朱紅青,胡 超,張永斌,胡林濤,袁曉樂(lè),王曉寬
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京100083;2.山西潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046000)
煤炭作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)高速發(fā)展的基礎(chǔ)性能源,2017年全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)煤炭34.45億t,占我國(guó)一次能源消費(fèi)的60.4%。雖然煤炭行業(yè)大力實(shí)施去產(chǎn)能政策,但從我國(guó)能源的中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略可以得到,我國(guó)計(jì)劃在2020年和2030年煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的比重還將保持在62%和55%左右,其比例依然超過(guò)50%[1]。
礦井火災(zāi)是我國(guó)煤炭行業(yè)的主要災(zāi)害之一,近年來(lái),隨著礦井開(kāi)采深度逐漸向深部資源延伸及綜放開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用,使得煤礦井下煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)性不斷增加[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)90%以上的煤層為自燃或易自燃煤層,由煤自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%~90%,在全國(guó)的25個(gè)主要產(chǎn)煤省區(qū)的130多個(gè)大中型礦區(qū)均不同程度的受到煤自然發(fā)火的威脅,礦井內(nèi)因火災(zāi)嚴(yán)重制約著煤炭工業(yè)的健康高效發(fā)展[4-5]。為了對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)進(jìn)行有效的防治,針對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)的形成機(jī)理,系統(tǒng)全面地總結(jié)了均壓、惰氣等7大類(lèi)礦井內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)的防滅火機(jī)理、防滅火材料及防滅火工藝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。
礦井內(nèi)因火災(zāi)是煤不經(jīng)點(diǎn)燃而自行著火的現(xiàn)象,是有自燃傾向性的煤在一定的環(huán)境條件下與氧氣通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附進(jìn)行氧化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大于向周?chē)h(huán)境中散失的熱量,發(fā)生熱量積聚使得煤體溫度逐漸上升,最終使煤體溫度達(dá)到煤的著火點(diǎn)而燃燒的現(xiàn)象。在眾多煤自燃假說(shuō)中,煤氧復(fù)合作用假說(shuō)認(rèn)為當(dāng)原始煤體暴露在空氣中后,煤體通過(guò)與氧氣的結(jié)合發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量,當(dāng)環(huán)境條件適合熱量積聚時(shí),煤體溫度逐漸升高,最終導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃[6]。由于該假說(shuō)揭示了煤炭氧化生熱的本質(zhì),得到了大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同,成為指導(dǎo)人們防治礦井內(nèi)因火災(zāi)工作的重要依據(jù)?;诿貉鯊?fù)合作用假說(shuō),廣大學(xué)者對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了大量研究,根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,一般可以將礦井內(nèi)因火災(zāi)發(fā)展過(guò)程分為:潛伏期、自熱期和燃燒期3個(gè)階段[7-8]。
1)潛伏期。當(dāng)有自燃傾向的破碎煤體與空氣接觸后,煤體從空氣中吸附的O2與含氧游離基進(jìn)行反應(yīng),生成更多穩(wěn)定性不同的游離基。該階段煤體的氧化過(guò)程比較緩慢,察覺(jué)不到煤體及周?chē)h(huán)境溫度的上升,該階段煤體的變化主要表現(xiàn)在煤體的質(zhì)量略有增加、著火點(diǎn)溫度降低及化學(xué)活性增強(qiáng)。
2)自熱期。經(jīng)歷過(guò)潛伏期之后的煤體由于化學(xué)活性的增強(qiáng),使得煤體的吸氧速率加快,氧化速度增加,不穩(wěn)定的氧化物分解成H2O、CO2、CO。如果煤體周?chē)h(huán)境條件適合熱量積聚,氧化過(guò)程生成的熱量大于周?chē)h(huán)境散發(fā)的熱量,則煤體溫度將繼續(xù)升高,當(dāng)超過(guò)煤體自熱的臨界溫度(一般在60~80℃之間)時(shí),煤體溫度急劇上升,開(kāi)始出現(xiàn)煤的干餾,產(chǎn)生芳香族的碳?xì)浠衔铩錃?、一氧化碳等可燃性氣體。同時(shí),煤體中的水分被蒸發(fā)生成一定數(shù)量的水蒸氣,使煤體周?chē)h(huán)境濕度增加。
3)燃燒期。當(dāng)自熱期的發(fā)展使煤體溫度上升至著火溫度,若此時(shí)還能得到充分的供氧條件,礦井內(nèi)因火災(zāi)則進(jìn)入燃燒期,該階段的主要現(xiàn)象為產(chǎn)生明火、煙霧、CO2、CO及各種可燃性氣體,并會(huì)出現(xiàn)煤油味、松節(jié)油味或煤焦油味等。
礦井內(nèi)因火災(zāi)的形成需要同時(shí)具備:一定厚度具有自燃傾向的煤體、連續(xù)的供氧條件、適宜熱量積聚的環(huán)境條件及一定的時(shí)間4個(gè)條件。因此,目前對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)的研究工作主要從至少消除其中1個(gè)條件進(jìn)行開(kāi)展,從而對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)進(jìn)行有效的預(yù)防與治理。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,目前對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)的防治技術(shù)主要有:開(kāi)采技術(shù)措施、灌漿、堵漏與均壓、注惰、噴灑阻化劑、凝膠、三相泡沫等。
開(kāi)采易自燃煤層時(shí),需結(jié)合煤層賦存條件采取預(yù)防煤層自燃發(fā)火的綜合治理措施,大量防治礦井內(nèi)因火災(zāi)的生產(chǎn)實(shí)踐證明:合理的開(kāi)拓系統(tǒng)、巷道支護(hù)方式和開(kāi)采方式對(duì)于防止煤層自然發(fā)火起著決定性作用[9-10]。從防止礦井自然發(fā)火的角度出發(fā),對(duì)開(kāi)采、開(kāi)拓的要求一般有:①最大的煤炭回收率,最小的煤層暴露面,減少礦井內(nèi)因火災(zāi)形成的具有煤自燃傾向的煤體,從而減低煤層自然發(fā)火可能性;②限制或阻止空氣流入和滲透至疏松的煤體,切斷礦井內(nèi)因火災(zāi)形成的連續(xù)供氧條件,對(duì)此可以從消除漏風(fēng)通道和減小漏風(fēng)壓差2個(gè)方面進(jìn)行考慮;③正規(guī)的開(kāi)采方式及合理的開(kāi)采順序,最大程度的不為熱量積聚提供合適的環(huán)境條件;④最快的回采速度,當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于等于安全推進(jìn)速度時(shí),破碎煤體暴露在“自燃帶”的時(shí)間就會(huì)小于等于煤的最短發(fā)火期,從而破壞了礦井內(nèi)因火災(zāi)形成中一定時(shí)間的必要條件。
堵漏防滅火技術(shù)主要通過(guò)減少漏風(fēng)通道,切斷礦井內(nèi)因火災(zāi)形成必須的連續(xù)供氧條件,達(dá)到有效抑制礦井內(nèi)因火災(zāi)的目的。針對(duì)堵漏防滅火技術(shù),廣大學(xué)者對(duì)礦用充填堵漏材料進(jìn)行了大量的研究。其中灌注黃泥漿及砂漿、混凝土等無(wú)機(jī)堵漏材料,工作量大、操作復(fù)雜,不易于井下施工;馬麗散、羅克休、聚氨酯等有機(jī)堵漏材料,制備工藝復(fù)雜、成本昂貴,限制了其在煤礦行業(yè)的廣泛應(yīng)用[11]。針對(duì)上述材料存在的問(wèn)題,周福寶等[12]研制出了一種以黏土和水泥為基料,添加劑和玻璃纖維為輔助材料的新型復(fù)合漿體材料,該材料可適用于空巷道噴涂、密閉墻施工、高冒處理、永久煤巷噴涂;易欣等[13]將水泥基料中摻入復(fù)合發(fā)泡劑產(chǎn)生的均勻泡沫,成功研制出一種具有質(zhì)輕、密閉效果好、易制備、施工速度快且經(jīng)濟(jì)的無(wú)機(jī)固化泡沫。
均壓防滅火技術(shù)即在礦井主要通風(fēng)機(jī)合理運(yùn)行情況下,采用風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗、調(diào)壓氣室等調(diào)壓手段,改變通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布,降低漏風(fēng)通道兩端壓差,減少漏風(fēng),從而達(dá)到窒息、惰化或抑制煤體自然發(fā)火。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)風(fēng)量合理分配和調(diào)節(jié),達(dá)到堵風(fēng)防漏、以風(fēng)治火的目的。針對(duì)近距離易自燃煤層群工作面撤架期間,由于通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、工作面停滯時(shí)間長(zhǎng)造成的采空區(qū)遺煤自燃嚴(yán)重的問(wèn)題,任萬(wàn)興等[14]根據(jù)易自燃近距離煤層群綜放工作面回撤期間風(fēng)流變化規(guī)律及風(fēng)阻變化特征,提出了分階段(擴(kuò)大回撤通風(fēng)階段和回撤設(shè)備階段)實(shí)施均壓的防滅火技術(shù),該技術(shù)通過(guò)風(fēng)門(mén)與局部通風(fēng)機(jī)聯(lián)合均壓手段達(dá)到減少內(nèi)部漏風(fēng)的目的。為了解決均壓防滅火技術(shù)中常用的通風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗聯(lián)合均壓方法存在的手動(dòng)均壓頻繁調(diào)壓、調(diào)壓滯后與調(diào)壓精度低等技術(shù)難題,朱紅青等[15]設(shè)計(jì)了礦井自動(dòng)控制均壓防滅火系統(tǒng),大大提高了通風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗聯(lián)合均壓技術(shù)防治煤炭自然發(fā)火的效果。
注漿防滅火技術(shù)就是將水與不燃性注漿材料(黏土、粉煤灰、矸石及砂等固體原料)按照適當(dāng)?shù)呐浔然旌?、攪拌,制成的一定濃度的漿液,再借助輸漿管道輸送到可能或者已經(jīng)發(fā)生煤炭自燃的發(fā)火區(qū)域。該技術(shù)主要通過(guò)漿體材料包裹煤體,隔絕氧氣與煤體接觸,防止煤體氧化以及水的吸熱降溫作用,達(dá)到有效防治礦井火災(zāi)的目的。針對(duì)注漿防滅火工藝系統(tǒng)及注漿材料流動(dòng)擴(kuò)散特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。呂英華等[16]為了解決神東礦區(qū)由于復(fù)合煤層開(kāi)采造成的傳統(tǒng)注漿防滅火方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)采空區(qū)大范圍覆蓋的技術(shù)難題,研制一種由井上鉆孔注漿和井下引管注漿構(gòu)成的采空區(qū)井上下聯(lián)合注漿技術(shù),在補(bǔ)連塔煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取到了良好的應(yīng)用效果;題正義等[17]通過(guò)FLUENT流體軟件對(duì)不同煤層傾角條件下的漿體流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,確定了不同煤層傾角下合理的采空區(qū)注漿位置,成功解決了目前現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中注漿位置盲目靠經(jīng)驗(yàn)與工程類(lèi)比定參數(shù)確定的缺點(diǎn)。
惰氣防滅火技術(shù)是指將惰性氣體注入已經(jīng)封閉或有自燃危險(xiǎn)的區(qū)域,達(dá)到防治礦井內(nèi)因火災(zāi)或撲滅已生火災(zāi)的技術(shù),目前在煤礦火災(zāi)防治方面使用較多的惰性氣體主要有CO2和N2。根據(jù)吳兵等[18]對(duì)CO2和N2對(duì)煤燃燒性能影響的研究成果表明:CO2比N2具有更好防治煤燃燒全過(guò)程的能力,能更好地抑制煤炭自燃。但是由于液態(tài)CO2存在易結(jié)冰堵塞灌注管道及爆震的缺點(diǎn),極大的限制了注二氧化碳防滅火技術(shù)的推廣與使用。近年來(lái),鄧軍等[19]針對(duì)注二氧化碳防滅火技術(shù)中存在的技術(shù)難題,研發(fā)了液態(tài)CO2氣化及輸送中保壓防結(jié)冰工藝,極大地推動(dòng)了注二氧化碳防滅火技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。
氮?dú)馐悄壳白⒍璺罍缁鸺夹g(shù)中使用較多的惰性氣體,按注氮方式分類(lèi),注氮防滅火技術(shù)主要有:埋管注氮、拖管注氮、鉆孔注氮、插管注氮、密閉注氮、旁路式注氮等方式,但從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況來(lái)看,目前采煤工作面回采過(guò)程中常用的注氮方式是埋管注氮。但是,傳統(tǒng)的埋管注氮存在2個(gè)缺陷:①注氮點(diǎn)在空間上存在間隔,致使氮?dú)庠诓煽諈^(qū)未形成連續(xù)性分布,注氮惰化效果差,所需注氮量大;②注氮埋管交替丟棄在采空區(qū)內(nèi),材料不能回收,造成極大的資源浪費(fèi),投入成大。為了解決上述問(wèn)題,朱紅青等[20]在傳統(tǒng)拖管注氮技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)注氮管抗剪切能力優(yōu)于抗拉伸能力,提出了旋轉(zhuǎn)牽引式非間隔式注氮裝備及防滅火工藝系統(tǒng),并成功在開(kāi)灤集團(tuán)、神華集團(tuán)、冀中能源等全國(guó)20余個(gè)煤礦推廣應(yīng)用,有效抑制了礦井內(nèi)因火災(zāi)的發(fā)生。
阻化劑防滅火技術(shù)就是將阻化劑溶液噴灑在煤體上,利用阻化劑的負(fù)催化作用,阻止氧氣與煤結(jié)構(gòu)上的活動(dòng)鏈環(huán)的羧基反應(yīng),延長(zhǎng)自然發(fā)火期,從而達(dá)到防治煤炭自燃的目的。常見(jiàn)的煤自燃阻化劑主要有鹵鹽阻化劑、銨鹽阻化劑、凝膠阻化劑及一些復(fù)合阻化劑,阻化劑防火工藝有在采煤工作面向采空區(qū)遺煤噴灑阻化劑、向可能或已經(jīng)開(kāi)始氧化發(fā)熱的煤體打鉆壓注阻化劑及利用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備向采空區(qū)送霧化阻化劑[21]。針對(duì)新型阻化劑及阻化防火工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制等研究熱點(diǎn),近年來(lái),賀飛等[22]在單一MgCl2阻化劑基礎(chǔ)上加入一定配比的還原性鐵粉及硅藻土,成功研制出一種具有良好阻化性能和耗氧效果的脫氧性阻化劑;張玉濤等[23]以純天然、無(wú)毒植物萃取物為原材料,采用先進(jìn)的螯合技術(shù)研制出環(huán)保型煤自燃阻化劑(EFI),成功應(yīng)用于易自燃的低變質(zhì)煙煤,并取得了良好的抑制煤自燃的效果;為了解決傳統(tǒng)阻化劑噴灑覆蓋范圍小、阻化效果不佳的問(wèn)題,鄧存寶等[24]以高壓N2為載體輸送氣霧阻化劑,并結(jié)合工作面支架后部多點(diǎn)自動(dòng)噴灑技術(shù),建立具有阻化劑自動(dòng)噴灑、高壓輸送與快速擴(kuò)散等特性的采空區(qū)阻化劑高效噴灑工藝系統(tǒng)。
凝膠防滅火技術(shù)是指將基料、促凝劑和水按一定比例混合配成水溶液后,發(fā)生“膠凝作用”形成凝膠,然后再用泵壓注到自然發(fā)火區(qū)域,通過(guò)凝膠材料的固水、吸熱降溫、堵漏風(fēng)及抑制煤氧復(fù)合反應(yīng)等特性,達(dá)到防滅火的效果。20世紀(jì)80年代后期,隨著我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用,灌漿、均壓等原有防滅火技術(shù)不能滿足煤礦安全生產(chǎn)需求,凝膠防滅火技術(shù)在我國(guó)開(kāi)始逐漸推廣使用并取得較好的應(yīng)用效果[25]。從凝膠防滅火技術(shù)應(yīng)用伊始至今,國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者對(duì)凝膠材料進(jìn)行了大量的研究,并相繼取得了豐碩的成功。2003年,王德明等[26]針對(duì)我國(guó)西北地區(qū)缺土少水而山砂較多的特點(diǎn),在注砂防滅火技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合自行研發(fā)的KDC稠化添加劑,成功研制出具有懸浮稠化作用的新型凝膠材料,并在神東礦區(qū)得到良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果;2010年,于水軍等[27]針對(duì)高冒區(qū)托頂煤自燃火災(zāi)問(wèn)題,研制出由無(wú)機(jī)復(fù)合膠凝材料、發(fā)泡劑、調(diào)凝劑、泡沫穩(wěn)定劑、吸水因子和化學(xué)阻化劑等成分組成的無(wú)機(jī)發(fā)泡防滅火膠凝材料,并成功在平煤集團(tuán)天安十三礦回風(fēng)巷冒落高溫區(qū)應(yīng)用實(shí)施;2015年,任萬(wàn)興等[28]通過(guò)在水漿中加入添加劑和引入氮?dú)庵苽涑鼍哂辛Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)凝膠顆粒與氣體組成的泡沫凝膠防滅火材料,該材料兼顧了泡沫材料良好的流動(dòng)擴(kuò)散特性及凝膠材料良好的固水、覆蓋與封堵特性。
三相泡沫是將不溶性固態(tài)不燃物(如黃泥或粉煤灰)分散在液體(水)中,通入惰性氣體(N2)或空氣并添加極少量的添加劑(發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑)通過(guò)三相泡沫發(fā)泡器充分?jǐn)嚢杌旌?,形成固體顆粒均勻附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣-液-固三相體系的泡沫材料。該材料集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體,充分利用固體不燃物的覆蓋性、惰性氣體的窒息性和液體的吸熱降溫性進(jìn)行礦井火災(zāi)的防治。該技術(shù)由王德明及團(tuán)隊(duì)于2001年首次提出,并對(duì)三相泡沫組成及特性、防滅火特性、防滅火工藝及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用做了大量的研究工作。由于三相泡沫防滅火技術(shù)成功克服了注漿防滅火中由高向低流動(dòng)的“拉溝”、惰氣防滅火中惰性氣體易隨漏風(fēng)遺散、凝膠防滅火技術(shù)中流動(dòng)性差等缺點(diǎn),已發(fā)展成為礦井火災(zāi)防治工作中常用的技術(shù)手段[29-30]。
“預(yù)防為主,綜合治理”是礦井火災(zāi)防治工作的指導(dǎo)方針,尤其礦井內(nèi)因火災(zāi)從具有自燃傾向煤體到最終發(fā)展形成火災(zāi)災(zāi)害需要漫長(zhǎng)的潛伏期及自熱期,在形成過(guò)程中具有明顯的標(biāo)志特征及進(jìn)行防治工作的反應(yīng)時(shí)間,因此為了對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)進(jìn)行更加有效的預(yù)防工作,需要對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)形成過(guò)程中內(nèi)在與外在多因素耦合作用機(jī)理進(jìn)行深入研究,了解礦井內(nèi)因火災(zāi)形成的前期導(dǎo)因及其影響規(guī)律,掌握煤低溫氧化階段的熱動(dòng)力特征、不同演化發(fā)展過(guò)程的階段性特征及其表征參數(shù)。同時(shí),由于煤層賦存及開(kāi)采條件的復(fù)雜性導(dǎo)致了礦井多種災(zāi)害并存且互為影響,因此需要對(duì)火災(zāi)、瓦斯等多種災(zāi)害并存環(huán)境下的耦合致災(zāi)機(jī)理及其演化過(guò)程、次生災(zāi)害產(chǎn)生過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行更加深入的研究,從而為礦井內(nèi)因火災(zāi)防治工作提供理論基礎(chǔ)。
隨著科學(xué)技術(shù)裝備及其化工行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步,在已有防滅火材料的基礎(chǔ)上,應(yīng)結(jié)合礦井內(nèi)因火災(zāi)形成演變過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù),研制有針對(duì)性、實(shí)用性的綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的新型防滅火材料。工藝設(shè)備方面應(yīng)結(jié)合日益復(fù)雜的礦井條件,對(duì)現(xiàn)有工藝系統(tǒng)及技術(shù)裝備進(jìn)行升級(jí)改造,逐漸實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化及大型化,從而為礦井內(nèi)因火災(zāi)防治工作提供重要的技術(shù)保障。
礦井內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)作為我國(guó)煤礦火災(zāi)防治工作中的熱點(diǎn)及重點(diǎn),國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者做了大量的科研工作并取得豐碩的研究成果。就礦井內(nèi)因火災(zāi)形成機(jī)理、礦井內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)的防治原理、技術(shù)材料及設(shè)備工藝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)全面的介紹,并從加強(qiáng)礦井內(nèi)因火災(zāi)形成機(jī)理、多災(zāi)害耦合致災(zāi)機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究與加快經(jīng)濟(jì)高效的新型環(huán)保防滅火材料、大型智能化工藝設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)2個(gè)方面對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)進(jìn)行展望,以期望對(duì)今后礦井內(nèi)因火災(zāi)防治工作提供一定的借鑒作用。