兖矿综合机械化放顶煤工作面煤层自然发火防治技术Word文档格式.docx

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在扑灭巷道火灾中，建临时密闭后，向封闭区注氮气，使火区气体氧浓度降至10%以下可灭明火，降至1％－2%可快速灭火，燃烧深度大的火源，注氮量应达到火区体积的2－3倍。

1.1.2阻燃物质防灭火技术

阻燃物质防灭火技术主要是指将一些阻燃物质送入拟处理区，从而达到防灭火目的。

除已作为常规防灭火措施使用的黄泥浆外，近年来发展起来的有粉煤灰、页岩泥浆、选煤厂尾矿浆、阻化剂和阻化泥浆等，已经得到较广泛的应用。

1.1.3堵漏风防灭火技术

工作面推过后，及时封闭和采空区相连通的巷道、无煤柱工作面顺槽巷旁充填隔离带、隔离煤柱裂隙注浆堵漏风等均属于堵漏风防灭火。

我国近年研究了双料型高水速凝充填料和液压快速注浆设备，并进行了无煤柱工作面顺槽巷旁充填隔离带的试验，已获成功。

还研制了KBJ一100/5,KBJ一50/3型速凝粉煤灰浆设备和注浆工艺，灰浆输送距离达800m，用于构筑永久密闭、煤壁裂隙、巷道高冒区灌注、胶结等作业。

该设备和材料还可用于快速构筑密闭。

1.1.4灾变时期风流稳定、控制及救灾指挥技术

我国研究火灾时期风流稳定性和风流控制还处于建立物理数学模式进行通风网路解算和灾变风流模拟的阶段，未达到实用化阶段。

近年来还开展了救灾专家系统的研究，试图将众多防灭火专家的技术经验，经计算机软件形成人工智能，组成救灾专家决策系统，以便在各火灾发生时快速选择救灾方案，避免人为因素的片面性。

由于该研究的工作量大、难度大，还没有正规产品间世。

自动防火监控风门、自控防火水幕也是开发研究的内容，已达实用化阶段。

1.2火灾的预测预报技术

1.2.1煤自然发火危险性的判定

20世纪80年代前，煤自然发火危险性的判定沿用前苏联的着火温度法鉴定煤自然发火倾向，其结果和开采后证实的情况基本相符，但对于高硫煤差异较大。

近年来，研究色谱动态吸氧法测定吸氧量和吸氧速度，判定自然发火倾向，并研制了ZRJ－1型色谱自燃性测定仪，在煤矿已推广使用。

在研究煤的自然发火期及其影响因素中，近年来采用了2种技术途径：

一是用煤堆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、通风等影响因素的修正系数确定煤的发火期。

1.2.2自然发火预测预报

（1）预测预报指标

过去矿井火灾预测预报指标主要采用CO，但最新研究表明CO已不是在任何情况下都可作为惟一的和最灵敏可靠的判别煤自燃火灾的指标。

最新的研究结果为：

使用CO、C2H4及C2H23个指标，综合地将煤自然发火分为3个阶段：

①矿井风流中出现10-6级CO时的缓慢氧化阶段；

②出现10-6级CO和C2H4时的加速氧化阶段；

③出现10-6级CO、C2H4和C2H2的激烈氧化阶段，此时即将出现明火。

应用这3个指标，不仅可预测火灾，而且还可判别其阶段，据此而采取不同的防灭火技术措施。

本项技术已在较多矿井中得到应用，但对不同的煤层必须分别进行模拟实验，优选其指标的具体应用值，才能正确地应用该项技术。

（2）预测预报手段

预报自然发火的手段，在20世纪70年代前是用井下人工采气样、地面仪器分析，并结合温度检测和人的感知来判断发火危险性。

80年代煤矿普及气相色谱分析方法，并研究应用束管监测系统抽吸井下气体、地面集中分析、微机自动数据处理和预报自然发火。

束管监测系统已成为工作面自然发火预报和采空区注氮防火的主要监测手段。

1.2.3外因火灾检测系统

我国煤矿近年曾发生胶带输送机或机电硐室火灾，并造成重大经济损失或人员重大伤亡。

为此，近年相继开发出几种装置和仪器设备，如煤炭科学研究总院重庆分院研制开发的KHJ－1型矿井火灾监控系统及自动灭火装置以及MPZ－1A型胶带输送机自动灭火装置，它们由速差、温度、烟雾、紫外线、热敏电缆等5种传感器和电源控制箱联接，控制箱由单片微机实现监测控制、智能判断、控制喷洒泡沫或水喷雾灭火，为我国煤矿外因火灾的预测预报及防治增添了新的手段和能力。

这些系统都是我国自己研制开发的产品，适应我国的具体情况，可供有关矿井选用。

2、煤层自然发火机理

2.1煤体自燃的起因和过程

煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化的物理化学过程，其实质就是一个缓慢地自动放热升温最后引起燃烧的过程。

该过程的关键有两点：

一是热量的自发产生；

二是热量的逐渐积聚。

导致煤在常温下产生热量的因素很多，如水对煤的润湿热、煤分子的水解热、煤中含硫矿物质水解及氧化热、煤中细菌作用放出的热量、煤对氧的物理吸附热、煤对氧的化学吸附热以及煤与氧的化学反应热等等。

这些因素对于煤体自发产生热量都起着一定的积极作用，在某些条件下甚至是决定性的作用。

但大量的研究工作发现煤的自燃主要是由煤氧复合作用放出热量而引起，煤与空气接触后首先发生煤体对氧的物理吸附，之后又发生煤氧化学吸附和化学反应。

导致煤体自燃除热量的自发产生之外，另一关键要素就是自发产生的热量被逐渐积聚。

煤体自燃所需热量的积聚不但与煤氧复合作用放出热量有关，还与煤体的散热条件有关。

实际条件下，煤体的放热与煤体表面活性结构种类和数量、煤体的温度、氧气浓度等因素有关；

自燃煤体的散热条件则主要包括煤体的空隙率、漏风强度以及周围环境的温度等。

当煤体的放热量大于煤体的散热量时，煤体热量被积聚，煤体温度上升；

当煤体放热量小于散热量时，则煤体温度保持稳定。

煤体热量积聚过程，也就是煤体自然的发展过程，而自燃正是煤体放热与散热这对矛盾运动发展过程的结果之一。

综上所述，煤自然发火主要是由空气渗透进入松散煤体，空气中的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生物理吸附、化学吸附及化学反应，同时放出热量，在一定的蓄热环境下，煤体不断地氧化、放热、升温，当煤温超过临界温度后，煤体继续升温，达到煤的着火点温度，最终导致煤体燃烧。

巷道在掘进过程中，煤体暴露于新鲜空气中，在采动压力作用下受压而破碎、离层，风流在各种动力作用下渗透进入煤体，使煤体氧化放热。

当煤体放热速率大于周围环境散热速率时，引起升温，最后导致自燃。

由于巷道煤层所处位置、松散煤体堆积形态、漏风动力、散热条件等与一般煤层不同，具有自己的特性，尤其是综放无煤柱开采。

因此，巷道煤层自燃除了具有一般煤层自燃的共性之外，还有自己的特性。

2.2煤层自燃特点

2.2.1由于受煤矿开采条件及采煤工艺的限制，工作面布置走向长度大，上千米煤巷采用综掘一次完成，因而巷道煤体暴露于空气的时间较长，一般均超过煤层最短自然发火期。

2.2.2巷道内因火灾大多起始于距巷道表面一定深度的中部。

在采动压力的作用下，暴露面处的煤体破碎程度较大，漏风阻力小，漏风强度较大，超过引起煤自燃的上限漏风强度，热量不能积聚，无法形成自热高温点；

离暴露面较远的深部煤体，由于漏风通道不畅通，漏风阻力较大，氧气渗透到该处时浓度已很小，低于煤自燃的下限氧浓度，处于窒息状态，亦无法形成自热高温点；

而在距暴露面一定深度的中部，漏风强度适中，风流速度慢，氧气浓度适宜，最容易满足煤自燃的条件而形成自热高温点。

2.2.3煤体导热性差，火源隐蔽，往往是在发现巷道煤体表面温度异常时，内部火势已形成。

自燃火源点逆着风流方向发展，有害气体顺着风流方向流动，有时只见有毒有害气体而不见明火，使寻找火源点的工作非常困难。

2.2.4巷道外因火灾，火势发展迅猛，很快就会形成大火，但只要氧浓度小于12％火势就熄灭。

在发火初期只有着火处煤温很高，由于煤（岩）体导热性差，周围煤（岩）体的温度升高缓慢，煤体的热容量小，因此出现外因火灾初期，火势易于扑灭。

巷道松散煤体自燃火灾则不同，它是煤氧结合放出热量引起自然升温而形成的火灾，由于煤体的长期氧化，逐渐地向周围煤（岩）体散热，同时自身热量也逐渐积聚，煤（岩）体温度升高，储存了很大的热能，火源点周围煤（岩）体的温度很高，欲降低如此大范围高温煤（岩）体的温度难度很大，且易使暂时扑灭的火灾复燃。

2.2.5井下巷道属于半封闭空间，煤自燃产生的有毒有害气体和灭火时产生的水蒸气等只能朝一个方向移动，救灾人员工作空间回旋余地小，给救灾人员带来很大威胁。

2.2.6厚煤层综放开采顺槽沿底板掘进，巷道顶煤自然发火较多，火源位置高。

顶煤受矿压和采动影响，易破碎离层；

有些煤层煤质松软，掘进过程中时常冒顶形成空洞区；

有的上分层已采，下分层采用综采放顶煤技术，由于煤层起伏变化、中间煤层破碎等原因，使综放顺槽与顶部采空区连通。

2.2.7无煤柱开采留小煤皮的沿空巷道与邻近层采空区连通，火源沿巷道顶板及沿空侧（或顶部）采空区发展迅速，火势控制困难。

2.2.8两道顶煤在回采前破碎区已受到长时间的氧化升温，由于端头顶煤放出率低，该顶煤垮落采空区后，产生5－8m宽的丢煤带，采空区这2条遗煤带相对其他地点温度更高，自然发火期缩短；

当接近停采线时，为了撤架而不放顶煤，使得采空区形成较大面积悬空，且留有大量浮煤，而撤架时间又较长，使自燃性增强。

当相邻综放面沿空送巷和回采时，由于一次采落煤层厚度大，采动影响范围广，相应漏风量增加，容易引起巷道自燃火灾。

2.2.9巷道自然发火主要发生在巷道高冒区、地质构造带、煤体破碎带、裂隙发育之处，以及巷道有突变的区域（巷道变形、起伏、扩大、缩小、转弯、分叉、汇合及巷道内安设风门、风窗、风嶂、堆放杂物等）。

这些区域漏风强度变化较大，浮煤易自燃。

2.3煤自嫩的危险区域

2.3.1采空区遗煤带

工作面开采初期，以工作面开切眼附近采空区为主；

工作面开采过程中，以靠近工作面顺槽的相邻采空区遗煤带为主；

工作面停采撤架期间，以停采线附近采空区为主。

2.3.2巷道顶煤

极易自燃区为煤巷顶板局部高冒区、煤巷地质构造破坏区、煤巷起坡破碎区、煤巷煤柱沿空侧废弃硐室及开切眼、停采线；

易自燃区为煤巷地质构造轴部破碎区、巷道硐室及溜煤眼、煤巷顶部破碎区、工作面回采期间煤巷超前变形区；

可能自燃区为煤巷上帮中部破碎区、煤巷上帮上部破碎区、煤巷下帮破碎区。

3、煤层自然发火防治技术

3.1胶体材并防火技术

3.1.1凝胶堵漏技术

凝胶是具有粘塑性的胶体化合物，它由主剂和促凝剂两种溶液经混合后反应而形成。

其混合液在凝固前粘度近似于水，但渗透到煤和岩石裂隙中，成胶后粘度则是水的1500倍．能有效地防止漏风，如主剂浓度为6％的100mm厚的胶体层可抵抗4000Pa的空气压力，因而凝胶是一种很好的“内部堵漏”材料，用来进行顶板裂隙的封堵及冒落空洞的充填，效果很好。

凝胶除密封性能外，还具有良好的固水和吸热降温性能，因而也常用作直接的灭火材料。

凝胶压注工艺简单，操作方便，如图4－4－1所示。

系统采用TBW－50/15型泥浆泵2台；

0.5m3水箱4个，其中2个配液、2个压注。

材料由主剂（水玻璃）、促凝剂（铵盐）和水按一定比例混合而成，通过调整三者的配比来控制成胶时间和胶体硬度，以适应灭火和防火的不同需要，一般成胶时间能够控制在几十秒至几十分钟不等。

3.1.2胶体泥浆灭火技术

（1）胶体泥浆灭火机理

胶体泥浆利用基料、促凝剂的胶凝作用，以黄泥浆作充填剂，增加胶体强度、耐温性能和增强有效期。

以水玻璃为基料形成的胶体是二氧化硅的胶体，其胶体结构如图4-4-2所示。

胶体内部充满黄泥浆、水和部分NaHCO3、Na2CO3、NH4OH等分子，硅胶起骨架作用，黄土起稠化充填作用．把易流动的水固定在硅胶内部。

未成胶的混合液在泵压和自重的作用下，通过钻孔和煤体裂隙进入高温区，有一小部分混合液由于未成胶就遇到高温，其中的水分迅速汽化，快速降低煤表面温度，残余的固体形成一层膜，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃。

随后流动的混合液随着液体温度升高，成胶速度加快，在不远的周围形成胶体。

该胶体包裹煤体，隔绝煤氧接触，使煤的氧化放热过程立即中止，煤氧化产生的有害气体消失。

混合液渗入煤体孔隙形成胶体。

胶体泥浆吸收大量热能后，胶体缓慢失水蒸发，以蒸汽形式排放大量热能，煤体温度进一步下降，使煤体氧化放热性能大量降低，火势熄灭。

随着胶体混合液的不断注入，成胶范围不断扩大，火势熄灭圈增大，直至整个火源熄灭。

当胶体泥浆完全干涸失水后，残余物中的孔隙较多，虽大大降低了原煤体的孔隙率，但仍能使一部分空气通过。

煤体经胶体泥浆处理过后氧化放热性能大为降低，但在较高温度下仍能复燃。

一般在常温下，经过胶体泥浆处理过的碎煤所产生的氧化热不足以引起煤体升温，故不会再自燃。

因此，采用胶体泥浆灭火后的火区，仍应使火区温度逐渐下降，储存的热能充分释放，否则仍有复燃危险。

（2）胶体泥浆的灭火工艺

胶体泥浆灭火系统是在黄泥灌浆系统的基础上，增加促凝剂添加系统，如图4－4－3所示。

地面浆池制浆水土比为4：

1－5：

1,基料添加比例为90－100kg/m3浆，搅拌均匀。

井下促凝剂添加比例视所需的成胶时间而定，一般成浆时间为7－8min时促凝剂比例为20kg/m3浆；

成胶时间为3－4min时凝剂比例为30kg/m3浆;

成胶时间为25s时促凝剂比例为50kg/m3浆。

（3）胶体泥浆灭火技术的特点

a胶体泥浆稳定性好。

胶体泥浆热稳定性比纯胶体更好，在高温火炭中不熔化、失水速度很慢。

完全失水后的残渣是耐火的黄土和SiQ2，仍然充填着煤体孔隙，增加漏风供氧阻力，降低煤体氧化放热性能。

胶体泥浆耐压稳定性随着含土量的增加而增高，黄土不仅起充填作用，黄土本身也是一种胶体材料，当黄土与硅胶形成复合胶体泥浆时耐压性能比任何一种单质胶体性能都好。

因此高浓度（含土量为25%－40%）胶体泥浆可充填高冒空顶区，而纯凝胶或纯泥浆都不能。

b成胶时间可控制。

成胶时间可根据促凝剂的添加量加以控制，最快成胶时间为25s，慢的可控制在1-2d。

根据火区不同条件、需要输送的距离及钻孔渗透的范围，选择不同的成胶速度。

胶体泥浆进入火源高温区，由于温度升高，成胶速度会加快。

c大量浮煤堆积高处的火源采用水和泥浆难以扑灭。

灌浆和注水灭火，浆和水往低处流，形成一定的泄漏通道，通道上部和周围的火难以扑灭，且注水和注浆的管路中都带有一定的空气，形成的通道一旦停注也成为畅通的漏风通道，使火难以扑灭。

另外，浆水经过块煤表面，只能带走一部分表面温度，煤内部温度短时间内不会下降，停水后温度迅速上升，一旦供氧马上复燃。

采用胶体泥浆灭火技术，能有效地克服上述缺点。

它能在碎煤中充填空隙，很快使煤氧隔离窒熄，控制好成胶速度不会形成泄漏通道。

即使高温蒸烤失去水分，仍有25％左右的黄土存在于空隙中，可起防火作用。

d利用地面灌浆系统配制胶体泥浆，实现大流量连续注胶，劳动强度低，井下运输量少，比井下注胶系统优越，尤其对大面积火区的灭火更显其优势。

3.1.3新型复合胶体材料防灭火技术

（1）XK2－PR稠化剂合成材料及配方

XK2－PR稠化剂是一类复合材料，它的生产过程包括原料精制、溶液聚合、水解、低温干燥、混合、粉碎等过程。

为降低防火成本，在选择灭火材料时，应以原料易得、合成方便、用料省、效果好为原则。

根据上述原则，采用有机、无机材料和复合材料的混合物稠化剂。

配方：

基料І 

8-12份

基料Ⅱ 

50-70份

引发剂 

微最

添加剂 

少量

成膜助剂 

高纯水 

23-27份

调节剂 

适量

（2）合成步骤及工艺

XK2—PR高效水胶体添加剂的合成步骤流程如图4－4－4所示。

将图中所述原料（调节剂除外）按一定比例在配料槽内配好，再流入混合器均匀混合，将混合产物在进料温度控制器中预热到50°

C后，再进入聚合反应釜。

在反应釜内引发剂分解产生自由基，单体在引发剂引发下发生自由基链反应，也就是聚合反应。

反应进行10h，即得到块状柔软的高聚物、单体、引发剂及溶液的混合物。

将混合物中的单体在脱单体塔内脱去，就得到了较纯的共聚物。

脱去的单体再返回混合器进行回收利用，反应得到的共聚物送至水解池，在碱性介质中水解。

水解产物再经流动床干燥器干燥后，与CMC、分散剂一并粉碎混合，即得到所需粒度的稠化剂粉末。

（3）配套设备

a、井下移动式压注设备。

对于井下胶体用量较少的火灾防治地点，可使用XK－5型稠化胶体压注机（图4－4－5）在井下直接对煤层高温区域压注稠化胶体的注胶工艺（如图4－4－6）。

XK一5型稠化胶体压注机上部有2个料斗，一个是振动加料料斗，一个是加水搅拌混合料斗。

用加料勺不断地向振动料斗内加入稠化剂，通过变换下料口的大小控制下料量，并通过筛板均匀地洒入到混合料斗内，与水混合均匀后进入压注泵。

混合料斗内采用水搅拌，搅拌力的大小可由搅拌水管和补水水管上的阀门相互配合来控制。

混合后液体吸入主泵，然后经分流器注入发火区域。

该胶体压注工艺及设备操作简便，物料全自动配比，不需人工配料，设备体积小，易于运输，使用、维护方便。

b、利用地面灌浆系统压注工艺。

有时井下煤层着火面积很大、火势凶猛，或支架后部大范围着火，则需要大流量的注胶灭火工艺。

该工艺主要是利用煤矿现有的地面灌浆防灭火系统、注砂防灭火系统及防尘水管路系统，用自动配比给粒器按比例往地面灌浆池出浆口添加XK2－PR稠化剂，通过灌浆管路运送到井下用胶地点，再压注到火区。

其注胶灭火工艺如图4一4一7所示。

该稠化胶体压注工艺不需要向井下运输材料，总流量通常在30－100m3/h,尤其适用于煤矿井下大面积火区或高瓦斯矿井火灾的治理。

地面自动配比给料机电机功率200W,重量25kg,操作简单，使用、维护方便。

（4）复合胶体材料的特点

a、XK2－PR稠化胶体添加剂的浓度为3‰时，就能与传统的胶体灭火材料（如凝胶）浓度为10％时的性能相当，在灭火中采用该材料可使在井下的运输量减少30倍以上，大大降低工人劳动强度；

b、稠化胶体添加剂对水质的依赖性小，在pH值大于4的水中XK2一PR都可形成较好的胶体，一般的盐对胶体性能的影响不大；

c、根据工艺需要调节材料的溶解速度，可以满足不同的工艺要求，材料的溶解速度可通过改变粒度、添加剂等手段来调节，可根据需要制成系列产品；

d、稠化胶体耐火性能很好；

e、具有一定的强度，胶体能够渗透到煤层的裂隙中，堵住漏风；

在煤层间隙受力发生蠕变，不会破裂；

由于胶体有粘弹性，它能紧密充填于煤层间隙，即使煤层压裂破碎也不会产生漏风裂隙；

f、由于它有触变性，在用泵进行运输时粘度较低，运输阻力不大，而进入煤层静止后粘度增大，可滞留在煤层中吸热堵漏；

由于材料受热粘度降低，使其在煤层中向高温点的流动变得容易，而从高温点向外流相对较困难，这对灭火有利；

g、稠化胶体材料在常温下脱水很慢、不变质，可长期保存在煤层中，防止煤层自然发火或火区复燃。

3.4粉煤灰凝胶料堵漏技术

3.4.1粉煤灰凝胶料的组成

粉煤灰凝胶料是在凝胶的基础上加入粉煤灰骨料混合后反应而成，其成分有粉煤灰、凝胶材料和水。

经锅炉嫉烧后的粉煤灰，是一种次生矿物。

其主要化学成分为：

二氧化硅（SiO2）平均含量48.5%；

其次为三氧化二铝（Al2O3）和三氧化二铁，平均含量分别是22.62%和6.87%；

再次是氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、三氧化硫（SO3）和二氧化钛（TiO2），其他成分含量很少。

粉煤灰的烧失量约为11％，本身含可燃物的数量较低。

粉煤灰颗粒粒径较小，且均匀度高，容易形成浆，便于输送，适合于作密闭充填材料。

我国煤矿目前使用的凝胶材料主要由水玻璃、碳酸氢按和水组成，在成胶过程中放出大量的氨气，其浓度超过《煤矿安全规程》规定的标准，作业环境恶劣，对操作工人的身体健康极其不利。

兖矿集团公司东滩煤矿与煤科总院重庆分院研究了一种新型凝胶。

凝胶由基料、胶凝剂和水组成，是通过对10多种基料和胶凝剂进行性能分析、配比试验及对比试验，在综合分析比较后，优化出基料A和胶凝剂B。

这2种材料均为液体，其中基料A是一种阻化剂，胶凝剂B是一种无机物盐类。

2）粉煤灰凝胶灌注工艺

粉煤灰凝胶灌注采用KPZ－1型井下移动式喷注设备，粉煤灰、基料A和胶凝剂B等材料用矿车运送下井，以一定材料配比的粉煤灰、基料A和水在KPZ－1型喷注设备的搅拌机中搅拌成浆后，经过过滤器过滤，由注浆泵将浆液经无缝钢管输送到注浆点附近，与计量泵翰送来的胶凝剂B在混合器混合均匀，最后通过钻孔灌注到相邻采空区丢煤带（或其他堵漏地点），工艺流程如图4－4－8所示。

3）粉煤灰凝胶料的特点

粉煤灰凝胶料具有高水、速凝、阻化降温、无毒、无味等特点，可替代黄泥浆和纯凝胶等灌注堵漏防灭火材料，克服了使用有氨凝胶井下环境受氨气污染的缺点，有利于保障工人的身心健康，另外利用了电厂粉煤灰废弃物，降低了材料成本。

粉煤灰凝胶料适于相邻采空区丢煤带、密闭、高温点等灌注充填堵漏。

（二）注氮防灭火技术

1.注氮防灭火的原理

氮气是