1、煤自然发火防治技术及应用,提 纲,一、概述二、煤层自燃预报技术三、两矿煤层自燃预测技术四、采空区自燃“三带”分布及影响因素五、瓦斯抽采对自燃“三带”分布及影响,一、概 述,我国煤炭自燃火灾十分严重。据统计，我国北方七省煤层露头火灾着火面积有720km2，累计已烧毁煤量42亿吨以上。,1.1 煤层自燃危害,煤矿、电厂、运煤码头港口等地面储煤场煤堆也时常发生自燃。大同矿务局十年内煤场堆煤自燃累计烧毁煤量1000多万吨，损失达12亿元以上。 地下开采的煤矿，大约有56%存在自然发火危险，且随着厚煤层综采放顶煤技术的推广，以往不易着火的矿井，也频繁出现自燃，矿井煤层自燃造成的损失每年达数十亿元。,火源
2、点隐蔽，通常只见烟不见明火；火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间流动，给矿工生命安全造极大威胁。,1.2 煤层自燃特点,综放面火灾,邻近采空区自燃,一、概 述, 松散煤体蓄热性好、热量不易散失； 能贫氧氧化、且温度越高反应速度越快； 热力风压自供氧，自燃过程自加速，灭火难度大。 综采放顶煤工作面漏风更复杂，容易发生大面积采空区、巷道顶煤、及相邻采空区自燃。,一、概 述, 对于特厚煤层，由于火风压的作用，通常火源相对位置较高、呈立体分布，灭火困难。,70140,高瓦斯矿井，瓦斯抽放引起自燃危险性增强,自燃危险区增大；自燃可能引起瓦斯燃烧或爆炸；瓦斯燃烧又促进火蔓延，引起大面积煤层火灾； 火区启封
3、或进行灭火时，危险程度大。 综采放顶煤工作面开采强度大，绝对瓦斯涌出量更大，自燃引起瓦斯事故的机率更高。注水、注浆等产生的水蒸汽、水煤气与瓦斯混合，导致其流动紊乱，爆炸危险性很大。,1.1 煤层自燃火灾特点,煤炭自燃火灾造成巨大的能源浪费和严重的环境污染，也威胁着煤矿工人的生命安全，成为制约我国煤炭工业发展的关键问题之一。 煤层自燃防治需要解决以下几个问题： 1）煤自燃过程相关参数测试，包括自然发火期、自燃在不同温度下的耗氧及气体产生率、放氧强度等； 2）煤层自燃危险区域判定和发火时间预测，即实现何种情况下什么位置和什么时间可能自燃的预测问题； 3）针对煤层自燃火灾特点的防治技术。,1.2 煤
4、层自燃需要解决的问题,二、煤层自燃预报技术,2.1煤自燃预报指标,煤在自燃过程中，会产生多种气体，气体扩散性和渗透性好，因此，通过气体指标来分析判定煤自燃程度具有很大的实用价值。 用气体分析法预测预报煤层火灾，指标气体的选择和检测技术是关键。,1）灵敏性：煤矿井下一旦出现自燃隐患，或煤温超过某温度范围，该气体肯定能检测到。2）规律性：同一煤层煤样在氧化升温时，气体指标所表征的温度段基本相同，即：与煤温有较好的对应关系，重复性好。3）独立性：指标尽可能不受或很少受外界因素干扰。4）可测性：检测仪器能够检测出指标气体的变化。,气体指标的选取原则,根据气体相对产生量和分析方法分类：常量分析的气体：O
5、2和N2；微量分析的气体：CO、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2；微量或常量分析：CO2和CH4 (低沼矿常用微量分析)。根据各种气体的生成原因分类：氧化气体(与煤氧复合和煤温相关)：CO和CO2；热解气体(与煤温相关)：CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2。,气体指标的分类,三、煤层自燃预报技术,气体浓度与煤温的关系是单调的，受风量等环境因素影响大，气体浓度预报自燃只能是定性的。 为消除风流稀释影响，国内外专家研究了气体浓度比值，发现有些比值与煤温关系曲线上存在着极值点和拐点，可以此来判定煤层自燃的程度（温度）。,2.2判定指标的确定,指标气体： O2、CO、CO2、CH4、
6、 C2H6、C2H4、C3H8、C2H2等。预报指标： 1）出现温度； 2）气体浓度； 3）浓度变化率； 4）浓度比值： CO/CO2、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6、CH4/C2H6等。,根据各种指标气体浓度和其比值以及温度变化率随煤温的发展变化情况，可寻找并确定出煤自燃过程中的八个特征温度。 实际情况下的煤自燃极为复杂，需通过分析自燃环境，并结合各种气体浓度及其相互关系，才能对煤温进行100以下、高于200或已超过燃点的判断。,（1）采空区空隙率及渗透率分布及渗流模型,采空区浮煤受压区域分布,采空区空隙率分布,综采面模型,采动裂隙带形态相似实验,2.2基于传质模拟的综放面自燃危险区
7、域判定,数值模拟结果：,采空区遗煤氧气浓度等值线,采空区进风、回风氧气浓度等值线,（2）综采面观测,谢桥矿综放面测点布置,综放面日推进度,采空区不同深度氧浓度分布,（3）采空区“三带”划分及自燃预测,氧化升温带最大宽度 ：120m,工作面极限推进度 ：,采空区“三带”划分图,=1.95m,当采煤工作面的推进速度大于1.95m/d时，采空区无自燃发火危险；,当工作面连续推进速度均小于1.95m/d，采空区将有自燃发火危险。,三、两矿自燃预测技术,3.1 两矿自然发火指标气体的确定,指标气体是煤自然发火预报预测的一种间接工具。从金川煤矿8205和塔矿8301掘进工作面采集煤样，按国标制备粒径为0.
8、180.25mm煤样备用。,3.2 实验数据分析（塔矿）,CO,C2H4,耗氧速率,CO2/CO,C2H6/C2H4,CO增量,CO,ICO,建议：不采用CO浓度预测，采用CO或Ico指标法,ICO比值100时开始大于0.1，出现第一个速率增长点,160开始大于1，可与其他指标综合判定在0.73.0范围内当ICO=0.7时，表明煤的氧化强度开始增加；ICO=1.0 火灾危险增加；ICO=2.0 煤发热现象明显；ICO=3.0 表明即将出现明火。,四、采空区自燃“三带”分布及影响因素,1.三带划分测定目的：（1）确定合理的回采速率（2）掌握空区漏风规律（3）确定合理的注氮位置,2.三带划分标准（
9、1）漏风速度标准：当采空区内某区域的漏风风速在0.l 0.24 m/min之间，即0.00167 0.004 m/s之间时，煤满足氧化和蓄热的条件，此区域为氧化自燃带；而漏风风速小于0.00167 m/s时，煤因缺氧而窒息；漏风风速大于0.004 m/s时，煤自燃失去蓄热条件。（2）氧气浓度标准：氧气浓度在10% 18%之间的区域为氧化自燃带，氧气浓度大于18%的区域为散热带，氧气浓度小于10%（也有研究认为小于7%）的区域为窒息带。（3）温升标准：日升温1为自燃带,3.三带测定结论（采空区上部）,工作面三带距离统计表,1、风量与“三带”分布的关系,松散煤岩体沿工作面方向均匀时,下限氧浓度为4
10、.2%极限漏风强度0.0028m/s时采空区自燃“三带”宽度,下限氧浓度为7.4%极限漏风强度0.0028m/s时采空区自燃“三带”宽度,随着工作面压力梯度由10Pa增加到30Pa（风量增加），采空区自燃的散热带、氧化升温带和窒熄带都会向采空区深部移动，氧化升温带的宽度变化较慢，但总的趋势是有所减小。正常工作面生产时， 自燃危险性降低。,风量增加易自燃吗？,四、采空区自燃“三带”分布及影响因素,工作面两端存在空洞时,风量增加易自燃吗？,工作面压差从5Pa升至20Pa时，氧化升温带宽度增加，从20Pa增加到40Pa时，氧化升温带宽度降低。 压差为20P时，氧化升温带宽度达到极大值。 某矿工作面两
11、端压差为20Pa时其风量为600m3/min，此时正常生产条件下最易自燃。增加或减低风量都会降低自燃危险。,下限氧浓度为5%极限漏风强度0.002m/s时采空区自燃“三带”宽度,下限氧浓度为5%极限漏风强度0.003m/s时采空区自燃“三带”宽度,五、瓦斯抽采对自燃“三带”分布及影响,瓦斯抽采及采空区浮煤自热产生的“内生火风压”加剧了采空区的漏风，使自燃带的划分范围更复杂，增加了采空区发火的危险性。,覆岩采动破坏的垂直分带,弯曲下沉带,裂隙带,跨落（冒落）带,采高的2-5倍,采高的5-10倍,1.采空区瓦斯抽放方法按采空区瓦斯抽放方式分为钻孔抽放法和巷道抽放法。 按采空区的状态分为半封闭采空区
12、抽放和全封闭采空区抽放。,1637年: 宋应星所著天工开物记载“利用竹管引排煤中瓦斯”的方法。,抽放方法：高位钻孔抽放根据冒落带、裂隙带的发育高度，决定钻孔的终孔布置在裂隙带的下部、冒落带的上部。钻孔深度为250m500m，钻孔终孔高度位于煤层顶板向上15m25m左右。建议：高位孔终孔位置顶板以上21m左右,预埋管路瓦斯抽放（上隅角远距离埋管瓦斯抽放） 淮南：将抽放瓦斯管路通过上风巷预先埋在紧靠上风侧的采空区里，当抽放管路埋入工作面老塘一定距离20m时，再重新埋入一路抽放管路；当新埋的管路进入工作面老塘20m时，将新埋的管路与抽放系统合茬，即管路每40m切换一次。通过抽放使得积聚在采空区上隅角的瓦斯在没有进入回风流前被抽出。埋压的抽放管路不再回收，抽放高浓度瓦斯，交替迈步埋管。另一种是埋入一趟抽放管路,每20-30m设置一个三通. 建议金川矿抽放步距保持在10-30m范围内。,2.瓦斯抽采对三带的影响抽采造成采空区漏风通道增多、漏风动力加强、漏风量增大，采空区惰化平衡破坏，煤自燃危险性加强。,高位钻孔抽放下在采空区形成了立体式漏风通道，加大了浮煤氧化范围。,谢 谢!,
