煤自燃监测预警及主动防控-王振平
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1、个人简介 王振平 西安科技大学教授,矿业工程博士,主要从事矿井通风安全研究,拥有32年的现场工作经验。享受国务院“政府特殊津贴”、陕西省百人计划特聘专家、山东省泰山产业创新人才、山东省有突出贡献的中青年专家。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖30余项、国家发明专利20余项、山东省发明专利金奖1项。第五届国家安全生产专家组成员,中国煤炭工业安全科学技术学会矿井降温专业委员会副主任委员。目 录1 煤自燃火灾主动防控的背景2 煤自燃火灾主动防控的思路3 煤自然发火机理和过程4 煤自燃危险区域判定技术5 煤自燃分级预警和监测6 煤火灾害主动防控技术和方法7 典型案例8 关键技术小结9 本次规程
2、拟修改的相关条款l1996年至98年,阳泉局火灾封闭综放面4个,冻结煤量近400万吨。l2002年2月28日,阜新市三道壕煤矿发生火灾事故,21人死亡;l2002年5月23日,黑龙江宝清县煤矿发生火灾,17人死亡;l2003年10月,白芨沟矿采空区自燃引起瓦斯爆炸,损失2亿多元;l 2013年3月29日,吉林省八宝煤矿火灾事故,36+17人死亡(4月1日17人)。矿井火灾的危火灾严重威胁着矿井安全生产,烧毁煤炭资源和矿井设备,造成工作面和矿井封闭与停产,还可能引起瓦斯、煤尘、水煤气爆炸或火烟毒化矿井,酿成人员伤亡的重大恶性事故。害1 煤自燃火灾主动防控的背景习近平总书记对安全生产的重要指示 两
3、个至上:人民至上、生命至上 发展决不能以牺牲人的生命为代价,要把“两个至上”作为抓安全生产的根本价值遵循。两个根本:从根本上消除事故隐患、从根本上解决问题 做好安全生产工作,要从“两个根本”出发,采取治本措施。必须杜绝矿井自燃发火,真正做到预防为主,将消除自燃隐患作为工作的出发点,进一步“关口前移”。煤矿安全生产形势1 煤自燃火灾主动防控的背景1)位置和范围2)自燃程度3)发火时间4)主动防控措施2 煤自燃火灾主动防控思路防治思路总体思路:由被动治理主动预防转变 建立预防为主、早期预报、应急处置三道防线 煤自燃机理和过程 煤自燃是煤和氧自发反应放热所致。其形成和发展是自发的、缓慢的、动态变化的
4、放热、聚热、升温,最终引起燃烧的过程。热物理过程;流体和渗流力学过程;化学反应过程。3 煤自然发火机理和过程时间温度潜伏期(准备期)临界温度 6080着火温度 210350;320380;400自热期 燃烧期煤氧化自热/自燃过程曲线示意图风化 在条件合适时,任何一种煤都会自燃,只是其自燃性强弱不同。1)松散煤体堆积煤体;2)氧气的供给氧气;3)存在蓄热环境温度;4)达到一定的时间时间。一定量的松散煤体、适宜的漏风供氧、良好的蓄热环境,最易发生煤层自燃。3 煤自然发火机理和过程煤自燃条件内在因素1)变质程度2)矿物质3)水份4)灰份5)煤岩成份外在因素1)浮煤堆积量2)初始煤温3)漏风强度4)氧
5、气浓度5)粒度开采因素1)煤层地质条件2)开拓方式3)开采方式4)通风方式5)采空区管理容易自燃(中低变质煤):褐煤、不粘煤、弱粘煤、长焰煤、气煤;发火期3个月;自燃(中变质煤):肥煤、焦煤;发火期6个月。3 煤自然发火机理和过程煤自燃影响因素3 煤自然发火机理和过程煤自燃影响因素第二百六十条 煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃、不易自燃类。新设计矿井应当将所有煤层的自燃倾向性鉴定结果报省级煤炭行业管理部门及省级煤矿安全监察机构。生产矿井延深新水平时,必须对所有煤层的自燃倾向性进行鉴定。开采容易自燃和自燃煤层的矿井,必须编制矿井防灭火专项设计,采取综合预防煤层自然发火的措施。“规程”没有考虑煤自
6、燃的外在因素和开采因素,没有对开采不易自燃煤层矿井的防灭火措施作出规定。1)火源隐蔽,不易寻找和发现。2)贫氧、自发氧化放热;与温度和氧浓度成正比。3)内部燃烧、立体分布、蓄热量大;散热环境差,降低能量难,易复燃。4)火区呼吸作用和温差热循环供氧;窒息周期长。5)产生有毒有害气体。位置隐蔽贫氧氧化自发产热潜伏期长煤火灾害特点3 煤自然发火机理和过程1)密闭墙、风门周边煤体破碎,漏风供氧好,易自燃;2)巷道顶煤松散最易发生自燃;3)采空区“两道两线”丢煤量大,漏风通道畅,易自燃;4)顺槽锚网支护强度大,采空区两端不易跨落,漏风严重;5)邻近采空区二次/多次氧化,自燃危险性大;6)采空区瓦斯抽采增
7、大漏风;7)瓦斯燃烧和爆炸促进煤层火灾的发展。3 煤自然发火机理和过程矿井煤火灾害特点实验炉体温度巡检系统气体检测系统 内径2.8m,装煤高度2.2m;外径3.8m,总高度3.3m;最大装煤体积13.5m3,最大装煤量15t。研究分析松散煤体自然升温、绝氧降温与供风复燃的特性及规律 测点分布:层间0.2m,径向0.2m,12层;测温46个;取气24个。测点分布图3 煤自然发火机理和过程煤自然发火全过程实验模拟0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38020406080100120140160180供 风 时 间(d)23d:75
8、(临界温度)34d:105(干裂温度)38d:150(活性温度)38.2d:477.5 100,34d最高煤温与供风时间关系曲线 自然发火 2002年10月14日,采集南屯矿煤样15t装入实验炉,送入空气,煤温从30.9自然升至477.5,历时38d。3 煤自然发火机理和过程煤自然发火全过程实验模拟自然升温速度与煤温及供风量的关系曲线0 50 100 150 200 250 300 350 400 450048121620242832364044煤 温()升温速度(/h)4.6m3/h3.6m3/h10.0m3/h20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200.000
9、.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60煤 温()1.5m3/h0.6m3/h3.6m3/h3 煤自然发火机理和过程煤自燃发火全过程实验模拟炉内煤温分布随时间(煤温和风量)的变化3 煤自然发火机理和过程煤自燃发火全过程实验模拟a):1d,T:31.3,h:1.4m,r:0.0m b):28d,T:86.7,h:0.6m,r:0.0mc):32d,T:99.9,h:0.2m,r:0.0m d):36d,T:146.3,h:0.0m,r:1.4m02040608010012014016018020022024026028030032034036
10、03804001 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61自 然 升 温绝 氧 降 温供 风 复 燃煤温时间d自然发火实验炉内最高煤温随时间的变化曲线 绝氧降温与供风复燃煤样:龙口,15t;时间:2003.4.26.1;自然发火(35d):22312;绝氧降温(22d):31267;供风复燃(4d):67527;3 煤自然发火机理和过程煤自燃发火全过程实验模拟宏观参数1)一定厚度的松散煤体;2)有长期固定的漏风供氧条件。比如:巷道顶部有一定厚度的松散煤体;采空区密闭
11、不严,长期漏风;采空区瓦斯抽采,抽采钻孔、管路O2浓度高;采煤工作面推进缓慢;工作面停采撤架时间长。煤自燃特性参数4 煤自燃危险区域判定技术1)煤的自然发火期;2)煤的放热强度、耗氧速度、气体产生率;3)煤自燃极限参数:最小浮煤厚度;下限氧浓度;最大漏风强度;4)特征温度:临界温度(75);干裂温度(105);活性温度(150);5)煤温与标志气体的关系:出现温度;浓度;浓度变化率;浓度比值容易自燃煤层 自燃煤层 不易自燃煤层下限氧浓度(常温30)1011%1213%1415%下限氧浓度(临界温度)67%78%89%下限氧浓度(150)23%34%45%最小浮煤厚度/m 0.50.6 0.70
12、.8 0.91.04 煤自燃危险区域判定技术煤自燃特性参数和极限参数 松散煤体自燃须具备能够使散热量小于放热量的环境,即:足够的浮煤厚度、合适的漏风强度、氧浓度和粒度,以及充分的氧化时间。采空区自燃危险区域的静态划分示意图 4 煤自燃危险区域判定技术煤自燃危险区域判定方法10414面火区控制与治理 4 煤自燃危险区域判定技术煤火源位置判定第261条 开采容易自燃和自燃煤层时,必须开展自然发火监测工作,建立自然发火监测系统,确定煤层自然发火标志气体及临界值,健全自然发火预测预报及管理制度。第265条 当井下发现自然发火征兆时,必须停止作业,立即采取有效措施处理。在发火征兆不能得到有效控制时,必须
13、撤出人员,封闭危险区域。第275条 任何人发现井下火灾时,应当视火灾性质、灾区通风和瓦斯情况,立即采取一切可能的方法直接灭火,控制火势,并迅速报告矿调度室。l 根据矿井实际情况,制定预报预警指标。5 煤自燃分级预警和监测规程的相关要求第279条 封闭的火区,只有经取样化验证实火已熄灭后,方可启封或者注销。火区同时具备下列条件时,方可认为火已熄灭:(一)火区内的空气温度下降到30以下,或者与火灾发生前该区的日常空气温度相同。(二)火区内空气中的氧气浓度降到5%以下。(三)火区内空气中不含有乙烯、乙炔,一氧化碳浓度在封闭期间内逐渐下降,并稳定在0.001%以下。(四)火区的出水温度低于25,或者与
14、火灾发生前该区的日常出水温度相同。(五)上述项指标持续稳定个月以上。5 煤自燃分级预警和监测规程的相关要求煤自燃七阶段精细划分方法5 煤自燃分级预警和监测煤自燃过程精细划分直接法:测温法(热传导差)间接法:指标气体分析法(飘移性好)指标气体:O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2和H2标志气体:CO、C2H4、C2H2预警指标:1)出现温度;2)气体浓度;3)浓度变化率;4)气体浓度比值(不受采样位置和风量影响)。5 煤自燃分级预警和监测自燃程度判定指标1)监测手段:人工检测;安全监控;色谱仪;束管监测。2)监测位置:能够反映自燃危险区域指标气体变化的监测点。回风流
15、:固定点(安全监控);回风隅角和架间:随工作面移动(人工检测);采空区:相对固定,采空区O218%的地点(束管监测)。3)数据分析:监测(仪器)手段可靠性;标志气体指标相关性;根据氧气浓度确定数据有效性,提取有效数据,分析气体成份及浓度变化情况。5 煤自燃分级预警和监测现场气体监测和分析方法指导思想:超前预防;高效、适用、经济、便捷。整体/局部;静态/动态。主动预防:减氧抑温/固水抑温 降低氧化强度:减漏风、降氧气;减少固定氧化时间:少静态、多动态;固水抑温:预防性灌浆。预防技术:堵漏+降氧/抑温。较轻松、风险低。控制技术:控风+隔离。有捷径、存风险。熄灭技术:充填+降温。无捷径、难度大。6
16、煤火灾害主动防控技术和方法指导思想控制方向减氧抑温(减少煤体氧化;控制供氧和减少氧化时间-封、堵、均压、注惰气,加快推进速度、加快采后封闭等)吸热降温(热容大的煤体向温度低的物质转移能量-注浆、注 凝胶、注液氮、注液态CO2等)包裹煤体(隔绝煤氧-注浆、注凝胶等)6 煤火灾害主动防控技术和方法6 煤火灾害主动防控技术和方法控制方向松散煤体 巷道顶煤、压酥煤柱-喷浆+注凝胶;采空区浮煤-注浆、注凝胶漏风供氧 老空区-可靠的密闭+均压+注氮;工作面后部采空区加快推进速度+注氮+隔离垛 煤火灾害形成要素:煤、氧气、温度、时间控制遗煤:提高回采率、减少断层丢煤等。减氧抑温:封闭、喷涂或充填堵漏、均压、
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- 自燃 监测 预警 主动 王振平
