专题-采空区煤炭自燃注浆灭火技术.docx

1、 第115页采空区煤炭自燃注浆灭火技术摘要：煤炭自燃是我国矿井的主要灾害之一，长期以来严重威胁煤矿的安全生产和影响矿井的经济效益。本文从煤炭自燃的机理人手，分析了采空区煤炭自燃火灾的成因及其特点，介绍了煤炭自燃火灾灭火技术，重点论述了注浆灭火的措施，针对采空区煤炭自燃火灾的特点，研究了常用的矿井防灭火胶体材料，并论述了注浆材料的选择和灌浆的顺序及方式。关键词：自燃火灾，防灭火，采空区，注浆。引言我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产和消费总量的85%川以上，但我国煤炭自燃火灾十分严重。煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元，煤层自燃火灾已成为影响煤炭

2、安全生产的主要灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产，阻碍高产高效煤炭开采技术的发展。煤炭自燃火灾不但对矿井生产产生严重的危害，而且如果不及时扑灭小面积的煤炭自燃火灾，这些火源不断向深部发展能够形成的大面积煤田火灾。煤层自燃不仅直接烧掉了宝贵的煤炭资源，而且还破坏了煤层的赋存条件，危及煤矿的安全生产，使得大量煤炭资源难以开采而间接损失;更为严重的是煤层无控制地不充分燃烧，释放出大量有害物质，引发一系列的生态环境恶效应;煤田自燃，煤层消减，导致地表塌陷，河流改道，地下水位降低，部分土地荒漠化，严重地破坏了国土资源。这些都恶化着人类的生存环境与条件，影响着地区社会经济的可持续发展。在1992年“世界环

3、发大会”之后，煤田自燃作为一种自然灾害己成为有关国家政府关注的主要环境问题;1994年我国政府己将煤田自燃灾害的治理列入“中国21世纪议程”，使得煤田自燃灾害的治理工作步入国家环境工程行列。据调查统计，各类煤炭自燃所造成的经济损失(含潜在的经济损失)每年在200亿元以上。我国煤矿中，自然发火情况非常严重，是我国许多煤矿的重大灾害之一。据统计，在我国的现有煤矿中，有56%的矿井存在煤炭自然发火的危险，国有重点煤矿54.9%的矿井有自然发火危险，地方国有煤矿年产3万t以上的矿井中29.1%有自然发火危险。煤矿的自燃火灾次数占火灾总数的90%以上。充州、枣庄、徐州、平庄等矿区，太原理工大学硕士研究生

4、学位论文自然发火更为严重。煤炭自燃火灾给国家和矿井带来了极大的危害及经济损失，其中有些自燃火区长期无法扑灭，大量煤炭资源被冻结，昂贵的生产设备毁于火区之中，严重威胁着矿井的正常生产和矿工的生命安全。除了矿井自然火灾，煤田自燃也导致煤矿井下发火，这种情况在中西部地区频繁发生，一些煤矿每年发火高达100余次，平均每生产万吨煤发生2.2次，常常造成人员伤亡，设备破坏，被迫封闭井口，矿井报废等。煤层自燃导致矿井温度升高，危及矿工人身安全，还可引发煤矿瓦斯突出、粉尘爆炸、顶板陷落、底板突水等灾害，是危害中西部地区煤矿安全生产的主要因素之一。1984年前的32年中，我国煤矿共发生火灾 10296次，其中9

5、4%的为自然发火，采空区自燃则占自燃火灾的60%，例如在己开采过的220个综放工作面中发生了182次煤炭自燃火灾事故。1985到1990年间，百万吨发火率为0.76次。20世纪90年代之后，煤矿生产逐步向高产高效集约化发展，其火灾发生的严重性和危害性也随之升级。为改变自然发火给煤矿造成的被动局面，自20世纪60年代以来，煤炭自燃的相关理论研究、实验和综合防治技术取得了显著成就。均压、注浆、阻化、凝胶、注氮等防灭火技术己成功地得到应用，煤炭自燃火灾发生率明显下降。1研究现状及意义1.1煤炭自燃火灾防灭火技术现状扑灭地下煤炭自燃火灾非常困难，这是因为火苗在地下运移，人们无法直接观测到，而且已经发现

6、地下大火常常能够穿过地下非可燃性物质组成的广阔屏障，在远处引起大火，所以使人们不免顾此失彼，难以将其全歼，使其轻而易举的死灰复燃。如美国曾圣曲利亚大区的地下煤炭自燃区域，人们布置了许多钻孔，并用水灌整个区域，试图覆盖并窒息地下火灾，但未见成效。有人据此指出，地下火焰异常灼热，高温使水分子分解成氢和氧，反而起到了火上浇油的效果。于是又有人建议用烟灰渣来熄火。几年来，人们又在该地区布置了近1800个钻孔，灌进约12.3万吨烟灰渣和8.%万立方米的沙土，但这些努力仍然付之东流，大火依然绵绵不断6。近年来，对煤矿火灾发生、发展和防止机理及规律，包括起火、火势蔓延和烟气太原理工大学硕士研究生学位论文传播

7、灭火以及火灾对人体的危害与防止等方面进行了较深入的研究;在煤矿火灾预预报方法、实时监测技术、防火设计、制订防火救灾措施等方面均取得了令人鼓舞的成绩。煤矿火灾防治技术近几年的新发展主要表现在以下几个方面:(l)从观念上改变了认为火灾系单纯偶然事故的认识。煤矿火灾作为一种自然灾害现象，它的发生既不具有完全的确定性，又不是完全的随机性，而是兼有确定性和随机性的双重特点。不仅火灾发生如此，火灾蔓延及其造成的损失也是如此。(2)认为煤矿发生火灾的机理和规律具有普遍性，只要加以研究就可以认识和掌握，就可以控制火灾事故的数量，降低火灾事故的损失，从而使煤矿和煤田火灾科研跨上一个新台阶。(3)在研究方法上改变

8、了传统的以火场实测和统计经验数据为主的手段，承认并自觉运用流体力字、热力学和传热学等自然科学中的质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本规律来指导火灾研究，并应用统计理论，力图揭示数据之间的联系，形成专家系统，同时借助于火灾模型并结合火灾现场实测的研究方法研究火灾的发生、发展和防治的机理与规律，不断深化对火灾客观规律的认识，减少火灾发生，降低火灾损失。(4)在防火策略上注意从系统工程角度出发，形成预测、预防、预报和灭火等四道火灾防治防线。我国对矿井防火问题给予了充分重视，并投入较多的财力和人力，科学技术进步也为改变我国煤矿安全的落后面貌起到了重要作用。我国煤矿自然发火逐年减少，外因火灾也得到了不同程

9、度的控制。但是也应该看到，我国煤矿火灾技术发展很不平衡，原部直属矿井发展较快，地方煤矿发展较慢。每年仍有或多或少的人员在火灾中丧生，有大量财产在火灾中化为灰烬，有大量的煤炭资源被冻结，现状仍然不能令人满意。因此在现在和将来的一段时间内，防灭火仍然将是我国煤矿安全工作的重点之一，研究矿井火灾防治技术和理论，大力推广应用先进而成功的防灭火技术是减少我国煤矿火灾危害的重要战略决策。1.2采空区煤炭自燃火灾灭火技术研究的意义煤炭是我国的主要能源，煤炭生产在我国的国民经济中具有举足轻重的作用。全国约75%的工业燃料和动力，60%的化工原料和绝大部分的民用燃料依靠煤炭，煤炭的开采和利用对我国的反战起着重要

10、的作用。20世纪90年代，工业技术的快速发展及其在工矿企业中的应用，高产高效集约化生产被煤矿企业广泛应用，矿井机械化程度大幅度提高，综采放顶煤采煤法得到了大力推广应用，开采速度日益加快的同时，也给采空区遗留下大量浮煤，使得采空区自然发火问题更加严重。各种预测预报以及预防措施虽然有效的降低了煤炭自燃火灾的发生概率，但采空区煤炭自然发火仍然时有发生，如何安全、快速、有效和经济的扑灭采空区煤炭自燃火灾不但能够保证矿井的安全生产，同时对保护现有的煤炭资源、保护自然生态环境都有巨大的意义。2采空区煤炭自燃火灾的成因及特点2.1煤炭自燃火灾概述煤炭自燃是指在自然环境下，煤炭因氧化聚热引发的燃烧现象。煤炭自

11、燃又称煤炭自然发火，是指在没有外来热源的情况下，由于煤炭自身氧化积热，使煤的温度升高，而发生的燃烧的现象。煤炭的氧化和自燃是基链反应，即具有自燃倾向性的煤炭与空气接触，能吸附空气中的氧而在煤的表面生成不稳定的初级氧化物，使煤的化学活性增强，进而煤炭氧化速度加快，氧化放热量加大，当热量不能及时散发时，煤温就会逐渐升高，当达到煤的着火点时(300一350)，便开始自燃。煤炭自燃的发展过程一般分为三个时期:潜伏期、自热期和自燃期。见图2一l。潜伏期即煤的低温氧化时期，该期氧化速度缓慢，煤温几乎不变，但化学活性增强。自热期即煤的氧化加速期，被活化的煤炭，氧化速度加快，产生的热量较大，若来不及散发，则煤

12、温逐渐升高，当煤的温度超过临界温度TI(一般为70一90)时，氧化急剧加速，煤温上升加快，这一时期空气的O2含量减少，CO、CO2:含量显著增加，出现烃类气体(烷系和烯系)，煤中水分蒸发，空气湿度加大，并形成雾气，巷壁或支架上有水珠凝结，后期则出现煤的干馏，可嗅到煤油味或煤焦油味等火灾气味;自燃期，当煤温升到自燃着火点T2(300一350)时，煤炭开始自燃，其特征是出现烟雾、明火，产生大量的CO、CO2气体，可嗅到浓烈的火灾气味。在自热期，如果在达到临界温度之前，改变了供氧或散热条件，煤的增温就会自行放慢，而进入冷却阶段，煤逐渐冷却失去自燃的化学活性，而进入惰性的风化状态，己经风化了的煤，一般

13、不会再发生自燃。煤矿井下火灾中，90%以上属于煤炭自燃火灾。煤矿自然发火严重影响着煤矿的正常生产，威胁井下人员生命安全，烧毁煤炭资源。由于井下环境复杂，自然发火点往往比较隐蔽，难以直接观察到着火现象，因此，在实际工作中，矿井某一区域或采掘工作面出现下列情况之一时，便定为自然发火:由于煤炭自燃出现明火，火灾烟雾、煤油味等现象;由于煤炭自燃使环境空气、煤炭、围岩及其它介质温度升高，并超过70时;由于煤炭自燃在采空区或风流中出现一氧化碳，其浓度超过矿井实际统计的自然发火的临界指标，并有上升趋势。在开采过程中发生过煤炭自燃的煤层，则定为自然发火煤层。2.2煤的自燃规律（1）煤自燃学说煤自燃问题自十七世

14、纪即开始研究探索，根据研究探索的结果，到目前为止，提出了多种煤炭自燃学说，主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说以及煤氧复合学说等。煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞同，进入二十世纪九十年代，国内外学者又提出了一些更具体的学说:自由基作用学说该学说是李增华于1996年提出，他认为煤作为一种有机岩石，是一种以碳氢为主要成分的有机大分子物质，必然与橡胶、塑料一样具有相似的自氧化机理。在外力(如地应力、采煤机的切割等)作用下煤体被破碎，产生大量裂隙，必然造成煤分子链的断裂。分子链断裂本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基，自由基可存在于煤粒表面，也可存在于煤体内部新生裂纹表面，为煤自

15、然氧化创造了条件，当有氧气存在时，发生氧化反应生成过氧化物，自由基同时放出热量使得煤温缓慢上升，并使过氧化物自由基进一步反应放出大量CO、CO2等气体，生成新的自由基继续与氧反应产生更多的热使煤温进一步升高。如此反复，在合适的蓄热条件下使得煤温大幅度升高，从而导致燃烧。运用自由基反应机理李增华对部分煤自燃现象作出了一些合理的解释，如采煤机割煤时工作面CO浓度增加以及压裂的煤柱易自然发火等。Martin(1959)用SIMS(次级离子质谱)和XPS研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持了自由基链反应机理。电化学作用学说该学说认为煤中含有铁的变价离子，组成氧化还原系Fe2+/ Fe3+，氧化

16、还原系Fe2+/ Fe3+在煤的氧化反应中起催化作用，在煤中引起电化学反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化过程，引发自燃。氢原子作用学说该学说是是Loper.D.等于1998年提出，认为煤在低温氧化过程中，由于煤中氢原子在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤的自燃。基团作用理论该理论是WangH.H.等于1999年提出，利用孔模型模拟了煤中孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基团与氧气能充分作用，从而导致煤的自燃。煤氧复合学说存在的问题是:煤氧复合最初的导因是什么，煤氧复合过程如何，各种临界参数如何测定，低温阶段热效应如何测定，如何确定煤最短自然发火期，氧如何在煤中运输，其动力何在，过程如何。以徐精彩教授为代表的西安科技大学矿山应用技术研究所课题组，从微观机理上分析了煤氧复