煤自燃灾害防治技术现状与挑战

邓 军，白祖锦，肖 旸，宋泽阳

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安710054）

煤自燃火灾的防治对保障国民经济稳定发展具 有重要的地位，煤矿安全一直受到党中央、国务院高度重视，特别是党的十八大以来，习近平主席多次强调“安全生产事关人民福祉”，李克强总理在十三届全国人民代表大会第三次会议中明确提出“保障能源安全，其首要是推动煤炭清洁高效利用”，可见煤炭安全利用关系到千家万户，关系到每一个家庭的切身利益。

当前我国正处于经济转型升级的关键时期，新能源和可再生能源对化石能源，特别是对煤炭的增量替代效应明显，对煤炭的需求在长时期内将难以发生变化，煤炭仍是我国能源安全战略的基石[1]。然而，煤炭在开采的过程中长期遭受煤火灾害的困扰，如何有效地预防煤火灾的发生，是保证煤炭安全开采的关键，也是难点。随着矿井开采深度的增加和综采技术的发展，煤自燃灾害形势也更加严峻[2]。同时，我国煤田火灾害也十分严重。煤火灾已经直接影响到我国煤炭资源的可持续发展和国家生态文明建设。因此，煤火灾害的防治是当前亟待需要解决的问题。为此对现有的防灭火新技术进行综述，对防灭火新材料进行介绍，分析当前煤火灾害防治面临的问题，并对煤火灾害防治新技术、新材料的发展进行展望。

1 煤火灾害分布及危害

根据成因和形成条件，煤火灾害可分为2 类：一类是煤自燃火灾，主要有矿井煤自燃火灾、地面储煤堆自燃火灾和煤矸石山自燃火灾，其中矿井煤自燃火灾更为常见，后果更加严重；另一类是煤田火灾，属于典型的非控燃烧，波及面积广、深度大[3]。

1）煤自燃火灾。煤自燃是矿井的五大灾害之一，煤自燃易引起瓦斯、煤尘等爆炸事故，严重威胁着矿井的安全开采。据统计，我国的25 个主产煤省区的130 余个矿区中，受煤自燃隐患困扰的煤矿超过70%。其中40 个大中型矿区煤层自然发火严重。全国657 处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井数量占54.9%。最短自然发火期小于3 个月的矿井数量占50%以上，自燃火灾严重影响煤矿安全生产[4]。近年来，随着放顶煤技术的发展和开采深度的增加，采空区遗煤增多，温度升高，扰动增强，煤自然发火形势愈加严重。例如山东新矿集团的高地温特厚分层开采煤层已达1 200 m 深，地温已超过35 ℃，通过冰块等降温方法也只能降工作面200 m 范围以内的温度。

2）煤田火灾。煤田火灾分布广泛、火灾程度严重。我国的煤田火灾主要分布在新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、山西、内蒙古等7 个产煤大省（自治区），现共有200 多个煤田火区，从帕米尔高原到大兴安岭的沙漠干旱带上，形成了东西长5 000 km、南北宽150～350 km 的煤火燃烧带。近年来，受到干燥少雨的气候、埋藏浅、露头多等自然因素和大规模煤炭开采等人为因素的影响，新疆维吾尔自治区煤田火灾问题尤为严重，目前新疆煤田火区还有46处，火区面积669 万m2。煤田火灾造成环境污染，严重浪费资源。据统计[5]，仅新疆每年因煤田火灾损失煤炭资源442 万t，排放二氧化碳1 320 万t、一氧化碳10.3 万t、总烃2.05 万t、二氧化硫4.41 万t、烟尘1.05 万t，在低空造成有害气体严重超标，在中空对流形成大范围的酸雨，在高空破坏臭氧层。同时，煤田火灾破坏周围森林与其他植被，滑坡与泥石流等地质灾害也大大增加，引起次生灾害的频发。

2 煤自燃火灾防治理论与技术研究进展

2.1 煤自燃火灾防治理论与方法

煤氧吸附是煤自燃过程中关键的一步，煤在氧化的过程中吸附氧气，不断发生链式反应，从而放出热量，造成煤体升温。煤自燃的发展，需要经过潜伏期、自热期和燃烧期3 个时期[6]。煤自燃发展阶段可量化煤自燃预警指标，确定煤自燃预警指标临界值，建立煤自燃预警指标体系。通常认为在煤临界温度之前采取措施是防治煤自燃的关键。临界温度之前的区域称为潜伏期（准备期），临界温度与裂解温度之间的区域为自热期，裂解温度之后的区域为燃烧期。另外，煤炭自燃需具有自燃倾向性且成破碎状态、热量可以积聚、持续的通风供氧和足够的时间，四者缺一不可。因此，可根据煤自燃发展过程的阶段特征及发生条件来采取防治措施，在自热区域采用阻化剂预防煤自燃，在自燃区域主要是采取无机膨胀充填、灌浆、注胶等措施进行控制，在高温区域主要是采用液态二氧化碳、液氮、挖除火源等方法进行熄灭，煤自燃防控理论与方法如图1，煤自燃各阶段防控技术见表1[7]。

2.2 煤自燃低温氧化预防技术

根据煤氧复合机理，学者开发了众多类型的阻化剂，这些阻化剂通过吸水隔氧、保湿降温、抑制或中断链式反应作用等协同发挥，延缓煤的氧化历程，抑制煤自燃[8]。

图1 煤自燃防控理论与方法Fig.1 Theories and methods of prevention and control for CSC

表1 煤自燃各阶段防控技术Table 1 Prevention and control technologies at various stages of CSC

1）物理类阻化剂。物理阻化剂可改变煤体周围的物理环境来达到预防煤自燃的效果，但由于阻化剂易受温度、地形等因素的影响，存在阻化寿命短的关键问题，从而造成火区易复燃，只能再次使用阻化技术预防煤体温度上升。各物理阻化剂的优缺点见表2。由表2 可以看出：①吸水性盐：氯盐所含大量水分高温下蒸发吸热，防治热量积聚，降低煤氧复合反应，当温度达到临界温度时，温敏材料中的阻化剂被释放出来，克服了氯盐与高含水物理阻化剂抑制作用时间短且流动性强的缺点[24]，铵盐受热分解可吸收煤氧化反应产生的热量，起到降温的作用，同时分解产生的氨气和二氧化碳也会稀释氧气浓度；②高聚物：由高聚物、特殊的表面活性剂和一定比例的添加剂组成的物质，将表面活性剂吸附在煤粒表面使其湿润，不仅吸收煤氧复合反应放出的热量，也可隔绝煤体表面的氧气，从而延缓煤反应进程。③泡沫材料：利用泡沫的吸热、隔氧等性能进行防火[25]；④气溶胶阻化剂：是以超声波雾化技术将阻化剂如氯盐雾化后注入危险区域；其颗粒粒度极小，具有比表面积大、悬浮时间长、扩散速度快等特点，通过物理、化学作用实现灭火；⑤膏体阻化剂：依靠抗压性能强及隔氧的作用，常用于井下防灭火和堵漏风工作。

2）化学类阻化剂。化学类阻化剂的阻化原理是阻化剂与低温下煤的活性基团反应生成稳定的中间产物，惰化煤氧反应官能团活性，逐步中断活化反应链，减弱煤氧化学反应，进而抑制煤自燃。各化学阻化剂的阻化特点见表3。由表3 可以看出：①抗氧化类阻化剂：抢先与煤中的自由基或者活性基团反应，破坏煤氧的复合进程，抑制煤自燃，例如，2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）可以与烷基自由基结合来降低自由基的活性和浓度，从而抑制了自由基的连锁反应；②碱性阻化剂：常用与抑制高硫煤的自燃，例如，Ca（OH）2分别从物理、化学、负催化作用3 个方面抑制高硫煤自燃；③酸性阻化剂：以腐植酸钠为代表，SH 与羧基反应形成氢键，阻止煤对氧的吸附；同时，SH 还与羟基反应形成稳定的醚键，从而减少自由基的数量，减缓煤的氧化过程；④离子液体阻化剂：是一种新型高效的化学阻化剂，可溶解破坏煤中氢键、芳香结构、脂肪族链烃以及烃基、羰基等含氧官能团等活性官能团，使其氧化活性降低，从而达到抑制煤自燃的目的。现研究表明咪唑类离子液体对煤溶解、破坏最为明显[32]。

表2 物理阻化剂优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of physical inhibitors

表3 化学阻化剂特征Table 3 Characteristics of chemical inhibitors

3）新型阻化方法。新型阻化方法主要包括：①热处理方法：将煤进行预氧化使煤中活性分子惰化，从而降低氧化活性[33]；②复合阻化剂：克服了单一阻化剂的缺陷，兼具物理和化学阻化剂两者的优点；③微胶囊复配阻燃技术：使用合适的壁材将阻燃剂包裹起来，在特定的温度下释放阻燃剂，起到抑制作用；④无机纳米阻燃剂：阻燃剂的粒径与表面积对阻燃率的影响很大，同时，基于对环境的保护，将部分无机阻燃材料和有机阻燃材料处理为粒径1～100 nm 的微小微粒来阻化煤自燃。新型阻化剂的特点见表4。

2.3 煤自热阶段控制技术

当煤体温度超过临界温度，煤体温度持续升高，此阶段煤氧化反应急剧增强，但煤体还未燃烧，运用自燃阶段的预防技术已很难有效的控制煤体温度，这时需采用无机膨胀充填、灌浆、注胶等技术控制火区温度。胶体防灭火是防治煤自燃的重要阻化材料，自燃区域胶体材料特征见表5。目前大量使用的无机凝胶主要由水玻璃等基料与铵盐、铝酸盐等促凝剂按一定比例形成的。在受热的过程中可以吸收大量的热，实现煤体自身降温，同时还可以达到隔氧的目的[44]。

表4 新型阻化剂优缺点Table 4 Advantages and disadvantages of new types of inhibitors

表5 自燃区域胶体材料特征Table 5 Characteristics of colloidal materials in zone of CSC

2.4 煤燃烧阶段灭火技术

当煤体温度超过裂变温度之后，煤体温度急剧升高，出现明火，此时运用自热阶段的防火控制技术很难有效地控制火势，需采用液态二氧化碳、液氮、挖除火源等技术控制火势蔓延、发展，直至熄灭。

1）惰性气体。我国早在20 世纪80 年代就开始使用惰性气体来防治煤自燃，主要有气态CO2、气态N2、液态CO2和液态N2。惰性气体抑制煤自燃的机理如图2[54]。当惰性气体与煤接触后，首先覆盖在煤体表面阻绝煤与氧气反应；其次，覆盖于煤体的惰性气体，与煤内氧气置换，进入孔隙中，进一步阻止煤氧反应；最后，煤体表面的惰性气体和孔隙内的惰性气体在煤样升温的过程中发生热传递行为，吸收部分热量延缓自燃。其中，二氧化碳的阻化效果更佳。液态惰性气体在注入采空区后，会迅速吸收热量，与气态惰性气体相比，阻燃效果更佳[55]。现阶段应用最多的也是液态CO2防灭火技术，在许多矿井得到了成功应用。

图2 惰性气体抑制煤自燃的机理[54]Fig.2 The mechanism of inert gas inhibiting CSC[54]

2）稠化胶体。稠化胶体防灭火材料是以有机高分子材料为主体，添加水和粉煤灰（黄土）制成的胶体，它可以通过专用设备压注至指定区域，通过隔氧、降温达到阻化的效果[56]。学者已经研究了FHS型稠化胶体灭火剂、XK2-PR 稠化胶体、含有天然多糖和纤维素醚的新型稠化胶体、具有松散三维网状结构的防灭火稠化剂等[57]。目前，稠化胶体以成功运用于东滩矿、阳煤集团等煤自燃防治。

3 目前面临的问题

煤火灾害防治研究取得了一定成效，但由于煤火分布广、火源不易确定等因素，决定了煤火灾防治的复杂性及困难性，因此煤火灾害的防治技术仍存在大量技术难题待解决。

3.1 煤火预测预报及监测预警

煤火预测预报、监测预警技术在实际应用中已经取得了很大的进步，为煤自燃火灾的预防及火势蔓延的监测提供了大量的技术支撑，但是还存在着众多的问题：

1）火源位置隐蔽，特征信息难可视化判定。随着煤矿开拓水平的延深和矿井开采深度的增加，采空区煤自燃火源的位置也愈向深处移动，现有的预测技术难以准确获取指标气体及温度等特征信息难以准确获取。单一依据数学模型建立火源判定准则难以实际模拟火源动态发展。况且，煤自燃是热－流－固－化耦合作用的结果，现有的煤自燃危险区域量化判定方法难以达到可视化判定。

2）受限条件多，探测手段难高效实施。随着科技的进步，火区探测由最早的人工勘察发展为红外遥感、放射性元素探测、无线自组网等先进技术，但是由于火区范围广、干扰因素多（火区温度、天气状况、地质构造）、使用条件苛刻、成本高（遥感探测、气体探测、温度探测）等因素，现有探测技术很难精准、经济、方便、长期、实时地探测火区。

3）技术落后，火区范围难精准圈定。目前煤田火区已经形成了先进的监测技术，但由于受到技术的制约，许多监测手段还需要解决关键技术问题。例如：利用次声探测时，煤田火区燃烧次声的频率域、信号的接收、处理、以及判定条件；磁法探测中的磁异常迭加问题、电磁干扰；无线电波探测时波的衰减；CF2ClBr 示踪气体的显著热解温度在550 ℃以上，对于煤自燃初期火源点的探测不适合。这些方法在圈定范围时过程复杂、不够智能，且单一的监测手段通常无法准确判断出煤田火灾的燃烧程度、火源位置、温度分布等信息。

3.2 煤火防治新材料

阻化剂防灭火技术是近年来新发展的预防技术，相比传统技术，阻化剂防灭火技术工作范围小、不影响生产、能够有效预防火灾。但当前的阻化剂种类繁多、效果不一、价格昂贵，主要存在以下问题：

1）阻化剂易于分解，威胁矿井环境和进一步造成生态环境污染。2020 年，国家煤矿安监局关于印发《煤矿井下反应型高分子材料安全管理办法（试行）》的通知中明确要求“禁止化学反应剧烈、放热量大的高分子材料用于与煤直接接触的地点”。

2）阻化剂合成工艺复杂，工业应用成本太高，很难实现工业应用，且阻化剂在大面积喷洒和浇注的过程中，造成阻化材料浪费，形成更高的成本。

3）设备智能化程度低，现有的阻化剂喷洒装置很难实现报警、监测、喷洒一体化工作。

4 结 语

今后，煤自燃火灾的防治技术研究将遵循智能、精准、快速的原则。主要应从以下几方面开展工作:预测预报是有效监测预警的关键，建立系统性的煤自燃预测指标体系，将各个方法建立统一整体；开发煤自燃可视化火源位置判定系统，动态演化煤自燃发展过程；研发长距离、抗干扰的温度、气体监测传感系统，有效获取煤自燃危险区域动态信息；开发智能化、集成化、高效化的煤田火区监测系统，方便简洁地获取火区信息；开发针对不同煤种的高效、靶向、绿色、环保、经济的阻化剂；研发针对阻化、充填材料的智能化雾化、喷洒及发生等专用装置，分区域分阶段采取防控技术，降低应用成本，提高效率；加快推进煤田火区热能利用技术，提高热能利用效率；开展矿区生态恢复，防止火区荒漠化扩大。