1 前言
气流速、氧气浓度和温度等参数动态变化，且表面放热也与温度有关。因此，不能用于预测实际条件下煤的自然发火期。
1.2.7煤层自燃火灾预报技术
目前，对于煤炭自燃进行预报的方法主要有标志气体分析法、测温法、示踪气体法、测氡法等。
1）指标气体分析法
煤层发火过程中，将产生一系列反映煤氧化和燃烧程度的指标气体，如CO、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2等，随着煤温的升高，其产生量将发生显著变化，因此，可以利用指标气体产生量的变化，来进行煤层火灾的早期预报。
用气体分析法预测预报煤层火灾，指标气体的选择和检测技术是至关重要的。目前国内外普遍采用CO作为煤层火灾预报的主要指标气体，这首先是因为煤在低温氧化过程中，CO的生成量与煤温之间有十分密切的关系，随着煤温的升高，CO浓度的变化量最明显，所以，采用CO作为指标气体比较灵敏；其次是因为煤层中一般不含有CO，井下爆破工作中所产生的CO能很快被风流所稀释和排除；再次是CO检测比较容易、方便。可以肯定地说，只要井下空气中出现CO，并且持续增加，井下存在自燃现象（或高温点）就确定无疑了。
但是，由于CO的涌出温度范围宽，从煤的低温氧化阶段直至着火燃烧阶段都能产生CO。因此，何时发出预报才能做到准确、适时，就成为很大的难题。
为了解决CO定量临界值难以确定的问题，通过研究国内外学者又提出了以烷烯烃类气体作为预报的指标气体。煤样加温实验表明，烷烯烃类气体涌出温度范围相对较窄，它与煤温的关系较明确。在实验条件下，只有当煤温大于70～80℃时才出现乙烷，超过110～130℃时才出现乙烯。利用这种特殊的规律，可以根据烷烯烃的出现与否来反推煤炭的温度范围。
随着煤温升高，甲烷、乙烷、丙烷的浓度随煤温升高而增大，它们和甲烷(或乙烷)浓度的比值称为链烷比，用链烷比作为预报煤炭自燃的指标气体最显著的特点就是，它与煤的氧化关系较小，主要随煤体温度的高低而变化，而且受风流的稀释影响较小，因此链烷比这个指标比较灵敏，有一定的使用价值。
2）测温法
测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测以发现煤层发火危险程度的预报方法。此方法可以直观地了解煤层的温度及其发火程度。
现有预报煤层发火的测温法有两种：①直接用检测到的温度进行预报；②根据温度的变化特性进行预报。测温法现阶段主要采用的仪器有：热电偶、测温电阻，集成温度传感器等。近年来普遍推广的是测试简单、操作方便的红外测温仪等。
1 前言
3）示踪气体法
利用SF6、1211等热稳定性较好的示踪气体测定采空区漏风量的工作已获成功。根据该项技术的应用经验，可以选择一些在某一温度条件下易于热解的气体，与上述示踪气体在同一环境下释放，在采样点采样检测其比例变化，或测定相关分解物，从而间接了解煤层火灾隐患点的温度值，达到预报目的。
示踪物质选择对测定煤体热状态具有重大的影响。根据矿井的实际环境，示踪剂的选择应遵循以下几个原则：①毒性小；②常温、常压下呈气体或易气化处理；③热解前稳定性好；④正常矿井条件下，示踪物质不氧化、不反应、不溶于水；⑤分解物易被检测；⑥成本低，易获得。
根据这一原则，从已查的数千种化合物来看，完全满足上述标准的化合物极少，常温下是气态的物质尚未找到。部分常温下呈液态的物质在70～200℃范围内能够热分解，其中有些化合物的物化性质近似于符合上述要求。
4）测氡法探测火源位置
氡为放射性同位素，其衰变的子体为固体粒子，因此在测量时既可测氡气，又可测其子体而反映母体核素的形态及变化状况，氡子体有很强的吸附能力，它们能牢固地附着在器物表面，因此可用不同的方法将氡或其子体收集进行测量。
测氡方法的种类也很多，常规的射气测量为取气样方法，使气样进入探测器后进入测量。探测器按工作原理可分为电离室型、闪烁室型、半导体探测器型等。三种类型探测器都是测量氡气及其子体衰变时放出的?射线的。
除此之外，在放射性物探和环境方面应用的有?径迹蚀刻法及钋量测量、活性炭吸附法、?杯法、?卡法、硅半导体?仪以及近年来出现的驻极体测氡法等，虽然它们测的是氡的子体及其衰变物，但仍属于测氡技术的范畴。
按测量工艺测氡方法可分为瞬时测量和累积测量。在煤矿地面多用累积测量的方法，在煤矿井下二者兼可用。
但影响测氡技术探测火源准确性还有许多因素，主要有：①在氡及其子体垂直向上运移过程中，可能产生横向位移，使异常点整体偏离；②对测出异常数据的分析，还存在着一定偏差。
1.3研究内容及目标 1.3.1主要研究内容
1）装煤量15吨的特大型煤自然发火实验资料分析。 2）3101、3103回采工作面自燃隐患研究分析。
3）应用指标气体与其相互关系判定煤自燃程度的方法研究。
1 前言
4）氮气及液态二氧化碳降温防灭火工艺研究。
5）3103工作面停采封闭和3105工作面设计防灭火技术研究。
1.3.2技术关键
1）煤自燃过程中，特征温度点及其表征参数的分析与确定，煤自燃程度判定指标的合理选取。
2）氮气及液态二氧化碳惰化参数的选取和安全保障措施
1.3.3研究目标
1）确定煤自燃程度表征参数与特征温度的对应关系；
2）找出在矿井条件下，灵敏度较高的指标气体及其对应的特征温度； 3）编制液态二氧化碳和氮气的现场释放措施（工艺）； 4）提出用于防治煤层自燃发火的煤矿设计要求； 5）提出继续深化的防治自燃发火的技术方向；
1.4总体研究思路
本研究针对煤自然发火的特点，基于国内外最新成果，遵循“预报先行，预防为主”的方针，提出对易自燃煤层火灾隐患识别与惰气控制技术系统地研究。本研究的总体思路框图如图1.1。
煤自然发火实验 煤自然升温过程的实验模拟 煤自燃的发生、发展及动态变化规律 自然发火期 高温煤体的绝氧降温和供风复燃规律 煤自燃性参数 确定煤自燃程度判定气体表征参数 火灾快速控制应急预案与组织移动式注胶系统惰泡压注系统汽化装置应用工艺注惰参数 液态CO2惰化降温技术 煤自燃表征参数与煤温的关系 煤层火灾快速应急控制 高温位置、温度、发火时间预测 高温位置预报 煤温预报 易自燃煤层火灾隐患识别新技术 煤自燃特征温度 火灾快速控制阻化煤体漏风控制基于气体指标的煤自燃程度预报技术 防灭火区域降温防灭火区域惰化
现场工业试验与应用 图1.1 易自燃煤层火灾隐患识别与惰气控制技术研究总体思路框图
煤层火灾隐患惰化控制技术 2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
2朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
煤自燃是在常温常压下，煤与空气中的氧自发反应升温的过程。煤自燃的实际情况是：大量松散煤体同时接受漏风供氧，一起发生氧化放热，靠近围岩和漏风边界的煤体散热条件好,不易造成热量积聚；由于煤体不断地消耗氧气，风流渗透到离漏风边界较远的深部时，气流中的氧浓度已很小,煤自身的氧化放热强度小，也不易产生热量积聚；在距漏风边界一定距离的范围内,氧气浓度合适,蓄热条件好，热量易于积聚，造成煤体自热升温；在供氧和蓄热条件最佳的区域，煤体升温速度最快，该区域周围的煤体升温速度依次减慢；升温过程开始是一个很缓慢的过程，随着煤温的逐渐升高，化学反应加剧，产生的热量增多，升温过程也加快；随着煤体内温差的加大，形成热力风压，漏风强度加大，同时，随着煤体内各点耗氧速度的变化，氧浓度分布发生动态变化，煤体内部的高温区域会发生移动。
若要从常温条件下开始，真实地模拟煤的自燃过程，且实验周期尽量短，应创造与实际过程相似的、较好的供氧和蓄热环境。在实验室模拟煤自然发火过程，测试最短自然发火期，必须把握以下几点：
1）要创造煤体能在常温下依靠自身氧化放热而引起升温的供氧和蓄热条件； 2）实验台煤体的蓄热环境应类似于实际情况下大量松散煤体内首先引起自然升温的高温区域；
3）要确保较佳的煤体粒度，提供最有利于松散煤体自燃的漏风强度。
2.1煤样采集与处理
2005年3月18日朝阳煤矿从采集混煤15.20吨，用塑料编织袋包装，运送到兖州矿务局南屯煤矿救护中队院内的煤自然发火实验中心。2005年3月20日将块煤用破碎机边破碎边装入实验炉，共装煤13.68吨，于2005年3月21日开始进行实验。破碎后的煤样粒度分布如表2.1。
表2.1 煤样粒度筛分析结果表
粒 度 +6mm +4mm,-6mm +2mm,-4mm +1mm,-2mm -1mm 频 度(%) 50.22 24.18 14.09 8.92 2.59 注：表中“+”表示未通过该筛，“-”表示通过了该筛。
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
2.2 实验条件(见表2.2)
表2.2 实验条件
煤 平均粒径 实验煤高 d50(mm) (cm) 样 210 朝阳煤矿 10.25 煤 重 煤样体积 块煤密度 (cm3) (g/cm3) (吨) 13.860 12800000 1.405 容 重 (g/cm3) 1.082 空隙率 0.22 供风量 (m3/h) 0.5-6 起始温度 (℃) 22 2.3 实验台结构及原理 2.3.1 实验台结构
自然发火实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成(见图2.1)。
图2.1 煤自然发火实验台炉体外形图
炉体呈圆柱形，内径280cm，装煤高度200cm，由保温层和跟踪外层煤温的控温水层使炉内煤体处于良好的蓄热环境下，炉体顶、底部均有气流缓冲层，使气流由下向上均匀通过实验煤体，空气经控温水层预热，使之与所创造的煤自燃环境温度相同，然后从炉体底部送入。炉体外形如图2.1，内部结构如图2.2。
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