第五章火灾预测预报技术

2023/2/4煤矿火灾防治理论与技术煤矿火灾防治理论与技术主讲教师：潘荣锟博士河南理工大学安全科学与工程学院Email:prk@2023/2/4第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报1概况

煤矿建立现代化的环境监测系统进行火灾早期预报，是改变煤矿安全面貌防止重大火灾事故的根本出路。近年来，国内外的煤矿安全监测技术发展很快。法国、波兰、日本、德国、美国等国家先后研制了不同型号的环境监测系统。我国从80年代开始，通过对国外技术的引进、消化和吸收，环境监测技术有了很大的进步。除分别引进波兰的CMC一1系统、英国的MINOS系统、美国MSA公司DAN一6400系统以及德国TF一200系统外，国内一些军工和煤矿研究单位也研制了一些监测和监控系统，对我国部分煤矿进行了装备，为改变我国煤矿的安全状况起到了一定作用。2023/2/41概况

矿井火灾的发生发展是有一个过程的，根据火灾发生发展时期产生的各种迹象，比如：气味、烟雾、明火等，可以早期发现，并及时扑救。矿井火灾早期识别的目的：

尽可能早的发现火灾并及时控制火势，将火灾危害和造成的损失减少到最低程度。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/41概况

自然发火的预测是指根据煤田地质勘探或在矿井开采的过程中，所采集煤样的分析化验结果和自然发火的统计资料，判定待开采煤层的自燃严重程度及其在空间上的分布规律，为有针对性制定防灭火措施提供可靠的依据。我国目前预测自燃发火的方法有：①在实验室确定自燃倾向性等级；②根据本矿或条件相似(近)矿井或采区的已有的自然发火的统计资料，确定待采(成本)煤层的自然发火期。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42火灾的预测预报

所谓矿井火灾预测预报，就是根据火灾发生和发展的规律，应用成熟的经验和先进的科学技术手段，采集处于萌芽状态的火灾信息，进行逻辑推断后给出火情报告。及时而准确地进行火灾早期预报，可以弥补预防之不足。矿井火灾预报的方法，技其原理可分为；

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42火灾的预测预报

2.1利用人体生理感觉预测预报自然发火

依靠人体生理感觉预报矿井火灾的主要方法有：

(1)嗅觉。可燃物受高温或火源作用，会分解生成一些正常时大气中所没有的、异常气味的火灾气体。例如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非饱和碳氢化合物；橡胶、塑料制品在加热到一定温度后，会产生烧焦味。人们利用嗅觉嗅到这些火灾气味，则可以判断附近的煤炭和胶塑制品在燃烧。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42火灾的预测预报

2.1利用人体生理感觉预测预报自然发火

(2)视觉。人体视觉发现可燃物起火时产生的烟雾，煤在氧化过程中产生的水蒸气，及其在附近煤岩体表面凝结成水珠(俗称为“挂汗”)，进行报警。

(3)感(触)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，CO2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。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

2.2气体成分分析方法

1)指标性气体及其临界指标

能够反映煤炭自热或可燃物燃烧初期特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体叫指标性气体。指标气体必须具备如下条件：①灵敏性，即正常大气中不含有，或虽含有但数量很少且比较稳定，一旦发生煤炭自热或可燃物燃烧，则该种气体浓度就会发生较明显的变化。②规律性，即生成的量或变化趋势与自热温度之间呈现一定的规律和对应关系。③可测性，可利用现有的仪器进行检测。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4指标气体检测技术

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报小型升温氧化实验室测试系统图2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报大型升温氧化实验室测试系统图（5吨）2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报数据采集测试系统图2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报《煤矿安全规程》第241条规定：开采容易自燃和自燃煤层时，必须明确自然发火观测站位置，…，确定煤层自然发火的标志气体，建立自然发火预测预报制度。2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报标志气体分析标志气体的选取准则灵敏、规律、独立、可测标志气体的分类

CO、烷烃、烯烃、炔烃2023/2/4各国自然发火指标气体

国家名称指标气体主要指标气体辅助指标气体俄罗斯COC2H6/CH4中国CO、C2H2、C2H4CO/△O2、C2H6/CH4美国COCO/△O2英国CO、C2H4CO/△O2日本CO、C2H4CO/△O2、C2H6/CH4波兰COCO/△O2德国COCO/△O2法国COCO/△O2

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4(1)一氧化碳(CO)

一氧化碳生成的温度低、生成量大，其生成量随温度升高按指数规律增加，是预报煤炭自燃火灾的较灵敏的指标之一。在正常时若大气中含有CO，则采用CO作为指标气体时．要确定预报的临界值。确定临界值时一般要考虑下列因素：①各采样地点在正常时风流中CO的本底浓度；②临界值时所对应的煤温适当，即留有充分的时间寻找和处理自热源。2.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4各煤种代表性煤样CO的临界温度值2.3常用的指标气体煤种褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤CO临界温度/

℃41665966819413083煤在低温氧化过程中CO生成量与煤温之间的关系十分密切。由于CO的发生温度比较低，温度范围宽，绝对发生量大，只要井下巷道中检测出CO气体且持续存在，其浓度不断稳定增加，就可判断此测点风流的上风侧产生高温点或自燃火源。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4各煤种代表性煤样C2H4、C3H6的临界温度值2.3常用的指标气体煤种褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤C2H4临界温度/℃（0.1ml/g.min）109119124127148150150148C3H6临界温度/℃（0.15ml/g.min）124~134121~132121~142136~147156~160151~157150~168150~162

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4C2H4/C2H6峰值温度与煤温的关系2.3常用的指标气体煤种褐煤长焰煤气煤肥煤峰值温度/℃150，190168，220180，225219，294

C2H4/C2H6的比值随煤温变化的总趋势是：随着煤温的升高，比值逐渐增大，并达到第一次高峰，之后随煤温的升高而比值下降；随着煤的氧化进入激烈氧化阶段，比值又出现第二次峰值。

峰值时的煤温远远大于其临界温度，特别是气煤和肥煤；另外，从褐煤到肥煤，随着变质程度的增高峰值温度逐渐升高。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报1)俄罗斯采用乙烯（C2H4）与乙炔（C2H2）的百分比预测煤体的自然温度并预报自燃。随着温度的增加乙烯的生成量远大于乙炔，因此可以根据二者之比的大小来判定煤温的大小。2)日本采用链烷比来早期预测预报煤炭自燃。如：乙烷（C2H6）比甲烷(CH4)；丙烷（C3H8）比甲烷(CH4)；丁烷（C4H10）比甲烷(CH4)等。3)我国枣庄柴里矿采用乙烷（C2H6）比甲烷(CH4)指标。二者之比从70℃—190℃增大86.6倍。2023/2/4

(2)Graham(格雷哈姆)系数Rco

J．JGraham提出了用流经火源或自热源风流中的CO浓度增加量与氧浓度减少量之比作为自然发火的早期预报指标。其计算式如下：Rco=100△Cco/▽Co2=100Cco/(0.265CN2-Co2)式中：Cco、Co2、CN2——分别为回风侧采样点气样中的一氧化碳、氧气和氮气的体积浓度，%。

2.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报式中R1——第一火灾系数，％；R2=0-20%基本正常

R2——第二火灾系数，％；=20-40%温度上升，加强观测

R3——第三火灾系数，％。=40-80%出现明火。+△CO2——CO2的增加量。即：测定地点空气成分中的CO22减去入风流中的CO21量。

+△CO2=CO22-CO21×N22/N21N22——测定地点的N2量。N21——入风流中的N2量。+△CO——CO的增加量。即：测定地点空气成分中的CO2减去入风流中的CO1量。

+△CO

=CO2-CO1×N22/N21-△O2——O2的消耗量。即：入风流中的O21测定地点空气成分中的O22，

-△O2=O21-O22+0.265×（N22-N21）0.265——标准状态下的氧氮比。20.96/79=0.2652023/2/4(2)Graham系数Ico

根据GrahamIco指数预报矿井火灾时，不同的矿井有不同的临界指标。抚顺老虎台矿(气煤)总结多年的经验，从7万多个气样中筛选出431个有发火隐患的气样，得出煤在自燃的发生、发展过程中不同阶段的Graham指数为：

预警值Rco=0~0.45；

临界值Rco＝0.46~4；

报警值Rco＝4.1~9。

2.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4(3)乙烯(C2H4)

实验发现，煤温升高到80一120℃后，会解析出乙烯、丙烯等烯烃类气体产物，而这些气体的生成量与煤温成指数关系。一般矿井的大气中是不合有乙烯的，因此，只要井下空气中检测出乙烯，则说明已有煤炭在自燃了。同时根据乙烯和丙烯出现的时间还可推测出煤的自热温度。淮南新集、山东柴里等矿区采用乙烯作为指标气体预报自燃火灾收到良好效果。

2.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4(4)其他指标气体

国外有的煤矿采用烯炔比(乙烯和乙炔(C2H2)之比)和链烷比(C2H2／CH4)来预测煤的自热与自燃。由于煤中热解的产物与煤的种类有密切的关系，因此选择指标气体时一定要在实验的基础上进行，而且采用多种指标气体配合预报较为合适。2.3常用的指标气体

第五章矿井火灾预测预报2023/2/42火灾的预测预报

第五章矿井火灾预测预报链烷比随煤温变化曲线2023/2/4

内因火灾的发生，往往伴有一个蕴藏的过程，根据预兆能够早期予以发现。但火源隐蔽，经常发生在人们难以进入的采空区或煤柱内，要想准确地找到火源确非易事。因此，难以扑灭，以致火灾可以持续数月、数年、甚至数十年之久。有时燃烧的范围逐渐蔓延扩大，烧毁大量煤炭，冻结大量资源。根据1985年的统计，由于自然发火而冻结的煤量累计近6000万吨。

2

内因火灾的预测预报

第五章矿井火灾预测预报

煤发生自燃后，其空气成份的变化首先是氧含量的减少，CO2量的增加，其次才是CO量的增多。CO出现的时间最晚有时在发生自燃火灾前数日才出现。另外，煤炭自燃的初期阶段CO生成量较少，运用一般的实验手段难以检出。2023/2/4

矿井实际工作经验告诉我们，为确切地监测火情，须对进、回风流的空气成分作系统的检测，以掌握下列四种气体的变化：

①氧气含量的减少量(-▽O2)；②二氧化碳含量的增加量(+△CO2)；③一氧化碳含量的增加量(+△CO)；④氮的变化量(N2、N2′)。（5）

内因火灾气体检测法

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

在可能发生自燃火灾的地区监测空气成分时，至少要设立两个检测站，进风流中和回风流中各设一个。检测站的位置选择以能够卡住该区域的全部进风与回风为准。且要求巷道断面规整、平直，易于测量风速与温度。检测站要挂牌编号，在牌上写明各种测量数据，检测站的位置应在通风系统图上标明。a

检测站的建立

第五章矿井火灾预测预报

取样的间隔时间愈短，愈易发现矿井内空气成份的变化，这对及时发现火源十分重要。在取样分析证明空气成分正常的条件下，可以每周取样两次。如发现成分异常时，应增加取样次数，最好是隔日一次。取样时使用压气取样金属管。取样时间要安排在不放炮的班次。2023/2/4C

监测区监测参数根据气样分析的结果，按下式计算氧含量的减少量和CO、CO2含量的增加量：式中：O2′，N2′，CO′，CO2′分别代表检测区段进风流中O2，N2，CO，CO2的浓度。O2″，N2″，CO″，CO2″分别代表检测区段回风流中O2，N2，CO，CO2的浓度。-△O2、+△CO2、+△CO分别代表气样分析时O2浓度的减值和CO2、CO的增值。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4C

监测区监测参数

根据-△O2、+△CO2、+△CO值可以计算出格氏火灾系数R1、R2、R3的百分数。格氏火灾系数于1914年由英国学者格雷哈姆提出的，其表达式为：

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4C

监测区监测参数

当火区排出的风流中掺入的新鲜的风量愈多则系数R1、R2的可靠性愈低，而系数R3则不受火区风流稀释的影响。以上三个火灾系数部是随火势发展而上升，当煤炭进入自燃阶段，火灾系数R1值约为0.3~0.4；继续升高则预示自燃火灾已经发生。如果系数R2值超过0.005，则应警惕自燃火灾的发生，超过0.01则说明火灾已经发生。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4D

监测区监测参数

国内部分矿井把检测回采工作面的CO绝对发生量作为预报指标，其计算方法为：H=Ｃ×Ｑ／１００式中H——自然发火预报指标，m3／min；

C——工作面回风观测站检测气样中的CO浓度，%；

Q——观测站的风量，m3／min。平庄局古山矿该矿对井下十二个生产工作面长期系统地观测，将获得的数据与井下实际情况时照，确定了两个预报自燃火灾发生的临界值：

H＜0.0049m3／min无自燃现象；

H=0.0049-0.0059m3/min加强观测；

H＞0.0049m3／min预报自然发火。根据H值预报自然发火应用效果好，预报的准确率也比较高，而且消除了掺入风量的干扰。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4烷烯烃类气体指标1）烷烃类气体烷烃类气体如甲烷为常规涌出气体；乙烷、丙烷涌出不稳定，不能作为指标气体。2）烯烃（炔）类气体

乙烯C2H4:100-130℃

丙烯C3H6:120-150℃

乙炔C2H2:140-160℃

丁烯C4H8:150-170℃

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4一氧化碳CO气体浓度变化率指标煤炭自燃氧化分级（褐煤）氧化阶段自热

前期自热后期五级氧化过程一级加速二级加速三级加速四级减速五级减速温度范围℃50-7070-90120-130140-160160-180180-200CO浓度变化率ppm/℃1.35.6564.52412145-156与常温30℃相比，CO浓度增加倍率3.210.381.8442.831242936CO浓度变化率：某一温度与常温下的

CO释放量之差除以温度差值。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4煤炭自燃氧化分级（烟煤）氧化阶段自热

前期自热后期氧化加速过程一级加速二级加速三级加速四级减速五级减速温度范围℃60-8080-110110-140140-180180-220220-250氧浓度%/10℃-0.14-0.17-1.075-2.33-1.27-0.25耗氧量10-2

ml/g.min/10℃4CO浓度变化率ppm/℃1.36.517.1130225533.3CO发生量10-6

ml/g.min/℃1.678.6722.77173.33300711.1乙烯浓度ppm/10℃——0.353.659.2515.87异丁烯浓度

ppm/10℃———7.411.285.6正丁烯浓度

ppm/10℃————0.7-0.2

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4CO气体变化率CO氧化速率增幅：＜1ppm/℃；正常值。CO氧化速率增幅：＝1ppm/℃－2ppm/℃；预报值。CO氧化速率增幅：＞2ppm/℃；采取措施。山东龙口北皂煤矿CO气体指标

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4(6)束管监测系统

束管监测系统就是一种连续抽取并下气体，在地面用仪器分折各种指标气体以预报灾情的装置。束管监测系统的基本部件是束管及其附件(连接器、粉尘过滤器、水份扑集器、火焰阻止器)。另外，还有抽气泵、气样选取器、指标气体分析仪，以及数字显示、图表记录、声光报警系统等。

该系统主要用于矿井采空区煤自燃的监测。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4束管监测系统

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4(6)束管监测系统

（1）采样系统。由抽气泵和管路组成。管路一般采用管径为6~87mm聚乙稀塑料管，在采样管的入口装有干燥、粉尘和水分捕集器等净化和保护单元。滤尘材料一般用玻璃纤维和粉末冶金材料。在管路的适当位置装有贮放水器，以排除管中的冷凝水。整个管路要绝对严密，管路上装有真空计指示管路的工作状态。在仪器入口装有分子筛或硅胶，以进一步净化气样。（2）控制装置。主要有三通实现井下多取样点进行巡回取样。（3）气样分析。可使用气相色谱仪、红外气体分析仪等仪器。（4）数据贮存、显示和报警。分析仪器输出的模拟信号可用图形显示、记录仪记录，超过临界指标时发出声光报警*必要时进行打印，也可计算机贮存。束管检测系统的缺点是管路长，维护工作量大。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/43外因火灾的预测预报

矿井外因火灾预测的任务是，通过井巷中的可燃物和潜在火源分布调查，确定可能产生外因火灾的空间位置，及其危险性等级。准确的预测，可以使外因火灾的预防更具有针对性，灭火准备更充分。外因火灾预测可遵循如下程序：①调查井下可能出现火源(包括潜在火源)的类型及其分布；②调查井下可燃物的类型及其分布；③划分发火危险区(井下可燃物和火源(包括潜在火源)同时存在的地区视为危险区)。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

英国经燃烧模拟试验测得在明火的初期阶段，CO：CO2约为1：1.5，随着火势的发展CO2的含量逐渐增多，CO：CO2可达1：5。在真实的自燃条件下高达1：10(CO：CO2)。从上面的统计和实验可以看出：以CO2作为预报外因火灾的标志气体较易检测和发现。3外因火灾的预测预报

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4４火源探测

煤炭自燃预报是煤炭自燃的早期预警，而火源探测是发火后火源位置与范围的确定，两者尽管存在着时间的差异，但它们都是根据煤自燃过程中其本身或周围介质的物理或化学变化的改变量来分析的，其确定方法总本相同。日前，国内外煤炭自燃预报与火区火源探测方法主要有：

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4４火源探测

①温度（辐射能量）法，包括红外测定法和煤或围岩温度测定法；②磁探法；③电阻率法；④气体测量法；⑤同位素测氡法；⑥无线电波法；⑦地质雷达探测法；⑧遥感法；⑨计算机数值模拟法。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4４火源探测

第五章矿井火灾预测预报红外测定法应用实例2023/2/4４火源探测

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4４火源探测

第五章矿井火灾预测预报AD590恒流源温度传感器、热电偶2023/2/4４火源探测

第五章矿井火灾预测预报测温仪表2023/2/4热电偶测温的应用原理热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：①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。②测量范围广。-50~+1600℃、③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。1、热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中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。2、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。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，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响，其测量误差较大。

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报2热管深部移热技术2023/2/4

第五章矿井火灾预测预报2磁探测技术

煤矿火灾发生，使得煤层、煤层顶底板中的一些铁质矿物(黄铁矿、菱铁矿等)发生了化学变化，在煤层燃烧的区域铁质矿物会形成磁性较强的差异性，一般燃烧彻底的烧变岩区磁性最强,磁化率可达到（1000-5000）×10-5SI，而在围岩的烘烤区磁性次之，未燃烧的地层磁性最弱，磁化率大多小于20×10-5SI。磁探技术是利用煤层燃烧后造成地磁场强度差异进行高温区、隐蔽火源的圈定，具有很强的可行性，同时我国开采的煤层56%具有自燃