“雙碳”背景下我國地下煤火防治技術(shù)研究進(jìn)展

張志軍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

地下煤火作為煤礦開采的主要災(zāi)害之一，是指在自然條件下，由于人為因素或自然因素使得煤炭與空氣接觸，隨著能量的積聚，引起的煤炭資源燃燒，并不斷發(fā)展形成的大面積煤田火災(zāi)。在全球很多國家均有不同程度存在，在我國主要分布在新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地[1-2]。地下煤火對資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多方面均產(chǎn)生著不利的影響，隨著溫室氣體排放引起全球變暖等問題的加劇，地下煤火受到了越來越多的關(guān)注。一方面造成大量煤炭資源的浪費(fèi)和凍結(jié)，根據(jù)調(diào)查研究，每年因地下煤火燃燒造成的煤炭資源直接損失1 000萬t至1 300萬t，同時間接影響的煤炭資源量約2億t；另一方面，對地表沉陷、植被、土壤等造成很大的破壞，同時燃燒過程釋放出大量的粉塵與有毒有害氣體，主要有CO2、CO、SO2、CH4、H2S 等，污染大氣環(huán)境[3]。

“雙碳”是中國提出的兩個階段碳減排奮斗目標(biāo)。二氧化碳排放力爭于2030年達(dá)到峰值，努力爭取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，要逐步減少二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放力度?；谶b感數(shù)據(jù)估算，VAN DIJK P等得出我國煤火產(chǎn)生的溫室氣體占全球總排放量的0.1%[4]，有效控制地下煤火，有助于早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。我國西部地區(qū)因煤層較厚、埋深較淺、氣候干旱等特點(diǎn)，隨著開采強(qiáng)度的不斷加大，極易引發(fā)煤火自燃，其產(chǎn)生的一系列問題已嚴(yán)重影響我國能源安全和生態(tài)環(huán)境，因地下煤火燃燒環(huán)境復(fù)雜，如何高效開展煤火防治是保護(hù)煤炭資源生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵[5]。

1 我國地下煤火分布現(xiàn)狀

我國地下煤火多分布在干旱的西部地區(qū)，以新疆、寧夏、內(nèi)蒙古分布范圍最廣，其中新疆煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重。根據(jù)新疆最新第五次煤田火區(qū)普查結(jié)果表明：截至2019年底，新疆有未治理的在燃火區(qū)40處，火區(qū)總面積477.73萬m2，每年燃燒損失456.16萬t煤炭，年排放溫室氣體CO2達(dá)1 204.26萬t，主要分布在準(zhǔn)格爾煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、庫拜煤炭基地等[6]。寧夏回族自治區(qū)煤田火區(qū)主要分布在汝箕溝礦區(qū)、二道嶺、呼魯斯太、石炭井等含煤區(qū)，其中汝箕溝礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重。內(nèi)蒙古自治區(qū)地下煤火主要分布在古烏達(dá)、鄂爾多斯、桌子山、準(zhǔn)格爾等礦區(qū)，其中烏達(dá)礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重[7-8]。

我國地下煤火主要具以下特點(diǎn)：①根據(jù)空間位置，燃燒嚴(yán)重的礦區(qū)主要分布在北緯35°～45°。②根據(jù)氣候條件，地下煤火主要發(fā)生在干旱—半干旱的西部地區(qū)[9]。我國地下煤火大部呈陰燃狀態(tài)，范圍大，著火點(diǎn)分散，距離遠(yuǎn)，火源隱蔽，煤火復(fù)燃頻發(fā)等，實(shí)時動態(tài)監(jiān)控和火區(qū)治理十分困難[10]。

2 地下煤火防治技術(shù)研究進(jìn)展

一般而言，地下煤火的燃燒需具備可燃物、持續(xù)供氧條件和熱量的積聚三個方面條件，煤火的防治應(yīng)從這三個方面開展，只要破壞其中任一已產(chǎn)生的燃燒條件，就可以達(dá)到地下煤火防治的目的。目前采用的地下煤火防治技術(shù)主要有注漿、阻化劑、惰氣、膠體、泡沫等。許多研究人員在不同的礦區(qū)采用不同的滅火技術(shù)對地下煤火防治進(jìn)行了深入研究，取得了大量成果[11]。

2.1 注漿滅火技術(shù)研究進(jìn)展

注漿技術(shù)主要是將制備好的漿液通過管路注入燃燒區(qū)，利用漿液包裹煤炭，使其與空氣接觸面積減少，同時漿液有利于降低燃燒區(qū)的溫度。灌漿技術(shù)因其操作簡單、安全可靠等特點(diǎn)在地下煤火防治中應(yīng)用較廣，但該技術(shù)易受漿液重力影響，向低處流動，不能很好的覆蓋燃煤，對于高位地下煤火防治效果有限。目前漿液制備用的材料主要有粉煤灰、煤矸石、黃泥等。

陳輝等通過打鉆注漿注膠等方法，對阜康氣煤一號井煤田5″、6″火區(qū)進(jìn)行了治理，通過綜合治理，5″、6″火區(qū)內(nèi)地表塌陷得到了有效充填，形成水柱和冒青煙的現(xiàn)象得到了有效控制，煤田滅火達(dá)到了預(yù)期效果[12]。

陳明河等利用地面打鉆孔灌注天固封堵材料隔離沙吉海煤業(yè)B6101 工作面火區(qū)，治理后通過分析火區(qū)隔離前后鉆孔內(nèi)和回風(fēng)立井內(nèi)CO、O2等氣體體積分?jǐn)?shù)和內(nèi)外壓差的變化情況，結(jié)果表明火區(qū)隔離效果較好。B6101工作面火區(qū)的有效隔離，確保了礦井及時啟封和礦井設(shè)備安全[13]。

劉鑫等根據(jù)天府磨心坡礦火災(zāi)的情況及現(xiàn)狀，研制了粉煤灰灌漿防滅火材料，并對粉煤灰漿液懸浮性和膠凝性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了良好的滅火效果，且防滅火成本低廉[14]。

2.2 阻化劑滅火技術(shù)研究進(jìn)展

阻化劑滅火技術(shù)是在滅火材料中加入一定的添加劑，將其噴灑在煤體表面，形成一層保護(hù)膜，增加煤體表面化學(xué)惰性，阻止其與氧氣接觸，同時吸熱降溫，使煤體長期處于潮濕狀態(tài)，以達(dá)到防滅火目的。該技術(shù)采用噴灑、壓注以及氣霧阻化等多種方式，具有工藝簡單、滅火效果好等優(yōu)點(diǎn)，但存在噴灑不均勻、阻化材料用量大且價格貴、阻化時效性有限等缺點(diǎn)。目前常用的阻化劑大致分為兩類：一類是單一類阻化劑，主要有泥漿阻化劑、堿式阻化劑、鹵鹽阻化劑、羥基阻化劑等；另一類是復(fù)合類阻化劑，主要有凝膠阻化劑、氣溶膠阻化劑、高聚物阻化劑等[15]。

張嬿妮等采用差示掃描量熱儀(DSC)測試了在稀土水滑石、MgCl2和鹵鹽載體無機(jī)鹽三種不同阻化劑作用下，煤自燃過程中分階段特征、特征溫度、熱效應(yīng)和表觀活化能等參數(shù)變化規(guī)律，研究表明鹵鹽載體無機(jī)鹽阻化劑可有效抑制煤自燃反應(yīng)進(jìn)程[16]。

宋明光等通過先添加聚丙烯酸酯在煤體表面形成一層覆蓋膜，接著通過添加MgCl2在其表面形成吸水隔熱層，以兩步混合法制備得到了聚丙烯酸酯-MgCl2復(fù)合阻化劑，并研究其熱解特性及阻燃性能，試驗(yàn)證明：其阻化率能夠顯著提高并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能[17]。

馬超提出了高倍微膠囊阻化劑泡沫防滅火技術(shù)，研究了微膠囊阻化劑泡沫的封堵窒息、隔氧阻化、吸熱降溫等防滅火機(jī)理和應(yīng)用工藝，在興隆莊煤礦開展了應(yīng)用，防滅火效果顯著[18]。

王婕等從隔氧降溫和終止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)角度出發(fā)，將無機(jī)鹽類阻化劑氯化鎂和氯化鈣與自由基捕獲劑N，N-二芐基羥胺(DBHA)和2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)結(jié)合形成一種持續(xù)高效抑制煤自燃的復(fù)合阻化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合阻化劑對煤自燃過程起到協(xié)同抑制作用，具有物理化學(xué)雙重阻化效果[19]。

2.3 惰氣滅火技術(shù)研究進(jìn)展

惰氣滅火技術(shù)是將惰性氣體注入地下煤火燃燒區(qū)，通過置換降低燃燒區(qū)氧氣濃度這一燃燒條件，從而使其氧氣不足達(dá)到防治地下煤火。目前常用的惰性氣體主要有N2、CO2等。根據(jù)注入狀態(tài)分為液態(tài)惰氣防滅火和氣態(tài)惰氣防滅火，液態(tài)惰氣相比氣態(tài)惰氣在地下煤火防治過程中吸熱降溫效果較好，液態(tài)惰氣的注入對設(shè)備和輸送管路的要求比較嚴(yán)格，材料成本也相對較高。惰氣滅火技術(shù)具有惰化、抑爆、降溫、擴(kuò)散范圍大以及可繞過障礙物到達(dá)隱蔽的自燃區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，適用于密閉條件較好的火區(qū)，否則容易造成惰性氣體的逸散，減弱滅火效果[20]。

邵昊等研究了二氧化碳和氮?dú)鈱γ鹤匀夹阅艿挠绊?，惰性氣體可以增大煤樣的表觀活化能，二者對煤的氧化反應(yīng)速度產(chǎn)生是不同的，通過對比試驗(yàn)研究二氧化碳比氮?dú)饩哂懈玫匾种泼禾孔匀嫉哪芰21]。

安世崗等通過采取地面鉆孔直注液態(tài)氮和液態(tài)CO2等綜合措施消除了補(bǔ)連塔煤礦12 煤采空區(qū)煤炭自燃隱患，保證了工作面的安全開采[22]。

王月紅等以林南倉煤礦1026工作面為研究對象，利用軟件模擬不同注氮工藝參數(shù)條件下的采空區(qū)溫度場和氧濃度場的變化規(guī)律，確定了采空區(qū)注氮防滅火最佳工藝參數(shù)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[23]。

2.4 膠體滅火技術(shù)研究進(jìn)展

膠體滅火技術(shù)是將膠體通過鉆孔或裂隙進(jìn)入煤火燃燒區(qū)，一部分膠體在未凝結(jié)前，通過水分汽化降低煤體表面溫度，殘余固體在煤體表面與氧氣之間形成隔離層，阻止煤體自燃；另一部分膠體在流動過程中不斷包裹高溫煤體，隔絕其與氧氣接觸，逐漸阻止燃燒過程。目前常用的膠體類型有稠化膠體，復(fù)合膠體、高分子膠體、凝膠等，膠體滅火材料主要由基料(水玻璃、粉煤灰等)、水、促凝劑組成。一般而言，膠體材料具有固水性、熱降溫性、滲透和堵漏性、熱穩(wěn)定性、有效期長等防滅火性能，尤其是穩(wěn)定性和降溫性效果顯著，但不具備膨脹性，對隱蔽火源防治效果有限。

周光華等通過地面鉆孔注FCJ-12復(fù)合膠體封堵漏風(fēng)通道，再通過鉆孔注入MCJ12高分子膠體對白芨溝礦地下煤火進(jìn)行滅火。實(shí)踐證明，分步灌注FCJ-12復(fù)合膠體和FCJ-12高分子膠體可有效封閉下分層開采過程中的漏風(fēng)通道，阻止?jié){液的流失和控制高溫區(qū)域的發(fā)展，從而確保白芨溝礦下分層工作面的安全開采[24]。

文虎等針對煤層自燃特點(diǎn)，采用復(fù)合膠體防滅火技術(shù)對東灘礦4308回風(fēng)平巷、鮑店礦5309回風(fēng)平巷相鄰采空區(qū)等煤體自燃進(jìn)行了防治，取得了很好的效果[25]。

趙立克等采用ABT-Q 型高效復(fù)合防滅滅火材料的凝膠及其氣動配套防滅火裝備，成功處理了紅慶河煤礦采空區(qū)大范圍自燃火災(zāi)，實(shí)踐表明該材料吸水倍率高，降溫效果好，封堵漏風(fēng)通道的性能良好，配套設(shè)備具有自動配比，出口壓力高，移動方便等特點(diǎn)，適應(yīng)了火災(zāi)防治的要求[26]。

2.5 泡沫滅火技術(shù)研究進(jìn)展

泡沫滅火技術(shù)是利用化學(xué)方法產(chǎn)生膨脹惰性泡沫，利用泡沫的吸熱、隔氧等性能進(jìn)行防火。泡沫防滅火具有黏度高、堆積性好、密度小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對于采空區(qū)漏風(fēng)的封堵性能較差，效果不持久。

張辛亥等對新型礦用無機(jī)固化泡沫防滅火材料性能進(jìn)行了研究，探討了無機(jī)發(fā)泡固化膏體充填材料組分速凝劑、發(fā)泡劑對其強(qiáng)度的影響，分析了增強(qiáng)劑的作用機(jī)理，在哈拉溝煤礦開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，取得了很好的效果[27]。

秦波濤等提出了用三相泡沫來防治煤炭的自燃，由粉煤灰或黃泥、氮?dú)夂退ㄟ^物理機(jī)械方式形成的防滅火三相泡沫，具有集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，充分利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍匦赃M(jìn)行防滅火的特性。通過對優(yōu)選的4種發(fā)泡劑及相互復(fù)配對泡沫性能的實(shí)驗(yàn)研究，得出了最優(yōu)的復(fù)配發(fā)泡劑及配比[28]。

陳寶義采取復(fù)合漿液對白芨溝煤礦010202工作面上覆采空區(qū)浮煤自燃進(jìn)行防治，在傳統(tǒng)采空區(qū)注漿滅火的基礎(chǔ)上加入相關(guān)添加劑來提高漿液的黏性、流動性和保濕性，復(fù)合漿液兼有三相泡沫及高倍泡沫的優(yōu)點(diǎn)，其起泡性能、可塑性和堆積性在隔斷氧氣方面表現(xiàn)良好，抑制了浮煤氧化，保證了工作面安全生產(chǎn)[29]。

3 地下煤火防治技術(shù)展望

地下煤火防治研究雖然取得了一系列進(jìn)展，防治技術(shù)與材料均呈現(xiàn)多樣化，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和地下煤火呈現(xiàn)的新特點(diǎn)，地下煤火防治任重道遠(yuǎn)。今后要重點(diǎn)加強(qiáng)新型滅火技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用、新滅火材料研制、滅火工程設(shè)備開發(fā)與集成等方面的研究和攻關(guān)。

3.1 新型滅火技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用

我國地下煤火防治技術(shù)在近幾十年來取得了較大的進(jìn)展，形成了較為全面的煤火防治技術(shù)及體系，但各種防治方法均存在優(yōu)點(diǎn)與不足。近年來，隨著煤炭開采的高產(chǎn)高效和礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜化對煤火防治提出了更高的要求，一方面要加大新技術(shù)的研發(fā)，從地下煤火防治機(jī)理入手，加強(qiáng)新技術(shù)引進(jìn)和研發(fā)；另一方面，針對不同的礦區(qū)所處的地質(zhì)條件及地下煤火的特點(diǎn)，要加快構(gòu)建地下煤火綜合防治技術(shù)體系，將多種防治技術(shù)和滅火材料綜合應(yīng)用，發(fā)揮其各自優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提高滅火效果的有效性和可靠性。

3.2 加強(qiáng)新型滅火材料研制

地下煤火燃燒的復(fù)雜性，決定了新滅火材料性能必須向穩(wěn)定性強(qiáng)、擴(kuò)散范圍大、耐高溫、低成本、環(huán)保等方面發(fā)展，新材料的研制要側(cè)重于降低煤體溫度，同時阻止煤體表面與氧氣的大面積接觸，進(jìn)而起到延緩或阻止煤火燃燒過程，同時加強(qiáng)現(xiàn)有材料的融合，目前研發(fā)的泡沫凝膠滅火材料，兼有凝膠與泡沫兩種材料的防滅火特性，對煤火燃燒的阻化性更好[30]。

3.3 加強(qiáng)滅火工程設(shè)備攻關(guān)研制

隨著地下煤火所處環(huán)境的日趨復(fù)雜，滅火技術(shù)和材料能否很好的應(yīng)用，很大程度取決于相配套的設(shè)備，要加強(qiáng)開發(fā)與集成更為高效、可靠的煤火防治設(shè)備系統(tǒng)，一方面加強(qiáng)設(shè)備在大流量、高濃度、遠(yuǎn)距離輸送、輕便化等方面的攻關(guān)研究，以解決注漿材料沉淀、堵管、管損等輸送關(guān)鍵問題；另一方面加強(qiáng)設(shè)備自動控制化研究，以解決注漿材料的自動配比、參數(shù)實(shí)時監(jiān)測等問題，動態(tài)調(diào)整防滅火工藝流程，提高防滅火措施的效果和效率。

4 結(jié)論

1)我國地下煤火多分布于西部新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)，在分布范圍、氣候因素、隱蔽性等方面呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。

2)地下煤火防治技術(shù)主要有注漿、阻化劑、惰氣、膠體、泡沫防治技術(shù)等，每種防治技術(shù)均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，因煤火防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單一的滅火手段很難完全奏效，根據(jù)不同礦區(qū)地下煤火燃燒特點(diǎn)，研究采用多種滅火技術(shù)綜合應(yīng)用將成為未來發(fā)展趨勢。

3)地下煤火高效治理至今仍是一個世界性難題，要圍繞地下煤火不同燃燒階段、燃燒區(qū)域等特征開展進(jìn)一步的攻關(guān)，針對不同礦區(qū)地下煤火所處的環(huán)境，加強(qiáng)現(xiàn)有滅火技術(shù)的綜合應(yīng)用和體系建設(shè)，不斷開發(fā)和研制新的滅火技術(shù)和滅火材料，同時要加強(qiáng)工程設(shè)備向大流量、高濃度、遠(yuǎn)距離輸送、輕便化、智能化等方向開發(fā)與集成。