崇信县百贯沟煤业防火研究报告.doc

目 录1. 矿井概况 12. 立项背景与项目目标 12.1 研究目的与意义 12.2 研究内容与目标 23. 1503综放面煤层自燃特性参数实验 33.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测 33.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定 33.1.2 煤层最短自然发火期预测 73.2 煤层自燃指标气体实验 83.2.1 指标气体优选原则 93.2.2 实验设备 93.2.3 实验过程 93.2.4 实验结果及分析 103.3 本章小结 134. 1503综采工作面自燃危险区域判定研究 134.1 1503综采工作面概况 134.1.1 工作面位置及井上下关系 134.1.2 煤层赋存特征及煤质情况 144.1.3 地质构造及水文地质情况 144.1.4 巷道布置、采煤方法及通风系统 154.2 采空区自燃“三带”研究意义 154.3 采空区自燃“三带”划分标准 164.4 半导体测温与束管取样分析系统建立 184.5 采空区测温取样数据分析 214.5.1 采空区温度实测数据 214.5.2 采空区取样分析数据 244.5.3 “三带”分布分析 354.6 本章小结 385. 采空区隐蔽火源发展规律CFD技术模拟 395.1 基于采空区氧气浓度场CFD模型的自燃危险区域模拟 395.2 采空区隐蔽火源与气体产物运移规律模拟 445.3 本章小结 476. 煤火预防、预报、应急与综合治理技术体系构建研究 486.1 概述 486.2 易燃煤层开采煤火预防技术 496.2.1 易燃煤层开采煤火特点剖析 496.2.2 易燃煤层开采煤火规律分析 516.2.3 综放面煤火预防重点 526.2.4 巷道掘进期间防火技术 536.2.5 综放面生产期间防火技术 556.2.6 综放面停采时防火技术 576.2.7 综放面临时停采防火技术 586.3 易燃煤层开采煤火早期预报、应急与综合治理技术 586.3.1 煤火早期预报概述 586.3.2 指标气体选取 596.3.3 巷道自然发火早期预报 606.3.4 综放面自然发火监测及早期预报 646.3.5 综放面封闭期间和闭墙内火灾气体检测及预报 656.3.6 煤火应急与综合治理技术体系构建 676.4 本章小结 73—II—1. 矿井概况崇信县百贯沟煤业有限公司位于甘肃省平凉市崇信县新窑镇及黄花乡境内，距崇信县城西南约27km，其地理坐标为东经35°10′12.017″～35°12′22.336″，北纬106°58′01.917″～107°01′50.493″。

矿区有四级公路向南至梁家胡同与崇（信）—大（湾岭）公路相接，由此东至崇信县城27km，向西至大湾岭23km与宝（鸡）—平（凉）公路相接，由大湾岭向北距安口南站11km，距平凉市70km，向南距陕西省宝鸡市中心约124km，交通便利矿区井田走向长6.3km，倾斜长1.7km，井田面积约7.57km2井田内主要可采煤层为煤5，局部可采煤层为煤3，储量中心在井田中部，共有地质储量7612万t，可采储量4233万t矿井设计生产能力为0.6Mt/a，矿井服务年限为50.4a矿井开拓方式为斜井开拓，新开主井、副井，原混合井、风井作为风井一并使用井下设一个开拓水平＋800m水平，上、下山开采全矿共划分为4个采区，矿井投产时首采区布置有一个综采放顶煤工作面（煤5）矿井通风采用中央并列抽出式通风方式，风井地面装配有FBD—Ⅱ—№18防爆对旋轴流式主要通风机（装置）2台，适配电机功率2×75kw作为矿井通风的主要动力，2台风机其中1台运转、1台备用根据矿井瓦斯鉴定等级，百贯沟煤业属于瓦斯矿井，煤层自然发火倾向性自燃等级为Ⅱ类，属于自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性2. 立项背景与项目目标2.1 研究目的与意义煤层自燃火灾是煤矿生产的主要灾害之一，据统计，我国国有煤矿每年因火害而封闭的采煤工作面均在100个以上，而被封在每个火区内的装备损失均达数千万元，且大量的煤炭资源因火害而被冻结。

特别是近十多年来，随着我国综合机械化采煤技术的推广，其煤炭产量和效益得到了大幅度地提高但是，与此同时，由于综采（放）技术具有一次性开采强度大，采空区遗留残煤多特点，加之受到机电设备功率数大、散热量多，开采深度大、放热强度高而引起采空区温度升高，以及一些孤岛、无煤柱等开采技术造成的采空区相互连通、漏风通道复杂等多种不利因素影响，致使矿井煤火频繁发生其不仅极大地制约了矿井高产高效技术的发展，更为严重者因为火害则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或火烟毒化矿井，酿成重大恶性事故，而又严重地威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全然而，煤层自燃不同于外因火灾，外因火灾火势发展迅猛，很快就会形成大火，在矿井实际生产条件下，几乎没有处理火灾的缓冲期而自燃（内因）火灾的形成是一个缓慢氧化蓄热过程，发现煤体暴露面处有自燃征兆，在未形成外因火灾之前，仍有一定的缓冲时间对火区进行控制和治理，如果能很好地利用这段时期控制和熄灭火区，将起到事半功倍的效果；而一旦错过这段控制火势的良好时机，高温区将会急剧发展，处理火区的工作条件将会迅速恶化因此，开展对百贯沟煤业易燃煤层开采自然发火规律及防治体系构建的技术研究，对于确保矿井安全、高产、高效和集约化生产，无疑具有十分重要的现实意义。

2.2 研究内容与目标⑴ 易燃煤层自燃特性参数实验研究实验研究百贯沟煤业长走向采煤工作面煤层自燃特性基础参数、绝热氧化温升特性、不同氧化阶段煤炭自燃的气体产物成分和浓度变化规律，确立煤层自燃的指标气体、建立煤层自燃的预测预报体系同时，以煤的自燃氧化动力学测定方法为基础，确定易燃煤层的自然发火期时间⑵ 1503综采工作面自燃危险区域判定研究通过在1503综采工作面采空区内埋设温度传感探头测温和铺设束管取样分析，研究采空区内遗煤的自燃氧化过程，进而判断1503综采工作面在实际条件下采空区自燃“三带”的分布规律及其自燃危险区域的范围和形态等⑶ 采空区隐蔽火源发展规律模拟研究通过CFD模型技术，模拟研究采空区火源位置与气体运移范围之间的关系⑷ 易燃煤层开采防灭火技术体系构建研究研究构建适合于百贯沟煤业易燃煤层开采的煤火预防、预报、应急与综合治理的一整套防灭火技术体系即结合各类防灭火技术的不同特点，对自燃危险区域进行预防性处理；当预防体系失效后，根据煤层自燃初期的物理与化学变化产生的效应，利用温度分析法和束管气体分析法对煤层自燃进行早期预报预报准确，就能及时准确地把自燃隐患点消除，一旦预报失败，就将形成自燃火灾。

因此，就必须采用快速有效的应急技术，对自燃隐患点进行迅速处理，以便为自燃火灾的综合治理赢取时间，最终彻底扑灭煤火，抑制煤层自燃次生灾害的发生，减少火害给矿井带来的损失3. 1503综放面煤层自燃特性参数实验煤层自燃是由于煤与氧接触氧化放出热量，在一定的蓄热条件下，氧化放出的热量被积聚，当热量的积聚能够满足煤的自燃发展需要时，煤体温度便会不断上升，最终导致其自燃其过程的发展是一个极其复杂的动态变化过程，它主要取决于煤的氧化放热特性、供氧条件及蓄散热环境因此，为了摸清百贯沟煤业煤层自然发火机理，本课题首先于实验室对1503综放面煤层煤样开展了以下一系列实验研究3.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测3.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定⑴ 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法原理近年来，中国矿业大学提出了煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法，并作为标准AQ/T1068—2008《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》，通过对许多矿区的大量煤样进行了测定其结果表明，该方法测定原理科学、鉴定结果更为符合实际实际上，该方法原理是基于煤低温氧化复合反应和自由基链式反应的基本原理而提出来的即煤自热过程包括低温氧化和快速升温阶段，经过大量不同煤种的自燃特性测试试验表明，如果仅采用某一阶段的一种指标，则难以较为全面地测试出煤的自燃特性。

因此，必须采用低温氧化阶段的耗氧指标和快速升温阶段的交叉点温度指标来反映煤不同阶段的自燃特性70℃出口氧气浓度反映70℃时温升速率的快慢，决定低温缓慢自热阶段氧化自热时间的长短；交叉点温度的大小则主要反映了煤在快速氧化阶段的自燃特性最后对这两个指标进行综合，从而确定出煤自燃倾向性的判定指数⑵ 氧化动力学方法测定条件①测试煤样粒度的选取煤低温缓慢氧化阶段耗氧量较低，选择合适试样的测试粒径对耗氧量的测试十分重要粒径不宜太大，太大会影响煤与氧气接触的表面积，氧浓度变化不明显；同时也不宜太小，太小增加了氧气进入煤体的阻力，使空气流通不畅，影响测试的重复性为了耗氧浓度的测试需要，同时考虑到煤样制取，该方法测试煤样的粒径为0.2～0.35 mm②煤样的干燥温度煤自燃倾向性体现的是煤本身自热的内在属性，不应受外在水分的影响，因此，待测煤样应为去除外在水分的空气干燥煤样本方法煤样的空气干燥温度选择为40 ℃③供气流量的选取指标参数的测定过程中，不同阶段对应的供气浓度也不同本方法初始阶段通入干空气流量为96mL/min，中间阶段通入干空气流量为8mL/min，后期程序升温阶段通入干空气流量则又调整为96mL/min。

⑶ 中间测定结果中间测定结果如表3—1所示表3—1 测定结果煤样名称煤样罐出口氧气浓度（70℃）/%交叉点温度Tcpt/℃1503面煤样18.54145.3⑷ 判定指数计算及最后结果煤自燃倾向性取决于煤在低温自热与加速氧化两个阶段的升温特性，这两个阶段的氧化机理和升温特性不同，两个阶段对煤自燃发展过程的促进作用也存在较大差异，即两者在对煤自燃的推动作用中的重要程度存在差别为了权衡两个阶段对煤自燃发展过程的不同影响程度，可引用权数对其进行区分权数是指在综合指标中起着权衡轻重作用的指数，是权重的数值体现重要程度高的指标参数，相应权数应大；而重要程度低的指标参数，相应权数则应小将测试结果的两个指标参数按照其重要程度分别乘以相应权数再进行平均值处理，无疑有利于更好更全面地反映煤自身的氧化自燃特性因此，在指标参数的合成过程中，正确地给定各指标参数的权数非常重要常用的确定权数的方法有：①根据经验确定；② 根据测量次数确定；③根据数据的精度参数确定考虑到煤低温氧化阶段对于煤自燃过程的发展更为重要，根据试验结果与经验，低温氧化阶段的权数取0.6，快速氧化阶段的权数取0.4由于加法合成法能较好的体现出各评价指标之间的权重关系，故采用加法合成方法对这两个指标进行合成。

依据加法合成法，煤自燃倾向性的综合判定指数计算式如下： （3—1） （3—2） （3—3）式中：I —— 煤自燃倾向性判定指数，无量纲； —— 煤样温度70 ℃时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲； —— 煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲； —— 煤样温度达到70 ℃时煤样罐出气口的氧气浓度，%；Tcpt —— 煤在程序升温条件下的交叉点温度，℃；15.5 —— 煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%；140 —— 交叉点温度的计算因子，℃； —— 低温氧化阶段的权数，=0.6； —— 快速氧化阶段的权数，=0.4；φ —— 放大因子，φ=40；300 —— 修正因子表3—2 煤自燃倾向性分类指标自燃倾向性分类。