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矿井火灾防治新技术讲座唐一博博士副教授太原理工大学TEL:13643609535E-MAIL:tangyibo11@126.com•1.矿井火灾防治现状•2.矿井火灾防治新理论•3.防灭火技术•4.防灭火材料•5.煤矸石火灾的治理提纲火灾基础理论CollapseofthesouthtowerattheWorldTradeCenterShangri-LafireOiltankfire矿井火灾防治现状矿井火灾是指：发生在矿井内或地面并威胁到井下安全生产、造成损失的失控燃烧。矿井火灾防治现状矿井火灾防治现状外因火灾是由于外来热源(如明火、放炮、瓦斯煤尘爆炸、机电设备运转不良、机械摩擦、电流短路等)造成的火灾。它可发生在矿井任何地点，但多发生在井口楼、井筒、机电硐室、火药库及安有机电设备的巷道或工作面内。•煤自燃（内因火灾）也称煤炭自燃，是煤不经点燃而自行着火的现象，是有自燃倾向性的煤在遇到空气中的氧气时，进行氧化产生的热量大于向周围环境中散失的热量，发生了热量聚集，使煤温升高达到燃点而着火的过程。矿井火灾防治现状矿井火灾防治现状矿井火灾防治现状p1.Geologicalconditions地质p2.Miningtechnique采矿p3.Ventilationmanagement通风•我国煤田地质类型多样，由于煤矿地质条件的复杂性和生产条件的特殊性，火灾类重特大事故时有发生。•我国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度地受到煤层自然发火的威胁，总体表现为北多南少。•煤火燃烧强度自东向西逐渐增强，集中分布在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等7省(自治区)。矿井火灾防治现状•1.煤矿火灾事故死亡人数总体下降。•2.煤矿火灾重特大事故尚未得到完全遏制。•3.乡镇煤矿火灾事故相对严重。•4.外因火灾引发事故比例有所上升。•5.煤矿火灾引发的次生事故危害严重。•6.煤炭向深部开采过程中火灾风险增大。矿井火灾防治现状•煤炭的常（低）温氧化会释放大量的CO，致使煤矿工作面隅角CO浓度超限矿井火灾防治新理论（认识）•水浸煤体自燃倾向性增强，更易造成采空区自燃火灾矿井火灾防治新理论•复杂条件下封闭火区，火区复燃风险增加。矿井火灾防治新理论•自燃与瓦斯灾害共生成为今后防灭火工作的难点。矿井火灾防治新理论矿井火灾防治新理论•有机充填材料的不当使用会产生高温，加大火灾风险。•传统：早期预警：指标气体CO，C2H4，C2H2……等人工检测/束管监测系统•未来的趋势：多源信息/智能系统预测软硬件的进一步提升防灭火技术防灭火技术防灭火技术防灭火技术•分级预警响应防灭火技术防灭火技术pCOpH2pC2H4pC2H2pCXHY……火源探测方法防灭火技术非接触式红外、遥感测温防灭火技术瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。防灭火技术高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，它以岩、土（煤）导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流分布规律。野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于观测剖面的各测点上,然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集,当将测量结果送入微机后,还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。防灭火技术案例：某火区综合治理技术研究某火区位于准格尔煤田鄂尔多斯台向斜东部，地面相对位置位于准格尔煤田中部，气候属于温带大陆性气候。年平均气温7.2℃，年平均降水量397.4mm，年蒸发量平均2059.8mm。本区多风，最大风速40m/s。冰冻期从每年10月下旬至翌年4月上旬，最大冻土深度1.5m以上。地貌为黄土丘陵切割类型。地形西北高、东南低，冲沟广布。表层覆盖黄土，沟壑较多，地表植被较少。实施方案理论研究火灾内因火灾外因燃烧机理火区特征煤自燃影响因素分析技术应用火源探测治理方法火区监测同位素测氡法地面异常勘察探测孔验证隔离注浆浅部凝胶钻孔注浆黄土覆盖碾压参数分析火区现场治理应用Rn探测异常范围实地勘探与红外热成像测试实地勘探与红外热成像测试火区钻孔布置图定孔修复平场钻前准备开孔验收前期工作施工过程开孔钻进取芯钻进现场验收封孔测温钻孔010203040500100200300400500600700800900温度/℃深度/mT1T2T3T4T6T7T801020304050405060708090100110120温度/℃深度/mT5T901020304050020406080100120140温度/℃深度/mT10T11T12T13T14T15T16T17火区温度监测01020304050600100200300400500600700温度/℃时间/天J1温度J2温度0102030405060020406080100120140160180200温度/℃时间/天J1'温度J2'温度火区气体监测01020304050600.000.020.040.060.080.100.120.140.16CO含量/%时间/天JIJ201020304050600.000.010.020.030.040.050.06CO含量/%时间/天J1'J2'结论•（1）该火区煤层埋藏不足100m，煤质为自燃发火倾向很强的长焰煤；有塌陷区存在，地表裂隙分布较为广泛，且有煤层露头情况；干燥炎热的气候条件加速煤的氧化。这些都是自燃火灾产生的原因。通过对探测孔内温度及气体的分析，提出了一种适合该火区自燃特点的探测技术，结合测氡法与地表异常勘察以及探测孔分析的结果，得到最终面积为85786m2。•（2）通过对探测孔的阶梯温度进行分析，依据探测孔阶梯温度的变化趋势，把探测孔分为三种：①火区外部钻孔。此种钻孔从孔口温度一直到孔底煤层均没有高温阶段。②火区外围钻孔。这种钻孔的孔口到孔底的阶梯温度呈现先上升后下降的趋势，这种钻孔可作为火区边界。③火区内部钻孔。阶梯温度从孔口到煤层呈直线上升趋势。根据对探测孔类别的划分，可以帮助划定火区边界。主要结论•（3）综合分析火区特点，制定了“火区（塌陷区）平整－火区（塌陷区）内裂隙、钻孔灌黄泥浆、注浅部凝胶，黄土分层覆盖碾压－火区边界打钻灌浆隔离、局部煤层露头火剥挖”的综合灭火技术方案。应用先进的温度、气体分析检测手段，对预留的监测孔进行持续的温度及气体监控，并在火区治理完毕之后，持续对火区进行监测一个月，观测孔内气体温度呈持续下降趋势，并稳定在70℃以下；观测孔内一氧化碳浓度呈持续下降，并稳定在l00ppm以下。防灭火技术防灭火均压注浆凝胶阻化剂泡沫注氮堵漏•二氧化碳（CO2）常温下是一种窒息性气体，灭火能力强、速度快、使用范围广且具有来源广泛、价格低廉、对环境污染小等特点，被广泛应用于各种火灾的治理。•低温、高压下二氧化碳为液态、固态或气液固三相共存状态，若将其放在常温常压下可迅速转变为气态。液态二氧化碳制取简单、储运方便可靠，灭火时兼有窒息火源、冷却降温的优良性能，因此常用于煤矿火区防灭火，并在国内外都有成功的应用。防灭火技术•目前矿井常用的惰性气体主要有CO2和N2,在实际煤层自燃火灾处理过程中,CO2比N2存在以下几个方面优点：•(1)在井下多种气体共存的条件下,煤炭吸附CO2的能力和速度是N2的6倍,即CO2可以更多、更快的吸附于煤炭,对煤体形成包裹,进而阻止煤氧复合作用,抑制煤炭自燃。•(2)CO2的热容低于N2,CO2具有更好的吸热效果。当煤体下降相同温度,CO2吸收的热量比N2要少,即吸收相同的热量,CO2降低的温度更多。•(3)由于火区一般位于采空区中下部,N2的密度比空气轻,N2注入火区后容易向火区顶部裂隙带扩散,火区惰化覆盖率较差;而CO2重于空气,可快速沉入底部而挤出火区氧气,其覆盖率很高,对火区灭火和抑爆特别奏效。•(4)CO2制取过程中不会产生氧气,在向火区压注时,可完全避免注入N2过程中可能带入氧气而造成的不利影响,可快速降低氧气浓度。防灭火技术CO2随着温度、压力的变化，呈现固态、液态和气态三种状态，在压力高于0.52MPa，且温度低于-56.6℃时，液态CO2将固化成为干冰；在管道输送CO2时，可以分为气态输送、液态输送两种形式。液态二氧化碳温度-18℃～-20℃，压力2Mpa，汽化和升华时吸热137kcal/kg，在温度15℃、1个大气压下，液态二氧化碳将迅速转化为气态二氧化碳，1t液态二氧化碳体积膨胀为640m3气态二氧化碳。CO2相变规律防灭火技术液态二氧化碳槽车自热式二氧化碳汽化器强热式二氧化碳汽化器气体压力调节装置地面固定式灌注装备防灭火技术（案例）150109风巷绕道150109运巷绕道从2013年7月1日至2013年9月30日对某矿150109工作面进行了为期3个月的注CO2采空区现场采样分析CO2防灭火前后采空区自燃三带对比某矿综采面采空区注CO2前后气体变化规律自燃“三带”散热带氧化带窒息带氧气浓度/%18.59.2-18.59.2注CO2前带宽/m3565100m以后150109工作面采空区自燃“三带”分布变化（灌注CO2前）自燃“三带”散热带氧化带窒息带氧气浓度/%18.59.2-18.59.2注CO2前带宽/m205070m以后150109工作面采空区自燃“三带”分布变化（灌注CO2后）防灭火技术防灭火技术防灭火技术防灭火技术防灭火技术防灭火技术在青藏铁路的建设过程中，为解决冻土区域稳定性问题，研发了高效热传导装置——热棒。它的结构大致为一个密闭空心长棒,内装有一些液氨,液氨沸点较低,在冬季土中热量使该液体蒸发,到顶部，通过散热片将热量传导给空气，冷却后又液化回到下部，保持冻土冷冻状态不松软。在夏季，液体全部变成气体，气体对流很小，热量向底部传导很慢。这一思路后来被引入到矿井火灾的防治中。防灭火技术防灭火技术防灭火技术设计基于重力热管换热的煤火热能提取与温差发电系统，并进行了现场试验，分析了系统发电性能与热电转换稳定性、环境温度对热能提取与热电转换的影响，结果表明该系统换热较大程度地降低了钻孔温度，最高降低约154℃防灭火技术防灭火材料CMC/AlCit凝胶•某矿9103工作面灭火现场进行应用防灭火材料防灭火材料•工作面在长达10个月（2015年9月至2016年7月）的封闭治理，启封后出现复燃现象，说明火区内的温度并未彻底降下来，还存在阴燃或局部高温氧化，治理时应以降温为主，而注CMC/AlCit凝胶技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，因此选用注CMC/AlCit凝胶技术进行处理。防灭火材料•泡沫凝胶防灭火材料防灭火材料•无机泡沫防灭火材料•多元共聚高吸水凝胶煤矸石火灾的治理矸石自燃次生灾害:爆炸、滑坡、泥石流环境污染：粉尘、重金属、污染水体与土壤案例：某矿煤矸石自燃处置方法及复垦技术某煤矿3个排矸场累计存矸约800万t，对部分矸石场进行了复垦绿化，其中工业区矸石场覆土绿化，约10万m2，不同程度出现植被死亡；2#矸石堆覆土还耕，出现麦苗黄化，覆土厚度减少的现象，因此对某矿煤矸石处置方法及复垦技术开展研究煤矸石的基本参数现场测试孔径110mm2#煤矸石场2#钻孔1#钻孔2#煤矸石场5m5m公路3#钻孔4#钻孔孔径110mm工业区煤矸石场30m钻孔温度变化规律钻孔内部存在异常高温区，植物生长的过程中，由于低温高，违反自然规律，使得麦苗早熟，出现黄化现象。注浆钻孔•注浆钻孔间距设计成3m，排距均为2.6m，以菱形方式布置，深度均为5m，钻孔直径均为42mm。浅部注浆钻孔注浆钻孔深部注浆钻孔矸石自燃特性测试CO浓度3#9#15#热重3#9#15#混堆煤矸石自热升温模拟矸石堆二维空间自热升温数学模型模拟结果矸石堆40d时内部氧气分布规律模拟结果风速0.5m/s风速2.0m/s相似模拟堆放实验实际堆模拟堆模拟堆设计80cm100cm800cm300cm20cm厚的粘土层80cm厚的矸石层35°80cm100cm800cm300cm20cm厚的粘土层80cm厚的矸石层35°800c