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。煤礦當中的近距離煤層之間極易產(chǎn)生漏風通道，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)的有效應用，從而破解當前煤礦近距離煤層采空區(qū)容易發(fā)生火災風險的困局。

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，會導致圍巖應力分布發(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速度提升，也會相應增大放熱強度。只要存在氧氣就可以產(chǎn)生煤氧復合作用，氧氣濃度的高低僅會對煤氧復合速率產(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流和頂?shù)装鍘r層的熱量減少。在煤礦采空區(qū)當中，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)生火災的類型與其他性質(zhì)的火災有本質(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)生的物理或者化學反應，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。并且因為煤礦當中的采空區(qū)、巷道破碎帶當中堆積著許多煤體，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，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，使得煤層自燃原因更加難以探尋。

③煤層出現(xiàn)自燃導致火災事故的發(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。從煤氧復合作用的條件分析，煤與氧發(fā)生反應進而產(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，在火風壓的影響下，所處部位比較高的煤體極易被加熱，因此導致溫度也隨之上升，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。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，并且還會導致漏風供氧問題出現(xiàn)。在安置綜放設(shè)備的過程中，供風量比較小，產(chǎn)生的風流溫度相對較高，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)生自燃火災的風險比較大。

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，風流會在變化的位置出現(xiàn)動壓差；B.巷道中的風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)，同時在熱風壓的影響下，頂煤漏風的情況增大，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)火災情況之后，熱風壓的存在還會導致火災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。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中的風門、風窗、風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測預報技術(shù)

所謂自燃預測預報技術(shù)，其實質(zhì)在于采掘煤層的過程中，煤氧復合作用下促使其發(fā)生氧化反應，進而釋放熱能，熱量融合增大導致溫度上升，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警，并且對其火勢的詳細情況進行預測和推斷，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。主要應用到的預報手段有指標氣體分析法和測溫法。其中，指標氣體分析法指代的通過將CO、C2H4、鏈烷比等氣體加以利用，使其成為預測煤層自燃起火具體情況的指標性氣體。在已有的相關(guān)預測預報手段中，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)操作進行科學指導。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，能夠提高預判火勢發(fā)展情況的有效性和精確性。

(2)控制漏風技術(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?，F(xiàn)階段控制漏風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，漏風供氧是原因之一，因此杜絕漏風，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，從而減緩漏風的情況，進一步對自燃火災進行防治和控制。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)來達成達到將漏風情況完全阻斷的目標還是有相當大的難度。

圖2 漏風測定示意圖

(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，繼而對抑煤氧復合形成的自燃現(xiàn)象加以抑制。在起火現(xiàn)場所應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用較為普遍。

4.結(jié)束語

綜上所述，在煤礦近距離煤層當中，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。