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防治自然发火主讲人：谢积明第一讲煤炭自燃理论第二讲矿井火灾预测预报第三讲矿井内因火灾的预防第四讲案例概要第一讲煤炭自燃理论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，使得自燃火灾发生频繁，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。1-1煤的自燃概述1、自然发火的定义在理论上，自然发火是指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叫自然发火。名词解释：自燃=自然发火煤矿常见发生自燃的地点：巷道采空区、煤帮（顶）、其他；地点1采空区遗留煤自燃问题冒落采空区回采工作面进风巷道回风巷道•遗煤氧化→CO松动圈煤长期受到氧化，容易发生自燃。巷道松动圈模型顶板岩层松动圈通风风流放出CO气体！地点2巷道围岩（煤）氧化与自燃问题地点3其他地点如堆积煤（煤堆）、煤仓、巷道三角点（受压力影响，煤体被压裂）等煤炭自然发火机理早在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，人们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。1-2煤的自燃学说煤炭自然发火机理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。1-3煤的自燃过程1.3.1煤的氧化进程——热平衡与升温自燃氧化产生热量QF系统传递热量QoutQoutQF发生自热升温的条件QFQout煤炭自燃的条件煤具有自燃倾向性有连续的供氧条件蓄热条件热量易于积聚持续足够的时间凡出现下列情况之一者，定为煤层自燃：①煤炭自燃引起明火；②煤炭自燃产生烟雾；③煤炭自燃产生煤油味；④采空区或巷道中测取的CO浓度超过矿井实际统计的自然发火临界指标。【常用的标准】煤层发生自然发火的标志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三个阶段：①潜伏期；②自热期；②燃烧期。1.3.2一般煤的氧化进程——自燃升温过程时间进程温度℃70~80℃常温迅速自燃！潜伏期自热期燃烧期自燃标志温度风化煤氧化自燃的三阶段煤的自燃潜伏期1951年苏联学者维索沃夫斯基等人提出：煤的自燃是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定的条件下，在低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才能导致自燃。低温氧化过程持续发展，使反应过程的自身加速作用增大，当生成热量不能及时放散，从而就会引起自热阶段的开始。这种氧化反应的特点是分子的基链反应，每一个参加反应的团粒或者说在链上的原子团首先产生一个或多个新的活化团粒(活化链)，然后，又引起相邻团粒活化并参加反应。这个过程在低温条件下，从开始要持续地进行一段时间，这就是人们称之为的“煤的自燃潜伏期”。煤的低温氧化特点是只在其表面进行，化学组分无任何变化。他们通过实验还发现，烟煤低温氧化的结果使着火点降低，以致活化易于点燃。自热温度（Self-heatingtemperature，SHT）自热温度也称临界温度，是能使煤激烈氧化（自燃）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。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Ts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，一般为无烟煤400℃烟煤为320～380℃褐煤为270～350℃。1.3.3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。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。根据煤化度的不同，我国将其划分为长焰煤气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、弱黏煤和不黏煤等。（2）煤岩成分煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。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。镜煤与亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常伴有黄铁矿，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很容易自燃。1.3.3影响煤炭自然发火的因素1.3.3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。（4）煤的粒度、孔隙特性和破碎程度——比表面积:m2/g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10nm（纳米）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。1.3.3影响煤炭自然发火的因素1.3.3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，煤的空隙被空出，煤与氧就更易结合，更容易发生自燃氧化。1.3.3影响煤炭自然发火的因素（6）煤的水分含量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，一部分热量就会以水分潜热的形式被水蒸气带走，这就有阻止煤体温度升高的趋势。另一方面，煤体也会从空气中吸收水分。这就是所谓的吸收热（有时也叫湿润热）会促使煤的温度升高。水分对煤的总的作用就取决于这两种过程谁占主导地位。1-4煤的自然发火期煤的自然发火期：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到自燃点为止，所经历的时间叫煤层的自然发火期。单位：月或天。特点：是一个统计数据。包括煤的自燃倾向性（内因），也反映了煤炭开采的外因条件（漏风，管理，开采条件）；未及时发现自燃的情况。——概念的模糊。最短自然发火期：对一定的煤，在供氧和蓄热环境最充分的条件下，自然发火期的统计最小值。最短自然发火期的确定方法(1)每一煤层的所有回采工作面和巷道，都应进行自然发火期的统计，并确定下来。(2)实验测定方法：利用自然升温实验方法（自然发火实验台）确定煤自然发火期。利用其他仪器间接测定（热重分析仪等）。煤的内部结构和物理化学性质；被开采破坏后的堆积状态参数(分散度)；裂隙或空隙度；通风供氧；蓄热和散热等外部环境等。最短自然发火期与自然发火期的指标含义不同。煤的自然发火期影响因素第二讲矿井火灾预测预报2-1煤炭自燃早期识别与预报煤炭自燃的发展有一个过程，如果能在自燃发展的初期发现它，对于阻止其发展，避免酿成火灾，十分重要。前述的煤炭自燃发展过程中各种物理与化学变化，是早期识别和预报的根据。识别的方法可归为：（1）人的直接感觉；（2）测温度法：测定矿内空气和围岩的温度；（3）气体分析法：测定矿内空气成分的变化；（4）物探测定方法。（5）气味法（electricnose)2.1.1人的直接感觉利用人的感观进行探测是最简便的方法，虽然常带有一定的主观性，但是这种方法仍然比较可靠。(1)嗅觉：煤油味、汽油味和轻微芳香气味的非饱和碳氢化合物。(2)视觉：煤氧化产生的水蒸气，及其在附近煤岩体表面凝结成水珠(俗称为“挂汗”)，在煤炭自燃的最后阶段出现的烟雾。——与地下水渗出的水珠有区别。(3)感(触)觉：煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高。(4)身体感觉：可能使附近空气中的氧浓度降低，CO、CO2等有害气体增加，所以当人们接近火源时，会有头痛、闷热、精神疲乏、身体疲劳等不适之感。2.1.2、测定矿内空气和围岩温度1)．温度计测温法：直接测定是将测温传感器（温度计）直接放入测温钻孔中或埋在采空区内测定煤岩体温度，常采用的是热电偶和热敏电阻。2)．间接测温方法：利用热敏电阻、传输线缆和电测温仪。将热敏电阻埋入采空区，用电测温方法记录，根据测得的电信号换算成温度数值。3)．红外线探测法：是通过测定巷道壁面的红外辐射能量而测定出煤壁表面温度。红外线探测仪包括定点测温仪和区域热成像仪。2.1.2、测定矿内空气和围岩温度4)．光纤测温度技术：利用光纤感温原理，直接测定巷道或采空区区域内的温度技术，是一种“分布式温度传感器”，数据量大，能够实时跟踪区域温度变化。5)．气味剂法：是将含有低沸点和高蒸汽压并具有浓烈气味的液态物质，如硫醇和紫罗兰酮等，将其封装在胶囊中，在设定的高温下，胶囊破裂而发出气味。测温法操作简便，结果可靠，但也存在局限性直接测温由于采空区顶板的垮落或底板裂变易引起测温仪表和导线的破坏和折断，再用钢套管保护也易被损坏。无线电传感器受采空区高湿恶劣环境影响难以成功应用气味剂法因靠漏风传播气味，移动速度慢、分布区域小，较难测取当火源离巷道表面较远时，红外辐射测温仪因接触不到热表面就无能为力热测定面临的最大问题还在于：由于煤体的热传导能力非常弱，热量影响的范围很小，有时钻孔即使打到火源附近1m，也觉察不到火源的存在2.1.2、测定矿内空气和围岩温度2.1.3、气体分析法1煤自燃的气体产物煤炭自热过程中会产生CO、CO2、H2、H2O、烷烃等气体成份，故气体分析法被广泛地用于煤炭早期自燃火灾的预测。由于火灾气体中的主要成分是CO、CO2，自从20世纪初以来，这两种气体的变化量一直被用作分析火灾发展变化趋势的主要指标。将这些变化值除以氧气的消耗量(-ΔO2)即可排除新鲜空气的稀释影响。这些参数的比值已被广泛用来分析火灾的发展变化趋势。煤炭自燃指标气体和煤温的关系Ethane乙烷Ethylene乙烯Propylene丙烯390℃C2H2C2H4109℃一般认为乙炔是自燃进入第三阶段，即燃烧阶段的产物。不同煤种自燃过程中放出一氧化碳的临界温度2-2预测煤炭自燃的标志气体及指标气体分析法预测煤炭自燃的思路是对测点中气