矿井的防火与防爆

矿井的防火与防爆煤炭在我国的能源构成中占有极其重要的地位，然而多年来煤矿安全也一直是一个非常突出的问题。大部分煤炭是通过矿井挖掘出来的的，在矿山压力的作用下，煤层巷道顶部和侧部的煤块容易发生破碎而形成松散煤体。一般认为，矿井容易发生冒顶事故、瓦斯爆炸、煤层爆炸、矿井火灾和矿井水灾等5大灾害，其中有3类均与爆炸相关。即瓦斯爆炸、煤尘爆炸和矿井火灾。矿井的概况在矿井的生产中，为了满足提升与运输煤炭、人员通行、通风、排水及动力供应的需要，从而开拓多种形式的井筒，巷道和硐室，它们总称为矿山井巷。根据矿山井巷的长轴线与水平面的关系，可将其分为直立巷道，水平巷道和倾斜巷道三类。矿井巷道示意图：直立巷道（长轴线与水平面垂直，如立井、暗井等）立井（竖井）：直接与地面相通。主井：专门或主要用于提升煤的立井；副井：下放设备器材、升降人员等辅助提升工作的立井；其它：风井、排水井、充填井等。暗立井（盲竖井、盲立井）：不与地面直接想通，用途同立井。主暗立井：用于下一水平的煤炭提升；副暗立井：用于下一水平的下放设备器材、升降人员等辅助提升；溜井：专门用来溜放煤炭的暗立井。水平巷道（长轴与水平面近似平行，主要有平硐，平巷，石门、煤门等。）平硐（直接与地面想通的水平巷道）：主要分为主平硐、副平硐、排水平硐和通风平硐等。作用类似立井，除运煤外，还兼作运料、行人、通风、供电、排水等使用。平巷与大巷（与地面不直接想通，其长轴方向与煤层走向平行）平巷布置在煤层内的称煤层平巷，布置在岩石中的称为岩石平巷。直接为回采工作面服务的煤层平巷，称为运输或回风平巷。为全阶段服务的平巷称为大巷，如运输大巷。石门与煤门。（石门与地面不直接想通，其长轴方向与煤层直交或斜交。）其中为阶段服务的石门称主要石门，为采区服务的石门称采区石门；在厚煤层内，与煤层走向直交或斜交的水平巷道，称为煤门。倾斜巷道（长轴线与水平面有一定夹角，如斜井、上山、下山，斜巷等。）斜井：与地面直接想通，其作用与立井和平硐想同。不与地面直接想通的斜井称为暗斜井或盲斜井，其作用与暗立井想同。采区上山、下山。采区上山或下山服务于一个采区的倾斜巷道，也称采区上山或下山。上山用于挖掘一个开采水平面以上的煤层；下山则用于挖掘一个开采水平面以下的煤层。安装输送机的上、下山叫运输上、下山或运输机上、下山，其煤炭运输方向分别为由上向下或由下向上运至开采水平大巷；铺设轨道的上、下山叫轨道上、下山；用作通风、行人的叫作通风、行人上、下山。另外，上、下山可布置在煤层或岩石中。主要上、下山。主要上山或下山服务于一个阶段的倾斜轨道。同样的，它可分为主要运输上、下山和主要轨道上、下山等。斜巷。斜巷不直通地面，长度较短，主要用于行人、通风、运料等。此外，溜煤眼和联络巷道可作为斜巷。硐室。硐室空间三个轴线的长度相差不大，并不直通地面。如绞车房、变电所，煤仓等。当矿井内产生有毒、有害气体时，这些井巷也会充当其蔓延的通道，并为事故的发生与扩大提供了方便条件。预防控制矿井火灾爆炸是应当充分重视矿井巷道的作用。矿井火灾的预防控制危害性由于矿井内空间有限，人员和物资设备的转移都较为困难；同时井下空气供应有限，火灾产生的有毒有害气体不易稀释，导致人的中毒或窒息，容易引起瓦斯和煤尘的爆炸，火灾使井下风流逆转，导致灾情扩大。因而矿井火灾具有很大的危害性。火灾原因分析与预防外因火灾：由外来火源造成的火灾。如井下使用不合格的照明设备、违反爆破规程、电气设备安装错误和运转不良、变压器油着火、电缆的不规范接头、明刀闸等都可能引起外因火灾。这类火灾发生的一般比较突然，来势凶猛。在矿井火灾总数中，外因火灾所占比重虽然较小（4%—10%），但不容忽视。据统计，国内有记载的重大恶性火灾事故，90%以上属于外因火灾，所以做好矿井外因火灾的的预防是非常有必要的。A．预防外因火灾措施1.避免人的不安全行为：禁止一切人员携带烟草和点火工具下井；禁止在井下使用违规电器设备；在爆破过程中，严格按照规程规定和专家指导的建议去执行，不能有省能心理；禁止在没有安全保证的情况下在井下进行焊接，引用明火。2、消除物的不安全状态：（1）井下不准存放汽油、煤油和变压器油；（2）井下使用的润滑油、棉纱、布头和纸等必须放在密封的铁桶内，用过的要定期送到地面处理；（3）采用防爆型或本质安全型电器，加强电器设备的检查和维修；（4）保证设备的正常运转，防止电火花、电弧、摩擦生热造成的事故。（二）、内因火灾：由煤层自然引起的火灾。这是由煤的燃烧特性决定的，其形成过程一般比较缓慢。煤层自然火灾的发生概率很大，大约占矿井火灾的70%。因此，内因火灾自然会称为人们研究重点。B.预防内因火灾措施： 减少发火隐患，预防煤炭自燃。在开采技术方面，要正确选择矿井的开拓方式、采煤方法和开采程序，合理布置采区，不得任意采掘规定的段间、区间煤柱，以提高开采有自然发火危险煤层的矿井先天防火能力。在通风技术方面，要选择合理的通风方式，正确设置控制风流的设施，采取均压防火措施，加强通风防火管理等，以减少漏风，这对防止煤炭自然发火有重要作用。预防性灌浆，注阻化剂、惰性气体等。掌握自然发火预兆，及时进行发火预测预报，把自然发火消灭在初级阶段。对采掘生产过程中遗留下的各种发火隐患要及时处理，如加强对废旧巷处理，及时充填煤巷碹，及时处理高温火点等。C.应用新技术和新设备提高防灭火能力（1）应用火灾自动报警装置。应用报警系统能准确地探测到异常状态，通过处理将信息提供给维护人员，这样可以将火灾的隐患消灭在萌芽状态。（2）积极开展对矿井火灾发生、发展机理和规律研究，不断研究开发矿用火灾报警设备、灭火设备和逃生设备；使矿井电气火灾在预防、监测和扑救三方面，实现立体化的防治措施。D.不同地点火灾的防治技术（1）井口建筑物火灾。进风井口建筑物发生火灾时，应采取防止火灾气体及火焰侵入井下的措施：立即反转风流或关闭井口防火门，必要时停止主要通风机；按矿井灾害预防和处理计划的规定，引导人员出井；迅速扑灭火源。（2）井筒中的火灾。进风井筒中发生火灾时，为防止火灾气体侵入井下巷道，必须采取反风或停止主要通风机运转的措施。(3)井底车场的火灾。当进风井井底车场和毗连硐室发生火灾时，必须进行反风或使风流短路，确保火灾气体不侵入工作区。回风井井底发生火灾时，应保持正常风向，在可燃气体不会聚集到爆炸限度的前提下，可减少进入火区的风量。矿山救护人员要用最大的人力、物力直接灭火和阻止火灾蔓延。为防止混凝土支架和砌碹巷道上面的木垛燃烧，可在碹上打眼或破碹，设置水幕。如果火灾的扩展危及关键地点(如井筒、火药库、变电所、水泵房等)，则主要人力、物力应用于保护这些地点。(4)井下硐室中的火灾。硐室发生火灾，且硐室无防火门时，应采取挂风障控制入风，用水、灭火器、高倍数泡沫或砂子灭火。(5)倾斜巷道中的火灾。倾斜进风巷道发生火灾时，必须采取措施防止火灾气体侵入有人作业的场所，特别是采煤工作面。为此，可采取风流短路和局部反风、区域反风等措施。(6)平巷石门和其他水平巷道中的火灾。位于矿井或一翼总进风巷中的平巷、石门和其他水平巷道发生火灾时，要选择最有效的通风方式(反风、风流短路、多风井双区域反风、正常通风等)，以便救人和灭火。在防止火灾扩大采取短路通风时，要确保火灾有害气体不逆转。(7)采煤工作面的火灾。采煤工作面发生火灾时，一般要在正常通风的情况下进行灭火，并必须做到：从进风侧进行灭火，要有效地利用灭火器和防尘水管。急倾斜煤层采煤工作面着火时，不准在火源上方灭火，防止水蒸气伤人；也不准在火源下方灭火，防止火区塌落物伤人。而要从侧面(即工作面或采空区方向)利用保护台板和保护盖接近火源灭火。在进风侧灭火难以取得效果时，可采取局部反风，从回风侧灭火，但进风侧要设置水幕，并将人员撤出。采煤工作面回风巷着火时，必须采取有效方法防止采空区瓦斯涌出和积聚。用上述方法无效时，应采取隔绝方法和综合方法灭火。(8)独头巷道的火灾。独头巷道发生火灾时，要在维持局部通风机正常通风的情况下，积极灭火。要保持独头巷道的通风原状，即风机停止运转的不要随便开启，风机开启的不要盲目停止，进行侦察后再采取措施。三、矿井瓦斯爆炸的预防控制瓦斯的组成和性质瓦斯是一般民众对气体燃料的通称，可分为液化石油气与天然气、煤气三大类。矿井瓦斯是煤层涌出的各种有害气体总称。其基本可燃组成成分见下表。气体危险度主要代表物质组成比率（%）可燃性和爆炸性气体沼气（CH4）80~90窒息性气体二氧化碳（CO2）10~20有毒气体CO、H2S、SO2、NO2其它气体C2H4、C2H6瓦斯的性质：瓦斯是无色、无嗅、无味的可燃性气体，不易溶于水，比空气轻，在标准状态下的密度为0.716kg/m^3,对空气的相对密度为0.554。瓦斯的扩散性和渗透性都很强。瓦斯爆炸即为甲烷燃烧的放热反应，化学方程式为CH4+2O2=点燃=CO2+2H2O当空气中氧气浓度达到10%时，若瓦斯浓度在5%-16%之间，就会发生爆炸，浓度在30%左右时，就能安静的燃烧。瓦斯的赋存：矿井瓦斯以游离和吸附两种状态存在于煤体或岩体中，在一定条件下，两种状态可以相互转化。当外界压力升高或温度降低时，部分游离瓦斯会转化为吸附瓦斯，反之，当外界压力降低或温度升高时，吸附瓦斯也能转化为游离瓦斯。煤体和岩体中瓦斯析出的形式：普通涌出（涌出）：瓦斯由煤层或岩层的暴露面缓慢而均匀的析出，且持续时间较长，涌出是瓦斯的基本析出形式。A.喷出：在较短时间内，从采掘工作面的局部部位突然释放出大量瓦斯。喷出时间一般为几天，有时达到几个月。（2）特殊涌出B．突出:在很短时间内（几分钟甚至几秒钟）大量瓦斯连同煤粉（有时还有煤块或岩石）一起从煤体中突然喷出，也称煤与瓦斯突出。二、瓦斯的危害性（1）燃烧和爆炸：瓦斯是多种可燃气体的混合物。它的爆炸极限为5%~16%，体积浓度为9.5%时，爆炸威力最强，矿井瓦斯的爆炸是一种连锁反应，其反应速度很快。矿井瓦斯爆炸可产生高温、高压，并促使爆源附近的气体以极大的速度向外流动，因而能够严重破坏巷道结构、设备，并造成人员伤亡。（2）窒息性：矿井内瓦斯浓度增加时，氧浓度相对较小，对人员的安全极为不利。瓦斯的窒息性对人的危害程度见下表。瓦斯的窒息性对人体的危害瓦斯浓度（%）氧浓度（%）对人的危害1917人感到呼吸困难4312使人窒息579使人立即死亡描述瓦斯危险的指标（1）瓦斯的含量。每吨煤中含有瓦斯的体积，用m^3/t来表示。瓦斯的含量可用于计算瓦斯储量，也可用来预测开采过程中瓦斯的涌出量，以便采取相应的通风或抽放措施。瓦斯含量一般在实验室内采用特定设备进行测定。（2）瓦斯的绝对涌出量。瓦斯绝对涌出量指的是煤层开采中单位时间涌出矿井的瓦斯体积，用m^3/d或m^3/min来表示。绝对涌出量可直接采用侧风表和瓦斯检定器并加以计算得到。瓦斯的绝对涌出量反映一个工作面、一个采区、一个水平或一个矿井瓦斯的严重程度，也是分析瓦斯来源和分布情况与计算矿井通风的重要依据。（3）瓦斯的相对涌出量。矿井在正常生产时日产一吨煤所涌出的瓦斯体积，用m^3/(t·d)来表示。我国现行的煤矿安全规程中，用瓦斯相对涌出量来划分矿井的瓦斯危险等级，如下表。矿井瓦斯的危险等级危险等级相对涌出量/［m^3/(t·d)］低瓦斯矿井<=10高瓦斯矿井>10煤与瓦斯突出矿井采掘过程中，发生过1次以上（含1次）煤与瓦斯突出的矿井瓦斯的浓度。瓦斯浓度是矿井开采过程中瓦斯体积百分数，可直接用仪表测量，是矿井安全状况的基本标志。防止瓦斯爆炸的安全措施加强通风加强通风是防止瓦斯积聚最有效的措施。矿井通风应持续有效，并保证足够的风速和风量吹散瓦斯，使得瓦斯浓度低于爆炸极限。所有矿井必须采用机械通风，禁止采用自然通风。矿井必须保证足够的风量和风速，严禁无风或微风作业。矿井应采用独立通风和分区通风方式，并及时密闭采空区，加强通风设施管理等。井下各处瓦斯的允许浓度和超限要求见下表。井下各处瓦斯允许浓度和超限时要求井下主要地点允许瓦斯浓度（%）超限采取的措施矿井总回风或一翼回风瓦斯>0.75CO2>0.75矿总工程师立即查明原因，进行处理并报矿务局总工程师采区回风，采掘工作面回风风流中瓦斯>1.0CO2>1.5停止作业，撤出人员，矿总工程师采取有效措施，进行处理采掘工作面风流中瓦斯达1时瓦斯达1.5时CO2达1.5时停止电钻打眼；停止工作，切断电源，进行处理；查明原因，撤出人员，报总工程师批准，先行处理采掘工作面内局部瓦斯积聚达2时附近20米内，停止工作，切断电源，进行处理放炮地点附近20米内风流中瓦斯达1禁止放炮电动机附近20米以内风流中瓦斯达1.5时停止运转，切断电源，进行处理综采工作面经排放和已达最高允许风速瓦斯可达1.5经矿物局局长批准，并符合下列要求：（1）工作面风流控制可靠；（2）通风巷道必须保持设计断面；（3）设专职瓦斯检查员和安设沼气自动检测报警断电装置加强瓦斯检查有关人员必须做到按时、按规定次数对矿井瓦斯进行检查，若发现问题应及时采取措施。矿长和矿总工程师必须亲自审阅通风和瓦斯报表。下表为《煤矿安全规程》要求的瓦斯检查次数。对瓦斯检查次数的要求矿井瓦斯等级检查地点每班检查瓦斯次数低瓦斯矿井下所有采掘工作面与可能涌出或可能聚积瓦斯的巷道和硐室至少2次高瓦斯矿井下所有采掘工作面与可能涌出或可能聚积瓦斯的巷道和硐室至少3次煤与瓦斯突出矿有煤（岩）和瓦斯突出的采掘工作面安设瓦斯自动检测报警断电装置各级瓦斯矿本班没进行工作的工作面进、出风口至少1次无瓦斯的煤层进、出风口每天至少1次个别瓦斯涌出量较大、变化异常的采掘工作面安设瓦斯自动检测报警断电装置高瓦斯矿采用机械采煤或掘进的工作面有专人经常检查及时处理局部积聚的瓦斯隔离法：在棚梁的上边和下边钉木板，将空顶用黄土或沙子填满以消除瓦斯积聚分支通风法：将风筒和分支小风筒连接风流可直接被送至空顶处从而吹散积聚的瓦斯引风发：利用导风挡板把风流引到空顶处从而吹散瓦斯4、消除火源a.防止电火花：一切电力装备与电网，必须采用防爆电气设备，并符合安全规程的要求。消灭电缆的不规范接头。b.防止各种明火：严禁任何人携带引火物下井，井下禁止吸烟或使用违规电器设备，井下和井口不经矿长批准，不得从事焊接工作。C．禁止明火放炮：井下爆破应采用安全炸药和防爆型发爆器，并应严格执行放炮的有关规定。5、开展瓦斯的抽放由于矿井开采深度的增加和生产的集中，瓦斯涌出量大幅度增加，靠单纯用通风方法将井下大量瓦斯控制在安全限度以内，往往在经济上和技术上都难以实现，这时必须采取抽放瓦斯的措施。根据抽放的部位，抽放瓦斯主要有开采层瓦斯抽放，邻近层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放三种形式，可以在开采前预抽，边采边抽和采后抽放。抽放的管道可以用钻孔抽放、巷道抽放、采空区插管抽放，目前钻孔抽放使用最广泛。具体形式应视煤层瓦斯的初始压力、煤层的透气性和生产技术条件而定。四、矿井中煤尘爆炸的预防控制一、煤尘的爆炸性煤是可燃物质，当它被粉碎成细小颗粒后（煤尘），其表面积增加，因而其氧化能显著增强。煤尘受热时单位时间内吸收更多的热量，氧化发热、吸热，在300～400℃较低温度时，就有大量挥发分放出聚集于尘粒周围。这类可燃性气体一经与空气混合便在高温作用下再吸收能量，形成一定数量的活化中心。如此时氧化热有效地传给附近的煤尘，这些煤尘就迅速受热分解，燃烧起来。此种过程连续不断地进行，氧化反应越来越快，温度越来越高，而活化中心也越来越多，达到一定程度时，剧烈的氧化燃烧便能发展成更为剧烈的爆炸。

煤尘爆炸的氧化反应主要是在气相内进行的，具有与瓦斯爆炸同样的特点。煤尘爆炸的必要条件(1)煤尘本身具有爆炸性

不是所有煤尘都具有爆炸性。因此，对矿井的煤尘利用煤尘爆炸性鉴定仪器来确定煤尘有无爆炸性是《煤矿安全规程》规定的主要依据。虽然可以用样品煤的工业分析计算出挥发分指数，粗略地判断该煤尘有无爆炸性，但是这不能作为准确依据。一般而言，无烟煤很少有爆炸危险。

(2)煤尘悬浮在空气中达到一定浓度

煤尘浓度，一般用单位体积空气中所含煤尘的重量来表示：g／m3。

煤尘和空气混合物，即悬浮状态下的煤尘有爆炸界限。

煤尘的爆炸界限和空气混合物中有无沼气、火源的性质及其强弱程度等因素有关。

试验证明，我国煤尘的爆炸界限在下述范围：褐煤爆炸下限为45～55g／m3；烟煤为110～335g／m3；上限一般为1500～2000g／m3。

(3)存在有引爆的热源，即必须具有足以引燃煤尘的温度——最低着火温度

我国煤尘爆炸试验表明，煤尘引燃温度，一般在700～800℃，少数为1100℃。

煤尘爆炸和瓦斯引燃一样也有一个延迟时间，叫“着火感应期”，即煤尘受热分解并形成足够数量活化中心所需要的时间。这一时间主要取决于煤的挥发分含量，挥发分越高，感应期越短，一般为40～250ms。三、预防煤尘爆炸的措施(1)煤层预先注水

在回采前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使水渗入煤体节理裂隙之中，增加煤层的含水量，以减少采煤时粉尘生成。

注水分深孔注水和浅孔注水两种；

1)深孔注水。回采前预先在工作面前方回风道或进风道安设钻机，在煤层中沿倾斜平行于工作面打钻孔。孔深为工作面长度的2／3；孔径75～100mm。注水钻孔间距根据具体条件定。

封孔是保证顺利注水的关键。一般用水泥灰浆封孔，也可用塑性胶筒封孔。

注水的水压较高，一般用20～40kg／cm2；有条件的水压可更高。

注水超前于回采的时间，至少需15天。

2)浅孔注水。在采准班内用普通电钻打孔深为2．5～3．5m，直径43m的注水孔，孔距1．5～2．0m，打好眼后，插入特制的注水器封孔注水。注水压力不能太高，注水后10～15min，便可出现煤壁“出汗”现象，表明注水范围内煤层已经湿润。

注水水源可用地面静压水，亦可用防尘用水管道直接接到注水孔。

深孔注水预湿范围大，适用于中厚及厚煤层。(2)水封爆破和水炮泥

即借爆破压力将水注入煤层的一种降低煤尘生成量的措施。

水封爆破是在装药后，先放一段隔水炮泥，然后从孔口再放炮泥不塞到底，在两段炮泥之间，插入注水管低压注水，以此当炮泥用。

(3)喷雾洒水

在尘源发生地点喷雾洒水是捕尘降尘的最简易的有效措施。

在机组采煤、联合掘进机组掘进、装煤、翻煤车、转载、爆破等生产环节中采取高压水喷雾措施，将大大减少煤尘的飞扬；爆破时洒水喷雾既降尘又消烟，缩短通风排烟时间。

(4)合理风速

必须严格控制井下风速，增大风量或改变通风系统时，同时相应地调节风速，防止煤尘飞扬。

风速与空气中含尘量的关系比较密切。风速过小，不能将悬浮的煤尘及时带出工作地点(机组割煤时煤尘逆风扩散)，使空气中含尘量增多；风速过大，虽可将浮尘吹走，但同时也把已沉降于巷道四周的沉尘重新扬起，增加了工作面和巷道的粉尘浓度。

工作面的风速应控制在1．2～1．6m／s间为宜。

(5)清扫积尘

沉积在巷道四壁的煤尘，一旦受到冲击再度飞扬，形成初爆的尘云，会为煤尘爆炸创造致灾条件。所以，矿长必须定期组织人员按计划对井巷进行清扫、冲洗煤尘。巷道中的沉积煤尘清扫后要及时运出矿井。（6）防止煤尘被引燃《煤矿安全规程》中规定，开采有煤尘爆炸危险性的矿井，在矿井的两翼，相邻的采区和煤层都必须用岩粉棚或水棚隔开，在所有运输巷道和回风巷道中，必须撒布岩粉。岩粉棚。岩粉棚是由安装在巷道中靠近顶板处的若干块木制岩粉台板组成，且每块台板上放置一定数量的不燃性岩粉。当出现煤尘爆炸时，冲击波将岩粉棚震翻，板上的岩粉弥漫巷道，岩粉大量吸热从而隔断火焰，阻止爆炸的传播。岩粉易受潮结块失效，需定期检查更换。水槽棚。水槽棚和岩粉棚的结构相似。水的比热容大、吸热多、易飞散，并可长期使用不需更换。岩粉袋和水袋。将岩粉或水装在塑料袋中，挂在巷道顶部，其作用与岩粉棚或水槽棚相同。自动水幕。在巷道顶板上安设钢管，在钢管上安装喷雾器，利用煤尘爆炸时产生的冲力打开喷雾器的阀门，在火焰到达前形成一道水幕，阻止火焰传播。附：（案例）矿井火灾事故河南省新密市“3·15”重大火灾事故2010年3月15日20时30分左右，河南省郑州市新密市东兴煤业有限公司发生重大火灾事故，造成25人死亡。初步分析