滕东煤矿半孤岛工作面防灭火技术研究本科生毕业论文(编辑修改稿)

滕东煤矿半孤岛工作面防灭火技术研究本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

在 30～ 250℃的氧化行为进行研究后，指出当煤粒度 lmm 时氧化速率与 粒径无关，并认为孔径 100 埃 的孔在煤氧化中起主要作用 ； A. Kucuk[4]（ 2020)等通过 对土耳其褐煤实验研究，得出混合粒 度煤样的氧化速率大于单一粒度煤样的氧化速率。 （ 3)煤岩成分。 煤岩成分对煤的自燃倾向 性 表现出一定的影响，但不是决定性的因素。 煤岩成分一般分为丝煤、暗煤、亮煤和镜煤四种。 各种单一的 煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤 亮煤 暗煤 丝煤的顺序递减。 具有纤维构造而表面吸附能力很高的丝煤在常温下吸氧能力极强，着火点低（仅为 190～ 270℃），可以起到“引火物”的作用，含丝煤越多，自燃倾向性就越强。 镜煤与亮煤脆性大，易破碎，而且灰分小，在其次生的裂隙中常常充填有黄铁矿，开采中易碎为微细的颗粒，细微状的煤粒或黄 铁矿都有较高的自燃氧化性能，因此它的氧化接触面积大，着火温度较低，故镜煤与亮煤在丝煤吸附氧化升温的促使诱导下很容易自燃。 （ 4)煤中的瓦斯含量。 煤中瓦斯存在和放散影响吸氧和氧化过程进行，它类似用惰性气体稀释空气对氧化 发生的影响。 实验表明，吸氧仅发生在山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 9 煤中瓦斯含量小于某一数值的条件下，如果煤中含有较多的瓦斯，那么其吸氧减弱。 但也有人认为，煤吸附瓦斯与吸附氧的机理不同，因此影响不大。 若煤层中含有较多的瓦斯，由于瓦斯占据了煤的孔隙空间和内表面，降低了煤的吸氧量，所以其自燃危险性较小。 有的研究表明，当煤层中的剩余瓦 斯含量大于 5 tm3 时，自燃难以发生 ； 瓦斯涌出速度高时，很难发生煤的氧化，但是瓦斯涌出速 度小于 ～ hgml  时，瓦斯涌出对煤的氧化过程没有影响。 （ 5)水分。 煤中的水分是影响其氧化程度的重要因素，在煤的自热阶段，由于水分的生成和蒸发必然要消耗大量的热。 煤体中外在水分没有全部蒸发之前很难上升到 100℃，这就是水分大的煤炭难以自燃的原因。 但是，煤中的水分又能充填于煤体微小的孔隙中 ，把氮气、二氧化碳、甲烷等气体排除，当干燥以后对煤的吸附起活化作用。 水分的催化作用随煤温的增高而增大。 所以，地面煤堆在雨雪之后容易发生自燃，井下灌溉灭火，疏干之后自燃现象更为强烈。 另外，对于有黄铁矿的煤层，水分是促使黄铁矿分解不可缺少的条件。 从这方面看，水分 又有利于煤炭自燃的发生。 （ 6)煤中硫和其他矿物质。 煤中硫有三种存在方式：硫化铁即黄铁矿、有机硫以及硫酸盐。 对煤自燃起主导作用的是黄铁矿。 黄铁矿的比热容小，它与煤吸附相同的氧量而温度增值比煤大 3 倍。 黄铁矿在低温氧化 时产生硫酸铁以及硫酸亚铁，体积增大，使煤 体膨胀而变得松散，增大了氧化表面积而且其分解产物比煤的吸氧性更强，能将吸附的氧转让给煤粒使其发生氧化，在煤中含黄铁矿越多就越容易自燃。 我国许多高硫矿区如贵州的六枝，四川的芙蓉和中梁山，江西的萍乡、英岗岭，湖南的杨梅山均属于自燃比较严重的矿区。 统计资料表明，含硫大于 3%的煤层均为自燃发火的煤层，其中包括无烟煤。 山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 10 Herman (1994)综合使用 XRD， SEM， EDXA 和 Mossbauer 波谱等手段考察了煤中矿 物 质在低温氧化过程中的变化，指出含 Ca 矿物对煤的低温氧化起催 化 作用，还有的学者认为菱铁矿等含二价铁离 子的矿物对自燃也有较大影响，尤其是在 Co、 Mn 等离子的催化作用下，它们更容易氧化并有利于过氧化物的产生。 因此，煤中 物 质放热性的强弱与煤中无机矿物的成份、含量密切相关，也与氧含量和煤层含水量有关。 上述各种因素在煤炭自燃过程中起着重要的作用。 但是，煤炭自然发火，并不是从它一暴漏于空气中就自燃，而是需要经过一定的时间，需要一定的蓄热环境，使它的温度不断上升，这在很大程度上还取决于外在条件，单纯的内在条件不能决定矿井是否自然发火以及它的严重程度。 影响煤炭自燃的外在因素 煤炭自燃倾向性是煤的一种自然属 性。 实验证明，它取决于煤在常温下的氧化能力，是煤层发生自燃的基本条件。 然而在生产中，一个煤层或矿井自然发火危险程度并不完全取决于煤的自燃倾向性，还受煤层的地质赋存、开拓、开采和通风条件的制约。 （ 1)开采技术 [5] 事实表明，矿井的开拓方式、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、通风系统和技 术管理等开采技术和管理水平，对自然发火起决定性影响。 许多开采同一煤田、相同煤 层 的不同矿井，甚至同一矿井不同的开采时期，在煤的性质、煤层赋存条件基本相同的 矿 井，但由于以上因素的差异，造成自然发火的次数明显不同。 开采技术对自然发 火的 影 响主要表现在以下几个方面 ： 1)开拓方式。 实践经验表明，开拓布置对自然发火煤层的矿井影响很山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 11 大。 要求巷道系统简单，采用石门、沿巷开拓、少留煤柱、较少对煤体的切割，这对消除发火隐患是积极地、有利的。 2)采煤方法。 采煤方法对发火的影响主要表现在回采率的高低、回采时间的长短及顶板管理和煤层切割等方面。 如高落式、刀柱式，长壁式采煤法留煤皮假顶以及回采率较低的水力采煤法对防火均不利。 3)通风 条件。 通风对自燃的主要影响主要表现在采空区、煤柱、煤壁裂隙的漏风。 漏风使这些地点煤氧化生热，生热多少和生热能否积聚取决于 漏风风速的大小。 当风速过小时，漏风供氧量很小，氧化生热小，不易自热和自燃； 当漏风风流过大时， 供氧充足， 氧 气 生成的热量可被风流带走， 同样不能形成热量积聚， 不会发展成为自燃火灾。 只有当漏风既有较充分的供氧条件，同时氧化生成的热不易带走，热量积聚起来，自燃才能成为可能。 对应于实际中主要是通过漏风和扩散供氧，因此，对于开采自燃煤层的矿井，要求低风压通风 (采空区风压不宜于超过 200Pa，矿井风压不 得 超过 3000Pa)，待超过时及时封闭。 有的学者研究过引起煤炭自燃的风速值范围，认为风速 ～ minm3 时最容易 引 起自燃，并将其成为易自燃风速 ； 另一些学者认为易自燃风速为 ～ minm3 对 于采空区，有人认为当其单位面积上漏风量大于 minm3 或小于 minm3 都 不会自燃， 最危险的漏风量是 ～ minm3。 （ 2)地质因素 主要有 ： 1） 倾角 ： 煤层倾角较大时，特别是急倾斜煤层，由于采煤方法等原因往往造成较多丢煤 ，且 采空区封闭困难，所以其自燃危险性较大。 2） 煤层厚度 ： 实践证明，煤层的厚度越大，自然发火的危险性越大。 山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 12 统计数据表明，有 80%的自 燃火灾发生在厚煤层中。 究其原因，主要有下面几点 ： 第一，厚煤层回采率低，遗留大 量浮煤和煤柱，随着放顶煤开采技术的推广应用，这个问题更为突出 ； 第二，矿山压力 较大，煤柱、煤壁易被压裂而漏风 ； 第三，回采时间较长，一般均超过煤层的自然发火 期 ； 第四，分层开采时，上部分层采空区的浮煤氧化产生的热量难以通过下部煤层散发。 所以，厚煤层是自然发火危险性最大的煤层，开采有自然倾向性厚煤层的矿井，应 特别重视内因火灾的防治工作。 3） 地质构造： 有地质构造的地区，自燃危险性加剧。 有褶曲、断层和岩浆岩侵入等地质构造破坏 区域，煤层自然发火危险性较大。 其主要原因是由于这些地区煤体破碎，有大量裂隙存在 ； 岩浆岩侵入区的煤层受到干馏，烟的孔隙率增加、强度降低，其自燃危险性也较大。 4） 开采深度： 煤层赋存太浅或太深都会增加自然发火的危险性。 煤层埋藏深度较大，煤体的原始 温度越高，煤中所含水分则较少，因此自燃危险性较大 ； 但开采深度过小时又容易形成 与地表沟通的裂隙，也会在采空区中形成浮煤自燃。 煤炭自然发火早期识别与预 防 煤炭自燃危险性预测研究 (1)自燃倾向性 实验 预测 法 [6] 煤自燃倾向性是指煤层开采之前，其自然发火的可能程度，所有煤种均具有自燃倾 向性，只是不同煤种、不同环境条件下的自燃倾向性呈现不同。 山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 13 为了准确的判定煤层的自然发火的危险程度而采用 自燃倾向 向性预测法，进而采取相应的防灭火措施，其主要是根据实验方法来测定内在自燃性，划分煤层自然发火的等级。 在二十世纪八十年代之后，美国矿业局 [7]研究出利用绝热炉这种实验装置测定煤炭 的最小自热温度，进而评估煤的自燃倾向性；加拿大 [8]采用静态恒温法、 可燃性法 、 绝热法和动态法去研究煤的自燃倾向性； 土耳其 [9]采用非恒温动态法来测试自燃临界温度和一 氧化碳产生率，进而预测自燃倾向性；南非 [10]采用由计算机自动控制的绝热量热法来预测自燃倾向性的。 在我国，对自燃倾向性鉴定方法的研究五十年代初期即开始研究起来，曾经先后研究过克氏法、着火点温度降低值法、静态容量吸氧法及双氧水法。 但由于以上方法存在着缺点和各种客观原因，我国一直用着火点温度降低值法 (即固态氧化剂法 )来划分煤自 燃倾向性。 但这种方法存在着以下缺点： 1） 由于该方法使用联苯胺和汞等化学试剂，有毒性； 2） 对部分煤样 无法分类； 3） 仪器装置和测量系统的落后。 因此，为了建立更完善的新的煤样自燃倾向性鉴定方法，我国在六十年代初曾经进行过静态吸氧法和双氧水法的研究，但后来研究工作结束后并没有得到推广应用。 到了九十年代后，因为色谱动态吸氧法测定系统先进，操作简单，吸氧的大小可由色谱仪进行计算，提高工作效率，开始推广使用色谱动态吸氧法。 但该方法只能测试可逆的物理吸附和脱附量，而且因为伴随着化学吸附和反应，难以计算氧消耗量；另外，煤的吸附性能同时也因为煤岩组份、破碎煤体孔隙结构、粒度的组成、水的含量等多种因素的不同而不同，而煤样的自燃性是受多种因素所影响的。 因此，该方法还有许多不完善之处。 在实际开采条件下煤的自然发火现象与现有自燃倾向性测试方法相差甚远。 化学试剂这种办法是首先要求对煤进行化学处理，混以固态氧化剂，山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 14 最后人为加热。 这种方法是在人为强制下使煤和氧气发生化学反应。 与在现场条件下，暴露于空气与低温下条件下的煤（ 20℃ ～ 30℃ 以下）与缓慢地发生反应放热，逐渐的积聚引起煤自然发火的现象 是不一样的，因此这种方法无法真实的反映在实际条件下煤的自燃倾向性。 而动态和静态吸氧法，在反应过程方面是相似的，但是实验研究和测试的方法与现场实际是不同的。 现场的煤氧反应是在环境温度、空气流速和氧浓度在不断变化的条件下进行的。 并且煤氧反应是十分复杂的，物理作用可逆，而化学作用正好相反，是不可逆的。 由于静态吸氧法无法模拟出煤氧复合反应的动态变化，而色谱动态吸氧法这种方法不能研究煤氧作用的化学吸附与反应。 因此，无论静态还是动态吸氧法对煤自燃倾向性的考察与现场实际是相差很远的。 （ 2)综合评判预测法 综合评判预测法是采用对煤自然发火相关的各种内外影响因素进行综合评分的方 法，其指导思想是 ： 首先对煤的自燃倾向性进行鉴定，评出其分值 ； 然后在大量统计分 析的基础上，对 影响煤自然发火危险程度的外在因素进行主观评判，给出分值 ； 将两者 综合相加就得出了相应条件下的煤自然发火的总值及其分类。 由 于 问题的复杂性，人们在给外在因素进行评分时带有一 定程度的主观臆断 ，而且 各个采煤国家仅是根据本国自身的具体情况制定相应的评判方法。 但该方法是一种较为全面的预测煤层自然发火危险程度的方法，因此，前苏联、美国、波兰等主要产煤大国都在探索研究该类方法的应用，并取得了一些效果。 尤其是波兰已取得进展，它把复杂的外界因素归纳为地质条件、开采条件、通风条件等七个方面因素，用 Si 表示，再和煤 自燃倾向性指标 SZb (带灰份指标 )相加，即得矿井自然发火危险程度指标。 山东科技大学学士学位论文 煤炭自然发火基本理论 15 由 于 煤矿开采的实际条件及其复杂，难 于 把影响煤层自燃危险程度的各种因素尽可 能地加以兼顾且 各种因素存在许多不确定性，难以用经典数学的方法定量化，因此，为 预测实际开采条件下煤层的自燃危险性，可以根据影响煤层自燃危 险程度的内外因素、煤的自燃倾向性、地质赋存条件、通风条件、开采技术因素和预防措施等，进行主观判断，分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类分析，根据标准模式，计算聚类中心，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测也可以应用改进的 Bp网络模型，采用自适 应变步长法和改进模拟退火法等措施加快 Bp 网络的收敛速度，来准确有效地预测开采 煤层的自燃危。