淺談煤礦采空區(qū)防滅火技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

姜青峰

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭資源需求量與日俱增，雖然去產(chǎn)能在煤炭行業(yè)一直被提起，但是根據(jù)我國(guó)中遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃可知，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中的比重依然保持在50%以上。由于我國(guó)地質(zhì)類型多樣，開采逐漸向深部擴(kuò)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件和特殊的生產(chǎn)條件導(dǎo)致煤礦火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，礦井火災(zāi)始終困擾著煤礦安全開采，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文總結(jié)了當(dāng)前采空區(qū)主要防滅火技術(shù)及其原理，指出各種防滅火技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望未來采空區(qū)防滅火技術(shù)發(fā)展方向。

1 采空區(qū)自燃機(jī)理

采空區(qū)煤自燃也稱礦井內(nèi)因火災(zāi)，是指遺留在采空區(qū)內(nèi)部的煤在未經(jīng)點(diǎn)燃而自行燃燒的現(xiàn)象。其機(jī)理目前普遍認(rèn)為是煤氧復(fù)合作用，與空氣接觸原始煤體在蓄熱條件良好的空間內(nèi)被氧化，溫度逐漸升高，直至發(fā)生煤自燃。跟據(jù)目前研究成果可將煤自燃分為3個(gè)階段：潛伏期、自熱期、燃燒期。潛伏期煤與氧氣發(fā)生緩慢氧化，形成不穩(wěn)定的氧化基，在自熱期煤經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的氧化，化學(xué)活性增強(qiáng)生成的不穩(wěn)定的氧化物也開始逐漸分解，煤體溫度升高至60～80℃，在溫度升高到一定程度，煤開使發(fā)生干餾現(xiàn)象，生成碳?xì)浠衔锖虲O等可燃?xì)怏w，隨著自熱期的發(fā)展，氧化反應(yīng)加速，煤溫逐漸上升到自燃溫度，進(jìn)入燃燒期，此時(shí)，煤發(fā)生深度熱分解反應(yīng)，可以觀察到明火、煙霧，燃燒過程釋放出碳氧化合物和一些烴類氣體。

2 采空區(qū)防滅火技術(shù)

目前采空區(qū)遺煤自燃的防止技術(shù)主要是針對(duì)煤炭自燃的四個(gè)條件，研發(fā)出降低煤分子中的活化能、隔絕氧氣、降低煤體溫度的開采技術(shù)和防滅火材料。因?yàn)椴煽諈^(qū)發(fā)生自燃需要四個(gè)條件同時(shí)達(dá)到，所以只需要破壞其中一個(gè)就能阻斷煤自燃過程。

2.1 工作面開采技術(shù)

在煤層開采前，制定合理的開采技術(shù)措施能有效避免采空區(qū)自燃發(fā)生，其中包括設(shè)計(jì)合理的巷道尺寸、適合的開采方式以達(dá)到最大的煤炭回收率，減少遺煤產(chǎn)生。在一些無法避免的產(chǎn)生遺煤的煤采取加快回采速度的方式，使采空區(qū)遺煤在散熱帶與氧化帶的時(shí)間短于其最短發(fā)火期。合理設(shè)計(jì)煤層開采順序，對(duì)災(zāi)害嚴(yán)重煤層采取保護(hù)層開采技術(shù)。

2.2 均壓通風(fēng)技術(shù)

均壓通風(fēng)技術(shù)就是運(yùn)用井下通風(fēng)設(shè)備調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)中各部分壓力，降低漏風(fēng)通道兩端壓差，從而減少漏風(fēng)，最終抑制自燃發(fā)生。實(shí)施均壓通風(fēng)技術(shù)是工作面防治煤炭自燃的重要手段，可有效降低采空區(qū)漏風(fēng)量。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低廉，可有效防止有毒有害氣體污染工作面作業(yè)環(huán)境，是煤礦使用最普遍的防滅火措施之一。

2.3 堵漏防滅火技術(shù)

堵漏防滅火是指，采用不可燃材料將漏風(fēng)通道堵上，切斷煤自燃所需的供氧條件的技術(shù)。目前常用的有兩種方式，一種是在兩巷設(shè)置擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻寬度要大于巷道寬度且四周與煤壁接嚴(yán)，隨著工作面回采，每隔一段距離設(shè)置一道擋風(fēng)墻，可大大減少采空區(qū)漏風(fēng)。另一種方式是充填堵漏材料，如黃泥漿、混凝土等無機(jī)材料以及聚氨酯等有機(jī)材料。最近一種可直接噴涂的新型復(fù)合漿體堵漏材料出現(xiàn)，但是這種方式材料施工量大、成本高昂，還沒有被廣范應(yīng)用于煤礦防火。

2.4 注漿防滅火技術(shù)

注漿防滅火技術(shù)是指將黏土、粉煤灰等不可燃材料按一定比例混合成一定濃度的漿液，通過管道運(yùn)輸至井下，注到可能發(fā)生煤自燃的區(qū)域，一般情況下，注到氧化升溫帶，灌入的泥漿對(duì)煤體有包裹作用，能起到降低煤體溫度、隔絕氧氣作用，同時(shí)，泥漿進(jìn)入裂隙膠結(jié)后能降低采空區(qū)空隙率。目前已經(jīng)建成井上固定制漿系統(tǒng)和井下移動(dòng)注漿系統(tǒng)，通過管道運(yùn)送漿液，注漿量也可跟據(jù)需要及時(shí)調(diào)控，該技術(shù)成本低、易操作、防滅火效果顯著，但是，需嚴(yán)格控制漿液濃度防止?jié)舛冗^大導(dǎo)致注漿管堵塞。

2.5 惰性氣體防滅火技術(shù)

惰性氣體防滅火是指將惰性氣體通過預(yù)埋管道或者鉆孔注入可能發(fā)生或已經(jīng)出現(xiàn)煤自燃的區(qū)域，達(dá)到預(yù)防和撲滅火災(zāi)的技術(shù)。常用的惰性氣體有兩種：N2和CO2，二者化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，而且容易獲得。惰性氣體防滅火的原理是在注入惰性氣體后，惰性氣體與煤接觸，覆蓋在煤體表面并進(jìn)入煤體內(nèi)部孔隙中，置換出煤內(nèi)氧氣，阻止了煤進(jìn)一步氧化。其次，研究表明，CO2對(duì)煤自燃的抑制效果比N2更強(qiáng)。目前，研究人員提出復(fù)合惰性氣體防滅火技術(shù)，通過N2與CO2之間合理配比，使二者的滅火性能達(dá)到最優(yōu)。惰性氣體防滅火技術(shù)操作簡(jiǎn)單、易制備和輸送，但是惰性氣體滅火周期長(zhǎng)且易導(dǎo)致施工區(qū)域人員窒息，所以使用惰性氣體防滅火要加強(qiáng)氣體濃度監(jiān)測(cè)。

2.6 阻化劑防滅火技術(shù)

阻化劑防滅火就是將阻化劑噴灑在煤體表面，利用阻化劑降溫、抑制煤活性、隔絕空氣等功能，阻止煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，抑制煤自燃。目前阻化劑類型多種多樣，但因價(jià)格昂貴且滅火所需量大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，所以需要根據(jù)實(shí)際情況采用。

2.7 三相泡沫防滅火技術(shù)

三相泡沫防滅火技術(shù)就是將不可燃固體材料于惰性氣體通入液體中制造出含有氣、液、固三相材料的泡沫來滅火的技術(shù)。三相泡沫集多種材料防滅火性能于一體，充分利用其流動(dòng)性，可完整覆蓋煤體表面，并且對(duì)所覆煤體進(jìn)行惰化和降溫，由于三相泡沫的液膜上含有固相顆粒，在添加穩(wěn)定劑之后，穩(wěn)定時(shí)間可在8小時(shí)以上可以起到一定的堵漏作用。

3 煤礦采空區(qū)防滅火技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（1）煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究。隨著淺部煤層開采接近尾聲，煤礦開采深度不斷增加，地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)火源位置隱蔽性高，難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，目前煤礦缺乏對(duì)采空區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)有煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定方法具有局限性，不能準(zhǔn)確判定各種開采條件下的采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域。（2）新型防滅火材料研發(fā)。目前雖然防滅火材料已經(jīng)發(fā)展多年，但是，大多數(shù)材料成本高昂且制備工藝復(fù)雜。所以，要研發(fā)適合煤礦生產(chǎn)條件，且經(jīng)濟(jì)環(huán)保易制備的新型防滅火材料。（3）智能化滅火裝備。目前防滅火裝備智能化水平低下，很多環(huán)節(jié)需要人工操作，無法建立集監(jiān)測(cè)、報(bào)警、自動(dòng)滅火于一體的智能防滅火系統(tǒng)。缺少標(biāo)志性氣體檢測(cè)儀器，目前很多地方煤礦的氣體檢測(cè)仍需井下取樣到地面經(jīng)行分析化驗(yàn)，無法隨時(shí)隨地測(cè)量井下任何部位氣體成分，這導(dǎo)致煤礦監(jiān)測(cè)人員常常無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域，難以及時(shí)消除火災(zāi)，所以便攜式氣體檢測(cè)儀需要亟待研發(fā)，以便能做到井下原位檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦防滅火技術(shù)研究在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依舊是煤礦安全開采的重點(diǎn)。煤礦采空區(qū)防滅火應(yīng)以基礎(chǔ)研究為重心，從合理設(shè)計(jì)開采方式、巷道布局著手，提高煤炭回采率，開展綠色環(huán)保防滅火材料研究并開發(fā)出配套便于操作的噴涂、輸送裝備，最終建立集監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、自動(dòng)滅火于一體的智能防滅火系統(tǒng)，提高煤礦安全開采水平。