煤层自燃及其预防措施的研究Word下载.docx
《煤层自燃及其预防措施的研究Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤层自燃及其预防措施的研究Word下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
我们又是如何判定煤碳是否会自燃呢？
对煤的自燃倾向性鉴定的方法，一般采用“双气路气相色谱吸氧鉴定法”，并使用煤层自燃倾向性检测仪进行煤的自燃倾向性鉴定。
根据鉴定结果（30℃，常压下煤吸附的氧量），对煤的自燃倾向性等级按表一和表二【2】分类。
表一煤自燃倾向性分类表（褐煤烟煤类）
自燃等级
自燃倾向性
30℃常压煤的吸氧量[cm3/（g.干煤）]
Ⅰ
容易自燃
≥0.80
Ⅱ
自燃
0.41—0.79
Ⅲ
不易自燃
≤0.4
表二煤自燃倾向性分类表[高硫煤、无烟煤（含可燃挥发）]
全硫
S/％
≥1.0
>
2.00
≤1.0
≥0.8
<
根据以上的方法和分类标准可对煤层是否具有自燃倾向进行初步的判定。
从而可以对自燃煤层有一个针对性的防范。
在煤的形成过程中经过土层覆盖，压实。
在地质构造没有太大改变的情况下，煤层中不能够形成连续的供氧条件。
但由于地质构造发生变化，或发生滑坡等地质灾害使得煤层裸露与空气接触；
人为因数使煤层与空气接触，如井工开采形成的通风巷道、放顶形成的采空区裂隙导致的漏风等使得煤层与空气接触。
使煤层不具有连续的供氧条件是矿井防灭火的只要方式。
煤层自然赋存条件下很少能够有热量聚积的条件，除受到岩浆侵蚀灾害、自燃煤层自燃发火、人为产生的热量聚积（如机电设备火灾、人为用火等）等在煤层周围聚集大量热量。
只有煤层自燃所需的三个必要条件都同时存在煤层才会发生自燃。
通常要阻止煤层自燃，都是改变或阻止其中的一个条件不存在来防止煤层自燃。
3煤层自燃过程和自燃因数
在对煤层自燃倾向性进行初步判定之后，然我们在对煤层的自燃过程和征兆和影响煤层自燃的因素进行探讨。
3.1煤层的自燃过程和征兆
在长期的生产活动过程中发现煤层的自燃是具有阶段和征兆的。
可分为低温氧化阶段、自燃阶段、着火阶段、燃烧阶段、熄灭阶段。
在各个阶段中又会有不同的征兆。
（1）低温氧化阶段：
其特征比较隐蔽，煤重略有增加，煤被活化（化学活泼性增加），着火温度降低。
低温氧化阶段的时间长短取决于煤的变质程度和外部条件，如褐煤就没有低温氧化阶段。
（2）自燃阶段：
其特征是巷道内或老塘及密闭内空气中氧含量降低，一氧化碳，二氧化碳含量逐渐增加，空气湿度增大并成雾状，在支架及巷道壁上有水珠，在自燃阶段末期温度达100℃出现煤焦油味。
（3）着火阶段：
其特征是放出大量一氧化碳、沼气及其它碳氢化合物与水分等。
由于这个阶段还没有完全燃烧，所以二氧化碳含量还不明显。
火区温度和岩石温度显著升高。
在巷道内还出现特殊的火灾气味和烟雾。
（4）燃烧阶段：
其特征是生成大量二氧化碳，在高温下，分解生成更多的二氧化碳，巷道中出现强烈的火灾气体、烟及明火。
火源附近高达1000℃左右。
（5）熄灭阶段：
其特征是二氧化碳的浓度持续增高，氧气和一氧化碳则急剧降低，烟和火焰消失，火区空气及岩石温度逐渐降低。
3.2煤层的自燃因素
煤层自燃的因素有很多，各自又有其特征。
对各类因素的描述如下
（1）煤的碳化程度：
煤层的自燃性随着煤炭的变质程度的增高而降低。
煤的碳化程度越低，挥发份含量越高，煤层自燃倾向越强。
一般说来，褐煤易于自燃，烟煤中长焰煤危险性最大，贫煤及挥发份含量在12％以下的无烟煤难以自燃。
（2）煤岩成分：
煤岩成分包括有丝煤、暗煤、亮煤和镜煤。
煤层中有集中的镜煤和亮煤，特别是含有丝煤时，煤的自燃倾向就大；
而暗煤多的煤一般不易自燃。
（3）煤的含硫量：
含硫份越多，吸氧能力越大，越易自燃；
含黄铁矿、黄铜矿结核较多，也具有自燃危险性。
（4）煤的破碎程度：
煤的破碎程度大增加了煤的氧化表面积，使煤的氧化速度加快，容易自燃，脆性与风化率较大的煤就易于自燃。
（5）煤的水分：
水分能加速煤的氧化过程，同时使煤体疏松，造成细微裂缝，加大吸氧能力，并降低着火温度，但过多水分则可抑制煤的氧化作用。
（6）温度：
随着温度的升高，氧化作用加剧。
根据实验煤的温度由30℃升高到60℃时，吸氧能力要增加3—10倍，如果温度达到临界值（一般为70—80℃），则开始迅速氧化，并积极增高温度，导致燃烧。
（7）地质构造：
煤层厚度与倾角大，开采时煤炭损失、破碎程度大，以及围岩等受到破坏，形成裂缝，而煤层厚还易于局部储热，因此自燃危害性也越大。
在地质构造破坏的地带（如褶曲、断层破碎带及岩浆侵入等），自燃发火频率较煤层赋存正常地段高.
（8）开拓开采条件及通风方式：
矿井开拓方式和开采方法及通风方式选择不合理，往往造成丢煤多、煤柱破碎、漏风严重，给煤层自燃造成良好条件，增加自燃的可能性。
4煤层防灭火措施
在对煤层自燃倾向性做出初步判定之后，再对煤层自燃的过程、因素进行研究。
我们能够提出一些具有针对性的防灭火措施。
4.1、开拓、开采技术措施
（1）选择合理的巷道布置与开采顺序
在布置巷道和选择开采顺序时应做到减少对煤层的切割，少留煤柱，做到发生火灾时易于隔绝。
（2）选择合理的采煤方法
①选择合理的采煤方法可以减少煤层自然发火的发生。
壁式采煤法回采率高，巷道布置简单，便于使用机械化装备和加快回采进度，有较大的防火安全性；
水力采煤效率高、速度快，采完一个采区后能及时隔绝封闭，有利于防止煤炭自燃；
②开采有自然发火危险的煤层，要慎重选择顶板管理方法。
全部陷落法管理顶板，一般说来易发生采空区的自燃；
若顶板松软，易于冒落且很快压实或自然形成再生顶板，空气难以进入采空区，自燃危险性小。
用水砂充填法或矸石全充填法管理顶板，煤的自燃危害性就小。
（3）提高回采率，加快回采进度
①实现采煤机械化和综合机械化，这样既可提高煤炭产量，又可在空间上、时间上减少煤炭的氧化。
②根据煤层的自燃倾向、发火期和采矿、地质开采条件合理划分采区，确定回采速度，以期在自然发火期内将工作面采完，且在采完后立即封闭采空区。
4.2通风安全技术措施
（1）选择合理的通风系统
每一个生产水平、每一采区都必须布置单独的回风道，实行分区通风。
这样可降低矿井总风阻，增大矿井通风能力，减少漏风，易于调节风量；
且在发生火灾时，便于控制风流，隔绝火区。
（2）结合开采方案和开采顺序，选择合理的通风方法。
采用前进式回采，择选用对角式通风系统。
采用后退式回采，则采用中央式通风系统。
根据回采推进方向选择合适的通风方式能有效减少回采面煤壁发生自燃的可能。
（3）正确选择通风构筑物的设置地点
辅助通风机，调节风门、风门、风墙和风桥等通风设施，应设置在围岩坚固，地压稳定的地点，还应避免引起采空区或附近煤柱裂隙漏风量的增大。
4.3其它预防措施
4.3.1预防性灌浆
预防性灌浆是目前我国使用较广泛的一种行之有效的预防煤炭自燃的方法。
其灌浆材料主要为黄土（粘土、砂质粘土）或以页岩代替黄土，在我国土源丰富、水源充足的地区使用甚为广泛。
我国各矿使用的灌浆系统，基本上可归为两大类：
集中灌浆和分散灌浆。
（1）集中灌浆：
在地面工业广场或主要风井煤柱内设集中灌浆站，为全矿或一翼服务的灌浆系统。
集中灌浆的适用于煤层埋藏较深；
矿井灌浆量大，且采区生产集中；
取运土距离较远。
具有工作集中，便于管理；
人员少效率高；
便于掌握泥浆的浓度和质量；
占地较少等优点。
但初期投资大，建设时间长；
采、运土工作比较复杂。
（2）分散灌浆：
在地面煤层走向打钻孔网或分区打钻灌浆，地面有多个灌浆站，分区设灌浆站的系统。
分散灌浆可分为钻孔灌浆或分区灌浆；
井下移动灌浆。
①钻孔灌浆或分区灌浆适用于煤层埋藏浅；
灌浆采区分散；
土源丰富可就地开采，运输距离近。
有以下优点、缺点：
设备简单、投资少、建设速度快；
制浆工艺简单、操作容易；
可减少井下所需的干管。
但灌浆站分散，管理分散，人员多；
占用土地多（需打分区灌浆钻孔）。
②井下移动灌浆适用于灌浆量不大；
输浆困难或无法用钻孔注浆时采用。
具有机动灵活；
灌浆距离短，管材消耗少，且发生堵管的机会小。
生产能力低；
管理分散，效率低。
以上灌浆方法是经常使用的，在实际使用过程中影响灌浆系统选择的因素有土源、水源、下浆地点、煤层埋藏深度、地形条件等。
对各影响因素的要求及内容叙述如下：
（1）土源：
应满足灌浆对其材料的要求；
土源丰富；
运送距离近，最好就地取材；
尽可能不占和少占良田好土；
易于开采。
（2）水源：
灌浆对供水水源的水质量无特殊要求，但应以水的PH=6～9为宜，以免水的酸碱度太大，对管道有腐蚀伤害。
（3）下浆地点：
不同的下浆地点可以形成不同的灌浆系统。
（4）煤层埋藏深度：
煤层埋藏浅，则可采用地面钻孔灌浆；
如果煤层埋藏深，究竟采用何种方式灌浆，应进行技术经济比较确定。
（5）地形条件：
地形条件决定了泥浆的输送是自流输送还是加压输送；
矿车运土是否需要牵引；
取土场是否要考虑排水措施等。
更据以上条件选择了灌浆系统后，可根据煤层的自燃发火时间的长短和开采方法等条件综合考虑灌浆方法。
我国煤矿现在使用的预防性灌浆方法有：
随采随灌和采后灌浆两种。
（1）随采随灌
随采煤工作面推进的同时向采空区灌注泥浆。
在灌浆工作中，灌浆与回采保持有适当距离，以免灌浆影响回采工作。
随采随灌适用于自燃发火期短的煤层。
随采随灌又可分为打钻灌浆、埋管灌浆和洒浆。
1打钻灌浆：
优点：
速度快、安全、效率高、成本低。
适用条件：
在采前预灌，随采随灌。
采后灌浆和消灭火区等方面均可应用。
作法：
在煤层底板运输巷或回风巷以及专门开凿的灌浆巷道内，每隔10～15m，向采空区打钻灌浆，钻孔直径一般为75mm。
灌浆钻孔必须打到采空区的空顶内，且钻孔应深入采空区内5～6m，并在打钻后立即下套管（套管直下到见老塘为止），以利灌浆。
②埋管灌浆
简便，省管材，但注浆时间短，量少。
适用于随采工作面随采随灌。
在放顶前沿回风道在采空区预先铺好灌浆管（一般预埋5～8m钢管），预埋管一端通采空区，一端接胶管，胶管长度为20～30m，放顶后立即开始灌浆。
随工作面的推进、按放顶步距用回柱绞车逐渐牵引灌浆管，牵引一定距离灌一次浆。
③洒浆
优点:
能均匀地使整个采空区特别是下半段灌到足够的泥浆。
用作埋管灌浆的一种补充措施。
从灌浆管道接出一段胶管（一般为50.8mm胶管），沿倾斜方向分段向采空区均匀地洒浆。
（2）采后灌浆
在采区或采区的一翼全部采完后，将整个采空区封闭灌浆。
采后灌浆仅适用于发火期较长的煤层。
安全、可靠、效率高、灌浆工作在时间和空间上不受回采工作的限制。
可用于采后灌浆或巷道火灾封闭后灌浆。
由采空区两侧的石门向采空区打钻灌浆。
或由邻近巷道向采空区上、中、下三段分别打钻灌浆，宜可在每一中间顺槽砌筑密闭插管灌浆（该方法多用于急倾斜水平分层工作面），在采空区周围形成一个泥浆防护带。
预防性灌浆由于取材方便，从矿井实际赋存条件出发选择好灌浆系统和灌浆方式，在因地制宜的选择泥土材料可以作为一种有效的防灭火方式。
4.3.2均压防灭火
目前许多国家推广和应用这种方法，并已成为一种常规的防灭火技术。
实践证明，它不仅可用于局部均压单独使用，或配合其它措施使用，也可用于全矿性均压防火。
均压（调压）技术就是采用通风技术措施，调节漏风风路两端的风压差，使之减小或趋于零，使漏风量降至最小，从而抑制控制区内煤的自燃，抑制控制区内煤的自燃，抑制封闭火区的火势发展，加速其熄灭。
采用均压防灭火应有完整的区域风压和风阻资料以及完善的检测手段；
采空区或火区的漏风量、漏风方向、空气温度、防火墙内外空气压差等状况，必须有专人定期观察与分析，并专门记录；
改变矿井通风方式、主要通风机工况以及井下通风系统时，对均压地点的均压状况必须及时进行调整，保证均压状态的稳定。
应考录其他矿井灾害的存在，制定相应安全措施。
采用均压技术时应注意以下要点：
实行区域性均压时，应顾及邻区通风压能的变化，不得使邻区老塘、采煤工作面采空区或护巷煤柱的漏风量有所增加，严防火灾气体涌入生产井巷和作业空间；
回采工作面采用均压法均压时，必须保证均压风机持续稳定的运转，并有确保均压风机突然停止运转时保证人员安全撤出的措施；
利用均压技术灭火时，必须查明火源位置、瓦斯流向，并有防止瓦斯流向火源引起爆炸的措施。
根据使用条件不同，均压防灭火可分为开区均压和闭区均压两大类。
开区均压：
开区均压系统的具体措施应根据工作面不同的漏风形式而异。
若将各种形式的漏风通道作为组成风网的支路来考虑，则可归结为并联、角联、复杂联接等三种最基本的漏风形式。
不同的漏风形式，采取不同的均压方法。
针对不同形式的漏风，主要漏风通道及漏风范围，采取降低或改变其端点压差是实现开区均压的关键。
闭区均压：
闭区均压措施主要是加固防火墙，提高封闭区的风阻或采取封闭区进、回风口之间的压差，以减少漏风。
均压防灭火措施
开区均压措施有调节风门均压、改变工作面通风系统、利用角联支路风向可变特性均压、调节风门与辅扇联合均压、风筒与辅扇联合均压。
闭区均压措施有并联风路与调节风门均压、调压风机与调节风门联合均压、连通管均压、主扇与调节风门联合均压。
以上各种均压措施在实际使用中，要针对矿井具体情况，在保证满足均压效果的前提下，应选择最简便易行、经济合理、安全可靠的方式。
必要时，应对几种方案作技术经济比较。
均压防灭火在矿井生产中的使用是较为广泛的，在矿井生产中时刻都要对矿井的风流风量进行调节。
因此在生产中使用情况较多可以结合其他防灭火措施一同使用可以达到很好的防灭火效果。
但在使用均压防灭火时需要结合监测系统对矿井各监测点进行检测。
4.3.3阻化剂防灭火
阻化剂防灭火是目前国内外正在积极推广应用的一种防止自燃火灾的新方法，它对缺水、少土地区煤矿的井下防灭火具有重大现实意义。
任何一个矿井在使用阻化剂进行防火前，应将阻化剂对金属的腐蚀性，对人体的呼吸器官、视觉系统及皮肤的刺激等进行分析测定，以确定合适的阻化剂种类，喷注工艺和合理的浓度与数量。
煤的种类不同，阻化剂的阻化效果也不相同，同时所需用的阻化剂溶液的最适浓度也不一样。
设计时应因地制宜、就地取材选用阻化剂材料，并通过阻化剂检验装置来确定最佳阻化剂和最适和的溶液浓度。
选择阻化剂要注意以下几个方面：
来源广泛，货源充足，购置方便，价格便宜；
阻化率高，阻化寿命长；
配置容易，井下使用操作方便，工艺过程简单；
对井下设备和金属构件腐蚀小，对人体无害。
用于煤矿防灭火的阻化剂主要有CaCl2、MgCl2、ZnCl2、AlCl3、P2O3、NaHPO4、NaCl、KCl、Ca（OH）2、H3BO2、水玻璃（Na2O·
nSiO2），以及铝厂的炼镁槽渣、化工厂的硼酸废液，造纸厂的氯化锌废液，酿酒厂的废液等。
其中以工业氯化钙（CaCl·
5H2O），卤块、片（MgCl2·
6H2O）阻化效果好，货源充足，运贮方便，使用较广泛。
经试验，褐煤、烟煤最适宜的阻化剂为工业氯化钙，卤块、片，高硫煤最适宜的阻化剂为消石灰[Ca（OH）2]、水玻璃。
目前我国煤矿常用机动性、半永久性、永久性三种喷洒压注系统。
（1）机动性喷洒压注系统：
这种系统是将喷洒压注设备和阻化剂溶液池安装在矿用平板车上，采用电动或气动两种动力方式喷洒压注阻化剂。
①电动喷洒压注装置：
由直径50.8mm胶管或铁管，从3D-5/40拉杆泵接到防灭火处理地点，并与喷嘴和封孔器连接。
由电动机启动，拉杆泵进行压注和喷洒，该系统工艺简单，施工快，投资小，机动性大。
②气动喷洒压注装置：
在井下有压气系统的矿井，利用压风作动力，将配制好的阻化剂溶液装入密封罐内，从阀门控制的排出口由38.1～50.8mm铁管或耐压胶管将压气罐和喷枪（19.1mm）或封孔压注器相连接使之形成系统，依靠压气进行喷洒或压注。
气压一般为（4～6）×
98.0665kPa。
（2）半永久性喷洒压注系统
这种系统是在采区上下山或硐室内设置贮液池（一般为15～20m3）和注液泵，由38.1mm或50.8mm铁管铺设到进、回风巷直至工作面上下口。
贮液池内阻化剂溶液（或药剂溶解后），由注液泵压至工作面进行喷洒或压注，也可向上、下顺槽破裂煤壁进行压注防灭火，该系统能为几个工作面服务，服务年限较长。
（3）永久性喷洒压注系统
在地面设置永久性贮液池，用50.8～76.2mm铁管从贮液池铺设到进、回风巷道直至采煤工作面上下口，利用自然压头进行喷洒或低压压注。
该系统适用于开采深度较浅井田范围不大的中小型矿井。
阻化剂防灭火是一种较为新型的防灭火措施，在使用的过程中需要注意阻化剂材料的选择不要对矿井内的构筑物构成危害，不要对井下生产人员产生危害。
4.3.4氮气防灭火
液氮是一种超低温技术制取的液态氮。
它是由空气分离设备制氧机的副产品（气氮），经压缩和深冷（-195.8℃）等技术流程制取而成。
液氮防灭火是我国“六·
五”初期首先开始试验研究的一种防灭火技术，为我国煤矿氮气防灭火技术的推广应用奠定了基础。
经多年应用实践表明，液氮的制取、贮存和运输设备不仅投资大，制液氮成本高。
而且厂房及地面占地多，基建投资高，不完全适合我国煤矿的国情。
于20世纪90年代初遂转为采用变压吸附与膜分离技术制氮设备的开发研制，近几年来，已有地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮装置和膜分离制氮装置相继投入使用。
目前我国已有50余个局矿建立了氮气防灭火系统，而变压吸附及膜分离制氮设备已在约40余个矿局中应用，为我国煤矿安全生产，发挥着重要作用。
【2】
（1）液氮防灭火机理
液氮是一种优良的低温冷却剂，原料来自空气中的氮气，具有无色，无嗅，无腐蚀性，温度低等特性。
其防灭火机理可以用Damkohler准则（Da）进行定性分析。
[3]
式中：
为燃料浓度，
；
为氧气的浓度，
为反应的活化能，
为理想气体常数，
为特征长度，
为特征速度，
为动力学参数；
为温度，
。
1隔氧作用
煤矿注入的液氮升温汽化膨胀后，火区压力增加，高氧气体经由漏风通道排出，减少了向火区的漏风使火区内氧含量大大降低，
减小，
降低。
2降温作用
液氮沸点低，注入火区的液氮可冷却燃料，冷凝环境中的水蒸气，与采空区隐蔽热源产生的热风压发生热交换，降低热源温度至着火点以下，即通过
，达到减少
的目的。
3惰化抑爆作用
流向火区环境的大量惰性气体，使火区气体的氧含量降到很低，同时也稀释了可燃气体的浓度
消除了可燃气体爆炸危险性。
此外，注入火区的液氮对火焰的吹熄作用增加了
，将会对
产生较大的影响。
（2）注氮系统
我国煤矿防灭火目前所选用的制氮设备有：
地面固定式深冷制氮设备；
矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮设备，以及矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式膜分离制氮设备。
按空分原理可将其分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。
进几年来，尤以变压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。
地面固定式和地面移动式制氮设备生产的氮气，经井上下输氮管路送达采空区内或火区内。
该系统的优点是制氮设备产氮能力大，灭火速度快。
缺点是需专门铺设输氮管路。
井下移动式制氮设备安置于距需要防灭火或灭火区域的就近处，经供电、供水、管路连接，便可开机生产氮气，经输氮管将氮气送达防灭火区内。
该系统的优点是不需要铺设专用输氮管路。
缺点是制氮设备产氮能力较小。
（3）注氮工艺
根据矿井具体条件，可选择如下的注氮工艺：
埋管注氮—在工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。
当埋入一定深度后开始注氮，同时又埋入第二趟注氮管路（注氮管口的移动步距通过考察确定）。
当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。
拖管注氮—在工作面的进风侧沿采空区埋设一定长度（其值由考察确定）的厚型钢管作为注氮管，它的移动主要利用工作面的液压支架，或工作面运输机头、机尾，或工作面回巷的回柱绞车牵引。
注氮管路随工作面的推进而移动，使其始终埋入采空区内的一定深度。
钻孔注氮—在地面向井下火灾或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔套管（全套管）将氮气注入防灭火区。
利用工作面消火道，或与工作面相邻的巷道。
向采空区或火灾隐患区域打钻孔注氮。
插管注氮—工作面开切眼或停采线，或巷道高冒顶火灾，可采用向火源点直接插管的注氮方式进行注氮。
密闭注氮—利用密闭墙上预留的注氮管向火灾或火灾隐患的区域实施注氮。
旁路式注氮—利用采用改进风巷的工作面，可利用与工作面平行的巷道，在其内向煤柱打钻孔，将氮气注入采空区。
（4）注氮方式与防灭火方法
①注氮方式
注氮方式分为开放式注氮和封闭式注氮。
在不影响工作面的正常和人身安全时，可采用开放式注氮。
火灾及其火灾隐患影响工作面的正常生产，或突然性外因火灾，或瓦斯积聚区域达到爆炸界限时，可采用封闭式注氮。
4注氮防灭火方法
连续式注氮—工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮。
间断性注氮—工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。
注氮地点—应尽可能选在进风侧，或靠近火源。
工作面注氮防火，注氮管口应处于采空区氧化带内。
注氮抑制瓦斯爆炸—注氮惰化瓦斯积聚区域，或扑火瓦斯积聚的火灾，密闭墙须建防爆墙，同时密闭墙的构筑顺序严格按要
升级会员 