煤炭自燃防火及灭火技术研究进展

王要令，池吉安

(河南城建学院 化工系，河南 平顶山 467044)

近年来，随着煤炭需求量的增加，煤矿火灾事故频频发生. 煤自燃火灾占煤矿火灾总数的96.5%左右，造成经济损失每年超过50亿元；严重时还会导致人员伤亡[1-2]. 另外，煤炭自燃产生大量的SO2、H2S等气体，严重污染环境. 所以，煤炭自燃是煤矿严重自然灾害之一，防止煤矿煤炭自燃、深入研究并开发煤炭自燃防灭火技术尤为重要.

1 煤炭自燃及自燃机理

煤的自燃，是指煤在没有外来热源的情况下，由于自身氧化积热，使煤的温度升高，达到煤的自燃着火点而发生燃烧的现象.

目前，煤炭自燃机理主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基作用学说、煤氧复合作用学说及自由基作用学说等[3-6]，其中煤氧复合作用理论得到多数学者的赞同. 煤氧复合作用理论认为，煤的自燃是具有自燃倾向性的煤与空气接触，吸附空气中的氧后发生复杂的物理化学作用，产生并放出热量；在一定的蓄热条件下，引发氧化反应，使煤体温度升高；升温后又加速煤的氧化反应速度，煤体温度越来越高，当热量不及时散发而积聚达到着火点时，导致自燃的发生[7].

2 煤炭自燃的必备条件

影响煤炭自燃的因素很多，但自燃火灾的发生必须具备四个条件. 其一，煤具有自燃倾向性，即在低温下有较高的氧化活性；其二，有持续供氧条件，使煤能不断的氧化；其三，具有蓄热环境且热量难以散发，使煤体升温到着火点；其四，上述三个条件要维持足够长的时间.

3 煤炭自燃发展规律

4 煤炭自燃防灭火技术

目前，防灭火技术主要有注水防灭火、灌浆防灭火、漏风封堵防灭火、阻化剂防灭火、均压防灭火、惰性气体防灭火、凝胶防灭火等.

4.1 注水和灌浆防灭火技术[9]

灌浆技术是指将水和灌浆材料按比例混合配成浆液，利用自燃压差或泵送到可能发生煤自燃的区域，以防止自燃的发生. 防灭火原理是依靠泥浆包裹煤体，其水分增湿减缓氧化速度；浆流充填煤体缝隙，隔绝漏风阻止氧化.

灌浆技术简单易行、比较可靠. 缺少灌浆材料的矿区, 可注水来代替灌浆. 但浆液不能均匀覆盖，渗流范围小，扩散能力低；水的蒸发增加煤的孔隙率，使漏风更畅通，防火效果差.

4.2 漏风封堵防灭火技术

堵漏技术是采用各种措施封堵通往矿井火灾区的漏风通道，减少供氧，降低煤氧接触几率，降低煤氧复合速度，从而防治煤的自燃. 根据其使用方法，主要分为密闭墙封堵、表面喷涂堵漏、裂隙充填堵漏等.

矿用封堵主要有用膏体材料充填；以铝矾土、石灰和石膏为基料，添加高分子纤维的轻质充填；以高分子聚合物为基料合成的充填、封堵；以发泡水泥为基料的充填；以及黄泥灌浆、凝胶封堵、水泥砂浆喷涂、灰浆抹面等[10-13].

漏风封堵防灭火技术材料简单、价格便宜、封堵技术易行. 但不能完全制止漏风，相反可能引起煤体内部自燃；另外，封堵只能减少漏风，不能带走热量.

4.3 均压防灭火技术

均压防灭火技术又称为均压通风防灭火技术，采用通风技术措施，调节系统参数，均衡通风进出口两端的风压，杜绝或减少通往煤堆的漏风风量，以取消煤炭自燃发火的供氧条件，从而有效地抑制控制区内煤层的自燃.

启发式提问2：现在我们无法直接算出丢番图的年龄。那么，我们退回去重新思考：题目所给条件是否能算出丢番图的年龄？

均压防灭火是最廉价、有效的防灭火措施. 但技术要求高、组织管理严密，一般煤矿达不到要求，使其应用受到了限制. 但若使用中注意相关问题或与其他防灭火技术联合，则很有潜力.

4.4 阻化剂防灭火技术[14]

阻化剂又称阻燃剂，是抑制煤和氧结合、降低煤的氧化活性以阻止氧化和防止煤炭自燃的化学药剂. 它通过吸水隔氧作用、保湿降温作用、覆盖活性中心作用、抑制或中断链反应作用、惰性气体窒息作用等协同抑制了煤的自热和自燃. 常用的阻化剂有卤盐、铵盐、碱类、凝胶、高聚物和泡沫阻化剂等.

该技术成本低、工艺简单、应用广泛，并取得了良好效果. 但不同阻化剂存在加工工艺复杂、阻化寿命短、阻化过程对环境有危害等缺点.

4.5 惰化防灭火技术

惰化防灭火技术是通过将惰性气体或其他惰性物质送入拟处理区，抑制煤自燃及扑灭已发生火灾的技术. 按惰性气体的种类可分为氮气防灭火技术[15]、燃油惰气防灭火技术[16]和CO2防灭火技术[17].

该技术既能扑灭大的明火，又能抑制并扑灭隐蔽火源. 但惰性气体对煤体降温效果不好，灭火周期较长，火区易复燃，而且对现场的堵漏风工作要求较高.

4.6 泡沫防灭火技术

泡沫防灭火技术是以化学方法产生膨胀惰性泡沫，以进行防灭火的一种技术. 常用的泡沫防灭火技术有化学惰气泡沫防灭火技术[18]和三相泡沫防灭火技术[19]．

惰气泡沫防灭火一般采用钻孔压注方法将其注入自燃发火的区域，通过降温、固氮、隔绝空气、封堵漏风等达到防灭火目的. 三相泡沫是将不溶性的固态不燃物分散在液体中，通入惰性气体并加入添加剂，形成气-液-固三相的体系. 利用粉煤灰的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火.

泡沫防灭火技术具有可堆积、流动性好等优点，但对于采空区漏风的封堵性能较差.

4.7 凝胶防灭火技术[1,20]

凝胶防灭火技术是将凝胶通过钻孔或煤体裂隙压入高温区，一部分未成胶时的溶液在高温下水分汽化，快速降低煤体温度，残余固体形成隔氧层，阻止氧化自燃；形成胶体部分，包裹煤体、隔绝氧气，使煤氧化、放热反应终止；干涸的胶体降低煤体的孔隙率，减少空气量，抑制复燃.

该技术具有灭火速度快、安全性好、火区复燃性低等优点，但存在产生有害气体、流动性差、渗透范围小、成本高，对大范围的火灾不适用等缺点.

4.8 综合防灭火技术

单一防灭火技术有时难以取得理想效果，或者使用过程受到局限. 综合防灭火技术，各取所长，把几种防灭火技术有机结合起来，可达较好效果.

譬如凝胶泡沫技术[21-22]结合了凝胶和泡沫技术的优点，能较好地充填采空区，既能有效扑灭火灾，又能包裹煤体、封堵缝隙、防治漏风，具有良好的防灭火效果. 其他综合防灭火技术[23-26]，也针对具体问题，解决了单一防灭火技术不理想的问题，在火灾治理中取得了显著效果.

5 结论

(1)每种防灭火技术都有一定的局限性，且各煤矿煤层赋存状况、煤炭的物理化学性质也各不相同，所以在预防自燃和防治灭火过程中要“以防为主，防治结合，科学应对”，选用合适的防灭火技术，确保煤矿企业的安全生产.

(2)单一防灭火技术难以达到理想的防灭火效果时，多种防灭火技术有机结合的综合防灭火技术可达较好效果.

(3)有待在已发展的防灭火技术及材料的基础上，开发新型的防灭火材料和技术.

(4)目前检测煤炭自燃发火点的技术仍无法准确寻找具体位置，以消除火源，阻止煤炭自燃，所以当务之急是发展有效的火灾预测手段.

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