对综放采空区隐蔽火源点防治新技术研究

　　摘要：煤炭自燃是具有自燃倾向性的煤在有适宜的供氧量、有蓄热氧化环境和时间的条件下发生的物理化学变化的结果。该文针对目前综放采空区各种防灭火技术与材料存在的不足，分析了综放面煤层自燃火灾特点，并对三相泡沫的组成、特点、发泡机理、及防治采空区煤炭自燃机理等几方面进行了阐述和分析。

　　关键词：煤炭自燃 防灭火 三相泡沫

　　1 问题的提出

　　煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一，严重威胁着煤矿人员安全以及造成重大经济损失。全国煤矿中有56%的矿井存在煤层自然发火的危险，在已开采过的220个综放工作面中发生了182次自燃火灾事故。煤层自燃火灾成为制约高产高效矿井安全生产与发展的主要因素之一。

　　2 综放采空区煤层自燃火灾特点

　　综放工作面采用后退式开采，“U”型通风方式，实行无煤柱开采，采场进风巷及采空区与邻近采空区(已封闭)连成一片，构成比较复杂的漏风型式，采场的内部漏风与煤炭自燃有着密切的联系，直接影响着采空区氧化“三带”的分布，具体表现如下：

　　2.1 大多数煤层都具有自燃倾向性，且由于综放工作面的单产高，走向长度较大，有的工作面目前已超过2000m，工作面回采时间均超过煤层的最短自燃发火期，煤体在空气中的暴露时间较长。

　　2.2 综放开采时，采空区丢煤比较多，这些浮煤呈破碎状态，为采空区自燃火灾的发生提供了条件。

　　2.3 自燃火灾大都发生在距暴露面一定深度的中部，这里漏风强度适中，风速慢，氧气浓度适宜，易满足煤的自燃条件而形成自燃高温点，且采空区遗煤的氧化带与自燃带一般在工作面的30m之后。

　　2.4 综放开采工作面两端头的顶煤难以回收，两端头丢失的顶煤冒落后堆积。在没有相邻界采、空区时，综放面的漏风为采空区的小并联漏风。综放工作面两端头是采空区漏风的源与汇，这两处的漏风均比较大。

　　2.5 综放面本面顺槽、切眼、停采线自燃危险性较大。综采工作面巷道沿煤层底板掘进，通常顶部留有几米厚(一般大于3m)的顶煤，在掘进动压及相邻采煤工作面回采动压影响下，顶煤受压而破碎、离层，区段煤柱也被压酥，在掘进过程中，还经常出现顶煤冒落，支护后，在棚网上堆积了一定量的松散浮煤。

　　3 当前主要采用的防灭火技术及评述

　　随着煤炭工业的高速发展，煤层自燃火灾治理技术取得了显著的成绩。目前国内外防灭火技术主要常采用预防性灌浆技术、阻化剂技术、注水技术、惰性气体技术等，在某些条件下也采用堵漏技术、凝胶技术等。

　　在20世纪50年代，灌浆技术成为我国煤矿防灭火手技术的主要手段，并且一直沿用到今天。所谓的预防性灌浆技术就是指将水和灌浆材料按适当的比例混合，配制成一定浓度的浆液，经过铺设的输浆管路利用自然压差或泥浆泵送到可能发生煤炭自燃的区域，以防止自然火灾的发生。阻化剂技术在美国、波兰、前苏联等国家得到了较好的应用；近些年来，阻化剂技术在我国也得到推广应用。该技术主要是让水溶液附着在易被氧化的煤体表面，惰化煤体表面的活性结构，阻止煤与氧气的接触的作用。近年来，凝胶技术在我国得到较广泛应用。凝胶分为无机凝胶和高分子凝胶两大类，其防灭火机理是凝胶通过钻孔或煤体裂隙进入高温区，其中一部分未成胶时在高温下水分迅速汽化，快速降低煤表面温度，残余固体形成隔离层，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃；而流动的部分混合液随着煤体的温度的升高，在不远处及煤体孔隙里形成胶体，包裹煤体，隔绝氧气，使煤氧化、放热反应终止；干涸的胶体还可以降低原煤体的孔隙率，使得通过的空气量大大减少，从而抑制复燃。

　　4 三相泡沫防灭火新技术

　　4.1 三相泡沫的组成及特点 防治煤炭自燃的三相泡沫由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体(N2)和水三相防灭火介质组成。三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了防灭火效率。由于三相泡沫发泡倍数较高，单位体积的泡沫材料成本大幅下降，具有较高的经挤效益。

　　与现有的防灭火技术及材料相比，三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点。泥浆通过注入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅快速增加，并在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免注入的浆体从底部流失；注入在采空区的氮气被封在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防治煤炭自然发火，这是三相泡沫防灭火性能的优越性。

　　4.2 三相泡沫防治煤炭自燃的机理 采空区煤体发生自燃，应服从四面体的概念，即煤、氧气、热量、链反应的4要素缺一不可。通过对要素中任何一个要素的切断控制，都会阻止煤炭自燃。三相泡沫技术可以同时对煤炭自燃的4个要素进行控制，因此防治煤炭自燃的效果显著。

　　4.2.1 封堵采漏风通道与煤体裂隙，包裹煤体，隔绝煤氧结合。对于综放面采空区而言，大量浮煤是普遍存在的，因此必须采取措施隔绝煤氧结合，降低煤氧相互作用的机会。三相泡沫中的固体不燃物(粉煤灰或黄泥)，恰恰是针对这种特性，封堵采空区漏风通道与煤体裂隙，包裹煤体，阻止氧气进入，隔绝煤氧结合，极大地降低了煤氧反应中的煤与氧的浓度，从而大大降低反应速率和放热速率，达到防治煤炭自燃的目的。

　　4.2.2 对于已有升温趋势的煤，具有吸热降温作用。若煤体与周围环境的温度升高，活动分子和活化能就会增加，煤氧分子的化学反应速率和放热速率就会加快。煤炭自燃的诱因之一是由于煤的自然氧化产生的热量聚集。温度上升的速度既取决于反应产热量，又取决于周围环境的散热条件。在采空区一般仅存在漏风小通道，散热条件较差，易于形成热量积聚。当产热速率大于散热速率时，采空区内将迅速聚集大量热量，随即温度上升，化学反应速度加快，同时产生更多的热量，造成恶性循环，直至引发煤炭自燃。

　　4.2.3 润湿煤体，阻化煤体自燃。为防治煤炭自燃，需降低煤氧化放热速率。由于使用的发泡剂是由几种表面活性剂复配而成，一方面，发泡剂本身就是一种很好的阻化剂，能有效地阻止煤体官能团的产生和自由基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果；另一方面，水均匀的分散在煤体上，也是一种非常好的阻化剂。

　　4.2.4 降低采空区氧气浓度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤体。若采空区中氧气浓度过高，则化学反应速率和放热速率就会增大。因此，在必要时，需要降低其区域内的氧气浓度。

　　5 结束语

　　综上所述，我国的矿井防灭火技术与手段，确实有了较大的发展与提高。但应看到，目前发火形势依然严峻，还需要继续不断地完善和提高防治技术水平，研究和开发创新技术与手段，以便从根本上改变煤矿煤自燃火灾的不利形势。此外，还要有足够的投入和严格的管理。各矿必须清醒地认识到这一点，给予极大的重视。只有舍得在这方面加大投入，才会获得优厚的回报。