采空区火源监测监控及防治技术措施

采空区火源监测监控及防治技术措施

摘要：煤矿井下采空区自然发火及其所产生的高温和有毒有害气体是造成井下设备毁损和人员伤亡的主要原因之一，同时，因煤的自燃而引起的瓦斯、煤尘爆炸也是矿井的重大隐患，而我国煤矿多，煤层自然发火情况严重近年来，随着我国以综采放顶煤为主的高产高效工作面的大力发展，工作面的开采和通风强度增加，使采空区体积增大、浮煤增多，加大了采空区自然发火的危险程度采空区火灾往往造成昂贵的综采设备烧毁，带来巨大的经济损失。

对于采空区煤自然发火的治理，其关键问题是准确确定出采空区内火源的位置只有火源位置找准了，才能采取快速高效的治理措施目前，尚无一种经济可靠的采空区火源位置探测技术及装备，即使采空区有早期自然发火征兆，也往往因为不知道火源的准确位置而束手无策，从而导致灭火措施的成功率不高，严重影响煤矿的安全生六对采空区早期火源位置的有效探测是一项世界性技术难题，是一项改善我国煤矿安全状况的关键技术。

采空区煤炭自燃是长期危害煤矿安全生产的主要灾害之一，煤矿采空区煤炭自燃监测对于制定预防自燃措施至关重要。基于现有采空区参数采样方法存在的不足，笔者设计了一套以矿井原有基站、中心站为基础的采空区煤炭自燃无线监测系统，该系统由设在采空区的多组信号发射器和采掘工作而便携式接收器构成，通过井下监测监控网络实现对采空区参数的地而实时监测。

关键词：采空区三带划分；无线监测；无线网络；探测技术；煤炭自燃；防灭火技术

0前言

采空区是最易发生煤炭自燃的地点之一，做好采空区煤炭自燃监测对提升煤矿安全水平具有极其重要的意义。目前，我国煤矿应用的监测系统主要有束管监测系统和光纤布拉格光栅监测系统两种。束管监测系统能够测量多种指标气体浓度，但束管堵塞、积水、漏气和冬季冻结现象不可避免，影响抽气监测工作的正常进行;同时该系统需使用高精度分析仪器并布设大量束管，初期投资和使用费用都非常高，测试结果还具有延时性等缺点，技术可精确、连续测试采空区温度变化，但不足之处是该方法光纤布设复杂困难、成本高且采样数据比较单一。为了有效解决采空区参数采样方法的不足。同时对采空区三带进行划分。

1采空区三带的划分

不同的煤层其自燃性肯定也不会同，但是就算是同一种煤层，如果他们自身所处的环境不同，那么其供氧条件、蓄热条件以及散热条件就也会存在差异，最后其自燃性自然也会不同。由此可见，煤体自燃是煤体自身的氧化放热性和其供氧条件、蓄热条件等诸多因素共同作用的结果。另外，工作面的推进速度也是采空区遗煤自燃的一个重要因素。因此，在实际条件下，煤体的自燃是上述诸多因素相互作用的结果。

①煤自燃的条件

通过产生燃烧所需要的必须的条件可知，煤炭要想发生自燃必须同时具备以下条件:

(1)煤具有自燃倾向性，就是煤在常温的时候也有比较高的氧化活性。 (2)有超过一定浓度氧气的空气持续通过，维持煤的氧化过程。

(3)空气流动的速度适中，使煤体有积聚其氧化过程中产生的热量的环境。 (4)上述的三个条件在同一地点，同时具备一段时间，使煤体能够达到着火温度。 以上四个条件是煤炭自燃的必要条件，最后一个条件是充分条件。其中，第一条是最根本的，是内因，是煤的内部特性，它取决于成煤物质和成煤条件，表示煤与氧相互作用的能力，它是影响自燃倾向性和自然发火期长短的重要因素。氧是使煤自燃的重要因素。空气中氧含量低于某个值时，则具有窒息性。由于种原因，采空区内并不是每个地方都会形成自然发火的。空气流动速度的大小，是氧化热量能

否积聚的重要条件。在采空区内如果空气渗流速度较大，热量则不能积聚，不易形成煤炭自燃。如果渗流速度过低，则会供氧不足，氧化非常缓慢，也不能形成自燃煤炭自燃都是在风速比较适中的情况下发生的。时间也是形成煤炭自燃的重要条件，此条件称为煤自然发火的时空条件。时空条件可以解释为浮煤分布区、高氧浓度区、易自燃风速区等三区必须重叠足够长的时间。人们一般用自然发火期来区别煤炭自燃的难易程度或自燃倾向性程度。在自然发火严重的矿井，常常以自然发火期作为划分采区的依据。所谓最短自然发火期，是指采煤工作面开切眼形成之日至发生自然发火期之日止的日期，发火期一般以月或天为计算单位。 ②遗煤自燃的“两区”“三带”

在煤自燃条件的基础上，可以将采空区划分成采空区自燃区域和采空区不自燃区域两个区域。

采空区自燃区域为采空区内某一区域，此区域具有一定浓度的氧气，漏风强度也比较合适，蓄热条件也比较良好，并且区域内的煤炭在氧化过程中产生的热量大于其通过热交换散发的热量，则此区域内就会发生热量积聚，如果此区域有较多的具有自燃倾向的遗煤，并且以上的条件在这片区域内存在的时间大于其最短自然发火周期。剩余的其他区域则为不自燃区。

根据采空区中不自燃区所处的位置和形成的原因不同，又可将不自燃区分为散热带和窒息带。如果在采空区中某区域位于紧靠工作面的采空区，或者位于漏风大的漏风源处，由于此区域空隙率大，所以其漏风强度相对较大，此区域的煤炭在氧化过程中产生的热量容易散发，煤体温度就不会变化很大，那么此区域就称为散热带。如果在采空区某区域位于采空区的深部，由于此区域空隙率小，所以其漏风强度相对较小，此区域的氧浓度较低，不能使煤体维持氧化过程，所以此区域称为窒息带。

③“三带”的划分指标

定性而言，“三带”是客观存在的，但如何去精确的划分其范围，的确是一个非常复杂的问题。国内外很多的学者和研究机构在对此做了大量的深入的研究之后提出了确定划分“三带”的指标有漏风风速砰，采空区氧浓度(C)和温升速率(K)3种: (1)根据采空区漏风风速(V)划分三带

如果不考虑其他因素，仅仅从理论上考虑，根据漏风风速来划分采空区三带范围相对较好，因为漏风风速不仅能够反映出采空区内氧浓度变化，而且还能反映出采空区内各区域遗煤氧化生热量和其散热量的平衡关系。这种方法因为漏风风速是矢量，很难进行直接测量，因此主要通过计算机模拟的方法，对不同边界条件下采空区漏风的流线和风速分布进行数值模拟，并根据模拟结果来划分采空区三带。现在国内外学者普遍认同的利用漏风风速划分采空区三带的指标为:采空区中漏风风速大于0.9m/min的区域即为散热带;采空区中漏风风速为0.02 m/min-0.9m/min的区域即为氧化升温带;采空区中漏风风速小于0.02m/min的区域即为窒息带。

(2)根据采空区内氧浓度(C)分布划分三带

利用采空区氧浓度把其划分为三带在现场实测时使用的比较多，氧气浓度划分的指标为:采空区中氧气浓度大于18%的区域为散热带;采空区中氧浓度在8%-18%的区域为氧化升温带;采空区中氧浓度小于8%的区域为窒息带。

(3)根据采空区遗煤温升速度(K)划分三带

如果采空区中某一区域内遗煤的温度每天升高10C，即K> 1 0C/d时，那么此区域就被认为是进入可能自燃带。根据采空区遗煤温升速度划分三带的指标为:

采空区中遗煤温升速度K< 1 0C /d且靠近工作面的区域为散热带;采空区中遗煤温升速度K> 1 0C /d的区域为氧化升温带;采空区中遗煤温升速度K< 1 0C /d的压实区为窒息带。

也有的学者认为完全依靠任何一种方法都具有一定的局限性，应该综合运用各项判别指标来划分采空区三带，能更加准确的对采空区自燃危险区域进行划分，更加全面的研究采空区自然发火机理。

2国内外对井下采空区防灭火的理论及实践发展

煤自燃是一个极其复杂的物理、化学作用过程，其实质是破碎煤体表面力场失去平衡，与空气中的氧发生一系列的物理吸附、化学吸附和化学反应，从而放出热量，在一定的散热环境下，当这些反应产生的热量大于散热时，煤体就会升温。若供氧充分，煤体温度升高则会加快煤体对氧的化学吸附和化学反应，同时使放出的

热量增加，而放热量增加又使煤体升温速度加快，如此反复循环，最终导致煤体自燃发火。在自燃过程中，煤与氧气相互作用并放出热量与气体，加热周围介质并向外逸出气体。煤矿自燃火源探测技术就是通过对煤层自燃过程中，煤层本身或周围介质相关物理与化学指标的异常变化量进行监测、分析和判断来实现。目前国内外煤矿自燃火区火源探测方法主要有:磁探法、电阻率法、气体测量法、同位素测氧法、无线电波法、遥感法、计算机数值模拟法、温度法、红外探测法为了解决自燃火源探测的难题，国内外科技工作者对此做过一些试验研究，其探测原理均是测煤自嫩过程中其本身或周围介质的物理性质或化学性质的改变量。目前国内外除同位素测氛法外，大部分停留在试验研究阶段，未形成实用技术，如井下探测法的测温法、无线电波法、地质雷达法、双元示踪法等:地面探测法的遥感技术、火灾气体测量法、地面物探测法等。

2.1采空区煤炭自燃无线监测系统

从系统总体方案、硬件设计及软件设计3个方面，对采空区煤炭自燃无线监测系统进行设计，解决了现阶段采空区煤炭自燃监测实施难、成本高及监测不具备实时性或采样数据单一的问题。硬件系统以MSP430单片机为核心处理器，具备多个传感器、运放电路、无线收发模块和声光报警电路等多个功能模块，根据实际需要使用功能模块完成相应的功能。软件以IAR为开发环境，完成了功能模块的单独硬件仿真调试以及传感器和便携式接收器功能的实现。

2.2抽采影响下采空区气体分布及运移规律研究

煤矿煤柱工作面采用炮采工艺，具有采空区遗留浮煤厚度大，堆积粒度多样，漏风规律复杂多变，推进速度较慢等特点，煤炭自然发火的几率，威胁着矿井的安全生产。采用常规的综合防灭火技术，虽然效果显著，但由于煤柱工作面回采条件复杂，煤柱横穿老巷较多，周边采空区复杂，常规技术针对性不强，不能完全满足回采期间多变复杂条件的需要。为此，需对煤柱工作面自然发火的特征、各种防灭火措施的具体应用条件进行研究。

通过束管对该工作面气体进行连续监测，获得了大量的数据，掌握了工作面气体的实时异常变化，实现了工作面煤炭自燃的可靠预报。判断工作面CO气体主要来

失。

目前，多采用阻化率和阻化衰减期作为衡量阻化剂优劣的两个指标。阻化率是指煤样在阻化处理前后放出的指标气体量的差值与未经阻化处理放出的指标气体量之百分比;阻化衰减期指煤炭经阻化处理后阻止煤体氧化的有效时间。应当认识到，阻化剂对煤的自燃只能起延缓、延长发火期之作用，有时间界限。因此，阻化率和阻化寻命缺一不可，理想的阻化剂应具备阻化率高和阻化寿命长两个特点。 阻化剂防火工艺包括向采空区直接遗煤喷洒阻化剂和打钻孔定点压注阻化液两 种方式。值得注意的是，喷洒工艺要建立阻化液喷洒系统。

实验研究表明，20%浓度的氯化钙(CaC12)、氯化镁(MgC12)溶液的阻化率较高，防火效果好，在使用阻化剂防火时，应该注意阻化液配比。

(1)使煤体与外界空气隔绝，防治煤体氧化。由于阻化剂是由一些液固混合材料以及一些有勃度特性的液体制成，它可以很好的将煤体包裹起来，杜绝了煤体与氧气的接触。

(2)使煤层具有一定的水分。由于起阻化作用的水溶液其具有很多水分，且阻化剂本身也具备吸收空气中水分的特性，这样就保证了煤体的湿度，控制了其自热氧化时的危险性。

(3)阻化剂本身由于其中含有很多化学成分，它可以参与与煤体内部本身的自由基链式化学反应中去，同时会产生稳定链环(即煤内部分子结构被阻化剂内部分子结构取代，从而会使赋存在煤体表面的自由基团与空气中氧气间发生化学反应所生成的促进燃烧的物质失去其灵敏性，从而也减小了发火的风险。

(4)使煤体热量散发速率增强。这主要存在于2个方面:1.阻化剂自身相比较于煤本身来说，其导热性能比煤要好的多，尤其对于破碎的煤层其导热性更好。2.阻化剂本身含有充足的水分，它可以通过蒸发作用带走煤体本身的大量热能。

5.2凝胶防灭火技术

胶体又称胶状分散体，是指分散质粒子直径在1 - 100 nm (1 nm=10-9m)的水溶液。胶体的稳定性介于溶液和浊液之间，在一定条件下能稳定存在，属于介稳体系。

胶体形成的机理是胶体粒子可以通过吸附而带有电荷，带同种电荷的同种胶粒聚沉，就要克服电荷间排斥力，并且胶体粒子在不停的做布朗运动。凝胶是溶胶或高分子溶液中的分散颗粒，在适当的条件下形成网络结构，成为失去流动性的半凝固状态的胶冻，如明胶、硅胶等，这一过程称为胶凝作用(Gelation)。凝胶是胶体特殊情况下的存在形式，可分为弹性凝胶和脆性凝胶。弹性凝胶失去分散介质后，体积显著缩小，而当重新吸收分散介质时，体积又重新膨胀。但另一方面它又保留某些液体的特点，例如离子的扩散速率在以水为介质的凝胶中与水溶液中相差不多。胶体材料介于固体和液体之间，同时具备了液体和固体的一些防灭火性质，如胶体中的水良好的吸热降温性;胶体似固体能够堵塞漏风、隔绝氧气。

为了封阻煤体中的裂隙或扑灭高位处的火灾，凝胶较其它防灭火介质具有优越性。近年来，凝胶作为一种新型的防灭火材料，在煤矿自燃火灾的防治中获得了较广泛的应用。胶体灭火机理在于凝胶能够将易于流动的水锁固起来，使胶体中90%左右是水，能够充分发挥了水的防灭火工效。凝胶前溶胶具备一定的流动性，可以渗透到煤体的裂隙和微小孔隙中，成胶时封闭孔隙和裂隙;此外，凝胶可以将破碎的煤体形成凝胶整体，封堵煤体间裂隙及采空区的漏风通道，达到隔绝氧气的目的;同时，胶体中的水蒸发后能够带走一部分热量，增加热交换强度，水蒸气的产生也减少了内部的氧含量。凝胶有较好的热稳定性，即使煤体或环境的温度很高，也能保证很好的完整性，只会随着时间的延长里面的水慢慢蒸发而变干。凝胶另一个优点是凝胶具有较好的阻化性能，促凝剂和基料本身就是良好的阻化剂，可以降低煤体氧化活性，延缓煤体自然发火，所以具备般阻化剂的阻化效果。凝胶的成胶时间可以根据现场要求条件控制，利用不同的工艺设备，调节促凝剂和基料的配比就可以控制凝胶的成胶时间。

根据煤矿火灾的特点，矿井防灭火凝胶材料应满足以下要求:①无毒无害；②价格低廉，工艺设备简单；③要有良好的堵漏性；④具有渗透性好的性能；⑤要有良好的耐高温性能；⑥吸热性能好。可用于矿井灭火的胶体很多，这些胶体既有共性，也有各自的特点。矿井防灭火中，可根据不同的发火状况和各种胶体材料的特点，选择适当的胶体灭火材料。目前，凝胶材料主要有无机凝胶、有机凝胶和复合型凝胶三大类。

5.3易自燃特厚煤层均压通风防灭火技术

均压是防治煤矿自然发火的主要措施之一。针对均压应用中的定性分析方法及两点式均压方法的不足，提出了均压防灭火定量分析技术并开发了与采空区相连两个工作面间均压的计算机摸拟计算程序。阐述了程序均压原理、内容及应用实例。这项技术具有创新性和应用推广价值，可以提高均压防灭火技术应用的经济性和安全性。

50年代末以来，均压防灭火技术已广泛地应用于煤矿自然发火防治领域，但是，过去在实施均压技术时，均压设施的位置与大小一般采用定性分析法或经验试探法加以确定由于风网的复杂性，均压方法的多样性及人的思维和知识能力所限，人们较难利用手算或经验来预计局部范围均压对整个通风系统压力的影响，致使均压措施实施后，均压区域均压效果较差为改善均压效果，必须频繁变换均压设施的位置和大小，以求均压区域压力平衡;但这种压力试调，不仅费时、费力，而且压力试调引起风网压力变化对火区有类似“人工呼吸”的供氧现象;特别是在压力“误调”情况下，会导致均压区域不均压，结果使火区火势更旺或引起瓦斯爆因此，必须找到一种既能恰当地控制自燃，又能预见均压通风对整个通风系统各区域影响的均压方法，这就是计算机模拟技术应用于均压通风的定量分析方法随着计算机的普及和风网结算程序的成熟，这就为利用计算机模拟技术而进行均压防灭火定量分析打下了基石。

6小结

采空区火源位置探测技术尚不成熟，而此技术又是安全生产中急需解决的问题，所以，国内外都致力于研究，以期获得突破目前，采空区火源位置探测技术的发展有以下趋势：

1)从探测原理上进行研究

从原理上讲，采空区火源位置探测可分为接触式、半接触式、非接触式所谓接

触式探测，即指通过接触方式，直接测定采空区内与火源定位有关的参量的方法如打钻孔测温及火灾指标气体浓度总量、预埋温度探头、预送铁磁物质等此方法往往费工费时、投资大所谓半接触式探测，即指通过测量采空区周边与火源定位有关的参量，并结合数学理论推导，从而确定火源位置的方法如热辐射法数理解算法等由于这类方法往往是建立在一定假设基础上的，而这些假设一般与采空区的实际情况存有差异，故理论推算的火源点位置与实际的火源点位置并不完全相栋为了提高火源定位的准确性，且定位所需工作量小、测定时间短，必须在探测原理上进行更深入的研允目前的研究方向主要是开展非接触式探测技术的研允如应用坑透技术、雷达技术等，研究不直接接触火源而对火源定位的坑透仪、火源探测雷达等。

2)从煤、岩石及空气构成的系统的特殊性上进行研究

对不同种类煤层、岩石在温度升高情况下的电性参数(如电阻率、介电常数等)及磁性参数(如磁化率等)的变化规律进行研磨对由煤、岩石及空气构成的系统，因其存在地层变化复杂、各向异性及非匀质等特殊性，对外界表现出不同的电性及磁性特性，特别是当温度升高情况下电性参数及磁性参数变化较大因此，研究煤岩石及空气构成的系统的特殊性，对于掌握电磁波及磁场在其间的传播、吸收规律具有重要意义，对仪器的研制也有重要的指导作用。

3)从探测仪器性能方面进行研究

在井下隐蔽火源位置探测中，由于被测参量往往是很弱的信号，且受很多因素的影响，故用于火源位置探测的仪器，必须具有很高分辨率，这是确定火源位置的必要条件因此，研制高分辨率探测仪也是发展方向之一，主要体现在研制高分辨率敏感元件及相应的解析软件上。

在三带划分问题上

①使用氧浓度指标同时综合考虑温度场的分布及温度变化情况以及采空区中气体浓度变化情况的方法来划分采空区三带范围。使用氧浓度为主指标，温度为辅助指标的方法来划分采空区三带，也就是在使用氧浓度指标划分采空区三带范围时，综合考虑采空区内温度场的分布及温度变化情况以及采空区中其他气体浓度变化情况。

②一般温度不宜作为划分三带的主指标，因为并非所有的采空区内某一区域的温

度都会上升到某一确定的值。氧化升温带内的遗煤存在着自然发火的条件和可能，但并不一定会自燃升温，采空区内的温度不上升，也不能认为三带不存在。另外，窒息带可以因为氧化耗氧而形成，也可以由于惰性气体的大量涌出而形成，后者的温度不一定会有明显的升高。因此，温度仅能作为条件合适时的辅助指标。 ③以氧浓度作为界定散热带和氧化升温带的唯一指标是欠妥的，因为散热带之所以称为散热带，是由于漏风强度过大带走了氧化生成的热量，而并不是因为氧浓度大于某一特定值而不能发生自然发火，所以在以氧浓度指标划分散热带和氧化升温带的界限时，应以煤自然发火氧浓度指标为基础，并同时综合考虑温度等因素的变化。而氧化升温带与窒息带之间的界限，应着眼于煤自然发火的供氧条件，以煤自然发火的临界氧浓度为主指标，并综合考虑顶板冒落状态和温度分布状态等因素。

在分析了采空区自燃发火的特点的基础上，介绍了目前主流的防灭火技术，包括:采空区漏风控制技术、均压防灭火、凝胶剂三相泡沫等技术，分析了这些工艺的特点。

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