第3章 矿井内因火灾的预防

煤矿火灾防治安全工程学院主讲：方宗武TEL:13952297920Email:[e-mail]第一节概述第二节防止煤炭自燃的开采技术措施第三节预防性灌浆第四节阻化剂防火第五节防治火灾的均压技术第六节惰气防灭火第三章矿井内因火灾的防治第一节概述2、矿井自燃火源的分布规律根据统计分析，矿井自燃火源主要分布在采空区两道两线（进风道、回风道、开采线、停采线）、煤柱、巷道顶煤和断层附近、巷道冒高处。1）采空区两道两线：火灾占50％以上。自燃火源主要分布在有碎煤堆积和漏风同时存在、时间大于自然发火期的地方。2）煤柱：尺寸偏小、服务期较长、受采动压力影响的煤柱，容易压酥碎裂，其内部产生自燃火源。鹤岗新一矿在实行无煤柱开采前，煤柱火灾占矿井总火灾55.5％。3）巷道顶煤：采区石门、综采放顶煤工作面沿底掘进的进回风巷等，巷道顶煤受压时间长，压酥破碎，风流渗透和扩散至内部（深处），便会发热自燃。4）断层和地质构造附近。5）巷道冒高处浮煤堆积。1、煤炭自燃条件1）煤本身要有自燃倾向性；（有自燃倾向性的煤呈破碎堆积）2）要有连续的供氧条件；3）热量易于积聚；4）足够的氧化时间。防止煤炭自燃的措施很多，如预防性灌浆、阻化剂、均压、凝胶、注惰气等。但合理的开拓开采方法对于防止煤炭自燃起着决定性的作用。20世纪六、七十年代，因煤软易掘，投入小、见效快。主要将巷道布置在煤中：煤层大巷、煤层上山、煤层集中巷等。采煤方法则采用：房柱式、高落式、垛式、仓储式等老法采煤。挑肥拣瘦，大量丢失余煤，煤炭的堆积导致火灾频频发生。如：甘肃窑街二、三号井，在开采初期，几十米的厚煤层均采用煤巷布置；采煤方法为高落式、煤皮假顶，回采率仅30-40%。投采的3-4年间矿井火灾频频发生，生产处于采采停停、停停采采的被动局面。问题：煤巷布置方式，在薄煤层、单一中厚煤层、不自然煤层中是可行的，但维护费也高。若布置在自燃倾向性严重的煤层、厚煤层、煤层群中，则发火频繁，得不偿失。因此，正确地选择开拓开采方法是很重要的，对于厚煤层、自然发火严重的煤层矿井，尤应如此。第二节防止煤炭自燃的开采技术措施1、合理的巷道布置系统合理的开拓、开采方法要求：A、最小的煤层暴露面；B、最大的煤炭回采率；C、最快的煤炭回采速度；D、最易于封闭的采空区。1）采用岩石巷道尽量减少切割煤层，以最小的煤层切割量获得最大的煤炭回采率。因此对厚煤层、多煤层群矿井的开拓开采布置应采用：岩石水平大巷—岩石上山—岩石集中平巷—联络石门。尽量少掘辅助性巷道。2）区段巷道垂直布置外错式布置工作面垮落堆积浮煤区内错式布置工作面易燃阶梯重叠式布置工作面3）区段巷道分采分掘对于单一薄及中厚煤层采用的上下区段同时掘进方法，易引起自燃。区段布置方式：（1）内错式布置（2）外错式布置（3）重叠式布置应采用走向长臂式采煤，全部垮落法管理顶板的采煤方法，杜绝房柱式、高落式、垛式、仓储式等老法采煤。要做到：（1）少丢煤或不丢煤，尽量减少可燃物；（2）控制矿山压力，减少煤柱破坏；（3）合理布置采区；（4）加快回采速度；（5）减少巷道维护时间；（6）坚持正常的采序。（由外向里、由上向下、由前向后）2、合理的采煤方法开拓开采影响煤自燃实例1.甘肃窑街矿务局开采特厚煤层，最厚98m，自然发火期最短28天。综合八个字：特厚、易燃、空大、火多。1949年-1973年共发火330次，平均年发火14次，百万吨自然发火率1.65次。原因：1961年以前，主要巷道布置在煤中，高落式采煤，煤层假顶，回采率30-40%。1962年以后，改岩巷，金属网假顶，采用跳采、老空复采，百万吨自然发火率降为0.052次。2.阜新五龙矿煤层平均厚度16m，设计能力150万吨/年。上山布置在煤层中，木板假顶，水砂充填，发火期3-6月。1959年-1972年发火66次，最严重时一天出现两次，救护队就停在矿办公楼前待救。一个仅0.011km2的采区出现11个高温火源点，所采的6个采区都发生自燃。改革后采取措施三项：1）改革巷道布置（煤巷改岩巷）；2）改革采煤方法（采用金属网假顶）；3）建立灌浆系统。1963年全部消灭了火区。3、控制矿山压力、减少煤体破碎由于受采掘的影响，破坏了煤岩体内原有的内力平衡状态，从而要引起应力的再分布，也就形成了应力的集中。如图所示。由于集中应力的影响，使巷道壁压裂、压碎、变形等，从而引起漏风和造成蓄热的环境。如孤岛煤柱的集中应力很大，很易自燃。措施：要将巷道布置在卸压带内；减少受矿压影响的巷道的服务年限，在未压裂压碎巷道时就开采完毕。卸压带应力集中带正常应力带应力集中带正常应力带4、合理的通风系统火灾三要素：可燃物、热源、供氧；自燃四要素：自燃倾向性、蓄热环境、供氧、氧化时间。合理的通风系统就是要尽量减少向采空区、煤柱等的漏风供氧条件，具体指：1）通风网络合理指通风网络的结构简单、通风动力与网络的匹配合理。2）通风构筑物布置合理应不引起采空区或火区进、回风密闭两侧风压过高。3）通风压力分布合理通风压力合理分配：3：3：4或3：2：5。回风阻力不要超过50%，总压力不要超过3000Pa(300mmH2O)A、通风网路的结构合理从网络结构来看，开采自燃煤层的大中型矿井，以中央分列式和两翼对角式通风为好，这种方式一是有利于防火，因为采区封闭后可以调节其压力，消除主扇风压的影响；二是便于灾变时，进行通风控制，防止主井进风流发火影响全矿井。采区应是分区通风，即采区之间是一个并联子系统，而不应是串联，应尽量避免角联。采区内尽量采用串并联风路。工作面保持后退式。B、通风动力与网路的匹配合理主扇与风网匹配，是指主扇运行的工况点位于高效区内。在尽量降低井巷的通风阻力，扩大矿井等积孔的同时，主扇压力最好保持在3kPa以下，O.9kPa以上。1）通风网络合理通风设施布置合理是指风门、风墙、调节风门等通风构筑物及设施位置恰当，布局合理。风门、风墙及调节风门在风路中安设将使其前方压力升高而后方压力降低，辅扇则相反，如下图所示。因此在设置这些通风设施时，位置一定要选择好。一般说来，以减小采空区或火区进回风密闭墙两侧通风压差为准。如下图a所示，将调节风门安设在封闭火区进、回风密闭两端AB之间，造成通风压差由hA-B增大至hA′-B′。显然，不利于火区的熄灭。如将调节风门移到AB段之外，如图b所示，通风压差由hA-B减小到hA′-B′，当然有利于火区熄灭。2）通风构筑物布置合理1-安设调节风门前压力坡度线；2-安设调节风门后压力坡度线；3-大气压力为零的基准线；火ABChA-BhA＇-B＇123(b)火ABChA-BhA＇-B＇123(a)设调节风门前后的压力分布状况调节风门安设于封闭火区进出风两端之间调节风门移到封闭火区进出风两端之外开采自燃煤层的矿井，主扇的总风压不宜过高。高风阻、高风压的矿井，对矿井的防灭火是不利的。如山东兖州矿务局南屯矿主扇机压力在3kPa时,发火频繁。当主扇压力降到1.9kPa左右后，自然发火次数大为降低。在一般情况下，大、中型矿井主扇压力应保持在3kPa以下，而小型矿井主扇压力应保持在0.7kPa以上。矿井的进风、用风、回风区段的阻力宜保持3：2：5的比例。如果回风区段的阻力占总阻力的50％以上时，则应采取减阻措施。在易自燃的煤层中应避免主进、回风巷布置在同一标高的近距离内，以免煤柱压裂漏。风供氧造成自燃发火。3）通风压力分布合理无煤柱开采是六十年代开始，七十年代发展成熟的一项技术，无煤柱开采方法不仅巳经获得了良好的经济技术效果，而且在防止煤柱自然发火方面，在不少矿区也巳取得成效。鹤岗新一矿统计，区段煤柱发火占总发火次数的55.6％，可是自75年试行无煤柱开采的地区安全回采五年多无自然发火事故。枣庄柴里煤矿在开采自燃较为严重的特厚煤中也试行了无煤柱开采，获得了沿空掘巷有助于防止自燃的结论。取消煤柱，消除了自然发火的根源，这是无煤柱开采能够有助于防止自燃的关键所在。在特厚煤层的开采中，将水平大巷、采区上山、区段集中运输和回风巷均布置在煤层底板岩石里，采用垮越回采，取消水平大巷煤柱，采区上(下)山煤柱，采用沿空留巷或掘巷，取消区段煤柱，采区区间煤柱，采用倾斜长壁仰斜推进、间隔跳采等措施，并辅以巷旁隔离、采空区灌浆、停采线局部区域灌浆充填、及时封闭、均压通风等措施，则采空区自然发火是可以完全控制的。无煤柱开采存在的问题：1）采空区有害气体的涌出；2）发生火灾后不易封闭。5、推广无煤柱开采1）矿井应采用“由外向里”的开采方式过去的一些矿井，由于过分的强调快出煤、早出煤的要求。以致在开采易自燃的厚煤层时，矿井采用中央并列式通风系统，并在主付井筒贯通之后，就在靠近工业广场煤柱边缘市置工作面采煤。随着回采的推进和扩展，大片采空区遗留在通风的高负压区段，漏风很难杜绝，以致自燃火灾频频发生，生产十分被动。因此，在中央并列式通风的矿井，开采易燃煤层时最好采用由边界后退的开采顺序。6、坚持正常的回采顺序ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ厚煤层开采，应先采上分层后采下分层。煤层群开采，有的矿井单纯追求近期效益，常常是先吃“肥肉”后啃“骨头”，就是说违背正常的自上而下依次开采的顺序，先采厚煤层，后采薄及中厚煤层，以致破坏了上下邻近煤层的完整性，为日后开采防止自然发火制造了困难。2）煤层应采用“由上向下”的开采方式厚煤层由上向下开采煤层群由前向后开采4）工作面应采用后退式更有甚者，一个工作面沿走向提腰斩断，分成二个工作面，同时开采。一前一后，产量成倍增长。但是巷道难以维护，前部工作面采空区漏风严重，后部工作面无风，采空区内遗留孤岛煤柱。这就为自然发火创造了条件。3）区段应采用“由上向下”的开采方式上山采区正常的回采顺序应该是先采上区段，后采下区段，下山采区则相反。然而由于采掘失调，生产工作面接替紧张，又单纯追求快出煤，以致在有的矿井出现反其道而行的现象。其结果是上(下)山巷道维护在采空区内，断面受压缩小，通风阻力增大，采空区漏风严重，自然发火频繁。区段“由上向下”开采工作面应采用后退式工作面沿走向提腰斩断7、防止漏风漏风是导致煤炭氧化自燃的根源，不能做到杜绝漏风，只能说是控制漏风、减少漏风使其达不到自燃条件。一般情况下，采空区单位面积上的漏风量大于1.2m3/min.m2或小于0.06-0.12m3/min.m2,都不会引起自燃。1m3碎煤最利于自燃的供氧条件为1.9m3/h。漏风量大，虽然氧化快，但热量不能集聚，氧化的发热很快被空气带走。漏风量小，氧不足，氧化条件不忍受或很微弱，不致引起热量的集聚。当漏风量为0.4-0.8—1.2m3/min.m2时，是最好的氧化条件，又能充分氧化，热一又不致于会很快带走，能集聚发热致燃烧。把漏风量控制在0.06m3/min.m2以下，非常困难。因此，有的煤矿就增加漏风大于1.2m3/min.m2这样虽使热量不易积聚而能防止自燃，但是在经济上不合理，浪费电能N=hQ。可以采用均压防灭火等其他方法来防火。1）要防止漏风，首先通风系统就要合理，进回风流量尽量少，且使进回风巷两端的压差要尽量小而防止漏风。如图所示，前进式回采时，采用b的通风方式，而不应采用a，加大了漏风；后退式回采时，采用d的通风方式，而不采用c，会在上隅角形成无风区。（a）（b）可排出上隅角瓦斯后退式回采时的通风方式（c）无风隅角区（d）前进式回采时的通风方式2）每一水平、采区、工作面都要实行分压通风，要有单独的回风道，即要采用并联通风，尽量不用串联通风。以便于闭封、调压和降低风阻。3）辅扇和通风构筑后必须堵塞严密以防止漏风。1）井筒及矿内煤柱井筒和矿内煤柱服务年限长、矿井开采几十年，也就服务几十处，因此要留设好井筒和矿井煤柱。井底车场巷也多、峒室大，煤层切割也多。有些矿井在接替紧张时，吃井筒煤柱或矿内边界煤柱，也都是不好的现象。互相吃边界煤柱造成两个邻矿的贯通，互相影响，一个矿发生事故，另一个矿也不能幸免，很危险。例如淮南李一、李二矿，互吃边界煤柱事故。井筒、矿井边界煤柱不得随便回采。8、防止煤柱火灾2）大巷煤柱大巷煤柱服务时间也是很长的，一般都十几年至二十几年，反复受采动影响，两