煤自燃災害防治技術現狀與挑戰

鄧 軍，白祖錦，肖 旸，宋澤陽

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安710054）

煤自燃火災的防治對保障國民經濟穩定發展具 有重要的地位，煤礦安全一直受到黨中央、國務院高度重視，特別是黨的十八大以來，習近平主席多次強調“安全生產事關人民福祉”，李克強總理在十三屆全國人民代表大會第三次會議中明確提出“保障能源安全，其首要是推動煤炭清潔高效利用”，可見煤炭安全利用關系到千家萬戶，關系到每一個家庭的切身利益。

當前我國正處于經濟轉型升級的關鍵時期，新能源和可再生能源對化石能源，特別是對煤炭的增量替代效應明顯，對煤炭的需求在長時期內將難以發生變化，煤炭仍是我國能源安全戰略的基石[1]。然而，煤炭在開采的過程中長期遭受煤火災害的困擾，如何有效地預防煤火災的發生，是保證煤炭安全開采的關鍵，也是難點。隨著礦井開采深度的增加和綜采技術的發展，煤自燃災害形勢也更加嚴峻[2]。同時，我國煤田火災害也十分嚴重。煤火災已經直接影響到我國煤炭資源的可持續發展和國家生態文明建設。因此，煤火災害的防治是當前亟待需要解決的問題。為此對現有的防滅火新技術進行綜述，對防滅火新材料進行介紹，分析當前煤火災害防治面臨的問題，并對煤火災害防治新技術、新材料的發展進行展望。

1 煤火災害分布及危害

根據成因和形成條件，煤火災害可分為2 類：一類是煤自燃火災，主要有礦井煤自燃火災、地面儲煤堆自燃火災和煤矸石山自燃火災，其中礦井煤自燃火災更為常見，后果更加嚴重；另一類是煤田火災，屬于典型的非控燃燒，波及面積廣、深度大[3]。

1）煤自燃火災。煤自燃是礦井的五大災害之一，煤自燃易引起瓦斯、煤塵等爆炸事故，嚴重威脅著礦井的安全開采。據統計，我國的25 個主產煤省區的130 余個礦區中，受煤自燃隱患困擾的煤礦超過70%。其中40 個大中型礦區煤層自然發火嚴重。全國657 處重點煤礦中，有煤層自然發火傾向的礦井數量占54.9%。最短自然發火期小于3 個月的礦井數量占50%以上，自燃火災嚴重影響煤礦安全生產[4]。近年來，隨著放頂煤技術的發展和開采深度的增加，采空區遺煤增多，溫度升高，擾動增強，煤自然發火形勢愈加嚴重。例如山東新礦集團的高地溫特厚分層開采煤層已達1 200 m 深，地溫已超過35 ℃，通過冰塊等降溫方法也只能降工作面200 m 范圍以內的溫度。

2）煤田火災。煤田火災分布廣泛、火災程度嚴重。我國的煤田火災主要分布在新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、山西、內蒙古等7 個產煤大省（自治區），現共有200 多個煤田火區，從帕米爾高原到大興安嶺的沙漠干旱帶上，形成了東西長5 000 km、南北寬150～350 km 的煤火燃燒帶。近年來，受到干燥少雨的氣候、埋藏淺、露頭多等自然因素和大規模煤炭開采等人為因素的影響，新疆維吾爾自治區煤田火災問題尤為嚴重，目前新疆煤田火區還有46處，火區面積669 萬m2。煤田火災造成環境污染，嚴重浪費資源。據統計[5]，僅新疆每年因煤田火災損失煤炭資源442 萬t，排放二氧化碳1 320 萬t、一氧化碳10.3 萬t、總烴2.05 萬t、二氧化硫4.41 萬t、煙塵1.05 萬t，在低空造成有害氣體嚴重超標，在中空對流形成大范圍的酸雨，在高空破壞臭氧層。同時，煤田火災破壞周圍森林與其他植被，滑坡與泥石流等地質災害也大大增加，引起次生災害的頻發。

2 煤自燃火災防治理論與技術研究進展

2.1 煤自燃火災防治理論與方法

煤氧吸附是煤自燃過程中關鍵的一步，煤在氧化的過程中吸附氧氣，不斷發生鏈式反應，從而放出熱量，造成煤體升溫。煤自燃的發展，需要經過潛伏期、自熱期和燃燒期3 個時期[6]。煤自燃發展階段可量化煤自燃預警指標，確定煤自燃預警指標臨界值，建立煤自燃預警指標體系。通常認為在煤臨界溫度之前采取措施是防治煤自燃的關鍵。臨界溫度之前的區域稱為潛伏期（準備期），臨界溫度與裂解溫度之間的區域為自熱期，裂解溫度之后的區域為燃燒期。另外，煤炭自燃需具有自燃傾向性且成破碎狀態、熱量可以積聚、持續的通風供氧和足夠的時間，四者缺一不可。因此，可根據煤自燃發展過程的階段特征及發生條件來采取防治措施，在自熱區域采用阻化劑預防煤自燃，在自燃區域主要是采取無機膨脹充填、灌漿、注膠等措施進行控制，在高溫區域主要是采用液態二氧化碳、液氮、挖除火源等方法進行熄滅，煤自燃防控理論與方法如圖1，煤自燃各階段防控技術見表1[7]。

2.2 煤自燃低溫氧化預防技術

根據煤氧復合機理，學者開發了眾多類型的阻化劑，這些阻化劑通過吸水隔氧、保濕降溫、抑制或中斷鏈式反應作用等協同發揮，延緩煤的氧化歷程，抑制煤自燃[8]。

圖1 煤自燃防控理論與方法Fig.1 Theories and methods of prevention and control for CSC

表1 煤自燃各階段防控技術Table 1 Prevention and control technologies at various stages of CSC

1）物理類阻化劑。物理阻化劑可改變煤體周圍的物理環境來達到預防煤自燃的效果，但由于阻化劑易受溫度、地形等因素的影響，存在阻化壽命短的關鍵問題，從而造成火區易復燃，只能再次使用阻化技術預防煤體溫度上升。各物理阻化劑的優缺點見表2。由表2 可以看出：①吸水性鹽：氯鹽所含大量水分高溫下蒸發吸熱，防治熱量積聚，降低煤氧復合反應，當溫度達到臨界溫度時，溫敏材料中的阻化劑被釋放出來，克服了氯鹽與高含水物理阻化劑抑制作用時間短且流動性強的缺點[24]，銨鹽受熱分解可吸收煤氧化反應產生的熱量，起到降溫的作用，同時分解產生的氨氣和二氧化碳也會稀釋氧氣濃度；②高聚物：由高聚物、特殊的表面活性劑和一定比例的添加劑組成的物質，將表面活性劑吸附在煤粒表面使其濕潤，不僅吸收煤氧復合反應放出的熱量，也可隔絕煤體表面的氧氣，從而延緩煤反應進程。③泡沫材料：利用泡沫的吸熱、隔氧等性能進行防火[25]；④氣溶膠阻化劑：是以超聲波霧化技術將阻化劑如氯鹽霧化后注入危險區域；其顆粒粒度極小，具有比表面積大、懸浮時間長、擴散速度快等特點，通過物理、化學作用實現滅火；⑤膏體阻化劑：依靠抗壓性能強及隔氧的作用，常用于井下防滅火和堵漏風工作。

2）化學類阻化劑。化學類阻化劑的阻化原理是阻化劑與低溫下煤的活性基團反應生成穩定的中間產物，惰化煤氧反應官能團活性，逐步中斷活化反應鏈，減弱煤氧化學反應，進而抑制煤自燃。各化學阻化劑的阻化特點見表3。由表3 可以看出：①抗氧化類阻化劑：搶先與煤中的自由基或者活性基團反應，破壞煤氧的復合進程，抑制煤自燃，例如，2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）可以與烷基自由基結合來降低自由基的活性和濃度，從而抑制了自由基的連鎖反應；②堿性阻化劑：常用與抑制高硫煤的自燃，例如，Ca（OH）2分別從物理、化學、負催化作用3 個方面抑制高硫煤自燃；③酸性阻化劑：以腐植酸鈉為代表，SH 與羧基反應形成氫鍵，阻止煤對氧的吸附；同時，SH 還與羥基反應形成穩定的醚鍵，從而減少自由基的數量，減緩煤的氧化過程；④離子液體阻化劑：是一種新型高效的化學阻化劑，可溶解破壞煤中氫鍵、芳香結構、脂肪族鏈烴以及烴基、羰基等含氧官能團等活性官能團，使其氧化活性降低，從而達到抑制煤自燃的目的。現研究表明咪唑類離子液體對煤溶解、破壞最為明顯[32]。

表2 物理阻化劑優缺點Table 2 Advantages and disadvantages of physical inhibitors

表3 化學阻化劑特征Table 3 Characteristics of chemical inhibitors

3）新型阻化方法。新型阻化方法主要包括：①熱處理方法：將煤進行預氧化使煤中活性分子惰化，從而降低氧化活性[33]；②復合阻化劑：克服了單一阻化劑的缺陷，兼具物理和化學阻化劑兩者的優點；③微膠囊復配阻燃技術：使用合適的壁材將阻燃劑包裹起來，在特定的溫度下釋放阻燃劑，起到抑制作用；④無機納米阻燃劑：阻燃劑的粒徑與表面積對阻燃率的影響很大，同時，基于對環境的保護，將部分無機阻燃材料和有機阻燃材料處理為粒徑1～100 nm 的微小微粒來阻化煤自燃。新型阻化劑的特點見表4。

2.3 煤自熱階段控制技術

當煤體溫度超過臨界溫度，煤體溫度持續升高，此階段煤氧化反應急劇增強，但煤體還未燃燒，運用自燃階段的預防技術已很難有效的控制煤體溫度，這時需采用無機膨脹充填、灌漿、注膠等技術控制火區溫度。膠體防滅火是防治煤自燃的重要阻化材料，自燃區域膠體材料特征見表5。目前大量使用的無機凝膠主要由水玻璃等基料與銨鹽、鋁酸鹽等促凝劑按一定比例形成的。在受熱的過程中可以吸收大量的熱，實現煤體自身降溫，同時還可以達到隔氧的目的[44]。

表4 新型阻化劑優缺點Table 4 Advantages and disadvantages of new types of inhibitors

表5 自燃區域膠體材料特征Table 5 Characteristics of colloidal materials in zone of CSC

2.4 煤燃燒階段滅火技術

當煤體溫度超過裂變溫度之后，煤體溫度急劇升高，出現明火，此時運用自熱階段的防火控制技術很難有效地控制火勢，需采用液態二氧化碳、液氮、挖除火源等技術控制火勢蔓延、發展，直至熄滅。

1）惰性氣體。我國早在20 世紀80 年代就開始使用惰性氣體來防治煤自燃，主要有氣態CO2、氣態N2、液態CO2和液態N2。惰性氣體抑制煤自燃的機理如圖2[54]。當惰性氣體與煤接觸后，首先覆蓋在煤體表面阻絕煤與氧氣反應；其次，覆蓋于煤體的惰性氣體，與煤內氧氣置換，進入孔隙中，進一步阻止煤氧反應；最后，煤體表面的惰性氣體和孔隙內的惰性氣體在煤樣升溫的過程中發生熱傳遞行為，吸收部分熱量延緩自燃。其中，二氧化碳的阻化效果更佳。液態惰性氣體在注入采空區后，會迅速吸收熱量，與氣態惰性氣體相比，阻燃效果更佳[55]。現階段應用最多的也是液態CO2防滅火技術，在許多礦井得到了成功應用。

圖2 惰性氣體抑制煤自燃的機理[54]Fig.2 The mechanism of inert gas inhibiting CSC[54]

2）稠化膠體。稠化膠體防滅火材料是以有機高分子材料為主體，添加水和粉煤灰（黃土）制成的膠體，它可以通過專用設備壓注至指定區域，通過隔氧、降溫達到阻化的效果[56]。學者已經研究了FHS型稠化膠體滅火劑、XK2-PR 稠化膠體、含有天然多糖和纖維素醚的新型稠化膠體、具有松散三維網狀結構的防滅火稠化劑等[57]。目前，稠化膠體以成功運用于東灘礦、陽煤集團等煤自燃防治。

3 目前面臨的問題

煤火災害防治研究取得了一定成效，但由于煤火分布廣、火源不易確定等因素，決定了煤火災防治的復雜性及困難性，因此煤火災害的防治技術仍存在大量技術難題待解決。

3.1 煤火預測預報及監測預警

煤火預測預報、監測預警技術在實際應用中已經取得了很大的進步，為煤自燃火災的預防及火勢蔓延的監測提供了大量的技術支撐，但是還存在著眾多的問題：

1）火源位置隱蔽，特征信息難可視化判定。隨著煤礦開拓水平的延深和礦井開采深度的增加，采空區煤自燃火源的位置也愈向深處移動，現有的預測技術難以準確獲取指標氣體及溫度等特征信息難以準確獲取。單一依據數學模型建立火源判定準則難以實際模擬火源動態發展。況且，煤自燃是熱－流－固－化耦合作用的結果，現有的煤自燃危險區域量化判定方法難以達到可視化判定。

2）受限條件多，探測手段難高效實施。隨著科技的進步，火區探測由最早的人工勘察發展為紅外遙感、放射性元素探測、無線自組網等先進技術，但是由于火區范圍廣、干擾因素多（火區溫度、天氣狀況、地質構造）、使用條件苛刻、成本高（遙感探測、氣體探測、溫度探測）等因素，現有探測技術很難精準、經濟、方便、長期、實時地探測火區。

3）技術落后，火區范圍難精準圈定。目前煤田火區已經形成了先進的監測技術，但由于受到技術的制約，許多監測手段還需要解決關鍵技術問題。例如：利用次聲探測時，煤田火區燃燒次聲的頻率域、信號的接收、處理、以及判定條件；磁法探測中的磁異常迭加問題、電磁干擾；無線電波探測時波的衰減；CF2ClBr 示蹤氣體的顯著熱解溫度在550 ℃以上，對于煤自燃初期火源點的探測不適合。這些方法在圈定范圍時過程復雜、不夠智能，且單一的監測手段通常無法準確判斷出煤田火災的燃燒程度、火源位置、溫度分布等信息。

3.2 煤火防治新材料

阻化劑防滅火技術是近年來新發展的預防技術，相比傳統技術，阻化劑防滅火技術工作范圍小、不影響生產、能夠有效預防火災。但當前的阻化劑種類繁多、效果不一、價格昂貴，主要存在以下問題：

1）阻化劑易于分解，威脅礦井環境和進一步造成生態環境污染。2020 年，國家煤礦安監局關于印發《煤礦井下反應型高分子材料安全管理辦法（試行）》的通知中明確要求“禁止化學反應劇烈、放熱量大的高分子材料用于與煤直接接觸的地點”。

2）阻化劑合成工藝復雜，工業應用成本太高，很難實現工業應用，且阻化劑在大面積噴灑和澆注的過程中，造成阻化材料浪費，形成更高的成本。

3）設備智能化程度低，現有的阻化劑噴灑裝置很難實現報警、監測、噴灑一體化工作。

4 結 語

今后，煤自燃火災的防治技術研究將遵循智能、精準、快速的原則。主要應從以下幾方面開展工作:預測預報是有效監測預警的關鍵，建立系統性的煤自燃預測指標體系，將各個方法建立統一整體；開發煤自燃可視化火源位置判定系統，動態演化煤自燃發展過程；研發長距離、抗干擾的溫度、氣體監測傳感系統，有效獲取煤自燃危險區域動態信息；開發智能化、集成化、高效化的煤田火區監測系統，方便簡潔地獲取火區信息；開發針對不同煤種的高效、靶向、綠色、環保、經濟的阻化劑；研發針對阻化、充填材料的智能化霧化、噴灑及發生等專用裝置，分區域分階段采取防控技術，降低應用成本，提高效率；加快推進煤田火區熱能利用技術，提高熱能利用效率；開展礦區生態恢復，防止火區荒漠化擴大。