兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層自然發(fā)火防治技術(shù)

兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層 自然發(fā)火防治技術(shù)自然發(fā)火防治技術(shù) 我國(guó)煤層自然發(fā)火情況嚴(yán)重 據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中大約 有 56 的礦井存在煤層自然發(fā)火危險(xiǎn) 而特厚煤層開(kāi)采自然發(fā) 火更為嚴(yán)重 近年來(lái) 隨著我國(guó)特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的試 驗(yàn)和推廣 煤炭的產(chǎn)量和效益大幅度提高 日產(chǎn)原煤高達(dá) 1 0 1 6 萬(wàn) t 日產(chǎn)值達(dá) 200 多萬(wàn)元 工作面設(shè)備投資在 4000 5000 萬(wàn)元 年產(chǎn) 500 萬(wàn) t 的礦井基本上可實(shí)現(xiàn)一礦一面 確保工作面安全生產(chǎn)顯得尤為重要 但這種采煤法的開(kāi)采強(qiáng)度 大 采空區(qū)遺留殘煤多 冒落高度大 漏風(fēng)嚴(yán)重 隨之出現(xiàn)了 難以解決的火災(zāi) 瓦斯 粉塵等一系列問(wèn)題 據(jù)統(tǒng)計(jì) 我國(guó)煤 礦有 50 以上的綜采放頂煤工作面存在著自然發(fā)火危險(xiǎn) 嚴(yán)重 威脅著礦井的安全生產(chǎn) 因此 防滅火技術(shù)的研究工作也是綜 放工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵之一 1 我國(guó)煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況 我國(guó)煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況 1 1 防滅火技術(shù) 20 世紀(jì) 50 年代我國(guó)開(kāi)始研究并在煤礦推廣黃泥灌漿防滅 火技術(shù) 60 70 年代研究阻化劑防火 均壓通風(fēng) 高倍數(shù)泡沫滅 火等技術(shù) 80 90 年代研究礦井自然發(fā)火預(yù)測(cè)系統(tǒng) 惰氣防滅 火 快速高效堵漏風(fēng) 帶式輸送機(jī)火災(zāi)防治等技術(shù) 并逐步形 成適應(yīng)普通采煤法和高產(chǎn)高效采煤法的綜合防滅火技術(shù) 目前 我國(guó)煤礦煤層開(kāi)采時(shí)期采用的火災(zāi)防治技術(shù)措施 從總體上說(shuō) 有惰化 阻燃 堵漏 降溫及其綜合防治技術(shù) 共同發(fā)揮作用 來(lái)實(shí)現(xiàn)防滅火的目的 1 1 1 惰化防滅火技術(shù) 惰化技術(shù)主要是指將惰性氣體送入擬處理區(qū) 抑制煤自燃 的技術(shù) 主要用在當(dāng)發(fā)生外因火災(zāi)或因煤自燃火災(zāi)而導(dǎo)致的封 閉區(qū) 我國(guó)研制了燃油型 dq 150 dq 1000 型惰氣發(fā)生裝置 裝備了我國(guó)煤礦救護(hù)隊(duì) 成為滅火救災(zāi)的重要設(shè)備 此外還研 制了 bgp 200 型高倍發(fā)泡機(jī)以及 yzwp 180 型惰泡發(fā)生裝置 近年來(lái) 注氮防滅火技術(shù)已在我國(guó)煤礦迅速推廣應(yīng)用 除 部分煤礦用深冷固定制氮機(jī)組和管輸下井注氮系統(tǒng)外 有些礦 井開(kāi)始裝備近年來(lái)新研制的地面移動(dòng)式碳分子篩變壓吸附制氮 機(jī)組 bxnd 500 型 kyzd 800 型 井下移動(dòng)變壓吸附制 氮機(jī)組 jxzd 400 膜分離制氮機(jī)組 kmds 600 型 等 由束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)定 確定采空區(qū)氧化 自燃 窒息 三帶寬度后 用埋管或打鉆向采空區(qū)自燃帶連續(xù)注氮 惰化自 燃帶 達(dá)到防火的目的 在撲滅巷道火災(zāi)中 建臨時(shí)密閉后 向封閉區(qū)注氮?dú)?使火區(qū)氣體氧濃度降至 10 以下可滅明火 降至 1 2 可快速滅火 燃燒深度大的火源 注氮量應(yīng)達(dá)到 火區(qū)體積的 2 3 倍 1 1 2 阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù) 阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù)主要是指將一些阻燃物質(zhì)送入擬處理 區(qū) 從而達(dá)到防滅火目的 除已作為常規(guī)防滅火措施使用的黃 泥漿外 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有粉煤灰 頁(yè)巖泥漿 選煤廠尾礦 漿 阻化劑和阻化泥漿等 已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用 1 1 3 堵漏風(fēng)防滅火技術(shù) 工作面推過(guò)后 及時(shí)封閉和采空區(qū)相連通的巷道 無(wú)煤柱 工作面順槽巷旁充填隔離帶 隔離煤柱裂隙注漿堵漏風(fēng)等均屬 于堵漏風(fēng)防滅火 我國(guó)近年研究了雙料型高水速凝充填料和液 壓快速注漿設(shè)備 并進(jìn)行了無(wú)煤柱工作面順槽巷旁充填隔離帶 的試驗(yàn) 已獲成功 還研制了 kbj 一 100 5 kbj 一 50 3 型速凝 粉煤灰漿設(shè)備和注漿工藝 灰漿輸送距離達(dá) 800m 用于構(gòu)筑永 久密閉 煤壁裂隙 巷道高冒區(qū)灌注 膠結(jié)等作業(yè) 該設(shè)備和 材料還可用于快速構(gòu)筑密閉 1 1 4 災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定 控制及救災(zāi)指揮技術(shù) 我國(guó)研究火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定性和風(fēng)流控制還處于建立物理 數(shù)學(xué)模式進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)路解算和災(zāi)變風(fēng)流模擬的階段 未達(dá)到實(shí) 用化階段 近年來(lái)還開(kāi)展了救災(zāi)專(zhuān)家系統(tǒng)的研究 試圖將眾多 防滅火專(zhuān)家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn) 經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件形成人工智能 組成救 災(zāi)專(zhuān)家決策系統(tǒng) 以便在各火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速選擇救災(zāi)方案 避 免人為因素的片面性 由于該研究的工作量大 難度大 還沒(méi) 有正規(guī)產(chǎn)品間世 自動(dòng)防火監(jiān)控風(fēng)門(mén) 自控防火水幕也是開(kāi)發(fā) 研究的內(nèi)容 已達(dá)實(shí)用化階段 1 2 火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù) 1 2 1 煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的判定 20 世紀(jì) 80 年代前 煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的判定沿用前蘇聯(lián) 的著火溫度法鑒定煤自然發(fā)火傾向 其結(jié)果和開(kāi)采后證實(shí)的情 況基本相符 但對(duì)于高硫煤差異較大 近年來(lái) 研究色譜動(dòng)態(tài)吸氧法測(cè)定吸氧量和吸氧速度 判 定自然發(fā)火傾向 并研制了 zrj 1 型色譜自燃性測(cè)定儀 在煤 礦已推廣使用 在研究煤的自然發(fā)火期及其影響因素中 近年來(lái)采用了 2 種技術(shù)途徑 一是用煤堆實(shí)驗(yàn)裝置在模擬條件下測(cè)定并解算發(fā) 火期 二是測(cè)定煤的吸氧速度 氧化反應(yīng)速度 以熱傳導(dǎo)及熱 平衡原理推算最短自然發(fā)火期 并結(jié)合地質(zhì) 開(kāi)采 通風(fēng)等影 響因素的修正系數(shù)確定煤的發(fā)火期 1 2 2 自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo) 過(guò)去礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)主要采用 co 但最新研究表明 co 已不是在任何情況下都可作為惟一的和最靈敏可靠的判別煤 自燃火災(zāi)的指標(biāo) 最新的研究結(jié)果為 使用 co c2h4 及 c2h23 個(gè)指標(biāo) 綜合地將煤自然發(fā)火分為 3 個(gè)階段 礦井風(fēng) 流中出現(xiàn) 10 6 級(jí) co 時(shí)的緩慢氧化階段 出現(xiàn) 10 6 級(jí) co 和 c2h4 時(shí)的加速氧化階段 出現(xiàn) 10 6 級(jí) co c2h4 和 c2h2 的 激烈氧化階段 此時(shí)即將出現(xiàn)明火 應(yīng)用這 3 個(gè)指標(biāo) 不僅可 預(yù)測(cè)火災(zāi) 而且還可判別其階段 據(jù)此而采取不同的防滅火技 術(shù)措施 本項(xiàng)技術(shù)已在較多礦井中得到應(yīng)用 但對(duì)不同的煤層 必須分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) 優(yōu)選其指標(biāo)的具體應(yīng)用值 才能正確 地應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù) 2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段 預(yù)報(bào)自然發(fā)火的手段 在 20 世紀(jì) 70 年代前是用井下人工 采氣樣 地面儀器分析 并結(jié)合溫度檢測(cè)和人的感知來(lái)判斷發(fā) 火危險(xiǎn)性 80 年代煤礦普及氣相色譜分析方法 并研究應(yīng)用束 管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抽吸井下氣體 地面集中分析 微機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理 和預(yù)報(bào)自然發(fā)火 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為工作面自然發(fā)火預(yù)報(bào)和 采空區(qū)注氮防火的主要監(jiān)測(cè)手段 1 2 3 外因火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng) 我國(guó)煤礦近年曾發(fā)生膠帶輸送機(jī)或機(jī)電硐室火災(zāi) 并造成 重大經(jīng)濟(jì)損失或人員重大傷亡 為此 近年相繼開(kāi)發(fā)出幾種裝 置和儀器設(shè)備 如煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開(kāi)發(fā)的 khj 1 型礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及自動(dòng)滅火裝置以及 mpz 1a 型膠 帶輸送機(jī)自動(dòng)滅火裝置 它們由速差 溫度 煙霧 紫外線 熱敏電纜等 5 種傳感器和電源控制箱聯(lián)接 控制箱由單片微機(jī) 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制 智能判斷 控制噴灑泡沫或水噴霧滅火 為我 國(guó)煤礦外因火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治增添了新的手段和能力 這 些系統(tǒng)都是我國(guó)自己研制開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品 適應(yīng)我國(guó)的具體情況 可供有關(guān)礦井選用 2 煤層自然發(fā)火機(jī)理 煤層自然發(fā)火機(jī)理 2 1 煤體自燃的起因和過(guò)程 煤自燃的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化的物理化 學(xué)過(guò)程 其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)緩慢地自動(dòng)放熱升溫最后引起燃燒的 過(guò)程 該過(guò)程的關(guān)鍵有兩點(diǎn) 一是熱量的自發(fā)產(chǎn)生 二是熱量 的逐漸積聚 導(dǎo)致煤在常溫下產(chǎn)生熱量的因素很多 如水對(duì)煤的潤(rùn)濕熱 煤分子的水解熱 煤中含硫礦物質(zhì)水解及氧化熱 煤中細(xì)菌作 用放出的熱量 煤對(duì)氧的物理吸附熱 煤對(duì)氧的化學(xué)吸附熱以 及煤與氧的化學(xué)反應(yīng)熱等等 這些因素對(duì)于煤體自發(fā)產(chǎn)生熱量 都起著一定的積極作用 在某些條件下甚至是決定性的作用 但大量的研究工作發(fā)現(xiàn)煤的自燃主要是由煤氧復(fù)合作用放出熱 量而引起 煤與空氣接觸后首先發(fā)生煤體對(duì)氧的物理吸附 之 后又發(fā)生煤氧化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng) 導(dǎo)致煤體自燃除熱量的自發(fā)產(chǎn)生之外 另一關(guān)鍵要素就是 自發(fā)產(chǎn)生的熱量被逐漸積聚 煤體自燃所需熱量的積聚不但與 煤氧復(fù)合作用放出熱量有關(guān) 還與煤體的散熱條件有關(guān) 實(shí)際 條件下 煤體的放熱與煤體表面活性結(jié)構(gòu)種類(lèi)和數(shù)量 煤體的 溫度 氧氣濃度等因素有關(guān) 自燃煤體的散熱條件則主要包括 煤體的空隙率 漏風(fēng)強(qiáng)度以及周?chē)h(huán)境的溫度等 當(dāng)煤體的放 熱量大于煤體的散熱量時(shí) 煤體熱量被積聚 煤體溫度上升 當(dāng)煤體放熱量小于散熱量時(shí) 則煤體溫度保持穩(wěn)定 煤體熱量 積聚過(guò)程 也就是煤體自然的發(fā)展過(guò)程 而自燃正是煤體放熱 與散熱這對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)發(fā)展過(guò)程的結(jié)果之一 綜上所述 煤自然發(fā)火主要是由空氣滲透進(jìn)入松散煤體 空氣中的氧與煤分子表面的活性結(jié)構(gòu)接觸 發(fā)生物理吸附 化 學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng) 同時(shí)放出熱量 在一定的蓄熱環(huán)境下 煤 體不斷地氧化 放熱 升溫 當(dāng)煤溫超過(guò)臨界溫度后 煤體繼 續(xù)升溫 達(dá)到煤的著火點(diǎn)溫度 最終導(dǎo)致煤體燃燒 巷道在掘進(jìn)過(guò)程中 煤體暴露于新鮮空氣中 在采動(dòng)壓力 作用下受壓而破碎 離層 風(fēng)流在各種動(dòng)力作用下滲透進(jìn)入煤 體 使煤體氧化放熱 當(dāng)煤體放熱速率大于周?chē)h(huán)境散熱速率 時(shí) 引起升溫 最后導(dǎo)致自燃 由于巷道煤層所處位置 松散 煤體堆積形態(tài) 漏風(fēng)動(dòng)力 散熱條件等與一般煤層不同 具有 自己的特性 尤其是綜放無(wú)煤柱開(kāi)采 因此 巷道煤層自燃除 了具有一般煤層自燃的共性之外 還有自己的特性 2 2 煤層自燃特點(diǎn) 2 2 1 由于受煤礦開(kāi)采條件及采煤工藝的限制 工作面布置 走向長(zhǎng)度大 上千米煤巷采用綜掘一次完成 因而巷道煤體暴 露于空氣的時(shí)間較長(zhǎng) 一般均超過(guò)煤層最短自然發(fā)火期 2 2 2 巷道內(nèi)因火災(zāi)大多起始于距巷道表面一定深度的中部 在采動(dòng)壓力的作用下 暴露面處的煤體破碎程度較大 漏風(fēng)阻 力小 漏風(fēng)強(qiáng)度較大 超過(guò)引起煤自燃的上限漏風(fēng)強(qiáng)度 熱量 不能積聚 無(wú)法形成自熱高溫點(diǎn) 離暴露面較遠(yuǎn)的深部煤體 由于漏風(fēng)通道不暢通 漏風(fēng)阻力較大 氧氣滲透到該處時(shí)濃度 已很小 低于煤自燃的下限氧濃度 處于窒息狀態(tài) 亦無(wú)法形 成自熱高溫點(diǎn) 而在距暴露面一定深度的中部 漏風(fēng)強(qiáng)度適中 風(fēng)流速度慢 氧氣濃度適宜 最容易滿(mǎn)足煤自燃的條件而形成 自熱高溫點(diǎn) 2 2 3 煤體導(dǎo)熱性差 火源隱蔽 往往是在發(fā)現(xiàn)巷道煤體表 面溫度異常時(shí) 內(nèi)部火勢(shì)已形成 自燃火源點(diǎn)逆著風(fēng)流方向發(fā) 展 有害氣體順著風(fēng)流方向流動(dòng) 有時(shí)只見(jiàn)有毒有害氣體而不 見(jiàn)明火 使尋找火源點(diǎn)的工作非常困難 2 2 4 巷道外因火災(zāi) 火勢(shì)發(fā)展迅猛 很快就會(huì)形成大火 但只要氧濃度小于 12 火勢(shì)就熄滅 在發(fā)火初期只有著火處煤 溫很高 由于煤 巖 體導(dǎo)熱性差 周?chē)?巖 體的溫度升 高緩慢 煤體的熱容量小 因此出現(xiàn)外因火災(zāi)初期 火勢(shì)易于 撲滅 巷道松散煤體自燃火災(zāi)則不同 它是煤氧結(jié)合放出熱量 引起自然升溫而形成的火災(zāi) 由于煤體的長(zhǎng)期氧化 逐漸地向 周?chē)?巖 體散熱 同時(shí)自身熱量也逐漸積聚 煤 巖 體 溫度升高 儲(chǔ)存了很大的熱能 火源點(diǎn)周?chē)?巖 體的溫度 很高 欲降低如此大范圍高溫煤 巖 體的溫度難度很大 且 易使暫時(shí)撲滅的火災(zāi)復(fù)燃 2 2 5 井下巷道屬于半封閉空間 煤自燃產(chǎn)生的有毒有害氣 體和滅火時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣等只能朝一個(gè)方向移動(dòng) 救災(zāi)人員工 作空間回旋余地小 給救災(zāi)人員帶來(lái)很大威脅 2 2 6 厚煤層綜放開(kāi)采順槽沿底板掘進(jìn) 巷道頂煤自然發(fā)火 較多 火源位置高 頂煤受礦壓和采動(dòng)影響 易破碎離層 有 些煤層煤質(zhì)松軟 掘進(jìn)過(guò)程中時(shí)常冒頂形成空洞區(qū) 有的上分 層已采 下分層采用綜采放頂煤技術(shù) 由于煤層起伏變化 中 間煤層破碎等原因 使綜放順槽與頂部采空區(qū)連通 2 2 7 無(wú)煤柱開(kāi)采留小煤皮的沿空巷道與鄰近層采空區(qū)連通 火源沿巷道頂板及沿空側(cè) 或頂部 采空區(qū)發(fā)展迅速 火勢(shì)控 制困難 2 2 8 兩道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長(zhǎng)時(shí)間的氧化升溫 由于端頭頂煤放出率低 該頂煤垮落采空區(qū)后 產(chǎn)生 5 8m 寬 的丟煤帶 采空區(qū)這 2 條遺煤帶相對(duì)其他地點(diǎn)溫度更高 自然 發(fā)火期縮短 當(dāng)接近停采線時(shí) 為了撤架而不放頂煤 使得采 空區(qū)形成較大面積懸空 且留有大量浮煤 而撤架時(shí)間又較長(zhǎng) 使自燃性增強(qiáng) 當(dāng)相鄰綜放面沿空送巷和回采時(shí) 由于一次采 落煤層厚度大 采動(dòng)影響范圍廣 相應(yīng)漏風(fēng)量增加 容易引起 巷道自燃火災(zāi) 2 2 9 巷道自然發(fā)火主要發(fā)生在巷道高冒區(qū) 地質(zhì)構(gòu)造帶 煤體破碎帶 裂隙發(fā)育之處 以及巷道有突變的區(qū)域 巷道變 形 起伏 擴(kuò)大 縮小 轉(zhuǎn)彎 分叉 匯合及巷道內(nèi)安設(shè)風(fēng)門(mén) 風(fēng)窗 風(fēng)嶂 堆放雜物等 這些區(qū)域漏風(fēng)強(qiáng)度