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1、第十一章第十一章 矿井火灾矿井火灾矿井通风与安全11.1 概述概述n矿井火灾是指发生在矿井井下或地面井口附近、威胁矿井安全生产、形成灾害的一切非控制燃烧，是煤矿生产中的主要自然灾害之一。n矿井火灾的发生和发展不仅会烧毁大量的煤炭资源和设备，而且产生大量的高温烟流和有害气体，危及井下工作人员的生命安全，有时还诱发瓦斯、煤尘爆炸，进一步扩大其灾难性。n矿井火灾按引火热源分n外源火灾n自燃火灾11.2 矿井外源火灾n一切能够产生高温、明火、火花的以及由可燃材料制成的器材和设备，如使用不当都可能引起外因火灾。n随着科技的发展，矿井开采技术不断进步和开采环境的不断改善，但矿井火灾与爆炸灾害并没有呈现下降
2、趋势。究其原因，一是更多的新材料，包括各种树脂、塑料、液体燃料和液压机液等应用到矿井中，另外就是机械化程度不断提高，机电设备增多，这些都增加了火灾的发生概率。n现在矿井灾害事故中牺牲的人员绝大多数是在矿井火灾和爆炸事故中丧生的，因此，矿井火灾的防治一直是采矿安全关注的重点。2002年国有重点煤矿事故严重度的统计 瓦斯瓦斯 火灾火灾 水灾水灾一、外源火灾特性n1、火灾三要素、火灾三要素 产生外源火灾的三个必要条件是：有可燃物存在、有产生外源火灾的三个必要条件是：有可燃物存在、有足够的氧气和足以引起火灾的热源足够的氧气和足以引起火灾的热源。这也称火灾三要素，缺少任何一个要素，火灾都不能发生，或者正
3、在发生的火灾也会熄灭。可 燃 物源热氧气2、火灾的燃烧类型n扩散燃烧（扩散燃烧（Diffusion Combustion）是高浓度的可燃气体）是高浓度的可燃气体与空气边混合边燃烧的燃烧现象。与空气边混合边燃烧的燃烧现象。n预混燃烧（Premixed Combustion）是可燃气体与空气是可燃气体与空气预先混合好后的燃烧预先混合好后的燃烧 富氧燃烧和富燃料燃烧富氧燃烧(Oxygen-rich fire)是氧气的供给量大于或接近于燃烧所需要的氧气量的燃烧。富燃料燃烧(Fuel-rich fires)是氧气的供给量低于燃烧所需要的氧气量的燃烧。回燃n受限空间内发生火灾时，当空气供应不足时，由可燃物
4、分解的可燃组分进入到烟流中因缺氧而不能燃烧，此时即为富燃料燃烧状态，当富燃料燃烧的高温可燃气体遇新鲜空当富燃料燃烧的高温可燃气体遇新鲜空气时发生的突然燃烧，称作回燃。气时发生的突然燃烧，称作回燃。什么是回燃？回燃的发展过程火没了，可以进去了热烟气空气重力流门着火了富燃料燃烧实验（“跳蛙”现象）火风压（浮力效应）火风压（浮力效应）n矿井发生火灾时，火灾的热力作用会使空气的温度增高而发生膨胀，密度小的热空气在有高差的巷道中就会产生一种浮升力，这个浮升力的大小与巷道的高差及火灾前后的空气密度差有关。在地面建筑中这种现象也很普遍，被称为烟囱效应烟囱效应，即通常室内空气的密度比外界小，这便产生了使气体向
5、上运动的浮力，尤其是高层建筑中的许多竖井，如楼梯井、电梯井等，气体的上升运动十分显著，这种现象有时也叫热风压热风压。火风压（浮力效应）火风压（浮力效应）n在矿井中，火灾产生的热动力是一种浮升力，这种浮力效应(The buoyancy effect)就被称为火风压。火风压就是火风压就是高温烟流经倾斜或垂直的井巷时产生的自然风压的增量高温烟流经倾斜或垂直的井巷时产生的自然风压的增量。火风压与矿井自然风压的产生机制是一致的，都是在倾斜和垂直的巷道上出现的空气的密度差所至，只是使空气密度发生变化的热源不同，故这二者都可称为热风压。n矿井发生火灾后，由于火风压的作用会改变原通风系统中压力的分布和风量的分
6、配，即可能使通风系统风流发生紊乱，扩大事故范围，造成更为严重的损失。火风压的计算火风压的作用n在风路中发生火灾时，火风压的作用只有在高温烟流流经的上行或下行巷道里才能表现出来。高温火烟对高温火烟对矿井通风的影响就好象在其流过的上行或下行巷道里安矿井通风的影响就好象在其流过的上行或下行巷道里安设了局部通风机一样设了局部通风机一样，它们的作用方向在上行风路中与烟流方向相同，在下行风路中则相反。节流效应（节流效应（The Choke effect）n节流效应是矿井火灾过程中的一种典型现象。矿井火灾时期，由于火烟的热力作用等的影响，主干风路以及旁侧支路中的风量往往会随着火势的发展而发生变化。如果由于火
7、灾的发生，主干风路的进风量可能下降，这种现象称之为节流效应。火灾对通风系统的影响火灾对通风系统的影响 n1、烟流逆退（、烟流逆退（roll back）n2、风（烟）流逆转风（烟）流逆转 案例案例n1990年5月8日，某矿在下行进风胶带斜井两段胶带搭接处发生了一起重大胶带火灾事故，火灾产生的火风压造成了进风斜井的风流逆转，从而扩大了事故的损失，共造成了80人死亡。事故分析事故分析n事故初期抢险救灾决策失误。作为下行通风的运输机斜井发生火灾时，火风压的作用与主要通风机提供的风压作用相反，极易造成风流的逆转；此外，作为一般的救灾原则，当进风井筒中发生火灾时，必须采取反风或停止主要通风机运转的措施。当
8、时的救灾决策者因救灾心切盲目带领救护队员进入发火胶带斜井救灾。n矿井缺乏抗灾能力。事故发生时，矿井不能反风；在编制的矿井灾害预防计划中，没有提出运输机胶带斜井的预防火灾措施。事故分析事故分析n缺乏安全意识，防火设施和措施不落实：长期使用非阻燃胶带；地面水池设计要求容量200m3,但实际容量10m3；灭火工具不配套，只有砂箱没有铁锹；改扩建设计中有防火门，但并未施工；第一台胶带机交付使用时没有铺设供水管路；井下电、气焊安全措施制定不完善，审批不严，在作业地点胶末、胶条等易燃物清理不彻底的情况下进行气焊；作业地点没有洒水措施。n缺乏必要的安全教育，工人没有学习安全措施就工作；灾害时不会使用消防器材
9、；没有配备自救器，致使人员伤亡严重。11.3 煤炭自燃n我国存在有煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，具有自然发火危险的煤层占累计可采煤层数的60%；煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的8590%。n近年来我国广泛采用综采放顶煤开采技术，使生产效率大幅提高。但这种采煤方法采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重，使得自然火灾发生频繁，常常价值几千万元的综采装备被封闭在火区中，此外还使大量的煤炭被火区冻结，造成巨大的经济损失。煤炭自燃已成为制约高产高效矿井安全生产与发展的主要因素之一。煤炭自然发火机理n早在1862年，德国人戈朗布曼（Grumbman）发表了第一篇关于煤炭自燃起因的文章。一百多年来，
10、人们提出了若干学说来解释煤的自燃，如黄铁矿作用、细菌作用、酚基作用，煤氧复合作用等学说。n黄铁矿作用学说认为煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿(FeS2)与空气中的水份和氧相互作用、发生热反应而引起的。煤炭自然发火机理n细菌作用学说认为，在细菌作用下，煤在发酵过程中放出一定热量对煤自热起了决定性作用。n酚基作用学说认为，煤的自热是由于煤体内不饱和的酚基化合物强烈地吸附空气中的氧，同时放出一定量的热量而造成的。n煤氧复合作用学说认为，原始煤体自暴露于空气中后，与氧气结合，发生氧化并产生热量，当具备适宜的储热条件，就开始升温，最终导致煤的自燃。煤炭自燃过程n根据现有的研究成果，人们认为煤炭的氧化和自燃是
11、基一链反应。煤炭自燃过程大体分为3个阶段：n潜伏期；n自热期；n燃烧期。自热温度（Self-heating temperature，SHT）n自热温度自热温度也称临界温度，是能使煤自发燃烧的最低温度。一旦达到了该温度点，煤氧化的产热与煤所在环境的散热就失去了平衡，即产热量将高于散热量，就会导致煤与环境温度的上升，从而又加速了煤的氧化速度并又产生更多的热量，直至煤自燃起来。n煤的自热温度与煤的产热能力和蓄热环境有关，对于具有相同产热能力的煤，煤的自热温度也是不同的，主要取决于煤所在的散热环境。因此应注意即使是同一种煤，其自热温度不是一个常量，受散热（蓄热）环境影响很大。煤的着火点温度n自热期的发
12、展有可能使煤温上升到着火温度(Ts)而导致自燃。n煤的着火点温度由于煤种不同而变化n无烟煤一般为400n烟煤为320380n褐煤为270350。煤炭自燃的条件n煤具有自燃倾向性 n有连续的供氧条件n热量易于积聚 影响煤炭自然发火的因素（1）煤的变质程度）煤的变质程度n煤的变质过程伴随着煤分子结构的变化，碳化程度越高，煤体内含有的活性结构越少。所以煤的变质程度是煤自燃倾向性的决定性因素。现场的统计表面，褐煤最易自燃，无烟煤最不易自燃，烟煤介于二者之间。n烟煤的煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。根据煤化度的不同，我国将其划分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。影
13、响煤炭自然发火的因素（2）煤岩成分）煤岩成分n煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。n不同的煤岩成分有着不同的氧化性。在低温下，丝煤吸氧最多，但是，随着温度的升高，镜煤吸附氧能力最强，其次是亮煤，暗煤最难于自燃。n 镜煤与亮煤脆性大，易破碎，而且灰分少，在其次生的裂隙中常伴有黄铁矿，开采中易碎裂为微细的颗粒，细微状的煤粒或黄铁矿都有较高的自燃氧化特性，因此它的氧化接触面积大，着火温度低。故镜煤与亮煤在丝煤吸附氧化升温的促使诱导下很容易自燃。影响煤炭自然发火的因素（3）煤的含硫量）煤的含硫量n硫在煤中有三种存在形式：硫化铁即黄铁矿(FeS2)、有机硫以及硫酸盐。对煤自燃起主导作用的是黄铁矿
14、。黄铁矿的比热小，它与煤吸附相同的氧量而温度的增值比煤大3倍。黄铁矿在低温氧化时产生硫酸铁和硫酸亚铁，体积增大，使煤体膨胀而变得松散，增大了氧化表面积，而且其分解产物比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧转让给煤粒使之发生氧化。在煤中含黄铁矿越多，就越易自燃。我国西南主要矿区的统计资料表明，含硫3%以上的煤层均为自然发火煤层。影响煤炭自然发火的因素（4）煤的粒度、孔隙特性和破碎程度）煤的粒度、孔隙特性和破碎程度n完整的煤体一般不会发生自燃，一旦受压破裂，呈破碎状态存在，其自燃性能显著提高。这是因为破碎的煤炭不仅与氧接触的表面积增大，而且着火温度也明显降低。n有人研究，当煤粒度小于1mm时氧化速率与粒径
15、无关，并认为孔径大于100的孔在煤氧化中起重要作用。根据波兰的试验，当烟煤的粒度直径为1.52mm时，其着火点温度大多在330360；粒度直径小于1mm以下时，着火点温度可能降低到190220。因此，可以说，煤的自燃性随着其孔隙率、破碎度的增加而上升。影响煤炭自然发火的因素（5）煤的瓦斯含量）煤的瓦斯含量n瓦斯或者其它气体含量较高的煤，由于其内表面含有大量的吸附瓦斯，使煤与空气隔离，氧气不易与煤表面发生接触，也就不易与煤进行复合氧化，使煤炭自燃的潜伏期加长。当煤中残余瓦斯量大于5 m3/t时，煤往往难以自燃。但是随着瓦斯的放散，煤与氧就更易结合。影响煤炭自然发火的因素n水分对煤炭自燃过程的影响
16、有两个相互对立的过程。n首先，煤炭中的水分在初期阶段会因为蒸发作用而散失，因此，一部分热量就会以水分潜热的形式被水蒸气带走，这就有阻止煤体温度升高的趋势。n另一方面，煤体也会从空气中吸收水分。这就是所谓的吸收热（有时也叫湿润热）会促使煤的温度升高。n水分对煤的总的作用就取决于这两种过程谁占主导地位。煤炭自燃倾向性n煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属性，它取决于煤在常温下的氧化能力和发热能力，是煤发生自燃能力总的量度。不同的煤，其自燃倾向性不同。所以，掌握煤的自燃倾向性非常重要。它不仅是恰当地设计采煤方法，选择采区规模，合理设计矿井通风和风压条件的重要依据之一，也是采取适当措施存储的重要依据。n我国
17、将煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃、不易自燃三类。煤矿矿井必须根据煤自燃倾向性的分类等级而采取相应的煤防治措施。规程要求必须对新建矿井与生产矿井延深新水平的所有煤层的自燃倾向性进行鉴定。煤的自燃倾向性测定方法n我国从20世纪50年代初期即开展对煤炭自燃倾向性的研究，先后采用了n着火点温度降低值法、双氧水法及静态容量吸氧法进行研究n在90年代初，开始采用吸氧量法，即用双气路气相色谱仪动态吸氧的方法。动态吸氧测定方法 30常压煤的吸氧量n煤炭自燃倾向性分类表（褐煤、烟煤类30常压煤的吸氧量）nI 容易自燃0.71 cm3g-1nII 自燃 =0.410.70 cm3g-1nIII 不易自燃0.40
18、 cm3g-1n煤炭自燃倾向性分类表（无烟煤）nI 容易自燃1.00 cm3g-1nII 自燃 =0.81-0.99 cm3g-1nIII 不易自燃0.8 cm3g-1测试技术的国际调研测试技术的国际调研调研结果研究机构联系人主要方法澳澳 SIMTARSDr Fiona Clarkson自热温度法（SHT）；绝热R70测试；气体成分分析；传统交叉点温度法新西兰新西兰AucklandAuckland大学Chen XD新交叉点温度法 英国英国Leeds大学A C McIntoshF-K法和新交叉点温度法英国英国AberdeenAberdeen大学工程学院 J C Jones改进的HR方法；微型量热
19、计法 波兰 Crowkov 矿院AndrzejStruminskiW Olpinskii，活化能法调研结果德国 University of BayreuthAndreas Jess Ignition point method 美国MSHA Alex Smith 自热温度法（SHT）加拿大能源与矿业部能源与矿业部 Krivokuca 无，（低硫煤）土尔其中东技术大学中东技术大学 Tevfik Gyaguler 交叉点温度法印度中央采矿所中央采矿所SC Banerjee传统交叉点温度法日本九洲大学 Masahiro Inoue无 煤科总院抚顺分院抚顺分院钱国胤流态色谱吸氧法调研的结论n世界各国采用
20、的方法不尽相同，有SHT，R70，CPT，HR，F-K等方法n各国在自燃倾向性测试方法研究的力度与深度与各国遭受煤自燃灾害的严重程度相关n各国采用的测试方法基本上都与煤样的温度变化过程有关n中国目前采用的方法是恒温情况下的，与煤样的温度变化过程无关，只是考虑恒温下的吸附氧量煤的自燃发火期n煤的自然发火期：对一定的煤，在具有供氧和蓄热环境的条件下，产生自然发火需要的时间，一般用月表示。这里谈的时间是煤炭暴露在有氧和可蓄热环境条件的时间。n煤的自燃发火期是一个统计数据煤的自燃发火期是一个统计数据。包括煤的自燃倾向性（内因），也反映了煤炭开采的外因条件（漏风，管理，开采条件）。煤炭自燃早期识别与预报
21、煤炭自燃早期识别与预报n煤炭自燃的发展有一个过程，如果能在自燃发展的初期发现它，对于阻止其发展，避免酿成火灾，十分重要。前述的煤炭自燃发展过程中各种物理与化学变化，是早期识别和预报的根据。识别的方法可归为：n（1）人的直接感觉；n（2）测定矿内空气和围岩的温度；n（3）测定矿内空气成分的变化；n（4）物探测定方法。n（5）气味法（electric nose)1、人的直接感觉、人的直接感觉n利用人的感观进行探测是最简便的方法，虽然常带有一定的主观性，但是这种方法仍然比较可靠。n嗅觉：煤油味、汽油味和轻微芳香气味的非饱和碳氢化合物。n视觉：煤氧化产生的水蒸气，及其在附近煤岩体表面凝结成水珠(俗称为
22、“挂汗”)，在煤炭自燃的最后阶段出现的烟雾。n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、测定矿内空气和围岩温度、测定矿内空气和围岩温度 n直接测定是将测温传感器直接放入测温钻孔中或埋在采空区内测定煤岩体温度，常采用的是热电偶和热敏电阻。n间接测温方法主要有无线电测温仪、测气味法和红外辐射仪等方法。无线电测温方法是将含有热记录装置的无线电传感器埋入采空区，根据测得的热量发射出无线电信号。n气味剂法是将含有低沸点和高蒸汽压并具有浓烈气味的液态物质，如硫醇和紫罗兰酮等，将
23、其封装在胶囊中，在设定的高温下，胶囊破裂而发出气味。红外辐射测温则是通过测定巷道壁面的红外辐射能量而测定出煤壁表面温度。2、测定矿内空气和围岩温度n测温法操作简便，结果可靠，但也存在局限性n直接测温由于采空区顶板的垮落或底板裂变易引起测温仪表和导线的破坏和折断，在用钢套管保护也易被损坏。n无线电传感器受采空区高湿恶劣环境影响难以成功应用n气味剂法因靠漏风传播气味，移动速度慢、分布区域小，较难测取n当火源离巷道表面较远时，红外辐射测温仪因接触不到热表面就无能为力n热测定面临的最大问题还在于：由于煤体的热传导能力非由于煤体的热传导能力非常弱，热量影响的范围很小常弱，热量影响的范围很小，有时钻孔即使
24、打到火源附近1m，也觉察不到火源的存在3、气体分析法n煤炭自热过程中会产生CO、CO2、H2、H2O、烷烃等气体成份，故气体分析法被广泛地用于煤炭早期自燃火灾的预测。由于火灾气体中的主要成分是CO、CO2，自从20世纪初以来，这两种气体的变化量一直被用作分析火灾发展变化趋势的主要指标。将这些变化值除以氧气的消耗量(O2)即可排除新鲜空气的稀释影响。这些参数的比值已被广泛用来分析火灾的发展变化趋势。煤炭自燃指标气体和煤温的关系 Ethane 乙烷Ethylene 乙烯Propylene 丙烯氧气的减少量氧气的减少量(-O2)n判断火灾的重要参数是氧气的减少量，即-O2。-O2的测算基于两个方面的
25、假设n空气中的氧气含量为20.93，惰性气体含量79.04（0.3的CO2气体不包括在内），包含除氮气以外的其它惰性气体视为氮气。n火区中的氮气没有被消耗，也没有被增加（除从空气中增加的氮气外）。如果氧气没有被消耗，那么 的比值应该为20.93/79.04=0.2648，该比值不受其它新加入气体的影响。n对于在任何情况下O2和N2的量，可以算出原始O2的量为：0.2648 N2。因此，消耗的氧气量，或者说氧气的差值即可以得到 一氧化碳的增加量(+CO)与一氧化碳指数 nCO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较灵敏的指标之一。英国学者格雷哈姆（Ivon G
26、raham）最先提出CO/O2指标，即格雷哈姆比值（Grahams Ratio），或CO指数（ICO）。nGraham比值判别煤炭初始自热现象，比其它标志性气体早数周时间。该比值最明显的优点是不因供风量而变化，因为供风量对该比值的分子和分母的影响都是一样的。一氧化碳的增加量(+CO)与一氧化碳指数nGraham比值也有不足。n首先，该比值的在氧气消耗量很小的情况下精度很低。这个缺点也存在于其它含有氧气消耗量的判别指数中。n第二，该比值还受到那些不是因火灾而产生的CO的影响，包括从其它采空区运移过来的CO，或者进入火区的空气本身就含有一定量的CO。一般情况Graham比值小于0.5。如果Grah
27、am比值持续上升并且超过0.5的话，就表明该矿井中有自热现象发生。二氧化碳的增加量二氧化碳的增加量(+C02)与二氧化碳指数与二氧化碳指数n在火灾中，会产生大量的CO2，CO2/O2的值比CO/O2 要大。当火灾由阴燃转为明火燃烧时，原来产生的CO燃烧成为CO2。因此，如果同时发生CO2/O2升高和CO/O2降低的现象时，就表明火灾还在进一步的发展。因为这两个比值的分母相同，所以CO和CO2在直线图上的具有相同的发展趋势。CO2指数与CO指数具有相同的缺点。另外，CO2会溶于水中，还受到固体对其吸附的影响，还会与火区中的气体及其它物质发生化学反应等。碳氧化物比值（碳氧化物比值（CO/CO2）n
28、碳氧化物比值被用来指示火灾的发展状况，在火灾初期阶段碳氧化物比值上升，在充分燃烧阶段，该值保持为一个常数。但是，当火灾形成富燃料燃烧时，CO/CO2值将会快速上升，并且该值也是指示富燃料燃烧较好的指标。该指标还不受进风流、瓦斯和注氮的影响，因此广受欢迎（Mitchell，1990）。很明显，该指标会受到不是由于火灾而产生的CO和CO2的影响。连续自动监测系统 11.4 自燃火灾的预防n一、开拓开采技术措施n合理进行巷道布置n坚持正规地开采和合理的开采顺序 n减少煤体破碎 n二、防止漏风n沿空巷道挂帘布 n利用飞灰充填带隔绝采空区 n利用水砂充填带隔离采空区 n利用可塑性胶泥堵塞漏风 n采取“均
29、压”措施，减少漏风 n避免过度抽放三、均压防灭火三、均压防灭火n均压防灭火是采用风窗、风机、连通管、调压气室等调压均压防灭火是采用风窗、风机、连通管、调压气室等调压手段，改变通风系统内的压力分布，降低漏风通道两端的手段，改变通风系统内的压力分布，降低漏风通道两端的压差，减少漏风，从而达到抑制和熄灭火区的目的压差，减少漏风，从而达到抑制和熄灭火区的目的。均压技术是在20世纪50年代由波兰汉贝斯特朗（H.Bystron）教授首先提出。n均压（均压（“以风治火以风治火”），简单，成本最低，控制火势的发），简单，成本最低，控制火势的发展常常立竿见影，深受现场欢迎。展常常立竿见影，深受现场欢迎。n根据煤
30、矿井下煤炭自燃发火区域是否封闭，均压技术可分根据煤矿井下煤炭自燃发火区域是否封闭，均压技术可分为开区均压和闭区均压两种类型。为开区均压和闭区均压两种类型。1、开区均压n开区均压通常是指在生产工作面建立的均压系统，其特点是在保证工作面所需通风风量的条件下，通过通风调节实施，尽量减少向采空区漏风，抑制煤的自燃，防止CO等有毒有害气体涌入工作面，从而保证正常生产的进行。漏风通道和工作面周围的通道可以形成多种风流流动方式(如并联、角联和复杂联等)，开区均压也有几种不同类型。（1）调节风窗均压 n适用于工作面采空区内形成的并联漏风方式。通常在工作面的回风巷内安设调节风窗，使工作面内的风流压力提高，以降低
31、工作面与采空区的压差，从而减少采空区中气体涌出。适用于采空区内已有自燃迹象，并抑制采空区中的火灾气体（一氧化碳等）涌到工作面，威胁工作面的安全生产。安设调节风窗后，通风巷道的压力如图所示。（1）调节风窗均压1 2 3 A 4（2）局部通风机均压）局部通风机均压n有时为提高风路的压力，需在风路上安设带风门的风机（即辅助通风机），利用风机产生的增风作用，改变风路上的压力分布，达到均压的目的。下图为局部通风机调压原理（3）调节风窗与局部通风机联合均压）调节风窗与局部通风机联合均压n工作面采空区内部的漏风通道有时是比较复杂的，当相邻为采空区是，还有外部漏风，这些最后都要经过经回采工作面上隅角排出。因此
32、采空区的自燃征兆往往是从上隅角表现出来的。n调节风门与扇风机联合均压常常采用工作面进风巷安设扇风机而回风巷安设调节风门的联合均压措施。2、闭区均压、闭区均压n闭区均压就是对已经封闭的区域进行均压，它一方面可以防止封闭区中的煤炭自燃，又可加速封闭火区的熄灭速度。常用的闭区均压主要技术措施有：n并联风路与调节风门联合均压n调压风机与调节风门联合均压n连通管均压并联风路与调节风门联合均压（2）调压风机与调节风门联合均压）调压风机与调节风门联合均压（3）连通管均压四、预防性灌浆四、预防性灌浆预防性灌浆方法预防性灌浆方法n预防性灌浆按与回采的关系分采前预灌、随采随灌和采后封闭灌浆三种。n采前预灌是在工作
33、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。n采后注浆是采空区封闭后，利用钻孔向工作面后部采空区内注浆。n随采随灌则是随着采煤工作面推进的同时向有发火危险的采空区灌浆，这是预防性灌浆采用的主要方法。随采随灌分为钻孔灌浆、埋管灌浆和洒浆三种方式。（1）钻孔灌浆）钻孔灌浆n从底板或钻窝打钻注浆（2）埋管注浆（3）工作面洒浆或插管灌浆）工作面洒浆或插管灌浆n从回风巷灌浆管上接出一段浆管，沿倾斜方向向采空区均匀地洒一层泥浆。n洒浆量要充分，使采空区新冒落的矸石能均匀地为泥浆包围。洒浆通常作为埋管灌浆的一种补充措施，使整个采空区特别是下半段也能灌到足够的泥浆。n
34、对综采工作面常采用插管灌浆的方式，即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，并分装分支软管和插管。将插管插入支架掩护梁后面的跨落岩石。五、阻化剂五、阻化剂n阻化剂也称阻氧剂。将其溶液喷洒在采空区的煤壁或者煤块上，具有阻止煤的氧化和防止煤的自燃的作用，因此称为阻化剂。n阻化剂包括如氯化钙（CaCl2）、氯化钠（NaCl）、氯化镁（MgCl2）、水玻璃(Na2SiO3)等无机盐类化合物。五、阻化剂五、阻化剂n该项防灭火技术是在60年代初发展起来的，在国外和国内的一些矿井都进行了应用，取得了很好的效果。它是进行煤矿防灭火的一个重要手段之一。阻化剂防火由于技术工艺系
35、统简单，设备少，成本低，防火效果好等优点，在一些矿区得到了广泛应用。六、惰性气体六、惰性气体n可以被用作矿井防灭火的惰性气体主要有nCO2n燃烧惰性气体n氮气 1、二氧化碳、二氧化碳n二氧化碳的密度相对于空气是1.52，利用其密度大的特点可用来对付矿井中发生在位置较低处的火灾；但是，二氧化碳对控制水平和上行巷道或工作面的火灾效果就较差。n二氧化碳作为惰性气体防灭火存在以下不足：n二氧化碳易溶于水，因此在潮湿的环境下要损失部分气态二氧化碳。n二氧化碳比较容易吸附在煤体和烧焦的煤炭上，甚至比瓦斯的吸附性更强。当二氧化碳与燃烧成白炽的碳化物的表面相接触时，二氧化碳就生成一氧化碳。n二氧化碳的使用成本
36、一般高于氮气。2、燃烧惰性气体、燃烧惰性气体n将火区封闭后，火区内的氧气将被消耗而成为烟气。烟气的主要成分是二氧化碳、氮气和水蒸气，这样的混合气体可看作是窒息火区的惰性气体，会使火区惰化，使火势熄灭。但是，这样的混合气体可能含大量的可燃性气体，如果有新鲜空气进入的话，就可能发生爆炸。直接利用火灾气体灭火，因实际使用困难，很少采用；但可采用燃油燃烧的惰气灭火。2、燃烧惰性气体、燃烧惰性气体n目前，国内外矿山救护队一般装备有用燃油燃烧的惰气发生装置。惰气发生装置的特点是产生的惰气量大，如燃烧煤油的喷气式发动机，当燃烧速率为0.7 kg/s 时，会产生30 m3/s的惰性烟气，发动机在产生大量烟气的
37、同时，还会产生大约30MW的电力，可以作其它用途。为使惰气装置灭火性能更优，需用水对烟气进行冷却处理，经冷却的湿式惰气注入火区，可快速控制火势、窒息火区。3、氮气、氮气n氮气(http:/homen.vsb.cz).捷克于1949年在Doubrava矿井最早使用氮气灭火。另外，如英国、德国、法国、前苏联、保加利亚、印度、波兰等国也较早使用了氮气。n在常温常压下，氮分子结构与化学性质非常稳定，很难与其它物质发生化学反应，它是一种良好的灭火用惰性气体。理论与实践表明，当氧含量降低到510时，可抑制煤的氧化自燃，而氧含量降低到3以下时，则可以使煤炭燃烧熄灭并阻止其复燃。氮气防灭火技术以氮气其特有的物
38、理性质，丰富的氮气资源，简单的注氮工艺，使其成为自燃矿井不可或缺的防灭火技术。现场应用截至2004年7月31日，制氮装置已累计向采空区注氮300 300 万m3（地面钻孔的注氮量，不包括井下密闭的）采空区的氧含量持续低于5 5。钻孔编号注浆量/m3南四JXZD-700型制氮机 南二DM-600型制氮机制氮机组（1）氮气防灭火的优缺点）氮气防灭火的优缺点n氮气防灭火有以下优点：n注入氮气可使防治区域缺氧惰化，迅速灭火，并能为抢险救灾工作提供较安全可靠的环境。n可使防治区域呈正压，防止或杜绝新鲜空气流入，以保持防治区域的氮气惰化度。n具有降温作用。氮气在管路中带压输送，在注氮口氮气膨胀吸热，可部分
39、地吸收煤炭氧化生成的热量。n氮气比重和空气相近，易于和空气混合，氮分子能渗入采空区的所有地点，扩散半径大，惰化覆盖面广。n 注氮不污染防治区，无腐蚀或不损坏综采设备。（1）氮气防灭火的优缺点）氮气防灭火的优缺点注氮防灭火有以下缺点：n氮气在防治区滞留的时间不是太长，特别是存在漏风通道的情况下，氮气易遗失，不能像泥浆那样长期起到防灭火作用。n注氮能迅速遏制火灾，但灭火降温困难，使火区完全熄灭时间相当长。因此，注氮灭火的同时，要辅助其它灭火措施，处理残火，以防复燃。n氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害。井下作业场所所需氧含量下限值为19，所以有氮气泄漏的工作地点的氧含量不得低于19。（2）氮
40、气的制取）氮气的制取n 氮气是空气中的主要成分，因此空气为氮气的制取提供了取之不尽、用之不竭的来源。矿井防灭火工作中所用的氮气，都是通过对空气中的气体成分进行分离而制取的。以往，它是制氧过程中的一种副产品，现在成为了主要生产目标。对空气进行分离而制取氮、氧的基本方法有深冷空分、变压吸附和膜分离方法三种工艺技术。（3）注氮工艺）注氮工艺n氮气防灭火技术的实质是向工作面采空区注入氮气，使采空区氧化自燃带惰化，使空气中氧气的体积浓度降至7以下；要将阴燃完全熄灭时，氧气浓度应该低于2。n一般采取沿顺槽埋管方式进行注氮防火。可在工作面进风顺槽外侧巷帮敷设无缝钢管，并埋入采空区内。如采空区埋管兼作灌浆管时
41、，则该埋管分别通过三通与注氮、灌浆管相连，根据需要，通过埋管注氮或灌浆。（3）注氮工艺）注氮工艺n采空区埋管管路每隔一定距离预设氮气释放口，其位置应高于煤层底板2030cm，并采用石块或木垛加以妥善保护，以免孔口堵塞。n为控制注氮地点，提高注氮效果，可采用拉管移动式注氮方式，即采用回柱绞车将埋管向外牵引，埋管移动周期与工作面推进速度保持同步，使注氮孔始终在采空区氧化自燃带内注入氮气，据经验，埋管距工作面17m之内，采用回柱绞车能够牵移动埋管。（3）注氮工艺）注氮工艺n利用惰化火区的措施进行防灭火是非常有效的，也是很重要的一种防灭火手段，特别是在火灾关键时候。但是，当火区的埋藏得比较深的时候，可
42、以用惰性气体来控制住火势，但是很少能够将火区完全冷却，使火灾被彻底熄灭。因此，不恰当地停止注氮会使火灾快速发展并扩大范围。同样，在对内因火区注惰性气体时，应该持续注入惰性气体直至火区内的氧气浓度降低到2以下为止。七、凝胶七、凝胶n胶体是指含分散颗粒的尺寸在1100 nm的水溶液。在适当的条件下，溶胶或高分子溶液中的分散颗粒相互联结成为网络结构，水介质充满网络之中，体系成为失去流动性的半固体状态的胶冻，处于这种状态的物质称为凝胶。n凝胶介于固体与液体之间的一种特殊状态，固体特征（无流动性，有一定的几何外形，有弹性、强度和屈服值等。但另一方面它又保留某些液体的特点，例如离子的扩散速率在以水为介质的
43、凝胶中与水溶液中相差不多。n为了封阻煤体中的裂隙或扑灭高位处的火灾，凝胶较其它防灭火介质具有优越性。Si O Si O Si O H2O O H2O O Si O Si O Si O H2O O H2O O Si O Si O Si（1）无机凝胶n无机凝胶主要由基料、促凝剂和水按照一定比例配置成水溶无机凝胶主要由基料、促凝剂和水按照一定比例配置成水溶液。成胶的过程是一个吸热过程。液。成胶的过程是一个吸热过程。n由两种原料在水中经过物理或化学作用形成的胶体，通常把由两种原料在水中经过物理或化学作用形成的胶体，通常把主要成胶原料称为基料，把促成基料成胶的材料称为促凝剂主要成胶原料称为基料，把促成基
44、料成胶的材料称为促凝剂或胶凝剂。或胶凝剂。（1）无机凝胶n在矿井防灭火常用的硅凝胶，水玻璃是基料，碳酸氢铵或硫酸氨或铝酸钠为促凝剂。无机凝胶存在失水后会干裂、粉化和灭火后的火区易复燃的不足。n防火时，基料810%，促凝剂35%；灭火时，基料68%，促凝剂24%。n基料与促凝剂在水溶液中的比例越大，成胶时间越短。当基料为90100kg/m3时，促凝剂比例为20 kg/m3，成胶时间为78 min；促凝剂比例为3O kg/m3时，成胶时间为34 min；促凝剂比例为50 kg/m3时，成胶时间为25 s。（1）无机凝胶n促凝剂为碳酸氢氨的凝胶，防灭火性能好，成本低，但碳酸氢铵在低温下容易分解，具有
45、很大的刺激性气味氨味。采用偏铝酸钠等其它促凝剂，可以避免产生有害刺激性气体，但是形成的凝胶的防灭火性能和稳定性稍差，成本也高一些。（2）有机凝胶（高分子凝胶）有机凝胶（高分子凝胶）n有机凝胶也称高分子凝胶。高分子凝胶是指分子量很高（通常为104106）的高分子化合物的溶液。这种高分子化合物吸水能力很强，与水接触后，短时间内溶胀且凝胶化，最高吸水能力可达自身重量的千倍以上。目前用于矿井的高分子防灭火材料以聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠为主要成分。这种胶体材料与水玻璃凝胶相比，使用时仅采用单种材料，使用量小，通常为0.30.8%，在井下使用方便，且对井下环境无污染。这种胶体附着力强，可充分包裹煤炭颗粒，隔
46、绝与氧气的接触。n高分子凝胶材料的不足在于其成本较高，且吸热与成胶能力均不如由水玻璃与碳酸氢铵构成的铵盐凝胶。（3）复合胶体）复合胶体n在黄土、粉煤灰或其它原料的泥浆中，将成胶材料按一定比例添加到泥浆中，使泥浆稠化，形成浆体凝胶，也称复合胶体。因复合胶体含有固体介质，即使胶体脱水后仍可较好地包裹煤体，可克服一般水凝胶的特点，因而具有更好的防灭火性能。3、注凝胶工艺、注凝胶工艺n例：双箱双泵工艺系统 4、三相泡沫防灭火新技术氮气粉煤灰粉煤灰或黄泥或黄泥水三相泡沫三相泡沫三相泡沫特点n可向采空区高处堆积n水浆成为泡沫，可避免浆体的流失n粉煤灰或黄泥固体颗粒的分布更为均匀，提高了防灭火的有效性n氮气
47、被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中n泡沫堆积没有安全隐患，即不会发生溃浆三相泡沫制作流程制浆站制浆站混合器混合器发泡器发泡器发泡剂发泡剂氮气氮气三相泡沫三相泡沫实验产生的三相泡沫喷出的三相泡沫三相泡沫有良好的堆积性能11.5 矿内灭火矿内灭火一、发生火灾时的行动原则一、发生火灾时的行动原则n在矿井巷道中发生的火灾通常是从某一点开始的。火灾在初始阶段的强度都相当小，这时的绝大多数火灾都可以被迅速扑灭。否则，对发现或扑救不及时的可燃物充足的火灾有时仅仅数分钟就会发展成为一个很难或不可能扑灭的大火，最后只能封闭该着火区域。最先发觉火灾的人员，一定要根据火灾性质采用一切可能的方法，力争在火灾初
48、起之时就把它扑灭，同时迅速向矿调度室报告火情。n矿调度室接到报告后，应立即采取下述措施：n1通知救护队；n2组织临时救灾指挥部；n3通知所有井下受火灾威胁的人员撤离危险区。二、直接灭火二、直接灭火n1、水灭火、水灭火n用水灭火，简单易行、经济、有效。水的主要作用是：n水有很大的吸热能力（1kg水汽化成蒸汽时能吸收2256.7J 的热量），能很快使物体冷却而停止燃烧；n水遇火（高温）能蒸发成大量水蒸气（1 kg水能生成1.7 m3升蒸汽），使燃烧物表面与空气隔绝，并能稀释空气中的氧浓度；n以强力水流喷射火源能压灭燃烧物的火焰。n除了电器类火灾和易燃油类火灾外，水可用于绝大多数一般性火灾的灭火。2
49、、泡沫灭火、泡沫灭火n泡沫灭火主要基于两个原理：一是水气化过程要从热源中带走大量的热；二是气化的水蒸汽不断积聚会形成具有隔离空气作用的屏障。当泡沫被加热到100时，泡沫会膨胀30。但是液态水蒸发变成水蒸汽时体积膨胀比是1700:1。假设泡沫中的空气与水的比为1000:1，那么当1000升这样的泡沫蒸发后，就会变成1300升的空气（膨胀率30%）加上1700升的水蒸汽，也就是3000升的混合气体。空气原来还有体积比为21的氧气量，那么随着与产生的水蒸气的混合，氧气浓度下降为：3、水淹灭火、水淹灭火n在两种情况下可以采用水淹的方法来熄灭火灾。第一，如果火源及其影响区域位于目前工作区域的标高位置以下
50、。第二，某些通往火区的巷道处于较低的水平，水淹这些巷道是为了防止这些巷道火区供风。4、挖除火源、挖除火源n 如果知道火源位置离巷道壁在几米范围内的话，那么就可以将高温点直接挖掉并冷却。这种措施可以用于在煤柱处发生的自燃火灾，在密闭区内部或者风桥附近发生自燃，甚至是在某些采空区等处的火灾也可以采用这种办法来处理。4、挖除火源、挖除火源n在某些时候，有必要开掘一个探巷来更精确地定位火源点位置和自燃范围。挖掘火源时应该让工作人员位于风流的上侧，以使工作人员尽可能地不受烟气和CO的毒害。同时，还应该在挖掘火源的巷道两侧10米左右的范围内对通风巷道喷水淋湿，或者抛洒岩粉覆盖巷道表面。4、挖除火源、挖除火