煤層火災監測與治理研究現狀及發展趨勢

文 虎，田 晴，趙向濤，王偉峰

(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)

煤自燃一直是世界性難題，自20世紀60年代以來世界就遭受了煤火災害的嚴重危害[1]。煤火災害不同于其他類型的固體火災，具有自燃、陰燃和復燃的特點，火源隱蔽、貧氧氧化、易復燃[2]，防控難度極大，煤火的發展還取決于巷道、采空區和道巷道附近空氣動力學的差異。它與局部和整個礦區的巖體空氣滲透有關[3]，煤層上部的不穩定巖石層，大裂縫和煤層火災引起的沉降對地面基礎設施和人員造成極大的危害。中國作為世界上最大的煤炭生產國，針對煤火防治新技術在不斷的升級改進，提出了各種較為準確的煤火監測技術。采用ASTERL1B熱紅外遙感數據反演內蒙古烏達煤田火區的地表溫度，提出基于梯度的自適應閾值法，以熱紅外圖像梯度極值為閾值圈定火區范圍；利用指標氣體監測煤火是一種較為常見的方法；近年來，新材料不斷在煤礦進行應用，新型高分子泡沫堵漏防火材料，具有黏度低、膨脹倍數適宜、固結體力學強度較高的優點，能夠滲入至煤體內細微裂隙實現對漏失通道的封堵，泡沫凝膠仍然能夠發揮更加高效的作用[8]。凝膠化后，氣泡牢固地被捕獲在高黏度凝膠膜內，這改善了泡沫的彈性力和吸熱能力，有效減少氧氣在采空區中的流動，覆蓋高溫火源，高含水量使其能夠保持浮煤表面濕潤，防止煤自燃。我國的煤火防治工作取得了巨大的進步，有必要作出綜合性闡述。因此，在本文中介紹國內煤層火災分布主要規律，煤層火災監測技術，比較監測技術的優缺點，歸納總結了煤層火災治理新技術的研究現狀及發展趨勢。

1 國內煤層火災的分布的原因

大部分煤層火災沿著中國煤炭帶發生在中國北方(約N36°—N45°)伊敏灣，沉北，烏蘭圖加，烏達，準格爾和伊犁煤田。中國北方煤層火災集中的主要原因是：煤層分布，采礦活動和氣候條件。現今，中國大陸的煤火，雖然新疆還有較多的煤火區( 處、點) 尚在燃燒，其他的省份，僅有內蒙古、山西、寧夏等省、自治區尚存零星火區(處、點)。這些受影響的煤田的一個明顯特征是煤在早期和中侏羅世紀成煤期形成，煤炭含量低，含碳量低，含氧官能團高，揮發性物質含量高。此外，新疆和內蒙古的淺埋煤層和露頭很常見，增加了自燃的風險；另外，采礦活動也是引發中國煤炭火災的最重要因素。

2 煤層火災監測研究現狀

煤層火災的監測對于環境和健康影響評估以及滅火工程非常重要。例如，諸如監測到的煤火深度，溫度和火焰傳播速率之類參數，并且提供用于滅火活動的關鍵信息，以下為主要的煤層火災監測技術。

2.1 地下監測技術

鉆孔鉆井是一種重要的地下監測技術。地下監測技術主要集中在指標氣體和氡氣探測上。

1)指標氣體監測：煤的自燃釋放的氣體，包括CO2，CO，CH4，H2，C2H4，C2H2和其他高碳氫化合物氣體，指標氣體來源于含氧烴的熱解和分解，因此，尋找排放氣體與特定煤的溫度之間的關系，基于實驗室規模關于煤的自加熱和點火的實驗，可以根據監測氣體預測煤的溫度，這對于自燃的早期預警是重要的。

監測煤自燃的常用指標氣體是CO，C2H4和格雷厄姆比。格雷厄姆的比率通常在0～0.4之間，為產生的一氧化碳量與吸收的氧量之比。另外，通常還選擇其他氣體如C2H2，C2H6，C3H8和C4H10作為指標氣體。而后提出另一種指標氣體，CO/CO2的比率，可以表明煤炭地下火災的發展。研究有超過十種指標氣體可用于監測煤的自燃早期階段，這些指標氣體因具體情況而異，具體取決于煤層火災的范圍和條件。選定的指標氣體有其自身的局限性，因此，多種指標氣體和氣體溫度監測可以幫助更可靠地解釋煤層火災的范圍和后續發展。

2)氡氣監測法：使用氡氣探測煤層火區的主要原因是煤層富含氡氣(222Rn)，因為煤的多孔結構吸收了222Rn，由于浮力效應上覆巖石中的氡氣通過排放氣流向上傳播，特別是以CO2和CH4為載氣，煤層火災引起的裂縫或裂縫是從地下到地表的222Rn運動的良好途徑[11]。

2.2 地面監測技術

地面監測技術主要是監測原位溫度，所使用的儀器包括地下溫度記錄儀，接觸式溫度計和手持式輻射計。由于煤層火災從地下燃燒到地面的傳導熱傳遞非常緩慢。因此，從裂縫或通風口排出的廢氣攜帶的對流熱通常是監測表面熱異常的主要來源。大多數煤層火災情況是通過裂縫或通風口的溫度場映射來確定的。我國的煤層火災裂縫溫度介于17℃和891℃之間，平均裂縫溫度為187℃。

空間，水平和垂直溫度測量對于檢測各種項目效果非常明顯。大面積和沿裂縫場的水平溫度測量有利于劃分煤層火災區域并確定火災傳播方向，垂直溫度測量(沿裂縫深度或鉆孔)有利于了解火災深度和范圍。

2.3 空間監測技術

1)探地雷達：探地雷達是一種地球物理方法，利用反射的電磁信號了解地下煤層火災的基本情況[12]。根據雷達信號的自回歸變化和平均移動(ARMA)模型光譜來檢測由煤層火災引起的地下裂縫區和洞穴，提出了ARMA譜密度算法構造譜剖面。利用這種方法，成功地檢測到了烏達向斜18號煤層火災的裂縫、碎石帶和洞穴[13]。

2)機載遙感：機載遙感具有精準的數據采集，快速的反應能力，靈活的圖像分辨率以及大面積覆蓋的特點。煤層火災檢測的機載遙感研究主要集中在機載熱遙感，無人機(UAV)和熱像儀的使用，以及高光譜(OMIS1)遠程傳感[14]。

3)多光譜和熱遙感：利用飛機機載多光譜掃描儀(MSS)，針對不同的時段應用不同的檢測波長掃描監測，全天候飛行。白天，中午，夜間分別使用3～5μm波長，43pm波長，8～12.5μm波長進行飛行監測，區分時段應用不同波長監測具有低溫熱異常檢測能力和高溫熱異常檢測能力。

4)星載遙感：星載遙感的主要優勢是能夠大面積探測擴散的煤層火災。用于監測我國煤層火災的星載平臺有超高分辨率輻射計(AVHRR)，中分辨率成像光譜儀(MODIS)，雙譜和紅外遙感(BIRD)，星載熱發射和反射輻射計(ASTER)。

2.4 煤層火災監測技術的對比分析

煤層火災監測可分為四類：地下，地面，空中和星載監測。表1不同檢/監測方法的可監測表面特征，空間和時間可監測性以及優缺點。

表1 不同監測方法的可監測表面特征，空間和時間可監測性以及優缺點

3 煤層火災治理技術研究現狀

煤層火災治理是煤層火災監測的最終目標，也是保護環境和節約煤炭資源的最重要活動。了解煤層火災區，火災深度，礦井深度，溫度，燃燒程度，火災傳播方向，滲透率和孔隙度，為治理滅火活動提供科學依據。煤層火災治理工程由一系列步驟組成，即準備，挖掘，水滲透，鉆孔，水和灌漿(或凝膠)注入，以及黃土覆蓋，如圖1所示。從理論上講，現在這些技術包括滅火的所有三個內容：減少熱能、去除燃料和隔離氧氣。

圖1 滅火和治理流程圖

3.1 挖掘注水

為了保證開展安全治理工作，通過澆一次水，爆破不穩定覆巖上的采空區應進行。

3.1.1 挖掘

挖掘燃燒的煤，燒焦的巖石或不平整的土壤旨在熄滅(近)表面煤層火災或為隨后的滅火工作提供平坦的工作表面。由于缺水和土壤，挖掘是魯岐溝煤田防治煤層火災的主要方法。

3.1.2 水滲透

如果煤層火災是火源深度低于15m的近地表火災，則水滲透是降低溫度的一種經濟有效的方法。在新疆維吾爾自治區的煤層火災中，水滲入煤層火災后，最高溫度317.7 ℃降至65.9℃。

3.2 鉆孔注漿

如果煤層火災是地下火災，注漿是鉆孔后熄滅煤層火災的常用方法。它由水和灌漿(或凝膠)注射組成。水和灌漿(或凝膠)注射的主要目的分別是溫度下降和空氣通道的密封。

3.2.1 灌漿注射

研究表明，灌漿半徑(受注入影響的區域半徑)約為4.37～4.5m根據灌漿半徑，壓力，滲透率和水土比例的經驗公式，這意味著水與土壤的比例和注入壓力對灌漿半徑具有顯著影響。如下公式：

R=10.74P0.086K0.059W1.028

(1)

式中，R為灌漿半徑，m；P為注射壓力，Pa；K為滲透率，m2；W為水與土壤的比例，%。

3.2.2 凝膠注射

灌漿中的固體顆粒傾向于沉積，影響灌漿注入的有效性。凝膠是一種改進的材料，通過在灌漿中添加一些特殊的化學材料，很好地結合了水和固體顆粒[15]。主要用于撲滅煤層火災的凝膠：凝膠，增稠凝膠和復合凝膠。凝膠的主要成分是硅酸鈉溶液(水玻璃)，凝結劑(NH4HCO3)，黃土(或粉煤灰)和水。硅酸鈉溶液和凝結劑僅占總凝膠質量的5%～10%。凝膠可以釋放出有毒氣體，即氨。因此，非氨、鋁凝結劑和大分子被開發。

增稠凝膠：增稠凝膠由增稠懸浮劑(FCXF12，JXF1930)，固體顆粒(黃土、沉積物或飛灰)和水組成(見圖2(c))。

復合凝膠：復合凝膠(見圖2(d))由稠化劑(FHJ16，FCJ12)，黃土和水為消除煤層火災最廣泛使用的凝膠。固體顆粒與水的比例為1∶1～2∶1，膠凝劑含量僅占總水質量的0.06%。覆蓋黃土的目的是防止空氣泄漏到熄滅的煤層火災中，并為將來的填埋工程提供土壤基礎。

圖3 凝膠簡視圖

3.2.3 高分子新材料治理技術

1)三相泡沫降溫技術：三相泡沫是指在水中添加極少量的發泡劑、穩泡劑等添加劑，通過物理機械發泡，形成水附著在氣泡壁上形成固、液、氣三相降溫體系。對于煤層火災的治理，不但降低煤體的溫度，同時也降低圍巖的溫度。實現對中、高及采空區頂板煤體滅火降溫作用。三相泡沫具有優秀的堆積性，可在采空區中向高處堆積，對燃燒的頂板及高處煤層進行降溫；通過鉆孔向周圍孔隙及裂縫擴散，對燃燒體進行降溫[18，19]。三相泡沫滅火提高了水的利用率，降低了礦井排水壓力。

2)穩定凝膠泡沫技術：通過使用增稠劑(TA)和交聯劑(CLA)在氣膜中形成凝膠結構，形成一種穩定的凝膠泡沫。從微觀結構和液體排放動力學分析表明：與傳統法的水性泡沫相比，穩定的凝膠泡沫有較小的平均氣泡尺寸，較低的水分流失速率，并且穩定的凝膠泡沫對于煤層火災的抑制效果更好，火源溫度越高時，對于減少煤燃燒時產生的CO和C2H2排放量效果更好，顯示出更好的保水性，以防止煤的繼續氧化燃燒，此外穩定的凝膠泡沫在煤體表面形成完整的隔離層，阻斷煤與氧氣的繼續接觸，抑制煤層火災的產生[20]。

3)智能凝膠技術：通過玉米秸稈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(ATMPS)和丙烯酸(AA)的接枝共聚反應，合成了智能水凝膠[20，21]。然后將化學發泡劑添加到水凝膠中，形成自發泡凝膠，隨后與可膨脹石墨混合以形成智能凝膠。與溫度敏感的聚丙烯酰胺凝膠相比，該智能凝膠具有良好的熱穩定性，以及在高溫下的附著力和溶脹性。滅火實驗表明，智能凝膠可以覆蓋燃燒煤的表面，從而顯著降低點火源溫度、熱輻射和CO生成量譜分析表明，10%膨脹石墨的樣品在加熱過程中能抑制羥基的氧化。智能凝膠的阻燃性能優于其它凝膠，防止了再燃。

4 煤層火災防治存在的問題及展望

盡管地下氣體檢測具有良好的準確性并且反映了地下煤的燃燒情況，但是非常耗時并且受到短期觀測和天氣波動的限制條件。地面探測有幾種方式，如原位溫度測量，自電位技術，二維電子成像技術，透射電子顯微鏡，磁技術和探地雷達等，已經進行了研究，在這些技術中，原位溫度測量具有最高的精度并且被最充分地研究，相比之下，對其他監測技術的研究則不是很充分。特別是自電位技術和磁性技術。由于成本高，近年來很少報道機載熱遙感，盡管它在高空間分辨率和靈活的數據采集方面具有優勢，用于探測煤層火災的星載遙感的精度較低。未來開發的更先進的傳感器可能具有更高的能力來劃分煤層火災區域并估算煤層火災引起的溫室氣體，從而實現精確治理煤層火災[25]。

在空間上，涉及地下，地面，機載和星載探測的 “四級”探測為探測和監測煤層火災提供了各種選擇。監測水平越高，監測到的廣度越大，精度越低。有必要考慮空間尺度，精度，空間和時間可檢測性的權衡，做出最佳決策。最好結合各種方法，這些方法可以相互補充并減輕它們各自的缺點。滅火工程涉及準備，挖掘，水滲透，鉆孔，水和灌漿(或凝膠)注入等工作，使用高分子新材料治理技術，并且加大了阻燃新材料的開發研究。煤火治理是一項復雜的系統工程，開發新型防滅火材料，將各種技術結合起來，才能有效控制煤火的發生、減小火區的擴大，抑制火區對環境的污染。