摘 要：介绍一些我国近几年研究和开发成功的、适用于我国国情的可靠而经济的火灾防治技术与手段,同时给予适当的评价,供有关矿井选择参考,并正确地予以应用。
关键词：矿井火灾煤的自燃倾向性自然发火预测
我国56%的矿井开采易自燃煤层,矿井火灾是一大突出灾害。百万吨发火率近年虽有所下降,但仍高居不下,达1%强,与世界几个主要产煤国家相比,差距还很大。尤其是近几年,重大火灾事故还时有发生,给煤炭企业带来难以估量的负面影响,特别是有损于煤炭行业的社会形象,也严重制约着煤炭企业的经济效益。因此,火灾防治工作依然是煤炭企业领导的一项常抓不懈、重要而艰巨的任务。
我国煤矿的火灾防治技术与手段,尽管还存在某些差距,但不容置疑的是,近几年确实取得了令人瞩目的成绩,有了显著的进步和发展,也为煤矿提供了一批性能良好、质量可靠的适用技术和手段。但是,在其推广应用的广度和力度上,还很不平衡,当前的迫切任务是:组织力量,加快速度,将它们推向各类煤矿,使其在火灾防治工作中充分发挥作用。
1矿井火灾预测预报技术
1．1煤自燃性鉴定与自然发火测报
（1）煤的自燃倾向性鉴定
此项技术在80年代中期前,应用的是照搬苏联的煤着火温度降低值法。尽管发现它存在着不少缺点,但由于缺乏自己的技术和手段,仍然不能予以割舍,沿用了几十年。进入80年代中期,随着新技术的发展,我国才开始开发研制以现代色谱为基础的新一代煤的自燃倾向性鉴定技术和手段。现已开发出被纳入法规的色谱吸氧鉴定法及其配套仪器ZPJ—1型煤的自燃性测定仪,业已投入实际应用,使我国在这方面的技术和手段步入国际先进行列。色谱吸氧鉴定法,就是应用现代气相色谱技术与手段,检测煤低温下吸氧的能力(氧量、速度),作为判别煤的自燃倾向性程度。它的特点是使用了现代色谱技术,测定和计算都由色谱仪及其附件完成,人员不接触有害物质。该方法已纳入《煤矿安全规程》(1992年版)作为法定方法执行。它简单易学,操作简便,且无害健康。
（2）煤层最短自然发火期
这是一项实际意义重大、各矿需要迫切、但又非常棘手的任务。尽管国家在科技攻关项目中,如“八五”攻关项目中,安排过研究,但遗憾的是,目前也只停留在实验室阶段,离实际应用尚有较大的差距,需要加大力度予以研究,才能满足煤矿的需要。
1．2煤层开采过程中的火灾测报
（1）预测预报指标
煤层开采时期的火灾预测预报,我国主要应用气体分析法。为完善和提高此法的可靠性和灵敏性,近年主要研究开发了更灵敏可靠的检测指标和适应新指标的仪器或装置,以及敏感元件。关于检测指标,新的研究提出的概念是,CO已不是在任何情况下都可作为唯一的和最灵敏可靠的判别煤自燃火灾的指标。新的研究结果是,可以使用CO、C2H4及C2H2三个指标,综合地将煤自然发火区分出三个阶段:矿井风流中只出现10－6级的CO时为缓慢氧化阶段;出现10－6级的CO和C2H4时为加速氧化阶段;出现10－6级的CO、C2H4和C2H2时为激烈氧化阶段,此时即将出现明火,矿井处于危急时期。应用这三个指标,不仅可预测火灾,而且还可判别其阶段,据此而采取不同的防灭火措施。本项技术已在较多的矿井中应用,但需指出的是,对不同的煤层必须分别对其进行模拟实验,优选其指标的具体应用值,唯有如此,各矿才算是正确地
应用了这一技术。另外,还应提及的是,上述指标,亦有可能用作判别煤内因火灾熄灭程度的指标,有关单位或矿井不妨进行实验。
（2）预测预报仪表与装置
a)束管集中检测系统与传感器。此系统是目前我国煤矿使用得比较多的系统,也是基于气体分析的原理。我国自行研制的系统,已在二十几个矿井中应用,而且近年亦有较大的改进与提高,推出了KJF型系统,除增加了新的检测功能外,又将控制箱移到井下,组成井下检测分站,分站信号则送到地面,由配有微机的总站集中监控。此种新系统已在几个矿井具体应用,效果尚属满意,在进一步实验考证、积累经验的基础上,具有推广价值。不足之处是,使用的是分离式传感器,要增加维护量和经费,同时它也不能检测火灾气体全组分中的C2H2。为适应上述集中检测系统的需要,我国近年还研究开发了多种传感器与之配套,如KGA2型CO传感器(电化学型,测量范围0～010005,误差不大于5%),KGQ1型C2H4传感器(气敏型,测量范围0～0100002)。此外还有KGQ2型O2传感器,KGS7型CH4和KGQ11型CO2传感器等,都可供火灾气体集中检测系统应用。但需说明的是,这些传感器目前尚属试用阶段,还需一定时间的检验。
b)GC85型色谱集中检测系统。此系统是已经通过国家鉴定的攻关项目(矿井多参数色谱检测系统),其主要的技术特性发挥了气相色谱技术的一系列优势。多功能:同时用于常量和微量分析,自动进样和切换,常期和灾期分析,预警和示警,打印和制表。多参数:可分析常量组分,如O2、N2、H2和CH4等,以及微量组分CO、CO2、C2H4和C2H2等,并显示煤自燃的动态过程。高精度:主要气体的指标值,最小检测浓度:CO和C2H2小于等于5×10－7,C2H4小于等于10－7。系统全部由微机控制。
c)GC—4008型煤矿专用气相色谱仪。为煤矿专门设计的实验室用气相色谱仪,主要技术特征是:多检测器,TCD、FID和CH4转化炉。高检测性能,并联三柱,分别进样,使得分离效果好。专用填充柱,使得分析条件规范化。适于分析常微量矿井大气组分、火灾气体组分和瓦斯突出气体组分等。装置为人工进样,适于那些未建立集中检测系统矿井的实验室用。实践证明,性能良好,已在几十个矿井中使用,得到好评和认可,一般中小型矿井均可选用。
d)CA—9000型移动式矿井气体分析系统。此系统由1台改装的南京依维柯40—10型中型旅行车,以及采用防震组件保护而组装在其中的2台车载煤矿专用气相色谱仪、1台色谱数据处理工作站及一批必需的配件等组成。系统的特点是:防震性能优良,在三级公路以及相当于此类的矿用公路上行驶,分析结果不受影响;组装有2台煤矿专用气相色谱仪,可完成矿井大气、火灾气体和瓦斯气体的全分析,色谱仪则装备有性能良好的专用色谱柱,分析周期全过程不超过15min。机动性好,适用于多矿井而不欲分散设立多处实验室的矿区。
此系统已通过部级鉴定,专家评价较高,使用单位十分满意。可以推广应用,特别是在一些边远地区的中小型矿井群多单位合作应用。另外,有关单位亦研制有类似的移动式检测系统。两者都可供矿井选用。
1.3机电设备与硐室火灾检测系统
我国煤矿近年曾发生多起胶带输送机或机电硐室火灾,并造成重大经济损失或人员伤亡。应此类事故预测和防治的需要,近几年相继开发出几种装置和仪器设备,如DMF型带式输送机自动灭火系统、DHM型硐室与胶带自动洒水灭火系统,以及之后的改进型,如MZS—1型带式输送机自动洒水灭火系统和KHJ—1型矿井火灾监控系统及自动灭火装置等。这无疑会为我国煤矿外因火灾的预测预报及防治增添新的手段和能力。这些系统都是我国自已研制开发的产品,适应我国的具体国情,完全可供有关矿井选用。实际上,已在多个矿井得到应用,在安全生产中发挥着良好的作用。
2 煤层开采时期防火与灭火技术的进步与发展
煤矿火灾防治中的另一个重要方面,是煤层开采时期的火灾防治。此问题的复杂性在于,采煤方法多种多样,煤层的赋存状态也十分复杂,很难使用一种单一的方法去防治所有采煤方法下的各类地质条件的火灾,必须根据具体的情况选用适当的防治措施。我国煤矿煤层开采时期的火灾防治技术措施,总体上说,有如下几类:惰化、堵漏、降温等以及它们中的几类的综合,共同发挥作用来实现预计的。
2.1惰化技术防灭火
惰化技术,就是将惰性气体或其它惰性物质送入拟处理区,抑制煤的自燃的技术。惰性物质惰化技术,除已作为常规防灭火技术措施使用的黄泥浆外,近年发展起来的有粉煤灰、页岩泥浆、选煤尾矿泥、阻化剂和阻化泥浆等,已经比较广泛地被应用。它们的作用,除惰化外还兼有降温,对煤矿本身则微有污染,应当予以注意。这些技术,从总体上说,都是可行和有效的,受到煤矿的欢迎。问题只是各矿如何针对自已的情况来选定,以及如何先权衡经济效益而后决策,但从目前技术的发展及经济的可承受性来看,具有较大优势的还是粉煤灰注浆和阻化剂。它们最可取的是可以取自某些废弃物及其再利用,对环保亦起着一定有利作用,并免于农争地。它们多被用于厚煤层采全高或分层开采,如何采用,各矿可根据本矿的情况,论证后诀择之。惰性气体惰化技术,虽然很多煤矿都可以应用,但在我国则规定,放顶煤开采的煤矿必须使用以它为主的综合措施(除惰气外还辅以其它措施)来防治煤自燃火灾,目的是要在较大的程度上保证采煤安全。惰气源目前发展起来的主要是氮气,制备的方式有:深冷空分、碳分子筛变压吸附和中空纤维分离等三种,我国有相当的产品提供矿井选用。它们各有其特点,目前各矿主要考虑的是经济承受力,除深冷空分固定资产较高外,其它两类由于分离氮的基础材料如碳分子筛、中空纤维等,还难以国产出可与国外产品竞争的产品,造成初期投资也较高,加大了生产成本,使矿井在一定程度上失去经济优势。
因此,欲广泛发展和应用这些新技术,还需要加大科研力度,解决基础材料国产化及降低成本问题。在应用技术方面则应改进和提高注氮工艺,加强与采煤工艺的互相配合,以便取得好的效果。注惰效果主要取决于能否保证惰气质量、合理必需的注入量及其连续性,以及能否辅以强有力的检测技术,否则很难取得理想的效果,各矿必须认识到这一点,不可将注惰作为一项万能的措施,盲目地滥用。致于目前已开发使用的三种制惰(氮气)设备,相对来说,更受欢迎的还是井下移动式膜分离设备,因为它较碳分子筛设备更易操作和维护保养。但也有其缺点,除上述的需要国产化外,某些部件也须改进、提高,特别是其净化过滤装置。此外,三种制氮装备中,不论那一种,都需注重产品的质量,并以优质的售后服务,保证装备的正常和良好运转。
2.2堵漏技术防灭火
煤层开采时期火灾防治的第二个重要环节是堵漏,也就是采取某种技术措施减少或杜绝向煤柱或采空区的漏风,使煤缺氧而不会自燃。堵漏技术和材料,我国近年发展也很迅速,相继研究和开发出适于巷顶高冒堵漏的抗压水泥泡沫和凝胶堵漏技术和材料,适于巷帮堵漏的水泥浆、高水速凝材料和凝胶堵漏技术与材料,以及适于采空区堵漏的均压、惰泡、凝胶和尾矿泥堵漏等技术成果,它们各有其使用条件和优缺点。目前,上述这些堵漏技术和设备及材料,我国都可以解决,各矿可以根据本矿的具体情况,因地制宜地选用。值得一提的是,均压防灭火和凝胶防灭火技术,操作都不复杂,具有不污染或少污染环境的优点,所需的投入也不多,技术也不复杂,值得各矿大力应用。
2.3采空区自燃火源探测技术
矿井火灾防治的一个难点在于发火点的隐蔽性,尤其是采空区内和煤柱内部的火,很难找到火源点。它也象煤层最短自然发火期一样,是人们研究的热点问题,我国长期以来也是应用气体分析法以期去解决这一问题,但是依然未得到满意的结果。为解决这一棘手问题,国家在“八五”攻关课题中曾有所安排,如期望使用称之为“信号发生器敏感元件”的技术方法,解决火源探测的问题。但遗憾的是,亦没有取得满意的、有实用价值的结果,只能认为是实验室的一次尝试,或者说是采煤现场的一次探路。此外,有关高校单位还曾研究过应用计算机技术模拟采空区煤自燃的状态,期望以此探测自燃源,同样也未取得实用结果。至今,采空区火源探测的问题,在我国依然是一项开放性的课题,还需要继续加大力度,花费一定的时间与人力物力去进行研究。这也是一项极其值得研究的课题,因为国际上已经出现一种称之为“临地表岩层浅钻孔气体分析法”用于检测地表层火灾气体异常,进而探测煤矿井下采空区火灾的技术。从已掌握的信息看,这是一项已取得满意结果、完全可用于圈定煤矿井下采空区内煤自然发火火源的工艺方法,他们的实践经验已经证明了方法的可行性和可靠性,而且与在矿井井下的工艺方法相比也不复杂和繁琐,只要掌握一定的检测技术手段,具有相当的技术素养,完成并不多的工程量,进行一定程度的技术数据处理,即可取得满意的结果。为此,应当抓住这一具有国际水平的前沿技术,跟踪这一初具苗头的技术发展,结合我国的具体条件和能够掌握的技术手段,进一步发挥自已的优势,获取希望的理想结果,为我国煤矿火灾防治技术水平的提高和发展作出自已的贡献。
2.4大型机电设备防灭火的发展
在我国煤矿中,大型机电设备火灾至今仍不时地造成过重大伤亡事故,对其防治依然是不容忽视的。尽管已开发出如DMF型、DHM型、MZS—1型和KHJ—1型等可用于带式输送机或机电硐室的火灾防治的装备系统,但依然满足不了需要。为此,国家在“九五”科研攻关项目中仍然安排有课题,要求发展新的技术装备,如以光缆技术和热敏电缆技术为基础的装备,有关单位正在加大力度进行研究。这无疑会给煤矿火灾防治技术增添新的手段和能力。希望它早日出成果。这些系统都将是国产化产品,适应我国的具体情况,有它们的优势,也有较大的可选性。目前各矿只能从上述几种防灭火设备系统选用适合本矿具体情况的系统,予以应用。
3 灾期应变与救灾技术
矿井火灾防治的第三个环节———灾期应变与救灾技术,与其它两方面相比,亦有较大的发展。在救灾装备方面,自救器、呼吸器、爆炸危险性检测仪、惰化阻爆灭火装备及快速隔爆墙等,都有一些新产品和设施问世和生产。其中如OSR—10、20、40和60min矿工自救器,BMK—1型便携式煤矿气体可爆性测定仪及DQ—400/500型、DQ—150型燃油
惰气灭火装置和BGP—400型高倍数泡沫灭火机,技术性能都不亚于进口产品,完全可供矿井救灾时应用。尽管如此,在技术上和经济上,仍需加大研究力度,开发出质优、价廉的产品,以满足和适应救护队的技术要求和装备需求,同时也减轻矿井的负担而提高使用率,保证矿工的安全。至于救灾技术,如以计算机为手段的救灾决策和指挥辅助系统等软件技术,我国的研究与发展水平,与国际相比并不逊色,只是尚需有关矿井提高认识,加大与有关研究院所及高等院校的合作力度,创造条件给予实践检验,有针对性地完善、改进和提高,进而推广应用。
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。