試論對綜放采空區隱蔽火源點防治新技術

摘要：煤炭自燃是具有自燃傾向性的煤在有適宜的供氧量、有蓄熱氧化環境和時間的條件下發生的物理化學變化的結果。該文針對目前綜放采空區各種防滅火技術與材料存在的不足，分析了綜放面煤層自燃火災特點，并對三相泡沫的組成、特點、發泡機理、及防治采空區煤炭自燃機理等幾方面進行了闡述和分析。

關鍵詞：煤炭自燃 防滅火 三相泡沫

1 問題的提出

煤層自燃火災是礦井主要災害之一，嚴重威脅著煤礦人員安全以及造成重大經濟損失。全國煤礦中有56%的礦井存在煤層自然發火的危險，在已開采過的220個綜放工作面中發生了182次自燃火災事故。煤層自燃火災成為制約高產高效礦井安全生產與發展的主要因素之一。

2 綜放采空區煤層自燃火災特點

綜放工作面采用后退式開采，“U”型通風方式，實行無煤柱開采，采場進風巷及采空區與鄰近采空區(已封閉)連成一片，構成比較復雜的漏風型式，采場的內部漏風與煤炭自燃有著密切的聯系，直接影響著采空區氧化“三帶”的分布，具體表現如下：

2.1 大多數煤層都具有自燃傾向性，且由于綜放工作面的單產高，走向長度較大，有的工作面目前已超過2000m，工作面回采時間均超過煤層的最短自燃發火期，煤體在空氣中的暴露時間較長。

2.2 綜放開采時，采空區丟煤比較多，這些浮煤呈破碎狀態，為采空區自燃火災的發生提供了條件。

2.3 自燃火災大都發生在距暴露面一定深度的中部，這里漏風強度適中，風速慢，氧氣濃度適宜，易滿足煤的自燃條件而形成自燃高溫點，且采空區遺煤的氧化帶與自燃帶一般在工作面的30m之后。

2.4 綜放開采工作面兩端頭的頂煤難以回收，兩端頭丟失的頂煤冒落后堆積。在沒有相鄰界采、空區時，綜放面的漏風為采空區的小并聯漏風。綜放工作面兩端頭是采空區漏風的源與匯，這兩處的漏風均比較大。

2.5 綜放面本面順槽、切眼、停采線自燃危險性較大。綜采工作面巷道沿煤層底板掘進，通常頂部留有幾米厚(一般大于3m)的頂煤，在掘進動壓及相鄰采煤工作面回采動壓影響下，頂煤受壓而破碎、離層，區段煤柱也被壓酥，在掘進過程中，還經常出現頂煤冒落，支護后，在棚網上堆積了一定量的松散浮煤。

3 當前主要采用的防滅火技術及評述

隨著煤炭工業的高速發展，煤層自燃火災治理技術取得了顯著的成績。目前國內外防滅火技術主要常采用預防性灌漿技術、阻化劑技術、注水技術、惰性氣體技術等，在某些條件下也采用堵漏技術、凝膠技術等。

在20世紀50年代，灌漿技術成為我國煤礦防滅火手技術的主要手段，并且一直沿用到今天。所謂的預防性灌漿技術就是指將水和灌漿材料按適當的比例混合，配制成一定濃度的漿液，經過鋪設的輸漿管路利用自然壓差或泥漿泵送到可能發生煤炭自燃的區域，以防止自然火災的發生。阻化劑技術在美國、波蘭、前蘇聯等國家得到了較好的應用；近些年來，阻化劑技術在我國也得到推廣應用。該技術主要是讓水溶液附著在易被氧化的煤體表面，惰化煤體表面的活性結構，阻止煤與氧氣的接觸的作用。近年來，凝膠技術在我國得到較廣泛應用。凝膠分為無機凝膠和高分子凝膠兩大類，其防滅火機理是凝膠通過鉆孔或煤體裂隙進入高溫區，其中一部分未成膠時在高溫下水分迅速汽化，快速降低煤表面溫度，殘余固體形成隔離層，阻礙煤氧接觸而進一步氧化自燃；而流動的部分混合液隨著煤體的溫度的升高，在不遠處及煤體孔隙里形成膠體，包裹煤體，隔絕氧氣，使煤氧化、放熱反應終止；干涸的膠體還可以降低原煤體的孔隙率，使得通過的空氣量大大減少，從而抑制復燃。

4 三相泡沫防滅火新技術

4.1 三相泡沫的組成及特點 防治煤炭自燃的三相泡沫由固態不燃物(粉煤灰或黃泥等)、惰性氣體(N2)和水三相防滅火介質組成。三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫性進行防滅火，大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發泡倍數較高，單位體積的泡沫材料成本大幅下降，具有較高的經擠效益。

與現有的防滅火技術及材料相比，三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優點。泥漿通過注入氮氣發泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，并在采空區中可向高處堆積，對低、高處的浮煤都能覆蓋，能夠避免注入的漿體從底部流失；注入在采空區的氮氣被封在泡沫之中，能較長時間滯留在采空區中，充分發揮氮氣的窒息防滅火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質，這些固態物質是三相泡沫面膜的一部分，可較長時間保持泡沫的穩定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然發火，這是三相泡沫防滅火性能的優越性。

4.2 三相泡沫防治煤炭自燃的機理 采空區煤體發生自燃，應服從四面體的概念，即煤、氧氣、熱量、鏈反應的4要素缺一不可。通過對要素中任何一個要素的切斷控制，都會阻止煤炭自燃。三相泡沫技術可以同時對煤炭自燃的4個要素進行控制，因此防治煤炭自燃的效果顯著。

4.2.1 封堵采漏風通道與煤體裂隙，包裹煤體，隔絕煤氧結合。對于綜放面采空區而言，大量浮煤是普遍存在的，因此必須采取措施隔絕煤氧結合，降低煤氧相互作用的機會。三相泡沫中的固體不燃物(粉煤灰或黃泥)，恰恰是針對這種特性，封堵采空區漏風通道與煤體裂隙，包裹煤體，阻止氧氣進入，隔絕煤氧結合，極大地降低了煤氧反應中的煤與氧的濃度，從而大大降低反應速率和放熱速率，達到防治煤炭自燃的目的。

4.2.2 對于已有升溫趨勢的煤，具有吸熱降溫作用。若煤體與周圍環境的溫度升高，活動分子和活化能就會增加，煤氧分子的化學反應速率和放熱速率就會加快。煤炭自燃的誘因之一是由于煤的自然氧化產生的熱量聚集。溫度上升的速度既取決于反應產熱量，又取決于周圍環境的散熱條件。在采空區一般僅存在漏風小通道，散熱條件較差，易于形成熱量積聚。當產熱速率大于散熱速率時，采空區內將迅速聚集大量熱量，隨即溫度上升，化學反應速度加快，同時產生更多的熱量，造成惡性循環，直至引發煤炭自燃。

4.2.3 潤濕煤體，阻化煤體自燃。為防治煤炭自燃，需降低煤氧化放熱速率。由于使用的發泡劑是由幾種表面活性劑復配而成，一方面，發泡劑本身就是一種很好的阻化劑，能有效地阻止煤體官能團的產生和自由基的鏈式反應，對煤的自燃有很好的阻化效果；另一方面，水均勻的分散在煤體上，也是一種非常好的阻化劑。

4.2.4 降低采空區氧氣濃度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤體。若采空區中氧氣濃度過高，則化學反應速率和放熱速率就會增大。因此，在必要時，需要降低其區域內的氧氣濃度。

5 結束語

綜上所述，我國的礦井防滅火技術與手段，確實有了較大的發展與提高。但應看到，目前發火形勢依然嚴峻，還需要繼續不斷地完善和提高防治技術水平，研究和開發創新技術與手段，以便從根本上改變煤礦煤自燃火災的不利形勢。此外，還要有足夠的投入和嚴格的管理。各礦必須清醒地認識到這一點，給予極大的重視。只有舍得在這方面加大投入，才會獲得優厚的回報。

參考文獻：

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