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第一章 概述 第四篇 矿井火灾防治技术 第一章 概述 第一节 矿井火灾 矿井火灾是指发生在矿山企业生产范围之内，并造成人员伤亡、资源损失、环境破坏、设备或工程设施毁坏以及严重威胁正常生产的非控制性燃烧。矿井火灾是煤矿生产过程中的主要灾害之一，与煤尘、瓦斯爆炸的发生常常是互为因果关系，相互扩大灾害范围与灾害程度，是酿成煤矿重大恶性事故的原因之一。 引起火灾的基本要素主要有以下三点 可燃物可燃物是矿井火灾发生的物质基础。在煤矿里，可燃物主要包括煤、坑木、可燃性气体、各种油料和炸药等。 热 源可燃物在开始燃烧之前，必须具有一定温度和足够热量的热源才能引起火灾。矿井内常见的热源有煤的自燃、瓦斯煤尘燃烧爆炸、炸药爆破、机械摩擦、电流短路火花、吸烟、电焊、气焊和喷灯焊接及其它明火。 氧 气燃烧是一种剧烈的氧化过程，只有足够的氧气供给才能维持氧化燃烧的持续进行。 一、矿井火灾的分类 根据引燃源的不同矿井火灾可分为内因火灾和外因火灾。内因火灾也称自燃火灾或自然发火。内因火灾是指煤炭及其包含的可燃物（如硫化矿物等）接触空气后，发生化学反应（吸氧、氧化、生热等）和物理作用（蓄热）而形成的火灾。外因火灾也称外源火灾，是由于外部热源引起的火灾。 根据火灾发生的性质亦可分为原生火灾和再生火灾。原生火灾是指可燃物初次燃烧而形成的火灾；再生火灾是指原生火灾熄灭不彻底重新复燃而形成的火灾。 此外，根据火灾发生的地点及其所在巷道的风流流动方向不同又可分为上行风流火灾、下行风流火灾和进风风流火灾。 二、矿井火灾的危害 我国是一个矿井火灾灾害较严重的国家。据2000年全国425对国有煤矿的不完全资料统计，共发生火灾168次，其中内因火灾154次，外因火灾14次，封闭采区或工作面59个，影响煤量3080Mt,冻结煤量4217Mt，发火率为0.318次/百万吨。 矿井火灾的发生具有严重的危害性，主要表现在 （一）中毒和窒息造成人员伤亡 当煤矿井下发生火灾以后，煤、坑木等可燃物质燃烧，释放出有害气体，此外，火灾诱发的爆炸事故还会对人员造成机械性伤害（冲击、碰撞、爆炸飞岩砸伤等）。如1999年4月11日，内蒙古自治区阿盟古拉本矿区大岭煤矿在火区附近作业时，由于风流紊乱，造成火区CO大量涌出，使工作区域内CO浓度高达2600～3000ppm，导致11名矿工先后中毒死亡。 （二）封闭火区冻结煤量、生产接续紧张 井下火灾，尤其是发生在采空区或煤柱里的内因火灾，往往在短期内难以消灭，在这种情况下，一般都要采取封闭火区的处理方法，这样一来造成大量煤炭冻结，矿井生产接续紧张。对于一矿一井一面的集约化矿井，这种封闭会造成全矿停产。我国 “七五”期间前四年，累计火区240多处，冻结煤量超过70Mt。 （三）封闭、烧毁采掘设备、造成巨大的经济损失 有些矿井火灾火势发展很迅猛，往往会烧毁大量的采掘运输设备和器材，这些设备即使没有被烧毁，由于火区长时间封闭和灭火材料的腐蚀作用，都可能使这些设备的部分或全部报废，造成巨大的经济损失。 （四）煤田火灾烧毁大量煤炭资源、造成严重的环境污染 煤层露头火灾由于火源面积大、燃烧深度深、火区温度高以及缺乏足够资金和先进的灭火技术，使得火灾长时间不能熄灭，烧毁了大量的煤炭资源。据1997年新疆煤田火区普查结果，新疆5大火区的火区面积总计达37940000m2，其中明火面积达8258648m2，烧毁煤量3113.37Mt，每年损失煤量10.27Mt。另外，煤和煤矸石的长时间燃烧，也会放出大量的有害气体,这些火灾气体释放到大气中，造成有害气体严重超标，在大气中形成大范围的酸雨和温室效应；煤田火区的高温使绿洲变为寸草不生的塌陷区，土地荒漠化；此外，火区燃烧生成酸碱化合物对火区附近的地表水和浅层地下水造成严重的污染。 三、矿井火灾现状及趋势 在世界各采煤国家中，我国是矿井火灾发生比较严重的国家之一。据1997年的统计，在593个国有重点煤矿中，自然发火危险矿井占51.3，煤自燃氧化形成的自然发火现象（或征兆）近4000次，形成火灾次数高达360次。在矿井火灾中，煤炭自然发火占90以上。煤巷高冒顶、煤巷巷邦和碹后、破碎带、采空区、上下隅角、地质构造破碎带、煤柱和起采及停采线等地点都是自燃火灾的多发场所。据统计，自然发火发生在采空区、巷道及其它地点的分别占60、29和11。工作面搬家和不正常推进以及工作面过地质构造带或破碎带都是煤自燃发生频率较高的时期。 近年来，随着煤矿生产机械化程度的提高，特别是高产高效综放采煤的应用和普及，使煤矿生产越来越走向集约化。集约化生产减少了工作面的搬家次数，简化了巷道布置，减少了预留煤柱，这些都是集约化生产有利于矿井防灭火的因素；但另一方面，综放采煤开采增加了采空区丢煤量，工作面推进度也相对减慢，同时，由于开采强度大，瓦斯涌出量也随之增大，工作面通风强度亦增大，工作面的风压差亦显著增加，向采空区的漏风亦增大，这些都增加了自然发火的危险性。此外，集约化生产使矿井生产的大型机电设备高度集中，一旦发生火灾，将造成无法估量的损失。 第二节 矿井火灾防治技术的发展现状及趋势 矿井火灾的防治工作主要包括三个方面的范畴煤层自然发火危险性评价、煤层自然发火的预测预报和矿井火灾的防治技术。煤层自然发火危险性评价的目的是要在火灾发生之前对火灾发生的可能性做出科学性的评价，煤层自然发火的预测预报是在煤矿生产过程中对可能或已经发生的火灾进行监测和预测，而矿井火灾防治技术则是对即将发生或已经发生的火灾采取措施，阻止火灾的发生。 一、煤层自然发火危险性评价技术 （一）煤层自燃倾向性评价 煤自燃倾向性是煤自然发火危险性评价的首要指标，表征了煤层开拓之前自然发火的可能程度，反映了煤自身的物理化学性质与其自然发火特性之间的关联性。 世界各主要采煤国都依据本国的具体条件对煤自燃倾向性的鉴定方法和界定指标都做了明确规定。我国在20世纪80年代以前，对煤自燃倾向性的鉴定沿用前苏联的着火温度法，着火点温度法由于受氧化剂、还原剂和煤之间的复杂作用的影响较大不能切实地反映煤低温自热氧化特性。因此，“七五”期间依据我国的具体情况开始研究流态色谱吸氧鉴定法。该方法操作方便、工艺简单，能切实反应煤的低温自热氧化状态。 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法及其专用仪器ZRJ-1型煤自燃性测定仪已在我国煤矿普遍推广和应用，并于1997年发布了行业标准 MT/T 707-1997煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和 MT/T 708-1997煤自燃性测定仪技术条件。 （二）煤层开采时期的自燃危险性评价技术 煤层开采时期的自燃危险程度除取决于自身的自燃倾向性外，还与煤层的赋存条件、采煤方法、顶板管理方法、开采方式、开采顺序、开采工艺、采场通风方式等外在因素有关。因此，多年来国际上许多国家都在寻求一种能综合判别煤自然发火危险程度的方法。目前国际上大多采用对各种内、外在影响因素综合评分的方法。其指导思想是首先对煤自燃倾向性进行鉴定，评出其分值；然后在大量统计分析的基础上对影响煤自然发火危险程度的外在因素进行主观评判，给出分值。将两者综合相加就得出了相应条件下的煤自然发火的总分值，再按总分值对煤层开采时期的自燃危险性进行分类。 （三）煤层最短自然发火期评价技术 煤层最短自然发火期预测一直是国内外煤矿安全技术研究领域的重要方向之一。前苏联利用煤吸氧蓄热研究，提出了以煤吸氧速度常数为基础的检测工艺及其数据处理方法。从“八五”开始，我国着手重点从事典型易燃煤层最短自然发火期的研究，其途径为两条一是用煤堆氧化实验装置在模拟条件下测定并解算发火期；二是测定煤的吸氧速度、氧化反应速度，以热传导及热平衡原理推算最短自然发火期，并结合地质、开采、通风等影响因素修正确定发火期。通过研制煤层自然发火模拟装置，建立了煤的活化能的计算方法和煤自然发火环境条件的传热、传质数学模型，并提出了描述煤自然发火的全新指标碳、氢氧解指数。 二、煤自然发火预测预报技术 煤自然发火的早期预测预报方法主要有气体分析法、测温法、光电法、电离法、烟雾法、磁力预测法等。近年来，随着气味传感器的问世，又逐步形成了气味分析法。我国煤矿矿井火灾预测预报主要采用气体分析法和测温法，以气体分析法为主。 （一）气体分析法 气体分析法是以煤自然发火过程中的气体产物规律来预测预报煤自然发火的过程。气体分析法在过去相当长的时间内采用的是单一CO指标，但研究表明，CO指标与煤自然发火过程的分段性对应关系差、受现场影响因素干扰较大,因此现阶段逐步发展为以CO、C2H4、C2H2、链烷比、烯烷比等为主要指标的综合预测预报体系。 气体分析法在20世纪70年代前，大多数采用人工取样进行分析。80年代煤矿普及气相色谱分析法，研制成功了束管监测系统。早期的KHY-1、ASZ-2型束管监测系统仅能够分析CO、N2、CO、CH4等气体组份，且精度较差，“八五”期间研制的GC-85型矿井火灾多参数色谱监测系统，不仅提高了分析精度，而且使分析组份扩充为O2、N2、CO、CH4、CO2、H2、C2H4、C2H6、C3H8、C3H6、C4H10、C2H2以及包括SF6在内的矿井火灾常、微量气体的全组份分析。 KHY-1、KHY-2、ASZ-2和GC-85型等都属于地面式监测系统，即井下气体通过束管直接抽至地面进行分析，随后的第二代束管监测系统是将地面分析单元置于距监测地点较近的井下硐室，分析单元在井下直接分析束管所采集的气样，再将分析结果以电信号的形式传输到地面中心站进行集中监测。 此外，矿井环境监测系统如KJF-2000矿井环境监测系统也能承担部分火灾参数（CO、CH4、O2、温度、风速）监测任务，对矿井火灾发展的态势进行预测预报。 （二）气味检测法 近年来，日本等国研制成功一种气味传感器，并将这些气味传感器用于日本太平洋煤矿井下煤自然发火的早期预测，取得了初步成效，开辟了煤自然发火预测预报气味检测法的新领域。我国煤炭科学研究总院抚顺分院与日本北海道大学、日本能源中心、日本太平洋煤矿合作，在抚顺矿务局老虎台煤矿以气味检测法为中心开展了煤矿自然发火综合防治技术的研究，就气味传感器对煤矿火灾气体单一组份的敏感性及其规律、气味传感器的敏感特性与煤质的关系进行了较系统的研究。研究结果表明，气味传感器能扑捉煤低温氧化初期释放气味的微弱变化，此时煤温比CO监测提前20～30℃。 气味检测法利用了一组不同类型（目前主要有五种类型）气味传感器，气味传感器是一种结构与人类嗅觉鼻粘膜极为相似的人工合成双层薄膜，当薄膜吸附气味后，覆盖在振动器上的薄膜的重量增加，振动器的频率改变，频率变化大小可以用电信号输出，能够测量频率就能够确定吸附气味的总量。气味检测法不但能检测出煤低温氧化初期释放气味的微弱变化，借助于人工神经网络（ANN）分析，还能识别不同物质（如胶带、坑木、煤炭、机油等）燃烧时所释放的气味，如果矿井火灾为上述这些物质混合燃烧，通过神经网络分析还能初步判别燃烧物质的比例，因此能实现对矿井外因火灾的监测与识别。 虽然气味检测法及其预测指标的研究取得了一定的研究成果，但在实际应用中，井下放炮的炮烟、胶带输送机和采煤机等大型机电设备的开停、放煤落煤以及通风系统的改变等都会对气味传感器的监测造成一定的影响，因此，气味检测法与矿井监测场所气体、气味的本底情况有密切关系，就其实用性而言，还有待于深入研究。 （三）测温法 测温法也是煤自然发火监测的常用方法之一。测温法主要用于煤层巷道异常点温度的监测，常用的方法有热电偶测温法、红外测温法、激光测温法等。但由于受煤矿井下作业环境流动性、分散性、相对空间的受限及作业战线长的影响，温度监测不仅所需监测的点多，而且工作量巨大，采用热电偶等温度传感器时，其成本昂贵，管理困难，致使矿井火灾温度监测技术未能得到推广应用。 目前，我国已研制成功了测温电缆式矿井火灾温度在线实时监测系统，日本太平洋煤矿装备了热电偶温度传感器监测系统，可根据监测点温度的变化情况确定自然发火态势，并指导防灭火措施的制定与实施。 （四）磁力预测法 该方法的原理是铁磁性物质存在的区域温度发生变化时，其磁化率、磁场强度也随之发生相应变化，通过仪器测定磁场变化规律就可对自然发火预测预报。此方法只适于煤层顶底板有铁磁性物质或能撒布铁磁性物质的地方，其应用受到工艺和仪器灵敏度的限制。 从煤自然发火预测预报技术来看，应继续强化基础研究，深入探讨煤自然发火的物理化学过程特性，建立煤自然发火机理的热力学解释，从系统工程学角度，结合煤自然发火的内、外在因素，多层次、多学科地研究煤自然发火危险性动态预测模型，建立煤自然发火危险性预测方法和装备，实现我国矿井火灾的动态早期预测预报。 三、矿井火灾防治技术 （一）外因火灾的防治 我国煤矿外因火灾中以胶带输送机火灾最为严重。近年来，随着我国煤矿生产机械化程度的不断提高，胶带输送机在煤矿运输中所占的比例越来越大，胶带输送机发生火灾的危险性也相应增加，其灾害程度也呈日益严重的趋势。 自“七五”以来，我国先后研制出多种胶带输送机火灾检测和自动灭火装置，但仅是对其重点发火危险部位的3～5个点进行监测，而且不能准确定位。另外，其对温度的监测也只是定温感测（通常为70℃左右），不能实时地反映异常点的温度。如DFH型、DMH型、KHJ-1型、MPZ-1型矿用胶带输送机自动灭火装置等都属于此类。 “九五”期间，我国煤炭科学研究总院抚顺分院开发研制成功了KJS5000A型胶带输送机火灾监测系统，该系统由地面总站、井下基站和井下检测分站、测温电缆等组成，每台分站可检测112个测点，每个基站可管理14个分站，总站可以同时监测井下8台基站的数据，整个系统最大测点数为12544个。由于该系统的测点多，因此可以在胶带输送机所有主被动滚筒、托辊的轴上或表面附近安装测点，实时在线监测这些部位的温度，并在地面总站上集中显示、报警和设定。该系统测温范围0～150℃，绝对误差1.5℃，最大监测距离5km，最大通讯距离10km。系统结构简单，运行稳定，抗干扰能力强，安装和维护不影响胶带输送机的正常运转，是目前国内较先进的胶带输送机火灾监测系统。 此外，还有煤炭科学研究总院重庆分院研制成功的光纤监测系统，但相对成本较高。 （二）内因火灾防治技术 内因火灾防治技术的基本出发点是消除或破坏煤自然发火的三个基本条件。由于出发点不同，相应的技术措施也不同。如惰化防灭火技术是降低煤自燃氧化的供氧浓度；堵漏风防灭火技术是降低煤自燃氧化的供氧量；阻化防灭火技术是通过阻化物质改变煤本身的自燃氧化性能，延缓和彻底阻止煤自然发火的进程。另外，从煤自然发火期的角度出发，加快工作面的推进速度，缩短采空区浮煤在氧化自燃区域（通常指氧化自燃带）内停留的时间，使其在最短自然发火期内就推移到窒息带之内，这也是矿井生产中通常采用而且十分有效的防火措施之一。 （三）矿井火灾防治中存在的问题 近年来我国矿井防灭火技术与装备的长足发展是勿庸置疑的，但与目前矿井火灾现状还不适应，仍需要继续不断地完善和提高，只有这样才能从根本上改变矿井防灭火工作的不利局面。目前我国矿井防灭火存在的问题主要表现在以下几个方面。 首先，用于火灾监测的传感器种类单一、稳定性差、精度不高、寿命短而且价格昂贵，这些都极大地制约了火灾监测和预测预报技术的发展。 其次，煤自然发火期测定的实用技术尚未根本解决。虽然我国长期以来围绕煤自然发火期预测进行了大量的理论、实验和模拟等方面的研究，取得了许多相当有价值的成果，也研制出了专用测试装置，但由于试验周期长，与最短自然发火期相当（最快也需二十几天），试验的煤样量大（几十至上千公斤），因此难以作为常规测试装置普及，有关此方面的技术还有待于进一步提高和发展。 另外，隐蔽火源探测仍是当今世界一大难题。我国在“七五”、“八五”期间就此进行了重点研究，形成了测氡法、地质雷达探测法、红外探测法以及采空区预埋探测器法等，但由于井下火源往往比较深，且介质不均匀（特别是采空区自然发火），某些辅助手段（如红外线、雷达波等）穿透能力有限或反射波受多种不均匀介质的影响而往往探测精度不高，对实际防灭火工作指导意义不大。 5