1、矿井火灾矿井火灾 中国矿业大学(北京)中国矿业大学(北京)李成武李成武 研究员研究员 博士生导师博士生导师第十章 火灾防治第一节 概述1第二节 外因火灾及其预防2第三节 煤炭自燃理论基础3第四节 火灾预测与预报4第六节 灌浆与阻化剂防灭火6第八节 惰气防灭火8第九节 火灾时期通风9第七节 均压防灭火7第五节 开采技术防火措施5第十节 矿井火灾处理与控制10第一节 概述n火灾与矿井(煤田)火灾的概念q火灾火灾违背人们意愿而发生的非控制性燃烧。q矿井(煤田)火灾矿井(煤田)火灾在矿井或煤田范围内发生,威胁安全生产、造成一定的资源和经济损失或者人员伤亡的燃烧事故。第一节 概述n火灾的类型及其特性q按
2、引火原因分类:内因火灾、外因火灾内因火灾、外因火灾q消防分类(根据物质及其燃烧特性):nA类火灾煤炭、木材、橡胶、棉、毛、麻等含碳固体可燃物含碳固体可燃物质燃烧nB类火灾指汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醇、丙酮等可燃液体可燃液体燃烧nC类火灾指煤气、天然气、甲烷、乙炔、氢气等和可燃气体可燃气体燃烧nD类火灾像钠、钾、镁等可燃金属燃烧可燃金属燃烧形成的火灾(火源温度高)q其他分类方法按火源特性分为原生火灾与再生火灾;按火源产生的位置分为井上火灾和井下火灾。第一节 概述n防灭火研究的内容“一个目标三个问题”一个目标一个目标:防止矿井火灾发生,对于已发生的火灾要防止 其扩大并最大限度地减少火灾中的人员伤
3、亡和经济损失。三个问题三个问题:1)火灾是如何发生的?2)如何防止火灾发生?3)火灾发生后如何进行及时而有效地控制和 处理?第二节 外因火灾及其预防n物质燃烧的充要条件q必要条件n有充足的可燃物n有助燃物存在n具有一定温度和能量的火源q充分条件n燃烧的三个必要条件同时存在,相互作用n可燃物的温度达到燃点,生成热量大于散发热量煤矿常见外因火源:1)电能热源 2)摩擦热 3)违规爆破 4)液压联轴器喷油着火 5)明火第二节 外因火灾及其预防n外因火灾的预防q我国的消防方针“预防为主,消防结合”q防火对策“3E”3E”n技术(Engineering)对策q灾前:防止起火;防止已发生的火灾扩大q灾后:
4、报警;控制;灭火;避难n教育(Education)对策包括知识、技术和态度三方面n管理(法制Enforcement)对策第二节 外因火灾及其预防n预防外因火灾的技术措施q防止火灾产生防止火灾产生n防止失控的高温热源产生和存在n尽量不用或少用可燃材料,使用时与潜在的热源保持安全距离n防止产生机电火灾n防止摩擦引燃:1)防止胶带摩擦起火;2)防止摩擦引燃瓦斯n防止高温热源和火花与可燃物相互作用q防止火灾蔓延防止火灾蔓延n在适当的位置建造防火门,防止火灾事故扩大n每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库n每一个矿井都必须在地面设置消防水池,在井下设置消防管路系统n主要通风机必须具有反风系统,反风设置,
5、并保持其状态良好第三节 煤炭自燃理论基础n煤炭自燃机理煤炭自燃机理煤的自燃是氧化过程自身加速发展的结果n煤的氧化特性煤的氧化特性煤的氧化规律煤的氧化规律q1)所有品种煤在常温下都吸氧,但吸氧速度不同,取 决于煤的分子结构和物理化学性质q2)煤的吸氧速度与所在空气中的氧浓度成正比q3)在温度不变条件下,吸氧速度常数随时间按指数规 律衰减q4)吸氧速度常数与煤自身温度之间符合幂函数关系q5)煤在氮气中加热后再冷却可以使它的活性增加,并 有重新恢复 到原有活性的可能q6)吸氧速度常数与粒度之间成复杂关系第三节 煤炭自燃理论基础n自燃发火与自燃发火期自燃发火与自燃发火期q自燃发火:有自燃倾向煤层被开采
6、破碎后在常温下与空气接触,发生氧化,产生热量使其温度升高,出现发火和冒烟的现象。q 1、煤炭自燃出现明火、火炭和烟雾现象;q 2、由于煤体自热而使煤体、围岩或空气温度升高至70以上;q 3、由于煤炭自热而分解出CO、C2H4或其他指标气体,在空气中的浓度超过预测指标并呈逐渐上升趋势。q煤层自燃发火期:从煤层被开采破碎、接触空气之日起,至出现上述定义的自燃现象或温度上升到自燃点为止,所经历的时间。煤层自燃发火期取决于煤的内部结构和物理化学性质、被开采破坏后的堆积状态参数、裂隙或空隙度、通风供氧、蓄热和散热等外部环境因素。第三节 煤炭自燃理论基础n煤炭自燃充分必要条件煤炭自燃充分必要条件q有自燃倾
7、向性的煤被开采后呈破碎状态,堆积厚度大于0.4mq有较好的蓄热条件q有适量的通风供氧,氧浓度大于15%时,煤炭氧化方可较快进行q上述三个条件共存的时间大于煤的自燃发火期第三节 煤炭自燃理论基础n影响煤炭自燃发火的因素自燃性能自燃性能1)煤分子结构2)煤化程度3)煤岩成分4)瓦斯含量5)水分6)煤中硫和其 他矿物质开采技术开采技术1)矿井开拓方 式和采区巷 道布置2)回采方法和 回采工艺采空区自燃采空区自燃1)采空区三带划分确定自燃带2)工作面推进速度和自燃带最大宽度漏风漏风1)提供氧气,促进煤氧化2)带走热量,抑制氧化地质因素地质因素1)倾角2)煤层厚度3)地质构造4)开采深度第三节 煤炭自燃
8、理论基础n煤的自燃过程及其特点潜伏期自热阶段燃烧阶段熄灭图中虚线为风华进程线,潜伏期与自热期之和为煤的自燃发火期。第四节 火灾预测与预报n预测方法q实验室确定自燃倾向等级q根据已有资料确定自燃发火期n煤层自燃倾向的鉴定方法双气路气相色谱仪吸氧鉴定法n自燃发火期的估算及其延长途径q估算方法:1)统计比较法 2)类比法q延长途径:1)减小煤的氧化速度和氧化生热 2)增加散热强度,降低温升速度第四节 火灾预测与预报n外因火灾预测Your Text调查可燃物调查可燃物划分危险区划分危险区调查火源调查火源第四节 火灾预测与预报n火灾的预报q依靠人的生理感觉预报,包括嗅觉、视觉和感(触)觉。q气体成分分析
9、法n指标气体及临界指标具备条件:灵敏性、规律性和可测性n常用指标气体q一氧化碳qGraham系数q乙烯q其他COI22265.01001002ONCOCOCOCCCCOCI第四节 火灾预测与预报n采样点设置原则q已封闭火区的出风侧密闭墙内,入墙1m以上q有发火危险的工作面的回风巷内q潜在火源的下风侧,距离火源适当q温度测点在传感器有效范围之内q测点随采场变化和火情变化而调整第四节 火灾预测与预报n连续自动检测系统q束管系统(图10-4-2)n采样系统n控制装置n气样分析n数据贮存、显示和报警q矿井火灾监测与监控第五节 开采技术防火措施n自燃火源的分布规律自燃火源的分布规律q采空区采空区q煤柱煤
10、柱q巷道顶煤巷道顶煤q断层和地质构造附近断层和地质构造附近n开拓开采技术防火开拓开采技术防火q要求:要求:1)提高回采率)提高回采率2)消除自燃供氧条件)消除自燃供氧条件3)控制风量和限制时间)控制风量和限制时间q措施措施n合理布置巷道合理布置巷道1)服务时间长的巷道采用岩石,在煤层中采用宽煤柱护巷(图)服务时间长的巷道采用岩石,在煤层中采用宽煤柱护巷(图10-5-1)2)区段巷道分采分掘(图)区段巷道分采分掘(图10-5-2、3)3)推广无煤柱开采技术)推广无煤柱开采技术n提高回采率,加快回采速度提高回采率,加快回采速度n合理化通风系统合理化通风系统n坚持自上而下的开采顺序坚持自上而下的开采
11、顺序n防止上下采空区联通防止上下采空区联通第五节 开采技术防火措施第六节 灌浆与阻化剂防灭火n灌浆防火q机理:抑制煤低温时的氧化速度,延长自燃发火期q系统:制浆、输浆和灌浆n浆液制备q性能要求:浓度适当,渗透能力强q浆材选取:1)不含或少含可燃和自燃物质 2)不含催化剂 3)粒度不大于2mm 4)相对密度为2.52.6 5)浓度为25%30%6)塑性指数911q制备工艺:自然成浆图(10-6-1)和人工制浆(10-6-2、3、4)n浆液输送q压力(分为静压、加压输送)和倍线(在38之间)q采用临界管径管道和钻孔替代干管第六节 灌浆与阻化剂防灭火第六节 灌浆与阻化剂防灭火第六节 灌浆与阻化剂防灭
12、火第六节 灌浆与阻化剂防灭火第六节 灌浆与阻化剂防灭火q灌浆防火方法:n预防性:采前预灌、随采随灌和菜后注浆n目前采用:1)钻孔灌浆 2)埋管灌浆 3)工作面撒浆4)综采工作面插管灌浆第六节 灌浆与阻化剂防灭火n阻化剂防灭火q评价指标及其影响因素n阻化率:n阻化寿命:q选择目前常用:氧化钙、氯化镁、氯化铵及水玻璃等q防火工艺n主要方法:表面喷洒、压入煤煤体和雾化喷射 n处理高温和灭火:打钻圈定范围,逐步压注溶液降温%/B-A100E,AVE/第七节 均压防灭火n调压设施均压防灭火的原理q调节风窗调压的原理(图10-7-1)第七节 均压防灭火n调压设施均压防灭火的原理q风压调节的原理(图10-7
13、-2)第七节 均压防灭火n调压设施均压防灭火的原理q风窗-风机联合调压原理(图10-7-3)第七节 均压防灭火n生产工作面采空区自燃火源或高温点的调压处理q并联漏风(图10-7-4)n火源或高温点处于自燃带II(图10-3-1)中后部时,降低漏风压差:1)在工作面进风或回风中安设调节风窗或稍稍开启与工作面并联风路中的风门d;2)在工作面下端设风障或挂风帘n高温点位于自燃带的前部或工作面的下部采空区时,也采用在工作面下端挂风帘第七节 均压防灭火n生产工作面采空区自燃火源或高温点的调压处理q角联漏风(图10-7-5)n角联漏风采空区内有部分漏风与其他风巷发生联系n调压:在风路中适当位置安装风门和风
14、机等调压装置,降低漏风源的压能,提高漏风汇的压能。第七节 均压防灭火n调压气室-连通管调压防灭火的原理与应用q双调压气室-连通管调压原理n布置方式(图10-7-8)n调压原理:辅助密闭墙增加火区的漏风风阻,降低火区的漏风风差;连通管与火区并联,起到并联分风和降压的作用。n火区动态观察(图10-7-9)第七节 均压防灭火n调压气室-连通管调压防灭火的原理与应用q单调压气室-连通管调压原理n布置方式(图10-7-10)n调压原理:n火区动态观测(图10-7-11)ABDAMTRRRR第七节 均压防灭火n调整通风系统调节漏风压差q调整通风系统的原则n增加火区或采空区的并联风路;或减少火区并联分支的风
15、阻或风量n增加火区所在分支或其漏风流经路线上其他分支的风阻;在非漏风流经的路线上减阻n当火区的漏风源漏风汇分别处于进回风井附近时,应设法降低主要通风机负压n降低火区漏风源的压能,增加其漏风汇的压能第七节 均压防灭火n调整通风系统调节漏风压差q通风构筑物的合理位置n若在有并联漏风的风路上设置风窗等增阻型通风构筑物时,其位置不应选择在漏风的源与汇之间(图10-7-12)第七节 均压防灭火n调整通风系统调节漏风压差q通风构筑物的合理位置n在有漏风源或漏风汇附近的风路上安设增阻型通风构筑物时,应将其设在漏风源的上风侧,或漏风汇的下风侧(图10-7-13)第七节 均压防灭火n调整通风系统调节漏风压差q通
16、风构筑物的合理位置n风门、调节风门和密闭墙等控制风流的设施设置后,应使采空区或火区同处于进风或回风测,以降低其漏风压差。第八节 惰气防灭火n惰气系惰气系指不可燃气体或窒息性气体,主要包括氮气、二氧化碳以及燃料生成的烟气等n氮气防灭火q氮气防灭火原理:降低氧浓度,降温吸热及抑爆作用q制取和输送n制取工艺:一是深冷空分法;二是碳分子筛变压吸附法;三是膜分离法n输运困难:大型槽车运至井口,管道输送至井下q生产工作面采空区注氮防火n压管注氮n打钻注氮q注氮处理封闭火区n向封闭火区注氮,提高效果n定向注氮,目标惰化(图10-8-1)n提高效果的途径:适当增加密闭墙的气密性,限制漏风量;增大注氮强度和保持
17、注氮连续性;选择合适的注氮口位置第八节 惰气防灭火n湿式惰气灭火q湿式惰气燃料油与一定比例的空气混合在惰气发生装置内经充分燃烧后产生的烟气q原理烟气中基本上是惰性气体或不可燃气体,将其压入火区后,可起到惰化火区、窒息火源的作用;压入正在密闭的火区可起到阻爆作用。第九节 火灾时期通风n火风压及其计算方法q火风压:火灾时高温烟流流过巷道所在的回路中的自燃风压发生变化量(图10-9-1)q计算方法n火风压的特性q出现的位置:产生于烟流流过的有高差的倾斜或垂直巷道中q作用:相当于在高温烟流流过的风路上安设系列辅助通风机q作用方向总是向上mgmafZgH第九节 火灾时期通风n火灾时期风流紊乱规律及防治q
18、紊乱形式n旁侧支路风流逆转(图10-9-2)n主干风路烟流逆退(图10-9-3)n火烟滚退(图10-9-4)q紊乱原因、规律及防治n上行风路n下行风路n风流逆退的原因、规律及其防治第九节 火灾时期通风n火灾时期风流紊乱规律及防治n主干风路烟流逆退(图10-9-3)n火烟滚退(图10-9-4)第九节 火灾时期通风n灾变时期风流控制q维持正常通风,稳定风流适用条件:1)烟流范围大,人员分布广 2)网路复杂的高瓦斯矿井,采用其他制度有危险时 3)火源位于独头掘进巷道内,不能停运局部停风机 4)火源位于采区或主回风巷,维持原风向有利排烟 5)减少向火源供风抑制火势发展q停风机适用条件:1)火源位于进风
19、井口或进风井筒,不能进行反风 2)瓦斯浓度已超爆炸上限 3)主要通风机已成为通风阻力时q反风:全矿、区域和局部(图10-9-7)q风流短路火源位于矿井的主要进风系统,不能进行反风时,打开联络巷中的风门,使烟流短路,直接流入总回风减少流入采区烟流第九节 火灾时期通风n灾变时期风流控制q局部反风(图10-9-7)第十节 矿井火灾处理与控制n灭火原理灭火原理q灭火:破坏燃烧三个条件同时存在和消除燃烧三个灭火:破坏燃烧三个条件同时存在和消除燃烧三个条件(之一、之二或全部)的过程条件(之一、之二或全部)的过程q灭火实质:吧正在燃烧体系内的物质冷却,将其温灭火实质:吧正在燃烧体系内的物质冷却,将其温度降低
20、到燃点之下,使燃烧停止度降低到燃点之下,使燃烧停止q灭火原理:灭火原理:n冷却冷却n隔离和窒息隔离和窒息n稀释稀释n中断链反应中断链反应q灭火方法:直接灭火、隔离灭火和联合灭火灭火方法:直接灭火、隔离灭火和联合灭火第十节 矿井火灾处理与控制n直接灭火直接灭火q常用灭火剂及其使用方法n水水:包括水射流和水幕两种形式不宜扑灭:1)电气火灾;2)轻于水和不溶于水的液体和油类火灾;3)遇水能燃烧的物质火灾;4)精密仪器设备、贵重文物、档案等火灾;5)硫酸、硝酸和盐酸等火灾n泡沫:(图泡沫:(图10-10-1)q化学泡沫灭火剂q高倍空气泡沫灭火剂(图10-10-2)第十节 矿井火灾处理与控制n直接灭火直
21、接灭火q常用灭火剂及其使用方法n干粉干粉q常用灭火剂:钠盐干粉、氨基干粉和以磷酸盐为基料的干粉q原理q干粉灭火剂可以扑灭A、B、C、D类和电气火灾,常见灭火器有:灭火手雷(图10-10-3)喷粉灭火器(图10-10-4)n卤代烃灭火剂卤代烃灭火剂(图10-10-5)q用氟、氯、溴取代甲烷和乙烷中的氢而成n砂子和岩粉砂子和岩粉第十节 矿井火灾处理与控制第十节 矿井火灾处理与控制n直接灭火q消除可燃物:煤矿常用方法是挖除火源q用凝胶处理高温点和自燃火源n凝胶组成:基料(硅酸盐)+促凝剂(碳酸氢铵等盐类)+水(90%左右)n凝胶的性能指标q成胶时间:灭火或处理高温点3050s较好;堵漏防火510mi
22、n为宜q热稳定性:稳定性越好,防灭火效果越好q胶的强度:防火时3%6%,灭火时6%9%q灌浆灭火井下常用n方法:1)井下巷道打钻灌浆2)在火区密闭墙上插管灌浆3)地面钻孔灌浆n关键:判断火源位置第十节 矿井火灾处理与控制n隔绝灭火q密闭墙的结构和种类n临时密闭墙(图10-10-6、图10-10-7)n永久密闭墙(图10-10-8)n防爆密闭墙(图10-10-9)q密闭墙的位置选择:密、小、少、快密、小、少、快q封闭火区的顺序n先进后回n进回同时第十节 矿井火灾处理与控制临时密闭墙临时密闭墙第十节 矿井火灾处理与控制采煤工作面采煤工作面通风巷道通风巷道独头巷道独头巷道井口和井筒井口和井筒井下硐室井下硐室井底井底扑灭和控扑灭和控制不同地点火制不同地点火灾的方法灾的方法封闭火区封闭火区注惰注惰锁风锁风通风通风