煤矿火灾预防与防治技术现状

　　摘要： 矿井火灾是威胁煤矿安全生产、危害职工生命安全的重大灾害之一。文中就我国现有的煤矿火灾防治技术及矿井火灾预测预报理论和方法进行了全面系统的阐述。介绍了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。

　　我国56%的矿井开采的是易自燃煤层，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，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。

　　1 矿井火灾分类

　　1.1 外因火灾

　　外因火灾是指由外来热源，如放炮、瓦斯煤尘爆炸、机电设备不良、机械磨擦、电流短路、焊接火花等原因造成的火灾，同时也包括内因火灾处理不当而诱发的外因火灾。矿井外因火灾具有突发和严重的灾难性。例如福建省陆家地煤矿曾经发生一起明火火灾，由于无法进行反风造成了死亡28 人的严重性事故。由于外因火灾的主要可燃物有木材、胶带、电缆、油料等，故对井下可燃材料燃烧特性的认识，对我们分析火源、控制火情、减少损失有着积极的作用。许多专家和学者做了大量的燃烧实验，测试得到了各种材料的基本燃烧性质及火灾过程中各种因素的相互影响等宝贵的数据，丰富了人们对矿

　　井火灾燃烧特性的认识。

　　1.2 内因（自燃）火灾

　　自燃火灾是指煤炭自身的吸氧、氧化、发热、热量逐渐积聚达到着火温度而形成火灾。纵观我省煤矿有不少矿井的煤层有自然倾向性，如苏邦煤矿今年年初发生自燃火灾及一些小煤窑的自燃火灾屡有发生等现象也说明了这点。煤炭并不是一暴露于空气中就自燃着火的，一般需要经过潜伏期、自热期和自燃期三个阶段。

　　（1）低温氧化阶段

　　特征：煤的重量略有增加，增加的重量等于吸附氧的重量，煤的化学性质变得活泼，煤的着火温度降低。

　　（2）自热阶段

　　特征：煤温升高；流经火源后的空气氧含量减少；空气湿度增大，形成雾气，在支架及巷道壁上凝有水珠；空气中CO、CO2 含量显著增加。

　　（3）自燃阶段

　　产生大量的C 和碳氢化合物；空气和煤岩温度显著升高；火源出现火焰；巷道中出现烟雾及特殊的火灾气味。

　　2 矿井火灾预测预报技术

　　煤的自燃倾向性鉴定技术在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。

　　3 矿井火灾防治技术

　　我国煤矿火灾防治技术措施，总体上说，有如下几类。

　　3.1 均压防灭火技术

　　均压防灭火技术一般对工作面及掘进面初期发现的高温预兆点有较好地效果。它是采用通风的方法减少自燃危险区域漏风通道两端的压差，使漏风量趋于零，从而断绝供氧源，起

　　到防灭火作用。

　　3.2 阻化剂防灭火技术

　　煤炭自然发火是由于煤与空气中的氧气相互作用的结果，在漏风不可避免的情况下， 在煤的表面喷洒上一层隔氧膜，阻止或延缓煤的氧化进程。阻化剂主要是卤化物与水溶液能浸

　　入到煤体的裂隙中，并盖在煤的外部表面，把煤的外部表面封闭，隔绝氧气。同时，卤化物是一种吸水能力很强的物质，它吸收大量水份复盖在煤的表面，也减少了氧与煤接触的机会，延长煤的自然发火期。

　　3.3 阻化汽雾防灭火技术

　　汽雾阻化防灭火其实质就是将受到一定压力的阻化溶液通过雾化转化成为阻化剂汽雾。汽雾发生器喷射出的微小雾粒可以依漏风风流为载体飘移到采空区内，从而提高采空区防

　　火效果。

　　3.4 超大量灌注无机固化粉煤灰防灭火技术

　　目前现用防灭火充填材料主要有:黄泥浆充填材料、水砂浆充填材料、煤矸石泥浆充填材料、粉煤灰充填材料、石膏育填材料、水玻璃凝胶充填材料、废水泥渣充填材料等。但都存在有成本高、脱水以后体积减少多，不能固化或固化以后支撑强度低等缺点。因此，根据目前的研究与现场应用现状，以粉煤灰为主料，研究出经济成本低，堆积能力强，固化后不脱水或少脱水，初凝时间和固化时间可调，具有堵漏、防火、灭火、防复燃、充填支撑强等功能的无机固化粉煤灰防灭火充填材料;并研究了利用黄泥灌浆系统灌注无机固化粉煤灰的配套装置及其灌浆工艺来防治巷道高冒、空洞、沿空巷道帮、溜煤眼、联络巷、停采线、采空区等地点的煤炭自燃发火。

　　3.5 化学惰气泡沫防灭火

　　化学惰气泡沫防灭火材料由多种原料组成，其原料均为固体粉态，经过分别溶解后形成2 种溶液。在井下灭火时，可采用钻孔压注方法，将溶液注入自然发火区域。当2 种溶液混合后，

　　便会发生化学反应，产生惰性泡沫，其体积可膨胀8!12 倍。惰气泡沫可迅速向周围空间、漏风通道及煤壁裂隙扩展，充填火区空间，窒息火区，而且惰泡具有较好的稳定性，可以起到隔绝空气的作用。此外，化学惰泡的落液，还具有较高的阻化能力，可以有效地抑制残煤的复燃，达到防火的目的。

　　3.6 惰化技术防灭火

　　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，还难以生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。

　　3.7 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。

　　3.8 液氮防灭火技术

　　液氮防灭火就是从地面或井下向已封闭的火区灌注氮气、加速火区的熄灭。自60 年代后期国外主要产煤国家将液氮技术用于井下防灭火以来，经不断开发完善，现已成为各国煤矿井下处理大型火灾的一种重要措施。近年，英国、法国、德国地面移动式制氮设备的产氮量达1200m3/h， 产氮量在5000m3/h 的设备在研发中。德国从1974 年11 月至1986 年8月共应用氮气灭火80 次，消耗氮气达30 亿m3，抢救出综采设备65 套。80 年代初，我国一些煤层易自燃的煤矿开始采用注氮防灭火技术，取得了一定的效果，经“八•五”攻关研制了能力为200m3/h 的井下移动式制氮装置。特别是近些年来我国的放顶煤开展迅速，此法采空区丢煤多，造成遗煤大面积的危险性堆积，极易引起煤炭自燃，且这些火点往往在顶板高冒处或

　　采空区深部，这时采用注氮灭火效果最为显著。

　　3.9 胶体防灭火技术

　　目前常规的灌浆、均压、阻化剂、氮气防灭火技术在抑制煤层自燃火灾中起到了很大作用，但也存在一些局限性。针对煤层自燃特点，近几年由西安科技大学研制的耐温高水胶体防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，较好地解决了灌浆、注水的水泄漏流失问题，已成功地扑灭了几十起煤层自燃火灾。

　　3.9.1 胶体防灭火机理

　　新型复合胶体防灭火技术是由特种添加剂与水按一定比例混合而成，添加剂的浓度一般为1"!5"。新型复合胶体防灭火技术是利用定量添加设备， 将添加剂按一定比例加入水中，使水(或泥浆)稠化，然后用泵(或灌浆系统)压注到松散煤体中。在泵压和自重作用下稠化液体渗入到煤体裂隙和微小孔隙中，先对注入口附近火源表面降温，并形成胶体阻断氧扩散，阻止煤体继续氧化放热，进而降低煤体内部温度，熄灭火势，随后胶体逐渐向周围放射扩散，慢慢扩大火势熄灭圈使煤体温度降低，从而达到防灭火的效果。

　　3.9.2 胶体的防灭火性能

　　（1）新型复合胶体添加剂浓度比较低，小于5"。添加剂的浓度为3"时，与传统的胶体灭火材料(如凝胶)浓度为10%时的性能相当。在灭火中采用该材料使固体灭火材料在井下的运输量可减少30 倍以上，这对降低工人劳动强度，提高灭火效果非常有利。由于它的用量少，胶体成本比传统的胶体灭火材料有所降低。

　　（2）对水质依赖性小，耐酸碱。在pH>4 的水中都可形成较好的胶体，一般的盐对胶体性能的影响不大。

　　（3）溶解速度可调。根据工艺需要调节材料的溶解速度，可以满足不同的工艺要求。材料的溶解速度可通过改变粒度、添加剂等手段来调节，可根据需要制成系列产品。

　　（4）新型复合胶体耐火性能好。将其放入打铁炉中，用鼓风机鼓风，火势很旺，只见胶体透明显红光，仅有少量的水蒸汽产生，胶体不消失，对周围的红炭仍起灭火作用。

　　（5）具有一定的强度及渗透性、蠕变性、粘弹性。新型复合胶体能够渗透到煤层的裂隙中，堵住漏风;在煤层间隙受力发生蠕变时胶体不会破裂;由于胶体有粘弹性，它能紧密充填于煤层间隙，即使破碎煤层也不会产生漏风裂隙。

　　（6）具有一定的触变性且受热粘度降低。由于它有触变性，在用泵进行压注时，其粘度较低，输送阻力不大，而进入煤层静止后，其粘度增大，可滞留在煤层中，吸热堵漏;由于材料受热

　　粘度降低，使其在煤层中向高温点的流动变得容易，而从高温点向外流相对较困难，这对灭火有利。

　　（7）具有良好的吸热性，且灭火时不会产生大量水蒸汽。胶体材料中99%以上是被束缚的水， 所以它有很大的热容，可吸收大量热，使煤温下降。

　　（8）有效期长。新型复合胶体材料在常温下脱水很慢，不变质，可长期保留在煤层中，防止煤层自然发火或火区复燃。近年来，我国煤矿的防灭火技术与手段已有了较大的发展和提高。但还应看到，目前自燃发火形势依然严峻，仍需要继续不断地完善和提高防治技术水平，加强基础研究，研究和开发创新的技术手段，特别是把非线性科学的理论和方法引入矿山安全保障系统的研究与应用中，以便能够改变自燃火灾的不利形势。与之同时，还要加大矿井灭火资金的投入和严格的措施管理。这样才能使矿井防灭火技术和管理再上一个新台阶。