第十讲 矿井火灾防治.docx

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第十讲矿井火灾防治

第十讲矿井火灾防治

本讲的主要内容是燃烧的概念及其危害、矿井火灾、内因火灾和外因火灾及其防治技术、火区封闭与管理、火区启封等，其中还包括一些与矿井火灾相关的理论，如煤炭自燃过程、火风压、火灾气体的效应等。

一、燃烧及其形式

（一）燃烧：

是指可燃物快速氧化，产生光和热的过程。

燃烧必需是可燃物、助燃物及温度要达到燃点，三者并存才能实现，这三者称为燃烧三要素，也称火三角。

燃烧的形式

1、燃烧形式

2、预混气体燃烧的蔓延

矿井火灾火源燃烧蔓延主要分为固体、液体燃料燃烧蔓延和预混气体燃烧蔓延。

预混气体燃烧是矿井火灾引起爆炸的重要原因。

10-1矿井火灾生成物蔓延示意图

3、火源燃烧的分类及特点

（1）富氧燃烧

下风侧氧浓度一般保持在15％（体积浓度）以上，故称为富氧燃烧，也称为非受限燃烧。

（2）富燃料燃烧

其下风侧烟流常为高温预混可燃气体，与旁侧新鲜风流交汇后，易形成新的火源点，这种形成多个再生火源的现象称为火源发展的“跳蛙”现象。

再生火源的出现增大了预混气体进入火源、引起爆炸的概率，并加快了火灾蔓延的速度。

表10-1富氧燃烧和富燃料燃烧类火灾的基本特性

分类

富燃料燃烧（受限燃烧）

富氧燃烧（非受限燃烧）

基本特征

燃料多、供氧不足

燃料不足、供氧多

特

点

火源范围大，火势大，蔓延快

火源范围小，火势小，蔓延慢

耗氧多，剩余氧少（2%）

耗氧少，剩余氧多（15%）

剩余大量可燃挥发性物质

可燃挥发性物质基本耗尽

易引起再生火源和爆炸

不易引起再生火源和爆炸

危险性更大

危险性稍微小

二、矿井火灾

凡是发生在矿井井下或地面威胁到井下安全生产，造成损失的非控制燃烧。

（一）矿井火灾火源分带

1、富燃料燃烧火源分带

10-2富燃料燃烧火灾火源分带示意图

l-冷却带；2-焦化带；3-高温热解带；4-燃烧分带；5-剩余燃料分带；6-预热带

2、富氧类火灾分带

图10-3富氧类燃烧火灾火源分带示意图

1一冷却带；2—焦化带；3—燃烧带；4—预热带

（二）富燃料类火灾的危险性及形成条件

1、富燃料类火灾的危险性

10-4富燃料类火灾的危险源分布示意图

2、富燃料类火灾的形成及防治

A·罗伯特的理论计算表明，设火焰沿巷道蔓延的速度为vf，巷道中风速为va，可由判别式

来判断是否会出现富燃料燃烧，R越大，越可能发展成为富燃料燃烧，具体值与燃料种类有关。

所以，主要措施为：

（1）减小火焰沿巷道蔓延的速度。

（2）保持或增加巷道中风速。

3、矿井火灾的爆炸危险性

（1）在井下半封闭巷道中发生预混燃烧情况下，火灾转变为爆炸的条件为：

①存在体积较大、温度较高的可燃性混合气体；

②可燃气体达到爆炸界限；

③可燃性混合气体中氧浓度达到14％以上；

④可燃性混合气体流动过程中遇到火源或本身温度高于燃点。

（2）矿井火灾中不产生爆炸的情况是：

①富氧类火灾；

②火源下风侧无再生火源；

③火源下风侧特别是距火源较近的下风侧，无新鲜风流或较大漏风从相接巷道流入；

④火区尚未出现风流逆转，瓦斯涌出量小。

（三）矿井火灾对风流流动状态的影响

1、矿井火灾对通风系统的影响。

2、矿井火灾产生的风流紊乱观象

矿井火灾时风流状态的影响即火风压的影响表现为“节流效应”和“浮力效应”。

矿井火灾产生的浮力和节流效应，引起矿井风流状态的紊乱变化。

该变化可分为如下三类：

（1）风流（烟流）逆转。

（2）烟流逆退。

（3）烟流滚退。

表10-2风流紊乱现象及其原因和易发地点

紊乱形式

发生地点

发生原因

表象

逆转

主要出现在旁侧支路

旁侧支路中反向热风压大于正向机械风压

烟流反向流动，一般全断面逆转。

逆退

着火巷道（主干风路）、上行、平巷通风；下行通风

火源下风侧节流效应、反向热风压以及巷道横断面的温度、压力剃度影响。

火源上风侧同一巷道断面出现不同流体异向流动。

滚退

着火巷道火源上风侧，少数可能发生在下风侧

火源下风侧节流效应及巷道横断面的温度、压力剃度影响

火源上风侧（有时在下风侧）同一巷道断面出现流体异向流动，又出现烟流反卷异向流动

10-5矿井火灾对风流流动状态的影响

3、风流紊乱现象的危害

（1）风量减少。

（2）风流逆转。

①逆转风流携带大量有毒有害气体，蔓延至更大区域，甚至污染进风区域，扩大受灾范围，甚至威胁整个矿井。

②风流逆转经历减风一停风一反风的过程。

在减风和停风阶段，因风量剧减，风流中瓦斯浓度相对升高，并因风速减少，为瓦斯形成局部聚集创造了条件。

在巷道中形成纵向和横向的局部瓦斯聚集带时，就具备了可能爆炸的条件。

③风流逆转使火源下风侧富含挥发物的风流或局部瓦斯聚集带的污风再次进入着火带的可能性增大，从而增加了爆炸的可能性。

这就是为什么在金属、非金属矿井火灾中，也会发生可燃气体爆炸的原因。

（3）烟流逆退

烟流逆退对火源上风侧直接灭火人员造成直接威胁。

烟流与进风混合再次进入火源，在一定条件下能诱发瓦斯爆炸。

烟流逆退致使烟流进入其他巷道，可能造成与风流逆转相似的结果。

（4）烟流滚退

滚退现象导致火源上风侧烟流与新鲜风流掺混后，再逆流回火源，在一定条件下能诱发瓦斯爆炸。

烟流滚退对火源上风侧从事直接灭火的人员也构成直接威胁。

4、不同巷道发生火灾对风流状态的影响

（1）水平巷道火灾

发生在水平巷道的火灾，若忽略相邻倾斜巷道的温度变化影响，—般认为，只存在节流作用，无浮力效应的影响，节流作用增大风流流动的阻力，其结果导致着火巷风量减少，风量减少量可达30％。

（2）上行通风巷道火灾

发生在上行通风巷道的火灾产生浮力和节流两种效应。

10-6火灾的节流、浮力效应对风流的影响示意图

（3）下行通风巷道火灾

下山发生火灾，风向很可能逆转，而且可能出现风向频繁变化的情况，这是救灾时需特别注意的。

是否能保持持续的风流逆转后的方向，取决于以下几种因素：

①火源在下山位置的影响。

②烟流中氧浓度的影响。

③原有通风风压的影响。

④火势大小的影响。

⑤掺入新鲜风流的影响。

5、矿井火灾分类

根据发生火灾的原因分两类：

2、按发火地点不同可分为：

井筒火灾、采面火灾、巷道火灾等。

（四）矿井火灾的危害

1、产生大量有害气体

2、火源及近邻产生高温

3、引起爆炸

4、燃毁设备和资源

5、产生火风压：

井下发生火灾时，高温烟流流经有高差的井巷所产生的附加风压。

三、外因火灾

外因火灾大多发生在井下风流畅通的地点，由外来热源引起。

在矿井火灾总次数中，外因火灾占比例虽然较小（４％－１０％），但不容忽视．据统计，死于外因火灾的人数却占死于火灾总人数的６５％，煤矿重大恶性火灾事故有９０％以上由外因火灾所引起的。

１、外因火灾的特点

（1）发生突然，来势凶猛，时间与地点出人意料；

（2）起因很容易扑灭的小火源；

（3）表面明火，容易发现，容易扑灭。

2、外因火灾的预防措施

预防外因火灾的措施关键是严格遵守《煤矿安全规程》的有关规定，及时发现外因火灾的初起征兆，并制止其发展。

（1）是防止出现失控的高温热源；

（2）是尽量采用不燃或耐燃材料支护；

（3）使用不燃或难燃制品；

（4）防止可燃物大量的积存。

四、内因火灾（自然发火）

是由于煤炭或其他自燃物自身氧化积热，发生燃烧引起的火灾。

据统计，我国煤矿的矿井火灾中有90%以上为内因火灾。

1、内因火灾发生的地点：

内因火灾多数发生在风流不畅通的地点。

主要有采空区停采线、遗留的煤柱、破裂的煤壁、煤巷的高冒处、假顶工作面、有浮煤堆积的任何地点等。

2、内因火灾的特点

（1）根据预兆能够早期发现。

（2）火源隐蔽，难以直接扑灭。

（3）火灾可以持续时间长

3、内因火灾发火原因

（1）煤炭自燃的学说：

关于煤炭自然的原因，有多种学说解释。

目前普遍认可的是煤氧复合作用学说。

其主要观点是：

煤在常温下吸收空气中的氧气，产生低温氧化，并在煤的表面生成不稳定的氧化物，释放微量热量和初级氧化产物；由于散热不良，热量聚积温度上升，更加促进了低温氧化作用的进程，当达到一定温度（着火温度）时最终导致自然发火。

（2）煤的自燃倾向性：

是煤炭自燃的固有特性，是煤炭自燃的内在因素。

根据３０℃、常压下煤吸附氧气量的大小分为：

Ⅰ类容易自燃、Ⅱ类自燃、Ⅲ类不易自燃。

（3）煤层自然发火的预防：

开采容易自燃和自燃煤层的矿井，必须采取综合预防煤层自然发火的措施。

（4）煤的自然发火期：

是指在开采过程中暴露的煤炭，从接触空气到发生自燃的一段时间。

发火期越短的煤层自然发火的危险程度越大。

（5）煤炭氧化自燃过程

一般可分为三个阶段：

潜伏阶段、自热阶段、燃烧阶段。

10-7煤炭自燃过程示意图

潜伏阶段（又称低温氧化阶段或自燃准备期）：

自煤层被开采接触空气起至煤温开始升高所经历的时间区间。

在此阶段，煤在常温下吸附空气中的氧，在煤表面生成不稳定的氧化物，放出少量的热，煤重略有增加，其增加的重量相当于所吸收的氧的重量。

潜伏期的氧化过程发展较缓慢，温度一般不超过７０℃。

在潜伏期后，煤的表面分子某些结构被激活，化学性质变得活泼，燃点降低，表面颜色变暗。

自热阶段：

随着时间增长，煤温度开始升高到着火点所经过的时间区间。

经过潜伏期，煤的氧化速度加快，发热量逐渐增大，如果氧化生成的热量来有及散发时，积热煤体温度将逐渐升高。

在这一阶段煤的温度每升高１０℃氧化速度就增加２～３倍。

自热阶段煤温可达120℃～150℃.

燃烧阶段：

经过自热期，当煤体温度上升达到着火温度时，煤就会燃烧起来而进入燃烧阶段。

煤进入燃烧期就出现了一般的着火现象。

空气中出现烟雾和浓烈的火灾气味，甚至出现明火。

还有一氧化碳、二氧化碳以及各种可燃气体。

着火温度因煤种而异，无烟煤为400℃、烟煤320℃～380℃、褐煤小于300℃。

火源中心处的煤温可高达1000℃～2000℃。

煤温达到燃点后，供氧不足，只产生烟雾而无明火，煤发生干馏或阴燃（主要特点是温度低、一氧化碳多）。

（6）影响煤炭自燃的因素

①煤层赋存情况及地质因素。

煤层埋藏越深、厚度越大、倾角越大，自燃危险性越大，越容易自燃。

据统计，８０％的自燃火灾是发生在厚煤层的开采中。

顶板岩石坚硬且裂隙发育，冒落后块度大，难以密实地充填采空区而采空区漏风大，供氧条件好；或底板坚硬，护巷煤柱受压大，易破碎则有利于自燃。

煤层中地质构造比较发育的地方，自燃比较频繁。

煤层中的瓦斯能降低煤的吸氧量，但瓦斯逸出后，煤的孔隙增加，使煤的自燃倾向性增加。

研究表明，煤中剩余的瓦斯含量大于５ｍ３/ｔ时，煤炭自燃就难以发生。

②开拓、开采条件。

选择合理的开拓系统和开采方法，能减少煤层的切割量和遗煤量，从而降低自燃危险性。

合理的采煤方法是巷道布置简单、推进快、煤炭回收率高，采区漏风少。

③通风条件：

主要指漏风问题，漏风风流流动的速度及数量对自然而然发火往往起主导作用。

采空区单位面积的漏风量大于1.2m3/（min.m2）或小于0.06m3/（min.m2）时不会发生自燃。

最危险的漏风量为0.4~0.8m3/（min.m2）。

④采空区管理。

及时封闭采空区，保证密闭严密及有效的管理采空区，是减少采空区漏风和防止煤炭自燃发火的重要措施之一。

规程规定采煤工作回采结束后，必须在４５天内进行永久封闭。

（7）采空区自燃三带划分：

不燃带、自燃带、窒息带。

这三个带的位置随工作面推进而前移。

10-8采空区自燃三带划分示意图

五、煤炭自燃的预防

1、开采技术措施：

煤层切割量少、煤炭回采率高、工作面推进速度快（大于4.1米）、采空区容易封闭。

2、通风系统设计合理：

矿井通风网络结构简单、通风阻力适中（2940Pa以下）、主要通风机与风网匹配、通风设施布置合理、通风压力分布适宜（矿井进风、用风、回风段阻力宜保持3：

2：

5的比例）、通风方式以中央分列式或两翼对角式为好、采区应用分区通风。

3、防止漏风：

完全杜绝漏风固然可以消除自燃，但实际上很难做到，通常只能根据矿井的实际情况，严格执行通风管理制度，尽量减少漏风，对预防煤炭自燃发火有重要作用。

4、预防性灌浆：

就是将水和不燃固体材料按一定比例混合，配制成适当浓度的浆液，然后利用灌浆管道系统将其送往采空区等可能发生煤炭自燃的地点，以防止自燃火灾发生。

5、阻化剂防火：

阻化剂是一些吸水性很强的无机盐类，这些盐类附着在煤粒的表面上时，能吸收空气中水分，在煤的表面形成含水液膜，从而阻止煤、氧气的接触，起到隔氧阻化作用。

6、胶体材料防火（凝胶防火）：

是通过压注系统，将基料（水玻璃）和促凝剂（铵盐：

NH4HCO3最佳，NH4Cl次之）按一定比例与水混合后，形成凝胶注入到煤体中凝结固化，起到堵漏和防火的目的。

7、惰性气体防火：

就是将惰性气体注入有自燃危险的区域，降低其氧气浓度，致使采空区中因氧气含量不足而使遗煤不被氧化自燃。

矿井防火中常用惰性气体有氮气、二氧化碳。

8、均压防火：

是指通过均衡漏风通道进出口两端的风压，以杜绝或减少漏风量的措施来防火灭火。

六、火区封闭

（一）防火墙构筑前的准备工作

1、防止爆炸的有关措施

在可能条件下，移除燃烧的可燃物，特别注意火区内设备中的电池、蓄电池，它们会对将来火区恢复工作的安全造成不利影响。

待封闭的区域若有大量煤尘存在，应多覆盖岩粉惰化。

各种电路，包括信号线、架空线和金属管，都应切断。

轨道、输送机应撤除一段，用以切断导电回路。

2、封闭区取样

在火区管理和启封火区时，对封闭状况的了解和决策依据来自封闭火区的取样。

在进回风侧每一座防火墙均应设置取样管。

取样管应在防火墙内向火源位置延伸至尽可能近的距离，用以减少防火墙附近漏风的影响，减少火源生成气体在进入取样管前的移动过程中，因环境影响造成气体组分和浓度的增减。

3、气体监测

①火源下风侧直接监测。

②主要回风流的监测。

（二）防火墙构筑时的注意事项

在构筑防火墙期间，应该注意以下各方面：

1、监测大气压力的变化：

应根据当地气象资料，预测灭火期间大气压力变化，以便尽早采取措施。

2、采取控风措施

（1）通风机供风状态的变化，必须给予高度关注。

（2）风速要适当。

（3）风量要合适，事先应进行计算。

（4）注意火区内风压（风量）脉动现象。

（三）防火墙的建造

防火墙分临时防火墙，半水久、永久防火墙和耐爆防火墙。

1、在砌筑混凝土防火墙时，在竖直的防火墙面用具有适当强度的塑料硬毛刷代替抹刀刷涂抹面砂浆，可以增加防火墙的严实性和耐久性。

特别在防火墙周边与巷壁接触处，用毛刷填塞裂隙比抹刀更为方便，效果更好。

2、在砂浆中掺入玻璃纤维，可以增强砂浆的胶结强度和粘性，并便于涂抹。

3、防火墙与巷道接触周边最易出现漏风。

因此，应分别在巷底、巷帮和巷顶采取：

①巷底处理。

②巷帮处理。

③巷顶处理。

④防火墙内侧周边处理。

（四）火区的封闭顺序

火区的封闭顺序有先进后回、先回后进、同时封闭三种。

封闭顺序对火区内气体压力的变化影响较大。

如图所示。

图10-9封闭顺序对火区内气体压力的影响示意图

（五）封闭效果评价

1、封闭效果不良：

大气压力增加时，CH4浓度降低，O2浓度升高，这意味着大气压力变化对火区气体浓度影响大，外部空气漏入封闭区。

CH4和O2浓度的这种变化趋势表示封闭效果不良。

2、封闭效果良好：

当大气压力增加对，CH4浓度持续增加，O2浓度持续下降，表明火区封闭严密，大气压力增加并未增加漏风。

CH4和O2浓度的这种变化趋势表示封闭效果良好。

例外情况：

当CH4浓度足够高时，若大气压力增加，因少量空气流入火区，会导致CH4被挤出，火区内CH4浓度减小，致使O2浓度增加。

这种情况在防火墙质量最优时也可能发生。

密闭质量对采空区内气体浓度的影响情况如图10-10所示。

3、防火墙质量优劣的确定

确定防火墙质量优劣的标准是大气压力变化引起封闭区内气体浓度变化的时滞性大小。

质量差的防火墙，大气压力的变化几乎会立即引起封闭区内气体浓度变化。

时滞性愈大，防火墙质量愈好。

这—标准可以检查一组防火墙的质量。

图10-10大气压力变化对火区内瓦斯和氧气浓度的影响

a—劣质的防火墙；b—优质的防火墙

4、高质量防火墙对大气压力变化反应的时滞性

了解防火墙质量可以帮助及时了解是否需要或在何时采取补救措施。

值得警惕的是，最好的防火墙也可能产生新的危险。

封闭质量好的防火墙内气体浓度受外界大气压力变化影响的时滞性长。

在大气压力下降很长一段时间后CH4才会流出。

若灭火人员未能注意这一时滞性，忽视在防火墙外某些区域可能意外地含有高浓度CH4，就将存在瓦斯窒息或爆炸的危险。

七、火区管理

1.火区日常管理

（1）建立火区卡片：

卡片上详细记录发火日期、原因、位置、范围、防火墙厚度、建筑材料、灭火处理过程、灌浆量以及空气成分、温度、气压变化等情况，并且要附有火区关系位置图，由矿井通风部门永久保存。

（2）永久性防火墙管理：

井下所有永久性防火墙都要编号管理。

防火墙前要设栅栏悬挂警标，禁止人员进入，并悬挂牌板，记录防火墙内、外的瓦斯浓度、温度及测定日期和测定人员姓名。

（3）加强检查工作：

对墙内的温度和空气成分，要定期进行测定和化验分析。

封闭火区的防火墙必须每天检查一次，瓦斯急剧变化时，每班至少校查一次。

所有检查结果都要记入防火记录簿中。

如果发现防火墙封闭不严或有其他缺陷及火区内有异常变化时，要采取措施及时处理。

（4）检查内容和方法

①检查防火墙水柱计数值的变化，分析封闭区内空气压力变化情况；

②从回风侧防火墙上的观测管内取气样进行气体成分分析，并用温度计测温，观察封闭区内的火情变化；

③检查防火墙有无裂缝，有无漏风现象。

2.火区状态分析

（1）变化速率的确定

式中：

X/、X//——分析期间时间的初、末值；

γ/γ//——与时间对应的气体浓度的百分比。

图10-11封闭火区内气体组分随时间的变化

（2）火区内火源燃烧状态分析

①判断准则1（N2浓度变化速率的影响）

②判断准则2（O2和N2浓度变化速率的比较）

③判断准则3（火区相关气体浓度变化速率的比较）

图10-12封闭火区内其他气体浓度随时间的变化

八、火区启封

1、相关规定

《规程》第二百四十八条封闭的火区，只有经取样化验证实火已熄灭后，方可启封或注销。

火区同时具备下列条件时，方可认为火已熄灭：

（一）火区内的空气温度下降到30℃以下，或与火灾发生前该区的日常空气温度相同。

（二）火区内空气中的氧气浓度降到5.0%以下。

（三）火区内空气中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳浓度在封闭期间内逐渐下降，并稳定在0.001%以下。

（四）火区的出水温度低于25℃，或与火灾发生前该区的日常出水温度相同。

（五）上述4项指标持续稳定的时间在１个月以上。

2、火区状态的分析

（1）火区封闭后，机械通风动力的中断并不能完全停止封闭区内空气流动或经过着火带。

（2）封闭区内大气O2浓度在其体积浓度低于5%时，火焰燃烧将开始逐渐减弱乃至熄灭。

O2浓度在1％以下时，火焰燃烧完全熄灭。

但即使在空气中O2浓度为零的条件下，着火带可燃物的阴燃仍可持续相当长的一段时间，这是启封火区应该特别注意的。

（3）在岩温或可燃物阴燃温度超过150℃左右时，若空气中O2浓度大于5％可能导致复燃。

（4）由于焦炭对CO的吸附作用，着火带燃烧生成的CO可能为焦炭所吸附。

（5）在盲巷火区或因为均压措施杜绝漏风的火区，CO不能散失，即使火源熄灭不再生成CO，CO也长期存在。

（6）在漏风较大的火区，即使CO、CH4、H2、CmHn和CO2浓度下降，O2浓度也可能增加。

（7）火区内煤层瓦斯涌出量大，可能将火区内火源生成的气体挤出，使这些气体浓度下降，但不意味着火源已熄灭。

（8）正确分析封闭区内大气中各种气体浓度的变化趋势，可以提高火区状态分析的准确性。

3、火区启封方法

（1）通风启封火区法

（2）锁风启封火区法，应注意以下情况：

①锁风防火墙的位置。

②锁风法可能存在的危险，应由救护队完成。

③锁风启封火区时的封闭区内大气监测：

压力波动；CO或H2的连续增加表示火势在发展；在冒顶处烟雾增加，预警有复燃的可能。