煤自燃災(zāi)害防治技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

鄧 軍，白祖錦，肖 旸，宋澤陽

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

煤自燃火災(zāi)的防治對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具 有重要的地位，煤礦安全一直受到黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視，特別是黨的十八大以來，習(xí)近平主席多次強(qiáng)調(diào)“安全生產(chǎn)事關(guān)人民福祉”，李克強(qiáng)總理在十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議中明確提出“保障能源安全，其首要是推動(dòng)煤炭清潔高效利用”，可見煤炭安全利用關(guān)系到千家萬戶，關(guān)系到每一個(gè)家庭的切身利益。

當(dāng)前我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，新能源和可再生能源對(duì)化石能源，特別是對(duì)煤炭的增量替代效應(yīng)明顯，對(duì)煤炭的需求在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)將難以發(fā)生變化，煤炭仍是我國(guó)能源安全戰(zhàn)略的基石[1]。然而，煤炭在開采的過程中長(zhǎng)期遭受煤火災(zāi)害的困擾，如何有效地預(yù)防煤火災(zāi)的發(fā)生，是保證煤炭安全開采的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。隨著礦井開采深度的增加和綜采技術(shù)的發(fā)展，煤自燃災(zāi)害形勢(shì)也更加嚴(yán)峻[2]。同時(shí)，我國(guó)煤田火災(zāi)害也十分嚴(yán)重。煤火災(zāi)已經(jīng)直接影響到我國(guó)煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)。因此，煤火災(zāi)害的防治是當(dāng)前亟待需要解決的問題。為此對(duì)現(xiàn)有的防滅火新技術(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)防滅火新材料進(jìn)行介紹，分析當(dāng)前煤火災(zāi)害防治面臨的問題，并對(duì)煤火災(zāi)害防治新技術(shù)、新材料的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 煤火災(zāi)害分布及危害

根據(jù)成因和形成條件，煤火災(zāi)害可分為2 類：一類是煤自燃火災(zāi)，主要有礦井煤自燃火災(zāi)、地面儲(chǔ)煤堆自燃火災(zāi)和煤矸石山自燃火災(zāi)，其中礦井煤自燃火災(zāi)更為常見，后果更加嚴(yán)重；另一類是煤田火災(zāi)，屬于典型的非控燃燒，波及面積廣、深度大[3]。

1）煤自燃火災(zāi)。煤自燃是礦井的五大災(zāi)害之一，煤自燃易引起瓦斯、煤塵等爆炸事故，嚴(yán)重威脅著礦井的安全開采。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的25 個(gè)主產(chǎn)煤省區(qū)的130 余個(gè)礦區(qū)中，受煤自燃隱患困擾的煤礦超過70%。其中40 個(gè)大中型礦區(qū)煤層自然發(fā)火嚴(yán)重。全國(guó)657 處重點(diǎn)煤礦中，有煤層自然發(fā)火傾向的礦井?dāng)?shù)量占54.9%。最短自然發(fā)火期小于3 個(gè)月的礦井?dāng)?shù)量占50%以上，自燃火災(zāi)嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[4]。近年來，隨著放頂煤技術(shù)的發(fā)展和開采深度的增加，采空區(qū)遺煤增多，溫度升高，擾動(dòng)增強(qiáng)，煤自然發(fā)火形勢(shì)愈加嚴(yán)重。例如山東新礦集團(tuán)的高地溫特厚分層開采煤層已達(dá)1 200 m 深，地溫已超過35 ℃，通過冰塊等降溫方法也只能降工作面200 m 范圍以內(nèi)的溫度。

2）煤田火災(zāi)。煤田火災(zāi)分布廣泛、火災(zāi)程度嚴(yán)重。我國(guó)的煤田火災(zāi)主要分布在新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古等7 個(gè)產(chǎn)煤大?。ㄗ灾螀^(qū)），現(xiàn)共有200 多個(gè)煤田火區(qū)，從帕米爾高原到大興安嶺的沙漠干旱帶上，形成了東西長(zhǎng)5 000 km、南北寬150～350 km 的煤火燃燒帶。近年來，受到干燥少雨的氣候、埋藏淺、露頭多等自然因素和大規(guī)模煤炭開采等人為因素的影響，新疆維吾爾自治區(qū)煤田火災(zāi)問題尤為嚴(yán)重，目前新疆煤田火區(qū)還有46處，火區(qū)面積669 萬m2。煤田火災(zāi)造成環(huán)境污染，嚴(yán)重浪費(fèi)資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)[5]，僅新疆每年因煤田火災(zāi)損失煤炭資源442 萬t，排放二氧化碳1 320 萬t、一氧化碳10.3 萬t、總烴2.05 萬t、二氧化硫4.41 萬t、煙塵1.05 萬t，在低空造成有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)，在中空對(duì)流形成大范圍的酸雨，在高空破壞臭氧層。同時(shí)，煤田火災(zāi)破壞周圍森林與其他植被，滑坡與泥石流等地質(zhì)災(zāi)害也大大增加，引起次生災(zāi)害的頻發(fā)。

2 煤自燃火災(zāi)防治理論與技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 煤自燃火災(zāi)防治理論與方法

煤氧吸附是煤自燃過程中關(guān)鍵的一步，煤在氧化的過程中吸附氧氣，不斷發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而放出熱量，造成煤體升溫。煤自燃的發(fā)展，需要經(jīng)過潛伏期、自熱期和燃燒期3 個(gè)時(shí)期[6]。煤自燃發(fā)展階段可量化煤自燃預(yù)警指標(biāo)，確定煤自燃預(yù)警指標(biāo)臨界值，建立煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系。通常認(rèn)為在煤臨界溫度之前采取措施是防治煤自燃的關(guān)鍵。臨界溫度之前的區(qū)域稱為潛伏期（準(zhǔn)備期），臨界溫度與裂解溫度之間的區(qū)域?yàn)樽詿崞?，裂解溫度之后的區(qū)域?yàn)槿紵?。另外，煤炭自燃需具有自燃傾向性且成破碎狀態(tài)、熱量可以積聚、持續(xù)的通風(fēng)供氧和足夠的時(shí)間，四者缺一不可。因此，可根據(jù)煤自燃發(fā)展過程的階段特征及發(fā)生條件來采取防治措施，在自熱區(qū)域采用阻化劑預(yù)防煤自燃，在自燃區(qū)域主要是采取無機(jī)膨脹充填、灌漿、注膠等措施進(jìn)行控制，在高溫區(qū)域主要是采用液態(tài)二氧化碳、液氮、挖除火源等方法進(jìn)行熄滅，煤自燃防控理論與方法如圖1，煤自燃各階段防控技術(shù)見表1[7]。

2.2 煤自燃低溫氧化預(yù)防技術(shù)

根據(jù)煤氧復(fù)合機(jī)理，學(xué)者開發(fā)了眾多類型的阻化劑，這些阻化劑通過吸水隔氧、保濕降溫、抑制或中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)作用等協(xié)同發(fā)揮，延緩煤的氧化歷程，抑制煤自燃[8]。

圖1 煤自燃防控理論與方法Fig.1 Theories and methods of prevention and control for CSC

表1 煤自燃各階段防控技術(shù)Table 1 Prevention and control technologies at various stages of CSC

1）物理類阻化劑。物理阻化劑可改變煤體周圍的物理環(huán)境來達(dá)到預(yù)防煤自燃的效果，但由于阻化劑易受溫度、地形等因素的影響，存在阻化壽命短的關(guān)鍵問題，從而造成火區(qū)易復(fù)燃，只能再次使用阻化技術(shù)預(yù)防煤體溫度上升。各物理阻化劑的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。由表2 可以看出：①吸水性鹽：氯鹽所含大量水分高溫下蒸發(fā)吸熱，防治熱量積聚，降低煤氧復(fù)合反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)，溫敏材料中的阻化劑被釋放出來，克服了氯鹽與高含水物理阻化劑抑制作用時(shí)間短且流動(dòng)性強(qiáng)的缺點(diǎn)[24]，銨鹽受熱分解可吸收煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，起到降溫的作用，同時(shí)分解產(chǎn)生的氨氣和二氧化碳也會(huì)稀釋氧氣濃度；②高聚物：由高聚物、特殊的表面活性劑和一定比例的添加劑組成的物質(zhì)，將表面活性劑吸附在煤粒表面使其濕潤(rùn)，不僅吸收煤氧復(fù)合反應(yīng)放出的熱量，也可隔絕煤體表面的氧氣，從而延緩煤反應(yīng)進(jìn)程。③泡沫材料：利用泡沫的吸熱、隔氧等性能進(jìn)行防火[25]；④氣溶膠阻化劑：是以超聲波霧化技術(shù)將阻化劑如氯鹽霧化后注入危險(xiǎn)區(qū)域；其顆粒粒度極小，具有比表面積大、懸浮時(shí)間長(zhǎng)、擴(kuò)散速度快等特點(diǎn)，通過物理、化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)滅火；⑤膏體阻化劑：依靠抗壓性能強(qiáng)及隔氧的作用，常用于井下防滅火和堵漏風(fēng)工作。

2）化學(xué)類阻化劑?；瘜W(xué)類阻化劑的阻化原理是阻化劑與低溫下煤的活性基團(tuán)反應(yīng)生成穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，惰化煤氧反應(yīng)官能團(tuán)活性，逐步中斷活化反應(yīng)鏈，減弱煤氧化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而抑制煤自燃。各化學(xué)阻化劑的阻化特點(diǎn)見表3。由表3 可以看出：①抗氧化類阻化劑：搶先與煤中的自由基或者活性基團(tuán)反應(yīng)，破壞煤氧的復(fù)合進(jìn)程，抑制煤自燃，例如，2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）可以與烷基自由基結(jié)合來降低自由基的活性和濃度，從而抑制了自由基的連鎖反應(yīng)；②堿性阻化劑：常用與抑制高硫煤的自燃，例如，Ca（OH）2分別從物理、化學(xué)、負(fù)催化作用3 個(gè)方面抑制高硫煤自燃；③酸性阻化劑：以腐植酸鈉為代表，SH 與羧基反應(yīng)形成氫鍵，阻止煤對(duì)氧的吸附；同時(shí)，SH 還與羥基反應(yīng)形成穩(wěn)定的醚鍵，從而減少自由基的數(shù)量，減緩煤的氧化過程；④離子液體阻化劑：是一種新型高效的化學(xué)阻化劑，可溶解破壞煤中氫鍵、芳香結(jié)構(gòu)、脂肪族鏈烴以及烴基、羰基等含氧官能團(tuán)等活性官能團(tuán)，使其氧化活性降低，從而達(dá)到抑制煤自燃的目的。現(xiàn)研究表明咪唑類離子液體對(duì)煤溶解、破壞最為明顯[32]。

表2 物理阻化劑優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Advantages and disadvantages of physical inhibitors

表3 化學(xué)阻化劑特征Table 3 Characteristics of chemical inhibitors

3）新型阻化方法。新型阻化方法主要包括：①熱處理方法：將煤進(jìn)行預(yù)氧化使煤中活性分子惰化，從而降低氧化活性[33]；②復(fù)合阻化劑：克服了單一阻化劑的缺陷，兼具物理和化學(xué)阻化劑兩者的優(yōu)點(diǎn)；③微膠囊復(fù)配阻燃技術(shù)：使用合適的壁材將阻燃劑包裹起來，在特定的溫度下釋放阻燃劑，起到抑制作用；④無機(jī)納米阻燃劑：阻燃劑的粒徑與表面積對(duì)阻燃率的影響很大，同時(shí)，基于對(duì)環(huán)境的保護(hù)，將部分無機(jī)阻燃材料和有機(jī)阻燃材料處理為粒徑1～100 nm 的微小微粒來阻化煤自燃。新型阻化劑的特點(diǎn)見表4。

2.3 煤自熱階段控制技術(shù)

當(dāng)煤體溫度超過臨界溫度，煤體溫度持續(xù)升高，此階段煤氧化反應(yīng)急劇增強(qiáng)，但煤體還未燃燒，運(yùn)用自燃階段的預(yù)防技術(shù)已很難有效的控制煤體溫度，這時(shí)需采用無機(jī)膨脹充填、灌漿、注膠等技術(shù)控制火區(qū)溫度。膠體防滅火是防治煤自燃的重要阻化材料，自燃區(qū)域膠體材料特征見表5。目前大量使用的無機(jī)凝膠主要由水玻璃等基料與銨鹽、鋁酸鹽等促凝劑按一定比例形成的。在受熱的過程中可以吸收大量的熱，實(shí)現(xiàn)煤體自身降溫，同時(shí)還可以達(dá)到隔氧的目的[44]。

表4 新型阻化劑優(yōu)缺點(diǎn)Table 4 Advantages and disadvantages of new types of inhibitors

表5 自燃區(qū)域膠體材料特征Table 5 Characteristics of colloidal materials in zone of CSC

2.4 煤燃燒階段滅火技術(shù)

當(dāng)煤體溫度超過裂變溫度之后，煤體溫度急劇升高，出現(xiàn)明火，此時(shí)運(yùn)用自熱階段的防火控制技術(shù)很難有效地控制火勢(shì)，需采用液態(tài)二氧化碳、液氮、挖除火源等技術(shù)控制火勢(shì)蔓延、發(fā)展，直至熄滅。

1）惰性氣體。我國(guó)早在20 世紀(jì)80 年代就開始使用惰性氣體來防治煤自燃，主要有氣態(tài)CO2、氣態(tài)N2、液態(tài)CO2和液態(tài)N2。惰性氣體抑制煤自燃的機(jī)理如圖2[54]。當(dāng)惰性氣體與煤接觸后，首先覆蓋在煤體表面阻絕煤與氧氣反應(yīng)；其次，覆蓋于煤體的惰性氣體，與煤內(nèi)氧氣置換，進(jìn)入孔隙中，進(jìn)一步阻止煤氧反應(yīng)；最后，煤體表面的惰性氣體和孔隙內(nèi)的惰性氣體在煤樣升溫的過程中發(fā)生熱傳遞行為，吸收部分熱量延緩自燃。其中，二氧化碳的阻化效果更佳。液態(tài)惰性氣體在注入采空區(qū)后，會(huì)迅速吸收熱量，與氣態(tài)惰性氣體相比，阻燃效果更佳[55]?，F(xiàn)階段應(yīng)用最多的也是液態(tài)CO2防滅火技術(shù)，在許多礦井得到了成功應(yīng)用。

圖2 惰性氣體抑制煤自燃的機(jī)理[54]Fig.2 The mechanism of inert gas inhibiting CSC[54]

2）稠化膠體。稠化膠體防滅火材料是以有機(jī)高分子材料為主體，添加水和粉煤灰（黃土）制成的膠體，它可以通過專用設(shè)備壓注至指定區(qū)域，通過隔氧、降溫達(dá)到阻化的效果[56]。學(xué)者已經(jīng)研究了FHS型稠化膠體滅火劑、XK2-PR 稠化膠體、含有天然多糖和纖維素醚的新型稠化膠體、具有松散三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的防滅火稠化劑等[57]。目前，稠化膠體以成功運(yùn)用于東灘礦、陽煤集團(tuán)等煤自燃防治。

3 目前面臨的問題

煤火災(zāi)害防治研究取得了一定成效，但由于煤火分布廣、火源不易確定等因素，決定了煤火災(zāi)防治的復(fù)雜性及困難性，因此煤火災(zāi)害的防治技術(shù)仍存在大量技術(shù)難題待解決。

3.1 煤火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)預(yù)警

煤火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，為煤自燃火災(zāi)的預(yù)防及火勢(shì)蔓延的監(jiān)測(cè)提供了大量的技術(shù)支撐，但是還存在著眾多的問題：

1）火源位置隱蔽，特征信息難可視化判定。隨著煤礦開拓水平的延深和礦井開采深度的增加，采空區(qū)煤自燃火源的位置也愈向深處移動(dòng)，現(xiàn)有的預(yù)測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確獲取指標(biāo)氣體及溫度等特征信息難以準(zhǔn)確獲取。單一依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立火源判定準(zhǔn)則難以實(shí)際模擬火源動(dòng)態(tài)發(fā)展。況且，煤自燃是熱－流－固－化耦合作用的結(jié)果，現(xiàn)有的煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域量化判定方法難以達(dá)到可視化判定。

2）受限條件多，探測(cè)手段難高效實(shí)施。隨著科技的進(jìn)步，火區(qū)探測(cè)由最早的人工勘察發(fā)展為紅外遙感、放射性元素探測(cè)、無線自組網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，但是由于火區(qū)范圍廣、干擾因素多（火區(qū)溫度、天氣狀況、地質(zhì)構(gòu)造）、使用條件苛刻、成本高（遙感探測(cè)、氣體探測(cè)、溫度探測(cè)）等因素，現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)很難精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)、方便、長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)地探測(cè)火區(qū)。

3）技術(shù)落后，火區(qū)范圍難精準(zhǔn)圈定。目前煤田火區(qū)已經(jīng)形成了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，但由于受到技術(shù)的制約，許多監(jiān)測(cè)手段還需要解決關(guān)鍵技術(shù)問題。例如：利用次聲探測(cè)時(shí)，煤田火區(qū)燃燒次聲的頻率域、信號(hào)的接收、處理、以及判定條件；磁法探測(cè)中的磁異常迭加問題、電磁干擾；無線電波探測(cè)時(shí)波的衰減；CF2ClBr 示蹤氣體的顯著熱解溫度在550 ℃以上，對(duì)于煤自燃初期火源點(diǎn)的探測(cè)不適合。這些方法在圈定范圍時(shí)過程復(fù)雜、不夠智能，且單一的監(jiān)測(cè)手段通常無法準(zhǔn)確判斷出煤田火災(zāi)的燃燒程度、火源位置、溫度分布等信息。

3.2 煤火防治新材料

阻化劑防滅火技術(shù)是近年來新發(fā)展的預(yù)防技術(shù)，相比傳統(tǒng)技術(shù)，阻化劑防滅火技術(shù)工作范圍小、不影響生產(chǎn)、能夠有效預(yù)防火災(zāi)。但當(dāng)前的阻化劑種類繁多、效果不一、價(jià)格昂貴，主要存在以下問題：

1）阻化劑易于分解，威脅礦井環(huán)境和進(jìn)一步造成生態(tài)環(huán)境污染。2020 年，國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法（試行）》的通知中明確要求“禁止化學(xué)反應(yīng)劇烈、放熱量大的高分子材料用于與煤直接接觸的地點(diǎn)”。

2）阻化劑合成工藝復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用成本太高，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，且阻化劑在大面積噴灑和澆注的過程中，造成阻化材料浪費(fèi)，形成更高的成本。

3）設(shè)備智能化程度低，現(xiàn)有的阻化劑噴灑裝置很難實(shí)現(xiàn)報(bào)警、監(jiān)測(cè)、噴灑一體化工作。

4 結(jié) 語

今后，煤自燃火災(zāi)的防治技術(shù)研究將遵循智能、精準(zhǔn)、快速的原則。主要應(yīng)從以下幾方面開展工作:預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是有效監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵，建立系統(tǒng)性的煤自燃預(yù)測(cè)指標(biāo)體系，將各個(gè)方法建立統(tǒng)一整體；開發(fā)煤自燃可視化火源位置判定系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)演化煤自燃發(fā)展過程；研發(fā)長(zhǎng)距離、抗干擾的溫度、氣體監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)，有效獲取煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域動(dòng)態(tài)信息；開發(fā)智能化、集成化、高效化的煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便簡(jiǎn)潔地獲取火區(qū)信息；開發(fā)針對(duì)不同煤種的高效、靶向、綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的阻化劑；研發(fā)針對(duì)阻化、充填材料的智能化霧化、噴灑及發(fā)生等專用裝置，分區(qū)域分階段采取防控技術(shù)，降低應(yīng)用成本，提高效率；加快推進(jìn)煤田火區(qū)熱能利用技術(shù)，提高熱能利用效率；開展礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)，防止火區(qū)荒漠化擴(kuò)大。