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通风安全学精品课程
第十章火灾防治
一、教学目的及要求
掌握火灾的定义及分类；理解物质燃烧的充要必要条件；了解外因火灾的预防；掌握煤炭自燃条件及影响自然发火的因素；了解火灾预测及预报的方法；开采技术的防火措施；常用的防灭火措施；火灾时期通风与矿井火灾处理与控制。
二、重点难点
本章的重点：
煤炭自燃条件、防灭火技术、均压防灭火、火灾时期风流控制
本章的难点：
煤炭自燃理论、煤炭自燃预测预报、均压防灭火、火灾时期风流控制
三、学时分配（8学时）
第一节概述（0.5学时）
第二节矿井外因火灾及其预防（0.5学时）
第三节煤炭自燃的理论基础（1学时）
第四节矿井火灾预测和预报（1学时）
第五节开采技术防火措施（0.5学时）
第六节灌浆与阻化剂防灭火（1学时）
第七节均压防灭火（1学时）
第八节惰气防灭火（0.5学时）
第九节矿井火灾时期通风（1学时）
第十节矿井火灾处理与控制（1学时）
四、教学内容与过程
第一节概述
矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一。
我国的煤矿自然发火非常严重，有56%的煤矿存在自然发火问题，矿井自然发火又占总发火次数的94%。
一、矿井火灾的概念和条件
凡是发生在井下巷道、工作面、采空区等地点的火灾，以及发生在井口附近的地面，火焰或气体随同风流进入井下而威胁到矿井安全生产的火灾均称为矿井火灾。
矿井火灾是煤矿5大自然灾害（水灾、火灾、瓦斯、煤尘和冒顶）之一。
在火灾事故中，常常会造成人员伤亡、物资器材损失、煤炭资源被烧毁或被冻结。
矿井火灾发生条件同燃烧发生条件一样，也必须具有以下三个条件：
（1）可燃物。
可燃物的存在是火灾发生的基础。
（2）热源。
具有一定温度和足够的热量的热源才能引起火灾。
（3）空气。
氧化剂。
上述是火灾发生的3要素，它们必须同时存在，相互结合，才能导致火灾的发生。
二、火灾的类型及其特性
矿井火灾一般是按引火原因分类，据此火灾可分为：
1）外因火灾。
它是外部高温热源（如放炮、烧焊、电流短路、明火等）引起可燃物质燃烧造成的火灾。
这种火灾多发生在井口房、井筒、井底车场、石门及机电峒室和有机电设备的巷道等地点。
外因火灾具有火源明显、发生突然、来势凶猛等特点，若发现不及时，则可能酿成恶性事故。
由于外因火灾往往是由表及里进行的，若发现及时，还是容易扑灭的。
2）内因火灾。
内因火灾是煤炭在一定的条件和环境下（如煤柱破裂、浮煤集中堆积又有一定的风流供给）本身发生物理化学变化（吸氧、氧化、发热），聚集热量导致着火而形成的火灾。
自燃火灾大多发生在采空区、遗留的煤柱、破裂的煤壁、煤巷的高冒处以及浮煤堆积的地点。
自燃火灾具有发生和发展缓慢、须经历一段时间、有预兆和火源比较隐蔽等特点。
由于火源比较隐蔽，致使人们不能及时扑灭火灾，危害更大。
三、矿井火灾危害
矿井火灾事故，特别是矿井自然发火事故，是煤矿的重大灾害事故之一。
它对煤矿安全生产的危害，从某种意义上来说不亚于瓦斯、煤尘爆炸事故。
1）产生大量的高温烟流
火源附近温度往往超过1000℃以上，而高温烟流，在离火源很远的地方，也达100℃以上，同时在这些高温烟流中含有大量的有毒有害气体（如CO、CO2等）以及其他可燃气体。
2）引起瓦斯、煤尘爆炸，使灾情扩大
在有瓦斯、煤尘爆炸危险的矿井内发生火灾，使接近火区的煤层干馏，产生一些可燃易爆气体，如甲烷、乙烯、乙炔和氢气等，因此，在无瓦斯矿井，发生火灾时也有发生瓦斯爆炸的危险。
3）引起矿井风流状态紊乱
①风流逆转。
在浮力和节流效应共同作用下，致使矿井某些巷道风流方向发生变化。
风流逆转主要发生在其反向热风压大于正向机械风压的旁侧支路（主干风路是指从入风井经火源到回风井的通路，旁侧支路是指除主干风路外的其余支路）。
②烟流逆退。
在浮力与节流效应分别作用下，加上巷道纵、横断面方向温度、压力梯度的影响，在着火巷道火源上风侧，新鲜风流继续沿巷道底部供风的同时，烟流沿巷道顶部逆向流出。
风流逆退可能发生在着火巷及其相连的主干风路上。
③烟流滚退。
在火源下风侧节流效应和巷道断面温度、压力梯度影响下，在新鲜风流沿巷道底部按原风向流入的同时，火源产生的烟流沿上风侧巷道顶部逆向回退并流向火源。
在一定条件下，这种现象也可能发生在下风侧。
逆转是以同种流体单向流动为主，逆退是不同流体（烟流与新鲜风流）异向流动，滚退是在同一端面上既有新风和烟流的异向流动，又有烟流翻卷引起的同种流体异向流动。
滚退是逆退和逆转发生的先兆。
4）破坏矿井正常生产秩序
矿内火灾可造成大量煤炭资源被烧毁，缩短矿井服务年限。
同时大量的可采煤量封闭在隔绝区中不能开采，有的火灾可能延续几个月、几年，甚至几十年之久，从而使矿井正常生产秩序遭到破坏，造成采掘衔接紧张。
四、防灭火研究的内容
煤矿火灾防治是一项系统工程，其理论与技术的研究内容应围绕一个目标和三个问题。
一个目标就是防止矿井火灾发生，对于已发生的火灾要防止其扩大并最大限度地减小火灾中的人员伤亡和经济损失。
三个问题是：
一、火灾是如何发生的?
其内容主要是研究矿井火灾的类型及其产生的原因、条件以及各类火灾发生过程和特点，这是防灭火的理论基础；二、如何防止火灾发生?
包括火源预测、火灾预防和预报技术；三、火灾发生后如何进行及时而有效地控制和处理?
第二节外因火灾及其预防
在矿井里非煤炭自然发火引起的所有火灾，如电气失火、爆破起火、电焊、火焊残火引火、胶皮摩擦起火、瓦斯燃烧或爆炸起火，以吸烟或其他点火工具引火等事故，均谓之外因火灾事故。
一、外因火灾的条件
1．必要条件
（1）有充足的可燃物；
（2）有助燃物存在。
凡是能支持和帮助燃烧的物质都是助燃物。
常见的助燃物是含一定氧浓度的空气；（3）具有一定温度和能量的火源。
2．充分条件
（1）燃烧的三个必要条件同时存在，相互作用；
（2）可燃物的温度达到燃点，生成热量大于散发热量。
煤矿井上、下有大量的可燃物质，如坑木、胶带、电缆、风筒等固体；变压器油、润滑油和液压连轴器内的透平油等油脂；煤和含碳的页岩等碳质类物质；瓦斯、氢气、一氧化碳等可燃气体。
因此，矿井内有较多可燃烧的物质基础。
火源可分为显火源和潜火源两种。
所谓显火源即是以明火、高温的表面或灼热的物体的形式显露于空间，可燃物一旦与其接触即可发生燃烧。
如气焊和电焊产生的高温焊碴、燃着的烟头等皆属于此类。
所谓潜热源即是平时处于常温状态，在一定的外部条件下（人员操作失误、设备零件故障、安全装置失效等原因）有可能产生火花、放出热量和转化为高温热源。
如具有短路危险的电缆接头、作高速相对运动的两固体接触面、不合格的炸药爆破等都属于潜热源。
煤矿常见的外因火源主要有以下几种：
1）电能热源。
电（缆）流短路或导体过热；电弧电火花；烘烤（灯泡取暖）；静电等。
表10-2-1为我国部分电气火灾发火原因统计表。
表10-2-1电气火灾发火原因统计表
发火原因
次数
占总数%
发火原因
次数
占总数%
变压器油
2
4.25
灯泡取暖
3
6.38
油浸启动电阻器
1
2.12
电力电容器
1
2.12
铠装电缆短路
1
2.12
橡胶电缆短路
39
83.98
合计
47
100
2）摩擦热。
如胶带与滚筒摩擦、胶带与碎煤摩擦以及采掘机械截齿与砂岩摩擦等。
3）放明炮、糊炮、装药密度过大或过小、钻孔内有水、炸药受潮以及封孔炮泥长度不够或用可燃物（如煤粉、炸药包装纸等）代替炮泥等违反爆破操作规程的操作都有可能发生爆燃。
4）液压联轴器喷油着火引燃周围可燃物，酿成多起火灾。
5）明火（高温焊碴、吸烟）。
明火也是产生外因火灾的重要原因之一。
明火主要产生于加热器、喷灯、焊接和切割作业，烟头也时有酿成火灾的可能。
二、外因火灾预测
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；调查井下可能出现火源（包括潜在火源）的类型及其分布；调查井下可燃物的类型及其分布；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）。
三、外因火灾的预防
煤炭外因火灾发生的原因主要是：
使用明火疏忽大意；电器设备和维护不好（如电缆、电动车、电钻损坏或过负荷、电流短路、用铜丝或铁丝代替可熔保险丝及电缆的鸡爪子或羊尾巴接头等）；井下放炮时违反技术操作规程。
因此，预防外因火灾的措施有以下几种。
1.杜绝产生明火源
①井下严禁吸烟和使用明火。
②井下进行电焊、气焊等，要制定专门可靠的措施。
③使用安全炸药，要严格执行放炮规定，不准用明火或动力线放炮。
④采用防爆或防火花型电器设备，电器设备性能完好，电路敷设符合要求，避免产生电火花。
2.设置防火门和消防器材及灭火设备
①为了防止地面火灾传入井下和井下事故的扩大，进风口和进风平峒口都要装有防火铁门；进风井筒和各水平的井底车场连接处安设两道防火门，在炸药库和机电峒室出入口也要安设防火门。
②一旦井下发生火灾，为了便于迅速扑灭，每个矿井必须在井上下设置消防材料库。
在井下火药库、机电峒室、检修峒室、材料库、井底车场和采掘工作面附近巷道中都要备有灭火器材，并要定期检查和更换。
3.采用不燃型材料支护
新矿井的永久井架和井口房，或者以井口为中心的联合建筑，都要采用不燃性材料建筑。
《规程》第197条规定：
“井筒、平峒、各水平的井底连接处及其井底车场，主要绞车道同主要运输巷道、回风巷道的连接处，井下机电峒室，主要巷道内皮带运输机机头前后两端各5m范围内，都必须用不燃性材料支护。
“
4.设置井下消防供水系统
用水扑灭刚刚发生的火灾（电器和油类火灾除外）是有效的。
因此，矿井要有充足的消防火水源，在主要运输巷道要装设消防火水管和阀门。
上述预防外源火灾的措施，在《规程》中都有详细规定，因此，严格执行《规程》中的规定，是搞好防火工作的基本要求。
第三节煤炭自燃
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。
据统计，我国有47%的矿井开采有自燃倾向的煤层，矿井火灾事故中，自然发火占整个火灾事故的70%，个别矿区甚至达95%以上。
因此，自燃火灾是矿井防灭火工作中的治理重点，也是人们研究的方向。
一、煤炭自燃机理
人们从l7世纪开始探索煤炭自燃机理。
1862年，德国Grumbman发表了第一篇关于煤炭自燃起因的文章。
一百多年来，先后提出阐述煤炭自燃机理学说有多种，其中主要的有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧化合学说等。
随着科学技术的进步和生产的发展，人们发现虽然在高变质富含黄铁矿的煤层发生自燃，但完全不含黄铁矿的煤也发生自燃；煤即使在真空中让细菌充分死亡的条件下，其自然发火危险性也未降低，这说明用黄铁矿作用假说和细菌作用假说解释煤的自然发火现象是不完备的。
酚基作用假说认为：
煤中不饱和的化合物与空气中氧的作用，是引起煤炭自燃的主要原因。
有人认为酚基作用假说实际上是煤氧复合作用，或者是煤氧作用假说的补充。
目前，煤氧复合作用假说已被较多的人们所接受。
该学说认为：
煤在常温下即已吸了空气中的氧而发生氧化作用，开始时是在煤的表面生成不稳定的初级氧化物。
先是氢气氧化生成羟基（OH），其次是碳素氧化生成羧基（COOH），然后再生成一氧化碳（CO）。
在此过程中同时放出少量的热。
随着热量的积聚，煤与氧之间的相互作用也加速。
当原子侵入煤分子的深部后即生成较为复杂的碳氢化合物。
先前生成的不稳定化合物即行分解，产生水蒸气、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等。
在这后一过程中，随同生成大量的热（占氧化作用中全部热量60%～70%）。
热量的积聚使煤的自燃作用加速了，当温度到煤的着火温度（或叫
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