煤礦近距離煤層防滅火技術(shù)研究

＊王建勤

（柳林縣安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心 山西 033300）

引言

煤礦資源是我國能源中重要組成部分，盡管產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸在轉(zhuǎn)型升級，但是煤炭仍然占據(jù)能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中的主體位置，國民經(jīng)濟運行和社會發(fā)展的較長的一段時間中，煤炭生產(chǎn)是支撐生活生產(chǎn)的基礎(chǔ)性能源。然而現(xiàn)階段我國面臨的煤層自燃情況依然不容樂觀，其所帶來的嚴(yán)重后果對采礦工人的生命安全和采碳工作造成了巨大威脅。同時，我國近距離煤層分布于多個區(qū)域，涉及到的范圍較廣。煤礦當(dāng)中的近距離煤層之間極易產(chǎn)生漏風(fēng)通道，使得煤層采空區(qū)涉及到的自燃范圍判斷難度加大，因此需要重視防滅火技術(shù)的有效應(yīng)用，從而破解當(dāng)前煤礦近距離煤層采空區(qū)容易發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險的困局。

1.煤礦近距離煤層自燃原因分析

從現(xiàn)有資料分析來看，近距離煤層指煤層中層與層之間的距離比較短，在煤礦開采過程會互相產(chǎn)生比較大影響作用的煤層[1]。近距離煤層相互之間產(chǎn)生的影響作用有：影響綜采工作面和巖層巷道的圍巖控制，同時還影響煤層開采環(huán)節(jié)對自然災(zāi)害的治理等。其出現(xiàn)的實質(zhì)性原因是因為煤層間在開采過程中，會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力分布發(fā)生變化，進而引發(fā)臨近煤層頂（底）板的塑性屈服。

依據(jù)煤氧復(fù)合概念，煤與氧發(fā)生變化會釋放熱量，進而促使煤的溫度上升，煤的溫度上升，會強化煤的氧化活性，煤氧兩者之間的反應(yīng)速度提升，也會相應(yīng)增大放熱強度。只要存在氧氣就可以產(chǎn)生煤氧復(fù)合作用，氧氣濃度的高低僅會對煤氧復(fù)合速率產(chǎn)生影響。煤在自燃過程中，煤氧化放熱和環(huán)境散熱是呈現(xiàn)矛盾發(fā)展的關(guān)系。當(dāng)散熱的速率比煤氧化放熱速率低的時候，煤的溫度會升高。會加大氧化放熱速率，因此煤自燃是一個復(fù)雜程度較高的自加熱過程。

依據(jù)自燃危險位置的分布煤礦采空區(qū)中的煤能夠劃分成三個部分：即散熱帶、氧化帶和窒息帶。浮煤發(fā)生自燃情況的來源是氧化帶，氧化帶囊括的范圍于對浮煤自燃的破壞程度具有直接性影響。針對特定煤層而言，如果已經(jīng)確定煤自身的氧化放熱性能，那么浮煤會不會出現(xiàn)自燃情況是由漏風(fēng)供氧情況和蓄熱條件所決定的。實際情況下，采空區(qū)中的浮煤自燃普遍受到5個因素影響，即浮煤層的厚度大小、氧氣的濃度高低、漏風(fēng)的強度發(fā)展、工作面推進速度變化以及自然發(fā)火的時間。在開展工作面工作的時候，采空區(qū)域內(nèi)的各個部分，其氧氣濃度、環(huán)境溫度還有漏風(fēng)強度均會出現(xiàn)動態(tài)性的變化。煤自燃的基本物質(zhì)條件則在于浮煤數(shù)量和氧氣濃度，大規(guī)模堆加在一起的浮煤和氧發(fā)生作用進而釋放出熱量，與此同時還會促使漏風(fēng)流和頂?shù)装鍘r層的熱量減少。在煤礦采空區(qū)當(dāng)中，只要浮煤厚度和氧氣濃度符合自燃發(fā)生的條件，同時該區(qū)域中煤在氧化過程中生成的熱量要超過環(huán)境所散失熱量，那么在這些區(qū)域內(nèi)，煤的溫度就會自然而然地上升，進而導(dǎo)致自燃的情況出現(xiàn)[2]。

2.煤礦近距離煤層自燃特征分析

(1)煤礦近距離煤層自燃一般性特征

煤層產(chǎn)生火災(zāi)的類型與其他性質(zhì)的火災(zāi)有本質(zhì)區(qū)別，具備獨特的性質(zhì)。大多數(shù)煤礦因為煤層中產(chǎn)生的物理或者化學(xué)反應(yīng)，再加上地質(zhì)構(gòu)造上具有的特殊性，一般來說，煤層自燃的特點有：

①煤層自燃發(fā)生的概率比較高。依據(jù)現(xiàn)有的煤礦煤層自燃形成的火災(zāi)實驗情況顯示，開采煤層發(fā)生自燃頻率極高，煤層自然發(fā)火期大概在30～60天左右。并且因為煤礦當(dāng)中的采空區(qū)、巷道破碎帶當(dāng)中堆積著許多煤體，比較松散的煤體在開采過程中接觸到氧氣后迅速產(chǎn)生氧化反應(yīng)，進而釋放出大量熱能。但是松散煤體具有較高的儲熱性能，并且難以散失，這樣促使煤的溫度自然上升進而出現(xiàn)自燃危害。

②煤層自燃的成因具有多樣性。礦井地質(zhì)構(gòu)成和環(huán)境條件相對復(fù)雜，其產(chǎn)生的危險情況尚未明確原因，再加上煤礦所構(gòu)成的生產(chǎn)體系也相對繁復(fù)，使得煤層自燃原因更加難以探尋。

③煤層出現(xiàn)自燃導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生，其原因在于大量熱能的聚集，因此在防治上具有較大的難度。從煤氧復(fù)合作用的條件分析，煤與氧發(fā)生反應(yīng)進而產(chǎn)生熱量，使得煤的溫度急劇上升，煤的溫度升高，增強煤的氧化活性，促使煤氧化作用速度不斷加快。如果煤礦中近距離煤層已經(jīng)出現(xiàn)自燃情況，說明其已經(jīng)積攢了許多熱能，而要促使煤體熱量降低則相對比較困難，煤的溫度無法進行控制和調(diào)整，則在其氧化活性呈現(xiàn)高強度狀態(tài)下，并且氧濃度不高的情況下，煤氧復(fù)合作用就能將煤的溫度保持在一個范圍內(nèi)。此外，可能出現(xiàn)煤層自燃，發(fā)生火災(zāi)的位置，還存在著較為明顯的溫差變化，溫差會促使氣體發(fā)生熱力循環(huán)以及自然對流，這種情況對于供氧具有維持作用，進而使得火災(zāi)能夠久久不滅，并且其情況還會持續(xù)發(fā)展，這也是煤層自燃火災(zāi)難以有效治理的原因之一。

④發(fā)生自燃的區(qū)域，其火源點比較隱蔽。一般情況下，起火點位置相對比較高，還呈現(xiàn)出立體分布的狀態(tài)。煤層表面具有比較高強度的散熱性，而在低溫條件下，煤氧復(fù)合中形成的熱量不會聚集，因此溫度通常不會上升。在煤層深層部分的氧濃度不高，煤氧復(fù)合速率也相對較小，不會釋放過多的熱量，所以也不會出現(xiàn)溫度升高的情況。自燃火災(zāi)的產(chǎn)生大多時候出現(xiàn)在離煤體暴露面一定距離的深層部位，而且普遍僅能見到自燃的苗頭，出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象但看不見明火。此外，在火風(fēng)壓的影響下，所處部位比較高的煤體極易被加熱，因此導(dǎo)致溫度也隨之上升，所以一般煤層自燃高、溫點也相對較高，僅僅應(yīng)用注漿等防滅火技術(shù)并不能做到全方位的處理[3]。

(2)綜放面采空區(qū)自燃特點

①綜采工作面中的開切眼、停采線采空區(qū)容易產(chǎn)生自燃火災(zāi)。開切眼的位置形成的斷面比較大，容易遭受礦壓作用，從而產(chǎn)生壓裂破碎的現(xiàn)象，并且還會導(dǎo)致漏風(fēng)供氧問題出現(xiàn)。在安置綜放設(shè)備的過程中，供風(fēng)量比較小，產(chǎn)生的風(fēng)流溫度相對較高，需要較長時間的安裝工作，因此在初始階段推進工作面速度則會相對較緩，開切眼位置上的松散煤體發(fā)生氧化，其溫度上升需要較長的時間，煤體的溫度也比較高。停止采煤的時間段里，采空區(qū)需要比較長的供養(yǎng)時間，并且停采之后的環(huán)節(jié)里因為撤面和封閉不及時，促使發(fā)生自燃的概率不斷增加。所以，開切眼和停采線附近區(qū)域發(fā)生自燃火災(zāi)的風(fēng)險比較大。

②采空區(qū)自燃的溫度比較高、范圍廣、起火點位置高。

圖1 采空區(qū)自燃特點

這是因為綜放面采空區(qū)兩邊區(qū)域存在許多浮煤，由煤氧作用產(chǎn)生的熱量不斷聚集，如果出現(xiàn)自燃，采空區(qū)就會相應(yīng)儲蓄大量熱能，促使附近區(qū)域煤（巖）體的溫度升高，所以，也就形成了采空區(qū)溫度高、范圍大的特點。采空區(qū)浮煤如果產(chǎn)生自燃以及溫度升高，同時在火風(fēng)壓作用下，處在較高位置的煤體不斷受熱，使得火源的位置也比較高，因此利用水、漿等流體滅火的難度系數(shù)也在加大[4]。

(3)巷道附近區(qū)域煤體自燃特點

①有一些煤礦其巷道大部分都是順著煤層方向掘進，并且絕大多數(shù)的巷道巷幫均是煤體，一部分巷道位置還堆積著許多煤炭，由于受到巷道施工和地質(zhì)條件影響，局部區(qū)域的巷道產(chǎn)生破碎化的煤體，出現(xiàn)了自燃起火的危險。并且與一般煤層相比較，工作面巷道附近煤體所在區(qū)域、松散煤體的聚集形態(tài)、漏風(fēng)動力、散熱條件明顯不同，進而形成了以下幾個特點：

A.沿著煤層底板進行巷道掘進的過程中，伴隨著底板產(chǎn)生的變化影響，風(fēng)流會在變化的位置出現(xiàn)動壓差；B.巷道中的風(fēng)流溫度要比巖層原先溫度低，因此容易在巷道頂煤內(nèi)部產(chǎn)生熱力風(fēng)壓；C.頂煤部位上，頂煤冒落空洞和離層空隙對頂板的散熱產(chǎn)生阻礙作用，與絕熱壁功能相類似；D.在構(gòu)造區(qū)和斷層周圍，巷道附近極易出現(xiàn)破碎煤體，并且比較松散。

②遭受到巷道頂煤所承受的礦壓還有采掘問題的影響，容易導(dǎo)致離層破碎，部分煤的質(zhì)量相對松軟，在掘進時往往會因為冒頂產(chǎn)生空洞區(qū)，同時在熱風(fēng)壓的影響下，頂煤漏風(fēng)的情況增大，使得頂煤出現(xiàn)自燃起火的概率顯著增加。巷道其他區(qū)域出現(xiàn)火災(zāi)情況之后，熱風(fēng)壓的存在還會導(dǎo)致火災(zāi)朝著巷道頂部逐漸轉(zhuǎn)移。所以，巷道自燃起火的部位普遍較高，容易產(chǎn)生頂煤火災(zāi)。此外，巷道自燃起火普遍會出現(xiàn)在巷道的高冒區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域、煤體破碎區(qū)域、裂隙產(chǎn)生的位置以及巷道發(fā)生突變的位置，例如：巷道出現(xiàn)變形、起伏、轉(zhuǎn)彎、分叉、匯合等。同時還有安置在巷道當(dāng)中的風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)障以及一些堆積的雜物等，此類區(qū)域出現(xiàn)比較大規(guī)模的煤體破碎和高強度的漏風(fēng)問題，浮煤出現(xiàn)自燃的頻率比較高。

3.煤礦近距離煤層防滅火技術(shù)分析

(1)煤層近距離自燃起火預(yù)測預(yù)報技術(shù)

所謂自燃預(yù)測預(yù)報技術(shù)，其實質(zhì)在于采掘煤層的過程中，煤氧復(fù)合作用下促使其發(fā)生氧化反應(yīng)，進而釋放熱能，熱量融合增大導(dǎo)致溫度上升，在出現(xiàn)自燃起火情況前，依照氧化放熱過程中產(chǎn)生的標(biāo)志氣體和溫度參數(shù)等信息數(shù)據(jù)的具體變化，及時對煤層自燃的苗頭加以預(yù)警，并且對其火勢的詳細情況進行預(yù)測和推斷，能夠有效地識別早期自燃起火的狀態(tài)，并實施針對性的措施。主要應(yīng)用到的預(yù)報手段有指標(biāo)氣體分析法和測溫法。其中，指標(biāo)氣體分析法指代的通過將CO、C2H4、鏈烷比等氣體加以利用，使其成為預(yù)測煤層自燃起火具體情況的指標(biāo)性氣體。在已有的相關(guān)預(yù)測預(yù)報手段中，氣體分析法運用的效果比較可靠，同時該項技術(shù)的成熟度和完善度也比較高，能夠在有效利用的過程中及時預(yù)報早期煤層自燃起火的狀態(tài)。其也是不同種類氣體的特性和產(chǎn)生量的差異化，以此來更為清晰客觀地對煤自燃現(xiàn)狀加以判斷。而測溫法則是對近距離煤層還有其附近介質(zhì)的溫度情況進行檢測。利用其來對煤體還有周遭環(huán)境中的圍巖溫度場出現(xiàn)的變動情況加以分析，從而選取符合客觀實際的滅火技術(shù)和方法，進而對滅火作業(yè)操作進行科學(xué)指導(dǎo)。測溫法還能夠作為評價滅火效果一種方式[5]。經(jīng)過對火區(qū)出現(xiàn)的氣體組成成分和濃度高低的變化規(guī)律加以觀察，能夠提高預(yù)判火勢發(fā)展情況的有效性和精確性。

(2)控制漏風(fēng)技術(shù)

因為煤礦井下的區(qū)域空間是呈現(xiàn)半封閉狀態(tài)的，因此發(fā)生火災(zāi)險情的時候，按照煤產(chǎn)生自燃起火的三個要素分析，必須對漏風(fēng)情況加以控制，才能進一步降低并且隔斷朝火區(qū)供氧的路徑，實現(xiàn)滅火目標(biāo)。現(xiàn)階段控制漏風(fēng)方法有封堵和均壓等。其中封堵技術(shù)主要指代的是煤層產(chǎn)生自燃起火的現(xiàn)象，漏風(fēng)供氧是原因之一，因此杜絕漏風(fēng)，防止其進行浮煤氧氣供給，能夠從根本上對煤層內(nèi)部因素產(chǎn)生的火災(zāi)加以防范控制。該項技術(shù)方法可劃分出密閉墻封堵、巷道煤幫表面噴涂堵漏、采空區(qū)及煤柱裂隙充填堵漏等多個子方法。而均壓技術(shù)，其實質(zhì)上是空氣出現(xiàn)流動情況而產(chǎn)生的動力，也就是普遍見到的壓力梯度。均壓技術(shù)的實施就是盡可能去降低壓力梯度，從而減緩漏風(fēng)的情況，進一步對自燃火災(zāi)進行防治和控制。均壓技術(shù)可劃分出開區(qū)均壓技術(shù)和閉區(qū)均壓技術(shù)這兩種。不過，如果只依靠均壓技術(shù)來達成達到將漏風(fēng)情況完全阻斷的目標(biāo)還是有相當(dāng)大的難度。

圖2 漏風(fēng)測定示意圖

(3)火區(qū)惰化技術(shù)

其實質(zhì)是將具有較低含氧量，即≤97%的惰性氣體以注惰管路的方法注射到火區(qū)，隔絕驅(qū)散氧氣，進而減少氧氣濃度，使火區(qū)窒息。主要應(yīng)用到的惰性氣體有液氮、氮氣、液態(tài)二氧化碳、二氧化碳等。

(4)阻化防滅火技術(shù)

利用阻化劑可以在很大程度降低煤的氧化活性，繼而對抑煤氧復(fù)合形成的自燃現(xiàn)象加以抑制。在起火現(xiàn)場所應(yīng)用到的阻化劑有吸水鹽型阻化劑和表面活性劑類等。

(5)火區(qū)降溫技術(shù)

主要有灌水及注漿技術(shù)和膠體防滅火技術(shù)兩種。灌水和注漿能夠促使火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域溫度降低，并且有效控制并熄滅火源。水本身的熱容量比較大，因此液態(tài)水在變化成為蒸汽的整個環(huán)節(jié)中，會對熱量大規(guī)模地吸收，因此可以迅速降低火區(qū)溫度，而水蒸氣又能夠發(fā)揮驅(qū)替空氣，隔絕氧氣的作用[6]。膠體防滅火技術(shù)，其原理在于膠體材料與水相融合能夠產(chǎn)生膠凝作用，將膠凝漿液涂抹到煤表面，可隔離氧氣，并且所使用的材料還具備惰化煤結(jié)構(gòu)活性基團的功能，還不會存在水煤氣爆炸的風(fēng)險。因此其強大的絕氧降溫的功能，使其在煤礦近距離煤層防滅火工作中應(yīng)用較為普遍。

4.結(jié)束語

綜上所述，在煤礦近距離煤層當(dāng)中，其采空區(qū)中的遺煤出現(xiàn)自燃的概率非常大。這也使得煤礦技術(shù)施工相關(guān)人員不斷對近距離煤層采空區(qū)中遺煤自燃的防滅火技術(shù)展開深入的研究，以此來提高煤礦開采的安全性。