煤炭自燃防火及滅火技術(shù)研究進(jìn)展

王要令，池吉安

(河南城建學(xué)院 化工系，河南 平頂山 467044)

近年來，隨著煤炭需求量的增加，煤礦火災(zāi)事故頻頻發(fā)生. 煤自燃火災(zāi)占煤礦火災(zāi)總數(shù)的96.5%左右，造成經(jīng)濟(jì)損失每年超過50億元；嚴(yán)重時還會導(dǎo)致人員傷亡[1-2]. 另外，煤炭自燃產(chǎn)生大量的SO2、H2S等氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境. 所以，煤炭自燃是煤礦嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，防止煤礦煤炭自燃、深入研究并開發(fā)煤炭自燃防滅火技術(shù)尤為重要.

1 煤炭自燃及自燃機(jī)理

煤的自燃，是指煤在沒有外來熱源的情況下，由于自身氧化積熱，使煤的溫度升高，達(dá)到煤的自燃著火點(diǎn)而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象.

目前，煤炭自燃機(jī)理主要有黃鐵礦導(dǎo)因?qū)W說、細(xì)菌導(dǎo)因?qū)W說、酚基作用學(xué)說、煤氧復(fù)合作用學(xué)說及自由基作用學(xué)說等[3-6]，其中煤氧復(fù)合作用理論得到多數(shù)學(xué)者的贊同. 煤氧復(fù)合作用理論認(rèn)為，煤的自燃是具有自燃傾向性的煤與空氣接觸，吸附空氣中的氧后發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，產(chǎn)生并放出熱量；在一定的蓄熱條件下，引發(fā)氧化反應(yīng)，使煤體溫度升高；升溫后又加速煤的氧化反應(yīng)速度，煤體溫度越來越高，當(dāng)熱量不及時散發(fā)而積聚達(dá)到著火點(diǎn)時，導(dǎo)致自燃的發(fā)生[7].

2 煤炭自燃的必備條件

影響煤炭自燃的因素很多，但自燃火災(zāi)的發(fā)生必須具備四個條件. 其一，煤具有自燃傾向性，即在低溫下有較高的氧化活性；其二，有持續(xù)供氧條件，使煤能不斷的氧化；其三，具有蓄熱環(huán)境且熱量難以散發(fā)，使煤體升溫到著火點(diǎn)；其四，上述三個條件要維持足夠長的時間.

3 煤炭自燃發(fā)展規(guī)律

4 煤炭自燃防滅火技術(shù)

目前，防滅火技術(shù)主要有注水防滅火、灌漿防滅火、漏風(fēng)封堵防滅火、阻化劑防滅火、均壓防滅火、惰性氣體防滅火、凝膠防滅火等.

4.1 注水和灌漿防滅火技術(shù)[9]

灌漿技術(shù)是指將水和灌漿材料按比例混合配成漿液，利用自燃壓差或泵送到可能發(fā)生煤自燃的區(qū)域，以防止自燃的發(fā)生. 防滅火原理是依靠泥漿包裹煤體，其水分增濕減緩氧化速度；漿流充填煤體縫隙，隔絕漏風(fēng)阻止氧化.

灌漿技術(shù)簡單易行、比較可靠. 缺少灌漿材料的礦區(qū), 可注水來代替灌漿. 但漿液不能均勻覆蓋，滲流范圍小，擴(kuò)散能力低；水的蒸發(fā)增加煤的孔隙率，使漏風(fēng)更暢通，防火效果差.

4.2 漏風(fēng)封堵防滅火技術(shù)

堵漏技術(shù)是采用各種措施封堵通往礦井火災(zāi)區(qū)的漏風(fēng)通道，減少供氧，降低煤氧接觸幾率，降低煤氧復(fù)合速度，從而防治煤的自燃. 根據(jù)其使用方法，主要分為密閉墻封堵、表面噴涂堵漏、裂隙充填堵漏等.

礦用封堵主要有用膏體材料充填；以鋁礬土、石灰和石膏為基料，添加高分子纖維的輕質(zhì)充填；以高分子聚合物為基料合成的充填、封堵；以發(fā)泡水泥為基料的充填；以及黃泥灌漿、凝膠封堵、水泥砂漿噴涂、灰漿抹面等[10-13].

漏風(fēng)封堵防滅火技術(shù)材料簡單、價格便宜、封堵技術(shù)易行. 但不能完全制止漏風(fēng)，相反可能引起煤體內(nèi)部自燃；另外，封堵只能減少漏風(fēng)，不能帶走熱量.

4.3 均壓防滅火技術(shù)

均壓防滅火技術(shù)又稱為均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)，采用通風(fēng)技術(shù)措施，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，均衡通風(fēng)進(jìn)出口兩端的風(fēng)壓，杜絕或減少通往煤堆的漏風(fēng)風(fēng)量，以取消煤炭自燃發(fā)火的供氧條件，從而有效地抑制控制區(qū)內(nèi)煤層的自燃.

啟發(fā)式提問2：現(xiàn)在我們無法直接算出丟番圖的年齡。那么，我們退回去重新思考：題目所給條件是否能算出丟番圖的年齡？

均壓防滅火是最廉價、有效的防滅火措施. 但技術(shù)要求高、組織管理嚴(yán)密，一般煤礦達(dá)不到要求，使其應(yīng)用受到了限制. 但若使用中注意相關(guān)問題或與其他防滅火技術(shù)聯(lián)合，則很有潛力.

4.4 阻化劑防滅火技術(shù)[14]

阻化劑又稱阻燃劑，是抑制煤和氧結(jié)合、降低煤的氧化活性以阻止氧化和防止煤炭自燃的化學(xué)藥劑. 它通過吸水隔氧作用、保濕降溫作用、覆蓋活性中心作用、抑制或中斷鏈反應(yīng)作用、惰性氣體窒息作用等協(xié)同抑制了煤的自熱和自燃. 常用的阻化劑有鹵鹽、銨鹽、堿類、凝膠、高聚物和泡沫阻化劑等.

該技術(shù)成本低、工藝簡單、應(yīng)用廣泛，并取得了良好效果. 但不同阻化劑存在加工工藝復(fù)雜、阻化壽命短、阻化過程對環(huán)境有危害等缺點(diǎn).

4.5 惰化防滅火技術(shù)

惰化防滅火技術(shù)是通過將惰性氣體或其他惰性物質(zhì)送入擬處理區(qū)，抑制煤自燃及撲滅已發(fā)生火災(zāi)的技術(shù). 按惰性氣體的種類可分為氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)[15]、燃油惰氣防滅火技術(shù)[16]和CO2防滅火技術(shù)[17].

該技術(shù)既能撲滅大的明火，又能抑制并撲滅隱蔽火源. 但惰性氣體對煤體降溫效果不好，滅火周期較長，火區(qū)易復(fù)燃，而且對現(xiàn)場的堵漏風(fēng)工作要求較高.

4.6 泡沫防滅火技術(shù)

泡沫防滅火技術(shù)是以化學(xué)方法產(chǎn)生膨脹惰性泡沫，以進(jìn)行防滅火的一種技術(shù). 常用的泡沫防滅火技術(shù)有化學(xué)惰氣泡沫防滅火技術(shù)[18]和三相泡沫防滅火技術(shù)[19]．

惰氣泡沫防滅火一般采用鉆孔壓注方法將其注入自燃發(fā)火的區(qū)域，通過降溫、固氮、隔絕空氣、封堵漏風(fēng)等達(dá)到防滅火目的. 三相泡沫是將不溶性的固態(tài)不燃物分散在液體中，通入惰性氣體并加入添加劑，形成氣-液-固三相的體系. 利用粉煤灰的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍匦赃M(jìn)行防滅火.

泡沫防滅火技術(shù)具有可堆積、流動性好等優(yōu)點(diǎn)，但對于采空區(qū)漏風(fēng)的封堵性能較差.

4.7 凝膠防滅火技術(shù)[1,20]

凝膠防滅火技術(shù)是將凝膠通過鉆孔或煤體裂隙壓入高溫區(qū)，一部分未成膠時的溶液在高溫下水分汽化，快速降低煤體溫度，殘余固體形成隔氧層，阻止氧化自燃；形成膠體部分，包裹煤體、隔絕氧氣，使煤氧化、放熱反應(yīng)終止；干涸的膠體降低煤體的孔隙率，減少空氣量，抑制復(fù)燃.

該技術(shù)具有滅火速度快、安全性好、火區(qū)復(fù)燃性低等優(yōu)點(diǎn)，但存在產(chǎn)生有害氣體、流動性差、滲透范圍小、成本高，對大范圍的火災(zāi)不適用等缺點(diǎn).

4.8 綜合防滅火技術(shù)

單一防滅火技術(shù)有時難以取得理想效果，或者使用過程受到局限. 綜合防滅火技術(shù)，各取所長，把幾種防滅火技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可達(dá)較好效果.

譬如凝膠泡沫技術(shù)[21-22]結(jié)合了凝膠和泡沫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能較好地充填采空區(qū)，既能有效撲滅火災(zāi)，又能包裹煤體、封堵縫隙、防治漏風(fēng)，具有良好的防滅火效果. 其他綜合防滅火技術(shù)[23-26]，也針對具體問題，解決了單一防滅火技術(shù)不理想的問題，在火災(zāi)治理中取得了顯著效果.

5 結(jié)論

(1)每種防滅火技術(shù)都有一定的局限性，且各煤礦煤層賦存狀況、煤炭的物理化學(xué)性質(zhì)也各不相同，所以在預(yù)防自燃和防治滅火過程中要“以防為主，防治結(jié)合，科學(xué)應(yīng)對”，選用合適的防滅火技術(shù)，確保煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn).

(2)單一防滅火技術(shù)難以達(dá)到理想的防滅火效果時，多種防滅火技術(shù)有機(jī)結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)可達(dá)較好效果.

(3)有待在已發(fā)展的防滅火技術(shù)及材料的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的防滅火材料和技術(shù).

(4)目前檢測煤炭自燃發(fā)火點(diǎn)的技術(shù)仍無法準(zhǔn)確尋找具體位置，以消除火源，阻止煤炭自燃，所以當(dāng)務(wù)之急是發(fā)展有效的火災(zāi)預(yù)測手段.

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