淺談煤礦采空區(qū)防滅火技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

姜青峰

（安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

隨著我國經濟的快速發(fā)展，對煤炭資源需求量與日俱增，雖然去產能在煤炭行業(yè)一直被提起，但是根據(jù)我國中遠期發(fā)展規(guī)劃可知，在未來很長一段時間內，煤炭在我國一次能源消費中的比重依然保持在50%以上。由于我國地質類型多樣，開采逐漸向深部擴展，復雜的地質條件和特殊的生產條件導致煤礦火災時有發(fā)生，礦井火災始終困擾著煤礦安全開采，造成巨大的經濟損失。因此，本文總結了當前采空區(qū)主要防滅火技術及其原理，指出各種防滅火技術的優(yōu)缺點，并展望未來采空區(qū)防滅火技術發(fā)展方向。

1 采空區(qū)自燃機理

采空區(qū)煤自燃也稱礦井內因火災，是指遺留在采空區(qū)內部的煤在未經點燃而自行燃燒的現(xiàn)象。其機理目前普遍認為是煤氧復合作用，與空氣接觸原始煤體在蓄熱條件良好的空間內被氧化，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，在自熱期煤經過長時間的氧化，化學活性增強生成的不穩(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，生成碳氫化合物和CO等可燃氣體，隨著自熱期的發(fā)展，氧化反應加速，煤溫逐漸上升到自燃溫度，進入燃燒期，此時，煤發(fā)生深度熱分解反應，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

目前采空區(qū)遺煤自燃的防止技術主要是針對煤炭自燃的四個條件，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和防滅火材料。因為采空區(qū)發(fā)生自燃需要四個條件同時達到，所以只需要破壞其中一個就能阻斷煤自燃過程。

2.1 工作面開采技術

在煤層開采前，制定合理的開采技術措施能有效避免采空區(qū)自燃發(fā)生，其中包括設計合理的巷道尺寸、適合的開采方式以達到最大的煤炭回收率，減少遺煤產生。在一些無法避免的產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間短于其最短發(fā)火期。合理設計煤層開采順序，對災害嚴重煤層采取保護層開采技術。

2.2 均壓通風技術

均壓通風技術就是運用井下通風設備調節(jié)通風系統(tǒng)中各部分壓力，降低漏風通道兩端壓差，從而減少漏風，最終抑制自燃發(fā)生。實施均壓通風技術是工作面防治煤炭自燃的重要手段，可有效降低采空區(qū)漏風量。該技術操作簡單、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

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

2.4 注漿防滅火技術

注漿防滅火技術是指將黏土、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，灌入的泥漿對煤體有包裹作用，能起到降低煤體溫度、隔絕氧氣作用，同時，泥漿進入裂隙膠結后能降低采空區(qū)空隙率。目前已經建成井上固定制漿系統(tǒng)和井下移動注漿系統(tǒng)，通過管道運送漿液，注漿量也可跟據(jù)需要及時調控，該技術成本低、易操作、防滅火效果顯著，但是，需嚴格控制漿液濃度防止?jié)舛冗^大導致注漿管堵塞。

2.5 惰性氣體防滅火技術

惰性氣體防滅火是指將惰性氣體通過預埋管道或者鉆孔注入可能發(fā)生或已經出現(xiàn)煤自燃的區(qū)域，達到預防和撲滅火災的技術。常用的惰性氣體有兩種：N2和CO2，二者化學性質相對穩(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入煤體內部孔隙中，置換出煤內氧氣，阻止了煤進一步氧化。其次，研究表明，CO2對煤自燃的抑制效果比N2更強。目前，研究人員提出復合惰性氣體防滅火技術，通過N2與CO2之間合理配比，使二者的滅火性能達到最優(yōu)。惰性氣體防滅火技術操作簡單、易制備和輸送，但是惰性氣體滅火周期長且易導致施工區(qū)域人員窒息，所以使用惰性氣體防滅火要加強氣體濃度監(jiān)測。

2.6 阻化劑防滅火技術

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，抑制煤自燃。目前阻化劑類型多種多樣，但因價格昂貴且滅火所需量大、生產工藝復雜，所以需要根據(jù)實際情況采用。

2.7 三相泡沫防滅火技術

三相泡沫防滅火技術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。三相泡沫集多種材料防滅火性能于一體，充分利用其流動性，可完整覆蓋煤體表面，并且對所覆煤體進行惰化和降溫，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)定時間可在8小時以上可以起到一定的堵漏作用。

3 煤礦采空區(qū)防滅火技術發(fā)展趨勢

（1）煤自燃預測預報技術研究。隨著淺部煤層開采接近尾聲，煤礦開采深度不斷增加，地質條件也越來越復雜，采空區(qū)內火源位置隱蔽性高，難以準確監(jiān)測，目前煤礦缺乏對采空區(qū)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)有煤自燃危險區(qū)域判定方法具有局限性，不能準確判定各種開采條件下的采空區(qū)危險區(qū)域。（2）新型防滅火材料研發(fā)。目前雖然防滅火材料已經發(fā)展多年，但是，大多數(shù)材料成本高昂且制備工藝復雜。所以，要研發(fā)適合煤礦生產條件，且經濟環(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、報警、自動滅火于一體的智能防滅火系統(tǒng)。缺少標志性氣體檢測儀器，目前很多地方煤礦的氣體檢測仍需井下取樣到地面經行分析化驗，無法隨時隨地測量井下任何部位氣體成分，這導致煤礦監(jiān)測人員常常無法及時發(fā)現(xiàn)危險區(qū)域，難以及時消除火災，所以便攜式氣體檢測儀需要亟待研發(fā)，以便能做到井下原位檢測。

4 結語

煤礦防滅火技術研究在未來很長一段時間內依舊是煤礦安全開采的重點。煤礦采空區(qū)防滅火應以基礎研究為重心，從合理設計開采方式、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、預報、自動滅火于一體的智能防滅火系統(tǒng)，提高煤礦安全開采水平。