煤層自燃防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

摘要：隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)量的不斷增加，新建礦井不斷增多，存在自燃發(fā)火危險(xiǎn)的礦井已占到全國(guó)煤礦總數(shù)的60%以上，頻發(fā)的煤層自燃事故，已嚴(yán)重地威脅國(guó)家利益和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的持續(xù)發(fā)展造成不利影響。本文主要介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)上的研究成果。

關(guān)鍵詞：火災(zāi) 煤層自燃 防治 措施

0 引言

礦井火災(zāi)是煤礦五大災(zāi)害之一，在礦井火災(zāi)發(fā)生總數(shù)中，外因火災(zāi)所占比重較小，粗略地說(shuō)90%以上的礦井火災(zāi)都屬于煤層自然發(fā)火引起的內(nèi)因火災(zāi)，因此煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)的研究十分重要。

1 煤層自燃危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法

現(xiàn)階段，我國(guó)的煤炭行業(yè)主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)類比預(yù)測(cè)法、自燃傾向性實(shí)驗(yàn)、綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法三種途徑來(lái)預(yù)測(cè)外煤層自燃危險(xiǎn)性。

1.1 統(tǒng)計(jì)類比預(yù)測(cè)法 該預(yù)測(cè)方法是基于業(yè)內(nèi)現(xiàn)有自然發(fā)火事故統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)現(xiàn)采煤條件下煤層的自然危險(xiǎn)性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。該方法僅能參照煤層自然發(fā)火數(shù)據(jù)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)煤層可能發(fā)火的危險(xiǎn)性進(jìn)行粗略的分析。

1.2 自燃傾向性實(shí)驗(yàn) 該預(yù)測(cè)方法是按照測(cè)試煤的自燃傾向性劃分出煤層自然發(fā)火等級(jí)，將現(xiàn)場(chǎng)煤體與劃分結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后確定煤層自燃發(fā)火危險(xiǎn)程度。

自20世紀(jì)90年代起，色譜動(dòng)態(tài)吸氧法在我國(guó)得到初步的推廣和應(yīng)用。該方法將色譜儀中分離氣體的色譜柱改換成了煤樣試管，測(cè)量煤樣對(duì)氧氣的物流吸附量，并以某一溫度條件下（30℃）每克干煤的吸氧量來(lái)分出自燃性等級(jí)。

1.3 綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法 綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法是基于大量數(shù)據(jù)資料對(duì)引起煤層自燃的主要因素進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)煤層自燃發(fā)火的危險(xiǎn)程度進(jìn)行判斷。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測(cè)煤層自燃的危險(xiǎn)程度。

2 煤層自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)主要通過(guò)指標(biāo)氣體分析法、測(cè)溫法、示蹤氣體法、氣味檢測(cè)法、測(cè)氡法等有效途徑來(lái)預(yù)報(bào)煤炭自燃情況。

2.1 指標(biāo)性氣體分析法 煤炭在氧化自燃過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生乙烷、乙烯、CO和CO2等指標(biāo)性氣體，分析這些氣體就能準(zhǔn)確得知煤炭氧化和燃燒程度，其生成物的種類與溫度能有一定的規(guī)律，因此可利用指標(biāo)性氣體的發(fā)生量和變化規(guī)律，來(lái)預(yù)報(bào)煤炭自燃發(fā)火情況。

當(dāng)前，許多國(guó)家均通過(guò)CO氣體對(duì)煤體自燃發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其原因是：①煤炭在低溫氧化時(shí)煤體溫度逐漸升高，CO在這一過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著的變化，對(duì)煤體自燃的反映比較靈敏。②煤層中不含CO，CO氣體生成后會(huì)被風(fēng)流快速稀釋并排除。③CO指標(biāo)性氣體檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易操作。在井下作業(yè)過(guò)程中，空氣中一旦有CO氣體出現(xiàn)并不斷增加，就可直接判定井下煤層存在高溫點(diǎn)或煤層已發(fā)生氧化自燃。

通過(guò)CO監(jiān)測(cè)煤層自燃發(fā)火情況也存在一定的弊端。從煤體開(kāi)始低溫氧化至著火燃燒都可能出現(xiàn)CO，該氣體涌出溫度范圍寬，不易準(zhǔn)確把握其定量臨界值。為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出，可通過(guò)烷烯烴類氣體把握定量臨界值，對(duì)煤層自燃情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。煤樣加溫實(shí)驗(yàn)證明，烷烯烴類氣體涌出溫度范圍比CO窄，通過(guò)它可準(zhǔn)確判斷煤層自燃情況。在試驗(yàn)中，當(dāng)煤溫達(dá)到70～80℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生乙烷氣體；煤溫為110～130℃時(shí)產(chǎn)生乙烯，達(dá)到130～150℃時(shí)產(chǎn)生丙烷、丙烯，達(dá)到150～170℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生丁烯。井下作業(yè)過(guò)程中，只要準(zhǔn)確把握這個(gè)規(guī)律，就能根據(jù)烷烯烴氣體和碳原子數(shù)量來(lái)推測(cè)煤溫，進(jìn)而確定煤層自燃情況。

2.2 測(cè)溫法 該方法是通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)溫度，進(jìn)而判定煤層發(fā)火危險(xiǎn)程度。煤溫和煤層發(fā)火程度都可以通過(guò)該方法直觀地反映出來(lái)。

2.3 示蹤氣體法 示蹤氣體具有良好的惡穩(wěn)定性，可通過(guò)該氣體測(cè)量采空區(qū)漏風(fēng)量。先選擇一些在一定溫度條件下容易熱解的氣體，在同一環(huán)境中使其與示蹤氣體共同釋放，然后通過(guò)采樣對(duì)其比例變化進(jìn)行檢測(cè)，也可對(duì)其分解物進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)掌握煤層火災(zāi)隱患點(diǎn)的溫度值，達(dá)到預(yù)測(cè)煤體自燃的目的。

2.4 氣味檢測(cè)法 該方法是通過(guò)一組不同類型的氣味傳感器，根據(jù)不同氣味傳感器的仿生雙分子膜在感知不同氣味刺激后引起傳感器晶振裝置頻率的變化，并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)不同種類的氣味物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，氣味傳感器可以感知煤體在低溫（30～40度）氧化初期釋放氣味的細(xì)微變化，由此預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤層自然發(fā)火情況。

2.5 測(cè)氡法探測(cè)火源位置 煤巖底層含有半衰期較長(zhǎng)的天然放射性元素。在衰變過(guò)程中，放射性元素可衰變成氡元素，同時(shí)放出射線，我們可根據(jù)粒子濃度的測(cè)量結(jié)果對(duì)氡氣濃度值進(jìn)行測(cè)定?；诿簬r底層的地質(zhì)構(gòu)造和巖性的差異，同一地區(qū)的不同巖層或同一巖層中的不同層位所含的放射性元素總量，以及其衰變產(chǎn)物從地下向上遷移速率和濃度都存在差異。當(dāng)?shù)叵麓嬖跓嵩磿r(shí)，由于地下火區(qū)所產(chǎn)生的溫濕度和壓力條件的變化，在相似的地質(zhì)條件下，氡及其同位素向上遷移的速率，高于地下無(wú)熱源時(shí)的遷移速率。采空區(qū)的自燃區(qū)頂部氡氣濃度比無(wú)熱源區(qū)的氡氣濃度高。通過(guò)科學(xué)的測(cè)量方法對(duì)氡氣濃度變化進(jìn)行測(cè)量，確定出異常變化區(qū)域，進(jìn)而對(duì)地下采空區(qū)火源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

3 指標(biāo)性氣體檢測(cè)技術(shù)

煤炭自燃指標(biāo)氣體的檢測(cè)技術(shù)主要有兩種：人工檢測(cè)和礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1 人工檢測(cè)是檢測(cè)煤炭自燃指標(biāo)氣體的主要方式 該方法是對(duì)自燃危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行人工采樣，地面運(yùn)用色譜儀分析確定指標(biāo)氣體的成份和濃度，進(jìn)而對(duì)煤層自燃發(fā)火情況進(jìn)行判斷。該操作方法簡(jiǎn)單易行，無(wú)需過(guò)多的設(shè)備，適用性強(qiáng)，但是工作量大、間隔時(shí)間長(zhǎng)，影響檢測(cè)的時(shí)效性。

3.2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 目前，井下作業(yè)已有一種專業(yè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層自燃發(fā)火情況。工程人員均采用聚乙烯管通過(guò)地面抽氣泵將氣體抽送至地面，再由氣樣分選器依次將不同測(cè)點(diǎn)氣樣輸送至色譜儀進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判定煤層自燃情況。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有不足之處，如束管線路長(zhǎng)不易于維護(hù)管理。為解決這一問(wèn)題，要綜合運(yùn)用氣體分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，即通過(guò)移動(dòng)式抽氣泵對(duì)氣體進(jìn)行抽樣，通過(guò)氣樣傳感對(duì)氣體成分進(jìn)行分析，然后將信號(hào)傳輸至地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理氣體數(shù)據(jù)，并把信號(hào)傳導(dǎo)到地面計(jì)算機(jī)對(duì)氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并做出預(yù)報(bào)。

4 礦井防滅火技術(shù)及其特點(diǎn)

現(xiàn)階段，堵漏、均壓、阻化劑防滅火技術(shù)、惰性氣體防滅火技術(shù)、灌漿防滅火技術(shù)、膠體防滅火和三相泡沫防滅火技術(shù)等，是井下作業(yè)常用的防滅火技術(shù)。

4.1 控制漏風(fēng)防滅火技術(shù) 控制漏風(fēng)技術(shù)主要是堵漏和均壓通風(fēng)，以減少或阻斷松散煤體氧氣的供給。

堵漏風(fēng)技術(shù)包括水泥噴漿、泡沫噴涂、納米改性彈性體材料涂抹等技術(shù)措施。其中，堵漏風(fēng)效果最好的是納米改性彈性體材料涂抹措施。納米改性彈性材料的伸長(zhǎng)性和氣密性絕佳，將此種材料刮涂抹在煤巖體和密閉墻上，不僅簡(jiǎn)便易行，而且能按照施工要求對(duì)固化時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，固化后表面形成彈性體。

均壓通風(fēng)防滅火的實(shí)質(zhì)是，利用風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)、調(diào)壓氣室和連通管等調(diào)壓設(shè)施，改變漏風(fēng)區(qū)域的壓力分布，降低漏風(fēng)壓差，減少漏風(fēng)，從而達(dá)到抑制遺煤自燃的目的，降低煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度。

4.2 阻化劑防滅火技術(shù) 阻化劑防滅火的機(jī)理是降低煤在低溫時(shí)的氧化速度，延長(zhǎng)煤的自燃發(fā)火期。阻化劑只有與水混合成一定濃度的水溶液才能起到防滅火的作用，當(dāng)阻化劑的水溶液附著于煤層表面形成含水液膜，阻斷外部氧氣供給的同時(shí)，可以使煤層保持濕潤(rùn)狀態(tài)，從而有效控制其低溫氧化時(shí)的溫度，有效防止煤體自燃。當(dāng)煤體溫度達(dá)到一定程度，惰性阻化劑開(kāi)始吸熱氣化，生成惰性阻化氣體，阻斷發(fā)火區(qū)域的自由基鏈鎖反應(yīng)，高溫分解后的化合物會(huì)在煤體表面形成薄膜，冷卻后變成脆性覆蓋物阻斷氧氣供給，從而防止煤體自燃。

在化學(xué)上凡是能減少化學(xué)反應(yīng)速度的物質(zhì)皆成為阻化劑，目前最常用的阻化劑有CaCl2、MgCl2、氯化銨以及水玻璃等。從目前的應(yīng)用來(lái)看CaCl2、MgCl2、氯化銨等對(duì)褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤有很好的阻化效果，水玻璃對(duì)高硫煤有較高的阻化率。應(yīng)用阻化劑防滅火的主要方法是表面噴灑、鉆孔壓注以及利用專用設(shè)備向采空區(qū)送入霧化阻化劑等。

阻化劑防滅具有施工工藝簡(jiǎn)單、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但是阻化劑對(duì)金屬設(shè)備有一定的腐蝕作用，其阻化壽命有待進(jìn)一步提高。

4.3 惰性氣體防滅火技術(shù) 最常見(jiàn)的防滅火惰性氣體是氮?dú)狻⒍趸己腿細(xì)猓栊詺怏w防滅火技術(shù)的主要目的是降低火區(qū)氧氣濃度，窒息火區(qū)。國(guó)內(nèi)外煤礦應(yīng)用惰性氣體防滅火的實(shí)踐表明：惰性氣體具有滅火速度快，既能防火，也能滅火，還能抑制瓦斯爆炸，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為防治煤層內(nèi)因火災(zāi)的有效技術(shù)措施之一。

4.4 灌漿防滅火技術(shù) 灌漿防滅火技術(shù)就是把粘土、粉煤灰等不燃性固體材料與水混合、攪拌，配置成一定濃度的漿液，借助注漿設(shè)備和管路注入或噴灑在采空區(qū)內(nèi)，達(dá)到防滅火目的。巖石和碎煤的縫隙內(nèi)填充了漿液，沉淀的固體物質(zhì)充填裂隙同時(shí)包裹浮煤，以達(dá)到隔氧堵漏的效果。泥漿包裹煤體，隔絕其氧氣供給，吸熱降溫，良好的防滅火效果受到業(yè)界的普遍認(rèn)可。

4.5 膠體防滅火技術(shù) 膠體材料（也稱凝膠）由基料、促凝劑和水組成，主要有硅酸凝膠、硅鋁凝膠和復(fù)合膠體等，是近年來(lái)應(yīng)用于煤礦井下防滅火應(yīng)用較多的材料。膠體防滅火技術(shù)不僅具有良好的堵漏、降溫功能，同時(shí)能達(dá)到阻化、團(tuán)結(jié)水的效果，在指定的部位和適宜的時(shí)間使水溶液發(fā)生膠凝，將高溫煤體包裹起來(lái)，利用水的吸熱降溫的功能有效防止煤體自燃。該技術(shù)有效解決了灌漿和注水的泄漏流失問(wèn)題，防止其快速汽化，僅因水分緩慢蒸發(fā)而逐漸萎縮，滅火安全性好，但凝膠材料密度較大，充填時(shí)材料運(yùn)輸強(qiáng)度大，充填效率低，不適用于井下大面積充填作業(yè)，屬于非常規(guī)、局部的防滅火技術(shù)，用于處理高溫點(diǎn)。

為克服膠體充填防滅火過(guò)程中存在的不足，2000年研發(fā)出了新型防滅火充填材料—復(fù)合凝土。它是以黃土或粉煤灰為骨料，加入促凝劑、防收縮劑、緩釋劑和固化增強(qiáng)劑等四種輔料組成的一種凝固時(shí)間可調(diào)的高水、無(wú)污染且成本低廉的防滅火充填材料。其防滅火原理與膠體防滅火基本相同，所不同的是該充填材料壓入破碎煤體后不僅能密實(shí)充填其中的裂隙，硬化后還具有一定的強(qiáng)度，可防止破碎煤體發(fā)生滑移流變，同時(shí)符合凝土干燥失水后，再加水時(shí)具有較強(qiáng)的吸水性，且不會(huì)被沖散，可達(dá)到長(zhǎng)期防滅火的目的。但是符合凝土需預(yù)先制備，且混合材料的制備要求和保存要求較高。

4.6 三相泡沫防滅火技術(shù) 三相泡沫多用于處理高溫點(diǎn)和火區(qū)，三相泡沫具有良好的堆積性，對(duì)高、低處的自熱煤體均能覆蓋，滯留時(shí)間較長(zhǎng)，泡沫破裂后釋放的惰性氣體具有窒息性，漿液中的水具有吸熱降溫性。

分析當(dāng)前眾多防滅火技術(shù)，發(fā)現(xiàn)每項(xiàng)防滅火技術(shù)都有其特殊性和適用條件，利用單一的防滅火技術(shù)不能完全預(yù)防和杜絕煤層自然發(fā)火事故發(fā)生，只有全面掌握煤層自燃發(fā)火的機(jī)理和規(guī)律，堅(jiān)持“安全第一，預(yù)防為主的”指導(dǎo)方針，提前采取防治措施，才能有效治理煤層自燃發(fā)火，確保礦井長(zhǎng)治久安。治理煤層自燃發(fā)火是煤礦防滅火技術(shù)人員一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，防滅火技術(shù)也在不斷進(jìn)步，防治手段也將不斷完善。

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