矿井火灾防治基础理论

矿井火灾防治基础理论骆大勇邮箱：[e-mail]电话：158238919272002年国有重点煤矿事故严重度的统计3.249.353.19012345678910事故严重度（死亡人数/起）瓦斯事故火灾事故水灾事故瓦斯火灾水灾第一节概述一、火灾与矿井或煤田火灾的概念在矿井或煤田范围内发生，威协安全生产、造成一定资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故，称之为矿井或煤田火灾。二、矿井火灾的类型及其特性１.按引火原因分类1)内因(自燃)火灾；2)外因火灾２.消防分类Ａ类火灾固体可燃物质Ｂ类火灾可燃液体Ｃ类火灾可燃气体Ｄ类火灾可燃金属燃烧形成的火灾一、物质燃烧的充要条件１.必要条件----可燃物、助燃物、高温能量火源。２.充分条件----三个必要条件同时存在，互相作用；Q生Q散3.煤矿常见的外因火源主要有以下几种：1）电能热源;２）摩擦热;３）放明炮、糊炮等;4）明火（高温焊碴、吸烟）。第二节矿井外因火灾及其预防二、外因火灾的预防1.我国的消防方针--预防为主，消防结合2.防火对策１）技术(Engineering)对策(1)灾前对策--防止起火、防止火灾扩大(2)灾后对策--报警、控制、灭火、避难２）教育（Education）对策--知识、技术、态度３）管理（Enforcement）对策--制定各种规程、规范和标准，且强制性执行。第二节矿井外因火灾及其预防三、预防外因火灾的技术措施（一）防止火灾产生1.防止失控的高温热源产生和存在。按《煤矿安全规程》及其执行说明要求严格对高温热源、明火和潜在的火源进行管理。2.尽量不用或少用可燃材料，不得不用时应与潜在热源保持一定的安全距离。3.防止产生机电火灾。4.防止摩擦引燃（１）防止胶带摩擦起火。（２）防止摩擦引燃瓦斯。5.防止高温热源和火花与可燃物相互作用。第二节矿井外因火灾及其预防（二）防止火灾蔓延的措施1.在适当的位置建造防火门，防止火灾事故扩大。2.每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库。3.每一矿井必须在地面设置消防水池，在井下设置消防管路系统。4.主要通风机必须具有反风系统或设备，反风设施并保持其状态良好。第二节矿井外因火灾及其预防一、煤炭自然机理1.黄铁矿作用学说2.细菌作用学说3.酚基作用学说4.煤氧化合学说等第三节煤炭自燃的理论基础二、自燃发火与自燃发火期自燃发火：有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触发生氧化，产生热量使其温度升高，出现发火和冒烟的现象。(1)明火、冒烟、火炭；(2)T70℃；(3)CO、C2H4等超临界值并上升。自燃发火期：从煤层被开采破碎接触空气之日起，至出现自燃现象或温度上升至燃点为止所经历时间。第三节煤炭自燃的理论基础三、煤炭自条件1.具有自燃倾向的煤被开采后呈破碎堆积状态；2.有较好的蓄热条件；3.有适量的通风供氧；4.上述三条件共存的时间大于煤的自燃发火期。第三节煤炭自燃的理论基础四、影响煤炭自然发火的因素1.煤的自燃性能1）煤的分子结构2）煤化程度3）煤岩成分4）煤中的瓦斯含量5）水分6）煤中硫和其它矿物质含量第三节煤炭自燃的理论基础2.开采技术矿井的开拓方式、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、通风系统和技术管理等开采技术和管理水平，对自然发火起决定性影响。1）矿井开拓方式和采区巷道布置。2）回采方法和回采工艺，但其决定的因素是回采率和工作面推进速度。第三节煤炭自燃的理论基础3.影响采空区自燃的因素１）采空区三带划分散热带Ⅰ：L1=5~20m,由于自由堆积，空隙漏风大，Q生Q散，自燃带Ⅱ：L2=20~70m，空隙、漏风小，Q生Q散窒息（不自燃）带Ⅲ：漏风小，氧气浓度低L1L2ⅠⅢWⅡ第三节煤炭自燃的理论基础划分三带的指标：①采空区漏风风速V（V0.9m/s为散热带；0.9≥V≥0.02m/s为自燃带；V＜0.02m/s为自窒息带。）；②采空区氧浓度（C）分布（认为C＜8%为窒息带，C≥8%为自燃带）；③采空区遗煤温升速度（dt1℃/d为自燃带）。第三节煤炭自燃的理论基础２）采空区遗煤自燃的条件及其影响因素设自燃带的最大宽度为L1+L2，工作面的推进速度为V，自然发火期为τS，在自燃带内煤暴露于空气的最长时间为τ(月)，则τ＝(L1+L2)/V当:τS≤τ时，可能发生自燃。第三节煤炭自燃的理论基础4.漏风在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方面的作用：一是向煤提供氧化所必须的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。苏联学者等研究表明，采空区及煤柱的漏风强度在0.1～0.24m3/(min.m2)时容易自然发火。有的作者认为不会导致自燃的极限风速低于0.02～0.05m3/(min.m2)；封闭采空区密闭墙漏风压差在300Pa、漏风强度在０.02～1.2m3/(min.m2)时容易自然发火的。因此，有一定局限性。但对我们研究自燃问题是有参考价值的。把风速控制在易燃风速区之外，是从通风的角度预防自然发火的原则。第三节煤炭自燃的理论基础5.地质因素１）倾角２）煤层厚度３）地质构造４）开采深度第三节煤炭自燃的理论基础五、煤的自燃过程及特点1.潜伏（自燃准备）期：以物理吸附，煤温开始升高，无宏观现象。２.自热阶段：自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化生成热量逐渐积累、温度自动升高的过程。３.自燃阶段：煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧（风），则发生燃烧，出现明火。4.熄灭：降到燃点以下。潜伏期自热期自热期风化燃烧时间温度TC=70TB第三节煤炭自燃的理论基础一、矿井外因火灾预测矿井外因火灾预测是，通过井巷中的可燃物和潜在火源分布调查，确定可能产生外因火灾的空间位置，及其危险性等级。二、矿井火灾的预报根据火灾发生和发展的规律，应用成熟的经验和先进的科学技术手段，采集处于萌芽状态的火灾信息，进行逻辑推断后给出火情报告。第四节矿井火灾预测和预报1.利用人体生理感觉预报自然发火１）嗅觉；２）视觉；３）感（触）觉。第四节矿井火灾预测和预报2.气体成分分析法1）指标气体及其临界指标能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期阶段特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体叫指标气体。2）常用的指标气体(1)一氧化碳（ＣＯ）(2)Graham系数ICO(3)乙烯(4)其它指标气体第四节矿井火灾预测和预报第五节开采技术防火措施一、矿井自燃火源的分布规律1.采空区2.煤柱3.巷道顶煤4.断层和地质构造附近二、开拓开采技术防火措施1.总体要求(1)提高回采率(2)限制或阻止空气流入疏松煤体，消除供氧(减少漏风、减小压差)(3)漏风风速小于自燃风速第五节开采技术防火措施2.主要技术措施1)合理地进行巷道布置(1)尽量岩巷，有利于均压，(2)区段巷道分采分掘；(3)无煤柱开采技术2)选择合理的采煤方法和先进的回采工艺，提高回采率，加快回采进度。3)选择合理的通风系统。4)坚持自上而下的开采顺序。5)合理确定近距离相邻煤层和厚煤层分层同采时两工作面之间的错距，防止上、下之间采空区连通。第五节开采技术防火措施第六节灌浆防灭火一、灌浆防灭火的机理1.减少反应面，延缓氧化进程；2.吸热降温；3.增加采空区的气密性，减少漏风。二、浆液的制备(一)浆液性能1.浓度（土水比）：固体浆材与水的比例，浓度过大，流动性差，浆液分布不均，且易堵管；浓度过小，包裹效果，对岩石的胶结和防漏风效果差。2.稳定性：固体浆材在浆液中保持悬浮的特性。3.渗透性：浆液在煤体裂隙和空隙内的渗透能力。4.粘性：流体抵抗变形的性质。第六节灌浆防灭火(二)浆材的选取要求(1)不含或少含可燃和自燃物质。(2)不含催化物质。(3)粒度一舷不大于2mm，而且细小颗粒应占大部分。对沾土，d小于等于0.1mm的颗粒应占60％~70％；页岩，d小于等于0.077mm者应占70％~75%。(4)相对密度一般要求为2.5~2.6。(5)胶体混合物浓度25％~30％。(6)塑性指数IP第六节灌浆防灭火第六节灌浆防灭火(二)浆材的选取要求我国应用的浆材以黄土为主，对于缺土矿区已采用一些代用浆材，如四川芜蓉杉木树、中梁山和天府等煤矿应用粉碎的页岩进行灌浆；南屯矿于1982年9月开始利用矸石制浆；江西萍乡高坑矿自1979年用洗煤厂尾矿(含碳量12％左右)加黄土(使得含碳量相对降低)作为酒浆材料；开滦赵各庄矿(1979年)、山东新汶张庄(1980年)和河南乎顶山十一矿利用电厂飞灰做防灭火灌浆和充填材料都收到了较好的效果。第六节灌浆防灭火四、灌浆灭火方法1.灌浆形式1）采前预灌2）随采随灌3）采后注浆第六节灌浆防灭火四、灌浆灭火方法2.灌浆方法(1)钻孔灌浆(2)埋管灌浆(3)工作面洒浆(4)综采工作面插管灌浆第六节灌浆防灭火从底板或钻窝打钻注浆第六节灌浆防灭火埋管注浆第七节阻化剂灭火一、概述阻化剂：在化学上，凡是能减小化学反应速度的化学物质皆称为阻化剂。也叫负催化剂或负触媒剂。常用阻化剂：有机盐类化合物，如氯化钙、氯化镁、氯化铵和水玻璃等。应用：阻化剂与水按一定的比例混合，形成一定浓度的溶液，利用设备喷洒在煤堆上、采空区或注入煤体内，降低煤炭氧化速度，延缓氧化进程，达到防灭火的目的。第七节阻化剂灭火一、概述国外：日本、美国、原苏联等国家在60年代开始使用。优点：防火设备和工艺简单，初期投资少，不需要占大量农田，适用于缺土少水的地区。缺点：对采空区再生顶板的胶结作用不如泥浆好；对金属有一定的腐蚀作用，其阻化剂的寿命有待进一步提高。第七节阻化剂灭火二、灭火原理1.增加煤在低温时的化学惰性；2.形成液膜包围煤块和煤的表面裂隙面；3.充填煤柱内部裂隙；4.增加煤体的蓄水能力；5.水分蒸发吸热降温。实质：降低煤在低温时的氧化速度，延长煤的自然发火期。第八节凝胶灭火一、凝胶灭火机理凝胶是由基料(硅酸盐(水玻璃))十促凝剂(碳酸氢铵等盐类)十水(90％左右)组成。其基料和促凝剂都具有阻化作用，加之含有大量水分，在一定的压力下，注入到高温点周围的煤体中。在成胶前凝胶易于流动，能够渗透到煤体碎裂的内部。既可起到阻止氧化作用，又可封堵漏风(裂隙)通道，防止漏风渗入；其内固聚的大量水分，遇高温受热蒸发，还可以起到吸热降温作用。第八节凝胶灭火二、凝胶材料近年来国内外应用凝胶的主体基料一般为液态水玻璃(俗称泡花碱，化学分子式Na2O·nSiO2，或Na2SiO2)；促凝剂是一种使水玻璃能快速生成Si(0H)4胶体，可供选择物质有稀盐酸、稀硫酸、氯化铵、碳酸氢铵、硫酸铵、硫酸铝等。第八节凝胶灭火三、凝胶性能指标1)成胶时间用于灭火和处理高温点，成胶时间控制在喷出后30~50s较好；用于堵调防火，压注碎裂煤体，要求有较强的渗透性，成胶时间控制在5~10min为宜。2)热稳定性3)胶的强度第九节三相泡沫防灭火一、三相泡沫防灭火原理三相泡沫是由气、固、液相经发泡而形成的具有一定分散体系的混合体，粉煤灰或黄泥浆注入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅增大，在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤均能省效地覆盖；氮气能有效地固封于三相泡沫之中并下落到火区底部，随泡沫破灭而释放出，充分发挥了氮气的情化、抑爆作用。第九节三相泡沫防灭火二、三相泡沫的技术参数泥浆水土比：4:1~5:1发泡剂量：0.2％~0.5％发泡倍数：30倍泡沫稳定时间：8h~36h第九节三相泡沫防灭火氮气粉煤灰或黄泥水三相泡沫第九节三相泡沫防灭火三相泡沫制作流程制浆站混合器发泡器发泡剂氮气三相泡沫第九节三相泡沫防灭火实验产生的三相泡沫第九节三相泡沫防灭火喷出的三相泡沫第九节三相泡沫防灭火三相泡沫有良好的堆积性能一、调压设施均压防灭火的原理1.调节风窗调压的原理实质：增阻减风，改变调压风路上的压力分布，达到调压目的。前提条件：本分支风量允许减少ABⅠⅡABOaba’b’EL第十节均压防灭火2.风机调压的原理实质：利用风机产生的增风增压作用，改变风路上的压力分布，达到调压目的。前提：以增加风量为前提。ABL1E第十节均压防灭火（三）风窗-风机联合调压的原理１.风窗－风机增压调节２.风窗－风机联合降压调节hwHHhw风量不变风量减少第十节均压防灭火二、生产工作面采空区自