的灵敏度灵敏度，尤其是对低浓度气体，尤其是对低浓度气体效果显著。效果显著。 煤自燃指标气体的吸附浓缩煤自燃指标气体的吸附浓缩p 气样的可靠性判断 气体浓度变化趋势气体浓度变化趋势特里克特比率（特里克特比率（Tr）：）： p 气

40、样的可靠性判断 一般来说，只要煤矿井下环境不发生剧烈的变化，如爆炸、巷道严重垮塌、防火墙被破坏造成积水或空气的流入流出、大气压力急剧变化引起大量新鲜空气或CO2、CH4流入等，井下气体组分的变化趋势应该是和缓平滑的。气样采集、分析完成后，若分析结果与该气体的整体变化趋势很不一致，则应考虑舍弃该气样的分析结果。气体浓度变化趋势气体浓度变化趋势p 气样的可靠性判断 特里克特比率（特里克特比率（Tr）：）： 一般来说，煤炭自燃产生的气体浓度之间存在一定的比例，特里克特比率一般来说，煤炭自燃产生的气体浓度之间存在一定的比例，特里克特比率（Tricketts Ratio）Tr即是利用这种比例对气样结果进

41、行分析筛选的，是即是利用这种比例对气样结果进行分析筛选的，是判断气样可靠性的有效工具。特里克特比率的数学表达式如下：判断气样可靠性的有效工具。特里克特比率的数学表达式如下：2222%0.75%0.25%0.265(%)%rCOCOHTNArO将气样的分析结果代入上述公式进行计算，根据计算结果即可对气样的可靠性进行将气样的分析结果代入上述公式进行计算，根据计算结果即可对气样的可靠性进行分析并作出取舍。分析并作出取舍。对于煤自燃来说，当对于煤自燃来说，当Tr值大于值大于1.0时，则说明该气样值得怀疑，应时，则说明该气样值得怀疑，应综合分析现场情况后再对其做出取舍；而当气样分析得到的综合分析现场情况

42、后再对其做出取舍；而当气样分析得到的Tr值大于值大于1.6时，则意味时，则意味着气样因某种因素的干扰而失去使用价值，应予以舍弃。通过分析气样的可靠性，着气样因某种因素的干扰而失去使用价值，应予以舍弃。通过分析气样的可靠性，可以帮助决策者减少误判。可以帮助决策者减少误判。我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法我国指标气体优选方法 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统 井下分析型束管监测系统井下分析型束管监测系统 矿井火灾多参数色谱监测系统矿井火灾多参数色谱监测系统p 人工取样分析20世纪

43、70年代以前，煤矿现场大多采用人工取样方式进行分析。作为传统的取样方式，人工取样方式目前应用依然十分广泛。人工取样分析方法投资少、简单易行、适用性强，但存在工作量大、间隔时间长、无法实时连续监测等不足。 自动取样分析20世纪80年代，煤矿开始普及气相色谱分析法，并研制成功了束管监测系统，同时煤矿安全监测系统在同期也得到了较快地发展，实现了取样分析工作的自动化。 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统 l 发展沿革 20世纪70年代，英国开始将束管监测系统用于煤矿井下火灾的早期预测预报，并取得了较好的效果 1981年，平庄古山矿建成了国内第一个束管监测系统，此后束管监测系统逐渐在枣庄柴里矿

44、、兖州南屯矿等矿井得到了推广应用 早期的束管监测系统仅能分析CO、N2、CO2、CH4等气体成分，且分析精度较低；近年来，束管监测系统得到了很大的改进，能够对O2、N2、CO、CH4、CO2、H2、C2H4、C2H6、C3H8、C2H2等多种气体成分进行分析，精度也得到了很大的提高。 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统 l 系统组成 该系统通过束管将监测点气体取样到地面进行分析，根据分析结果对煤自然发火的发展阶段作出判断 组成： 采样系统：由抽气泵和管路组成 控制装置：主要由三通实现对井下多个取样点进行巡回取样 气样分析 ：一般采用气相色谱仪对气样进行分析 数据贮存、显示和报警 ：分

45、析仪器输出的模拟信号可用图形显示，采用记录仪对数据进行记录或采用计算机对数据进行贮存，必要时也可对数据表进行打印。当监测结果超过临界指标时可进行声光报警。图图14 地面分析型束管监测系统示意图地面分析型束管监测系统示意图 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统 l 束管敷设和监测点的布置 束管敷设的要求主要有 ：p 巷道内的束管敷设高度一般不低于1.8 m，束管用吊台挂钩吊挂；p 束管的敷设应平、直、稳；p 束管管线与动力电缆线路之间的距离一般应不小于0.5 m，同时要避免同其它管线交叉；p 束管入口处必须安设滤尘器；p 整条束管一般至少要安设3个贮/放水器。l 束管敷设和监测点的布置

46、束管监测点的布置应满足以下原则 ：p 总回风道和集中回风道应设置监测点，监测点应选择围岩稳定、前后5 m范围内无分支巷道并靠近巷道末端的位置，监测点应设置在距巷道顶板0.5 m处的巷道中心线上；p 超过煤层自然发火期的分层工作面的监测点，应设在上分层回风侧的停采线处；回采巷道在上分层出现过高温点的地方，要靠顶板设监测点；p 各分层巷道有通风设施时应在该设施回风侧1 m的顶板上设点；p 采区内的丢煤处，巷道内错、外错，丢顶煤，留三角煤，分层巷道的盲巷及溜煤眼上方均应设置监测点；p 采掘工作面有明显升温征兆的区域必须设监测点；p 火区密闭必须设监测点；p 测点应布置在高负压区，从全负压角度考虑，只

47、要漏风风流经过易自然发火处，则负压最高处最容易反映煤自然发火隐患处的真实情况；p 测点处应能够有效排除炮烟的影响，井下放炮产生的炮烟中含有大量的CO，若其流经测点，则会对监测结果造成很大的影响；p 测点处应具有恒定的漏风量，防止风流变化对气体的分析造成影响。 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统 l 防堵、防漏和防冻p 堵塞的主要原因：矿尘和冷凝水的积聚 ；解决方法：应在井下取样点进气口、传感器或分析器气样入口等处安设粉尘过滤。从吸气口至井底的束管管路中还需设置吸湿器，安装数量应根据吸气口和束管沿途的温度差而定，一般不能少于3个。p 漏气的主要原因：束管接头和抽气负压的影响 ；解决方法

48、：束管与束管间可用直径为10 mm的铜管联接，所有接口均用环氧树脂封闭。p 防冻：还应采取措施防止从钻孔到分析室的束管因冬季地面气温低造成结露冻结 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统l 技术参数 目前所采用的分析方式一般为负压采样、色谱分析，可实现监测区域的24小时连续监控或人工设定监测时间。其技术参数如表： 指标指标技术参数技术参数控制束管监测路数 1260路且可进行扩充 井下最大采样距离 30 km 分析气体成分 CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等 分析精度 常量分析：O.1%；微量分析：110-6 系统误差 1.5% 地面分析型束监测管系统的主要技

49、术参数地面分析型束监测管系统的主要技术参数 地面分析型束管监测系统地面分析型束管监测系统l 存在问题p 束管管线较长、维护工作量大 p 气体从井下传输至地面的过程中，由于管路较长且中间存在接头，加之煤矿井下环境恶劣，管路漏气或管路堵塞现象经常发生，若不能及时发现并排除故障，将会导致错误的分析结果p 相关仪器的稳定性、可靠性也有待进一步提高 井下分析型束管监测系统井下分析型束管监测系统 该系统是将地面分析单元置于距监测地点较近的井下硐室，分析单元在井下直接分析束管所采集的气样，再将分析结果以电信号的形式传输到地面中心站进行集中监测，从而实现煤自燃的早期预测预报。该系统每套井下分站可实现对井下多个

50、监测地点取气样进行分析，可对CH4、CO、O2等指标气体进行实时监测 井下分析型束管监测系统的主要技术参数指指标标技术参数技术参数监测分站每套地面分站可连接5套井下分站，每套井下分站可对8个监测地点进行取样分析取样距离10 km分析气体成分CO、CH4、O2 井下分析型束管监测系统井下分析型束管监测系统 优点： 该系统气样采集管路较短，克服了地面分析型束管监测系统容易漏 气的缺点； 抽气管路不经过井筒，维护简单； 监测数据通过通讯电缆进行传输，能够比较准确地将井下的气体分 析结果传输给地面监测站 ；存在问题： 需要敷设大量的专用电缆线路，初期投入较大；现有气体传感器在稳定性、灵敏度和使用寿命等

51、方面尚有不尽人意的地方，价格相对比较昂贵，种类相对偏少 矿井火灾多参数色谱监测系统矿井火灾多参数色谱监测系统 l 系统组成：自动取样器、专用色谱分析仪、数据处理工作站以及束管采样 自动取样器：有12路束管接口，通过对自动取样器的控制可循环采集各路束管的气样进行分析；留有手动进样口，可以分析人工采集的各监测地点的气样 专用色谱分析仪：采用并联双柱、三柱同时进样和1台仪器2个柱箱分别控温的结构，并配备了TCD、FID、FPD、ECD多种检测器和专用色谱分离柱 数据处理工作站实现的功能：分析得到气样的成分及各自浓度；对自动取样器进行控制，实现自动取样；根据监测结果对井下煤自然发火情况进行分析、提示、

52、报警等 矿井火灾多参数色谱监测系统结构示意图矿井火灾多参数色谱监测系统结构示意图 对于一些边远地区的中小型矿井群，可将气相色谱仪等相关仪器组装放于车对于一些边远地区的中小型矿井群，可将气相色谱仪等相关仪器组装放于车内，如内，如CA -9000型移动式矿井气体分析系统，使用过程中可直接将该系统运型移动式矿井气体分析系统，使用过程中可直接将该系统运至需分析的地点，使用与维护较简便至需分析的地点，使用与维护较简便 第三节第三节 外因火灾的监测外因火灾的监测监测系统：发展现状发展现状系统组成系统组成：中心站；信息传输装置；传感器和执行装置。中心站；信息传输装置；传感器和执行装置。 监测传感器监测传感器

53、 ：分类分类：感温传感器感温传感器 ：燃烧生成物传感器；：燃烧生成物传感器；CO2传感器传感器 动作动作：烟流温度和烟雾浓度达到预定报警限烟流温度和烟雾浓度达到预定报警限已达到预定报警限的烟流到达传感器已达到预定报警限的烟流到达传感器 传感器响应传感器响应l 监测系统： 发展现状 目前国外煤矿安全监测系统普遍采用的先进技术有： 红外瓦斯传感器； 在线瓦斯浓度校正装置； 本安型PLC分站的应用； 传感器就地断电功能； 现场总线在安全监测系统中的应用； 数字通讯方式，国际标准的IP寻址方式，TCP/IP网络协议； 与生产监测监控系统的互动和网络整合。图图16 矿井安全监测系统矿井安全监测系统 井下

54、分站和传感器对煤矿井下的各种安全及生产参数进行实时监测，并将信息及时传输到地面中心站。中心站监测软件根据预先定义好的配置，发送指令给分站，由分站执行断电控制信号。同时，中心站对监测数据进行处理 系统组成 监测传感器 分类感温传感器：感温传感器感受火灾生成的热烟流并作出响应，即感受某一点或沿某一条线范围内的温度（定温传感器）或温升速率（差温传感器）。燃烧生成物传感器： 烟雾传感器 离子式烟雾传感器离子式烟雾传感器：放射性元素辐射的或射线，可使两个电极间的空气离子化，并在两电极间形成离子电流。烟雾进入传感器感应室后俘获离子化分子，使两电极间的离子电流减小，通过测量分析离子电流的变化实现对烟雾浓度的

55、监测。光电式烟雾传感器光电式烟雾传感器：该类传感器利用烟尘的减光或散光特性对光强度的影响测定烟雾浓度变化 。 CO传感器 CO传感器是我国常用的一种火灾监测传感器，它通过烟流自行扩散或机械泵吸入方式感应烟流中的CO并测定其浓度 。CO2传感器：目前煤矿使用的CO2传感器主要有KGQ11型和GRH5型等型号，其中，KGQ11型CO2传感器在煤矿现场应用相对较多， 监测传感器 动作 当火灾发生地点的烟流温度、烟雾浓度等参数达到一定值时，监测传感器将作出响应。监测传感器的的动作需要满足以下几个条件： 烟流温度和烟雾浓度达到预定报警限：指传感器所在位置的烟流温度或烟雾浓度达到的定值 。矿井火灾时期，温

56、度和烟雾浓度参数要达到报警限需要经过一定时间，这一时间称为达到报警限的时间（t1），该时间的长短与报警限值有关，预定报警限越低，t1时间越短，反之则t1时间越长 已达到预定报警限的烟流到达传感器：在火源位置，温度和烟雾浓度达到报警限之后，含有多种气体成分的高温烟流还需随风流扩散传播至传感器位置才能被传感器检知并报警，在传感器安设过程中，应充分考虑这一因素，尽量将传感器安设位置选择在易发火区域，从而减小高温烟流扩散传播到达传感器的运行时间t2。 传感器响应 ：由于传感器往往需要一定的响应时间，当已达到报警限的高温烟流到达传感器处后，还需经历一段时间传感器才会动作。现有监测传感器的响应时间t3一般

57、为30s60s.近年来，国内相继开发出几种装置和仪器设备，如KJS型带式输送机火灾监测系统、DMF型胶带输送机自动灭火系统、DHM型硐室与皮带自动洒水灭火系统以及之后改进型的此类装置和仪器设备（如MZS-1型等）。这些系统的推广应用，对矿井外因火灾的防治工作起到了一定的促进作用，但是，误报、延报等情况在煤矿现场仍时有发生。总体上看，由于现阶段矿井安全监测系统受到传感器种类少、稳定性差、易损耗、价格昂贵等因素的制约，加之当前许多矿区对该系统的管理、应用和维护并不完善，外因火灾监测技术的整体水平仍然不能完全满足当前煤矿安全生产的需要，该系统还有待进一步改进与提高。第三节第三节 外因火灾的监测外因火

58、灾的监测第四节第四节 火源位置的探测与判别火源位置的探测与判别 煤自燃隐蔽火源的探测技术煤自燃隐蔽火源的探测技术 p 气体分析法p 温度探测法p 火灾诊断法p 同位素测氡法p 测电阻率法p 地质雷达法p 磁探测法p 无线电波法p 遥感法p计算机数值模拟法 l 煤自燃隐蔽火源的探测技术煤自燃隐蔽火源的探测技术p 气体分析法 气体分析法是通过监测指标气体出现的初始温度和浓度变化趋势，对煤自燃发展的程度进行分析，并对煤自燃火源点位置、范围作近似的判定。目前，现场的应用工艺主要有井下气体测定法、地面钻孔气体分析法和示踪气体法。通过人工取样或束管监测系统对自然发火区域的气体进行监测 ，能够对煤自燃的发展

59、程度及其大致范围进行判断，但较难实现对自燃火源点的准确定位。主要用于浅埋藏煤矿井下大面积采空区火源的探测。该方法要求气体能不断向上运移而不与其它物质发生化学反应，要使气体能扩散至地面，矿井通风必须是正压通风 ，虽能大致确定自燃火源的位置，但它受到采深、自燃火区上覆岩层性质、地表大气流动状况的影响较大，一般只作为探测火源的辅助手段。利用某些气体在某一温度条件下会发生分解的特性，将示踪气体注入预计的发火区域，通过监测其分解物，从而间接测定出该区域的煤体温度，并大致判断煤自燃火源点的位置，但这一方法对高温火源点的具体位置与范围的确定较为困难。 l 煤自燃隐蔽火源的探测技术煤自燃隐蔽火源的探测技术p

60、温度探测法直接测温法 ：在地面或井下向可能发生自燃的地方打钻，在钻孔中安设测温仪或温度探测器，根据测定的最高温度点来确定火源位置。红外测温法 ：煤矿井下发生煤炭自燃时，往往会在巷道表面产生红外辐射能量场，该方法通过提取分析巷道表面辐射能量场变化的异常信息，对煤自燃火源点进行判断。但由于红外探测技术受探测距离的影响，目前仍局限于距离较近煤巷、煤柱、浮煤的自燃火源点探测，对于较远区域隐蔽火源的探测尚无实质性进展预埋温度探头测温法 ：在工作面回采过程中，在采空区内沿走向、倾斜方向间距布网，每一网格节上预埋一温度探头，由于所埋温度探头有电池与无线电信号发射装置，当其所在位置处的温度达到预先设定的温度报