司建軍　周連春

摘 要：采空區(qū)火災(zāi)是礦井下較為常見的災(zāi)害之一。為此，針對采空區(qū)火災(zāi)的實(shí)際情況認(rèn)真地分析了影響自然發(fā)火的因素，詳細(xì)地闡述了開采技術(shù)、有效的通風(fēng)和監(jiān)測、預(yù)防性注漿、均壓防火、阻化劑防火、凝膠防滅火、氮?dú)獾燃夹g(shù)用來進(jìn)行綜合防滅火工作收到了良好的效果，促進(jìn)了礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤礦；采空區(qū)火災(zāi)；綜合防滅火；探析

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.100

0 前言

煤礦火災(zāi)事故給礦工的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，而且在礦井火災(zāi)中最為嚴(yán)重的是回采工作面的采空區(qū)遺煤自燃的情況，由于采空區(qū)遺煤自燃是一個緩慢發(fā)展的過程，在這個過程中人們通常在早期很難發(fā)現(xiàn)明顯的征兆，這就會給礦井的防滅火工作帶來許多不利條件和環(huán)節(jié)，如何克服上述困難是困擾礦井防滅火工作的一個技術(shù)難題，國內(nèi)許多煤炭院所針對這種情況展開了技術(shù)研究取得可喜成績，本論文重點(diǎn)對防滅火常用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，已達(dá)到拋磚引玉的作用。

我們先認(rèn)識下煤的燃燒，煤的自燃過程一般分為3個階段：（1）準(zhǔn)備期；（2）自熱期；（3）燃燒期。煤的自燃準(zhǔn)備期是指空氣與有自燃傾向性的煤炭相互接觸時不穩(wěn)定的羧基（-COOH）與羥基（-OH）氧化物就會形成，初始階段人們既不能夠觀測到周圍環(huán)境的溫度變化情況，也觀測不到煤炭自身溫度的明顯變化，在煤炭的著火點(diǎn)降低、煤炭重量略有提高，化學(xué)特性變得活潑的前提下煤炭經(jīng)過緩慢地氧化過程。煤的自燃期是指煤炭自燃在經(jīng)歷了第一階段的潛伏期后其氧化速度迅速提高，二氧化碳（CO2）、水（H2O）、一氧化碳（CO）等化學(xué)物質(zhì)由不穩(wěn)定的氧化物分解而成。煤炭的溫度隨著煤氧化生成的熱量的增加而迅速提高，煤炭的溫度超過其自熱臨界溫度時就會有迅速上升的趨勢。煤的干餾現(xiàn)象隨著氧化過程的加快而迅速上升，氫氣、碳?xì)浠衔?、一氧化碳等芳香族類可燃性氣體就會大量生成。煤的氧化進(jìn)程發(fā)展到一定程度集聚的熱量不能得到及時擴(kuò)散，導(dǎo)致溫度上升到煤的著火點(diǎn)而使煤層自燃。不同的煤層自燃程度也不相同，通常用煤層自燃傾向性來度量煤的自燃難易程度。所謂煤層自燃傾向性是指煤在常溫下的氧化能力，是煤的一種自然屬性。

煤的自燃傾向性與煤的變質(zhì)程度（變質(zhì)程度越高自燃傾向性越?。?、煤的水分（水分越大自燃傾向性越低）、煤巖成分（煤巖硬度越大自燃傾向性越?。?、煤的含硫量（含硫量越大自燃傾向性越高）、煤的粒度（粒度越小自燃傾向性越大）等有關(guān)。然而在實(shí)際工作中并不是煤層自燃傾向性越高的煤礦越容易發(fā)火，因?yàn)槌嗣禾勘旧淼淖匀純A向性以外，煤層的開采條件、煤層地質(zhì)構(gòu)造、通風(fēng)方式、開拓方式都對煤層的自然發(fā)火危險程度具有重要的影響。

1 對煤層自然發(fā)火產(chǎn)生影響的因素分析

1.1 煤的自燃傾向性

作為煤炭產(chǎn)生自燃的基本條件煤的自燃傾向性是由煤炭處于日常溫度條件下的氧化能力所決定的，它是煤炭的一種自然屬性。并且它的強(qiáng)弱程度直接影響著煤層自然發(fā)火的危險程度。

1.2 煤層地質(zhì)賦存條件

厚煤層、急傾斜煤層、地質(zhì)構(gòu)造破壞帶自然發(fā)火危險度高，主要因?yàn)楹衩簩雍茈y全部回采、余留大量浮煤和煤柱、回采時間長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤層的自然發(fā)火期（暴露的煤炭從接觸空氣到發(fā)生自燃的時間段）；急傾斜煤層、地質(zhì)構(gòu)造破壞帶容易煤炭自燃，煤層在擠壓、張拉的條件下產(chǎn)生了大量的裂隙為破碎的煤體吸收氧氣、發(fā)生氧化創(chuàng)造了有利的條件。

1.3 開拓開采條件

自然發(fā)火危險性較小的情況多發(fā)生在煤柱留設(shè)少、切割煤層較少的石門、巖巷開拓的環(huán)節(jié)。方便打鉆注漿滅火的情況發(fā)生在巖巷進(jìn)入采區(qū)的厚煤層開采時?；夭蓵r間的長短、煤炭回收率高低是采煤方法對煤炭自燃影響的外在表現(xiàn)。遺留煤炭越多的采煤方法越容易引起自然發(fā)火，在長壁式采煤方法中的留刀柱支撐頂板，留煤皮假頂，以及利用水力進(jìn)行采煤的時候，均不利于防止自燃火災(zāi)的發(fā)生。一個回采工作面回采速度慢，拖延的時間越長，煤層自燃的危險性就越大，控制災(zāi)情的難度就越大。

1.4 通風(fēng)方式

煤壁和煤柱裂隙以及采空區(qū)漏風(fēng)是礦井通風(fēng)影響煤炭自燃的外在表現(xiàn)，即使在漏風(fēng)量非常小的情況下，長期的漏風(fēng)將導(dǎo)致兩巷和工作面斷層、變薄帶跳面的地方極易發(fā)生自燃。

2 防止礦井采空區(qū)自燃的技術(shù)

2.1 開采技術(shù)

在長期的煤礦開采實(shí)踐中人們得出了一個重要結(jié)論，即在對于如何預(yù)防煤炭自燃火災(zāi)發(fā)生中起決定作用的是科學(xué)合理的開采方法與開拓系統(tǒng)。以最大的回采率、最小的煤層暴露面、容易隔離的采空區(qū)、最快的回采速度來要求開采和開拓方式是煤炭自燃嚴(yán)重的礦井預(yù)防煤炭自燃發(fā)火的基本要求。預(yù)防采煤工作面采空區(qū)遺留煤炭自燃的開采開拓方法主要有采用巖石集中巷和巖石上山、區(qū)段巷道采用重疊布置、區(qū)段巷道分采分掘布置、高效快速無煤柱的采煤方法。

（1）為了盡一切力量預(yù)防煤層自燃，通常我們可以采用加快工作面回采速度、以后退式開采方式進(jìn)行回采，同時為了使煤柱的損失降到最低回采工作面可以采用條帶布置方式。

（2）我們在開拓機(jī)電硐室時首先應(yīng)該選用現(xiàn)澆混凝土、錨網(wǎng)噴支護(hù)，普通巖石巷道開拓時首先選用錨索、錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)的方式，同時盡量在煤層中布置軌道下山、運(yùn)輸下山、回風(fēng)下山。

（3）為了保證有較高的防火安全性我們可以加快回采速度與使用機(jī)械化裝備，同時為了簡單地布置巷道、提高回采率我們可以使用壁式采煤法。

2.2 有效的通風(fēng)和監(jiān)測

一定要保證工作面的合理配風(fēng)，同時要減少向采空區(qū)漏風(fēng)，保證工作面運(yùn)順采空區(qū)的頂板垮落，不能形成空頂。易發(fā)火地點(diǎn)安設(shè)一氧化碳監(jiān)測報警儀，礦井要建立火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，作為早期預(yù)測礦井發(fā)火的主要手段。

監(jiān)測方面的措施：

（1）班長、瓦斯檢查員必須配備便攜式CO檢測報警儀，掘進(jìn)工作面、回采工作面上隅角等地點(diǎn)必須吊掛CO傳感器。

（2）定期用火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合人工取樣對井下易發(fā)火地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測化驗(yàn)，分析可能出現(xiàn)的早期火情。

通風(fēng)方面的措施：

（1）為了預(yù)防煤炭自燃我們在工作面回采時優(yōu)先選用“U”型通風(fēng)方式，采用后退式開采方式。

（2）為了預(yù)防煤炭自燃我們要將已經(jīng)回采完畢的工作面及時構(gòu)筑密閉墻，并加強(qiáng)密閉管理。

2.3 預(yù)防性注漿

預(yù)防煤炭自燃適用效果最好的一種手段就是預(yù)防性灌漿。通常情況下我們把粉煤灰或黃土等不燃性材料和水按照一定的配比進(jìn)行攪拌混合在一起形成漿液，同時依靠井上下敷設(shè)的輸送漿液的管路把漿液輸送到很有可能發(fā)生煤炭自然發(fā)火的采空區(qū)，用來預(yù)防采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的方法稱為預(yù)防性灌漿。降低采空區(qū)遺留煤炭的溫度并且將氧氣和煤炭隔離開來是預(yù)防性灌漿的重要作用。把地面制好的漿液通過輸送管路送到工作面采空區(qū)，漿液緩慢地向采空區(qū)流動填實(shí)采空區(qū)的裂隙，同時遺留在采空區(qū)的煤炭被漿液包裹起來將阻止氧氣與遺留煤炭的進(jìn)一步氧化，由于漿液的存在加大了采空區(qū)遺留煤炭的含水量從而進(jìn)一步抑制了遺留煤炭的氧化發(fā)熱的過程。一般選擇粒徑不大于2mm，細(xì)小顆粒（粒徑小于1mm）占75%；9～14的塑性指數(shù)，2.4～2.8的相對密度，25%～30%的含砂量，25%～30%的膠體混合物等不助和不可燃性材料做漿材。

預(yù)防性灌漿方法有多種，我們通常根據(jù)灌漿與采煤順序?qū)⒐酀{方法分為采前預(yù)灌、隨采隨灌和采后灌漿三種類型。

在煤炭沒有被回采前就將漿液輸送到煤層進(jìn)行灌漿稱為采前預(yù)灌，它通常適用于煤炭自燃嚴(yán)重、老空區(qū)過多的礦井；緊跟著采煤工作面的回采及時向采空區(qū)灌漿的方法稱為隨采隨灌法，一般情況下可分為埋管灌漿、鉆孔灌漿和灑漿，能增加采空區(qū)的氣密性并及時形成再生膠結(jié)頂板；通常將工作面回采結(jié)束后等到工作面封閉完畢后再向封閉得采空區(qū)進(jìn)行灌漿的方法稱為采后灌漿。

泥漿濃度越大，其粘度、穩(wěn)定性和致密性也越大，包裹遺煤隔離氧氣的效果也越好，但同時流散范圍也越小，輸漿管路容易堵塞；水固比大，則輸送相同體積的土所用的水量大，包裹和隔絕效果不好，礦井涌水量增加，在工作面后方采空區(qū)灌漿時容易流出而惡化工作面環(huán)境。漿液的水固比一般情況下為4∶1，冬季為5∶1。

2.4 均壓防火

均壓防火技術(shù)既適用于火區(qū)的防滅火工作，又可用于采空區(qū)防止遺煤自燃。開區(qū)均壓防滅火技術(shù)通常用于指導(dǎo)滅火、調(diào)風(fēng)、正確地選擇通風(fēng)構(gòu)筑物的位置和通風(fēng)系統(tǒng)等通風(fēng)防火工作，又適用于抑制采空區(qū)遺留煤炭的自燃和自熱的發(fā)展。均壓技術(shù)如果掌握得好還能用之控制采掘工作面瓦斯涌出。

2.4.1 開區(qū)均壓防火

通常在回采工作面設(shè)立均壓系統(tǒng)來阻止采空區(qū)遺留煤炭的自然發(fā)火，減少采空區(qū)的漏風(fēng)，預(yù)防CO等有毒有害氣體超限，確保生產(chǎn)正常進(jìn)行。開區(qū)均壓系統(tǒng)種類很多，根據(jù)工作面不同的漏風(fēng)形式構(gòu)成。主要原理是想方設(shè)法改變端點(diǎn)壓差或者改變漏風(fēng)方向；減少漏風(fēng)可以抑制自燃進(jìn)程的發(fā)展，改變風(fēng)向能夠調(diào)整一氧化碳等有毒有害氣體的涌出。均壓措施主要有調(diào)節(jié)風(fēng)門均壓、改變工作面通風(fēng)系統(tǒng)均壓、風(fēng)門與通風(fēng)機(jī)聯(lián)合均壓、角聯(lián)支路風(fēng)向隨相鄰支路風(fēng)阻比而改變的原理均壓。

2.4.2 閉區(qū)均壓防火

在有煤炭自然發(fā)火可能性又立即封閉的區(qū)域，采取均壓防滅火技術(shù)預(yù)防發(fā)生火災(zāi)事故的方法稱為閉區(qū)均壓防火。閉區(qū)均壓防滅火技術(shù)的具體方法有：調(diào)節(jié)風(fēng)門與主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合均壓、并聯(lián)風(fēng)門與調(diào)節(jié)風(fēng)門聯(lián)合均壓、改造通風(fēng)系統(tǒng)均壓和聯(lián)通管均壓、調(diào)壓通風(fēng)機(jī)與調(diào)節(jié)風(fēng)門聯(lián)合均壓等。

2.5 阻化劑防火

通常情況下在容易氧化的煤體表面上存在大量的吸水性很強(qiáng)的阻化劑時就能夠在其外表形成含水液膜從而隔離了氧氣與煤炭的接觸，起到阻止氧化的作用，同時水在蒸發(fā)時吸收熱量，使煤體降溫，從而抑制煤的自熱和自燃，延長自然發(fā)火期的作用。

常用作阻化劑的氯化物有氯化鈣、氯化鎂、氯化銨、氯化鈉三氯化鋁以及水玻璃（xNa2O·ySiO2）等。一般選用氯化鈣、氯化鎂等原材料豐富、運(yùn)輸方便、價格便宜、阻化效果好的阻化劑。一些工廠廢液如鋁廠煉鎂槽渣，化工廠的氯化鎂和硼酸廢液，造紙廠的黑液、釀酒廠的廢液等都有一定的阻化效果，既保護(hù)環(huán)境部受污染又節(jié)省資源。對于高硫煤層的阻化水玻璃的阻化效果最好，氫氧化鈣其次。

提高阻化效果、降低成本是合理選擇阻化劑濃度的重要方面。在生產(chǎn)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)溶液阻化率選定為20%時阻化效果較好，溶液阻化率選定為10%時阻化率有所下降。目前我國煤礦常用移動式、永久式、半永久式三種噴灑壓注系統(tǒng)。

2.6 凝膠防滅火

作為近幾年新發(fā)展起來的凝膠防滅火技術(shù)是集降溫、堵漏、固結(jié)水、阻化等性能為一體，較好地解決了灌漿、注水的泄漏流失問題的新型防滅火技術(shù)。目前已經(jīng)成為煤礦不可或缺的防滅火技術(shù)之一，該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）安全性好：由于在煤體中膠體能夠堵塞漏風(fēng)通道、膠凝固化，故有害氣體消失快；在高溫下，膠體不會產(chǎn)生大量水蒸氣，不存在水蒸氣水傷人和煤氣爆炸危險。

（2）火區(qū)復(fù)燃性低：高溫區(qū)內(nèi)只要有膠體滲透到的地點(diǎn)都不會復(fù)燃。

（3）滅火速度快：由于膠體具有特殊的滅火性能，其滅火速度比較快。

（4）火區(qū)啟封時間短：注膠滅火工程實(shí)施完，不需等待（《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到啟封條件后還需觀察穩(wěn)定一個月才能啟封），即可啟封火區(qū)。

2.7 氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)

氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定是一種無毒、無味、無色、無嗅的氣體，在正常溫度和正常壓力下氮?dú)獠蝗菀着c其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，正是利用它的這種特性來進(jìn)行礦井的防滅火工作，其效果非常顯著。

2.7.1 氮?dú)夥罍缁鸬淖饔煤吞攸c(diǎn)

氮?dú)馓畛涞讲煽諈^(qū)可以將采空區(qū)裂縫中的氧氣排擠出去，使得采空區(qū)內(nèi)及其冒落處的氧氣含量大幅度地下降從而惰化采空區(qū)，使采空區(qū)遺留的煤炭不發(fā)生氧化自燃。

注氮?dú)膺^程中回采工作面的采空區(qū)經(jīng)常處于正壓狀態(tài)從而導(dǎo)致新鮮風(fēng)流不容易進(jìn)入采空區(qū)，對阻止采空區(qū)遺留煤炭的自然發(fā)火非常有利。當(dāng)采空區(qū)充滿大量氮?dú)夂蟛煽諈^(qū)周圍介質(zhì)和采空區(qū)的溫度會迅速下降，從而收到冷卻降溫的效果。

將氮?dú)庾⑷氲交鸷屯咚构泊娴谋ㄎｋU區(qū)就能夠有效地遏制火區(qū)內(nèi)的可燃性氣體的爆炸，從而保證工作面的安全生產(chǎn)。

注氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)不僅對保護(hù)環(huán)境非常有利，而且操作工藝還十分簡單。

如果采空區(qū)漏風(fēng)非常嚴(yán)重的話在負(fù)壓作用下注入采空區(qū)的氮?dú)饩头浅２焕诒４?，并且會隨著風(fēng)流向采煤工作面或者鄰近采空區(qū)，另外雖然氮?dú)獗旧聿痪哂卸拘缘菀资谷酥舷⑺劳?，所以就需要與均壓防滅火技術(shù)和其他堵漏風(fēng)措施相互配合使用，使氮?dú)庑孤读靠刂圃谧畹拖薅取?/p>

2.7.2 注氮的要求

要向采空區(qū)注入的濃度不小于97%的氮?dú)猓?/p>

要有可靠穩(wěn)定的氮?dú)鈦碓矗?/p>

至少有一套監(jiān)測系統(tǒng)能夠連續(xù)不斷地監(jiān)測采空區(qū)氣體成分變化情況；

至少有一套專用的氮?dú)廨斔凸苈芳捌涓綄侔踩O(shè)施；

定期進(jìn)行監(jiān)測、分析和整理有關(guān)記錄必須安排專人進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)問題及時報告處理等規(guī)章制度；

有固定或移動的溫度觀測站（點(diǎn)）和監(jiān)測手段。

2.7.3 氮?dú)獾闹迫?/p>

目前有變壓吸附、深冷空分和膜分離三種工藝技術(shù)來進(jìn)行基本氮?dú)庵迫　?/p>

3 結(jié)語

隨著采空區(qū)防火技術(shù)不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。抑制煤的氧化過程，使采空區(qū)遺留煤炭緩慢氧化無是各種防滅火技術(shù)的本質(zhì)所在。合理地選擇防滅火方法并掌握煤層的自燃傾向性和自燃發(fā)火期，對采空區(qū)防火工作有極大的幫助。樹立采空區(qū)遺煤的自燃是可以防止和控制的思想。積極主動的采取防火措施、充分發(fā)揮人的主觀能動性是成功防止采空區(qū)遺煤自燃的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]管海晏，馮·亨特倫，譚永杰等.中國北方煤田自燃環(huán)境調(diào)查與研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998：626.

[2]羅海珠.我國煤礦火災(zāi)預(yù)測預(yù)報技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[C].礦井通風(fēng)安全理論與技術(shù)論文集，徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：8387.

[3]胡廣揚(yáng)，張淑蘭.中國煤礦火災(zāi)的防治[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，1992，2（1）：1119.

[4]胡廣揚(yáng)，王洪斌.壓注惰氣滅火技術(shù)的研究[J].煤礦安全，1992，23（8）：1721.

[5]高廣偉.中國煤礦氮?dú)夥罍缁鸬默F(xiàn)狀與未來[J].煤炭學(xué)報，1999，24（1）：4852.

[6]戚穎敏.我國煤礦火災(zāi)防治技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展與應(yīng)用[J].煤，1999，8（2）：14.

[7]吳中立.礦井通風(fēng)與安全[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[8]楊運(yùn)良，于水軍，張如意.防止煤炭自燃的新型阻化劑研究[J].煤炭學(xué)報，1999，24（2）：163166.

[9]田水承，李紅霞.煤層開采自燃危險性預(yù)先分析與經(jīng)濟(jì)防滅火決策[J].煤炭學(xué)報，1998，23（5）：486490.

[10]吳學(xué)斌，黃本斌，王江濤.《煤礦安全規(guī)程》專家解讀[J].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社出版.2011，（3）.