滕东煤矿半孤岛工作面防灭火技术研究本科学位论文.docx

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滕东煤矿半孤岛工作面防灭火技术研究本科学位论文

毕业设计（论文）

题目滕东煤矿半孤岛工作面防灭火

技术研究

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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8）致谢

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5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

我国煤炭自燃火灾十分严重,在开采煤层中大约有50%的矿井存在自然发火危险，据统计我国煤矿自燃火灾约占矿井火灾的70%。

近年来我国广泛采用综采放顶煤开采技术，使开采效率大幅提高，但这种采煤方法采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，使得自燃火灾发生频繁。

本文首先细致分析了煤炭自燃发火的基本理论，包括自然发火的影响因素、早期识别与预防以及其防治技术；再结合滕东煤矿概况及其半孤岛工作面自然发火情况找出火灾隐患点并且采取一定合理的防灭火措施；最后，通过对工作面的温度和相关火灾指标气体的监测判断所采取的防治措施是否起到了作用。

在现场采取注浆、注胶、设隔离墙等防灭火措施前后，分别经温度传感器和取样束管获得有关温度和火灾指标气体的数据，再利用Excel软件绘制出温度和煤炭自燃的标志性气体的浓度变化曲线，经分析发现与所研究工作面相邻的采空区的指标气体CO浓度的平均值由97.5ppm降低到20.5ppm，乙烯值恒为0，平均温度降低了4℃；另一方面所研究的工作面的CO和乙烯一直为0。

综上说明本技术方案在半孤岛工作面防灭火方面取得了良好的效果，具有重要的实际应用价值。

关键词：

煤矿，半孤岛，火灾，防治

ABSTRACT

Thesituationofourcountry’scoalspontaneouscombustionfireisveryserious.Therearealmost50%oftheexistingminesinminingcoalseam,whichareinthespontaneouscombustiondanger.Accordingtostatistics,Chinesecoalspontaneouscombustionfireaccountedforabout70%oftheminefire.Inrecentyears,fullymechanizedcavingminingtechnologyiswidelyusedinChina,anditmakestheminingefficiencygreatlyimproved.However,thismethodleadstotheaccumulationofresidualcoalingoaf,thehigherofthebadlybleeding,andmakesairleakageserious,thespontaneouscombustionfirehappenfrequently.

Firstlt,thearticlecarefullyanalysesthebasictheoryofthecoalspontaneouscombustion,includingtheinfluencingfactorsofthenaturalcombustion,earlyrecognitionandpreventionanditscontroltechnology;ThencombiningthefundamentalstateofTengDongcoalmineandthespontaneouscombustionconditionsofthesemi-isolatedisland,wecanfindthehiddenfiredangerpointandtakesomereasonablemeasurestocontrolthefire;Finally,accordingtothemonitoringoftheworkingtemperatureandrelatedfiregas,wecanjudgewhetherthepreventionmeasureswork.

Duringtheperiodofgrouting,plasticinjectionandsettingupthewallinthefield,wecanacquiresomedatesoftempetureandrelatedfiregasbythetemperaturesensorandthesamplebeamtube.ThenusingExcelsoftwaretomapoutthetemperatureandtheconcentrationcurveofindexgasofthecoalspontaneouscombustion.Throughthediagramsandtables,theanalysisfindsthattheaverageconcentrationofcarbonmonoxideastheindicatorgasofthegoafadjacenttotheresearchface,reducesfrom97.5ppmto20.5ppm,theconcentrationofethyleneisalways0andthemeantemperaturedecreases4℃.Ontheotherhand,theconcentrationofcarbonmonoxideandethyleneoftheresearchfaeisalways0.Insummary,thestatisticalresultscanillustratethatthetechnicalsolutionsachievesgoodresultsinsemi-isolatedislandface,andhasimportantpracticalapplications.

Keywords：

Coalmine,Semi-isolatedisland,Fire,Control

目录

1绪论1

1.1课题的提出1

1.2国内外研究现状2

1.3研究思路与方法4

2煤炭自然发火基本理论6

2.1煤炭自然发火影响因素6

2.2煤炭自然发火早期识别与预防12

2.3煤炭自然发火防治技术19

2.4本章小结31

3滕东煤矿半孤岛工作面自然发火防治技术32

3.1半孤岛工作面自然发火特点32

3.2滕东煤矿概况33

3.33下105半孤岛工作面自然发火防治技术43

3.4本章小结54

4应用效果分析55

4.1温度监测记录55

4.2指标气体监测记录59

4.3本章小结69

5主要结论70

参考文献72

致谢74

附录75

1绪论

1.1课题的提出

矿井火灾是指矿井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，是煤炭生产中的主要自然灾害之一[1]。

中国的煤炭储备主要集中在北方的干旱地带上，煤炭产区主要有新疆、陕西、内蒙古等地区，煤炭储备量约5.1万亿吨，约占全国煤炭资源总量的91.12%。

在总的矿井火灾总数中，外因火灾占比重一般为10%左右，但危害很大，剩余的90%为内因火灾，内因火灾多由煤炭自燃引起。

我国煤炭自燃火灾于分严重,在开采煤层中大约有50%的矿井存在自然发火危险，据统计我国煤矿自燃火灾约占矿井火灾的70%，一些自然发火严重的矿区,如充州抚顺鹤岗窑街义马淮南六枝等其自然发火占矿井火灾次数的90%以上。

近年来我国广泛采用综采放顶煤开采技术，使开采效率大幅提高。

但这种采煤方法采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，使得自然火灾发生频繁。

煤炭作为我国的主要能源，在国民经济能源结构中占据很重要的位置。

矿井火灾是煤矿重大灾害之一，一方面矿井火灾不仅烧掉大量的资源、材料和生产设备，而且由于要封闭火区，严重破坏了煤矿正常的生产秩序；另一方面燃烧消耗了风流中的氧气，使风流中的氧气体积分数下降，同时产生大量的热能、有毒气体和粉尘，严重污染环境。

矿井火灾的发生又是矿井瓦斯与煤尘爆炸的火源之一，我国矿井近年来发生的瓦斯爆炸的诱发原因其中之一就是煤炭自燃火灾。

而煤层自燃火灾防治是一项复杂的系统工程,它不仅要求矿井有合理的开拓系统和开采方法、合理的矿井采区和工作面通风系统可靠的专项防治措施和管理制度,还必须掌握相应的防灭火技术、具有完善的防灭火系统及装备,才能得以保障矿井的安全生产。

因此，本文主要研究煤矿火灾的辨识和控制技术，这对于煤矿的安全生产和安全管理工作具有于分重要的意义。

通过对煤矿所存在的火灾隐患进行细致地分析，研究相应的控制技术。

并根据所研究出的控制技术，对煤矿生产现场所存在的火灾隐患进行迅速地分析以及进行有效地预防和控制，确保煤矿生产的安全、有序、高效进行，实现企业的产业目标，创造经济效益，促进社会发展。

此项研究对我国煤矿生产企业在生产活动中进行有效的安全管理，防治火灾，提高生产效率，具有非常重要的实践意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

煤炭自燃是我国煤矿开采过程中的主要自然灾害之一，不仅威胁井下作业人员的生命安全，而且影响生产的正常进行、冻结大量煤炭资源、造成采矿设备的损失。

据统计，我国统配和重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占47%。

另据不完全统计和实践表明，矿井自然发火占发火总数的94%，其中采空区自燃占内因火灾的60%。

尽管当前矿井防灭火技术有了很大的发展，但是仍然难以杜绝煤炭自燃火灾事故的发生。

在矿山火灾的分类辨识方面，我国的研究人员根据发生的地点不同,可分为地面火灾和井下火灾；按一次火灾所造成的人员伤亡、受灾户数和财物损失金额,可划分为特大火灾、重大火灾和一般火灾；根据火灾发生的原因,可分为外因火灾和内因火灾。

外因火灾是指由于外来热源,如明火、爆破、瓦斯煤尘爆炸、机械摩擦、电路短路等原因造成的火灾；内因火灾是指由于煤炭或其他易燃物在一定的条件和环境下自身发生自身氧化积热，发生燃烧引起的火灾。

在矿山火灾的预控方面，主要有以下措施和方法：

1.煤炭自燃早期识别与预报：

（1）指标气体分析法。

煤炭自燃指标气体是指能预测和反映其自燃发火状态的某种气体，这种气体的产率随煤温的上升而发生规律性的变化。

（2）测温法。

测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测以发现煤层发火危险程度的预报方法。

此方法可以直观地了解煤层的温度及其发火程度，对火灾预报有重要的意义。

（3）示踪气体法。

利用

等热稳定性较好的示踪气体测定采空区漏风量的技术已经成功应用。

（4）测氛法探测火源位置。

2.内因火灾的预防及适用条件：

（1）开拓开采技术措施。

其中包括合理的进行巷道布置、坚持正规开采和合理的开采顺序和减少煤体破碎；

（2）防止漏风；（3）均压防灭火。

其中又包括开区均压和闭区均压；（4）预防性灌浆；（5）阻化剂；（6）惰性气体；（7）凝胶；（8）三相泡沫。

3.矿内灭火。

（1）直接灭火。

其中包括水灭火、泡沫灭火、水淹灭火、挖除火源、注浆灭火；

（2）风流控制和隔绝灭火。

风流控制的方法有短路法、调压法、全矿反风、局部反风。

常用密闭来隔绝灭火。

1.2.2国外研究现状

70年代末，德、英、法、波、原苏联等国先后研究并推广应用了采空区巷旁充填材料、工艺及系列设备。

英国的TekPacking高水速凝充填料，相应的井下制浆泵输送设备及采空区巷旁袋装充填工艺；原苏联东方研究所的洗煤厂尾矿地面制浆泵送下井，混合速凝水泥充填工艺；日本、波兰的粉煤灰、水泥地面制浆泵压下井，采空区巷旁袋装充填工艺；英国的轻质发泡水泥浆充填及发泡水泥砌块隔墙堵漏风等。

国外最先采用氮气防灭火是在西德进行，1974年西德首先采用大量气体注氮防灭火，其后法国、英国、波兰、苏联等主要产煤国也都先后采用了氮气防灭火方法。

国外（如德国、英国）已将其列为扑救井下火灾的一种标准方法，德国在80年代研制了移动式制氮装置，这些装置可快速运到任何地点的矿井使用。

近年来德国、英国、法国地面移动式制氮设备的产氮量达1200

，产氮量在5000

的设备在研发中。

惰泡防灭火是70年代兴起的防灭火技术，进入80年代以来，前苏、法等主要产煤国家开发了惰气泡沫压注技术防治采空区浮煤自燃，取得了较为显著的成效，该技术能起到降温，减少漏风，降低采空区氧浓度等作用。

但惰泡在碎煤中压注，发泡性能很差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，且有效率太低。

对己形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注泡量很大，且一旦停止注泡很易复燃。

1.3研究思路与方法

本文主要借助于毕业实习，通过广泛收集和整理资料、听从专业人员的讲解、联系实习实践并广泛参考相关文献，在指导老师的悉心指导下，综合运用自己所学的专业知识，采用理论与实践相结合的研究思路，对本课题进行研究。

依据相关资料和实习经历，并研究各种预控技术，及时预防和控制火灾事故的发生，尽量降低火灾事故所带来的损失，保护生命和财产的安全，确保煤矿企业安全、有序、高效的进行生产活动。

论文的研究技术路线图如图1.1所示：

2煤炭自然发火基本理论

矿井火灾事故，特别是自然发火事故，对煤矿安全生产的危害在某种意义上来说并不亚于瓦斯、煤尘爆炸事故。

煤炭自然发火与外因火灾相比，具有发生、发展缓慢并有规律的演变过程，可在他的初期发现。

但是，由于它大多数发生在人们难以达到的采空区、破裂的煤柱之内，所以，有时人们即使发现了自然发火征兆，也不容易找到真正的火源点；加之在自然发火初期，矿内空气温度、气体成分和湿度的变化都比较小，就更难以发现；一旦发现其外部征兆，煤炭自燃已发展到后期。

所以，自燃火灾对煤矿安全生产和矿工的生命的危害性更大。

2.1煤炭自然发火影响因素

自燃火灾形成的过程是许多因素综合作用的结果，但煤层的自燃性能是起决定性作用的因素，其它因素起加剧和增加危险程度的作用。

2.1.1影响煤炭自燃的内在因素

影响煤炭自燃的主要内在因素是煤的自燃性能，煤的自燃性能主要受下列因素影响[2]：

（1）煤的变质程度。

煤的变质过程伴随着煤分子结构的变化，煤化程度越高，煤体内含有的活性结构越少，所以煤的变质程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。

就整体而言，煤的自燃倾向性随煤的变质程度增高而降低，即自燃倾向性从褐煤、长焰煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小。

例如：

D.Chandra和Y.V.S.Prasad（1999）采用交叉点温度法对煤化程度的影响作用研究表明，随着煤化作用增大，煤的自燃性逐渐减弱。

彭本信，Ogunsola（1991）及戴中蜀（1999）等学者的研究发现随着煤化程度提高，煤的氧化放热量是按照褐煤>长焰煤>气煤>肥煤>焦煤>瘦煤>贫煤>无烟煤的趋势呈有规律的变化。

因而许多研究者以煤变质程度来判断自燃趋势。

局部而言，煤层自燃倾向性与煤的变质程度之间表现出复杂的关系，即同一煤化程度的煤在不同的地区和不同的矿井，其自燃倾向性可能有较大的差异。

（2）煤的粒度、孔隙特征和破碎程度。

完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能显著提高，这是因为破碎的煤炭不仅与氧气接触的表面积增大，而且着火温度也明显降低。

有人研究，当煤粒度小于1mm时氧化速率与粒度无关，并认为孔径大于10nm的孔在煤氧化中起重要作用。

根据波兰的试验，当烟煤的粒度直径为1.5～2mm时，其着火点温度大多在330～360℃；粒度直径小于1mm时，着火点温度可能降低到190～220℃。

因此，可以说，煤的自燃性随着其孔隙率、破碎度的增加而上升。

这也是煤矿井下自燃多发在粉煤及碎煤集中的地方的原因。

如采空区周围边缘地带，在垮塌的煤壁和受压破裂的煤柱等地方。

高桑功等（1977）研究认为：

煤的破碎性通常用硬球指数表示，硬球指数即是试验煤样与标准煤样在同一外力的作用下，其暴露的表面积之比值。

粒度越细，比表面积成指数的增大，粉碎后煤的传热性能大幅减弱，而氧化条件却变得有利，以氧化蓄热量

表示自燃性时，氧化蓄热量与比表面积S的关系可表示为：

=K

，随着煤粒度不同，煤粉碎前后之氧蓄热量为：

（2.1）

Schroder、松朴茂雄研究表明煤粒越小，自燃倾向胜越大：

Oreshko认为煤的低温氧化速率与煤孔隙的容积有关，而不是内表面积。

Schmidt[3]认为氧化速率与内煤粒外表面积的立方根成正比；Carpenter和Sergeant（1996）研究发现当煤粒径低于某个临界粒径（一般为138～387um）时，氧化速率基本与粒径无关：

Karsner（1981）的研究表明当粒径在0.84-2.78mm时氧化速率与粒径无关；Bouwman（1996）指出大孔在煤的氧化行为中占支配地位，空气的渗透为扩散控制；Kaji（1985）通过对不同变质程度的煤在30～250℃的氧化行为进行研究后，指出当煤粒度100埃的孔在煤氧化中起主要作用；A.Kucuk[4]（2003）等通过对土耳其褐煤实验研究，得出混合粒度煤样的氧化速率大于单一粒度煤样的氧化速率。

（3）煤岩成分。

煤岩成分对煤的自燃倾向性表现出一定的影响，但不是决定性的因素。

煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。

各种单一的煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤>亮煤>暗煤>丝煤的顺序递减。

具有纤维构造而表面吸附能力很高的丝煤在常温下吸氧能力极强，着火点低（仅为190～270℃），可以起到“引火物”的作用，含丝煤越多，自燃倾向性就越强。

镜煤与亮煤脆性大，易破碎，而且灰分小，在其次生的裂隙中常常充填有黄铁矿，开采中易碎为微细的颗粒，细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃氧化性能，因此它的氧化接触面积大，着火温度较低，故镜煤与亮煤在丝煤吸附氧化升温的促使诱导下很容易自燃。

（4）煤中的瓦斯含量。

煤中瓦斯存在和放散影响吸氧和氧化过程进行，它类似用惰性气体稀释空气对氧化发生的影响。

实验表明，吸氧仅发生在煤中瓦斯含量小于某一数值的条件下，如果煤中含有较多的瓦斯，那么其吸氧减弱。

但也有人认为，煤吸附瓦斯与吸附氧的机理不同，因此影响不大。

若煤层中含有较多的瓦斯，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量，所以其自燃危险性较小。

有的研究表明，当煤层中的剩余瓦斯含量大于5

时，自燃难以发生；瓦斯涌出速度高时，很难发生煤的氧化，但是瓦斯涌出速度小于0.04～0.05

时，瓦斯涌出对煤的氧化过程没有影响。

（5）水分。

煤中的水分是影响其氧化程度的重要因素，在煤的自热阶段，由于水分的生成和蒸发必然要消耗大量的热。

煤体中外在水分没有全部蒸发之前很难上升到100℃，这就是水分大的煤炭难以自燃的原因。

但是，煤中的水分又能充填于煤体微小的孔隙中，把氮气、二氧化碳、甲烷等气体排除，当干燥以后对煤的吸附起活化作用。

水分的催化作用随煤温的增高而增大。

所以，地面煤堆在雨雪之后容易发生自燃，井下灌溉灭火，疏干之后自燃现象更为强烈。

另外，对于有黄铁矿的煤层，水分是促使黄铁矿分解不可缺少的条件。

从这方面看，水分又有利于煤炭自燃的发生。

（6）煤中硫和其他矿物质。

煤中硫有三种存在方式：

硫化铁即黄铁矿、有机硫以及硫酸盐。

对煤自燃起主导作用的是黄铁矿。

黄铁矿的比热容小，它与煤吸附相同的氧量而温度增值比煤大3倍。

黄铁矿在低温氧化时产生硫酸铁以及硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变得松散，增大了氧化表面积而且其分解产物比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧转让给煤粒使其发生氧化，在煤中含黄铁矿越多就越容易自燃。

我国许多高硫矿区如贵州的六枝，四川的芙蓉和中梁山，江西的萍乡、英岗岭，湖南的杨梅山均属于自燃比较严重的矿区。

统计资料表明，含硫大于3%的煤层均为自燃发火的煤层，其中包括无烟煤。

Herman（1994）综合使用XRD，SEM，EDXA和Mossbauer波谱等手段考察了煤中矿物质在低温氧化过程中的变化，指出含Ca矿物对煤的低温氧化起催化作用，还有的学者认为菱铁矿等含二价铁离子的矿物对自燃也有较大影响，尤其是在Co、Mn等离子的催化作用下，它们更容易氧化并有利于过氧化物的产生。

因此，煤中物质放热性的强弱与煤中无机矿物的成份、含量密切相关，也与氧含量和煤层含水量有关。

上述各种因素在煤炭自燃过程中起着重要的作用。

但是，煤炭自然发火，并不是从它一暴漏于空气中就自燃，而是需要经过一定的时间，需要一定的蓄热环境，使它的温度不断上升，这在很大程度上还取决于外在条件，单纯的内在条件不能决定矿井是否自然发火以及它的严重程度。

2.1.2影响煤炭自燃的外在因素

煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属性。

实验证明，它取决于煤在常温下的氧化能力，是煤层发生自燃的基本条件。

然而在生产中，一个煤层或矿井自然发火危险程度并不完全取决于煤的自燃倾向性，还受煤层的地质赋存、开拓、开采和通风条件的制约。

（1）开采技术[5]

事实表明，矿井的开拓方式、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、通风系统和技术管理等开采技术和管理水平，对自然发火起决定性影响。

许多开采同一煤田、相同煤层的不同矿井，甚至同一矿井不同的开采时期，在煤的性质、煤层赋存条件基本相同的矿井，但由于以上因素的差异，造成自然发火的次数明显不同。

开采技术对自然发火的影响主要表现在以下几个方面：