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煤火灾害隐患识别与防控灭技术及典型应用案例文虎西安科技大学安全科学与工程学院2017.03.01目录1煤火灾害需解决的问题2煤炭自燃机理和过程3煤火灾害特点4煤火灾害程度识别5煤火灾害位置判定6煤火灾害时间预测7煤火灾害控制技术8典型实例9关键技术总结1煤火灾害需解决的问题隐患识别和火灾控制隐患识别：1）位置和范围2）自燃程度或煤温3）发火时间4）熄灭/复燃环境和条件5）防灭火效果考火灾控制：1）煤火灾害具有的自燃、阴燃、复燃特征2）位置隐蔽，燃/熄指标不明确或难监测3）现场防治需求。熄灭难；非不为也4）预防、控制和熄灭的核心和关键问题煤自燃机理和过程煤自燃是煤和氧自发反应放热所致。其形成和发展是自发的、缓慢的、动态变化的放热、聚热、升温，最终引起燃烧的过程。煤氧化自热过程2煤炭自燃机理和过程时间温度潜伏期临界温度60~80℃着火温度280~400℃隐患期着火期煤自燃条件2煤炭自燃机理和过程在条件合适时，任何一种煤都会自燃，只是其自燃性强弱不同。不易自燃煤层：汝箕沟、阳泉1）松散煤体堆积——煤体；2）氧气的供给——氧气；3）存在蓄热环境——温度；4）达到一定的时间——时间。煤体破碎、供氧充足、漏风适宜、蓄热环境好的地点最易发生煤层自燃。煤自燃影响因素内在因素1）变质程度2）矿物质3）水份4）灰份5）煤岩成份外在因素1）浮煤堆积量2）初始煤温3）漏风强度4）氧气浓度5）粒度开采因素1）煤层地质条件2）开拓方式3）开采方式4）通风方式5）采空区管理2煤炭自燃机理和过程容易自燃（中低变质煤）：褐煤、长焰煤、气煤、弱粘煤、不粘煤；发火期3个月；自燃（中变质煤）：肥煤、焦煤；发火期3至6个月；不易自燃（高变质煤）：瘦煤、贫煤、无烟煤；发火期6个月。实验炉体温度巡检系统气体检测系统内径2.8m，装煤高度2.2m；外径3.8m，总高度3.3m；最大装煤体积13.5m3，最大装煤量15t。煤自然发火全过程实验模拟研究分析松散煤体自然升温、绝氧降温与供风复燃的特性及规律2煤炭自燃机理和过程测点分布：层间0.2m，径向0.2m，12层；测温46个；取气24个。自然发火特性参数：不同初始煤温时的实验自然发火期；不同煤温时的放热强度、耗氧速度、气体产生率；煤自燃极限参数：最小浮煤厚度；下限氧浓度；最大漏风强度；特征温度：临界温度(75℃)；干裂温度(105℃)；活性温度(150℃);煤温与标志气体的关系：出现温度；浓度；浓度变化率；浓度比值;熄灭和复燃特性煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程容易自燃煤层自燃煤层不易自燃煤层下限氧浓度（常温30℃）10～11%12～13%14～15%下限氧浓度（临界温度）6～7%7～8%8～9%下限氧浓度（150℃）2～3%3～4%4～5%最小浮煤厚度/m0.5～0.60.7～0.80.9～1.002468101214161820222426283032343638020406080100120140160180供风时间（d）23d：75℃（临界温度）34d：105℃（干裂温度）38d：150℃（活性温度）38.2d：477.5℃100℃，34d最高煤温与供风时间关系曲线自然发火2002年10月14日，采集南屯矿煤样15t装入实验炉，送入空气，煤温从30.9℃自然升至477.5℃，历时38d。煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程a)τ:1d,T:31.3℃,h:1.4m,r:0.0mb)τ:28d,T:86.7℃,h:0.6m,r:0.0mc)τ:32d,T:99.9℃,h:0.2m,r:0.0md)τ:36d,T:146.3℃,h:0.0m,r:1.4m炉内煤温分布随时间的变化煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程自然升温速度与煤温及供风量的关系曲线050100150200250300350400450048121620242832364044煤温(℃)升温速度(℃/h)4.6m3/h3.6m3/h10.0m3/h20304050607080901001101200.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60煤温(℃)1.5m3/h0.6m3/h3.6m3/h煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程020406080100120140160180200220240260280300320340360380400135791113151719212325272931333537394143454749515355575961自然升温绝氧降温供风复燃煤温℃时间d自然发火实验炉内最高煤温随时间的变化曲线绝氧降温与供风复燃煤样：龙口，15t；时间：2003.4.2～6.1；自然发火（35d)：22℃～312℃；绝氧降温（22d)：312℃～67℃；供风复燃（5d)：67℃～527℃；煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程不同过程最高温度点随时间的变化关系对比曲线60801001201401601802002202402602803003203403601234567891011121314151617181920212223自然升温绝氧降温供氧复燃煤温℃时间d67～300℃自然升温：15天供风复燃：4天自燃慢；复燃快。67～300℃自然升温：15天绝氧降温：23天自燃快；降温慢。降温熄灭规律：T120℃,T降低很快;T120℃,T下降速度明显减缓;T100℃,T每天仅下降1℃。煤自然发火全过程实验模拟2煤炭自燃机理和过程1）火源隐蔽，不易寻找和发现。2）贫氧、自发氧化放热；与温度和氧浓度成正比。3）内部燃烧、立体分布、蓄热量大；散热环境差，降低能量难，易复燃。4）火区呼吸作用和温差热循环供氧；窒息周期长。5）产生有毒有害气体。煤火灾害特点3煤火灾害特点位置隐蔽贫氧氧化自发产热潜伏期长矿井煤火灾害特点3煤火灾害特点1）密闭墙、风门周边煤体破碎，漏风供氧好，易自燃；2）架棚支护的喷浆巷道顶煤最易发生自燃；3）综放面巷道掘进时的自燃危险性大于生产时期；4）采空区“两道两线”丢煤量大，漏风通道畅，易自燃；5）顺槽锚网支护强度大，采空区两端不易跨落，漏风严重；6）邻近采空区二次/多次氧化，自燃危险性大；7）采空区通风排放瓦斯和采空区瓦斯抽采增大漏风；8）瓦斯燃烧和爆炸促进煤层火灾的发展。直接法：测温法（热传导差）间接法：指标气体分析法（飘移性好）指标气体：O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2和H2标志气体：CO、C2H4、C2H2预警指标：1）出现温度；2）气体浓度；3）浓度变化率；4）气体浓度比值（不受采样位置和风量影响）。识别方法4煤火灾害程度识别指标气体浓度比值与煤温的关系曲线（自然升温）0408012016020024028032036040044048052056060064068072030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360370380390400410420430440450C2H4/C2H6×1000C3H8/C2H6×100CH4/C2H6×100CO2/CO×10气体浓度比值不受采样位置和风量影响指标气体识别法4煤火灾害程度识别CO、O2、C2H4等气体浓度及变化率CO2/CO、C2H4/C2H6等气体浓度比值煤温名称温度范围判定依据吸附温度20～40CO2/CO值极大；脱附温度40～60CO2/CO值极大；CH4/C2H6值极大；临界温度60～80CO2/CO值极大；CO、CO2浓度增速加快；O2浓度降幅增大；裂解温度90～120C2H4/C2H6值增大；CH4、C2H4、C2H6浓度增速加快；耗氧速度剧增；裂变温度130～160CO、C2H4浓度剧增；O2浓度剧降；活性温度170～200C2H4/C2H6值极大；增速温度220～260C2H4/C2H6值减小；C2H4、C2H6浓度剧增；燃点温度280～340冒青烟；指标气体识别法4煤火灾害程度识别现场应用识别指标4煤火灾害程度识别早期指标（100℃以下）正常和异常判定（是否达到临界温度）指标：O2和CO浓度；CO×100/ΔO2；CO/CH4。易燃煤层正常情况下可能达到的数值：18%,50ppm;15%,100ppm;12%,150ppm;CO×100/ΔO20.2；临界温度时：CO×100/ΔO20.5。中期指标（100℃～200℃）CO×100/ΔO21.5;出现C2H4;C2H4/C2H6。后期指标（200℃以上）指标气体浓度。现场监测和分析方法4煤火灾害程度识别1）布置原则：高负压点、恒定风量、避开温差自然风压影响、最佳排除炮烟影响。2）监测位置：能够反映自燃危险区域指标气体变化的监测点。采空区：相对固定，回风隅角伸向采空区内8～10m以上；回风隅角和架间：随工作面移动；回风流：固定点。3）监测手段：人工检测；安全监控；色谱仪；束管监测。4）数据分析：根据氧气浓度确定数据有效性，提取有效数据，分析气体成份及浓度变化情况。多元信息融合分析系统八个特征温度无线自组网测温装置专利：2009200320112采空区气体检测装置专利：2009200320127煤层自燃隐蔽火源多元信息融合分析系统自燃位置隐患程度发火时间应用矿井：50多个预报准确率＞90%模式识别采空区温度分布采空区气体浓度分布现场和实验参数对接有效信息处理4煤火灾害程度识别火区熄灭的判定4煤火灾害程度识别煤自燃火灾形成难，熄灭也难。直接判定：熄灭的指标应该是温度。间接判定：1）与所做的防灭火工作相结合（是否采取了有效的降温措施），否则2至5天内复燃；2）除煤矿安全规程规定的指标以外，还需在较高氧浓度的情况下CO不异常。探测方法：二维探测；红外异常：差异分析；红外热像探测技术红外热成像技术是将不可见的红外光变成可见的图像。红外热成像是对目标表面进行非接触的成像并分析其热图案。5煤火灾害位置判定5煤火灾害位置判定红外热像探测技术氡法探测技术KZ-D02α杯测氡仪埋α探杯5煤火灾害的位置判定煤岩介质中天然放射性氡随温度升高析出率增强，且垂向传递。布置测点挖坑埋杯取杯测量数据分析1)确定区域；2)布置测点；3)挖坑埋杯；4)取杯测量；5)数据分析新疆大黄山矿综放面火区探测（2005.12.2）火源中心位置平面图（面积43000m2,492个测点）八采区石门（密闭）采区回风石门（密闭）采区石门（密闭）现工作面上顺槽（综采面）下顺槽（综采面）回风巷顶板回风顺槽顶板运输顺槽异常值立体图氡法探测技术5煤火灾害的位置判定大黄山矿地形地貌松散煤体自燃须具备能够使散热量小于放热量的环境，即：足够的浮煤厚度、合适的漏风强度、氧浓度和粒度，以及充分的氧化时间。采空区自燃危险区域的静态划分示意图煤自燃危险区域判定技术5煤火灾害位置判定0102030405060708090020406080100120140160180200220240260280300320340360380400距开切眼距离/m温度(℃)七月八月九月十月十一月十二月一月二月假定线10203040506070809010011020406080100120140160日期6.285.095.296.085.196.184.294.194.093.303.20v=0.0m/dv=1.0m/dv=2.1m/d温度（℃）距离（m)采空区高温区域动态移动曲线煤温与推进速度、发火时间关系1）V2.1m/d;Tmax=55℃,不会自燃2）V=1.0m/d;Tmax=72℃,动态平衡3）V=0.0m/d;Tmax=300℃,45d6煤火灾害时间预测采空区自然发火预测控制方向7煤火灾害控制技术温度（自热）减氧抑温（减少煤体氧化；控制供氧和降低氧浓度——封、堵、均/调，以及注惰气）吸热控温（热容大和温度低的物质转移能量）有害气体（主要是CO）抑制产生（减氧/降温）