兗礦綜合機械化放頂煤工作面煤層自然發(fā)火防治技術(shù)

兗礦綜合機械化放頂煤工作面煤層兗礦綜合機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) 我國煤層自然發(fā)火情況嚴重 據(jù)統(tǒng)計國有重點煤礦中大約 有 56 的礦井存在煤層自然發(fā)火危險 而特厚煤層開采自然發(fā) 火更為嚴重 近年來 隨著我國特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的試 驗和推廣 煤炭的產(chǎn)量和效益大幅度提高 日產(chǎn)原煤高達 1 0 1 6 萬 t 日產(chǎn)值達 200 多萬元 工作面設(shè)備投資在 4000 5000 萬元 年產(chǎn) 500 萬 t 的礦井基本上可實現(xiàn)一礦一面 確保工作面安全生產(chǎn)顯得尤為重要 但這種采煤法的開采強度 大 采空區(qū)遺留殘煤多 冒落高度大 漏風(fēng)嚴重 隨之出現(xiàn)了 難以解決的火災(zāi) 瓦斯 粉塵等一系列問題 據(jù)統(tǒng)計 我國煤 礦有 50 以上的綜采放頂煤工作面存在著自然發(fā)火危險 嚴重 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 我國煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況 我國煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況 1 1 防滅火技術(shù) 20 世紀 50 年代我國開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)測系統(tǒng) 惰氣防滅 火 快速高效堵漏風(fēng) 帶式輸送機火災(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 我國煤礦煤層開采時期采用的火災(zāi)防治技術(shù)措施 從總體上說 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 來實現(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) 我國研制了燃油型 dq 150 dq 1000 型惰氣發(fā)生裝置 裝備了我國煤礦救護隊 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)泡機以及 yzwp 180 型惰泡發(fā)生裝置 近年來 注氮防滅火技術(shù)已在我國煤礦迅速推廣應(yīng)用 除 部分煤礦用深冷固定制氮機組和管輸下井注氮系統(tǒng)外 有些礦 井開始裝備近年來新研制的地面移動式碳分子篩變壓吸附制氮 機組 bxnd 500 型 kyzd 800 型 井下移動變壓吸附制 氮機組 jxzd 400 膜分離制氮機組 kmds 600 型 等 由束管監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測測定 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 達到防火的目的 在撲滅巷道火災(zāi)中 建臨時密閉后 向封閉區(qū)注氮氣 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 近年來發(fā)展起來的有粉煤灰 頁巖泥漿 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) 工作面推過后 及時封閉和采空區(qū)相連通的巷道 無煤柱 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 并進行了無煤柱工作面順槽巷旁充填隔離帶 的試驗 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 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)變時期風(fēng)流穩(wěn)定 控制及救災(zāi)指揮技術(shù) 我國研究火災(zāi)時期風(fēng)流穩(wěn)定性和風(fēng)流控制還處于建立物理 數(shù)學(xué)模式進行通風(fēng)網(wǎng)路解算和災(zāi)變風(fēng)流模擬的階段 未達到實 用化階段 近年來還開展了救災(zāi)專家系統(tǒng)的研究 試圖將眾多 防滅火專家的技術(shù)經(jīng)驗 經(jīng)計算機軟件形成人工智能 組成救 災(zāi)專家決策系統(tǒng) 以便在各火災(zāi)發(fā)生時快速選擇救災(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 有正規(guī)產(chǎn)品間世 自動防火監(jiān)控風(fēng)門 自控防火水幕也是開發(fā) 研究的內(nèi)容 已達實用化階段 1 2 火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報技術(shù) 1 2 1 煤自然發(fā)火危險性的判定 20 世紀 80 年代前 煤自然發(fā)火危險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)果和開采后證實的情 況基本相符 但對于高硫煤差異較大 近年來 研究色譜動態(tài)吸氧法測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 近年來采用了 2 種技術(shù)途徑 一是用煤堆實驗裝置在模擬條件下測定并解算發(fā) 火期 二是測定煤的吸氧速度 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)測預(yù)報 1 預(yù)測預(yù)報指標(biāo) 過去礦井火災(zāi)預(yù)測預(yù)報指標(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 個指標(biāo) 綜合地將煤自然發(fā)火分為 3 個階段 礦井風(fēng) 流中出現(xiàn) 10 6 級 co 時的緩慢氧化階段 出現(xiàn) 10 6 級 co 和 c2h4 時的加速氧化階段 出現(xiàn) 10 6 級 co c2h4 和 c2h2 的 激烈氧化階段 此時即將出現(xiàn)明火 應(yīng)用這 3 個指標(biāo) 不僅可 預(yù)測火災(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 本項技術(shù)已在較多礦井中得到應(yīng)用 但對不同的煤層 必須分別進行模擬實驗 優(yōu)選其指標(biāo)的具體應(yīng)用值 才能正確 地應(yīng)用該項技術(shù) 2 預(yù)測預(yù)報手段 預(yù)報自然發(fā)火的手段 在 20 世紀 70 年代前是用井下人工 采氣樣 地面儀器分析 并結(jié)合溫度檢測和人的感知來判斷發(fā) 火危險性 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)測系統(tǒng)抽吸井下氣體 地面集中分析 微機自動數(shù)據(jù)處理 和預(yù)報自然發(fā)火 束管監(jiān)測系統(tǒng)已成為工作面自然發(fā)火預(yù)報和 采空區(qū)注氮防火的主要監(jiān)測手段 1 2 3 外因火災(zāi)檢測系統(tǒng) 我國煤礦近年曾發(fā)生膠帶輸送機或機電硐室火災(zāi) 并造成 重大經(jīng)濟損失或人員重大傷亡 為此 近年相繼開發(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發(fā)的 khj 1 型礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及自動滅火裝置以及 mpz 1a 型膠 帶輸送機自動滅火裝置 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 實現(xiàn)監(jiān)測控制 智能判斷 控制噴灑泡沫或水噴霧滅火 為我 國煤礦外因火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報及防治增添了新的手段和能力 這 些系統(tǒng)都是我國自己研制開發(fā)的產(chǎn)品 適應(yīng)我國的具體情況 可供有關(guān)礦井選用 2 煤層自然發(fā)火機理 煤層自然發(fā)火機理 2 1 煤體自燃的起因和過程 煤自燃的發(fā)生和發(fā)展是一個極其復(fù)雜的動態(tài)變化的物理化 學(xué)過程 其實質(zhì)就是一個緩慢地自動放熱升溫最后引起燃燒的 過程 該過程的關(guān)鍵有兩點 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 如水對煤的潤濕熱 煤分子的水解熱 煤中含硫礦物質(zhì)水解及氧化熱 煤中細菌作 用放出的熱量 煤對氧的物理吸附熱 煤對氧的化學(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) 實際 條件下 煤體的放熱與煤體表面活性結(jié)構(gòu)種類和數(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)強度以及周圍環(huán)境的溫度等 當(dāng)煤體的放 熱量大于煤體的散熱量時 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 則煤體溫度保持穩(wěn)定 煤體熱量 積聚過程 也就是煤體自然的發(fā)展過程 而自燃正是煤體放熱 與散熱這對矛盾運動發(fā)展過程的結(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)煤溫超過臨界溫度后 煤體繼 續(xù)升溫 達到煤的著火點溫度 最終導(dǎo)致煤體燃燒 巷道在掘進過程中 煤體暴露于新鮮空氣中 在采動壓力 作用下受壓而破碎 離層 風(fēng)流在各種動力作用下滲透進入煤 體 使煤體氧化放熱 當(dāng)煤體放熱速率大于周圍環(huán)境散熱速率 時 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 尤其是綜放無煤柱開采 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 2 2 1 由于受煤礦開采條件及采煤工藝的限制 工作面布置 走向長度大 上千米煤巷采用綜掘一次完成 因而巷道煤體暴 露于空氣的時間較長 一般均超過煤層最短自然發(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)強度較大 超過引起煤自燃的上限漏風(fēng)強度 熱量 不能積聚 無法形成自熱高溫點 離暴露面較遠的深部煤體 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) 亦無法形 成自熱高溫點 而在距暴露面一定深度的中部 漏風(fēng)強度適中 風(fēng)流速度慢 氧氣濃度適宜 最容易滿足煤自燃的條件而形成 自熱高溫點 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 內(nèi)部火勢已形成 自燃火源點逆著風(fēng)流方向發(fā) 展 有害氣體順著風(fēng)流方向流動 有時只見有毒有害氣體而不 見明火 使尋找火源點的工作非常困難 2 2 4 巷道外因火災(zāi) 火勢發(fā)展迅猛 很快就會形成大火 但只要氧濃度小于 12 火勢就熄滅 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 周圍煤 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) 由于煤體的長期氧化 逐漸地向 周圍煤 巖 體散熱 同時自身熱量也逐漸積聚 煤 巖 體 溫度升高 儲存了很大的熱能 火源點周圍煤 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 體和滅火時產(chǎn)生的水蒸氣等只能朝一個方向移動 救災(zāi)人員工 作空間回旋余地小 給救災(zāi)人員帶來很大威脅 2 2 6 厚煤層綜放開采順槽沿底板掘進 巷道頂煤自然發(fā)火 較多 火源位置高 頂煤受礦壓和采動影響 易破碎離層 有 些煤層煤質(zhì)松軟 掘進過程中時常冒頂形成空洞區(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 無煤柱開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 火勢控 制困難 2 2 8 兩道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長時間的氧化升溫 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 條遺煤帶相對其他地點溫度更高 自然 發(fā)火期縮短 當(dāng)接近停采線時 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 而撤架時間又較長 使自燃性增強 當(dāng)相鄰綜放面沿空送巷和回采時 由于一次采 落煤層厚度大 采動影響范圍廣 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 擴大 縮小 轉(zhuǎn)彎 分叉 匯合及巷道內(nèi)安設(shè)風(fēng)門 風(fēng)窗 風(fēng)嶂 堆放雜物等 這些區(qū)域漏風(fēng)強度