预防煤层自然发火措施.docx
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预防煤层自然发火措施
煤矿
预防煤层自燃发火安全技术措施
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目录
一、煤的自燃倾向性类别、煤的自燃发火期……………4
二、煤层自燃预测及防治措施……………………………4
（一）、煤的自燃的预测…………………………………4
（二）、巷道布置与开采顺序方面措施……………………8
（三）、采煤工艺的措施……………………………………9
（四）、通风方面的措施…………………………………10
三、防灭火系统…………………………………………11
（一）、流动汽雾阻化剂…………………………………11
（二）、灌浆……………………………………………14
（三）、氮气……………………………………………20
预防煤层自燃发火安全技术措施
一、煤的自燃倾向性类别、煤的自燃发火期
1、煤的自燃倾向性及自燃发火期
根据本矿井10号煤层自燃倾向等级鉴定报告，10号煤层属自燃煤层（自燃倾向分类为Ⅱ级），其他煤层未作鉴定，矿井揭煤后立即采样送有资质的单位补作鉴定。
在未作鉴定前，按容易自燃煤层进行管理。
煤炭自燃倾向等级鉴定结果表
煤层编号
全硫
St.d（%）
水分
Mad%
灰分
Ad%
挥发分
Vdaf%
焦渣等征
真相对密度
煤的吸氧量
（cm3/g）干煤
自燃倾
向分类
10号
2.64
1.60
42.44
14.89
1.67
0.56
Ⅱ级
备注
一类：
容易自燃；二类：
自燃；三类：
不易自燃
二、煤层自燃预测及防治措施
（一）、煤的自燃的预测
一）、建立观测系统
为及时掌握自燃发火动向，必须做好观测站（点）的建设，气样的采集、分析、记录和火灾的判断，矿井应建立预防自燃发火观测系统，观测站（点）的布置如下图所示。
在采煤工作面设置共设7个观测点，其中：
固定观测点2个，设在靠近上山侧；移动观测点2个，设在靠采煤工作面侧，移动观测点3个，设在采煤工作面靠采空区侧。
观测站（点）的布置与观测应符合下列求：
1、在矿井的自燃危险区建立自燃发火观测站（点），进行系统的、定期的观测。
观测站（点）应设在矿压较小的地点，至少长10m的一段巷道支护规整、断面不变，巷内无一切风阻物，以便完成气样采集、气体成分、风速测定和风温测定。
井下观测站（点）分为固定观测点、移动观测点和临时观测点三种。
2、采区、工作面固定观测站（点）：
在采区、工作面的进回风流都必须各建立一个观测站（点），并符合井下测风站的要求。
其观测站（点）的位置应使进风观测点能控制全部进风流，回风观测点能控制全部回风流，即两个观测站（点）间不允许有其它的进风流和回风流。
3、移动观测点：
在工作面的进回风巷内距工作面10～20m处设置，并随工作面的推进而移动的观测点。
4、临时观测点：
发生有异常现象，为缩小火区范围以便准确查找火源点而增设的观测点。
5、各观测站每星期至少采取2次气进行分析。
6、一般防火监测探头的观测气样为：
一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、氧气、风量、风温及氮气等。
7、在KJ90N矿井安全监控系统中须配备温度传感器、CO传感器，随时监测采掘工作面风流中的温度和CO浓度，一旦超限，及时采取相应的措施，防止煤层自燃。
二）、建立自燃发火束管监测系统
本矿采用重庆煤科分院生产的JSG-8型束管监测系统，该系统主要安装在采区，可作为与分站与矿井环境监测系统联网运行，也可单独运行，监测采区或工作面气体成分和预报自燃发火；可用于矿井高产高效工作面采空区气体监测或中小型矿井自燃发火预报。
该系统由采样分析柜、电源控制箱、6路采样管组成；主要安装于采区进风巷硐室，6路采样管经顺槽敷设到工作面采空区，采集回风巷及气样进行分析。
该系统可联机运行，亦可单独运行。
单片机存贮15天分析数据。
束管监测系统示意图
1—取样点；2—粉尘过滤器；3—水份过滤器；4—抽气泵；5—束管
三）、其它
1、人的感官可以察觉的自然征兆
①巷道中出现雾汽或巷壁“挂汗；
②风流中出现火灾气味，如煤油味、松香味、臭味等；
③从煤炭自燃点流出的水和空气较正常的温度高；
④当空气中有毒有害气体浓度增加时，人们有不舒服的感觉，如头痛、头晕、精神疲乏等。
2．仪表检测
有下列情况之一者，定为自燃发火：
①煤炭自燃出现明火、火灾烟雾、煤油味等；
②煤炭自燃使环境空气、煤层围岩及其它介质温度升高并超过70℃；
③采空区或风流中出现一氧化碳（CO），其浓度已超过矿井实际统计的临界指标，并有上升趋势。
有下列情况之一者，定为自燃发火隐患：
①采空区或井巷风流中出现一氧化碳，其发生量呈上升趋势，但尚未达到矿井实际统计的临界指标。
②风流中出现二氧化碳（CO），其发生量呈上升趋势，但尚未达到矿井实际统计的临界指标。
③煤炭、围岩及空气和水的温度升高，并超过正常温度，但尚未达到70℃；
④风流中氧（O2）浓度降低，其消耗量呈上升趋势。
（二）巷道布置与开采顺序方面措施
1、主要巷道布置在岩石中
鑫锋煤矿采用斜井开拓，主斜井、副斜井、回风斜井布置在煤层的顶板岩石中，后期开采连接采区的运输大巷、回风大巷、行人大巷及采区轨道、行人、回风下山布置在煤层的底板岩石中，与煤层采用石门联系，石门揭穿煤层后，沿煤层走向布置采煤工作面形成系统后回采。
（具体详见采区巷道布置平剖面及机械配备图）。
布置在有自燃、容易自燃煤层中的回采巷道，采用金属支护，煤壁采用锚喷隔绝空气。
2、开采顺序
根据划定的井田范围，本矿共划分为三个采区（一采区、二采区、三采区）。
采区开采顺序为一采区→二采区→三采区，采区内采取区段下行式开采，煤层开采顺序由上至下，即先开采1采区10号煤层，然后依次为12号、15号、17号、18号煤层。
（三）采煤工艺的措施
1、采煤方法
采煤工作面采用走向长壁式布置，采煤工作面采用放炮落煤，采面煤炭运输采用自溜，运输顺槽采矿车运输。
工作面采用单体柱配合金属铰接顶梁支护，3-4排控顶，最小控顶距3.2m，最大控顶距4.2m，密集支柱切顶、挡矸，全部陷落法管理顶板。
采煤工作面采用后退式的采煤方法。
2、采煤工作面采用走向长壁后退式采煤法，在回采过程中应尽量加快推进度。
不丢失浮煤和顶煤，采煤工作面采到停采线时，必须密闭采空区，且尽量采取措施使顶板冒落严实。
回采过程中不得任意留设设计外的煤柱。
3、在地质构造复杂、断层带、残留煤柱等区域开采时，应根据矿山地质和开采技术条件，在作业规程中另行确定采区开采方式和开采期限。
4、在煤巷掘进中出现冒顶区必须及时进行防火处理，并定期检查。
5、在采区开采设计中，必须预先选定构筑防火门的位置。
当采煤工作面投产和通风系统形成后，必须按设计选定的防火门位置构筑好防火门墙，并储备足够数量的封闭防火门的材料。
采煤工作面回采结束后，必须及时进行永久性封闭。
6、在采区开采设计中，必须明确选定自然发火观测站或观测点的位置并建立监测系统、确定煤层自然发火的标志气体和建立自然发火预测预报制度。
所有检测分析结果必须记录在专用的防火记录簿内，并定期检查、分析整理，发现自然发火指标超过或达到临界值等异常变化时，立即发出自然发火预报，采取措施进行处理。
（四）．通风方面的措施
1、采掘工作面均采用独立通风
矿井采煤工作面采用独立通风，采煤工作面采用“U”通风方式，采煤工作面回风巷与回风上山相连，为独立全负压通风；必须随采煤工作面的推进逐个封闭通至采空区的连通巷道。
采区开采结束后45天内，必须在所有与已采区相连通的巷道中设置防火墙，全部封闭采区。
掘进工作面采用压入式通风，其掘进工作面回风流与回风上山相连，为独立通风。
2、控制风流的风门、风桥、风墙、风窗等设施必须可靠。
3、通风设施应设置在围岩坚固、地压稳定地点。
还应避免引起采空区或附近煤柱裂隙漏风量的增大。
4、加强对封闭墙的检修与维护。
5、矿井在开采过程中要注意观察，加强煤层自燃征兆的早期识别工作。
三、防灭火系统
本矿所采10号煤层按自燃煤层进行管理，其它未鉴定煤层按有容易煤层进行管理。
设计采用以灌浆为主、以阻化剂为辅的防灭火系统和预测预报系统，配备惰气灭火装置，并在采煤工作面回风巷和掘进工作面回风流中安设一氧化碳和温度传感器，防止煤层自燃的发生。
（一）流动汽雾阻化剂
流动汽雾阻化剂防灭火技术，能充分地利用漏风通道裂隙微小漏风，使汽雾较均匀地进入釆空区，覆盖和湿润浮煤，阻止或减缓氧化。
成本低（吨煤成本0.2元/t），操作简便。
对于缓及倾斜、缓-倾斜煤层均适用。
1．灭火原理
流动汽雾阻化剂防灭火技术是通过雾化器加速、加压使水溶液变为微小雾滴，雾滴以漏风风流为载体飘移到采空区，覆盖在残煤表面，对煤体产生物理和化学的综合作用，减少煤体表面与空气的接触面，抑制煤表面活化物氧化反应速度，达到防残煤自燃的目的。
2．系统组成
流动汽雾阻化剂防灭火系统由储液箱、高压泵、过滤器、电器开关、高压胶管、雾化器等组成。
见图5—2—2。
系统所用设备型号参数表5—2—2
名称
型号
技术参数
高压泵
S0—2/150
压力150kg/cm2，流量0.5m3/h
喷雾器
QWF—II
压力0.5—0.6MPa
储液箱
1吨矿车改装
高压管
φ32mm
3．阻化剂
阻化剂的作用就是利用阻化剂分子与煤体表面活性分子的相互吸引，破坏煤体表面自由力场，促使氧原子（0）恢复到分子状态（02），使煤表面活化物质氧化反应速度放慢或者抑制，起到阻化作用。
针对本煤矿，选用卤块（片）作为阻化剂，阻化剂浓度为20%，阻化率为80%。
4．喷洒量计算
（1）工作面一次喷洒量可按下式计算：
V1=Kl·K2·L·B·h1·A1/g
式中：
V1----按体积计算浮煤一次喷洒量，m3
K1——易自燃部位药液量加量系数，一般取1.2
K2——采空区遗煤容重，1.0t/m
L——工作面长度，100m
B-----一次喷洒宽度，2m
h1——底板浮煤厚度，0.1m
A1——原浮（浮煤）的吸液量0.058t/t
g———阻化剂溶液密度1.05t/m3。
V1=Kl·K2·L·B·h1·A1/g
=1.2×1.0×100×2.0×0.1×0.058/1.05=1.33（m3）
（2）工作面护顶煤一次喷洒量计算
因采煤工作面采用一次采全高不护顶板，故工作面护顶煤一次喷洒量为V2=0。
（3）工作面一次喷洒所需阻化剂用量
V2=V1+V2=0.1.33+0=1.33（m3）
实施时，每班2只喷枪对采空区喷雾，喷雾工作时间为4小时/班。
5．工作面日喷洒次数
本矿工作面作业形式为：
边采边准，昼夜三循环，循环进度1米，喷洒工作安排在每班放顶前进行，工作面上下口喷枪相向喷洒，在工作面中部相遇喷洒完毕。
6．系统特点
机动灵活，防灭火范围大等特点。
与其它防灭火方法相比，流动汽雾阻化剂具有防灭火效果好，工人劳动强度小等特点。
7、阻化剂防灭火的防腐措施
1）在喷洒阻化剂前，必须对机械设备用防水帆布进行遮挡。
2）在喷洒阻化剂时，不要对着机械设备及单体液压支柱进行喷洒。
3）对洒落在机械设备表面的阻化剂及时清除干净。
（二）灌浆
1．防火灌浆设计依据及基础资料
（3）采区巷道布置
根据矿井开拓系统系统巷置，全井田划分为一个水平，三个采区开采，连接二、三采区大巷及采区下山布置在18#煤层的底板岩中。
首采区巷道布置：
采区巷道采走向长壁式布置采煤工作面，主斜井、副斜井和回风井分别在+1460m和+1490m标高掘一区段运输石门和一区段回风石门揭穿10号煤层，再沿10号煤层走向掘1101运输巷和1101回风巷至井田边界，并贯通形成一区段首采工作面，同时布置1102运输石门掘进头和1102回风石门掘进头，形成完整的井下生产系统。
采区开采顺序：
一采区区→二采区→三采区，煤层开采顺序：
10号→12号→15号，区内开采顺序按照从上至下的开采，即先采一区，再采下一区段，采煤工作面的倾斜长度为100m，详见矿井开拓系统、采区巷道布置及机械配备平剖图。
（4）、煤柱留设尺寸
矿井边界、断层、钻孔、采区边界煤柱宽度为：
开采10、12、15、16、17、18号煤层时分别留30m、25m、25m、20m、40m、40m，区段间留隔离煤柱宽度为15m。
（5）灌浆材料的质量、数量
灌浆材料为粘土黄泥，颗粒小于2mm，而且细小颗粒要占大部分。
（6）灌浆站工作制度
地面灌浆站工作制度原则与矿井工作制度一致，为330天：
灌浆工作与回采工作面一致，回采工作面为边采边准，采用三班灌浆，每天灌浆时间为15小时。
（7）矿井开拓方式、矿井生产能力、日产量
本矿采用斜井开拓，矿井生产能力15万吨/年，日产量455吨。
2．灭火原理
将水、浆材按适当比例制成一定浓度的泥浆，通过管路灌进采空区。
泥浆可包住碎煤，使之与空气隔绝，防止氧化；泥浆可堵塞采空区中的空隙，减少漏风；泥浆水可使密闭区内冷却、降温，从而达到阻止自燃发火的目的。
3．系统组成
（1）灌浆系统
因该矿井型小需要的泥浆量不大，设计采用井下移动灌浆系统三套，采面一套，每个掘进头一套。
从地面将黄泥运往井下，在回风巷适当位置扩巷安装制浆池，采用防尘水管的压力水，用小型搅拌器就地制成泥浆，采用埋管方式，向采空区注浆。
灌浆防灭火系统由制浆池、过滤器、泥浆泵、电器开关、钢管、高压胶管等组成。
见图5—2—2。
灌浆系统所用设备型号参数表5—2—2
名称
型号
单位
数量
技术参数
泥浆泵
NB1—100/20
台
1
压力2MPa，流量100L/min
钢管
米
200
φ50mm
高压管
米
50
φ50mm
制浆池
套
1
搅拌器
台
1
3KW
（2）疏水系统
采煤工作面采用走向长壁式布置，灌浆管路布置在在采煤工作面的回风巷，灌浆产生水经采空区自流至采工作面运输巷经运巷自流至井底水仓排出地面，为了防止灌浆后溃浆、透水，应采取灌浆前疏水、灌浆后防溃浆、透水的措施。
1）、要使用渗（透）水性强的材料（如荆条帘子或聚氯乙烯塑料帘子等）做围堰壁；如果采用木板围堰壁时，必须预留泄水孔（泄水孔的分布、直径或面积的大小及数量的多少等，应根据实际需要确定）；
2）、围堰的四周要同巷道帮壁接实打牢；
3）、围堰筑好后，背好套棚，打齐打牢中心顶子；
4）、充填流量要均匀适度，切忌流量忽大忽小；接近充满时要适当减少流量；
5）、充填灌浆时要设压力表并设专人观察，当现管路压力较大（如管路跳动或管路接头跑漏水、砂浆等现象）时，要及时打开安全阀，释放压力，停止充填注浆。
6）、充填时，在充填地点前后两端各50m范围内，除监护人员外其他人员一律禁止在充填区内逗留。
7）在灌浆前疏通采煤工作面运输巷的下出口的水沟，保证其畅通无阻，及时将灌浆时的采空区的积水疏导后通过巷道水沟排到水仓。
8）灌浆前要检修好排水泵，清理好水仓，及时将涌水排到地面。
9）灌浆后，要及时清理采空区出口水沟，不要堵塞排水沟，及时将积水疏放，以免造成采空区积水发生透水事故。
4．泥浆
利用矿区的黄土运往井下，在使用地点用小型搅拌器就地制成泥浆，经过滤后使用，灌浆泥水比为1∶5。
5．每日灌浆量计算
（1）日灌浆所需土量可按下式计算：
Q=K·G/r
式中：
Q——日灌浆所需土量，m3/d
K——灌浆系数，取0.07
r——煤炭容重，1.4（t/m3）
G——矿井日产量，455t
Q=K·G/r
=0.07×455/1.4=2.28m3/d
（2）每日制泥浆用水量可按下式计算：
QS1=Q·δ
式中：
QS1——制备泥浆用水量，m3/d
δ——泥水比的倒数，为5
QS1=Q·δ
=2.28×5=11.38m3/d
（3）每日灌浆用水量可按下式计算：
QS2=KS·QS1
式中：
QS2——灌浆用水量，m3/d
KS——用于冲洗管路防止堵塞的水量备用系数，取1.1
QS2=KS·QS1
=1.1×11.38=12.52m3/d
（4）每日灌浆量可按下式计算：
QJ=（QS1＋Q）·M
式中：
QJ——日灌浆量，m3/d
M——泥浆制成率，查表取0.93
QJ=（QS1＋Q）·M
=（12.52＋2.28）×0.93=13.72m3/d
6．预防性灌浆方法
本矿采用埋管方式随采随灌浆。
随着采煤工作面推进的同时向采空区灌注泥浆。
7．系统特点
机动灵活，灌浆距离短，管材消耗少，且发生堵管的机会小等特点。
（三）氮气
1、氮气灭火的技术要求：
⑴、氮气源稳定可靠；
⑵、注入的气浓度不小于97%；
⑶、至少有一套专用的氮气输送管路系统及其安全附属设施；
⑷、有能连续不断地监测采空区气体成分变化的观测系统；
⑸、有固定或移动的温度观测站（点）和监测手段；
⑹、有专人定期进行检测、分析和整理有关记录、发现问题及时报告和处理。
2．灭火原理
向已封闭的火区内灌注高浓度惰性气体氮气，排挤与置换火区的空气，降低火区内的氧含量，使燃烧的物体得以冷却，增加密闭区内气体压力，减少新鲜空气的漏入；惰气被可燃物体吸附，能阻止其氧化和燃烧，起到抑制和扑灭火灾的作用。
3．系统组成
因该矿井型小需要的氮气量不大，设计采用井下移动式制氮装置的工艺系统一套。
注氮防灭火系统由空分机、精馏塔、低压储罐、加压机、阀门、流量计、输氮管等组成。
见图5—2—3。
制氮系统所用设备型号参数表5—2—3
名称
型号
单位
数量
技术参数
制氮装置
MD
套
1
生产能力200～600m3/h，
出口压力0.65MPa
氮气纯度≥97%
无缝钢管
米
800
φ75mm
3．注氮量的确定
确定注氮量主要根据防灭火区的空间大小及自燃程度确定。
目前尚无统一的计算方式，根据国内外经验：
1）防火注氮量一般为5m3/min（氮气）；
2）灭火注氮量，原则上最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降低强度。
若回风敞口，单位时间注氮量不能小于9.2m3/min（氮气）；全封闭时，可控制在8m3/min（氮气）。
设计所选设备能够满足要求。
4．输送压力验算
可按下式计算：
P1=｛0.0056（Qmnx/1000）2∑（D0/Di）5（λi/λ0）×Li＋P22｝1/2
式中：
P1——管路初端的绝对压力，MPa
P2——管路末端的绝对压力，取0.2MPa
Qmnx——最大输氮流量，取10m3/min
D0——基准管径，150mm
Di——相同直径的输氮管径，mm
Li——相同直径管路的长度，km
λ0——基准管径的阻力损失系数，0.026
λi——实际输氮管径的阻力损失系数，查表取0.032
P1=｛0.0056（Qmnx/1000）2∑（D0/Di）5（λi/λ0）×Li＋P22｝1/2
=｛0.0056×（10/1000）2×（150/75）5×（0.032/0.026）×0.8＋0.22｝1/2
=0.2MPa≤0.65MPa
5．氮气防灭火方法
一般采取沿顺槽埋管方式进行注氮防火。
可在工作面进风顺槽外侧巷帮敷设无缝
钢管，并埋入采空区内，管路采用法兰盘联结。
如采空区埋管兼作注浆管时，则该埋管分别通过三通与注氮、注浆管相连，根据需要，通过埋管注氮或注浆。
采空区埋管管路每隔一定距离预设氮气释放口，其位置应高于煤层地板，一般高20～30cm，并采用石块或木垛加以妥善保护，以免空口堵塞。
为控制注氮地点，提高注氮效果，可采用拉管移动式注氮方式。
即采用回柱绞车将埋管向外牵移，埋管移动周期大体与工作面推进速度保持同步，使注氮孔始终在采空区氧化自燃带内注入氮气。
据乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿经验，埋管距工作面17m之内，采用回柱绞车能够将埋管牵移。
6．系统特点
井下移动式制氮设备安置于距需要防火或灭火区域的就近处，不需铺设专用输氮管路，输送压力损失小。
8、氮气灭火必须有能连续不断地监测采空区气体成分变化的观测系统。
设计采用重庆煤科分院生产的JSG-8型束管监测系统，在采煤工作面采空区侧设3个测点，连续不断地监测采空区一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、氧气、风量、风温及氮气等气体成分变化情况。
9、有固定或移动的温度观测站（点）和监测手段
为及时掌握自燃发火动向，采煤工作面布置7个观测点，其中：
在采煤工作运输巷、回风巷靠近运输石门、回风石侧布置各布置1个固定观测点；在采煤工作运输巷、回风巷靠近工作面侧各布置1个移动观测点；在采煤工作面靠近采空区侧布置3个临时观测点。
观测点的布置如下图所示：
观测站（点）的布置与观测应符合下列求：
①、在矿井的自燃危险区建立自燃发火观测站（点），进行系统的、定期的观测。
观测站（点）应设在矿压较小的地点，至少长10m的一段巷道支护规整、断面不变，巷内无一切风阻物，以便完成气样采集、气体成分、风速测定和风温测定。
井下观测站（点）分为固定观测点、移动观测点和临时观测点三种。
②、采区、工作面固定观测站（点）：
在采区、工作面的进回风流都必须各建立一个观测站（点），并符合井下测风站的要求。
其观测站（点）的位置应使进风观测点能控制全部进风流，回风观测点能控制全部回风流，即两个观测站（点）间不允许有其它的进风流和回风流。
③、移动观测点：
在工作面的进回风巷内距工作面10～20m处设置，并随工作面的推进而移动的观测点。
④、临时观测点：
发生有异常现象，为缩小火区范围以便准确查找火源点而增设的观测点。
⑤、各观测站每星期至少采取2次气进行分析，根据分析结果，采取措施防止煤层自燃。
四、预筑防火墙
预筑防火墙位置选择布置在采运输石门内，预选构筑防火墙的要求：
（1）采煤工作面形成生产和通风系统后10天内，按设计确定的位置和规格，构筑好防火门门墙，并与采区同时移交和验收。
（2）防火门墙的构筑应符合下列要求：
①防火门材料必须使用不燃性的材料构筑；
②墙体厚度不小于600mm;
③墙体四周应井壁按实，掏槽深度不小于300mm;
④墙体无重缝、干缝，灰浆饱满不漏风；
⑤防火门采用“内插拆口”结构；
⑥防火门口的断面，符合行人、通风、运输要求。
（3）封闭防火门所用的板材厚度不得小于30mm，每块板材宽度不得小于300mm，拆口宽度不得小于20mm，并要外包铁板。
（4）封闭的防火门所用的材料，排列摆放要整齐，指定专人长期进行检查，发现如有变形或丢失要及时更换和补充。
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