矿井通风与安全11.doc

第十章 火灾防治 本章重点与难点 1、煤炭自燃理论； 2、煤炭自燃预测预报； 3、防灭火技术 4、均压防灭火； 5、火灾时期风流控制 第一节 概 述 一、火灾与矿井或煤田火灾的概念 火灾通常把违背人们意愿而发生的非控制性燃烧，称之为火灾。火灾往往造成巨大的经济损失和重多的人员伤亡，造成不良的社会影响。 矿井火灾在矿井或煤田范围内发生，威协安全生产、造成一定资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故，称之为矿井或煤田火灾。火灾是矿井或煤田较为常见的灾害之一。 二、矿井火灾的类型及其特性 分类出发点和依据不同，分类的方法也不同。目前常用的分类方法有 １、按引火原因分类 １）内因自燃火灾。自燃物在一定的外部（适量的通风供氧）条件下，自身发生物理化学变化，产生并积聚热量，使其温度升高，达到自燃点而形成的火灾称之为内因火灾。在煤矿中自燃物主要是有自燃倾向性的煤炭。在整个矿井火灾事故中，内因火灾占的比例很大。 ２）外因火灾。可燃物在外界火源明火或高温热源的作用下，引起燃烧而形成的火灾叫外因火灾。 ２、消防分类 从选用灭火剂的角度出发，消防上根据物质及其燃烧特性对火灾进行如下分类 Ａ类火灾,煤炭、木材、橡胶、棉、毛、麻等含碳的固体可燃物质燃烧形成的火灾称为A类火灾。 Ｂ类火灾，指汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醇、丙酮等可燃液体燃烧形成的火灾。 Ｃ类火灾，指煤气、天燃气、甲烷、乙炔、氢气等和可燃气体燃烧形成的火灾。 Ｄ类火灾，象钠、钾、镁等可燃金属燃烧形成的火灾。其特点是火源温度高。 ３、其它分类方法 除上述两种常用分类方法外，还有按火源特性，可分为原生火灾与再生火灾；按火源产生的位置，可分为井上火灾与和井下火灾等。 三、防灭火研究的内容 煤矿火灾防治是一项系统工程，其理论与技术的研究内容应围绕一个目标和三个问题。一个目标就是防止矿井火灾发生，对于已发生的火灾要防止其扩大并最大限度地减小火灾中的人员伤亡和经济损失。三个问题是一火灾是如何发生的其内容主要是研究矿井火灾的类型及其产生的原因、条件以及各类火灾发生过程和特点，这是防灭火的理论基础；二如何防止火灾发生包括火源预测、火灾预防和预报技术；三火灾发生后如何进行及时而有效的控制和处理。 第二节 外因火灾及其预防 一、物质燃烧的充要条件 物质燃烧是一种伴有放热、发光的快速氧化反应。发生燃烧必须具备的充要条件是 １、必要条件 １）有充足的可燃物；２）有助燃物存在。凡是能支持和帮助燃烧的物质都是助燃物。常见的助燃物是含一定氧浓度的空气。３）具有一定温度和能量的火源。 ２、充分条件 １）燃烧的三个必要条件同时存在，相互作用；2）可燃物的温度达到燃点，生成热量大于散发热量。如果把燃烧比着一个由链体组成的圆环，则三要素是组成圆环的三个链体，如图1021所示。如果组成圆环的三个链体缺少一个，或三个链体不相互连结，则将不能构成圆环，即缺少燃烧三要素之一，或三要素不相互作用，则不能形成火灾。 火源可分为显火源和潜火源两种。所谓显火源即是以明火、高温的表面或灼热的物体的形式显露于空间，可燃物一旦与其接触即可发生燃烧。如气焊和电焊产生的高温焊碴、燃着的香烟头等皆属于此类。所谓潜热源即是平时处于常温状态，在一定的外部条件下（人员操作失误、设备零件故障、安全装置失效等原因）有可能产生火花、放出热量和转化为高温热源。如具有短路危险的电缆接头、作高速相对运动的两固体接触面、不合格的炸药爆破等都属于潜热源。 煤矿常见的外因火源主要有以下几种 １）电能热源 电缆流短路或导体过热；电弧电火花；烘烤（灯泡取暖）；静电等。表10-2-1为我国部分电气火灾发火原因统计表。 ２）摩擦热 如胶带与滚筒摩擦、胶带与碎煤摩擦以及采掘机械截齿与砂岩摩擦等。 表10-2-1 电气火灾发火原因统计表 发火原因 次数 占总数 变压器油 2 4.25 灯泡取暖 3 6.38 油浸起动电阻器 1 2.12 电力电容器 1 2.12 铠装电缆短路 1 2.12 橡胶电缆短路 39 83.98 合计 47 100 ３）放明炮、糊炮、装药密度过大或过小、钻孔内有水、炸药受潮以及封孔炮泥长度不够或用可燃物（如煤粉、炸药包装纸等）代替炮泥等违反爆破操作规程的操作都有可能发生爆燃。放炮引起瓦斯燃烧或爆炸的例子在我国时有发生。 ４）液压联轴器喷油着火引燃周围可燃物，酿成多起火灾。 ５）明火（高温焊碴、吸烟），明火也是产生外因火灾的重要原因之一。明火主要产生于加热器、喷灯、焊接和切割作业，烟头也时有酿成火灾的可能。 二、外因火灾的预防 1、我国的消防方针 中华人民共和国消防条例规定，消防工作实行“预防为主，消防结合”的方针。所谓预防为主，即是在消防工作中坚持重在预防的指导思想，在设计、生产和日常管理工作中应严格遵守有关防火的规定，把防火放在首位。消防结合，即是在预防的同时积极做好灭火的物质和技术准备。 2、防火对策 矿井火灾的防治可以采取下列三个对策3E对策 １）技术Engineering对策 技术对策是防止火灾发生的关键对策。它要求从工程设计开始，在生产和管理的各个环节中，针对火灾产生的条件，制定切实可行的技术措施。技术对策可分为 （１）灾前对策，灾前对策的主要目标是破坏燃烧的充要条件，防止起火；其次是防止已发生的火灾扩大。 （A）防止起火，主要对策有① 确定发火危险区-潜在火源和可燃物共同存在的地方，加强明火与潜在高温热源的控制与管理，防止火源产生。② 消除燃烧的物质基础。井下尽量不用或少用可燃材料，采用不燃或阻燃材料和设备，例如使用阻燃风筒、阻燃胶带，支架非木质化。③ 防止火源与可燃物接触和作用。在潜在高温热源与可燃物间留有一定的安全距离。④ 安装可靠的保护设施，防止潜在热源转化为显热源。例如，变电所安装过电流保护装置，防止电缆短路。 （B）防止火灾扩大，①有潜在高温热源的前后１０ｍ范围内应使用不燃支架。②划分火源危险区，在危险区的两端设防火门；矿井有反风装置，采区有局部反风系统。③在有发火危险的地方，设置报警、消防装置和设施。④在发火危险区内设避难硐室。 （２）灾后对策 主要有①报警。采集处于萌芽状态的火灾信息，发出报警。②控制。利用已有设施控制火势发展，使非灾区与灾区隔离。③灭火。迅速采取有效措施灭火。④避难。使灾区受威协的人员尽快选择安全路线逃离灾区，或撤至灾区内预设的避难硐室等待救援。 ２）教育（Education）对策 教育对策包括知识、技术和态度教育三个方面。 ３）管理（法制Enforcement））对策，制定各种规程、规范和标准，且强制性执行。 这三种对策简称“三Ｅ”对策。前两者是防火的基础，后者是防火的保证。如果片面的强调某一对策都不能收到满意的效果。 三、预防外因火灾的技术措施 如前所述，预防火灾发生有两个方面一是防止火源产生；二是防止已发生的火灾事故扩大，以尽量减少火灾损失。 （一）防止火灾产生 １、防止失控的高温热源产生和存在。按煤矿安全规程及其执行说明要求严格对高温热源、明火和潜在的火源进行管理。 ２、尽量不用或少用可燃材料，不得不用时应与潜在热源保持一定的安全距离。 ３、防止产生机电火灾。 ４、防止摩擦引燃（１）防止胶带摩擦起火。胶带输送机应具有可靠的防打滑、防跑偏、超负荷保护和轴承温升控制等综合保护系统；（２）防止摩擦引燃瓦斯。 ５、防止高温热源和火花与可燃物相互作用。 （二）防止火灾蔓延的措施 其措施有 １、在适当的位置建造防火门，防止火灾事故扩大。 2、每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库。 3、每一矿井必须在地面设置消防水池，在井下设置消防管路系统。 4、主要通风机必须具有反风系统或设备，反风设施，并保持其状态良好。 第三节 煤炭自燃的理论基础 一、煤炭自然机理 一百多年来，先后提出阐述煤炭自燃机理学说有多种，其中主要的有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、自由基作用学说、基团作用学说、电化学作用学说、氢原作用学说以及煤氧化合学说等。１９５１年苏联学者维谢洛夫斯基Веселовский.В.С等人提出，煤的自燃是氧化过程自身加速发展的结果。这种氧化反应的特点是分子的基链反应。 二、煤的氧化特性 从煤氧化合学说观点出发，认为评价煤的自燃倾向性，即化学活动性的最合适的指标应该是煤的吸氧速度。揭示了煤炭氧化规律如下 １、所有品种煤在常温下都吸氧，但吸氧速度不同。它取决于煤的分子结构和物理化学性质。 ２、煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比，即 dm/dτ＝ＵＣ 1031 式中 ｄｍ-单位重量煤在ｄτ时间内吸氧量，ml/kg； Ｕ-吸氧速度常数，ml/kg.h; Ｃ-空气中的氧浓度，。 ３、在温度不变条件下，吸氧速度常数随时间按指数规律衰减，即 Ｕ＝Ｕ1τ-H 1032 式中 Ｕ1 -在τ1小时内的吸氧速度常数，ml/kg.h; H-在对数坐标中直线方程倾角的正切，它表示吸氧速度随时间衰减的速度； ４、吸氧速度常数Ｕ与煤自身温度之间符合幂函数关系 10303 式中 Ｕ-温度为t℃时的吸氧速度常数，ml/kg.h; Ｕ0-温度为t0℃时的吸氧速度常数，ml/kg.h; Ｂ-比例常数，1/℃；其物理意义是吸氧速度随温度增加的速度。 ５、煤在氮气中加热后再冷却可使它的活性增加，并有重新恢复到原有活性的可能。 ６、吸氧速度常数Ｕ与粒度之间成复杂关系。没有接触过氧的新鲜煤粒度越小，其表面积越大，吸氧速度也越大，但随时间衰减得也越快。 三、自然发火与自然发火期 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。在矿井防灭火规范中规定出现下列现象之一，即为自然发火。（１）煤因自燃出现明火、火炭或烟雾等现象；（２）由于煤炭自热而使煤体、围岩或空气温度升高至７０℃以上；３）由于煤炭自热而分解出ＣＯ、Ｃ2Ｈ4乙烯或其它指标气体，在空气中的浓度超过预报指标，并呈逐渐上升趋势。 ２、煤层自然发火期 从（火源处的）煤层被开采破碎、接触空气之日起，至出现上述定义的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，以月或天为单位。煤层的自然发火期取决于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因素。 四、煤炭自燃条件 煤炭自燃的必要充分条件是 １、有自燃倾向性的煤被开采后呈破碎状态，堆积厚度一般要大于０.４m。 ２、有较好的蓄热条件。 ３、有适量的通风供氧。通风是维持较高氧浓度的必要条件，是保证氧化反应自动加速的前提。实验表明，氧浓度＞１５％时，煤炭氧化方可较快进行。 ４、上述三个条件共存的时间大于煤的自燃发火期。上述四个条件缺一不可，前三个条件是煤炭自燃的必要条件，最后一个条件是充分条件。 五、影响煤炭自然发火的因素 影响煤层自然发火的因素主要有 1、煤的自燃性能 煤的自燃性能主要受下列因素影响 1）煤的分子结构，研究表明，煤的氧化能力主要取决于含氧官能团多少和分子结构的疏密程度。随煤化程度增高，煤中含氧官能团减少，孔隙度减小，分子结构变得紧密。 ２）煤化程度，煤化程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。就整体而言，煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低，即自燃倾向性从褐煤、长焰煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小；局部而言，煤层的自燃倾向性与煤化程度之间表现出复杂的关系，即同一煤化程度的煤在不同的地区和不同的矿井，其自燃倾向性可能有较大的差异。 3）煤岩成分，煤岩成分对煤的自燃倾向性表现出一定的影响，但不是决定性的因素。各种单一的煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤＞亮煤＞暗煤＞丝煤的顺序递减。 4）煤中的瓦斯含量，煤中瓦斯存在和放散影响吸氧和氧化过程进行，它类似用惰性气体稀释空气对氧化发生的影响。 5）水分，煤的外在和内在水份以及空气中的水蒸汽对褐煤和烟煤在低温氧化阶段起一定的影响，既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。 6）煤中硫和其它矿物质，煤中含有的硫和其它催化剂，则会加速煤的氧化过程。统计资料表明，含硫大于３％的煤层均为自然发火的煤层，其中包括无烟煤。 2、开采技术 开采技术对自然发火的影响主要表现在以下几个方面。 1）矿井开拓方式和采区巷道布置，既决定保护煤柱的数量及其大小，又决定所留煤柱受压与碎裂程度，既决定可燃物的分布和集中情况，又决定向这些可燃物供风的时间。 2）回采方法和回采工艺，但其决定的因素是回采率和工作面推进速度。 3、影响采空区自燃的因素 １）采空区三带划分 对于后”U”通风系统一源一汇的采空区，按漏风大小和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带散热带Ⅰ（宽度为L1）、自燃带Ⅱ（宽度为L2）和窒息（不自燃）带Ⅲ（如图10－3－1）。靠近工作面的采空区内冒落岩石处于自由堆积状态，空隙度大，漏风大，氧化生热小而散发热量多，故不能发生自燃，叫散热带。其宽度大约5～20ｍ。自燃带Ⅱ中岩石的空隙度较小，因而漏风小，蓄热条件较好，如果该带的条件保持时间超过其自然发火期，就可能自燃。故此带称为自燃带。其宽度取决于顶板岩性、工作面推进速度、漏风通风压差，一般宽度为2070ｍ。自燃带向采空区内部延深，便是第Ⅲ带。由于该带距工作面较远，漏风甚小或消失，氧浓度低，不具备自燃条件。故此带处于惰化状态，已经发生自大在燃的遗煤也能窒息，故叫窒息（不自燃）带。 确定划分三带的指标有三种 ①采空区漏风风速V（V0.9m/s为散热带；0.9≥V≥0.02m/s为自燃带；∨＜0.02m/s为自窒息带。）； ②采空区氧浓度（C）分布（认为C＜8为窒息带，C≥8为自燃带）； ③采空区遗煤温升速度（dt1℃/d为自燃带）。由于缺少深入的理论研究和试验结果，此指标目前尚难以应用。 图10-3-1 采空区散热、自燃、窒息三带分布示意图 ２）采空区遗煤自燃的条件及其影响因素，设自燃带的最大宽度为L1L2，工作面的推进速度为V，自然发火期为τS，在自燃带内煤暴露于空气的最长时间为τ月，当 τS≤L1L2 / V 10 -3-4 时，说明自燃带内有△LL1L2-VτS宽度存在时间超过自然发火期，有自燃危险。由此可见，采空区遗煤自燃与否主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度L1L2（ｍ）。 4、漏风 在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方面的作用一是向煤提供氧化所必须的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。采空区及煤柱的漏风强度在0.1～0.24 m3/min.m2 时容易自然发火。有的作者认为不会导致自燃的极限风速低于０.０2～0.05 m3/min.m2；封闭采空区密闭墙漏风压差在300Pa、漏风强度在０.02～1.2m3/min.m2 时容易自然发火的[ 136 ]。 把风速控制在易燃风速区之外，是从通风的角度预防自然发火的原则。 5、地质因素 地质因素主要有１）倾角。２）煤层厚度。表1031为倾角和厚度对自燃影响的部分统计资料。３）地质构造。在有地质构造的地区，自燃危险性加剧。４）开采深度。煤层赋存太深或太浅都会增加自然发火的危险性。 表1031 煤层倾角和厚度对自燃影响 倾角 发火次数 比例, 煤层厚度 发火次数 比例, 缓倾斜 55 16 中厚以下 56 16 倾斜 121 34 厚煤层 135 38 急倾斜 176 54 特厚煤层 161 46 六、煤的自燃过程及其特点 煤炭的自燃过程按其温度和物理化学变化特征，分为潜伏（或准备）、自热、自燃和熄灭四个阶段，如图103－2所示。图中虚线为风化进程线。潜伏期与自热期之和为煤的自然发火期。 １、潜伏（自燃准备）期 自煤层被开采、接触空气起至煤温开始升高止的时间区间称之为潜伏期。在潜伏期，煤与氧的作用是以物理吸附为主，放热很小，无宏观效应；经过潜伏期后煤的燃点降低，表面的颜色变暗。 潜伏期长短取决于煤的分子结构、物化性质。煤的破碎和堆积状态、散热和通风供氧条件等对潜伏期的长短也有一定影响，改善这些条件可以延长潜伏期。 图10－3－2 烟煤自燃过程温度与时间关系 ２、自热阶段 温度开始升高起至其温度达到燃点的过程叫自热阶段。自热过程是煤氧化反应自动加速、氧化生成热量逐渐积累、温度自动升高的过程。其特点是（1）氧化放热较大煤温及其环境（风、水、煤壁）温度升高；（２）产生ＣＯ、CO2和碳氢（CmHn类气体产物，并散发出煤油味和其它芳香气味；（３）有水蒸水汽生成，火源附近出现雾气，遇冷会在巷道壁面上凝结成水珠，即出现所谓“挂汗”现象。（４）微观构发生变化。 在自热阶段，若改变了散热条件，使散热大于生热；或限制供风，使氧浓度降低至不能满足氧化需要，则自热的煤温度降低到常温，称之为风化。风化后煤的物理化学性质发生变化，失去活性，不会再发生自燃。 ３、燃烧阶段 煤温达到其自燃点后，若能得到充分的供氧（风），则发生燃烧，出现明火。这时会生成大量的高温烟雾，其中含有CO、CO2以及碳氢类化合物。若煤温达到自燃点，但供风不足，则只有烟雾而无明火，此即为干馏或阴燃。煤炭干馏或阴燃与明火燃烧稍有不同，ＣＯ多于ＣＯ2，温度也较明火燃烧要低。 4、熄灭 及时发现，采取有效的灭火措施，煤温降至燃点以下，燃烧熄灭火。 第四节 火灾预测和预报 我国目前预测自然（１）在实验室确定自燃倾向性等级；（２）根据本矿或条件相似（近）矿井或采区的已有的自然发火的统计资料，确定待采（或本）煤层的自然发火期。发火的方法有 一、煤层自燃倾向性的鉴定方法 １９９２年版的煤矿安全规程执行说明规定采用吸氧量法。即“双气路气相色谱仪吸氧鉴定法”，鉴定结果按表10－4－1分类方案确定自燃倾向性等级。 表10-4－１ 煤的自燃倾向性分类方案2 自燃 自燃 30℃常压条件下煤吸氧量cm3／g.干煤 备注 等级 倾向性 褐煤、烟煤类 高硫煤、无烟煤类 全硫sf， Ⅰ 容易自燃 ≥0.8 ≥1.00 2.00 Ⅱ 自燃 0.41～0.79 ≤1.00 2.00 Ⅲ 不易自燃 ≤0.40 ≥0.80 2.00 二、煤层自然发火期的估算方法及其延长途径 １、煤层的自然发火期估算方法 目前我国规定采用统计比较和类比的方法确定煤层的自然发火期。其方法如下 （１）统计比较法，矿井开工建设揭煤后，对已发生自然发火的自然发火期进行推算，并分煤层统计和比较，以最短者作为煤层的自然发火期。计算自然发火期的关键是首先确定火源的位置。此法适用于生产矿井。 （２）类比法，对于新建的开采有自燃倾向性的煤层的矿井，可根据地质勘探时采集的煤样所做的自燃倾向性鉴定资料，并参考与之条件相似区或矿井，进行类比而确定之，以供设计参考。此法适用于新建矿井。 ２、延长煤层自然发火期的途径 煤炭自燃的发展过程受自燃倾向性（即低温时的氧化性）、堆积状态、通（漏）风强度（风量和风速）以及与周围环境的热交换条件等多种因素影响，其发展速度是可以通过人为措施而改变的，因此，煤层的自然发火期是可以延长的。其途径有 １）减小煤的氧化速度和氧化生热，减小漏风，降低自热区内的氧浓度；选择分子直径较小、效果好的阻化剂或固体浆材，喷洒在碎煤或压注至煤体内使其充填煤体的裂隙，阻止氧分子向孔内扩散。 ２）增加散热强度，降低温升速度。增加遗煤的分散度以增加表面散热量；对于处于低温时期的自热煤体可用增加通风强度的方法来增加散热；增加煤体湿度。 三、外因火灾预测 外因火灾预测可遵循如下程序（１）调查井下可能出现火源（包括潜在火源）的类型及其分布；（２）调查井下可燃物的类型及其分布；（３）划分发火危险区井下可燃物和火源（包括潜在火源）同时存在的地区视为危险区。 四、火灾的预报 所谓火灾预报，就是根据火灾发生和发展的规律，应用成熟的经验和先进的科学技术手段，采集处于萌芽状态的火灾信息，进行逻辑推断后给出火情报告。及时而准确地进行火灾早期预报，可以弥补预防之不足。矿井火灾预报的方法，按其原理可分为 1、利用人体生理感觉预报自然发火 依靠人体生理感觉预报矿井火灾的主要方法有 1嗅觉，可燃物受高温或火源作用，会分解生成一些正常时大气中所没有的、异常气味的火灾气体。 2）视觉，人体视觉发现可燃物起火时产生的烟雾，煤在氧化过程中产生的水蒸汽，及其在附近煤岩体表面凝结成水珠（俗称为“挂汗”），进行报警。 3）感（触）觉，煤炭自燃或自热、可燃物燃烧会使环境温度升高，并可能使附近空气中的氧浓度降低，ＣＯ2等有害气体增加，所以当人们接近火源时，会有头痛、闷热、精神疲乏等不适之感。 2、气体成分分析法 用仪器分析和检测煤在自燃和可燃物在燃烧过程中释放出的烟气或其它气体产物，预报火灾。 1）指标气体及其临界指标 能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期阶段特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体叫指标气体。指标气体必须具备如下条件①灵敏性，即正常大气中不含有，或虽含有但数量很少且比较稳定，一旦发生煤炭自热或可燃物燃烧，则该种气体浓度就会发生较明显的变化。②规律性，即生成量或变化趋势与自热温度之间呈现一定的规律和对应关系。③可测性，可利用现有的仪器进行检测。目前，如表10４－３所示。 2）常用的指标气体 （１）一氧化碳（ＣＯ），一氧化碳生成温度低，生成量大，其生成量随温度升高按指数规律增加，是预报煤炭自燃火灾的较灵敏的指标之一。在正常时若大气中含有CO，则采用CO作为指标气体时，要确定预报的临界值。确定临界值时一般要考虑下列因素①各采样地点在正常时风流中ＣＯ的本底浓度；②临界值时所对应的煤温适当，即留有充分的时间寻找和处理自热源。 表10４－３ 主要产煤国家预报煤炭自然发火的指标气体 国别 指标气体 国别 指标气体 中国 CO、C2H4、ICOΔCO／ΔO2 日本 CO，C2H4／CH4，ICO，C2H4，烟，等 原苏联 CO， C2H4／C2H2，烟等 英国 CO，ICO， C2H4，烟，等 原西德 CO，ICO，烟等 美国 CO，ICO， C2H4，烟，等 应该指出的是，应用ＣＯ作为指标气体预报自然发火时，要同时满足以下两点 ①ＣＯ的浓度或绝对值要大于临界值；②ＣＯ的浓度或绝对值要有稳定增加的趋势。 （２）Ｇｒａｈａｍ系数ＩCO J.J Graham提出了用流经火源或自热源风流中的CO浓度增加量与氧浓度减少量之比作为自然发火的早期预报指标。其计算式如下 式中 CO，O2，N2-分别为回风侧采样点气样中的一氧化碳，氧气和氮气的体积浓度，。如果进风侧气样中氧氮之比不是0.265，则应计算出进风侧氧氮浓度之比值代替0.265。 根据Ｇｒａｈａｍ指数预报矿井火灾时，不同的矿井有不同的临界指标。抚顺老虎台矿（气煤）总结多年的经验，从７万多个气样中筛选出４３１个有发火隐患的气样，得出煤在自燃的发生、发展过程中不同阶段的Ｇｒａｈａｍ指数为预警值ICO 0～0.45；临界值ICO 0.46～4；报警值ICO 4.1～9。 （3）乙烯，实验发现，煤温升高到80℃～120℃后，会解析出乙烯、丙烯等烯烃类气体产物，而这些气体的生成量与煤温成指数关系。一般矿井的大气中是不含有乙烯的，因此，只要井下空气中检测出乙烯，则说明已有煤炭在自燃了。同时根据乙烯和丙烯出现的时间还可推测出煤的自热温度。 （４）其它指标气体，国外有的煤矿采用烯炔比（乙烯和乙炔（C2H2）之比）和链烷比（C2H6/CH4来预测煤的自热与自燃。 五、采样点设置 测点设置的总要求是，既要保证一切火灾隐患都要在控制范围之内，并有利于准确地判断火源的位置，同时要求安装传感器少。测点布置一般原则是１）在已封闭火区的出风侧密闭墙内设置测点，取样管伸入墙内1ｍ以上；2有发火危险的工作面的回风巷内设测点；３）潜在火源的下风侧，距火源的距离应适当；4）温度测点设置要保证在传感器的有效控制范围之内；5）测点应随采场变化和火情的变化而调整。 六、连续自动检测系统 目前实现连续巡回自动检测系统基本上有两种形式 1、束管系统 采样系统。由抽气泵和管路组成。管路一般采用管径为６～８ｍｍ聚乙稀塑料管，在采样管的入口装有干燥、粉尘和水捕集器等净化和保护单元。滤尘材料一般用玻璃纤维和粉沫冶金材料。在管路的适当位置装有贮放水器，以排除管中的冷凝水。整个管路要绝对严密，管路上装有真空计指示管路的工作状态。在仪器入口装有分子筛或硅胶，以进一步净化气样。控制装置。主要有三通实现井下多取样点进行巡回取样。气样分析。可使用气相色谱仪、红外气体分析仪等仪器。数据贮存、显示和报警。分析仪器输出的模拟信号可用图形显示、记录仪记录，起过临界指标时发出霰声光报警。必要时进行打印，也可计算机贮存。束管检测系统的缺点是，管路长，维护工作量大。 ２、矿井火灾监测与监控 煤矿建立现代化的环境监测系统进行火灾早期预报，是改变煤矿安全面貌防止重大火灾事故的根本出路。近年来，国内外的煤矿安全监测技术发展很快。法国、波兰、日体、德国、美国等国家先后研制了不同型号的环境监测系统。我国从８０年代开始，通过对国外技术的引进、消化和吸收，环境监测技术有了很大的进步。除分别引进波兰的ＣＭＣ－１系统、英国的ＭＩＮＯＳ系统、美国ＭＳＡ公司ＤＡＮ－６４００系统以及德国ＴＦ－２００系统外，国内一些军工和煤矿研究单位也研制了一些监测和监控系统，对我国部分煤矿进行了装备，为改变我国煤矿的安全状况起到一定作用。 第五节 开采技术防火措施 一、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、煤柱、巷道顶煤和断层附近。 1）采空区，采空区火灾占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。 二、开拓开采技术防火措施 开拓开采技术防止自燃发火总的要求是（1）提高回采率，减少丢煤，即减少或消除自燃的物质基础。（2）限制或阻止空气流入和渗透至疏松的煤体，消除自燃的供氧条件。防止空气流入可燃物，可从两方面着手一是消除漏风通道；二是减少漏风压差。（3）使流向可燃物质的漏风，在数量上限制在不燃风量之下，在时间上限制在自燃发火期以内。 主要技术措施有 1）合理地进行巷道布置 1 对一些服务时间较长的巷道应尽量采用岩石巷道，若将其布置在煤层中时应采用宽煤柱护巷。采区巷道布置应有利于采用均压防火技术。 2 区段巷道分采分掘。过去和现在有不少矿井为了解决独头巷道掘进通风问题，而采用上区段的运输顺槽与下区段的回风顺槽同时掘进，中间再掘进一些联络眼（横川）的布置方式（如图1052）。 3 推广无煤柱开采技术，减少煤柱发火。并采取相应地区段跳采、巷旁充填技术等措施解决取消煤柱之后所带来的采空区难以密闭和隔离等问题。 2）选择合理的采煤方法和先进的回采工艺，提高回采率，加快回采进度。 3）选择合理的的通风系统，矿井采用对角式和分区式通风系统比中央式通风系统更有利防火。通风系统要在一定范围内具有可调性。当一个采区发生火灾时，能够根据救灾的需要，做到随时停风、减风或反风。这样，一旦一个采区发生火灾，就有条件防止火灾气体侵入其它采区，避免扩大事故范围。在巷道布置上，要为分区通风和局部反风创造条件。选择采区和工作面通风系统的原则也是尽量减少采空区的漏风压差，不要让新、乏风从采空区边缘流过。 4）坚持自上而下的开采顺序。 5）合理确定近距离相邻煤层（下煤层顶板冒落高度大于层间距）和厚煤层分层同采时两工作面之间的错距，防止上、下之间采空区连通。 第6节灌浆与阻化剂防灭火 一、灌浆防火 灌浆就是把粘土、粉碎的页岩、电厂飞灰等固体材料与水混合、搅拌，配制成一定浓度的浆液，借助输浆管路注入或喷洒在采空区里，达到防火和灭火的目的。 （一）灌浆防灭火的机理 灌浆防灭火的作用为充填煤岩裂隙及其孔隙的表面，增大氧气扩散的阻力，减小了煤与氧的接触和反应面；浆水浸润煤体，增加煤的外在水份，吸热冷却煤岩；加速采空区冒落煤岩的胶结，增加采空区的气密性。灌浆防火的实质是，抑制煤在低温时的氧化速度，延长自燃发火期。 （二）灌浆系统 灌浆系统由制浆、输浆和灌浆三部分组成。 1、浆液的制备 1）浆液性能，对浆液性能的基本要求是，浓度适当，渗透能力强。在浆液中，固体浆材与水的（体积）比例称之为浆液的（体积）浓度。用黄土做浆材时也叫土水比。 2）浆材的选取 浆材必须满足下列基本要求（1）不含或少含可燃和自燃物质。（2）不含催化物质，（3）粒度一般不大于2mm，而且细小颗粒应占大部分。对于粘土，d≤0.005mm的颗粒应占60～70％；页岩，d≤0.077mm者应占70～75％。（4）比重一般要求为2.5～2.6。（5）胶体混合物浓度（按MgO计）。（6）塑性指数IP*。根据苏联经验认为IP9～11最适宜用于灌浆。 ３）浆液的制备工艺 1 泥浆的制备工艺，随取土方式和制浆设备不同而异。 1 水力取土自然成浆，这种方法适用以山坡表土层或贮土场的积土为浆材。制浆过程是，先用放炮使表土层变松，或直接用高压水枪（水力喷射器）冲刷。黄土随水而流，在流动的过程中混合均匀，形成泥浆，用筛板过滤除去颗粒较大的砂石后，流入输浆管， 这种制浆方法，设备简单，投资少，劳动强度低，效率高。缺点是水土比难以控制，不能保证浆液质量。窑街、大同、淮南、义马等区一些矿井，采用此种方法。 （2）人工或机械取土机械制浆 泥浆搅拌池应分成两格，一池浸泡，一池搅拌，轮换使用。浆池的容积，一般按2小时灌浆量计算，其底部有向出口方向2～5％的坡度，在泥浆引灌浆管前应设两层过滤筛子（孔径分别为15mm和10mm），在注浆时应及时清除筛前的碴料。 ２、浆液的输送 1）输浆压力与输浆倍线 输送浆液的压力有两种。一是利用浆液自重及浆液在地面入口与井下出口之间高差形成的静压力进行输送，叫静压输送；当静压不能满足要求时应采用加压输送。前者使用较多。输浆倍线表示输浆管路阻力与压力之间关系，用N表示。 静压输送时 加压输送时 式中 L浆液自地面管路的入口至灌浆区管路的出口管线总长度，m； H浆液入出口之间的高差，m； h泥浆泵的压力，m。 倍线一般控制在3～8之间。过大时，应加压；过小时，容易发生裂管跑浆事故可在适当的位置安装闸阀进行增阻。 2）灌浆管道的选择 当管道中浆液恰好处于无沉积的悬浮状态时的流速，称为临界流速vc时，也叫不淤流速。在这个流速下输送浆液，既能保证不淤积、不堵管，而且消耗的能量又最小。因此，临界流速是一重要参数。与临界流速对应的管径叫临界管径dc，两者的关系为 或 灌浆量Qm值一定时，与Qm对应的（di，vi）有很多组，可采用试算法确定dC。 ３）利用钻孔代替矿井输浆干管具有选点灵活，节省干管，投资少，维护费用低等优点，在岩层条件好、埋藏较浅时，应优先考虑采用，在有裂隙的岩层，应下套管。 （三）灌浆防火方法 按与回采的关系分，预防性灌浆有采前预灌、随采随灌、采后封闭灌浆等三种。 1）采前预灌，所谓采前预灌即是在工作面尚未回采前对其上部的采空区进行灌浆。这种灌浆方法适用于开采老窑多的易自燃、特厚煤层。 2）随采随灌，灌浆作为回采工艺的一部分，随工作面回采向采空区灌浆。随采随灌又有埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等多种方法。 3）采后注浆，可以利用钻孔向工作面后部采空区内注浆；采空区封闭后，在密闭墙上插管灌浆，防止停采线遗煤自燃。 目前采用的灌浆方法主要有 1 钻孔灌浆，在煤层底板的集中运输或回风巷道或专门开掘的灌浆巷道内，每隔一定距离（10～15m）向采空区打钻灌浆， 2 埋管灌浆，把灌浆管铺设在工作面的回风道内。工作面放顶前，在回风巷的灌浆支管上接一段预埋钢管（10～15m），予埋管和支管之间用高压胶管连接。工作面放顶后始终保持予埋管压在采空区内5～8m，预埋管用回柱绞车拉着外移。 工作面洒浆，为了保证灌浆质量，自然发火危险性较大的工作面应在埋管灌浆的同时还向采空区喷洒灌浆。其方法是，工作面放顶之前，从回风巷灌浆管上接出一根预胶管，沿倾斜方向分段向冒落区里洒喷泥浆。 4 综采工作面插管灌浆，方法是，注浆主管路沿工作面倾斜铺设在支架的前连杆上，每隔20m左右预留一个三通接头，并安装分支软管和插管。将插管插入支架掩护梁后面的垮落岩石内灌浆（如图10-6-5），插入深度应不小于0.5m。工作面每推进两个循环，注浆一次。 （四）灌浆管理 加强灌浆管理对保证灌浆质量，提高灌浆效果至关重要。随采随灌时注意观察灌入水量与排水量比例，如果排出水量过少，则说明灌浆区可能有泥积存，应停止灌浆。如果排出水里含泥量过大或过于集中，说明采空区已形成泥浆沟，灌浆不均匀，