煤矿火灾防治新技术 罗海珠 煤科集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 2016年7月28日

一、我国煤矿火灾现状分析 二、煤矿火灾防治先进适用技术 三、煤矿火灾应急救援新技术 四、煤矿火灾防治技术展望

自燃火灾为主 开采容易自燃、自燃煤层矿区分布广。全国130余个大中型矿区均受自然发火威胁；总体呈现北多南少的趋势。 具有煤层自然发火倾向的矿井占54%。最短自然发火期小于3个月的矿井占50%以上。 防治重点 采空区

2017/2/25 次生灾害事故严重 火灾引发瓦斯爆炸等次生灾害事故易造成重大伤亡。2012-2015年，共发生重大以上瓦斯爆炸事故19起，其中9起由火区（煤炭自燃）引发。 2013年吉林八宝事故，采空区自燃引发瓦斯爆炸，火区治理及密闭施工期间发生二次爆炸，共死亡53人 2014年新疆大黄山事故，封闭自燃火区引发瓦斯爆炸，死亡17人 2012年共发生重大以上瓦斯爆炸事故5起，其中2起由井下火区（煤炭自燃）引发；2013年共发生重大以上瓦斯爆炸事故7起，其中2起由井下煤炭自燃引发；2014年共发生重大以上瓦斯爆炸事故6起，其中2起由井下煤炭自燃引发；2015年共发生瓦斯爆炸事故9起，其中2起由井下煤炭自燃引发。 防治重点 火区

外因火灾时有发生 防治重点 电气设备、皮带、电缆 2011年，山东省枣庄市防备煤矿井下空气压缩机着火，28人死亡。 2012年，辽宁省阜新市青年煤矿井下电缆着火事故，造成5人死亡。 2013年，河北省张家口市艾家沟煤矿井下压风机着火，13人死亡。 2015年11月20日，龙煤鸡西杏花矿皮带着火，造成22人死亡 防治重点 电气设备、皮带、电缆

煤田火灾损失大量资源 正在燃烧的煤田火区共有56处，总面积720km2，主要集中分布在新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、山西、内蒙古等7个省区。 防治重点 火源探测

一、我国煤矿火灾现状分析 二、煤矿火灾防治先进适用技术 三、煤矿火灾应急救援新技术 四、煤矿火灾防治技术展望

预防为主、持续监测、综合防治、安全施救 自燃倾向性 自然发火期 标志气体 采掘部署 防灭火系统 火灾监测系统 注浆防灭火 注氮防灭火 ----总体原则 预防为主、持续监测、综合防治、安全施救 自燃倾向性 自然发火期 标志气体 基础参数测试 采掘部署 防灭火系统 火灾监测系统 系统设计 注浆防灭火 注氮防灭火 喷阻化剂 …… 综合防灭火技术

自燃倾向性？ 煤层分类（Ⅰ类、Ⅱ类）， 矿井分级 色谱动态吸氧法（GB/T 20104） 氧化动力学测定法 ----基础参数 自燃倾向性？ 煤层分类（Ⅰ类、Ⅱ类）， 专项设计、采掘部署要求、后退式开采…… 色谱动态吸氧法（GB/T 20104） 氧化动力学测定法 矿井分级 建设综合防灭火系统，注浆、注氮……

自然发火期？ 特殊采煤工艺要求（未采取防火措施） 一般采煤工艺要求（采取防火措施） 常规方法：统计法、类比法、大煤样模拟 ----基础参数 自然发火期？ 特殊采煤工艺要求（未采取防火措施） 水采区段划分、连续采煤机块段划分…… 自然发火期内回采结束并封闭 常规方法：统计法、类比法、大煤样模拟 新方法：基于热量平衡的快速测定方法 一般采煤工艺要求（采取防火措施） 最小安全推进度、合理防灭火工艺……

自然发火标志气体？ ≠单一CO指标！！！ CO的24ppm是风流环境对人的健康指标，而非自然发火预测预报指标 ----基础参数 自然发火标志气体？ ≠单一CO指标！！！ CO的24ppm是风流环境对人的健康指标，而非自然发火预测预报指标 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…… 通常采用CO、C2H4、C2H2三种综合气体指标，分别对应缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化的三个阶段。其临界值应通过实验分析、现场考察进行确定

法律法规 《煤矿安全规程》对自然发火监测系统的规定 预测预报 监测系统 ----监测预警 《煤矿安全规程》对自然发火监测系统的规定 自然发火危险的矿井，应定期检查CO和其他有害气体情况。 预测预报 开采容易自燃和自燃的煤层时，应建立自然发火监测系统。 监测系统 火区封闭、管理及启封等过程中，应分析火区内气体成分。 气体分析 法律法规 《煤矿安全规程》第180条、第184条、第261条、第271条、第279条、第280条等对矿井火灾预测预报及监测进行了相关规定。

----监测预警 煤矿火灾光谱束管监测技术

火灾光谱束管监测系统优点 煤矿火灾光谱束管监测技术 本地检测 实时在线 就地分析 选择性好 精度高 监测主机置于煤矿井下，可就近安放 ----监测预警 煤矿火灾光谱束管监测技术 监测主机置于煤矿井下，可就近安放 本地检测 能够实现在线实时连续监测 实时在线 监测主机具有数据分析功能，可实现爆炸危险、煤矿火灾预报、监测并报警 就地分析 混合气体中的待测组分不受其他组分变化的影响；上限为100%，下限到1ppm； 选择性好 精度高 测定分析精确度高、速度快、周期短、稳定性好 精度稳定性高 火灾光谱束管监测系统优点

光谱分析仪、抽气泵、预处理装置、光纤交换机 ----监测预警 煤矿火灾光谱束管监测技术 采空区 开切眼 停采线 采样束管 光纤至地面监控室 光谱分析仪、抽气泵、预处理装置、光纤交换机 将光谱检测装置放置在工作面终采线外的硐室内，将束管敷设至工作面回风隅角及采空区，利用负压抽气泵将需要检测的气体泵入检测装置，分析结果通过光纤上传至地面监控室。

----监测预警 煤矿火灾光谱束管监测技术 成功应用到神华榆神公司郭家湾、青龙寺、山西离柳焦煤集团宏岩等煤矿。

----监测预警 分布式光纤测温技术 分布式光纤测温技术利用光的拉曼散射效应测温，通过光时域反射OTDR技术进行定位，测温系统主要包括光纤解调主机与测温光缆两部分。 发光器 APD1 光纤分路器 光纤波分复用器 光纤放大器 APD2 光电转换 信号采集与处理系统 测温光缆 上位机 LD驱动器 同步控制 光路 电路

分布式光纤测温技术 技术特点：与传统测温技术相比，分布式光纤测温技术具有本质安全、连续监测、传输距离远、测温范围广、定位精度高等特点 ----监测预警 分布式光纤测温技术 技术特点：与传统测温技术相比，分布式光纤测温技术具有本质安全、连续监测、传输距离远、测温范围广、定位精度高等特点 煤矿内因火灾监测 系统可用于采空区内因火灾监测领域，随工作面推进，将钢管保护的铠装测温光缆埋设于采空区内，当采空区出现高温点和自然发火隐患时，即可实现内因火灾的分布式在线监测。 煤矿外因火灾监测 系统可用于胶带输送机、矿用电缆、机电硐室的火灾监测当中，通过在监测位置直接铺设测温光缆，即可实现煤矿外因火灾的分布式在线监测。

----监测预警 分布式光纤测温案例 2012年10月~12月，山东能源葛亭煤矿2313工作面采空区进行分布光纤自然发火监测。11月7日，采空区后方56m发现高温异常区域，通过采取采空区注氮、注浆等预防手段，成功消除自然发火隐患，保障了工作面安全回采。

微电子机械系统（MEMS）火灾监测技术 ----监测预警 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 是微电子机械系统的简称。MEMS 技术是集微型传感器、微执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通讯和电源于一体，具有信息获取、处理和执行等多功能的完整微电子机械系统。

微电子机械系统（MEMS）火灾监测技术 MEMS带式输送机火灾监测系统，红阳二矿现场应用。 系统微型化：体积小、质量轻、耗能低、响应时间短 ----监测预警 微电子机械系统（MEMS）火灾监测技术 系统微型化：体积小、质量轻、耗能低、响应时间短 材料性能好：以硅为主要材料，其机电性能优良 生产成本低：批量生产可以大大降低制造成本 集成化程度高：多传感器集成于一体，形成微传感器阵列 MEMS带式输送机火灾监测系统，红阳二矿现场应用。 无线接收基站 无线温度传感器

我国煤矿普遍建立了以注浆、注氮防灭火方法为主，辅以其它方式的综合防灭火系统。 ----综合防治 我国煤矿普遍建立了以注浆、注氮防灭火方法为主，辅以其它方式的综合防灭火系统。 充填堵漏防灭火 高分子材料防灭火 地面固定式制浆系统 均压防灭火 三相泡沫防灭火 注浆防灭火 惰性气体防灭火 燃油惰气灭火 井下移动式注浆系统 阻化剂防灭火 高倍数泡沫灭火

近水平浅埋深井上下联合注浆技术 主要问题 重点区域井上下联合注浆 近水平煤层——浆液流动性差 ----综合防治 近水平浅埋深井上下联合注浆技术 主要问题 近水平煤层——浆液流动性差 工作面范围大(300×5000m)——难以全覆盖 工作面距离井口远（大于10Km）——倍线不足 浅埋深近距离煤层群——上覆采空区自然 重点区域井上下联合注浆

----综合防治 近水平浅埋深井上下联合注浆技术

联合注浆技术应用案例——神东补连塔 ----综合防治 地面钻孔上覆采空区 开切眼区域进行补充注浆 地面钻孔（间距50m）

----综合防治 联合注浆技术应用案例——神东补连塔 地面钻孔注浆实景图

联合注浆技术应用案例——神东补连塔 本煤层采空区井下插管、埋管注浆： ----综合防治 注浆管路埋设示意图 开切眼进风侧300m 插管注浆 开切眼预埋注浆管路注浆 利用回撤通道联巷密闭对停采线进行插管注浆 开切眼回风侧预埋300m 管路注浆 停采线回风测300m范围埋管注浆 注浆管路埋设示意图

联合注浆技术应用案例——神东补连塔 应用效果 ----综合防治 联合注浆技术应用案例——神东补连塔 应用效果 2012年6月神东公司补连塔煤矿22305工作面上覆12煤采空区遗煤自燃，工作面封闭2个月，直接经济损失达1.6亿元。此后，在补连塔煤矿进行该项技术试验，至今未再发生自然发火事故，同时也可对下层煤开采时起到预防性作用。目前该技术已在神东公司、宁东等矿区成功推广应用。

液态CO2灭火技术 ----综合防治 窒息作用 液态二氧化碳防灭火原理 冷却作降温作用 CO2比空气密度大，向采空区注入CO2能够形成惰化带，使位于自燃带底部的遗煤完全被CO2覆盖。 煤对CO2具有较强吸附作用，煤被CO2包裹，减少煤体燃烧体表面氧气浓度。 大量的高浓度CO2的扩散会提高火区内气体静压，进而会降低火区的漏风量。 液态二氧化碳防灭火原理 冷却作降温作用 液态CO2直接喷入火区空间会瞬间气化，吸收大量热能，温度急剧下降到-78.5℃，可使火源温度降低到着火点温度以下而停止燃烧。 煤对CO2极易吸附的特点，在吸附过程中将吸附热转移给CO2气体，从而会遏止燃烧的连锁反应。

液态CO2灭火技术 地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统 ----综合防治 液态CO2灭火技术 地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统 系统地面装备部分设置有液相管路系统和气相管路系统，其中液相系统将把贮液罐内的液态二氧化碳连续不断地供给气液转换器，使之气化；而气相系统则对气液转换器实施增压作用。 井下移动式液态CO2防灭火装置 矿用液态二氧化碳直注式防灭火装备系统由液态二氧化碳储液罐、自增压调控系统、液相管路、气相管路、安全装置及控制阀门组成，并将以上设备安装在平板矿车上，以便井下运输。

----综合防治 液态CO2灭火应用案例 陕西韩城小南沟矿井电缆火灾灭火，2010年7月17日20时10分，矿井副斜井井底发生电缆着火事故，导致木棚支架着火，导致28名矿工遇难，井下火势难以控制，大量烟雾溢出井口，井下救援工作无法进行，抢救5人后难以继续进行救援。救灾过程中发现3号煤层被引燃，并使局部巷道发生冒顶，风门3处着火。

液态CO2灭火应用案例 ----综合防治 20日16时：向密闭内压注液态二氧化碳20吨，烟雾量明显减少； 21日09时：距副斜井井口170m处CO浓度高达1200ppm，能见度不到1m； 21日16时：缩封至距井口110m处，压注液态二氧化碳80吨； 22日09时：锁风启封，距井口230m巷道冒顶处着火冒青烟； 22日20时：缩封至距井口110m处，压注液态二氧化碳75吨，控制和熄灭了火区； 23日09时：矿井反风，救出全部遇难矿工，取得圆满成功。

----综合防治 高效阻化泡沫 煤的自燃特性主要由煤中的非芳香结构中的烷基侧链、桥键和含氧官能团，其中甲基、亚甲基含量丰富，氧夺其氢就产生羟基（-OH），就启动了煤自燃过程。采用阻化离子消除煤中的这种关键活性结构，就能实现高效阻化煤自燃。

高效阻化泡沫 ----综合防治 化学阻化剂作用后，煤中甲基、亚甲基明显减少，改变了煤的自燃特性。 化学阻化剂的阻化效果较无机盐阻化剂提高了３倍以上。 煤中甲基、亚甲基阻化效果实例 与无机盐阻化剂阻化效果对比

高效阻化泡沫 ----综合防治 利用气源和水压为动力，将阻化发泡剂吸入到主管路的喷射混合器与发泡器中发泡，产生阻化泡沫。 流量300-600 m3/h，出口压力≥0.2～0.5 MPa ； 有效扩散半径达60 m，向上部堆积≥3～5 m。

一、我国煤矿火灾现状分析 二、煤矿火灾防治先进适用技术 三、煤矿火灾应急救援新技术 四、煤矿火灾防治技术展望

煤矿火灾三维救援演练系统 煤矿火灾救援演练系统 采用虚拟现实（VR） 技术、360度环屏投影播放技术、计算机网络协同处理技术，构建三维虚拟化矿井，模拟典型煤矿火灾事故发生、发展过程，应急救援过程中可能遇到的突发情况的处理，通过人机交互，培训学员救护救援技能及协同配合能力。

煤矿有害气体预警分析仪 基于红外光谱原理——有效避免电化学传感器的气体交叉敏感性问题 数据连续采集——井下连续监测，数据全程记录 井下原位测试——井下结果直接显示，避免人工采气送气带来的气体泄漏和气体混入影响测试结果 气体种类全——涵盖《煤矿安全规程》第135条要求检测的全部有毒有害气体 爆炸环境自动分析——无需人工参与计算，图形显示爆炸三角形，危险性自动识别、报警

便携式煤矿用SF6分析仪 光谱分析技术 煤矿用SF6分析仪 优势 本质安全型、井下原位测试、就地分析 定量分析、量程范围大、检出限低 漏风分析、漏风通道查找、瓦斯抽放半径验证 优势

一、我国煤矿火灾现状分析 二、煤矿火灾防治先进适用技术 三、煤矿火灾应急救援新技术 四、煤矿火灾防治技术展望

煤矿火灾可防可控 特征：①温度升高 ②气体产物 煤矿火灾可防可控 特征：①温度升高 ②气体产物 预防自燃火灾为主、监测气体温度指标，控制无风微风漏风、建立综合治理体系、实施安全救援措施、严防次生灾害事故。 隐蔽火源探测技术 火区安全密闭技术 火灾一体化预警技术

谢 谢 敬请批评指正!