防灭火设计20214出版稿

神木市大柳塔东川矿业有限公旬

矿井防灭火专项设计

（修订版）

二。二一年四月

东川矿业有限公司

矿井防灭火专项设计

编号：F1005

项目总设计师：张辛亥

总经理：郑仲明

西安安备特安防科技有限公司

二。二一年四月

审定人员名单

专业姓名职务、职称签名

生产管理何田生高工

煤矿安全张辛亥教授

通风王建国副教授

机械郑仲明高工

电气李忠副教授

编制人员名单

专业姓名职责职称及执业资质签名

张国伟设计工程师

安全管理

段明岸审核工程师

张铎设计工程师

煤矿安全

张玉涛审核副教授

胡震设计工程师

通风

吴奉亮审核副教授

T峰设计工程师

机械

郑仲明审核高工

刘哲设计工程师

电气

刘晓荣审核高级工程师

目录

前言..............................................................4

0.1设计内容及要求...........................................................4

0.2设计依据..................................................................5

第1章矿井概况.....................................................7

1.1位置与范围..............................................................7

1.2地质构造................................................................8

1.3煤系地层与煤质..........................................................8

1.4瓦斯....................................................................12

1.5地温、煤层自燃与煤尘...................................................13

1.6开拓方式与采煤方法.....................................................14

1.7矿井通风................................................................15

1.8矿井周边煤矿与历史发火情况.............................................15

第2章矿井火灾危险性分析..........................................17

2.1采空区自燃危险..........................................................17

2.2巷道周边煤层自燃危险性.................................................19

2.3外因火灾................................................................19

第3章煤层自然发火预测预报指标体系................................20

3.1温度与指标气体对应关系实验结果........................................20

3.2煤样自燃氧化速率变化规律..............................................24

3.3临界温度和干裂温度.....................................................25

3.4煤自燃的各指标气体比值.................................................25

3.4.1烯烷比（C2H/C2H6）..................................................26

3.5指标气体临界值.........................................................28

第4章井下自燃火灾监测系统........................................30

4.1矿井火灾束管检测系统...................................................30

4.2东川煤矿安全监控系统...................................................41

4.3煤层自燃监测方案.......................................................47

第5章煤矿防灭火系统..............................................51

5.1煤层火灾防治技术体系...................................................51

5.2灌浆系统...............................................................53

5.3注氮防灭火系统.........................................................59

5.4阻化剂防灭火系统.......................................................60

5.5其它防灭火装备.........................................................62

第6章重点区域防灭火技术方案......................................63

6.1防灭火技术体系.........................................................63

6.2内因火灾防治技术方案...................................................63

6.3采煤工作面防灭火技术方案...............................................64

6.4巷道及密闭区自燃防治方案..............................................75

6.5火灾应急处置...........................................................78

第7章外因火灾防治................................................80

7.1火灾防治技术体系.......................................................80

7.2井下灭火装备的配备.....................................................80

7.3外因火灾预防措施.......................................................81

7.4外因火灾处置方案.......................................................81

7.5地表火灾预防及处理.....................................................81

第8章井下消防洒水系统............................................84

8.1消防水池及水源.........................................................84

8.2井下消防管路...........................................................84

8.3消防水给水栓设置.......................................................84

第9章防火构筑物及消防材料库.....................................86

9.1防火门..................................................................86

9.2防火密闭...............................................................86

9.3防火风门、风窗.........................................................87

9.4机电嗣室...............................................................87

9.5井上下消防材料库.......................................................87

第10章火区管理...................................................89

10.1外因火灾管理..........................................................89

10.2煤层火区管理..........................................................90

第11章防灭火管理制度.............................................93

11.1总则...................................................................93

11.2防灭火工程设计........................................................94

11.3预测预报..............................................................94

11.4掘进防灭火............................................................95

11.5安装防灭火............................................................96

11.6回采防灭火............................................................96

11.7拆架防灭火............................................................97

11.8关于封闭..............................................................97

第12章火灾应急救援预案...........................................98

12.1制定依据、方针和原则、适应性.........................................98

12.2应急准备.............................................................100

12.3应急响应程序和措施...................................................107

12.4日常防灭火管理.......................................................115

12.5预案管理与评审改进...................................................118

附录1灌浆防灭火方案设计.........................................119

1灌浆防灭火系统工艺..............................................119

2灌浆系统参数....................................................120

3灌浆系统管路....................................................120

3.1灌浆管路计算............................................................120

3.3灌浆管路设计............................................................122

4灌浆位置及灌浆量................................................123

4.1采空区“两道”防火注浆量................................................123

4.2停采线密闭处注浆量....................................................124

4.3上分层采空区顺槽侧灌浆或注复合胶体形成隔离带.........................125

5灌浆防灭火安全技术措施..........................................126

5.1灌浆操作规程...........................................................126

5.2注浆注意事项..........................................................126

5.3常见故障的处理........................................................127

附录2注氮防灭火设计.............................................129

1氮气防灭火系统..................................................129

1.1制氮...................................................................129

1.2输氮管路的选择与计算..................................................129

1.3注氮方式..............................................................131

2采空区注氮有关参数确定..........................................131

2.1采空区注氮条件........................................................131

2.2氮气释放口位置........................................................132

2.3注氮量.................................................................132

3采面开放性注氮防灭火方案设计....................................134

3.1开放性注氮条件........................................................134

3.2注氮工艺参数..........................................................134

3.3注氮管路的选材与敷设..................................................134

3.4管路联接和埋管拉移....................................................135

4封闭注氮方案设计................................................136

4.1封闭注氮条件...........................................................136

4.2封闭墙的要求..........................................................136

4.3闭区注氮气体检测......................................................136

4.4启封和排氮............................................................136

5注氮步骤与安全措施..............................................137

5.1注氮步骤...............................................................137

5.2注氮安全措施..........................................................137

附录3....................................................................................................................................139

3

前s

0.1设计内容及要求

根据《煤矿安全规程》（2016版）第二百六十条规定，开采容易自燃

和自燃煤层的矿井，必须编制矿井防灭火专项设计，采取综合预防煤层自

然发火的措施。

设计包含内容

《煤矿安全规程执行说明（2016）》指出，矿井防灭火专项设计应包

括十二项内容：

（1）矿井概况（重点说明地质构造、煤层赋存、煤质、瓦斯、煤尘、

煤的自燃倾向性、自然发火期、地温、开拓开采情况、矿井通风、历史发

火情况、火区、矿井周边煤矿等）。

（2）矿井火灾危险性分析。

（3）煤层自然发火预测预报指标体系。

（4）井下自燃火灾监测系统。

（5）煤矿防灭火系统。

（6）工作面重点区域防灭火技术方案（重点说明工作面安装期间防灭

火技术方案，工作面采空区、进回风巷道防灭火技术方案，工作面回撤期

间防灭火技术方案）。

（7）外因火灾防治措施及装备。

（8）井下消防洒水系统。

（9）防火构筑物及井上、下消防材料库。

（10）火区管理。

（11）防灭火管理制度c

（12）火灾应急救援预案。

0.1.2设计的核心问题

4

根据《煤矿安全规程执行说明(2016)》列出的矿井防灭火专项设计

内容，对于生产矿井的防灭火设计，其关键内容主要是以下几方面：

(1)对当前防灭火系统进行评估，提出满足防灭火需要的防灭火技术

体系及装备系统。

(2)通过煤自燃指标气体研究，建立煤自燃预测预报指标气体体系。

(3)针对矿井实际，提出矿井内、外因火灾的防灭火技术措施和方案,

包括预防、监测预警与早期防灭火、及应急方案等。

(4)火区管理和防灭火管理制度。

因此，矿井防灭火专项设计是涉及防灭火系统装冬、技术措施方案、

管理的综合设计。

0.2设计依据

依据煤矿防灭火相关技术规范、煤层自燃危险性分析结果，以及性能

化设计以及系统工程原理，开展本设计。依据的相关规范及技术资料有：

(1)《煤矿安全规程》(2016版)

(2)《矿井防灭火规范》(2015版)

(3)《矿井密闭防灭火技术规程》(AQ1044-2007)

(4)《煤矿采空区阻化汽雾防火技术规范》(MT/T699/997))

(5)《煤矿防火用阻化剂通用技术条件》(MT"700-1997)

(6)《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT/T701/997)

(7)《煤矿注浆防灭火技术规范》(MT/T702/997)

(8)煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法(AQ/T1019)

(9)矿井均压防灭火技术规范(MT/T626)

(10)煤矿自然发火束管检测系统通用技术条件(MT/T757)

(11)《煤矿井下洒水、消防设计规范》(GB50383.2006)

(12)《煤炭工业给水排水设计规范》(MT/T5014/996)

(13)《煤炭工业矿井设计规范》(GB50215-2015)

(14)《煤炭工业矿井监测监控系统装备配置标准》(GB50581-2010)

(15)《矿井密闭防灭火技术规范》(AQ1044-2007)

5

(16)矿井设计文件以及生产过程中的相关技术资料

6

第1章矿井概况

1.1位置与范围

神木市大柳塔东川矿业有限公司（以下简称“东川煤矿”）井田位于

陕北侏罗纪煤出神北矿区，大柳塔井出东南、大海则井出的东北角，其距

神木市约35km,行政区划隶属陕西省神木市大柳塔试验区管辖，井田位置

本区交通方便，西距包（头）〜神（木）铁路及S204省道约9km,大

柳塔至郭家湾矿区公路由整合区南侧通过。

7

神木市大柳塔东川矿业有限公司为神木市大柳塔试验区乌兰色太村办

煤矿和神木市大柳塔试验区特麻沟蜂窝渠煤矿整合煤矿，井田东西长约

4.0km,南北宽约4.5km,面积约IL2303km2。整合区内可采煤层3」、5-2±>

5・2煤层，资源量为120.18Mt,可采储量69.62Mto矿井设计生产能力

1.50Mt/a,设计服务年限为33.2a。

区内东西向沟谷发育，总体呈向东逐渐降低的斜坡，最高处位于西北

角之山梁，海拔1240m,最低处位于东南之悖牛川河谷，海拔1070m,相

对最大高差170m。

1.2地质构造

井田构造形态为一倾向南南西、走向北北西的单斜构造，地层产状平

缓，倾角小于1。，未发现大的断层，无褶皱，也无岩浆侵入，仅有一些宽

缓的波状起伏。

东川煤矿地质构造简单，矿井在井筒建设、井下巷道、碉室以及工作

面推进等施工过程中暂未遇到断层，煤层倾角在1。左右，总体呈向北东、

倾向南西的单斜构造，煤层开采条件良好。

东川煤矿含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，巷道掘进过程中未

发现断层，无岩浆岩侵入和喷发活动，依据煤矿地质工作规定中划分原则，

本煤矿地质构造复杂程度划分为简单C

13煤系地层与煤质

东川矿业有限公司整合区范围内可采煤层3层，分别为3/、5-2上、51

煤层。3」煤层为大部可采煤层，5立上为局部可采煤层，5口煤层为全区可采

的主要可采煤层。各煤层层位稳定，结构简单至较简单，可采煤层总厚度

为7.40〜10.88m,一般为9.50m左右。

13.1煤系地层

矿区地面广泛覆盖着现代风积砂及第三系红土层、第四系黄土层，属

掩盖区，地层仅在河流两岸和沟谷中有出露。

矿区开采煤层属陕北侏罗纪煤田一部分，侏罗系中统延安组含煤地层

8

(J2y),可将含煤岩系划分为五个中级旋回，自下而上划分为I〜V岩段,

含5〜1号煤组。由于后期风化剥蚀，整合区内未保留延安组第四段大部、

第五段地层。自下而上分段叙述如下：

①延安组第I段(J2yl)

本组地层区内未出露。据东川矿业有限公司井田勘探资料，本段厚度

平均在31m左右，岩性主要为灰白色细〜中粒砂岩，含5号煤组(51上、

5・2煤层)。51煤层全区可采，5々上局部可采。

②延安组第H段(J2y2)

本组地层区内未出露。本段厚度60.34〜66.07m,总的趋势是北薄南厚。

地层以砂泥岩为主，含4号煤组，4汽4人4"煤层均不可采。

③延安组第III段(J2y3)

本组地层在区东北悖牛川河西岸，东北部和中部的乌兰色太沟和南部

黑塔兔沟及测面的小沟里断续出露，局部地段遭受冲刷剥蚀，厚度

57.64-75.10m,岩性以砂泥岩为主，中上部含3」煤层，基本全区可采。

④延安组第IV段(J2y4)

本组地层在整合区东北部的乌兰色太沟沟头有出露，其上部多遭受剥

蚀，残存厚度。〜33.41m,平均24.36m。岩性以砂、泥岩为主。

13.2煤层

整合区范围内延安组共含煤层5层，分别为3"、4;、牛3、4弋5-2煤层。

可采煤层3层，分别为3“、5-2上、5口煤层。3」煤层大部可采，5以上局部可

采，51煤层为全区可采的主要可采煤层。可采煤层总厚度为7.40〜10.88m,

一般为9.50m左右。含煤性南部较北部好，规律性明显。

①3”煤层

位于延安组第三段的顶部，在整合区的东北沉积尖灭，北部沿沟谷遭

受剥蚀，西南原来小煤矿区域大部分被采空，剩余可采部分现分布干整合

区的中北部，面积3.226km2o可采区内煤层厚度0.8m〜1.92m,平均厚度

1.38m。煤层厚度变化总体自东北向西南逐渐变厚，规律性明显。

埋深在0m到48.90m,底板标高变化在1135〜1160m之间。

煤层结构简单，基本不含有夹肝，局部含有一层夹肝。

9

煤层顶板以砂质泥岩、粉砂岩为主；底板以粉砂岩为主。

该煤层为薄〜中厚煤层，局部可采，厚度变化较大且规律明显，结构

简单，属较稳定型煤层。

煤类以不粘煤为主，煤类单一。

②5-2煤层

5-2煤层位于延安组第一段顶部（南部分岔区位于第一段上部），为全

区可采煤层。可采面U.2297km2。

5-2煤层在区内东南角分岔，上分层为51」煤层，下分层为51煤层；复

合区内煤层厚度6.39m~9.18m,平均厚度8.09m,煤层厚度由北向南逐渐变

厚。在分岔区内煤层厚度1.25m~2.08m,平均厚度1.48m,煤层厚度西薄东

厚，一般含一层夹砰，一般厚0.20m,岩性以粉砂岩为主。

煤层埋深43.72~185.23m。底板标高变化在995~1030m之间，煤层顶

板以泥岩、粉砂岩为主；底板以粉砂岩为主。

该煤层总体为厚煤层到特厚煤层，全区可采，厚度变化缓慢且规律明

显，结构简单，属稳定型煤层。

煤类以不粘煤为主，煤类单一。

③51上煤层

5々上煤层是煤层分岔后的上分层，整合区范围内可采面积L544km2。

煤厚6.4g〜7.50,平均厚7.12m,煤层厚度西厚东薄。

煤层埋深34.40〜40.10m,底板标高1000〜1035m。

该煤层不含夹肝，结构简单。

煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主；底板以粉砂岩为主。

该煤层总体为特厚煤层，全区可采，厚度变化缓慢且规律明显，结构

简单，属稳定型煤层。

煤类以不粘煤为主，煤类单一。

10

图1.2岩煤层柱状图

13.3可采煤层煤质

井田内可采煤层均以不粘煤为主，煤质优良，特低灰、特低磷、特低

硫、低水分、中高发热量、高挥发分。

煤的物理性质及煤岩特征：

各煤层以黑色、条痕褐黑色，暗淡光泽为主，次为弱沥青光泽。参差

状断口为主，部分阶梯状及贝壳状断口。煤层内生裂隙8-10条/5cm。5-2

上煤层细线理状，51煤层线理状结构，水平层状结构。煤的视密度综合平

均值1.31g/cm3滇密度1.40g/cn?左右，煤的硬度2.50,空隙率12.7%。

煤岩成分以暗煤、亮煤为主，夹镜煤条带或透镜体，3」煤局部地段镜

煤厚度可达6cm,丝炭沿层面呈长条带状或透镜体分布，厚约1〜3mm。5-2

上及5」煤层中部含有褐黑色菱铁质鲍粒，直径1〜3mm，其密度3.7〜4.0g/cm3,

局部聚集成层，厚度一般5cm左右。

宏观煤岩类型：3“煤层以半暗煤为主，次为半亮煤；5］」煤以半暗煤

为主，部分半亮煤；51煤层以暗淡煤为主，次为半暗煤。

本区煤属于I煤化阶段，即低煤化度烟煤。

煤的化学性质：

表1.1原煤煤质指标一般分析统计表

H

煤MadAdVdafSt,dQgr.d焦渣

ARD

层(%)(%)(%)(%)(MJ/kg)特征

7.42~10.7532.72~37.930.27~0.29

3-'5.89(1)30.96(1)2(2)1.31(1)

9.08(2)35.32(2)0.28(2)

5々上9.69(1)6.63(1)37.88(1)0.45(1)30.96(1)2(1)1.31(1)

7.51〜10.734.75~6.8932.71~37.33().21〜0.6130.09〜31.2()1.30〜1.32

5二2(12)

9.02(12)6.06(11)35.14(12)0.38(12)30.61(11)1.31(5)

(1)空气干燥基水分(Mad)、最高内在水分(MHC)

各煤层原煤空气干燥基水分为7.42-10.75%,综合平均值9.02969%之

间。

3/煤层最高内在水分为8.6%05?煤层最高内在水分为9.00-11.20%,

平均值10.20%。水分偏高反应出低价煤的基本特征。

(2)灰分产率(Ad)

3」和5-2煤层灰分平均值分别为5.89%和6.06%,灰分标准差为0.64,

根据《煤炭质量分级.第一部分灰分》标准，均属于动力煤的灰分产率变化

小的特地灰分煤。

(3)挥发分(Vdaf)

各煤层原煤挥发分在32.71-37.93%之间，综合平均值为35.14-37.88%,

浮煤挥发分在32.68-37.68%之间，综合平均值为34.30-37.68%,属于高挥

发份煤。

(4)固定碳(FCd)、燃烧比

固定碳的高低是评价动力用煤和气话用煤质量的一个重要指标，燃烧

比是表征煤化程度的指标。各煤层固定碳含量在58.00-60.93%之间，属于

中等固定碳煤。燃料比在1.64-1.85,表征煤的煤化程度低。

1.4瓦斯

根据陕西省煤炭科学研究院神木市煤矿技术服务中心出具的《陕西省

神木市大柳塔东川矿业有限公司矿井瓦斯等级鉴定报告》(2020年)显示:

矿井瓦斯绝对涌出量1.24m3/min,相对涌出量OSlrrP/t；矿井二氧化碳绝

对涌出量5.76m3/min,相对涌出量2.36m3/t；采煤工作面最大瓦斯绝对涌

出量0.3()m3/mino掘进工作面最大瓦斯量绝对涌出量0.1lm3/min。根据《煤

12

矿安全规程》第一百六十九条及《煤矿瓦斯等级鉴定暂行方法》第十条规

定，矿井同时满足：“矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t,矿井绝对瓦

斯涌出量小于或等于40m3/min,矿井各掘进工作面绝对瓦斯量小于或等于

3m3/min,矿井各采煤工作面绝对瓦斯涌出量小于或等于5m3/min的矿井

为低瓦斯矿井”的标准。鉴定结论：神木市大柳塔东川矿业有限公司属于低

瓦斯矿井。

1.5地温、煤层自燃与煤尘

井田勘探资料表明，区内地温梯度最大2.9℃/100m,最小为

0.84℃/100m,平均地温梯度1.53℃/100m。区内地温正常，无地热灾害。

根据东川煤矿样煤自燃倾向性（《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》，

GB/T20104-2006）鉴定结果，本区各主采煤层干燥无灰基挥发分（Vdaf）>

18%,测试煤的吸氧量Vd>0.70cm3/g,均属I类容易自燃煤层。

表L2煤的自燃倾向等级汇总表

氧化样燃点原煤样燃自燃倾向Vdaf/%

煤层

（℃）点（℃）ATi-3℃等级（挥发分）

34637630容易自燃37.93

5-236738114容易自燃37.33

东川煤矿现开采的57煤层经2014年5月27日陕西安技煤矿安全装备

检测有限公司检测，鉴定5"煤属I类容易自燃，有发生内因火灾的可能性。

根据矿井煤层自然发火期预测报告，5子煤最短自然发火期为45天，自然发

火可能性大。

3-1及5-2煤层煤尘爆炸性测试的火焰长度均大于为00mm，抑制煤尘爆

炸最低岩粉用量在75—90%之间，均属于爆炸性危险的煤层。煤的干燥无

灰基挥发份（Vdaf）与固定碳（FCdaf）之比（爆炸性指数）远远大于10%

的界限。表明本区各煤层均有煤尘爆炸危险性。

13

1.6开拓方式与采煤方法

1.6.1开拓方式

矿井初期开采51煤层，采用单水平斜井开拓方式。共布置三条井筒，

分别为主斜井、副斜井、和回风斜井。

(1)主斜井井口标高+1076.88m,倾角16°,斜长224.2m,净宽4.0m,

表土层混凝土砌硝，砌砧厚度350mm,基岩段采用锚网喷支护，支护厚度

l()0mm。。其内铺设1200mm宽胶带输送机，承担传送原煤任务，兼作进

风井和安全出口，井筒内敷设排水、压风和井下消防洒水管路。

(2)副斜井为辅助运输斜井，井口标高+1076.65m,净宽5.2m,表土

层为混凝土砌碗，砌能厚度450mm,基岩段采用锚网喷支护，支护厚度

150mm。倾角5.5°,斜长568.5m。井筒内底板铺250mm厚混凝土，便于

运行无轨胶轮车，承担井下辅助运输任务，兼作进风井和安全山口，井筒

内敷设井下消防洒水管路及照明通信电缆一趟。

(3)回风斜井井口标高+1077.35m,净宽4.0m,表土层为混凝土砌

51,砌帽厚度350mm,基岩段采用锚网喷支护，支护厚度100mm。倾角

20°,斜长173.7m。主要承担矿井回风，并兼作安全出口。

矿井设一个水平进行开采，水平标高+1020.0m,副井井底附近设有管

子道，水泵房、水仓与变电所等碉室，消防材料库胴室、永久避难碉室等

碉室。

162采煤方法及采煤工艺

1)采煤方法：

倾斜长壁后退式采煤方法，全部垮落法管理顶板。

2)采煤工艺

矿井一盘区采用分层综采铺底网工艺，采用液压支架支护，双滚筒采

煤机割煤，依次有刮板输送机、破碎机、转载机、皮带运输机实现落煤、

装煤、运煤、支护、回采过程的综采工作面作业系统。

(1)落煤方法

用双滚筒采煤机双向割煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤。

14

（2）采煤机进刀方式

工作面端头斜切进刀。

（3）移架方式

当采煤机运行速度小于5m/min,利用单架顺序移架。当采煤机运行速

度大于5m/min,采用分段单架顺序移架，正常情况下，移架滞后后滚筒5m,

过地质构造带和周期来压期间，移架紧跟滚筒。

（4）推溜方式

采用顺序推溜方式，推溜滞后采煤机后滚筒不小于17m。

1.7矿井通风

本矿井通风系统为中央并列式，通风方法为机械抽出式，主副斜井进

风，回风斜井回风。

根据井下巷道布置，矿井上分层工作面通风系统为：

主斜井（副斜井）―胶带运输机大巷（辅助运输大巷）一盘区集中胶

带运输机大巷（辅助运输大巷）一上分层工作面运输顺槽（辅运顺槽）一

上分层综采工作面一上分层工作面回风顺槽一盘区集中回风大巷一总回风

大巷一回风斜井一地面。

矿井下分层工作面通风系统为：

主斜井（副斜井）―胶带运输机大巷（辅助运输大巷）一盘区集中胶

带运输机大巷（辅助运输大巷）一中部车场一下分层胶带运输顺槽一下分

层综采工作面一盘区集中回风大巷一总回风大巷一回风斜井一地面。

掘进通风及胴室通风：

矿井掘进工作面采用局扇压入式通风方式。

井下独立通风胴室主要为中央变电所，其他个别洞室其长度小于6m

时，可采用扩散通风。

1.8矿井周边煤矿与历史发火情况

东川煤矿北邻神东煤炭分公司大柳塔煤矿，已于1996年元月正式投产,

为一年产超千万吨的特大型现代化生产矿井，以平碉方式采用综合机械化

15

采煤。矿井西侧大海则煤矿已于1999年正式投产，为年产IMt,以平洞开

拓、房柱式开采与综合机械化采煤相结合。

煤矿东部与榆林神华郭家湾煤矿相邻，南部与神木市大柳塔试验区水

井渠煤矿和神木市大柳塔试验区海鸿煤矿相邻，西部与神东天隆集团有限

责任公司大海则煤矿相邻，北部与中国神华股份有限公司大柳塔煤矿相邻。

神木市大柳塔东川矿业有限公司东川煤矿未发生过煤层自燃现象。

16

第2章矿井火灾危险性分析

本井田有多层可采煤层，赋存稳定，无大的构造破坏，水文地质条件

简单。但开采煤层容易自燃，煤层埋藏浅，存在地表漏风现象，自燃危险

性增加。

1）该矿主采5-2煤，自然发火期为45天，自燃倾向性为I类，容易自

燃。

2）上分层开采沿顶板掘进，回采率较高，平均为95%,采空区遗煤较

少；

3）下分层和上分层采用内措施布置，预留保护顶煤50cm,5104面上

下进风内错约2m,回风内错约5m；

4）开采煤层距离地表40-150m左右，开采期间地表形成裂隙；

5）工作面平均配风量5190m3/min,矿井负压762.3Pa；

综上所述。矿井的主要煤自燃危险区域为：（1）下分层开采期间采空

区；（2）巷道掘进期间的上、下错巷破碎煤柱。

2.1采空区自燃危险

东川煤矿现开采的5-2煤层5107卜分层工作面，本工作面开采煤层厚

度自东北向西南逐渐变厚，厚度区间范围在6.39m〜8.26m之间，回采区域

自切眼开始0~800m回采采高控制在3.7m范围内，800〜1696m回采高度

控制在4.0m范围内，保证下分层回采厚度不低于2.8m。5107上分层综采

工作面面长280m,推进度长度1696m。其上下分层工作面基本对应，下分

层工作面略小于上分层。下分层工作面两顺槽分别在上分层顺槽下并略有

收缩，下分层开切眼和停采线均位于上分层对应的切眼和停采线以内。

接续面为5108上分层工作面和5104下分层工作面，实行上下分层配

采。

东川煤矿上分层采煤工作面推进速度，每天平均推进4.8m左右，大于

工作面自燃的最小推进度，在仅开采上分层情况下，由于能够很快使采空

17

区遗煤进入窒息带，煤层自燃危险性很小。但是，当开采下分层时工作面

时，由于顶部采空区长期漏风，并且顶部工作面局部煤层加厚及顺槽、切

眼等部位煤帮片帮处遗煤较多，有顶部采空区自燃危险。

2.1.1上分层5107工作面采空区自燃危险性

（1）进行分层开采时，上分层顺槽一般沿煤层顶板布置，工作面沿顶

板开采。上分层工作面采空区遗煤很少，一般仅煤柱侧留下的片帮煤，也

就是说上分层工作面仅开切眼、停采线和工作面顺槽位置，存在松散煤体,

有自燃危险。

（2）采煤工作面切眼、停采线、顺槽位置（即所谓的“O形圈”范围），

由于受煤柱支撑，以及锚杆支护作用，其冒落不严，形成比较顺畅的漏风

通道，为自燃提供了较好的供氧条件。

（3）东川煤矿现开采5-2煤实际自然发火期约为45天，为易自燃煤层。

采下分层时，上分层在开采过程中煤炭经过二次氧化，其自燃性更强，其

温度已经有所升高，其自然发火期将有明显缩短，自燃危险性增加。

2.1.2下分层5104工作面采空区自燃危险性

（1）下分层工作面开切眼位置位于上分层切眼以内。由于设备安装时

间较长，下分层工作面与顶部采空区间，在投产前可能已经沟通，使采空

区漏风加大，有可能引起自燃。

（2）下分层工作面顺槽位于上分层采空区顺槽正下方，在顺槽巷道施

工过程中，有可能与顶部采空区之间产生漏风裂隙，顶部采空区遗煤经过

长期氧化后有自燃危险。

（3）下分层工作面回采期间，顶部煤柱破裂，产生的裂隙与上分层采

空区及其邻近采空区间沟通，顶部采空区“O形圈”范围自燃危险性大。

（4）下分层工作面停采线位于上分层停采线内，距上分层停采线约

2nio在停采撤架期间，下分层工作面一直会向上分层采空区漏风。撤架及

工作面封闭时间累计需要一个月左右，在此期间顶部采空区自燃危险性较

大。因此应重点预防停采线处顶部采空区煤层自燃。

18

2.2巷道周边煤层自燃危险性

(1)东川煤矿煤层厚度稳定、硬度大，地质构造相对简单，一般情况

下巷帮不易破碎，巷道自燃危险性小。

(2)巷道交叉点等位置，容易发生应力集中引起煤岩破碎。当煤岩破

碎、变形严重时，碎煤经过长期氧化就有可能引起自燃。

(3)当存在地质构造或工程设施引起应力集中时，煤柱中可产生大量

裂隙，可能会贯穿煤柱，裂隙漏风可能引起煤自燃。

(4)当存在通风构筑物时，巷道通风风阻发生变化，致使局部巷道裂

隙等漏风加大，自燃危险性也相应增加。

23外因火灾

东川煤矿井下一般测不到瓦斯，地层中的油气着火可能性不大，但井

下有其它可燃物。矿井下其它外因火灾按可燃物分类包括：

(1)井下存储的油脂类等易燃易爆材料；

(2)木材等可燃物；

(3)电缆、通讯线路、管路及胶带等存储的可燃物；

(4)胶带输送机胶带等可燃物；

(5)井下动火(电焊)。

存放上述材料的位置需要预防外因火灾。按照引火源类型可分为机械

磨擦起火、电气火灾、电火花及人为火灾等，需要从点火源消除外因火灾

危险。

井下外因火灾中，皮带、电气及动火(电焊)火灾是外因火源重点。

外因火灾防治主要从应用阻燃材料，监测监控和管理等方面入手。

19

第3章煤层自然发火预测预报指标体系

煤层自燃预测预报指标，是通过气体监测、温度测定等方法判断自燃

现状，预测煤层自燃发展趋势的重要依据。自燃预测预报指标，包括气体

指标和温度指标。标志气体是指由于自然发火而产生或因自然发火而变化

的，能够在一定程度上表征自然发火状态和发展趋势的火灾气体，主要包

括co、烷燃气体、烯燃气体和焕煌气体等。

3.1温度与指标气体对应关系实验结果

3.1.1实验煤样的选取

煤样选自神木市大柳塔东川矿业有限公司5々煤层5106综采工作面。

3.1.2实验煤样实验结果

一般情况下，煤的自然发火经历了三个不同的发展阶段，即缓慢氧化

阶段、加速氧化阶段和激烈氧化（即燃烧）阶段，不同氧化阶段的温度范

围和产生的气体产物种类与浓度是不一样的，据此可判断煤自燃的进展并

预测其发展趋热。通常情况下，可用于预报煤自然发火进程的自燃标志性

气体包括CO、CO2、C1-C4烷煌、C2-C3烯燃及C2H2等，可通过实验测定各

气体产生规律，再结合实际情况，预报煤自燃的进展。

图3.1程序加热升温实验流程图

20

实验装置如图3.1所示，在一个直径10cm,长22cm的钢管中，装入

煤量1kg,为使通气均匀，上下两端分别留有2cm左右自由空间(采用100

目铜丝网托住煤样)，然后置于利用可控硅控制温度的程序升温箱内加热,

并送入预热空气，采集不同煤温时产生的气体。当温度达到要求后，停止

加热，打开炉门，对装置进行自然降温。最后，对不同煤温时采集的气体

进行气体成份分析及含量测定。

煤样采自东川煤矿。将原煤样在空气中破碎并筛分出粒度为：0〜0.9mm、

0.9~3mm、3~5mm、5~7mm和7〜10mm的五种煤样，并用5种粒度煤样各

200g组成混合煤样，分别进行程序升温自燃性实验。

实验条件如表3.1：

表3.1程序升温箱煤样加热升温实验条件

编粒径装煤高煤重煤体积容重空隙率流量升温速度

号

(mm)(cm)3(cm3)(g/cm3)(%)(ml/min)(*C/min)

1#0-0.90.6310001593.550.630.571200.3

2#0.9-30.5810001711.300.580.581200.3

3#3〜50.5910001695.600.590.581200.3

4#5-70.5910001703.450.590.5812003

5#7-100.6210001624.950.620.5612003

6#混样0.6910001452.250.690.511200.3

煤样升温过程中生成气体的规律是：各气体生成量随着煤温上升而逐

渐增大，但不同的氧化气体组分所表现出来的生成规律在量值和生成顺序

上有较大的差别。

3.1.3煤升温过程中气体产生规律

1)CO气体产生规律

co是煤氧化过程中出现最早的氧化气体产物，并且贯穿于整个氧化过

程中都有co产生。co气体发生浓度与煤温之间表现为单调递增的变化，

如图3.2所示。

21

9000

—1*(8.9)

-*-23(0.9-3)

3*(3・5)

4"(5-7)

-*-5#(7-10)

-6=(混样)

0-----------1-**•~~*~~"»-■—-------1---------1------------------1---------

020406080100120140160180

温度/℃

图3.2不同粒径煤样CO浓度与温度关系曲线

可以看出，煤样在空气中常温下就有CO产生。随煤温的升高，CO产

生浓度一直增大。CO浓度与温度之间大致呈指数关系递增。在70〜80℃之

前，CO增加速度较慢，高于此温度时其增加变得十分明显，说明煤自燃临

界温度在70〜80℃之间。

在低温阶段，CO浓度随粒度的减小而增大的趋势表现得不是很明显，

但是在高温阶段即温度大于90℃时，这种趋势比较明显。说明在升温实验

中，随着煤样粒度的减小，煤与氧气接触的表面积逐渐增大，煤氧复合作

用越剧烈，产生的CO量也越大。

2）CH4产生规律

根据实验结果，绘制的CN浓度随温度升高而变化的规律如图3.3。从

图可以看出，在实验起始温度（约30℃）即有少量CH4气体产生。随温度

不断升高，CH4产生量不断增大。这说明CH4低温下是脱附产生的，而高

温下又有大量分解产生的CH4气体。

因此，当煤温升高时，要采取措施防止大量产生的CH4气体聚集而引

起爆炸的危险。

22

70

—1»«0.9)

60-^2#(0.9-3)

5o3#(3-5)

d日—4=(5-7)

d―*—5#(7-10)

/4o

«-6=(混样)

珏

寸3o

OH

2O

020406080100120140160180

温度/C

图3.3不同粒径煤样CH4浓度与温度关系曲线

3）炫类气体（C2H4、C2H6）产生规律

煤自燃过程中会生成大量炫类气体，主要是C