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周福宝教授中国矿业大学矿井火灾防治理论与技术国家653培训工程多媒体课件网站：：zfbcumt@163.com电话：13225221829个人简介•中煤劳保学会矿井通风专委会秘书长，教育部新世纪优秀人才、孙越崎青年科技奖获得者•赴美、澳、英、南非、孟加拉、新加坡等国进行学术交流、合作科研•从事煤矿火灾、瓦斯治理等科研工作，完成科研项目30余项，获1项国家科技进步二等奖、8项省部级奖、3项发明专利@163.com132252218291概述•矿井火灾是指发生在矿井井下或地面井口附近、威胁矿井安全生产、形成灾害的一切非控制燃烧，是煤矿生产中的主要自然灾害之一。•矿井火灾的发生和发展不仅会烧毁大量的煤炭资源和设备，而且产生大量的高温烟流和有害气体，危及井下工作人员的生命安全，有时还诱发瓦斯、煤尘爆炸，进一步扩大其灾难性。我国每年都有多起矿井火灾恶性事故发生，给矿井带来巨大的灾难。•矿井火灾按引火热源分–外源火灾–自燃火灾2002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矿井封闭达1000多万m3，火区范围广（300多万m3）A烟雾冲出井口1.立项背景与总体思路B.井口密闭摧毁C井口风门倒塌D.风机房炸上天2矿井外源火灾•一切能够产生高温、明火、火花的以及由可燃材料制成的器材和设备，如使用不当都可能引起外因火灾。•随着科技的发展，矿井开采技术不断进步和开采环境的不断改善，但矿井火灾与爆炸灾害并没有呈现下降趋势。究其原因，一是更多的新材料，包括各种树脂、塑料、液体燃料和液压机液等应用到矿井中，另外就是机械化程度不断提高，机电设备增多，这些都增加了火灾的发生概率。•现在矿井灾害事故中牺牲的人员绝大多数是在矿井火灾和爆炸事故中丧生的，因此，矿井火灾的防治一直是采矿安全关注的重点。2002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一、外源火灾特性•1、火灾三要素产生外源火灾的三个必要条件是：有可燃物存在、有足够的氧气和足以引起火灾的热源。这也称火灾三要素，缺少任何一个要素，火灾都不能发生，或者正在发生的火灾也会熄灭。火可燃物源热氧气2、火灾的燃烧类型•扩散燃烧（DiffusionCombustion）是高浓度的可燃气体与空气边混合边燃烧的燃烧现象。•预混燃烧（PremixedCombustion）是可燃气体与空气预先混合好后的燃烧富氧燃烧和富燃料燃烧回燃•受限空间内发生火灾时，当空气供应不足时，由可燃物分解的可燃组分进入到烟流中因缺氧而不能燃烧，此时即为富燃料燃烧状态，当富燃料燃烧的高温可燃气体遇新鲜空气时发生的突然燃烧，称作回燃。什么是回燃？回燃的发展过程火没了，可以进去了热烟气空气重力流门着火了富燃料燃烧实验（“跳蛙”现象）火风压（浮力效应）•矿井发生火灾时，火灾的热力作用会使空气的温度增高而发生膨胀，密度小的热空气在有高差的巷道中就会产生一种浮升力，这个浮升力的大小与巷道的高差及火灾前后的空气密度差有关。在地面建筑中这种现象也很普遍，被称为烟囱效应，即通常室内空气的密度比外界小，这便产生了使气体向上运动的浮力，尤其是高层建筑中的许多竖井，如楼梯井、电梯井等，气体的上升运动十分显著，这种现象有时也叫热风压。•在矿井中，火灾产生的热动力是一种浮升力，这种浮力效应(Thebuoyancyeffect)就被称为火风压。火风压就是高温烟流经倾斜或垂直的井巷时产生的自然风压的增量。火风压与矿井自然风压的产生机制是一致的，都是在倾斜和垂直的巷道上出现的空气的密度差所至，只是使空气密度发生变化的热源不同，故这二者都可称为热风压。•矿井发生火灾后，由于火风压的作用会改变原通风系统中压力的分布和风量的分配，即可能使通风系统风流发生紊乱，扩大事故范围，造成更为严重的损失。火风压的计算gZgZhssf)()]()[(00火风压的作用•在风路中发生火灾时，火风压的作用只有在高温烟流流经的上行或下行巷道里才能表现出来。高温火烟对矿井通风的影响就好象在其流过的上行或下行巷道里安设了局部通风机一样，它们的作用方向在上行风路中与烟流方向相同，在下行风路中则相反。节流效应（TheChokeeffect）•节流效应是矿井火灾过程中的一种典型现象。矿井火灾时期，由于火烟的热力作用等的影响，主干风路以及旁侧支路中的风量往往会随着火势的发展而发生变化。如果由于火灾的发生，主干风路的进风量可能下降，这种现象称之为节流效应火灾对通风系统的影响•1、烟流逆退（rollback）•2、风（烟）流逆转案例•1990年5月8日，某矿在下行进风胶带斜井两段胶带搭接处发生了一起重大胶带火灾事故，火灾产生的火风压造成了进风斜井的风流逆转，从而扩大了事故的损失，共造成了80人死亡。123576498火皮带斜井总石门东三采区东风井二段皮带巷立井联络车场事故分析•事故初期抢险救灾决策失误。作为下行通风的运输机斜井发生火灾时，火风压的作用与主要通风机提供的风压作用相反，极易造成风流的逆转；作为一般的救灾原则，当进风井筒中发生火灾时，必须采取反风或停止主要通风机运转的措施。救灾决策者因救灾心切盲目带领救护队员进入发火胶带斜井救灾。•矿井缺乏抗灾能力。事故发生时，矿井不能反风；在编制的矿井灾害预防计划中，没有提出运输机胶带斜井的预防火灾措施。•缺乏安全意识，防火设施和措施不落实：使用非阻燃胶带；地面水池设计要求容量200m3,但实际容量10m3；灭火工具不配套，只有砂箱没有铁锹；改扩建设计中有防火门，但未施工；第一台胶带机交付使用时没有铺设供水管路；井下电、气焊安全措施制定不完善，审批不严，在作业地点胶末、胶条等易燃物清理不彻底的情况下进行气焊；作业地点没有洒水措施。•缺乏必要的安全教育，工人没有学习安全措施就工作；灾害时不会使用消防器材；没有配备自救器，致使人员伤亡严重。3煤炭自燃•我国存在有煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，具有自然发火危险的煤层占累计可采煤层数的60%；煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的85～90%。•近年来我国广泛采用综采放顶煤开采技术，使生产效率大幅提高。但这种采煤方法采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，使得自然火灾发生频繁，常常价值几千万元的综采装备被封闭在火区中，此外还使大量的煤炭被火区冻结，造成巨大的经济损失。煤炭自燃已成为制约高产高效矿井安全生产与发展的主要因素之一。1、煤自燃2、奶粉自燃3、堆积的草垛4、黄磷5、堆积的油纸油布CoalDustsPowderPlant煤炭自然发火机理•1862年，德国人戈朗布曼（Grumbman）发表了第一篇关于煤炭自燃起因的文章。一百多年来，为了解答煤为什么能够自燃，人们进行了不懈的努力与探索，提出了若干学说来解释煤的自燃，如黄铁矿作用、细菌作用、酚基作用，煤氧复合作用等学说。•黄铁矿作用学说认为煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿(FeS2)与空气中的水份和氧相互作用、发生热反应而引起的。•细菌作用学说认为，在细菌作用下，煤在发酵过程中放出一定热量对煤自热起了决定性作用。•酚基作用学说认为，煤的自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物强烈地吸附空气中的氧，同时放出一定量的热量而造成的。•煤氧复合作用学说认为，原始煤体自暴露于空气中后，与氧气结合，发生氧化并产生热量，当具备适宜的储热条件，就开始升温，最终导致煤的自燃。煤炭自燃过程•根据现有的研究成果，人们认为煤炭的氧化和自燃是基一链反应。煤炭自燃过程大体分为3个阶段：①潜伏期；②自热期；③燃烧期。自热温度（Self-heatingtemperature，SHT）•自热温度也称临界温度，是能使煤自发燃烧的最低温度。一旦达到了该温度点，煤氧化的产热与煤所在环境的散热就失去了平衡，即产热量将高于散热量，就会导致煤与环境温度的上升，从而又加速了煤的氧化速度并又产生更多的热量，直至煤自燃起来。•煤的自热温度与煤的产热能力和蓄热环境有关，对于具有相同产热能力的煤，煤的自热温度也是不同的，主要取决于煤所在的散热环境。如浮煤堆积量越大，散热环境越差，煤的最低自热温度就越低。因此应注意即使是同一种煤，其自热温度不是一个常量，受散热（蓄热）环境影响很大煤的着火点温度•自热期的发展有可能使煤温上升到着火温度(Ts)而导致自燃。•煤的着火点温度由于煤种不同而变化–无烟煤一般为400℃–烟煤320～380℃–褐煤270～350℃。煤炭自燃的条件•煤具有自燃倾向性•有连续的供氧条件•热量易于积聚影响煤炭自然发火的因素（1）煤的变质程度•煤的变质过程伴随着煤分子结构的变化，碳化程度越高，煤体内含有的活性结构越少。所以煤的变质程度是煤自燃倾向性的决定性因素。影响煤自燃的因素又很多，所以同一变质程度的煤可能自燃，也可能不自燃。现场的统计表面，褐煤最易自燃，无烟煤最不易自燃，烟煤介于二者之间。•烟煤的煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。烟煤是自然界最重要，分布最广，储量最大，品种最多的煤种。根据煤化度的不同，我国将其划分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。影响煤炭自然发火的因素（2）煤岩成分•煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。在不同的煤炭中，这四种成分的数量变化很大，通常煤体中大多数是暗煤和亮煤，除极少数的情况外，丝煤和镜煤仅仅是煤中的少量混杂物质。•不同的煤岩成分有着不同的氧化性。在低温下，丝煤吸氧最多，但是，随着温度的升高，镜煤吸附氧能力最强，其次是亮煤，暗煤最难于自燃。丝煤结构松散，吸氧量强，在常温条件下，丝煤吸附氧的数量较其它煤种要多1.5～2.0倍，50℃时为5倍。丝煤的着火温度低，仅为190—270℃。所以人们认为，在常温条件下，丝煤是自燃的导因，起着引火物的作用。•镜煤与亮煤脆性大，易破碎，灰分少，其次生的裂隙中常常充填有黄铁矿，开采中易碎裂为微细的颗粒，细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃氧化特性，因此它的氧化接触面积大，着火温度低。故镜煤与亮煤在丝煤吸附氧化升温的促使诱导下容易自燃。影响煤炭自然发火的因素（3）煤的含硫量•硫在煤中有三种存在形式：硫化铁即黄铁矿(FeS2)、有机硫以及硫酸盐。对煤自燃起主导作用的是黄铁矿。黄铁矿的比热小，它与煤吸附相同的氧量而温度的增值比煤大3倍。黄铁矿在低温氧化时产生硫酸铁和硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变得松散，增大了氧化表面积，而且其分解产物比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧转让给煤粒使之发生氧化。在煤中含黄铁矿越多，就越易自燃。我国许多高硫矿区如贵州的六枝，四川的芙蓉和中梁山，江西的萍乡、英岗岭，湖南的杨梅山均属自燃比较严重的矿区。我国西南主要矿区的统计资料表明，含硫3%以上的煤层均为自然发火煤层。影响煤炭自然发火的因素（4）煤的粒度、孔隙特性和破碎程度•完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能显著提高。这是因为破碎的煤炭不仅与氧接触的表面积增大，而且着火温度也明显降低。•有人研究，当煤粒度小于1mm时氧化速率与粒径无关，并认为孔径大于100Å的孔在煤氧化中起重要作用。根据波兰的试验，当烟煤的粒度直径为1.5～2mm时，其着火点温度大多在330～360℃；粒度直径小于1mm以下时，着火点温度可能降低到190～220℃。因此，可以说，煤的自燃性随着其孔隙率、破碎度的增加而上升。影响煤炭自然发火的因素（5）煤的瓦斯含量•瓦斯或者其它气体含量较高的煤，由于其内表面含有大量的吸附瓦斯，使煤与空气隔离，氧气不易与煤表面发生接触，也就不易与煤进行复合氧化，使煤炭自燃的潜伏期加长。当煤中残余瓦斯量大于5m3/t时，煤往往难以自燃。但是随着瓦斯的放散，煤与氧就更易结合。影响煤炭自然发火的因素•水分对煤炭自燃过程的影响有两个相互对立的过程。–首先，煤炭中的水分在初期阶段会因为蒸发作用而散失，因此，一部分热量就