采空区煤自燃“防-抑-灭”协同防灭火关键技术

邓 军，杨囡囡，王彩萍，陈功华，康付如，任立峰，崔小超，白光星

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安710054；3.贵州安晟能源有限公司，贵州 贵阳 550000；4.兖煤菏泽能化有限公司，山东 菏泽 274700）

近些年以来随着机械化以及安全技术的进步，我国安全生产水平也在逐步提高，煤炭死亡人数逐渐呈下降的趋势，但同美国等发达国家相比还有较大的差距[1]。煤自燃不仅能够产生大量有毒有害性气体，而且容易引发瓦斯爆炸等热动力灾害事故。在煤自燃发展的初期并不产生大量的烟和明显的火焰，但能够产生大量的有毒有害性气体，对煤矿井下工人造成了巨大的生命威胁[2]。煤矿在开采的过程中容易累积大量的可燃易爆性气体，煤体在自燃时容易引爆易燃易爆性气体，在引爆气体后煤尘在相对密闭的空间中积聚，在点火源的作用下，容易引发煤尘爆炸。煤矿井下爆炸后，高温下火焰的传播和流动引起的紊乱所形成的冲击波导致工作环境中的气体再次积聚，形成进一步的燃烧和爆炸，最终造成煤矿坍塌、人员伤亡等损失[3]。2008—2021 年间我国矿山共发生事故1 441 起，死亡4 996 人。其中，由采空区煤自燃而引发的煤矿热动力灾害事故占比37%。由此可见煤自燃引发的热动力灾害事故仍然是威胁矿井工作人员生命安全的主要因素[4]。因此，对采空区煤自燃进行预防-抑制-灭火有利于煤矿绿色开采。针对于此，对现有的煤自燃防控理论与技术、抑制技术以及灭火技术进行综述。

1 煤自燃原因及影响因素

煤自燃过程可以从宏观和微观2 个方面进行解释，煤自燃过程如图1。

图1 煤自燃过程Fig.1 Coal spontaneous combustion process

在宏观方面，煤在堆积时与氧气发生接触，发生煤氧化反应，煤氧化产生的热量大于向外界的散热量时，煤温升高，热量积聚进而引发煤自燃；在微观方面，煤氧结合，煤中的活性基团断裂氧化放热，致使热量积聚，煤温升高。煤自燃进程主要包括潜伏期、复合期、自热期、活化期、热分解期、裂变期和燃烧期7 个过程。

1.1 煤自燃的原因

煤炭是一种多孔固相介质，具有可燃性和自燃性的特征，煤自燃受环境和其自身的影响[5]。学者们对于煤自燃机理，提出了黄铁矿假说、细菌作用学说和煤氧复合作用学说。目前，能够合理地诠释煤自燃机理的学说为煤氧复合作用学说，该学说认为煤自燃的主要原因是破碎堆积状的煤在氧气的作用下，不断地发生氧化，进而产生一系列的放热反应，最终导致煤体热量积聚，煤温升高，温度升高到燃点时就会引燃煤堆[6]。在此过程中煤氧接触包括物理吸附和化学吸附，物理吸附通过煤的孔隙进入煤体内部，使得煤体内部蓄热直至升温。化学吸附所释放的热量大于物理吸附，并且随温度的升高化学吸附作用加强，最终致使煤温升高，在热量的不断积聚下引起煤自燃。

1.2 煤自燃的影响因素

有学者主要从粒径、氧体积分数、通风量、含水率、变质程度等方面研究煤自燃影响因素。浸水风干后的煤中的矿物质含量减少，氧化升温过程中耗氧量的增加导致放热量增加，因此浸水风干后的煤相比较于原煤更容易自燃[7]，煤的小粒径能够呈现出较强烈的自燃氧化特性，对于同一煤种过小的粒径会影响煤氧的接触；减少氧气的体积分数也能够有效煤的氧化自燃[8]；煤变质程度高则煤的氧化自燃倾向会降低[9]；漏风量过大会带走煤氧化热量，漏风量过小会减少对煤的氧气供给，抑制煤氧化放热。

2 采空区煤自燃协同防灭火理论与技术研究进展

2.1 采空区煤自燃分级防控理论

采空区煤自燃分级防控是指根据煤自燃危险区域动静态特征，结合区域特点、预警时序、风险等级等多方面的理论，进行分区分级分阶段协同适配地防控煤自燃灾害[10]。任万兴等[11]基于指标性气体的初现温度和拐点温度将煤自燃分为6 个危险等级：安全、低风险、一般风险、较大风险、重大风险和特大风险；Zhang 等[12]将煤自燃过程中气体指标和温度的变化规律，划分了6 个危险级别，即灰色、蓝色、黄色、橙色、红色、黑色；岳宁芳等[13]通过对煤自燃的不同级别的危险程度划分，针对性的分级防控煤自然发火过程。针对不同危险级别的煤自燃进程采取的防控手段及措施见表1。

表1 煤自燃分级防控Table 1 Classified prevention and control for coal spontaneous combustion

2.2 煤自燃分级预警与监测技术

煤的氧化进程中，将煤氧结合所释放出的气体种类、气体量等设定不同的特征温度点，进而划分成不同的阶段；在不同阶段进行预警，能够实现煤自燃的分级预警。李全贵等[14]采用程序升温实验，得到了煤氧结合释放出的指标性气体的种类和数量，制定了绿、黄、橙、红的4 级预警表，并且根据不同的预警指标提出了相应的防控措施；陆彦博[15]在此基础上，确定了唐家会矿煤样的4 个特征温度，结合煤自燃前的精细划分，提出了煤自然发火蓝、黄、橙、红4 级分级预警，建立唐家会矿煤自然发火分级预警体系，确立了煤自然发火分级预警方法；费金彪[16]针对煤自燃进行了分级预警，确定了8 个特征温度，优选出了CO、O2、CO/OO2、C2H4、C2H4/C2H6和C2H26 个煤自燃指标，量化了煤自燃指标；文虎[17]建立了煤自燃预警体系，确定了易自燃煤的分级预警方法。煤自燃阶段划分如图2。

图2 煤自燃阶段划分Fig.2 Division of coal spontaneous combustion stage

煤自燃的预警主要依附于煤自燃过程中产生的气体量，在矿井治理过程中可以根据不同的预警指标，采用针对性的防控理论和手段，在实际应用的过程中通过监测的手段来实现井下煤自燃的预警。唐口煤矿的自燃监测系统如图3。

图3 采空区煤自燃监测预警系统Fig.3 Monitoring and early warning system for spontaneous combustion of coal in goaf

现场监测主要是通过检测现场的指标性气体的种类、体积分数等[18]。现阶段KSS-200、JSG-8 型矿井火灾束管监测系统、KQF-8 矿用多组分气体分析仪等通过束管结合气相色谱仪的方式广泛应用于煤矿火灾安全监测中[19]。除此之外学者们对新型的预警手段也逐渐展开了研究，李树刚等[20]人利用云网络技术的分享功能，实现煤矿火灾的实时监控与动态感知和管控；田臣等[21]利用大数据与物联网技术，构建了煤自燃监测预警系统，将其应用到煤矿工作面中并取得了理想的效果；王敏等[22]通过对煤堆施工钻孔，来对地面储煤堆实时监测；朱兴攀等[23]将XD-JX-T001 型分布式温度监测预警系统在柴家沟煤矿42223 工作面现场应用研究，通过检测煤温，精准的辨识煤自然发火；卢瑞翔等[24]针对采空区大面积煤自燃危险区域监测预警的问题，提出了煤自燃危险区高密度网络化监测预警技术，设计出了监测预警的架构，应用到了矿井中，能够保障矿井的安全生产。

2.3 煤自燃抑制理论与灭火技术

煤自燃防控的主要技术有阻化、注惰性气体降氧抑温、堵漏和均压、三相泡沫等。针对煤自燃不同危险等级及矿井实际开采条件综合性的采用防控技术措施实现煤自燃危险的早期预防[25]。

2.3.1 注惰性气体降氧抑温技术

惰性气体的防灭火技术应用于煤的自热阶段和活化阶段，主要是指在特定的区域注入惰性气体，降低氧气体积分数，抑制煤氧接触氧化。常见的惰性气体主要有N2、CO2[26]，部分惰性气体在影响煤自燃时不仅具有广泛的覆盖率，同时还有较强的冷却抑制效果，在流动的过程中能够吸收部分煤样反应产生的热量，进而破坏煤体的蓄热环境。惰性气体由于经济型、易获取性、稳定性好、无污染性等特点而被广泛的应用。大量的研究表明CO2比N2具有更好的作用效果，且煤吸附CO2的量是N2的10 倍[27]。CO2灭火技术主要依靠CO2的窒息、惰化隔氧、吸附阻化的作用进行灭火，而液态CO2或干冰在气化或升华时，需要吸收环境中的热量，因此能够降低环境温度起到冷却的作用[28-29]。有学者研究表明当煤体处于低温时期时，吸附CO2能力大于吸附O2的能力[30]，因此采空区煤自燃治理可以通过注CO2气体的方式进行治理。因此惰性气体的防灭火技术的发展有利于煤自燃的进一步防控。

2.3.2 注浆防灭火技术

注浆防灭火技术应用于采空区煤自燃，起到吸热降温和覆盖煤体隔绝氧气的作用。主要的类型有黄泥灌浆、粉煤灰灌浆和黄泥复合胶体等，在注入的过程中浆体的流动能够大面积地将煤体覆盖，使得破碎堆积状的煤的外表面形成一层包裹物，隔绝氧气同时在注入浆体后，在浆体的流动下能够吸收一部分热量，降低煤体所处环境的温度。注浆防灭火技术的制作工艺简单，能够利用普通的设备将浆体注入到有自然发火倾向的煤体中，流动性好，材料的制作粒度较细，有利于后期的输送，经济实用性强；注浆技术中所采用的阻燃材料，阻燃效果较好，颗粒较细，能够堵塞煤的孔隙，充分的阻止煤体与空气中的氧气接触，起到阻断链式反应的作用，浆液在注入采空区后凝结，凝结后有一定的黏附性，能够将堆积的煤进行包裹，进而达到良好的防灭火效果[31]。注浆防灭火技术根据实施阶段的不同分为采前预注、随采随注和采后封闭注浆3 种[32]。

研究表明采用注浆技术治理采空区能够取得较好的效果。李开舜等[33]研究表明对采空区巷道进行注浆不仅能够防治煤自燃灾害，对防止巷道围岩压力的变形以及预防工作面CO 气体超标也有一定的效果；王立杰等[34]采用fluent 进行数值计算，构建了采空区注浆数学模型，得到了灭火效果最佳的注浆量；苏志伟等[35]设计研发了一套以固定注浆站为主、移动注浆站为辅的井上下联合注浆体系，有效地解决了传统单一注浆模式下管路敷设距离长、管路易堵塞，浆液覆盖率差等问题，在治理采空区遗煤自燃方面取得了良好的效果；杜云峰[36]将现阶段的注浆使用材料进行了优缺点对比，不同注浆材料特点比较见表2。

表2 不同注浆材料特点比较Table 2 Comparison of characteristics of different grouting materials

2.3.3 阻化预防煤自燃技术

阻化剂主要分为物理阻化剂和化学阻化剂。物理阻化剂的阻化机理主要表现在：将阻化剂喷洒至煤体表面，充填并覆盖其表面裂隙，阻止煤氧接触。通过蒸发吸热作用降低自燃危险区域温度，减缓煤氧复合作用速率，间接延长了煤层自然发火期。现阶段，常用的阻化剂主要是以氯化镁、氯化钙和水玻璃为主要成分的无机盐类水溶液。化学阻化剂的作用机理体现在：煤体活性分子可与阻化剂分子经特定反应，提高自身活化能和蓄水量，减少了煤中的活性基团（羟基、甲基以及亚甲基）以及煤氧复合反应中间产物（羧基、羰基）的含量，稳定的官能团醚键的含量增加。化学阻化剂主要是以离子液体、自由基捕获剂、水凝胶等。

Taraba 等[37]利用脉冲流量热法研究了各种有机和无机溶液对煤低温氧化的影响，得出尿素具有最突出的氧化抑制效果；Slovák 等[38]研究了无机盐类阻化剂对抑制煤自燃的作用，研究表明CaCl2和尿素对煤在100～300 ℃下氧化的效果影响中，CaCl2具有较好的氧化抑制效果；Colaizzi[39]开发了一种耐高温泡沫凝胶，可以喷洒在煤表面并抑制其氧化；WANG Gang 等[40]在前人的研究基础上对泡沫凝胶的性能以及配方进行了改进，即根据泡沫凝胶的保水时间、冷却性能以及升温速率方面进行了改进，制备出了一种新型的复合泡沫凝胶用于治理煤自燃；QIN Botao 等[41]研究出了一种盐基类胶体溶液作用于煤氧结合氧化阶段，可以减少CO 的排放量以及防治煤自燃；PANGDEY J 等[42]从阻化剂对煤的微观破坏作用进行研究，结果表明研究离子液体可溶解破坏煤中活性集团，达到从根本上阻化煤自燃的目的；肖旸等[43]研究了离子液体对煤的阻化特征，得到了离子液体可以抑制不同变质程度煤的自燃；邓军等[44]研究表明离子液体能够较好地延后煤失重中的特征温度，并且对放热量的抑制效果较为明显。

2.3.4 堵漏和均压防灭火

堵漏和均压防灭火主要应用于煤的初期氧化的自加热阶段。均压技术即合理调配矿井通风系统，使得漏风源之间的压差达到某种程度上的均衡，减少或消除漏风；或者通过调节气室、风门等方式来实现漏风通道两端的正常压降，减少漏风供氧，防治煤炭自燃。对于堵漏研制出了匹配度较高的材料主要有：两帮堵漏的水泥浆；高冒区堵漏的抗压水泥泡沫和高水速凝材料；采空区堵漏的黄泥和砂等材料。上述的堵漏材料具有低污染、操作方便和易掌握等优势。均压防灭火技术也运用到了现场，毛传森等[45]在解决CO 大面积泄漏问题时，对井下实施了均压防灭火技术，并取得了显著的应用效果；武丕俭[46]对封闭区域的火灾施行均压防灭火技术，通过不断的调压，成功的治理了该区域的火灾；朱红青等[47]以均压防灭火技术作为理论基础，研发出一套完备的自动控制均压防灭火系统。但均压防灭火技术仅适用于较为封闭的空间，对于露天矿井并不适用。

2.3.5 三相泡沫防灭火

三相泡沫综合应用于煤的裂变和燃烧阶段。三相泡沫防灭火材料兼具固、液、气3 种灭火材料优势，充分发挥出黄泥或者粉煤灰的黏附特性、水的蒸发吸热特性、氮气的隔绝窒息性进行综合防灭火工作。优先考虑三相泡沫防灭火的环境主要有：采用俯采方式的综采面采空区煤自燃、火源位置隐蔽，难以准确预测的大型火区以及高位巷火灾的预防。

有学者在研究三相泡沫的过程中开发了相应的灭火材料以及设备，并在浅地表矿区成功应用。王振平等[48]开发的惰气泡沫防灭火技术用于井下煤层自燃火灾治理；邓军等[49]针对煤层自燃火灾的特点，开发了系列胶体防灭火技术、膨胀堵漏充填防火技术和液态CO2灭火技术等，并在多个矿区推广应用，取得了较好的防灭火效果。

3 问题分析

1）煤自燃监测预防受环境影响较大。现阶段对于采空区煤自燃火灾的监测预防主要采用束管监测、吸收光谱监测、壁面红外测温法、热电偶测温法以及半导体测温法等。由于受井下环境的影响，若在监测的过程中束管破裂，则会影响后期的预防和控制；吸收光谱的检测技术容易受到水蒸气和煤尘颗粒的影响，受制于检测环境的光线，成本高昂；壁面红外测温法在测量时需要待测岩体没有障碍物遮挡；而热电偶测温法和半导体测温法在测温时必须与被测物接触，每个热电偶只能测较小范围内的温度变化，由此在测量时需要设置的检测点数量较多。

2）煤自燃防治技术存在一定的局限性。现阶段我国煤矿井下火灾的防治采用的技术有：注惰性气体降氧抑温技术、注浆防灭火、胶体堵漏防灭火、均压防灭火、三相泡沫防灭火以及阻燃材料防灭火等。目前采用的防灭火措施原理有隔氧、吸热降温、化学抑制等。惰性气体具有一定的窒息性，在工作面的开采过程中若向采空区注入一定量的惰性气体则会导致人员的窒息。在运用的过程中需要结合堵漏和均压等技术；注浆防灭火的经济成本较低，但在注入的过程中需要防止注入的浆液堵塞管路；三相泡沫防灭火在投入的过程中，发泡的设备成本较高，仅适用于短暂的防治煤自燃，长期的投入三相泡沫防灭火技术的适用性较低；阻燃材料防灭火技术是现阶段治理煤自燃最常用的一种方法，但部分阻燃材料并不完全符合矿山绿色环保的要求，基于此，仍需要寻找一种煤自燃防控的新技术实现预警-监测-控制一体化。

4 结 语

现阶段对煤自燃灾害防治方面进行了大量的研究，取得了较多创新型的成果，为实现我国煤炭资源的安全高效开采做出了一定的贡献。在预防采空区煤自燃方面做出了大量的工作，但存在一定的局限性。因此，需要研发一种新的技术将预防-抑制-灭火技术相融合，进一步的提升煤自燃防控技术，实现煤自燃绿色治理。在煤自燃监测预警方面，进一步的研究煤自燃过程的特性，从煤的微观结构到煤自燃的宏观反应，探索煤自燃的精细化过程，将互联网与大数据结合运用，实现煤自燃定向预测预警，开发新型的预测技术以及算法，实现煤自燃监测智能化；在煤自燃治理方面，针对煤的微观结构，阻止煤氧的结合，从源头治理。开发绿色高效经济型复合阻化剂，阻断煤自燃的链式反应，降低煤矿防治火灾的成本，在研究的过程中需要考虑喷洒技术以及设备，为实现煤自燃绿色高效防治提供技术支撑。