分类号 密级
太原理工大学
硕 士 学 位 论 文
题 目 基于火源精确探测的矿井自燃火灾灭火
技术研究
英文题目
研究生 姓名 王 文 晖 专 业 采 矿 工 程 研 究 方 向 安全技术与工程 导 师 姓 名 邬 剑 明 职 称 教 授
学位授予日期 学位授予单位
论文提交日期 地 址
太 原 理 工 大 学
基于火源精确定位基础上的矿井火灾防治技术
摘 要
煤层自燃是指在自然环境下，煤炭因氧化聚热引发的燃烧现象。煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一。目前的煤田火灾仍十分严重，对资源造成了巨大浪费的同时也严重破坏了生态环境，而扑灭这些火灾到目前为止仍困难重重。因此，对地下煤田和煤层防灭火技术进行进一步研究意义重大。
本文主要介绍了我国煤炭自然火灾的现状以及我国煤田火灾监测和煤田火灾防治技术的发展。
本文详细论述了胶体的种类以及各种胶体的化学物理特性，重点探讨了：（1）胶体防灭火的优缺点；（2）在不同情况下选择不同类型的胶体对火区的控制效果；（3）根据地下火区分布状态、采空区和巷道的具体情况等，采用不同的配比方案对灭火效果的影响。
煤田自然火灾防治的关键技术是精确确定地下火源的位置和范围。本文在前人的研究基础之上，研究分析了氡在空气和其他介质中的运移规律。提出并分析了温度、水溶解度、裂隙和通风状态对应用测氡法精确定位地下火源位置时的影响。为了研究火区地表氡的运移规律，做了多次现场实验，初步得出地表为松散介质时或地表介质受裂隙影响时，介质内氡浓度接近大气中氡浓度的结论，并证实了在松散介质内，氡的运移基本服从以对流扩散为主的运移方式。本项研究主要以现场实验为主，实验室模拟和理论计算为辅的研究方式，第一次较为全面的研究了火区上方地表氡的分布状态以及影响地表氡分
布的因素，分析了采用CD-1α杯测量仪测量氡值时所受影响，提出了相应的解决办法，并在现场应用取得成功。
在现场灭火时，应用同位素测氡法对地下火源位置进行了精确定位，在此基础上布置了钻孔，分析了火区的情况，分别采用了灌浆、注浆、注胶和堵漏等方法对火区进行了控制，取得了良好的灭火效果和经济效益。
由此得出结论：应用同位素测氡法可以精确定位地下500m以下甚至更深的火源位置，在此基础上应用综合防灭火技术，采用新材料对火区进行综合处理，效果好，成本低，方法应用简单方便，具有实际使用价值。
关键词：煤田火灾，测氡法，胶体，综合防灭火技术
第一章 绪论
1.1 煤田火灾控制与预防技术研究的意义
煤炭目前还是我国最主要的能源，且我国煤炭储量十分丰富。全国约75%的工业燃料和动力，60%的化工原料和绝大部分的民用燃料依靠煤炭，煤炭的开采和利用对我国的反战起着重要的作用。
煤田火灾的危害十分巨大。它不仅使灾区经年累月烟火弥漫，植物难以生长，生态环境严重恶化。它还造成煤炭资源的巨大浪费，并成为地球大气污染的重要来源。据有关方面的估计，我国每年约有2亿吨的煤被煤田大火所吞噬，大火释放出来的二氧化碳相当于美国所有公路交通工具每年排放的总量。
引起煤田火灾的原因十分复杂。有的靠近地面的煤层会在日光的暴晒下发生自燃；有的侧与雷电或森林火灾有关；但更多的与人类活动，尤其是采矿关系密切。再则人们还注意到，煤田火灾除外因外，煤田本身内在的原因也很重要。研究表明，物质组成不同的煤，其自燃倾向性也不同。褐煤比烟煤更易自燃，含硫量高的煤也较易自燃。一些曾遭水浸，水分蒸发后的煤层也易自燃[1]。
扑灭煤田火灾迄今仍是一项十分困难的任务。这是因为火苗在地下运移，人们无法直接观测到，而且已经发现地下大火常常能够穿过地下非可燃性物质组成的广阔屏障，在远处引起大火，所以使人们不免顾此失彼，难以将其全歼，使其轻而易举的死灰复燃。如美国曾在圣曲利亚大区钻了许多井，用水灌整个区域，试图覆盖并窒息这场大火，但却未见成效。有人据此指出，地下火焰异常灼热，高温使水分子分解成氢和氧，反而起到了火上浇油的效果。于是又有人建议用烟灰渣来熄火。几年来，人们又钻了近1800个井孔，灌进约12.3万吨烟灰渣和8.96万立方米的沙土，但这些努力仍然付之东流，大火依然绵绵不断[2]。鉴于扑灭煤田火灾的困难，也有人建议反其道而行之，不是设法扑灭大火，而是让大火加速燃烧，以利用煤层因燃烧升温而产生的可燃性气体，变采煤为采气。显然，如果能够实现这一设想，不仅煤炭资源不再被白白烧掉，而且还可以使那些目前无法开采的煤层也能生产出有用的气体燃料，变废为宝，遗憾的是，这一设想尽管非常美好，但真正要付诸实施却也困难重重，因为目前人们还无法解决这样一个技术难题，即如何妥善的把煤层产生的可燃气体收集在一起，以供利用。
1.2 煤田火灾现状及其危害（可以使用）
煤田自燃是指在自然环境下，未开采的煤炭因氧化聚热沿煤层露头引发的燃烧现象。煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一。煤田自燃不仅在中国发生，在印度、美国、俄罗斯、澳大利亚、印度尼西亚以及中亚等地区也普遍存在。煤层自燃不仅直接烧掉了宝贵的煤炭资源，而且还破坏了煤层的赋存条件，危及煤矿的安全生产，使得大量煤炭资源难以开采而间接损失；更为严重的是煤层无控制地不充分燃烧，释放出大量有害物质，引发一系列的生态环境恶效应；煤田自燃，煤层消减，导致地表塌陷，河流改道，地下水位降低，部分土地荒漠化，严重地破坏了国土资源。这些都恶化着人类的生存环境与条件，影响着地区社会经济的可持续发展。在1992年“世界环发大会”之后，煤田自燃作为一种自然灾害已成为有关国家政府关注的主要环境问题；1994年我国政府已将煤田自燃灾害的治理列入“中国 21世纪议程”，使得煤田自燃灾害的治理工作步入国家环境高峰期虽然速送往工程行列。
中国的煤田自燃多分布于干旱少雨的北方地区。根据遥感调查，我国北方煤田火区共有56处，分布在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等七个省、区。(表1-1)煤田火区的燃烧面积累计达720km2。目前正在燃烧的火区面积约为17－20km2。新疆地区煤田火灾最严重，占整个北方地区的65%以上；在新疆区尤以准南煤田最严重。
北方煤田自燃多发生在煤质好，灰分低，埋藏浅和易于开采的厚煤层地区，地理上处在气候干旱、特干旱的中西部煤炭资源赋存较集中的地带。据调查煤田自燃已经烧失的煤炭资源达4.2Gt以上，目前每年因自燃直接烧失的煤炭资源量达10－13.6Mt。由于自燃破坏了煤层的赋存条件，导致部分煤炭资源不能开发利用，间接损失的优质煤炭资源达0.2Gt。我国能源以煤炭为主(占75%)，煤田自燃灾害直接影响、威胁着我国能源战略向中西部转移的方针。
表１－１ 中国北方主要煤田自燃火区分布简表
省区 新疆 甘肃 青海 宁夏 陕西 内蒙古 山西 合计