煤礦火災前兆信息及預警新技術課件

煤礦火災前兆信息及預警新技術煤礦火災前兆信息及預警新技術一、煤礦火災概念及分類二、煤礦火災現狀分析三、煤礦火災前兆信息四、煤礦火災預警新技術五、結論一、煤礦火災概念及分類2煤礦火災是指發(fā)生在煤礦井下或地面井口附近、威脅礦井安全生產、形成災害的一切非控制燃燒。火災是煤礦五大主要災害之一，每一場火災的發(fā)生，輕則影響生產，重則可能燒毀煤炭資源和礦井設備，更為嚴重則可能引燃瓦斯煤塵爆炸，釀成人員傷亡的重大惡性事故。煤礦火災概念煤礦火災是指發(fā)生在煤礦井下或地面井口附近、威脅礦井安全生產、3煤礦火災內因火災外因火災井下火災地面火災可燃物（煤炭）自身氧化自燃1、有預兆2、火源隱蔽；3、有一個或長或短的發(fā)展過程；4、持續(xù)時間長外部熱源引燃可燃物1、發(fā)生突然；2、火源明顯；3、發(fā)展迅猛；4、持續(xù)時間短礦山井下的火災，包括井口火災礦山地面的火災1、不容易發(fā)現與察覺；2、井下狹窄不易撲救；3、產生大量的有害氣體；4、持續(xù)時間長1、容易發(fā)現與察覺；2、地面寬廣易撲救；3、產生的有害氣體少；4、持續(xù)時間短按引火熱源的不同按發(fā)火地點的不同煤礦火災內因火災外因火災井下火災地面火災可燃物（煤炭）自身氧4煤炭的主體地位煤炭是我國的主要能源和重要的工業(yè)原料。國家《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004-2020年)》中明確指出“堅持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展”的能源戰(zhàn)略。2011年，全國煤炭產量35億噸，同比增長7.7%，在一次能源消費中約占70.4%，預計2050年仍將占50%以上。2011年中國一次能源消費結構煤炭的主體地位煤炭是我國的主要能源和重要的工業(yè)原料。20115煤礦災害事故依然多發(fā)據統計，2009年-2011年，與火災相關的煤礦事故有92起。單一礦井火災20起，死亡233人；火災誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等繼發(fā)災害72起，死亡364人。2010年6月21日，河南興東二礦井下火藥自燃爆炸，造成46人遇難。2011年7月6日，山東防備煤礦井下空氣壓縮機自燃著火，進而引燃坑木和煤炭，形成大面積的火區(qū)，導致28人死亡。2009年8月18日，云南尚崗煤礦自燃引起巷道垮塌，造成10人死亡。煤礦災害事故依然多發(fā)據統計，2009年-2011年，與火災相6煤礦災害事故依然多發(fā)僅2011年，43起較大瓦斯事故因火災引起的有22起。從瓦斯爆炸火源看，電氣火花10起，放炮7起，煤炭自燃2起，工人吸煙2起，金屬撞擊1起。按引火源分類煤礦災害事故依然多發(fā)僅2011年，43起較大瓦斯事故因火災引7煤礦災害事故依然多發(fā)2012年7月1日，窯街煤電集團有限公司海石灣煤礦6112油頁巖綜采工作面出現間歇性噴火，7月9日工作面下端出現明火，由于火勢發(fā)展迅猛，被迫封閉全礦，7月11日井下油氣燃爆，出現較大沖擊波，將風井防爆門破壞，迫使主扇停止運轉，全礦井停產。煤礦災害事故依然多發(fā)2012年7月1日，窯街煤電集團有限公司8人員傷亡：火災產生的CO、CO2等有毒有害氣體隨高溫火煙一起流入井下各作業(yè)場所，造成人員中毒和窒息。燒毀設備和煤炭資源：井下發(fā)生火災，會燒毀大量的設備、器材和煤炭資源，造成大量煤炭資源呆滯，影響礦井正常生產。煤礦火災危害極大人員傷亡：火災產生的CO、CO2等有毒有害氣體隨高溫火煙一起9嚴重的環(huán)境污染：煤田及矸石山自燃排放的SO2、NxOy、CxOy和煙塵等，嚴重影響生態(tài)環(huán)境，CO2占全球總排量的2%-3%。煤田火災矸石山火災煤礦火災危害極大嚴重的環(huán)境污染：煤田及矸石山自燃排放的SO2、NxOy、Cx10自然發(fā)火嚴重2011年，全國共有煤礦約11000個，具有自燃傾向的礦井占50%以上，傳統礦區(qū)百萬噸發(fā)火率高達7.47。采空區(qū)自然發(fā)火次數占火災總數的60%，巷道煤柱占29%，其它地點占11%。中厚以下煤層的采空區(qū)自燃或愛次數占采空區(qū)發(fā)火總數的16%，厚煤層和特厚煤層的采空區(qū)自燃火災次數占采空區(qū)發(fā)火總數的84%。自然發(fā)火嚴重2011年，全國共有煤礦約11000個，具有自燃11煤炭主產區(qū)受火災影響嚴重煤炭主產區(qū)位于北緯35°以北的北方地區(qū)，其儲量占全國儲量80%以上，年產量占全國60%~70%。這些地區(qū)大部分屬溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，夏季炎熱，冬季寒冷，干旱少雨。區(qū)內煤系主要有石炭二疊紀、侏羅紀、第三紀及少量三疊紀。侏羅紀煤層一般為特厚煤層，厚度在8m~120m之間，變質程度較低，以長焰煤、氣煤為主，侏羅紀煤田特厚煤層普遍自然發(fā)火。北緯35度煤炭主產區(qū)受火災影響嚴重煤炭主產區(qū)位于北緯35°以北的北方地12煤氧化自燃過程燃燒著火點溫度準備期風化時間溫度T0冷卻0Tc＝70℃自熱期準備期：重量略有增加，著火溫度降低，化學活潑性增強。自熱期：氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物分解成H2O、CO2和CO，煤體溫度持續(xù)升高。當煤溫超過自熱的臨界值（60℃～80℃）時，煤溫急劇上升，氧化進程加快，開始出現煤的干餾，生成CmHn、H2及CO氣體。燃燒期：若煤溫上升到著火點溫度，則煤持續(xù)燃燒；若煤溫不能上升到Tc或上升到這一溫度后由于外界條件的變化又降低了下來，則會進入風化狀態(tài)。Tb臨界溫度煤氧化自燃過程燃著火點溫度準備期風化時間溫T0冷卻0Tc＝713煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標CO單一指標CO煤自燃預測預報方面起到了積極的作用，但是CO的檢測溫度范圍較寬，從常溫一直到進入激烈氧化階段都能夠檢測到CO，對煤自然發(fā)火發(fā)展到的階段較難給出準確地判斷。煤自燃大部分發(fā)生在采空區(qū)或煤柱中，受漏風條件的影響極大，這對CO濃度的測定造成了誤差，預報的可靠性也相應降低。煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標CO單一指標CO煤自燃預測預報方14煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標CO單一指標國內平莊古山礦最早將CO的絕對生成量指標用于煤自燃的預測預報，該礦通過對36個回采工作面的長期觀測，得到了CO絕對生成量相應的預測預報臨界指標。自然發(fā)火系數安全值加強觀測值自然發(fā)火預報值H（m3/min）<0.00490.0049~0.0059≥0.0059印度學者AshokK.Singh研究表明，自燃點處氧氣濃度大于15%時，煤氧化產物基本上是CO2，此時往往無法檢測到CO的存在。因此，應用CO指標對煤自燃進行預測預報時，應綜合考慮各方面因素后再作出結論。煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標CO單一指標國內平莊古山礦最早將15煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標格雷哈姆系數由煤氧化過程中CO、CO2濃度的增加量和O2濃度的減少量計算得到。

格雷哈姆系數一般以R2作為主要指標，以R1作為輔助指標，R3則主要用于風流狀態(tài)變化很大的情況。正常情況下，R2值小于0.5%，若R2值持續(xù)上升并超過0.5%的話，即表明該礦井中有自熱現象發(fā)生；超過1%時則說明煤礦井下已經發(fā)生煤自燃現象。實際應用過程中，由于井下情況復雜多變，差別較大，應根據實際情況選用不同的臨界指標。煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標格雷哈姆系數由煤氧化過程中CO、16煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標撫順礦區(qū)實測了格雷哈姆指標，并根據自身情況，總結多年的經驗，采用了相應的指標值。

格雷哈姆系數自燃發(fā)展階段R1/%R2/%R3/%原始階段0-150-10-3初級階段15-301-23-7危險階段30-402-57-10著火階段>40>5>10自燃發(fā)展階段正常狀態(tài)低溫氧化階段（預警值）高溫氧化階段（臨界值）開始燃燒階段（報警值）著火R2/%00-0.450.46-44.1-9>9撫順礦區(qū)實測的格雷哈姆系數撫順老虎臺礦采用的格雷哈姆系數煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標撫順礦區(qū)實測了格雷哈姆指標，并根17煤氧化時會釋放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烴氣體，可通過各烷烴氣體濃度比值對煤自燃的發(fā)展階段進行判斷，稱這些比值為鏈烷比。鏈烷比主要有兩類：C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4；C3H8/C2H6、C4H10/C2H6。煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標鏈烷比鏈烷比受煤本身吸附的烷烴量不同和吸附烷烴的釋放時間的影響，對采掘工作面新破碎、剝落的區(qū)域預報有一定難度，但對發(fā)生在采空區(qū)內的高溫點，由于遺煤破碎強烈，吸附氣體又經歷了較長釋放時間，采用鏈烷比預報自然發(fā)火能取得較好的效果。煤氧化時會釋放CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烴氣18煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標

在煤吸附的氣體中沒有烯烴氣體，井下檢測到的烯烴氣體是煤氧化分解過程中產生的，因此，烯烴氣體的出現表征煤的氧化已經進入釋放氧化氣體階段。也就是說，只要檢測到烯烴氣體，則表明煤溫已達到或超過其臨界溫度。由于C2H4和C3H6不是同一溫度下出現的，因此可以根據它們出現與否判斷煤溫的大致范圍。烯烴及烯烷比煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標在煤吸附的氣體中沒有烯烴19炔烴僅指C2H2，它是煤氧化進入激烈燃燒階段的產物，是所有自燃氧化氣體中最晚出現的氣體，并出現的臨界溫度值較高。根據實際應用經驗，一旦礦井井下檢測到C2H2，則表明在監(jiān)測區(qū)域內存在進入燃燒階段的明火，此時采取滅火措施一定要謹慎，避免直接將火源暴露于空氣中，以防引發(fā)瓦斯煤塵爆炸。煤炭自然發(fā)火標志氣體及其指標炔烴炔烴僅指C2H2，它是煤氧化進入激烈燃燒階段的產物，是所有自20（1）褐煤、長焰煤、氣煤和肥煤：烯烴或烯烷比為首選標志氣體。烯烴預報范圍為110℃～180℃，濃度為（1.0～20.0）×10-7；烯烷比預報范圍應依據煤層瓦斯組分和礦內空氣成分確定。輔助指標為CO及其派生指標。（2）焦煤、瘦煤及貧煤：CO及其派生指標為首選標志氣體，預報范圍為90℃～150℃，濃度為（10～30）×10-7。輔助指標為C2H4或烯烷比。（3）無煙煤（含高硫煤）：僅能選用CO及其派生指標為標志氣體，其預報范圍為100℃～150℃，濃度為（10～35）×10-6。標志氣體優(yōu)選及煤礦火災前兆信息提取《煤層自然發(fā)火標志氣體色譜分析及指標優(yōu)選方法》（AQ/T1019-2006）（1）褐煤、長焰煤、氣煤和肥煤：烯烴或烯烷比為首選標志氣體。21常規(guī)預警方法技術（1）嗅覺。煤炭自熱到一定溫度后出現煤油味、汽油味和輕微芳香氣味的非飽和碳氫化合物，可利用嗅到的氣味判斷附近的煤炭是否在自燃。（2）視覺?？赏ㄟ^觀測煤在氧化過程中產生的水蒸氣，以及附近煤巖體表面凝結的水珠等物理現象，實現自然發(fā)火預警。（3）感覺。煤炭自燃或自熱、可燃物燃燒會使環(huán)境溫度升高，并可能使附近空氣中的氧濃度降低，CO2等有害氣體增加，所以當人們接近火源時，會有頭痛、悶熱、精神疲乏等不適之感。利用人體生理感覺預報自然發(fā)火常規(guī)預警方法技術（1）嗅覺。煤炭自熱到一定溫度后出現煤油味、測定礦內空氣及圍巖溫度的變化測溫法是通過測量溫度變化來表征煤自燃進程。通過在特定區(qū)域安設溫度探測裝置來監(jiān)測煤自然發(fā)火程度。測溫法可分為兩類：一類是用檢測到的溫度值進行預報或報警；另一類是通過監(jiān)測點溫度變化率預報?？捎糜跍囟忍綔y的主要有熱電偶、測溫電阻、半導體測溫元件、集成溫度傳感器、熱敏元件、光纖、紅外、激光及雷達波等。目前溫度法主要不足有：K型熱電偶精度低，長距離有線數據采集結果滯后或失真；監(jiān)測點數量有限，存在監(jiān)測盲區(qū)；勞動強度大，線路敷設困難；常規(guī)預警方法技術測定礦內空氣及圍巖溫度的變化測溫法是通過測量溫度變化來表征煤測定礦內氣體成分的變化氣體分析法根據煤自然發(fā)火過程中產生的氣體種類、濃度及變化率來預測和確定煤自然發(fā)火發(fā)展進程和趨勢。其預警指標可分為兩類：一類是利用某些標志氣體的濃度直接進行預測預報，另一類是利用某些氣體濃度變化率或濃度比值來進行預測，如鏈烷比、格哈雷姆系數等。無論采用哪類氣體指標，都需要精確、快速檢測出各氣體的種類和濃度。目前采用的主要手段是氣體傳感器和色譜分析儀分析。氣體傳感器在井下實際應用中受到井下環(huán)境影響，其穩(wěn)定性和靈敏度都大幅降低，檢測結果存在較大誤差，加之傳感器使用壽命、價格相對比較昂貴，種類比較單一，在一定程度上制約了氣體傳感器的使用。常規(guī)預警方法技術測定礦內氣體成分的變化氣體分析法根據煤自然發(fā)火過程中產生的氣氣相色譜法是目前氣體分析方法中最精確、最可靠的分析儀器之一。“八五”期間礦井火災多參數色譜儀研制成功，實現了煤礦全組分氣體定性定量分析。與束管監(jiān)測技術融合后，實現了對煤礦火災早期預警，在一定程度上促進了我國煤礦自然發(fā)火監(jiān)測和預警技術的成熟和完善。色譜分析的吸附和脫附周期較長，無法實現快速分析；色譜柱需要經常維護；每次色譜分析都需要先進行標樣測試；尤其是氫火焰檢測器不能應用到煤礦井下爆炸危險環(huán)境和應急救援時期搶險救災等災變環(huán)境中使用，常規(guī)預警方法技術氣相色譜法是目前氣體分析方法中最精確、最可靠的分析儀器之一。氣體光譜分析技術是儀器分析領域的一種重要方法，已廣泛應用于食品、醫(yī)藥、材料領域，利用紅外吸收原理檢測氣體是國內外研究熱點。煤礦火災預警新技術——傅里葉變換紅外光譜分析技術棱鏡式紅外分光光度計光柵型紅外光譜儀傅里葉變換紅外光譜儀專業(yè)化、小型化及精密化煤礦火災氣體檢測氣體光譜分析技術是儀器分析領域的一種重要方法，已廣泛應用于食“十一五”期間，利用傅立葉紅外光譜技術對煤礦井下常見CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等的定量分析進行了研究，基于化學計量學方法實現煤礦井下極性氣體的定量分析。煤礦火災預警新技術——傅里葉變換紅外光譜分析技術“十一五”期間，利用傅立葉紅外光譜技術對煤礦井下常見CO、C

利用2500-15400nm中紅外光譜區(qū)，能夠定性檢測煤礦全極性組份氣體，并且定量檢出限達到ppb級。利用2500-15400nm中紅外光譜區(qū)，能夠定性檢測煤礦火災預警新技術——傅里葉變換紅外光譜分析技