矿井火灾的预测预报

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 矿井火灾的预测预报,本章要点：,掌握煤矿井下容易自然发火地点；,掌握早期煤自燃的识别和预报方法；,了解矿井安全监测系统的组成、监测传感器的分类及其动作；,了解目前煤自燃隐蔽火源探测技术、掌握判定外因火灾火源分支的方法；,第一节煤矿井下易发火地点,采空区,停采线和开切眼,进、回风巷,构造带,通风设施附近,认识煤自燃在发生地点方面的规律和特点为煤自燃的预测预报工作提供了较好的依据，现场人员可以对相关地点进行有针对性的监控，防患于未然。,采空区,采空区三带分布图,不自然带（,5m25m,）,自燃带,(25m65m),窒息带,采空区是煤矿井下较易发生煤炭自燃的区域之一，据统计，国有重点煤矿采空区内发生的煤炭自燃占煤自然发火总数的,60%,原因：采空区存在遗煤、工作面后方存在漏风,从自然发火的角度出发将采空区划分为三带 ：“不自燃带”,(,散热带,),、“自燃带”和“窒息带”,采空区,三带划分的原因,不自燃带（散热带）,该区域虽有遗煤堆积，但由于顶板冒落的岩块呈松散堆积状态，孔隙大，且漏风强度大，煤氧化放出的热量被及时带走而无法聚积，再加上浮煤与空气接触时间尚短，所以一般不会发生自燃。,自燃带（氧化自热带）,该区域由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，风阻增大，漏风强度减弱，遗煤氧化产生的热量不断聚积，并可能最终导致煤自燃的发生，故称自燃带。自燃带的宽度受顶板岩性、冒落岩石块度、压实程度、工作面端点通风压差等因素的综合制约。,窒息带,自燃带之后的大部分采空区为窒息带，该区域内冒落岩块已基本压实，漏风基本消失，氧气浓度下降而无法维持煤氧化自燃过程的持续发展。如果自燃带已经发生煤自燃，那么随着工作面的推进，自燃带进入窒息带后，已经发展起来的遗煤自燃会因缺氧而熄灭。另外，窒息带的岩石导热会使煤体在处于自燃带时蓄积的热量逐渐散失，遗煤温度将逐步恢复至正常水平。,采空区,控制自燃带的宽度和使自燃带快速进入窒息带的方法：,加快推进速度，让自燃带快速进入窒息带防治煤自燃，这是最直接的方法,降低工作面风阻或者进出口端点的通风压差；,对采空区洒浆以填充其中的孔隙，注水促进再生顶板形成，增大采空区的漏风风阻。,自燃三带的主要划分指标,氧气浓度,采空区漏风流速,不自然带,O,2,15%,流速,0.24m/min,自燃带,5% O,2,15%,0.1 m/min,流速,0.24 m/min,窒息带,O,2,5%,流速,0.1 m/min,自燃三带的划分指标,根据氧气浓度划分,根据氧气浓度划分采空区“三带”是目前最常用的方法,不自燃带,：,O,2,%,15%,。该区域具备充足的供氧条件，但由于漏风大造成煤氧化自燃初期产生的微小热量随风散失，煤的氧化过程始终停留在缓慢发展阶段，不易发生煤自燃现象。,应该指出的是，以氧气浓度作为界定不自燃带和自燃带的指标，并不是因为氧气浓度大于某一特定值而不能自然发火，而是由于该区域的漏风风速过大带走了氧化生成的热量所致，因此不自燃带也常称为“冷却带”或“散热带”。,自燃带：,15%O,2,%5%,。该区域既具备充足的供氧条件，又由于漏风量较小，氧化蓄热环境较好，煤的氧化自热过程得以持续进行，最终导致煤自燃的发生。,窒息带：,O,2,%,5%,。该区域由于缺氧，煤氧化自燃过程将无法进行。,从图可以看出，按氧气浓度指标划分，采空区内存在明显的“三带”区域。,山西大同忻州窑矿,8916,面采空区,自燃三带的划分指标,根据采空区漏风流速划分,漏风流速划分采空区“三带”的依据参数主要通过计算机数值模拟得到,根据采空区漏风流速划分的“三带”范围,采空区的漏风强度能够在一定程度上反映自燃“三带”特性，但在现场实际测定过程中，由于采空区内设点困难、测量仪器精度不足、采空区风流方向的不可预见性等因素的影响，测定过程往往无法进行或结果可信度较低。,因此，该划分标准一般不被采用。,自燃三带的划分指标,根据采空区温度划分,除了以上两个采空区“三带”划分指标外，有人也提出了将采空区内的温度变化作为“三带”划分的依据。实际上，温度不宜作为划分“三带”的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都会上升到某一确定的值。一定条件下自燃带内的遗煤存在自然发火的可能性，但并不表现为很快会升温自燃，在一定时间内采空区内的温度不上升并不能认为“三带”不存在。因此，,采空区内的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。,采空区三带的测定,1,、,采空区自燃“三带”划分依据：,以氧气浓度为主，温度变化曲线为辅，参考其他气体变化曲线与采空区流速模拟分析。,2,、测点布置：,全面布置法、局部布置法,3,、测定参数：,温度、气体成分,4,、测定仪器：,气体成分：束管、气相色谱仪、抽气泵、球心。,温度：,AD590,恒流源温度传感器、热电偶、导线、测温仪表。,5,、取样：,每日一次取样对气体成分，温度进行化验分析，同时记录回采工作面进度。,6,、分析：,气体成分、温度曲线、,O2,曲线、,CO,曲线、采空区自燃“三带”图。,局部布置法,全面布置法,束管,气体测试,抽气泵,气体测试,气相色谱仪,气体测试,为了防止测温线路、温度传感器和预设气体取样管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管，将测温导线和气体取样管置于保护套管内。,保护套管的铺设一般按以下原则进行：,顺槽的保护套管沿回风顺槽铺设在上帮底部；,回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部溜子靠采空区侧。,测试线路和传感器的保护,1-2in,保护套管；,2-,预设取样束管；,3-,测温导线；,4-,快速接头；,5-,热电偶；,6-,气孔；,7-,气体采样器,气体成分测定记录表,序号,检测点,取样时间,气体成分（,%,）,温度,测点,距工,作面,距离,O,2,N,2,CO,CO,2,C,2,H,6,C,2,H,2,C,2,H,4,1,2,3,4,5,CH,4,氧气浓度分析曲线,工作面氧气浓度分布平面图,氧气浓度分析曲线,工作面氧气浓度分布立体图,氧气浓度分析曲线,工作面,CO,浓度分布平面图,一氧化碳浓度分析曲线,工作面,CO,浓度分布平面图,工作面,CO,浓度分布立体图,温度曲线分析,工作面温度分布平面图,温度分析,工作面温度分布立体图,温度分析,采空区“三带”范围图,三带划分,采空区“,O”,形圈,在工作面推进过程中，由于矿压作用，上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙 ，另一类为竖向破断裂隙 ，离层裂隙分布呈现两阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层率下降，而采空区两侧离层裂隙仍继续存在。在顶板任意高度的水平内，第二阶段时，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶的“,O-X”,形破断边界相似，,称之为采动裂隙“,O”,形圈,“,O,”,形圈的范围大小与采空区顶板的岩性有关，顶板碎胀系数,Kp,值越,大，顶板冒落越充分，压实带范围越宽，采空区易发火区域就越小。,东滩煤矿采空区顶板碎胀系数对压实带的影响模拟计算图,停采线和开切眼,停采线和开切眼附近由于浮煤堆积量大、漏风严重等原因，往往容易发生煤炭自燃现象。据山东兖州矿区截止到,2000,年底的煤自然发火情况统计，该矿区,7,对矿井共发生自燃,88,次，其中停采线处,20,次，开切眼处,2,次，分别占自然发火总次数的,22.7%,和,2.27%,。据河南义马矿区,19592004,年的煤自然发火情况统计，停采线和开切眼处的自然发火次数占总次数的,10%,上区段停采线易自燃发火点示意图,停采线和开切眼,U,型通风无煤柱后退式开采停采线,图为无煤柱开采工作面采空区的气体流动状态图，从图中可以看出，引起煤炭自燃的主要原因是由于上区段停采线排风汇密闭不好，存在严重的漏风。漏入采空区的风流经过上区段采空区汇集形成漏风汇，其中,A,、,B,流线之间的风流速度变大，故使该区域形成一个适合浮煤氧化聚热的易燃风速区，并以环带状围绕漏风区，环带的两端分别与停采线和采空区上部边界相连。又由于靠停采线的一侧采空区气体氧气浓度较高，而另一侧氧气浓度较低，所以在停采线附近相对更容易发生自燃。,上分层停采线漏风状况,停采线和开切眼,分层开采方式时，上分层的停采线,采用分层开采方式时，上分层的停采线位于下分层回采工作面进风巷的始端与回风巷的末端之间，即处于采场通风系统的始末端，该处风压差最大，容易形成持续时间较长的漏风通道。另外，在准备或回采下分层工作面时，工作面的进风巷均在上分层采空区下掘进，因此，进风巷假顶也会向上分层采空区产生连续漏风。而停采线处往往存在大量的遗煤，其在漏风状态下构成煤自燃的危险源。,停采线和开切眼,分层开采方式时，上分层的停采线,上分层停采线漏风状况,上分层停采线处的漏风状态图，由图可知，靠停采线的一侧的流线和风压等值线较密集，这说明该处漏风量较大，漏风压差大。该区域内，漏风风流流线的间距是变化的，,流线始末端较密集，即风流速度大；中段稀疏，即风流速度小。,根据煤自然发火的条件，可知其中某,处的风流能够为煤自燃的发展提供适宜的通风供氧和蓄热条件，即,存在“易自燃风速区”,。当漏风量较大时，“易自燃风速区”靠近停采线中点处，反之则位于靠近停采线端点处。考虑到井下瓦斯涌出的影响，新鲜风流从停采线端点漏入后，沿风流前进的方向，瓦斯浓度将逐渐升高。若瓦斯涌出量较小，对漏风氧气浓度影响不大的话，靠停采线两端的“易自燃风速区”均容易发生煤炭自燃，否则，沿风流方向停采线下端的“易自燃风速区”可能会因氧气不足而沿风流反方向后移甚至不发生自燃。,停采线和开切眼,开切眼,综放开采时开切眼不放煤,如果相邻的工作面进、回风巷向采空区的开切眼漏风,邻近巷道的通道封闭不严，向采空区漏风,邻近巷道向开切眼漏风,进、回风巷道,进、回风巷道长期处于风流之中，也是煤矿井下易自然发火地点之一，这在个别矿区表现的尤为严重，如义马矿区,19592004,年期间共发生自燃火灾,553,次，其中发生在进、回风巷道的火灾,218,次，占火灾总数的,39.4%,；兖州矿区历年来统计结果的这一比例则为,40.9%,。根据发生原因的不同，工作面进、回风巷道的煤炭自燃又可分为保护煤柱自燃、巷道高冒区自燃和分层巷道假顶内自燃几种情况。,进、回风巷道,1,、保护煤柱自燃,留煤柱保护区段巷道或无煤柱护巷采用留窄小煤柱的沿空掘巷方式时，在采动压力和地应力的作用下，煤柱容易被压裂、破碎或坍塌，形成大量的浮煤堆积，加之工作面端头回柱后冒落不彻底，留下漏风通道，容易发生煤炭自燃现象。,厚煤层采用分层开采方式时，这一问题更加突出。,分层开采时，往往将各分层巷道倾斜布置，煤柱压裂破碎后形成的碎煤在区段平巷处堆积起来，构成煤自燃隐患的物质基础。另外，该开采方式在煤层底板中设岩石集中平巷，通过联络巷与各分层的区段平巷连结，工作面推过后，落入采空区的联络巷容易形成采空区的漏风通道，漏入的风流大部分通过垮落的区段平巷流向工作面，易使区段平巷处的堆积遗煤发生自燃，特别是区段平巷与联络巷连结的部位，更容易发生煤炭自燃。,进、回风巷道,2,、巷道高冒区自燃,综放工作面的巷道一般都是沿煤层底板掘进，巷道顶部有比较厚的煤体。矿山压力都较显著的地方，在巷道施工完毕后，煤体原有的压力平衡被破坏，造成局部压力集中，形成高冒区。,存在破碎的煤,破碎区、离层区和断裂下沉区；其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，大约有,2 m,3 m,的浮煤呈自然堆积状态存在，巷道中的空气可以通过该区域的裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面与煤发生氧化反应。,暴露时间长,高冒处的破碎煤体从冒顶形成以后就暴露在空气中，而该工作面剩余巷道的施工和煤层回采周期非常长，远远超过了煤的自然发火期，所以有足够的时间维持煤炭氧化自燃过程的发展。,高冒易自燃的原因,高冒区冒落各区分布示意图,进、回风巷道,2,、巷道高冒区自燃,煤矿安全规程,（,2010,版）第二百四十三条规定在容易自燃和自燃的煤层中掘进巷道时，对巷道中出现的冒顶区必须及时进行防火处理，并定期检查。,1977,年,4,越月,4,日，抚顺老虎台矿,507,采区,5,巷道发生瓦斯连续,5,次爆炸死亡,83,人的重大事故，就是在处理巷道冒顶发火的过程中引发的。,进、回风巷道,3,、分层巷道假顶内煤炭自燃,分层巷道采用内错式或重叠式布置，除第一分层外，其它各分层巷道都是在假顶下掘进。因此，在第二分层及其以下的分层巷道掘进和工作面回采期间，都会向上一分层采空区漏风，使上分层采空区中（特别是上分层垮落的进、回风巷道处）的浮煤发生氧化自燃。,构造带,构造带处由于煤层受张拉、挤压等作用，破坏了煤层原有的连续性和完整性，裂隙大量产生，煤体破碎，容易形成大量浮煤的堆积；,构造带附近漏风通道复杂，漏风严重，给煤氧化自燃提供了通风供氧条件；,构造带处一般具备良好的热量积聚环境。这些条件导致构造带附近区域煤自燃现象频繁发生。,自然发火原因,斜交断层造成的浮煤堆积,煤矿井下常见的地质构造形式主要有,褶曲、断层、破碎带、陷落柱、岩浆入侵地区,等,19592004,年，河南义马矿区地质构造带附近区域的自然发火次数占发火总次数的,7%,；,山东兖州矿区兴隆庄煤矿,1984,年,1995,年间，该矿发生的,24,处自燃隐患或自然发火中，有,15,处发生在地质构造带附近。,构造带,通风设施附近,19592004,年，义马矿区,风桥、风门、调风窗以及密闭,等通风设施附近区域的自然发火次数占发火总次数的,11%,自然发火原因,在通风设施安装及施工过程中煤巷周围形成了一定裂隙，之后在矿山压力的缓慢持续作用下，这些裂隙逐渐发育扩展，达到一定程度后，附近煤体具备了适宜的氧化蓄热条件，容易造成自然发火。,对于建于假顶之下的通风设施，漏风情况更为严重，自然发火次数也相对频繁,假顶下设置通风设施后风流分布图,1-,风门；,2-,高温显现侧；,3-,易产生高温区,溜煤眼以及瓦斯抽放孔等处也是极易发生煤炭自燃的地方，应该将这些区域也作为煤自燃预测预报的重点，进行实时监控并及时采取相应的防治措施，避免煤炭自燃灾害的发生。,溜煤眼以及瓦斯抽放孔,第二节 煤自燃的早期识别与预报,煤自燃的早期识别与预报是有效防治矿井内因火灾的基础,煤矿安全规程,第二百四十一条规定,开采容易自燃和自燃的煤层时，在采区开采设计中，必须明确选定自然发火观测站或观测点的位置并建立监测系统、确定煤层自然发火的标志气体和建立自然发火预测预报制度。所有检测分析结果必须记录在专用的防火记录簿内，并定期检查、分析整理，发现自然发火指标超过或达到临界值等异常变化时，立即发出自然发火预报，采取措施进行处理。,第二节 煤自燃的早期识别与预报,人的直接感觉法,测温预测预报法,气体分析法,早期识别与预报煤自燃的方法有：,人的直接感觉法,嗅觉,：煤炭氧化自热达到一定温度后会出现,煤油味、汽油味和不饱和碳氢化合物发出的轻微芳香气味,利用对这些气味的感应，则可以判断附近某个区域的煤炭可能已经发生自燃,.,煤炭自燃指标气体和煤温的关系,浓度,/ 10,-6,煤温 ,无气味,CO,微弱气味,中度气味,强烈气味,氢气,乙烷,丙烷,乙烯,人的直接感觉法,视觉,由于煤炭自热产生的水蒸气会在空气中形成气雾或者在煤壁和其它不经常有水滴的物体表面上形成细小的水滴，通常,表现为煤壁“出汗”、支架上出现水珠等,，这些都可以作为煤炭发生自热的危险特征而被观察到。但是，当冷热两股风流交汇时，也能出现雾气或水珠，对这种情况应加以区别。浅部开采时，冬季在钻孔口或塌陷区有时发现冒出水蒸气或冰雪融化现象，这表征对应区域可能发生了煤自燃现象。另外，煤炭氧化自燃过程的最后阶段将出现烟雾，人们可根据这些现象对煤自燃现象做出判断和处理。,人的直接感觉法,感觉：,煤炭自燃发展到一定阶段 ，可能会使环境温度升高和使附近空气中的氧气浓度降低，,而且会释放出大量的,CO,、,CO,2,、,SO,2,、,H,2,S,等有毒有害气体，人们吸入后往往出现头疼、疲乏、昏昏欲睡、四肢无力等生理反应,煤炭自热点或自燃区域流过的水或空气，其温度通常较高 ，同样可为人所直接感觉。,注意：,利用人的直接感觉对煤自燃进行预测的方法对于培养职工的防火意识和煤自燃的早期识别具有一定的作用，但是，人的感觉往往带有很大的主观性，且受人的健康状况和精神状态的影响，准确度常常难以保证，故只能作为一种辅助的判别依据。,测温预测预报法,温度是确定煤炭自燃发展阶段的最可靠、最直观的重要参数，测定矿内空气和围岩的温度是煤炭自燃早期识别与预报的一个基本方法。该方法通过在钻孔内安设测温仪或温度传感器，或在某些区域布置温度传感器及其无线电发射装置，根据测定的温度或接收到的信号变化来判断是否发生煤炭自燃。,传感器测温法,红外测温法,热敏电缆法,测温预测预报法,传感器测温法,传感器测温法是将温度传感器布置在采空区、停采线等易自然发火区域，观测并分析这些区域温度的变化趋势，进而对煤炭自燃的发展阶段和发展趋势作出判断。,传感器测温法的主要设备为温度传感器和温度测量仪。,温度传感器分为热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、半导体温度传感器,传感器测温法能够直接测取浮煤或煤岩的温度，但受测温传感器的布置位置、范围、数量、精度和使用寿命等因素的影响较大。,AD590,恒流源温度传感器,1,、,AD590,温度传感器,AD590,温度传感器为恒流源型温度传感器，与热电偶、热敏电阻等温度传感器的不同在于,AD590,采用恒流输出信号，精度高、误差小，采用双绞线作为测温导线，消除了线间电容的影响，因此检测精度不受井下测点距离长短的影响。特别是适应于远距离测定的特点，比其他类型的温度传感器更具优越性。,2,、,AD590,的测量范围,温度测定范围为,-55,+150,、电源电压范围为,4V,30V,。,AD590,共有,I,、,J,、,K,、,L,、,M,五档，其中,M,档精度最高，在,-55,+150,范围内，非线性误差为,0.3,。,AD590,温度传感器采用专用仪表测温，检测仪表电路如图所示。,温度测试,AD590,温度传感器,温度测试,AD590,测温仪表,温度测试,AD590,温度传感器测试仪表原理图,温度测试,热电偶测温的应用原理,热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：,测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。,测量范围广。,-50+1600,、,构造简单，使用方便。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，外有保护套管。,1,、热电偶测温基本原理,将两种不同材料的导体或半导体,A,和,B,焊接起来，构成一个闭合回路，当导体,A,和,B,的两个执着点,1,和,2,之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。,2,、温度测量仪表,按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。,接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。,非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。,温度测试,温度测试,测温导线,AD590,恒流源温度传感器、,热电偶,温度测试,测温仪表,温度测试,测温预测预报法,温度传感器的布置与温度测定,（,1,）布置要求,安装温度传感器的位置选择要合理。其位置一般应设在自然发火危险性较大的采空区、停采线、开切眼、进回风巷道或通风设施附近等区域。,温度传感器的安装要符合设计要求，特别是钻孔角度和深度一定要能达到或者接近煤自燃高温点或隐患点。,温度传感器安装后，使用过程中应加强管理和维护，制定切实的保护措施。,（,2,）布置方法,温度传感器安装位置确定后，首先用钻机按要求打所需钻孔，然后在钻孔内安装,10 mm,15 mm,的套管或塑料管，其中放入温度传感器，用黄泥或其它材料封堵钻孔，待稳定,2 h,4 h,后即可进行温度测定。如果是在矿山压力大或者易垮落区域布置测温传感器，必须使用钢管等对导线和探头进行保护。,（,3,）温度检测,正常情况下每,4 d,5 d,对温度观测一次；当煤温达到,45 ,以上时每天测定一次，并制定相应的煤自燃防治措施。,（,4,）温度的记录与处理,每次测温要详细记录测定数据，并用相应的软件绘制测点温度随时间的变化曲线和某一时间测定区域的各测点的温度变化曲线，分析煤温的变化规律并对煤自燃的发展阶段作出判断。,测温预测预报法,传感器测温法,利用温度传感器检测煤体温度的方法具有预测可靠、直观的优点，得到了较为广泛地应用。,传感器测温法是点接触，预测预报的范围较小；,传感器的安装、维护工作量大；,温度传感器品种单一、稳定性差、成本高，使用寿命往往较短，且其测量精度有待进一步提高；,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，即使在用钢套管保护的情况下也易被损坏；,由于煤体的热传导能力非常弱，放热影响的范围很小，有时钻孔即使已打到了火源边缘附近,1 m,的范围内，也无法测知高温火源点的存在。,优点,局限性,测温预测预报法,传感器测温法,现场应用,美国、俄罗斯、英国、德国、波兰等国已成功地应用红外测温仪和红外热成像仪检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃。,国内的兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪对煤壁温度进行了测定，以兖州矿区为例，,20,世纪,90,年代末，该矿区曾对所属的兴隆庄煤矿、东滩煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿、济二煤矿的煤巷进行了红外探测，共探测巷道,21,条，探测巷道长度,16030 m,，发现自燃高温点,7,个。,不足,红外测温技术在煤矿现场的应用，为煤自燃预测预报工作提供了新的手段。但是，由于除了煤炭自燃会造成红外辐射能量场异常外，煤层原始地温、井下环境、巷道风量、井下机电设备、煤层内部结构异常等因素也往往会造成红外辐射能量场的异常，这些因素经常造成误判的发生。另外，,由于煤体的热传导性能较差，热量影响的范围很小，加之当前红外测温技术受障碍物影响大，有效测温距离小（国内报道的最远探测距离为,10 m,），当火源或高温隐患点离巷道表面较远时，红外辐射测温仪因感应不到热表面而显得无能为力。,测温预测预报法,红外测温法,任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射。物体温度越高，辐射能量就越大。红外测温法即是利用这一原理对煤体温度进行测定的，当煤矿井下存在自燃隐患点时，往往会在附近形成红外辐射能量场，煤体温度越高，红外测温仪器接受辐射能量而转换的辐射温度就越高，据此可对煤自燃的发展程度作出判断。,原理,测温预测预报法,热敏电缆法,热敏电缆由双股外表涂有热敏材料的导线绞结而成。通常温度下，热敏材料处于绝缘状态，当温度超过某一预先设定值时，两根导线间的绝缘状态受到破坏，从而对煤自然发火作出预报或报警。应用热敏电缆能够进行无间断点的连续沿程监测，但该方法也存在以下缺陷：,热敏电缆为定温感测，即当温度达到或超过某一定值时，才能发出预测预报信号，而此前与之后的温度变化特征则无法测知；,热敏电缆测定温度往往是以空气为介质通过热辐射的方式进行，但热敏电缆外层绝缘护套大大削弱了其感受热辐射的能力，使其反应迟钝；,热敏材料导通后是不可恢复的，需要及时更换局部或全部热敏电缆，维修工作量大；,热敏电缆的连接和接头处理也比较麻烦。这些缺陷的存在，在一定程度上限制了热敏电缆的推广应用。,气体分析法,煤的自然发火过程可分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。,气体分析法就是根据煤矿井下某些气体成分的存在及其浓度变化特征来识别煤炭自燃的发生及其发展程度的，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法。,指标的种类,指标的选用,气样的可靠性判断,气体分析法,指标的种类,煤氧化所产生的气体成分：,CO,、,C2H4,、,C,2,H,6,、,C,3,H,8,、,C,2,H,2,等气体,煤氧化产生气体的浓度变化或气体之间的比值关系：,格雷哈姆系数、,O2,、链烷比、,C/H,、烃指数等。,指标种类,一氧化碳（,CO,）,一氧化碳在煤氧化自燃过程中出现较早、生成量较大、浓度增长速度也较快，其浓度与煤体温度之间存在明显的对应关系，是煤炭自然发火早期预测预报非常灵敏的指标气体。,CO,产生量与煤温度的关系曲线,由于,CO,的初始产生温度比较低，持续温度范围宽，绝对生成量大，只要煤矿井下检测出,CO,气体持续存在，且浓度不断稳定增加，就可判断此测点风流的上风侧存在高温隐患点或存在自燃火源。,气体分析法,指标种类,一氧化碳（,CO,）,气体分析法,CO,指标在煤自燃预测预报方面起到了积极的作用，但是,CO,的检测温度范围较宽，从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到,CO,，对煤自然发火发展到的阶段较难给出准确地判断。另外，由于煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中，受漏风条件的影响极大，这对,CO,浓度的测定造成了误差，预报的可靠性也相应降低。,CO,的,绝对生成量,计算公式如下 ：,式中，,HCO,的绝对产生量，,m,3,/min,；,C,测点气样的,CO,浓度，,10,-6,；,Q,测点的风量，,m,3,/min,。,为了减小漏风等因素的影响,指标种类,一氧化碳（,CO,）,气体分析法,国内平庄古山矿最早将,CO,的绝对生成量指标用于煤自燃的预测预报，该矿通过对,36,个回采工作面的长期观测，得到了,CO,绝对生成量相应的预测预报临界指标,古山矿煤自燃预测预报的,CO,指标,自然发火系数,安全值,加强观测值,自然发火预报值,H,（,m,3,/min,）,9,抚顺老虎台矿则根据自身情况，,并总结多年的经验，采用的指标,指标种类,格雷哈姆系数的缺陷,气体分析法,格雷哈姆系数自提出以来，在煤自燃预测预报中得到了较广泛的应用，一定程度上改善了煤矿现场的自燃预测预报现状，但是，格拉哈姆系数仍然存在一定的缺陷。,格雷哈姆系数在氧气消耗量很小的情况下精度很低，例如，当氧气消耗量小于,0.3,时，利用格雷哈姆系数得到的结果就不再可靠，这个缺点也存在于其它含有氧气消耗量的判别指标中；,格雷哈姆系数还受到那些不是因煤自燃而产生的,CO,、,CO,2,的影响，其中包括从其它采空区运移过来的,CO,、,CO,2,或进入火区的空气本身所携带的少量,CO,、,CO,2,。,气体指标,耗氧量（,O,2,）,在测知氮气和氧气浓度的情况下，氧气的消耗量可表示为：,此计算基于两个假设：,空气中的氧气含量为,20.93%,，惰性气体的含量,79.04%,（,0.03%,的,CO,2,气,体不包括在内），对于除氮气以外的其它惰性气体，一般情况下都简单的,将其全视为氮气；,火区中的氮气没有被消耗，也没有被增加（空气流动增加的氮气除外）,注意：,注氮气等惰性气体的时候就不适用,种类：,指标种类,链烷比,气体分析法,一类是长链的烷烃气体与甲烷的浓度,（,C,2,H,6,/CH,4,、,C,3,H,8,/CH,4,、,C,4,H,10,/CH,4,）,另一类是长链 的烷烃气体与乙烷的浓度比值,（,C,3,H,8,/C,2,H,6,，,C,4,H,10,/C,2,H,6,）,不同矿区可根据实际情况选用不同的链烷比指标,贵州六枝矿区煤自燃预测中采用的链烷比指标,自燃发展的阶段,正常阶段,危险阶段,自燃阶段,C,3,H/,8,C,2,H,6,0.020.06,0.100.12,0.150.18,适用条件：对于发生在采空区的煤自燃高温点，由于多为浮煤，破碎较为充分，且经过了较长的释放时间，所吸附的烷烃基本上已释放出来，适于应用链烷比指标对该类煤自燃现象进行预测预报。,指标种类,链烷比,气体分析法,因素影响：,煤本身吸附的烷烃量不同；,吸附烷烃的释放时间。煤中吸附的大量烷烃气体改变了链烷比随煤温升高而变化的规律，再加上煤暴露在空气中释放时间的不同，链烷比表现出来的规律也不同，这就使得链烷比与煤氧化自燃发展阶段之间的关系并不明显。,对于采掘工作面这些新破碎、剥落的区域，采用链烷比作为指标进行煤自燃的预测预报存在一定的难度；,指标种类,C/H,气体分析法,C/H,表示煤氧化产物中碳和有效氢的比值，该指标最早由印度学者,Ghosh,和,Banerjee,提出,印度的应用实践表明：该比值与格拉哈姆系数（,Grahams Ratio,）相比数值范围更大、灵敏度更高；和,O2,联用时，能够对火源的范围和强度进行判定；另外，利用,C/H,能够区分煤火和木材火，从而可判定气体成份的变化是否为煤自燃引起。但是，,该比值受逸出瓦斯的影响较大，不适宜在高瓦斯矿井使用。,气体指标,烃指数,美国学者,Ann G. Kim,提出了以烃指数作为预测煤自燃的指标，计算公式如下：,式中，,烃类物质总量，单位,10,-6,；当实际检测烃类物质总量为零时，默认该值为,0.0110,-6,，以防止出现分母为零的情况,甲烷气体的含量，,10,-6,。,烃类物质总量越大时，相应的,R1,指标也越大，当烃类物质总量为,零时，该值为,0,；当烃类物质仅为,CH,4,一种时，该值为,10,指标种类,烃指数,气体分析法,烃指数具有测定精度高的优点，,但这一指标同样存在易受井下其他区域气体影响的缺陷，烃类气体总量较小时这一缺陷表现的更为明显。,为了克服这一缺陷，将这一指标限制在烃类气体总量达到,5010,-6,以上时再使用。另外，大量研究结果表明：煤样温度在达到,100 ,以后，高阶烃类气体才开始大量产生。因此，烃指数用于煤自燃预测预报的及时性有待进一步研究。,烃指数指标的应用,烃指数,R,1,对应的煤体状态,050,正 常,50100,煤矿井下可能存在高温火源点,100,井下存在高温火源点,指标的优用,气体分析法,灵敏性,煤矿井下一旦有发生煤炭自燃的趋势，或煤温超过一定值该指标就会发生明显变化，且随煤温的升高变化趋势稳定。,规律性,同一煤层或采区的煤在热解时产生指标所涉及气体的初始温度基本相同或差别不大，生成量与煤温有较好的对应关系，且重复性较好。,可测性,现有的仪器设备能够及时检测到指标所涉及气体的产生和变化，且方便准确。,原则,指标的优用,气体分析法,各国煤自燃发火预测预报的指标体系,国 家,预测预报指标,主要指标,辅助指标,中国,CO,、,C,2,H,4,、,C,2,H,2,CO/O,2,、,C,2,H,6,/CH,4,波兰,CO,CO/O,2,俄罗斯,CO,C,2,H,6,/CH,4,美国,CO,CO/O,2,英国,CO,、,C,2,H,4,CO/O,2,印度,CO,、,CO/O,2,CO,2,/O,2,、,C/H,日本,CO,、,C,2,H,4,CO/O,2,、,C,2,H,6,/CH,4,德国,CO,CO/O,2,法国,CO,CO/O,2,国内采用的是以,CO,、,C,2,H,4,、,C,2,H,2,等为主的综合预测预报指标体系,气体分析法在煤矿现场的广泛应用，对煤炭自燃灾害的防治工作起到了一定的积极作用。,局限性：,由于气体分析法主要通过分析煤矿井下气体成分及其浓度变化实现煤自燃的预测预报，而井下风流及复杂的环境不可避免的对这些参数的测定造成较大的影响，加之当前监测技术手段的限制，误报或延迟报警现象经常出现。这是目前气体分析法急需解决的问题，也是当前煤自燃防治领域的主要研究课题之一。,解决方案：,针对气体分析法应用过程中存在的问题，近年来国内相关研究人员提出了气体吸附浓缩技术，认为通过对井下气体进行吸附与浓缩，能够提高气体监测的灵敏度，达到提前预报的目的，并增强预测预报的及时性和可信度。相应实验数据表明：通过吸附与浓缩，,C2H4,的检出温度由之前的,100,以上降低到,50,左右。,指标的优用,气体分析法,煤自燃指标气体的吸附浓缩检测技术及装置,系统,低温吸附装置,检测器,高温解吸装置,气体分析法,采用气体浓缩技术，提高煤自燃微量指标气体检出精度，实现自燃的早期预报。该气体检测精度比现有技术提高,12,个数量级,微量有机气体浓缩检测原理图,气体分析法,煤自燃指标气体的吸附浓缩,未浓缩分析结果,:,气体分析法,煤自燃指标气体的吸附浓缩,浓缩后分析结果,:,气体分析法,煤自燃指标气体的吸附浓缩,对比煤升温过程中吸附浓缩前后气体组分可知，经,吸附浓缩,后，相同温度下可检测到的组分数增多，且各组分气体检出的,初始温度,大幅降低，如乙烯从未浓缩前的,110,降至,50,，丙烯从,170,降至,80,。,可见，吸附浓缩效果明显，使检测出指标气体的初始温度,平均提前,了,6090,左右，并提高了各组分气体检测的,灵敏度,，尤其是对低浓度气体效果显著。,气体分析法,煤自燃指标气体的吸附浓缩,在,1987,年坎伯兰矿并发生的火灾中，一个取样孔中,CO,浓度在连续几天低于,5ppm,后突然增加到,50,至,200ppm,，,是火势发展了吗,?,经分析，原来是由于取样泵的电动机位于上风侧而取样管漏气吸收了电机的废气所致。因此，验证气样的可靠性十分重要。,气样的可靠性判断,气体分析法,气体浓度变化趋势,特里克特比率（,Tr,）：,可靠性判断方法：,气样的可靠性判断,气体分析法,应用气体浓度变化趋势判断气样的可靠性需要建立在操作者具备丰富防火经验和全面掌握煤矿井下情况的基础上，充分考虑各种因素之后才可作出舍弃某个气样分析结果的决定，防止误判而错失采取有效防火措施的最佳时机。,一般来说，只要煤矿井下环境不发生剧烈的变化，如爆炸、巷道严重垮塌、防火墙被破坏造成积水或空气的流入流出、大气压力急剧变化引起大量新鲜空气或,CO2,、,CH4,流入等，井下气体组分的变化趋势应该是和缓平滑的。,气样采集、分析完成后，若分析结果与该气体的整体变化趋势很不一致，则应考虑舍弃该气样的分析结果。,气体浓度变化趋势,气样的可靠性判断,气体分析法,特里克特比率（,Tr,）：,一般来说，煤炭自燃产生的气体浓度之间存在一定的比例，特里克特比率（,Tricketts Ratio,）,Tr,即是利用这种比例对气样结果进行分析筛选的，是判断气样可靠性的有效工具。特里克特比率的数学表达式如下：,将气样的分析结果代入上述公式进行计算，根据计算结果即可对气样的可靠性进行分析并作出取舍。,对于煤自燃来说，当,Tr,值大于,1.0,时，则说明该气样值得怀疑，应综合分析现场情况后再对其做出取舍；而当气样分析得到的,Tr,值大于,1.6,时，则意味着气样因某种因素的干扰而失去使用价值，应予以舍弃。通过分析气样的可靠性，可以帮助决策者减少误判。,我国指标气体优选方法,我国指标气体优选方法,我国指标气体优选方法,我国指标气体优选方法,地面分析型束管监测系统,井下分析型束管监测系统,矿井火灾多参数色谱监测系统,连续监测系统,人工取样分析,20,世纪,70,年代以前，煤矿现场大多采用人工取样方式进行分析。作为传统的取样方式，人工取样方式目前应用依然十分广泛。人工取样分析方法投资少、简单易行、适用性强，但存在工作量大、间隔时间长、无法实时连续监测等不足。,自动取样分析,20,世纪,80,年代，煤矿开始普及气相色谱分析法，并研制成功了束管监测系统，同时煤矿安全监测系统在同期也得到了较快地发展，实现了取样分析工作的自动化。,煤炭自燃指标气体的采样分析方式有两种：,地面分析型束管监测系统,发展沿革,20,世纪,70,年代，英国开始将束管监测系统用于煤矿井下火灾的早期预测预报，并取得了较好的效果,1981,年，平庄古山矿建成了国内第一个束管监测系统，此后束管监测系统逐渐在枣庄柴里矿、兖州南屯矿等矿井得到了推广应用,早期的束管监测系统仅能分析,CO,、,N,2,、,CO,2,、,CH,4,等气体成分，且分析,精度较低；近年来，束管监测系统得到了很大的改进，能够对,O,2,、,N,2,、,CO,、,CH,4,、,CO,2,、,H,2,、,C,2,H,4,、,C,2,H,6,、,C,3,H,8,、,C,2,H,2,等多种气体成分,进行分析，精度也得到了很大的提高。,地面分析型束管监测系统,系统组成,该系统通过束管将监测点气体取样到地面进行分析，根据分析结果对煤自然发火的发展阶段作出判断,组成：,采样系统：,由抽气泵和管路组成,控制装置：,主要由三通实现对井下多个取样点进行巡回取样,气样分析 ：,一般采用气相色谱仪对气样进行分析,数据贮存、显示和报警 ：,分析仪器输出的模拟信号可用图形显示，采用记录仪对数据进行记录或采用计算机对数据进行贮存，必要时也可对数据表进行打印。当监测结果超过临界指标时可进行声光报警。,图,14,地面分析型束管监测系统示意图,地面分析型束管监测系统,束管敷设和监测点的布置,束管敷设的要求主要有,：,巷道内的束管敷设高度一般不低于,1.8 m,，束管用吊台挂钩吊挂；,束管的敷设应平、直、稳；,束管管线与动力电缆线路之间的距离一般应不小于,0.5 m,，同时要避免同其它管线交叉；,束管入口处必须安设滤尘器；,整条束管一般至少要安设,3,个贮,/,放水器。,束管敷设和监测点的布置,束管监测点的布置应满足以下原则,：,总回风道和集中回风道应设置监测点，监测点应选择围岩稳定、前后,5 m,范围内无分支巷道并靠近巷道末端的位置，监测点应设置在距巷道顶板,0.5 m,处的巷道中心线上；,超过煤层自然发火期的分层工作面的监测点，应设在上分层回风侧的停采线处；回采巷道在上分层出现过高温点的地方，要靠顶板设监测点；,各分层巷道有通风设施时应在该设施回风侧,1 m,的顶板上设点；,采区内的丢煤处，巷道内错、外错，丢顶煤，留三角煤，分层巷道的盲巷及溜煤眼上方均应设置监测点；,采掘工作面有明显升温征兆的区域必须设监测点；,火区密闭必须设监测点；,测点应布置在高负压区，从全负压角度考虑，只要漏风风流经过易自然发火处，则负压最高处最容易反映煤自然发火隐患处的真实情况；,测点处应能够有效排除炮烟的影响，井下放炮产生的炮烟中含有大量的,CO,，若其流经测点，则会对监测结果造成很大的影响；,测点处应具有恒定的漏风量，防止风流变化对气体的分析造成影响。,地面分析型束管监测系统,防堵、防漏和防冻,堵塞的主要原因：,矿尘和冷凝水的积聚 ；,解决方法：,应在井下取样点进气口、传感器或分析器气样入口等处安设粉尘过滤。从吸气口至井底的束管管路中还需设置吸湿器，安装数量应根据吸气口和束管沿途的温度差而定，一般不能少于,3,个。,漏气的主要原因：,束管接头和抽气负压的影响 ；,解决方法：,束管与束管间可用直径为,10 mm,的铜管联接，所有接口均用环氧树脂封闭。,防冻：,还应采取措施防止从钻孔到分析室的束管因冬季地面气温低造成结露冻结,地面分析型束管监测系统,技术参数,目前所采用的分析方式一般为负压采样、色谱分析，可实现监测区域的,24,小时连续监控或人工设定监测时间。其技术参数如表：,指标,技术参数,控制束管监测路数,1260,路且可进行扩充,井下最大采样距离,30 km,分析气体成分,CO,、,CH,4,、,CO,2,、,C,2,H,4,、,C,2,H,6,、,C,2,H,2,、,O,2,、,N,2,等,分析精度,常量分析：,O.1%,；微量分析：,110-,6,系统误差,1.5%,地面分析型束监测管系统的主要技术参数,地面分析型束管监测系统,存在问题,束管管线较长、维护工作量大,气体从井下传输至地面的过程中，由于管路较长且中间存在接头，加之煤矿井下环境恶劣，管路漏气或管路堵塞现象经常发生，若不能及时发现并排除故障，将会导致错误的分析结果,相关仪器的稳定性、可靠性也有待进一步提高,基于以上原因，一些已经安装了束管监测系统的煤矿，并不能正常使用，而仍采用人工采样分析的方法对易发火地点进行监测。,一般来说，由于新建矿井束管系统管路相对较短，地面分析型束管监测系统的适用性更强些。,井下分析型束管监测系统,该系统是将地面分析单元置于距监测地点较近的井下硐室，分析单元在井下直接分析束管所采集的气样，再将分析结果以电信号的形式传输到地面中心站进行集中监测，从而实现煤自燃的早期预测预报。该系统每套井下分站可实现对井下多个监测地点取气样进行分析，可对,CH,4,、,CO,、,O,2,等指标气体进行实时监测,井下分析型束管监测系统的主要技术参数,指 标,技术参数,监测分站,每套地面分站可连接,5,套井下分站，每套井下分站可对,8,个监测地点进行取样分析,取样距离,10 km,分析气体成分,CO,、,CH,4,、,O,2,井下分析型束管监测系统,优点：,该系统气样采集管路较短，克服了地面分析型束管监测系统容易漏,气的缺点；,抽气管路不经过井筒，维护简单；,监测数据通过通讯电缆进行传输，能够比较准确地将井下的气体分,析结果传输给地面监测站,；,存在问题：,需要敷设大量的专用电缆线路，初期投入较大；,现有气体传感器在稳定性、灵敏度和使用寿命等方面尚有不尽人意,的地方，,价格相对比较昂贵，种类相对偏少,矿井火灾多参数色谱监测系统,系统组成：,自动取样器、专用色谱分析仪、数据处理工作站以及束管采样,自动取样器,：,有,12,路束管接口，通过对自动取样器的控制可