王洪權，宋兆雪，陳安明，姜希印，趙青山

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

煤自然發(fā)火是礦井5 大災害之一，嚴重制約礦井安全生產。我國煤火災害中以煤自燃引發(fā)的內因火災最為嚴重[1]，煤自燃釋放的有毒害氣體嚴重影響礦井生產以及大氣環(huán)境[2-3]。因此，煤自燃火災的有效防控關乎礦井安全生產以及煤炭資源可持續(xù)發(fā)展，對于促進我國生態(tài)建設具有十分重要的意義[4-6]。

兗礦能源集團股份有限公司在兗州地區(qū)主采二疊系山西組煤層，采煤礦井有鮑店、東灘、興隆莊、南屯、濟二、濟三、楊村等礦井。所開采的三號煤自然發(fā)火期短，為二類易自燃煤層，煤自燃著火點溫度為320 ℃左右[7]。自1981 年以來，共發(fā)生自燃火災事故37 起。煤自燃火源隱蔽，位置和程度難判定，火災防治難度大[8-9]，對其有效防控是兗州礦區(qū)歷來科技攻關的重難點。為實現煤自然發(fā)火的科學精準防控，兗州礦區(qū)充分發(fā)揮產學研相結合的優(yōu)勢，相繼開發(fā)了主動化、協同一體化、精準化以及智能化過渡的煤自燃火災防控技術體系，有效遏制了煤火災害的發(fā)生，為我國同類型礦井煤火災害防控能夠提供科學、可靠的技術借鑒。為此，從兗州礦區(qū)煤自燃火災精準防控的創(chuàng)新技術分析了煤自燃防控技術體系建設，為同類型礦井煤自燃火災防控提供技術借鑒與參考。

1 兗州礦區(qū)煤自燃防控“三道防線”

針對兗州礦區(qū)煤火災害復雜情況與防治難點，提出了以超前預防為主的煤自燃火災防控主題思路，即立足預防，構筑煤自燃火災預防控的3 道防線[10]。煤層自然火災防控總體技術體系如圖1。

圖1 煤層自然火災防控總體技術體系Fig.1 A technical system for coal spontaneous combustion prevention and control

煤層自然火災防控總體技術體系能夠充分體現“抓住重點、預防為主、防治結合、合理有效、操作性強、節(jié)約資金”思想的防滅火體系[11]。

1）根據礦區(qū)煤層賦存條件和開采技術特點，結合集團公司多來的防治煤層自然發(fā)火研究成果和工作實踐，制定了《礦井防治煤層自然發(fā)火技術管理規(guī)定》、《采空區(qū)永久封閉管理規(guī)定》、《高瓦斯礦井防治煤層自然發(fā)火管理規(guī)定》等10 余項管理制度。針對煤巷自然發(fā)火的預防，分別對長期使用煤巷、頂煤自燃危險區(qū)、沿空掘進巷道處理提出具體要求。針對工作面自然發(fā)火預防，按回采前、回采初期、回采期間、末采和停采期間、封閉后等不同階段，從系統(tǒng)裝備、處理措施、監(jiān)測手段、工藝要求等方面作出詳細規(guī)定，制定采空區(qū)不同類型的巷道和漏風環(huán)境的封閉標準。

2）創(chuàng)建科學的煤自然發(fā)火實驗測試新技術。模擬煤體自常溫至燃點以上完全依靠煤自身氧化升溫的發(fā)火過程，以及缺氧窒息的降溫過程和再次供風的復燃過程，測試相關參數，為煤層火災隱患識別方法和控制新技術的開發(fā)提供了基礎。

3）針對煤層自然發(fā)火特點及對防治技術的要求，結合凝膠防滅火技術治理煤層火災的優(yōu)越性，以降低煤溫、包裹煤體、封堵漏風和預防水煤氣爆炸為根本的新型膠體防火材料及其應用工藝、系統(tǒng)和裝備，促進凝膠技術由滅火方法向防火方法的轉變；以減氧惰化、降低煤溫和抑制瓦斯爆炸為根本的液態(tài)二氧化碳防滅火技術；通過灌漿注膠滅火鉆孔快速施工機具和高分子膠體滅火劑，實現煤層火災的快速控制。建立一整套現場易于實現和操作的煤層火災預防和控制新技術。

4）采用熱紅外探測技術，解決采煤巷道煤自燃隱患位置識別的難題；通過煤自燃指標氣體和吸附參數檢測，有效實現了煤自燃溫度判定和自然發(fā)火初期低濃度氣體可測性；應用實驗測試和數值解算防范，對煤自燃隱患區(qū)域發(fā)展進程及空間位置轉移進行研究，分析了隱患區(qū)域發(fā)生、發(fā)展和動態(tài)變化過程，實現煤自然發(fā)火的早期預報。

2 煤自燃隱患超前預判與監(jiān)測預警方法

由于煤自然發(fā)火過程具有很強的自燃、陰燃和復燃特性，火源相當隱蔽，火區(qū)特征信息難以提取的原因，造成煤自燃防控針對性差，自然發(fā)火程度很難判定，治理成本高等問題。因此，根據煤自燃指標氣體成因（氧化和熱解）、檢測精度（常量和微量）、實驗測試和現場監(jiān)測環(huán)境特點[12]，兗州礦區(qū)相繼開展煤自燃過程、隱患位置識別、火區(qū)探測方面的研究，實現了煤自燃早期預測預報的“位置判定、溫度判定、時間判定”3 大技術攻關，建立了煤自然發(fā)火預測預報體系，有效解決煤自燃風險早期識別的技術難題。

通過利用煤自然發(fā)火實驗測試新技術，解決了煤自燃程度指標確定難題。利用熱紅外探測技術，解決煤巷自然發(fā)火隱患位置識別的難題；通過分析隱患區(qū)域的發(fā)生、發(fā)展和動態(tài)變化過程，建立了一套煤層火災隱患識別的新技術，實現了被動治理到早期預報的根本轉變。

2.1 煤自然發(fā)火全過程測試系統(tǒng)

為實現煤自然升溫、絕氧降溫和通風供氧復燃全過程實驗模擬，和西安科技大學合作研發(fā)，在集團公司南屯煤礦建立了世界最大的ZMR-15 型煤自然發(fā)火實驗測試系統(tǒng)，實驗模擬煤體自常溫（30 ℃）至燃點以上完全依靠煤自身氧化升溫的著火過程、缺氧窒息的降溫過程和再次供風的復燃過程，研究煤體自然升溫、絕氧降溫和供風復燃的特性及規(guī)律。

采用ZRM-15 大型煤自然發(fā)火實驗測試系統(tǒng)，測試初始煤溫條件下的自然發(fā)火期，并對最小浮煤厚度、下限氧體積分數和極限漏風強度等煤自然發(fā)火極限參數測定；與西安科技大學產學研聯合，明確了煤自燃非線性漸變進程的6 個突變點，定義了“吸附、復合、臨界、熱解、裂變、燃點”6 個特征溫度。在原有的“潛伏期、自熱期、燃燒期”煤自燃進程3 階段劃分的基礎上，建立了“潛伏、復合、自熱、活性、熱解、裂變、燃燒”7 個階段的精細劃分方法[13]。煤自燃程度精細劃分方法如圖2。

圖2 煤自燃程度精細劃分方法Fig.2 Coal spontaneous combustion divided method

為了針對符合實際工況的煤自燃程度判定及隱患區(qū)域劃分提供量化判定標準，通過分析和確定煤自燃過程中的特征溫度，研究和分析煤自燃過程中各種標志性氣體及表征參數與煤溫的關系，構建了各礦用于實際的煤自燃預測預報指標。

2.2 煤自燃指標氣體連續(xù)監(jiān)測技術

實現煤自燃風險等級連續(xù)監(jiān)測預警[14]，克服了束管監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在檢測穩(wěn)定性差，漂移大，誤差大，重復性不好、老化等問題。隨著礦井采深增加，采空區(qū)面積擴大化，原束管色譜微機監(jiān)測系統(tǒng)的路數也需要擴充。因此，研發(fā)了煤自燃指標氣體的連續(xù)在線監(jiān)測分析技術，將束管色譜分析技術和紅外線分析技術有機結合，將色譜和紅外線監(jiān)測的高靈敏度、快速連續(xù)性手段并存互補。結合井下束管管網進行技術改造，在180 s 時間內可以分析單個測點氣樣。設備監(jiān)測范圍寬，飄移小，速度快，穩(wěn)定性好，可以做到無人操作和免維護，實現24 h 無人職守連續(xù)運行。

通過對兗州礦區(qū)煤自燃束管監(jiān)測系統(tǒng)技術改造，優(yōu)化了煤自燃火災預報的連續(xù)性和準確率，提高了防火工作的整體效益。

2.3 煤自燃隱患識別與準確定位技術

為解決煤自然發(fā)火隱患位置識別與危險區(qū)域判定，開展了“基于氣體表征參數的煤自燃程度識別和煤溫判定技術”及“煤自燃氡探測技術”、“煤自燃危險區(qū)域無線監(jiān)測技術”，為分析判定火源位置提供技術支持，提高了煤火災害防控的針對性。

1）煤層隱蔽火源氡探測[15]。利用天然放射性氡隨溫度升高在煤巖體中的強析出性，在礦井開采區(qū)域地表探測氡的分布，確定火源位置、范圍及發(fā)展趨勢。該探測方法具有操作簡單、成本低、精度高和抗干擾能力強的優(yōu)點，探測深度超過500 m，利用該技術探測了6 個工作面的自燃高溫區(qū)域。

2）煤自燃火源紅外熱成像探測[16]。采用紅外熱成像技術煤巷表面表面進行非接觸的成像并分析其熱圖案。利用該技術分別對兗州礦區(qū)興隆莊礦3 個工作面，東灘礦2 個工作面，濟二礦1 個工作面，星村礦1 個工作面總共7 個工作面進行了探測，確定了7 個高溫區(qū)域，為進一步治理隱患提供指導。同時，利用紅外探測技術，探測國宏化工廠原料煤倉火區(qū)位置，對有效的控制和熄滅火區(qū)提供了指導。此技術與方法已在兗礦集團所屬每對礦井進行應用并作為日常的監(jiān)測手段。

3）采空區(qū)煤自燃無線監(jiān)測預警[17]。采空區(qū)監(jiān)測范圍大，呈現動態(tài)變化特征，主要存在：①人工監(jiān)測區(qū)域范圍大，工作量大；②監(jiān)測周期長，難以掌握采空區(qū)變化趨勢；③監(jiān)測連續(xù)性差，不能實現采空區(qū)自燃預警；④監(jiān)測的測點多、距離遠、環(huán)境復雜。以上特點給采空區(qū)自燃監(jiān)測帶來了巨大的困難，使得采空區(qū)的管理、監(jiān)控非常困難?；诖?，研發(fā)了采空區(qū)煤火災害網絡化監(jiān)測預警系統(tǒng)，此項技術解決了采空區(qū)煤自燃信息采集和識別的問題，成果應用于兗州礦區(qū)所屬礦井的煤層火災監(jiān)測。煤自燃監(jiān)測預警系統(tǒng)結構示意圖如圖3。

圖3 煤自燃監(jiān)測預警系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Monitoring and early warning system of coal spontaneous combustion

3 煤火災害防控關鍵技術

兗礦集團開發(fā)出以粉煤灰為主的系列膠體防滅火新材料、新工藝、新裝備，實現了采空區(qū)大流量粉煤灰漿液灌注、固化充填，研發(fā)了采空區(qū)封閉控制技術，實現采空區(qū)有效封閉與隔離。這些技術研究與應用，有效解決煤層自燃預防的難題。

3.1 粉煤灰系膠膠體防滅火材料及系統(tǒng)

1）粉煤灰灌漿注膠防滅火材料。為充分發(fā)揮粉煤灰成本低，凝膠材料堵漏風效果好、流失量小等優(yōu)點，將二者有機結合起來，研發(fā)具有充填裂隙、包裹煤體、隔氧降溫、作用時間長、受壓不開裂等特點的基于粉煤灰的膠體防滅火材料，解決了凝膠防滅火材料用量大、成本高、受壓易開裂等問題。通過在漿液中按比例加入極少量的膠凝劑，即可形成復合膠體，液固轉化混合漿液，在指定地點充分發(fā)揮膠體降溫和堵漏風作用，可對采掘、移架、礦壓等造成的新裂隙進行二次封堵。常用在工作面后部采空區(qū)、開切眼、停采線等易自然發(fā)火位置。

2）膠體粉煤灰灌漿防滅火系統(tǒng)。兗州礦區(qū)為充分發(fā)揮灌漿系統(tǒng)和各種灌漿注膠材料的優(yōu)點，提高系統(tǒng)利用率和防滅火效率，實現了所屬的鮑店、東灘等12 對礦井等多功能粉煤灰灌漿注膠防滅火系統(tǒng)新建和改擴建工程，實現了利用“粉煤灰”代替“黃土”的灌漿防滅火，取得了巨大的經濟和社會效益。該系統(tǒng)能夠實現高濃度漿液的制備及管路輸送，提高了灌漿效率。系統(tǒng)可以使用多種適用性灌漿材料，向灌漿系統(tǒng)設定比例加入少量外加劑，可實現大流量漿液、稠化膠體、復合膠體、凝膠、固化充填等多種功能，克服了粉煤灰漿液流動范圍廣的缺點，提高了粉煤灰漿液的防滅火效率。通過采空區(qū)大流量的灌注粉煤灰漿液，覆蓋和包裹采空區(qū)浮煤，堆積堵漏，隔絕氧氣，抑制煤溫，浮煤自燃得到了有效預防。

3.2 采空區(qū)密閉控制煤自燃技術

采空區(qū)封閉能夠有效減少采空區(qū)漏風防治煤自燃火災，防止有害氣體涌入生產區(qū)域。采空區(qū)密閉墻體的構建應符合足夠承壓強度、氣密性能和使用壽命等原則。根據需要全面應用充填密閉和鋼筋混凝土密閉的柔性與剛性相結合密閉墻構建方式；永久密閉應優(yōu)先選擇充填方式封閉，應選擇在動壓影響小、圍巖穩(wěn)定、巷道規(guī)整的巷段內位置。煤火災害密閉控制技術如圖4。

圖4 煤火災害密閉控制技術Fig.4 Airtight control technology for coal fire disaster

永久密閉墻體必須與巷壁緊密相連結合，能夠有效承受沖擊壓力，與采空區(qū)相連通的所有通道，均壓法注入粉煤灰固化或膠體泥漿等充填材料，徹底隔離采空區(qū)與外界的漏風。

通過開展大面積采空區(qū)封閉會戰(zhàn)活動，在提高新建密閉的構筑標準的基礎上，對原有不符合要求的采空區(qū)老密閉，全部進行加固處理。建立了兗州礦區(qū)綜放大面積采空區(qū)氣體監(jiān)測與密閉控制技術規(guī)范，有效地杜絕了因漏風引發(fā)的采空區(qū)煤體自燃事故，因災變造成采空區(qū)密閉沖擊破壞事故。通過對采空區(qū)的氣體監(jiān)測、安全隔離、封閉和控制，未發(fā)生過采空區(qū)浮煤自燃及摧毀閉墻的事故。

4 煤自燃火災應急處置方法

以往的大量經驗積累發(fā)現，煤自燃通常發(fā)生在工作面開切眼、停采線、斷層等地質構造及其相鄰的采空區(qū)。當出現工作面推進緩慢、過地質構造帶或揭露采空區(qū)時，一旦發(fā)生煤自燃火災，采用常規(guī)的注氮惰化技術難以帶走采空區(qū)熱量、注膠降溫范圍小且難以控制漏風，火災防控難度大。兗州礦區(qū)在基于煤自燃隱患監(jiān)測預警、危險區(qū)域劃分及隱患超前防控的技術思路引領下，研發(fā)出液態(tài)二氧化碳火區(qū)快速熄滅和控制技術，火區(qū)快速鉆孔施工技術，高分子膠體滅火技術，形成一整套適合煤火災害快速控制的關鍵技術體系，實現了自然火災的應急控制。

4.1 煤自燃液態(tài)二氧化碳惰化降溫技術

利用液態(tài)二氧化碳的“吸附阻氧、惰化降氧、汽化降溫”等防滅火特性[18]，能快速有效地實現對煤體的降溫和惰化，具有其它防滅火技術不可比擬的優(yōu)點。液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)如圖5。

圖5 液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)Fig.5 Liquid carbon dioxide fire-fighting system

兗州礦區(qū)開展了煤炭自燃二氧化碳氣體防滅火機理、液態(tài)二氧化碳的儲運、汽化以及工藝，礦用液態(tài)二氧化碳防滅火裝置等5 個方面的技術攻關，開發(fā)了液態(tài)CO2防治煤自燃的工藝及裝備。此項技與傳統(tǒng)的注氮防滅火技術相比，惰化效果好，成本降低了4 倍，效率提高了約50 倍，應用工藝簡單、初期投資少。礦用移動式液態(tài)二氧化碳防滅火裝置無需增壓裝置，直接釋放到煤炭自燃區(qū)域，比原來的自產氣裝置速度提高了近10 倍，滅火速度快，降溫效果好，安全性好。項目在兗礦集團各大煤礦實施后，成功控制南屯煤礦、東灘煤礦、趙樓煤礦等自燃隱患，解決了煤炭自燃防控難題。

4.2 高分子膠體快速滅火技術

火災快速治理技術為采取更進一步的綜合治理措施徹底治理煤層火災贏得時間。通過研發(fā)一次性成孔鉆具和高分子膠體材料，不僅材料用量少，配比簡單且防滅火效果好；對應的裝備適用于小空間、運輸和使用方便。

在礦井用水中按比例加入少量的滅火劑，水液固轉化形成高分子膠體，配比膠體能夠在隱患位置停留，包裹高溫煤體、堵塞煤體縫隙隔絕氧氣、降低煤溫、撲滅火源，并防止復燃[19]。開發(fā)的高分子膠體滅火劑用量極少，僅為水量的0.8%左右，現場工人易掌握，其能夠實現本面開采煤火災害的快速控制和熄滅，同時也能對巷道頂部等小范圍區(qū)域的防火。

4.3 惰氣泡沫快速抑制技術

惰泡防滅火系統(tǒng)示意圖如圖6。

圖6 惰泡防滅火系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of inert foam fire extinguishing system

向采空區(qū)注入惰性泡沫的技術，通過泡沫發(fā)生裝置和帶壓的惰氣源結合，連續(xù)大量地產生惰氣泡沫，沿著設定通道向采空區(qū)和煤堆內部形成隔離堵漏帶，可以快速惰化，阻止風流進入采空區(qū)，預防煤自燃[20]。以惰氣泡沫為載體將物理和化學阻化劑注入采空區(qū)，發(fā)泡倍數20～50 倍，穩(wěn)泡時間大于20 h。

5 結 語

兗州礦區(qū)在煤自燃火災防控方面取得了豐碩成果，建立了礦井開采煤自燃超前預測、早期預防及快速應急的精準防控技術體系。從煤自燃特征信息精準預測預報、態(tài)勢監(jiān)測預警，形成煤火災害防控的時空分級監(jiān)測預警體系，實現了煤自燃隱患分險等級的分級；研發(fā)了煤自燃火災超前處置、應急防控的方法與創(chuàng)新技術裝備，形成了用于兗州礦區(qū)煤火災害分區(qū)-分時的精準防控技術體系。通過在兗州礦區(qū)所屬的12 對受煤自燃威脅的礦井進行了工程應用，從2006 年至今煤自然發(fā)火災害零發(fā)生，實現了煤自燃火災的精準防控。