鄧 軍，楊囡囡，王彩萍，陳功華，康付如，任立峰，崔小超，白光星

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安710054；3.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；4.兗煤菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274700）

近些年以來隨著機械化以及安全技術(shù)的進(jìn)步，我國安全生產(chǎn)水平也在逐步提高，煤炭死亡人數(shù)逐漸呈下降的趨勢，但同美國等發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距[1]。煤自燃不僅能夠產(chǎn)生大量有毒有害性氣體，而且容易引發(fā)瓦斯爆炸等熱動力災(zāi)害事故。在煤自燃發(fā)展的初期并不產(chǎn)生大量的煙和明顯的火焰，但能夠產(chǎn)生大量的有毒有害性氣體，對煤礦井下工人造成了巨大的生命威脅[2]。煤礦在開采的過程中容易累積大量的可燃易爆性氣體，煤體在自燃時容易引爆易燃易爆性氣體，在引爆氣體后煤塵在相對密閉的空間中積聚，在點火源的作用下，容易引發(fā)煤塵爆炸。煤礦井下爆炸后，高溫下火焰的傳播和流動引起的紊亂所形成的沖擊波導(dǎo)致工作環(huán)境中的氣體再次積聚，形成進(jìn)一步的燃燒和爆炸，最終造成煤礦坍塌、人員傷亡等損失[3]。2008—2021 年間我國礦山共發(fā)生事故1 441 起，死亡4 996 人。其中，由采空區(qū)煤自燃而引發(fā)的煤礦熱動力災(zāi)害事故占比37%。由此可見煤自燃引發(fā)的熱動力災(zāi)害事故仍然是威脅礦井工作人員生命安全的主要因素[4]。因此，對采空區(qū)煤自燃進(jìn)行預(yù)防-抑制-滅火有利于煤礦綠色開采。針對于此，對現(xiàn)有的煤自燃防控理論與技術(shù)、抑制技術(shù)以及滅火技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 煤自燃原因及影響因素

煤自燃過程可以從宏觀和微觀2 個方面進(jìn)行解釋，煤自燃過程如圖1。

圖1 煤自燃過程Fig.1 Coal spontaneous combustion process

在宏觀方面，煤在堆積時與氧氣發(fā)生接觸，發(fā)生煤氧化反應(yīng)，煤氧化產(chǎn)生的熱量大于向外界的散熱量時，煤溫升高，熱量積聚進(jìn)而引發(fā)煤自燃；在微觀方面，煤氧結(jié)合，煤中的活性基團(tuán)斷裂氧化放熱，致使熱量積聚，煤溫升高。煤自燃進(jìn)程主要包括潛伏期、復(fù)合期、自熱期、活化期、熱分解期、裂變期和燃燒期7 個過程。

1.1 煤自燃的原因

煤炭是一種多孔固相介質(zhì)，具有可燃性和自燃性的特征，煤自燃受環(huán)境和其自身的影響[5]。學(xué)者們對于煤自燃機理，提出了黃鐵礦假說、細(xì)菌作用學(xué)說和煤氧復(fù)合作用學(xué)說。目前，能夠合理地詮釋煤自燃機理的學(xué)說為煤氧復(fù)合作用學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為煤自燃的主要原因是破碎堆積狀的煤在氧氣的作用下，不斷地發(fā)生氧化，進(jìn)而產(chǎn)生一系列的放熱反應(yīng)，最終導(dǎo)致煤體熱量積聚，煤溫升高，溫度升高到燃點時就會引燃煤堆[6]。在此過程中煤氧接觸包括物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附通過煤的孔隙進(jìn)入煤體內(nèi)部，使得煤體內(nèi)部蓄熱直至升溫。化學(xué)吸附所釋放的熱量大于物理吸附，并且隨溫度的升高化學(xué)吸附作用加強，最終致使煤溫升高，在熱量的不斷積聚下引起煤自燃。

1.2 煤自燃的影響因素

有學(xué)者主要從粒徑、氧體積分?jǐn)?shù)、通風(fēng)量、含水率、變質(zhì)程度等方面研究煤自燃影響因素。浸水風(fēng)干后的煤中的礦物質(zhì)含量減少，氧化升溫過程中耗氧量的增加導(dǎo)致放熱量增加，因此浸水風(fēng)干后的煤相比較于原煤更容易自燃[7]，煤的小粒徑能夠呈現(xiàn)出較強烈的自燃氧化特性，對于同一煤種過小的粒徑會影響煤氧的接觸；減少氧氣的體積分?jǐn)?shù)也能夠有效煤的氧化自燃[8]；煤變質(zhì)程度高則煤的氧化自燃傾向會降低[9]；漏風(fēng)量過大會帶走煤氧化熱量，漏風(fēng)量過小會減少對煤的氧氣供給，抑制煤氧化放熱。

2 采空區(qū)煤自燃協(xié)同防滅火理論與技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 采空區(qū)煤自燃分級防控理論

采空區(qū)煤自燃分級防控是指根據(jù)煤自燃危險區(qū)域動靜態(tài)特征，結(jié)合區(qū)域特點、預(yù)警時序、風(fēng)險等級等多方面的理論，進(jìn)行分區(qū)分級分階段協(xié)同適配地防控煤自燃災(zāi)害[10]。任萬興等[11]基于指標(biāo)性氣體的初現(xiàn)溫度和拐點溫度將煤自燃分為6 個危險等級：安全、低風(fēng)險、一般風(fēng)險、較大風(fēng)險、重大風(fēng)險和特大風(fēng)險；Zhang 等[12]將煤自燃過程中氣體指標(biāo)和溫度的變化規(guī)律，劃分了6 個危險級別，即灰色、藍(lán)色、黃色、橙色、紅色、黑色；岳寧芳等[13]通過對煤自燃的不同級別的危險程度劃分，針對性的分級防控煤自然發(fā)火過程。針對不同危險級別的煤自燃進(jìn)程采取的防控手段及措施見表1。

表1 煤自燃分級防控Table 1 Classified prevention and control for coal spontaneous combustion

2.2 煤自燃分級預(yù)警與監(jiān)測技術(shù)

煤的氧化進(jìn)程中，將煤氧結(jié)合所釋放出的氣體種類、氣體量等設(shè)定不同的特征溫度點，進(jìn)而劃分成不同的階段；在不同階段進(jìn)行預(yù)警，能夠?qū)崿F(xiàn)煤自燃的分級預(yù)警。李全貴等[14]采用程序升溫實驗，得到了煤氧結(jié)合釋放出的指標(biāo)性氣體的種類和數(shù)量，制定了綠、黃、橙、紅的4 級預(yù)警表，并且根據(jù)不同的預(yù)警指標(biāo)提出了相應(yīng)的防控措施；陸彥博[15]在此基礎(chǔ)上，確定了唐家會礦煤樣的4 個特征溫度，結(jié)合煤自燃前的精細(xì)劃分，提出了煤自然發(fā)火藍(lán)、黃、橙、紅4 級分級預(yù)警，建立唐家會礦煤自然發(fā)火分級預(yù)警體系，確立了煤自然發(fā)火分級預(yù)警方法；費金彪[16]針對煤自燃進(jìn)行了分級預(yù)警，確定了8 個特征溫度，優(yōu)選出了CO、O2、CO/OO2、C2H4、C2H4/C2H6和C2H26 個煤自燃指標(biāo)，量化了煤自燃指標(biāo)；文虎[17]建立了煤自燃預(yù)警體系，確定了易自燃煤的分級預(yù)警方法。煤自燃階段劃分如圖2。

圖2 煤自燃階段劃分Fig.2 Division of coal spontaneous combustion stage

煤自燃的預(yù)警主要依附于煤自燃過程中產(chǎn)生的氣體量，在礦井治理過程中可以根據(jù)不同的預(yù)警指標(biāo)，采用針對性的防控理論和手段，在實際應(yīng)用的過程中通過監(jiān)測的手段來實現(xiàn)井下煤自燃的預(yù)警。唐口煤礦的自燃監(jiān)測系統(tǒng)如圖3。

圖3 采空區(qū)煤自燃監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)Fig.3 Monitoring and early warning system for spontaneous combustion of coal in goaf

現(xiàn)場監(jiān)測主要是通過檢測現(xiàn)場的指標(biāo)性氣體的種類、體積分?jǐn)?shù)等[18]?，F(xiàn)階段KSS-200、JSG-8 型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)、KQF-8 礦用多組分氣體分析儀等通過束管結(jié)合氣相色譜儀的方式廣泛應(yīng)用于煤礦火災(zāi)安全監(jiān)測中[19]。除此之外學(xué)者們對新型的預(yù)警手段也逐漸展開了研究，李樹剛等[20]人利用云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分享功能，實現(xiàn)煤礦火災(zāi)的實時監(jiān)控與動態(tài)感知和管控；田臣等[21]利用大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了煤自燃監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，將其應(yīng)用到煤礦工作面中并取得了理想的效果；王敏等[22]通過對煤堆施工鉆孔，來對地面儲煤堆實時監(jiān)測；朱興攀等[23]將XD-JX-T001 型分布式溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在柴家溝煤礦42223 工作面現(xiàn)場應(yīng)用研究，通過檢測煤溫，精準(zhǔn)的辨識煤自然發(fā)火；盧瑞翔等[24]針對采空區(qū)大面積煤自燃危險區(qū)域監(jiān)測預(yù)警的問題，提出了煤自燃危險區(qū)高密度網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，設(shè)計出了監(jiān)測預(yù)警的架構(gòu)，應(yīng)用到了礦井中，能夠保障礦井的安全生產(chǎn)。

2.3 煤自燃抑制理論與滅火技術(shù)

煤自燃防控的主要技術(shù)有阻化、注惰性氣體降氧抑溫、堵漏和均壓、三相泡沫等。針對煤自燃不同危險等級及礦井實際開采條件綜合性的采用防控技術(shù)措施實現(xiàn)煤自燃危險的早期預(yù)防[25]。

2.3.1 注惰性氣體降氧抑溫技術(shù)

惰性氣體的防滅火技術(shù)應(yīng)用于煤的自熱階段和活化階段，主要是指在特定的區(qū)域注入惰性氣體，降低氧氣體積分?jǐn)?shù)，抑制煤氧接觸氧化。常見的惰性氣體主要有N2、CO2[26]，部分惰性氣體在影響煤自燃時不僅具有廣泛的覆蓋率，同時還有較強的冷卻抑制效果，在流動的過程中能夠吸收部分煤樣反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而破壞煤體的蓄熱環(huán)境。惰性氣體由于經(jīng)濟(jì)型、易獲取性、穩(wěn)定性好、無污染性等特點而被廣泛的應(yīng)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滅火技術(shù)主要依靠CO2的窒息、惰化隔氧、吸附阻化的作用進(jìn)行滅火，而液態(tài)CO2或干冰在氣化或升華時，需要吸收環(huán)境中的熱量，因此能夠降低環(huán)境溫度起到冷卻的作用[28-29]。有學(xué)者研究表明當(dāng)煤體處于低溫時期時，吸附CO2能力大于吸附O2的能力[30]，因此采空區(qū)煤自燃治理可以通過注CO2氣體的方式進(jìn)行治理。因此惰性氣體的防滅火技術(shù)的發(fā)展有利于煤自燃的進(jìn)一步防控。

2.3.2 注漿防滅火技術(shù)

注漿防滅火技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)煤自燃，起到吸熱降溫和覆蓋煤體隔絕氧氣的作用。主要的類型有黃泥灌漿、粉煤灰灌漿和黃泥復(fù)合膠體等，在注入的過程中漿體的流動能夠大面積地將煤體覆蓋，使得破碎堆積狀的煤的外表面形成一層包裹物，隔絕氧氣同時在注入漿體后，在漿體的流動下能夠吸收一部分熱量，降低煤體所處環(huán)境的溫度。注漿防滅火技術(shù)的制作工藝簡單，能夠利用普通的設(shè)備將漿體注入到有自然發(fā)火傾向的煤體中，流動性好，材料的制作粒度較細(xì)，有利于后期的輸送，經(jīng)濟(jì)實用性強；注漿技術(shù)中所采用的阻燃材料，阻燃效果較好，顆粒較細(xì)，能夠堵塞煤的孔隙，充分的阻止煤體與空氣中的氧氣接觸，起到阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用，漿液在注入采空區(qū)后凝結(jié)，凝結(jié)后有一定的黏附性，能夠?qū)⒍逊e的煤進(jìn)行包裹，進(jìn)而達(dá)到良好的防滅火效果[31]。注漿防滅火技術(shù)根據(jù)實施階段的不同分為采前預(yù)注、隨采隨注和采后封閉注漿3 種[32]。

研究表明采用注漿技術(shù)治理采空區(qū)能夠取得較好的效果。李開舜等[33]研究表明對采空區(qū)巷道進(jìn)行注漿不僅能夠防治煤自燃災(zāi)害，對防止巷道圍巖壓力的變形以及預(yù)防工作面CO 氣體超標(biāo)也有一定的效果；王立杰等[34]采用fluent 進(jìn)行數(shù)值計算，構(gòu)建了采空區(qū)注漿數(shù)學(xué)模型，得到了滅火效果最佳的注漿量；蘇志偉等[35]設(shè)計研發(fā)了一套以固定注漿站為主、移動注漿站為輔的井上下聯(lián)合注漿體系，有效地解決了傳統(tǒng)單一注漿模式下管路敷設(shè)距離長、管路易堵塞，漿液覆蓋率差等問題，在治理采空區(qū)遺煤自燃方面取得了良好的效果；杜云峰[36]將現(xiàn)階段的注漿使用材料進(jìn)行了優(yōu)缺點對比，不同注漿材料特點比較見表2。

表2 不同注漿材料特點比較Table 2 Comparison of characteristics of different grouting materials

2.3.3 阻化預(yù)防煤自燃技術(shù)

阻化劑主要分為物理阻化劑和化學(xué)阻化劑。物理阻化劑的阻化機理主要表現(xiàn)在：將阻化劑噴灑至煤體表面，充填并覆蓋其表面裂隙，阻止煤氧接觸。通過蒸發(fā)吸熱作用降低自燃危險區(qū)域溫度，減緩煤氧復(fù)合作用速率，間接延長了煤層自然發(fā)火期?，F(xiàn)階段，常用的阻化劑主要是以氯化鎂、氯化鈣和水玻璃為主要成分的無機鹽類水溶液。化學(xué)阻化劑的作用機理體現(xiàn)在：煤體活性分子可與阻化劑分子經(jīng)特定反應(yīng)，提高自身活化能和蓄水量，減少了煤中的活性基團(tuán)（羥基、甲基以及亞甲基）以及煤氧復(fù)合反應(yīng)中間產(chǎn)物（羧基、羰基）的含量，穩(wěn)定的官能團(tuán)醚鍵的含量增加?；瘜W(xué)阻化劑主要是以離子液體、自由基捕獲劑、水凝膠等。

Taraba 等[37]利用脈沖流量熱法研究了各種有機和無機溶液對煤低溫氧化的影響，得出尿素具有最突出的氧化抑制效果；Slovák 等[38]研究了無機鹽類阻化劑對抑制煤自燃的作用，研究表明CaCl2和尿素對煤在100～300 ℃下氧化的效果影響中，CaCl2具有較好的氧化抑制效果；Colaizzi[39]開發(fā)了一種耐高溫泡沫凝膠，可以噴灑在煤表面并抑制其氧化；WANG Gang 等[40]在前人的研究基礎(chǔ)上對泡沫凝膠的性能以及配方進(jìn)行了改進(jìn)，即根據(jù)泡沫凝膠的保水時間、冷卻性能以及升溫速率方面進(jìn)行了改進(jìn)，制備出了一種新型的復(fù)合泡沫凝膠用于治理煤自燃；QIN Botao 等[41]研究出了一種鹽基類膠體溶液作用于煤氧結(jié)合氧化階段，可以減少CO 的排放量以及防治煤自燃；PANGDEY J 等[42]從阻化劑對煤的微觀破壞作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明研究離子液體可溶解破壞煤中活性集團(tuán)，達(dá)到從根本上阻化煤自燃的目的；肖旸等[43]研究了離子液體對煤的阻化特征，得到了離子液體可以抑制不同變質(zhì)程度煤的自燃；鄧軍等[44]研究表明離子液體能夠較好地延后煤失重中的特征溫度，并且對放熱量的抑制效果較為明顯。

2.3.4 堵漏和均壓防滅火

堵漏和均壓防滅火主要應(yīng)用于煤的初期氧化的自加熱階段。均壓技術(shù)即合理調(diào)配礦井通風(fēng)系統(tǒng)，使得漏風(fēng)源之間的壓差達(dá)到某種程度上的均衡，減少或消除漏風(fēng)；或者通過調(diào)節(jié)氣室、風(fēng)門等方式來實現(xiàn)漏風(fēng)通道兩端的正常壓降，減少漏風(fēng)供氧，防治煤炭自燃。對于堵漏研制出了匹配度較高的材料主要有：兩幫堵漏的水泥漿；高冒區(qū)堵漏的抗壓水泥泡沫和高水速凝材料；采空區(qū)堵漏的黃泥和砂等材料。上述的堵漏材料具有低污染、操作方便和易掌握等優(yōu)勢。均壓防滅火技術(shù)也運用到了現(xiàn)場，毛傳森等[45]在解決CO 大面積泄漏問題時，對井下實施了均壓防滅火技術(shù)，并取得了顯著的應(yīng)用效果；武丕儉[46]對封閉區(qū)域的火災(zāi)施行均壓防滅火技術(shù)，通過不斷的調(diào)壓，成功的治理了該區(qū)域的火災(zāi)；朱紅青等[47]以均壓防滅火技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，研發(fā)出一套完備的自動控制均壓防滅火系統(tǒng)。但均壓防滅火技術(shù)僅適用于較為封閉的空間，對于露天礦井并不適用。

2.3.5 三相泡沫防滅火

三相泡沫綜合應(yīng)用于煤的裂變和燃燒階段。三相泡沫防滅火材料兼具固、液、氣3 種滅火材料優(yōu)勢，充分發(fā)揮出黃泥或者粉煤灰的黏附特性、水的蒸發(fā)吸熱特性、氮氣的隔絕窒息性進(jìn)行綜合防滅火工作。優(yōu)先考慮三相泡沫防滅火的環(huán)境主要有：采用俯采方式的綜采面采空區(qū)煤自燃、火源位置隱蔽，難以準(zhǔn)確預(yù)測的大型火區(qū)以及高位巷火災(zāi)的預(yù)防。

有學(xué)者在研究三相泡沫的過程中開發(fā)了相應(yīng)的滅火材料以及設(shè)備，并在淺地表礦區(qū)成功應(yīng)用。王振平等[48]開發(fā)的惰氣泡沫防滅火技術(shù)用于井下煤層自燃火災(zāi)治理；鄧軍等[49]針對煤層自燃火災(zāi)的特點，開發(fā)了系列膠體防滅火技術(shù)、膨脹堵漏充填防火技術(shù)和液態(tài)CO2滅火技術(shù)等，并在多個礦區(qū)推廣應(yīng)用，取得了較好的防滅火效果。

3 問題分析

1）煤自燃監(jiān)測預(yù)防受環(huán)境影響較大?，F(xiàn)階段對于采空區(qū)煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測預(yù)防主要采用束管監(jiān)測、吸收光譜監(jiān)測、壁面紅外測溫法、熱電偶測溫法以及半導(dǎo)體測溫法等。由于受井下環(huán)境的影響，若在監(jiān)測的過程中束管破裂，則會影響后期的預(yù)防和控制；吸收光譜的檢測技術(shù)容易受到水蒸氣和煤塵顆粒的影響，受制于檢測環(huán)境的光線，成本高昂；壁面紅外測溫法在測量時需要待測巖體沒有障礙物遮擋；而熱電偶測溫法和半導(dǎo)體測溫法在測溫時必須與被測物接觸，每個熱電偶只能測較小范圍內(nèi)的溫度變化，由此在測量時需要設(shè)置的檢測點數(shù)量較多。

2）煤自燃防治技術(shù)存在一定的局限性?，F(xiàn)階段我國煤礦井下火災(zāi)的防治采用的技術(shù)有：注惰性氣體降氧抑溫技術(shù)、注漿防滅火、膠體堵漏防滅火、均壓防滅火、三相泡沫防滅火以及阻燃材料防滅火等。目前采用的防滅火措施原理有隔氧、吸熱降溫、化學(xué)抑制等。惰性氣體具有一定的窒息性，在工作面的開采過程中若向采空區(qū)注入一定量的惰性氣體則會導(dǎo)致人員的窒息。在運用的過程中需要結(jié)合堵漏和均壓等技術(shù)；注漿防滅火的經(jīng)濟(jì)成本較低，但在注入的過程中需要防止注入的漿液堵塞管路；三相泡沫防滅火在投入的過程中，發(fā)泡的設(shè)備成本較高，僅適用于短暫的防治煤自燃，長期的投入三相泡沫防滅火技術(shù)的適用性較低；阻燃材料防滅火技術(shù)是現(xiàn)階段治理煤自燃最常用的一種方法，但部分阻燃材料并不完全符合礦山綠色環(huán)保的要求，基于此，仍需要尋找一種煤自燃防控的新技術(shù)實現(xiàn)預(yù)警-監(jiān)測-控制一體化。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段對煤自燃災(zāi)害防治方面進(jìn)行了大量的研究，取得了較多創(chuàng)新型的成果，為實現(xiàn)我國煤炭資源的安全高效開采做出了一定的貢獻(xiàn)。在預(yù)防采空區(qū)煤自燃方面做出了大量的工作，但存在一定的局限性。因此，需要研發(fā)一種新的技術(shù)將預(yù)防-抑制-滅火技術(shù)相融合，進(jìn)一步的提升煤自燃防控技術(shù)，實現(xiàn)煤自燃綠色治理。在煤自燃監(jiān)測預(yù)警方面，進(jìn)一步的研究煤自燃過程的特性，從煤的微觀結(jié)構(gòu)到煤自燃的宏觀反應(yīng)，探索煤自燃的精細(xì)化過程，將互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)結(jié)合運用，實現(xiàn)煤自燃定向預(yù)測預(yù)警，開發(fā)新型的預(yù)測技術(shù)以及算法，實現(xiàn)煤自燃監(jiān)測智能化；在煤自燃治理方面，針對煤的微觀結(jié)構(gòu)，阻止煤氧的結(jié)合，從源頭治理。開發(fā)綠色高效經(jīng)濟(jì)型復(fù)合阻化劑，阻斷煤自燃的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低煤礦防治火災(zāi)的成本，在研究的過程中需要考慮噴灑技術(shù)以及設(shè)備，為實現(xiàn)煤自燃綠色高效防治提供技術(shù)支撐。