第三講 防治煤自燃的開采技術(shù)措施

礦井火災(zāi)防治理論與技術(shù)第三講防治煤自燃的開采技術(shù)措施第一節(jié)煤的自燃學(xué)說1）黃鐵礦作用學(xué)說黃鐵礦作用學(xué)說是最早試圖打開煤炭自燃之迷的學(xué)說之一，它在十七世紀(jì)提出并很快得到了很大的發(fā)展。該學(xué)說認(rèn)為：黃鐵礦吸氧后體積膨脹，擠碎了煤塊，增大了裂隙，同時(shí)黃鐵礦吸氧后有水時(shí)要發(fā)生放熱反應(yīng)，熱量聚積，以致煤的燃燒。2）細(xì)菌作用學(xué)說煤炭自燃的起因是細(xì)菌求生活動(dòng)的過程，這種活動(dòng)能助長(zhǎng)煤中有機(jī)物的氧化發(fā)酵生熱，而導(dǎo)致煤的自燃。3）酚基作用學(xué)說酚基作用學(xué)說認(rèn)為：煤的有機(jī)化合物中，以酚基最易受到氧化，所以最初是酚基類氧化發(fā)熱而導(dǎo)致其它有機(jī)物的氧化發(fā)熱。4）煤氧復(fù)合學(xué)說

煤中含有一種易于被空氣低溫氧化的活性物質(zhì)，這種活性物質(zhì)的多少，取決于煤的變質(zhì)程度的高低，變質(zhì)程度越高，活性物質(zhì)就越少。煤接觸氧后，活性物質(zhì)在低溫下與氧化合，放出微熱，熱量積聚而導(dǎo)致煤的自燃。第二節(jié)煤炭氧化過程1）準(zhǔn)備期（潛伏期）煤在低溫下吸附空氣中的氧，在煤的表面生成不穩(wěn)定的初級(jí)氧化物羧基OH、羥基COOH，煤溫與環(huán)境溫度不變，煤重增加，著火點(diǎn)降低，化學(xué)活性增加。2）自熱期自熱前期：煤溫上升，不穩(wěn)定的初級(jí)氧化物進(jìn)一步生成H2O、CO2、CO及CxHy。自熱后期：當(dāng)溫度達(dá)到60-80℃的臨界溫度時(shí)，氧化速度加劇。3）燃燒期（自燃期）煤溫達(dá)到著火溫度（無煙煤﹥400℃、煙煤320-380℃、褐煤﹤300℃）開始燃燒。4）冷卻風(fēng)化煤在氧化過程中，如有良好的冷卻散熱條件以至溫度不能上升，則發(fā)生風(fēng)化。風(fēng)化后的煤不再發(fā)生自燃。 為什么有的煤能自燃，有的煤不會(huì)自燃，如：河南焦作的煤不易燃，陜西銅川、遼寧撫順、甘肅窯街等的煤易燃。煤炭自燃與否取決于煤本身的物理化學(xué)性質(zhì)和外部的散熱條件。因此煤炭的自燃與否主要取決于兩個(gè)因素：內(nèi)因因素：指煤本身的自燃傾向性，煤本身的氧化能力和物理化學(xué)特征。煤要自燃，首先必須要有自燃傾向性，即要有自燃的能力。外因因素：指煤在氧化過程中的通風(fēng)供氧和熱交換的條件。因此，煤炭自燃必須同時(shí)滿足四個(gè)條件：1）煤本身要有自燃傾向性；（有自燃傾向性的煤呈破碎堆積）2）要有連續(xù)的供氧條件；3）熱量易于積聚；4）足夠的氧化時(shí)間。第三節(jié)煤的自燃傾向性鑒定方法與分類3.1煤炭自燃傾向性影響因素影響煤炭自燃傾向性的因素（內(nèi)因因素）主要有：1）煤的變質(zhì)程度2）煤的水分3）煤巖成分4）煤的含硫量5）煤的粒度、孔隙度與脆性鑒定煤的自燃傾向性對(duì)于掌握自燃火災(zāi)的發(fā)生規(guī)律，有針對(duì)性地采取防火措施具有重要意義。我國《煤礦安全規(guī)程》（第209條）第228條規(guī)定：

煤的自燃傾向性分為容易自燃、自燃、不易自燃三類。新建礦井的所有煤層的自燃傾向性由地質(zhì)勘探部門提供煤樣和資料送國家授權(quán)單位作出鑒定，鑒定結(jié)果報(bào)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）煤礦安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)及煤炭管理部門備案。生產(chǎn)礦井延深新水平時(shí)，必須對(duì)所有煤層的自燃傾向性進(jìn)行鑒定。開采容易自燃和自燃煤層的礦井，必須采取綜合預(yù)防煤層自然發(fā)火的措施。目前常用的測(cè)試方法有：1）煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法

2）著火溫度降低值測(cè)定法3.2煤的自燃傾向性鑒定煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法1）煤的自燃傾向性

煤在常溫下氧化能力的內(nèi)在屬性2）流動(dòng)色譜吸氧法

應(yīng)用熱導(dǎo)法雙氣路氣相色譜分析檢測(cè)技術(shù)，測(cè)定煤對(duì)流態(tài)氧的吸附能力，以吸氧量表征煤的氧化自燃性能。

3）步驟（1）煤樣的預(yù)處理制備好的煤樣稱取1g裝入標(biāo)準(zhǔn)樣品管中，通以氮?dú)?流量30cm3／min)，在柱箱溫度為105℃的條件下處理1.5h。

（2）吸氧量的測(cè)定將處理好的煤樣，在柱箱溫度為30℃，熱導(dǎo)溫度為80-100℃，載氣氮流量為30±0.5cm3／min，吸附氧氣流量為20±0.5cm3／min的條件下，吸附氧氣20min后，測(cè)定脫附峰面積S1；將煤樣倒出，在相同的條件下，同一樣品管空管吸附氧氣5min，測(cè)定脫附峰面積S2；根據(jù)S1、S2計(jì)算吸氧量值。4煤自燃傾向性等級(jí)分類以每克干煤在常溫(30℃)、常壓(1.0133×104Pa)下的吸氧量作為分類的主指標(biāo)，煤的自燃傾向性等級(jí)按表1、表2分類。5允許誤差

煤吸氧量測(cè)定結(jié)果的允許平行誤差不得超過表3的規(guī)定：自燃傾向性等級(jí)自燃傾向性煤的吸氧量，cm3／g·干煤Ⅰ容易自燃>0.70Ⅱ自燃0.40<Vd≤0.70Ⅲ不易自燃≤0.40自燃傾向性等級(jí)自燃傾向性煤的吸氧量，cm3／g·干煤全硫Ⅰ容易自燃≥1.00≥2.00Ⅱ自燃≤1.00Ⅲ不易自燃<2.001)含可燃揮發(fā)分≤18．0％。

表2高硫煤、無煙煤1）自燃傾向性分類表表1褐煤、煙煤類自燃傾向性分類表同一實(shí)驗(yàn)室不同實(shí)驗(yàn)室0.050.10表3煤吸氧量測(cè)定的平行實(shí)驗(yàn)誤差專用標(biāo)準(zhǔn)樣品管結(jié)構(gòu)示意圖ZRJ-1型流態(tài)色譜吸氧儀器

第四節(jié)煤層自燃危險(xiǎn)程度及自然發(fā)火期如前所述，煤炭的自燃與否，主要取決于煤炭本身的自燃傾向性，煤本身的物理化學(xué)性質(zhì)和外部的漏風(fēng)供氧和熱交換的條件。因此，煤的自燃取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是內(nèi)因因素，即煤炭自燃傾向性；一個(gè)是外因因素，即煤炭氧化過程中的連續(xù)供氧和蓄熱的條件。

內(nèi)因的影響因素是先天的因素，是在成煤之前或在成煤的過程中就已經(jīng)存在了的。如前面所述：煤的變質(zhì)程度、煤的水分、煤巖成分、煤的含硫量、煤的粒度、孔隙度與脆性等。而外因的影響因素則是后天的因素，主要包括：地質(zhì)變動(dòng)、煤層賦存條件、開拓開采條件和通風(fēng)條件等的影響。實(shí)驗(yàn)證明，一個(gè)煤層或礦井自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，在一定程度上還受煤層的地質(zhì)賦存條件、開拓、開采和通風(fēng)條件的影響。一個(gè)弱自燃傾向性的礦井，如果不重視安全工作，亂采亂伐，四處漏風(fēng)，則煤炭自燃發(fā)火的幾率可能要比一個(gè)強(qiáng)自燃傾向性的礦井大。因此。影響煤炭自燃的外因因素也是不可忽視的。4.1影響煤炭自燃的外因因素：影響煤炭自燃的外因因素主要有：1）煤層地質(zhì)賦存條件2）地質(zhì)構(gòu)造的破壞程度3）圍巖性質(zhì)4）采掘技術(shù)因素5）通風(fēng)條件4.2煤層自然發(fā)火期《煤礦安全規(guī)程執(zhí)行說明》47條規(guī)定：1、煤層中出現(xiàn)下列情況之一者，該煤層定為自然發(fā)火煤層：1）煤炭自燃引起明火；2）煤炭自燃發(fā)生煙霧；3）煤炭自燃發(fā)生煤油味；4）采空區(qū)測(cè)取的CO濃度超過礦井實(shí)際統(tǒng)計(jì)的臨界指標(biāo)。2、巷道中煤層自然發(fā)火期應(yīng)以自然發(fā)火地點(diǎn)在揭露煤之日起至發(fā)生自然發(fā)火時(shí)為止的時(shí)間計(jì)算，一般以月為單位。3、回采工作面煤層自然發(fā)火期應(yīng)以工作面開切眼之日起至發(fā)生自然發(fā)火時(shí)為止的時(shí)間計(jì)算，一般以月為單位。煤炭自燃傾向性、自然發(fā)火危險(xiǎn)程度、煤層自然發(fā)火期三者關(guān)系：煤炭自燃傾向性是煤層的自然屬性，是煤本身的氧化能力和物理化學(xué)特征，即煤層自燃的能力。自然發(fā)火危險(xiǎn)程度包含了內(nèi)、外因的因素，表征煤層可能發(fā)生自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的大小。煤層自然發(fā)火期是自然發(fā)火危險(xiǎn)程度在時(shí)間上的量度。第三部分防治煤自燃的開采技術(shù)措施防止煤炭自燃的措施很多，如預(yù)防性灌漿、阻化劑、均壓、凝膠、注惰氣等。但最重要的方法還是要有正確的開拓開采方法，合理的開拓系統(tǒng)與采煤方法對(duì)于防止煤炭自燃起著決定性的作用。20世紀(jì)六、七十年代，時(shí)興將巷道布置在煤中：煤層大巷、煤層上山、煤層集中巷等。因煤軟易掘，投入小、見效快。采煤方法則采用：房柱式、高落式、垛式、倉儲(chǔ)式等老法采煤。挑肥揀瘦，大量丟失余煤，煤炭的堆積導(dǎo)致火災(zāi)頻頻不斷打亂了生產(chǎn)次序，欲速這不達(dá)。如：甘肅窯街二、三號(hào)井，在開采初期，幾十米的厚煤層采用清一色的煤巷布置采煤方法為高落式、煤皮假頂，回采率僅30-40%。投采的3-4年間礦井火災(zāi)頻頻發(fā)生，生產(chǎn)處于采采停停、停停采采的被動(dòng)局面。煤巷布置方式，在薄煤層、單一中厚煤層、不自然煤層中是可行的，但維護(hù)費(fèi)也高。若布置在自燃傾向性嚴(yán)重的煤層、厚煤層、煤層群中，將得不償失，可能會(huì)被火燒得焦頭爛額、夜不安寧。因此，正確地選擇開拓開采方法是很重要的，對(duì)于厚煤層、自然發(fā)火嚴(yán)重的煤層礦井，尤應(yīng)如此。第一節(jié)防止煤炭自燃的開采技術(shù)措施

1、合理的巷道布置系統(tǒng)為了防止煤層自然，對(duì)開拓開采的要求是：正確的開拓方式，合理的采煤方法，就是增強(qiáng)礦井的先天防火能力。開拓開采應(yīng)做到：

最小的煤層暴露面；最大的煤炭回采率；最快的煤炭回采速度；最易于封閉的采空區(qū)。1）采用巖石巷道

盡量減少切割煤層，以最小的煤層切割量獲得最大的煤炭回采率。因此對(duì)厚煤層、多煤層群礦井的開拓開采布置應(yīng)采用：巖石水平大巷——巖石上山——巖石集中平巷——聯(lián)絡(luò)石門。盡量少掘輔助性巷道。2）區(qū)段巷