煤矿近距离煤层防灭火技术研究

2022-08-26王建勤

当代化工研究 2022年15期

＊王建勤

（柳林县安全生产技术服务中心山西 033300）

引言

煤矿资源是我国能源中重要组成部分，尽管产业结构已经逐渐在转型升级，但是煤炭仍然占据能源结构当中的主体位置，国民经济运行和社会发展的较长的一段时间中，煤炭生产是支撑生活生产的基础性能源。然而现阶段我国面临的煤层自燃情况依然不容乐观，其所带来的严重后果对采矿工人的生命安全和采碳工作造成了巨大威胁。同时，我国近距离煤层分布于多个区域，涉及到的范围较广。煤矿当中的近距离煤层之间极易产生漏风通道，使得煤层采空区涉及到的自燃范围判断难度加大，因此需要重视防灭火技术的有效应用，从而破解当前煤矿近距离煤层采空区容易发生火灾风险的困局。

1.煤矿近距离煤层自燃原因分析

从现有资料分析来看，近距离煤层指煤层中层与层之间的距离比较短，在煤矿开采过程会互相产生比较大影响作用的煤层[1]。近距离煤层相互之间产生的影响作用有：影响综采工作面和岩层巷道的围岩控制，同时还影响煤层开采环节对自然灾害的治理等。其出现的实质性原因是因为煤层间在开采过程中，会导致围岩应力分布发生变化，进而引发临近煤层顶（底）板的塑性屈服。

依据煤氧复合概念，煤与氧发生变化会释放热量，进而促使煤的温度上升，煤的温度上升，会强化煤的氧化活性，煤氧两者之间的反应速度提升，也会相应增大放热强度。只要存在氧气就可以产生煤氧复合作用，氧气浓度的高低仅会对煤氧复合速率产生影响。煤在自燃过程中，煤氧化放热和环境散热是呈现矛盾发展的关系。当散热的速率比煤氧化放热速率低的时候，煤的温度会升高。会加大氧化放热速率，因此煤自燃是一个复杂程度较高的自加热过程。

依据自燃危险位置的分布煤矿采空区中的煤能够划分成三个部分：即散热带、氧化带和窒息带。浮煤发生自燃情况的来源是氧化带，氧化带囊括的范围于对浮煤自燃的破坏程度具有直接性影响。针对特定煤层而言，如果已经确定煤自身的氧化放热性能，那么浮煤会不会出现自燃情况是由漏风供氧情况和蓄热条件所决定的。实际情况下，采空区中的浮煤自燃普遍受到5个因素影响，即浮煤层的厚度大小、氧气的浓度高低、漏风的强度发展、工作面推进速度变化以及自然发火的时间。在开展工作面工作的时候，采空区域内的各个部分，其氧气浓度、环境温度还有漏风强度均会出现动态性的变化。煤自燃的基本物质条件则在于浮煤数量和氧气浓度，大规模堆加在一起的浮煤和氧发生作用进而释放出热量，与此同时还会促使漏风流和顶底板岩层的热量减少。在煤矿采空区当中，只要浮煤厚度和氧气浓度符合自燃发生的条件，同时该区域中煤在氧化过程中生成的热量要超过环境所散失热量，那么在这些区域内，煤的温度就会自然而然地上升，进而导致自燃的情况出现[2]。

2.煤矿近距离煤层自燃特征分析

(1)煤矿近距离煤层自燃一般性特征

煤层产生火灾的类型与其他性质的火灾有本质区别，具备独特的性质。大多数煤矿因为煤层中产生的物理或者化学反应，再加上地质构造上具有的特殊性，一般来说，煤层自燃的特点有：

①煤层自燃发生的概率比较高。依据现有的煤矿煤层自燃形成的火灾实验情况显示，开采煤层发生自燃频率极高，煤层自然发火期大概在30～60天左右。并且因为煤矿当中的采空区、巷道破碎带当中堆积着许多煤体，比较松散的煤体在开采过程中接触到氧气后迅速产生氧化反应，进而释放出大量热能。但是松散煤体具有较高的储热性能，并且难以散失，这样促使煤的温度自然上升进而出现自燃危害。

②煤层自燃的成因具有多样性。矿井地质构成和环境条件相对复杂，其产生的危险情况尚未明确原因，再加上煤矿所构成的生产体系也相对繁复，使得煤层自燃原因更加难以探寻。

③煤层出现自燃导致火灾事故的发生，其原因在于大量热能的聚集，因此在防治上具有较大的难度。从煤氧复合作用的条件分析，煤与氧发生反应进而产生热量，使得煤的温度急剧上升，煤的温度升高，增强煤的氧化活性，促使煤氧化作用速度不断加快。如果煤矿中近距离煤层已经出现自燃情况，说明其已经积攒了许多热能，而要促使煤体热量降低则相对比较困难，煤的温度无法进行控制和调整，则在其氧化活性呈现高强度状态下，并且氧浓度不高的情况下，煤氧复合作用就能将煤的温度保持在一个范围内。此外，可能出现煤层自燃，发生火灾的位置，还存在着较为明显的温差变化，温差会促使气体发生热力循环以及自然对流，这种情况对于供氧具有维持作用，进而使得火灾能够久久不灭，并且其情况还会持续发展，这也是煤层自燃火灾难以有效治理的原因之一。

④发生自燃的区域，其火源点比较隐蔽。一般情况下，起火点位置相对比较高，还呈现出立体分布的状态。煤层表面具有比较高强度的散热性，而在低温条件下，煤氧复合中形成的热量不会聚集，因此温度通常不会上升。在煤层深层部分的氧浓度不高，煤氧复合速率也相对较小，不会释放过多的热量，所以也不会出现温度升高的情况。自燃火灾的产生大多时候出现在离煤体暴露面一定距离的深层部位，而且普遍仅能见到自燃的苗头，出现冒烟的现象但看不见明火。此外，在火风压的影响下，所处部位比较高的煤体极易被加热，因此导致温度也随之上升，所以一般煤层自燃高、温点也相对较高，仅仅应用注浆等防灭火技术并不能做到全方位的处理[3]。

(2)综放面采空区自燃特点

①综采工作面中的开切眼、停采线采空区容易产生自燃火灾。开切眼的位置形成的断面比较大，容易遭受矿压作用，从而产生压裂破碎的现象，并且还会导致漏风供氧问题出现。在安置综放设备的过程中，供风量比较小，产生的风流温度相对较高，需要较长时间的安装工作，因此在初始阶段推进工作面速度则会相对较缓，开切眼位置上的松散煤体发生氧化，其温度上升需要较长的时间，煤体的温度也比较高。停止采煤的时间段里，采空区需要比较长的供养时间，并且停采之后的环节里因为撤面和封闭不及时，促使发生自燃的概率不断增加。所以，开切眼和停采线附近区域发生自燃火灾的风险比较大。

②采空区自燃的温度比较高、范围广、起火点位置高。

图1 采空区自燃特点

这是因为综放面采空区两边区域存在许多浮煤，由煤氧作用产生的热量不断聚集，如果出现自燃，采空区就会相应储蓄大量热能，促使附近区域煤（岩）体的温度升高，所以，也就形成了采空区温度高、范围大的特点。采空区浮煤如果产生自燃以及温度升高，同时在火风压作用下，处在较高位置的煤体不断受热，使得火源的位置也比较高，因此利用水、浆等流体灭火的难度系数也在加大[4]。

(3)巷道附近区域煤体自燃特点

①有一些煤矿其巷道大部分都是顺着煤层方向掘进，并且绝大多数的巷道巷帮均是煤体，一部分巷道位置还堆积着许多煤炭，由于受到巷道施工和地质条件影响，局部区域的巷道产生破碎化的煤体，出现了自燃起火的危险。并且与一般煤层相比较，工作面巷道附近煤体所在区域、松散煤体的聚集形态、漏风动力、散热条件明显不同，进而形成了以下几个特点：

A.沿着煤层底板进行巷道掘进的过程中，伴随着底板产生的变化影响，风流会在变化的位置出现动压差；B.巷道中的风流温度要比岩层原先温度低，因此容易在巷道顶煤内部产生热力风压；C.顶煤部位上，顶煤冒落空洞和离层空隙对顶板的散热产生阻碍作用，与绝热壁功能相类似；D.在构造区和断层周围，巷道附近极易出现破碎煤体，并且比较松散。

②遭受到巷道顶煤所承受的矿压还有采掘问题的影响，容易导致离层破碎，部分煤的质量相对松软，在掘进时往往会因为冒顶产生空洞区，同时在热风压的影响下，顶煤漏风的情况增大，使得顶煤出现自燃起火的概率显著增加。巷道其他区域出现火灾情况之后，热风压的存在还会导致火灾朝着巷道顶部逐渐转移。所以，巷道自燃起火的部位普遍较高，容易产生顶煤火灾。此外，巷道自燃起火普遍会出现在巷道的高冒区域、地质构造区域、煤体破碎区域、裂隙产生的位置以及巷道发生突变的位置，例如：巷道出现变形、起伏、转弯、分叉、汇合等。同时还有安置在巷道当中的风门、风窗、风障以及一些堆积的杂物等，此类区域出现比较大规模的煤体破碎和高强度的漏风问题，浮煤出现自燃的频率比较高。

3.煤矿近距离煤层防灭火技术分析

(1)煤层近距离自燃起火预测预报技术

所谓自燃预测预报技术，其实质在于采掘煤层的过程中，煤氧复合作用下促使其发生氧化反应，进而释放热能，热量融合增大导致温度上升，在出现自燃起火情况前，依照氧化放热过程中产生的标志气体和温度参数等信息数据的具体变化，及时对煤层自燃的苗头加以预警，并且对其火势的详细情况进行预测和推断，能够有效地识别早期自燃起火的状态，并实施针对性的措施。主要应用到的预报手段有指标气体分析法和测温法。其中，指标气体分析法指代的通过将CO、C2H4、链烷比等气体加以利用，使其成为预测煤层自燃起火具体情况的指标性气体。在已有的相关预测预报手段中，气体分析法运用的效果比较可靠，同时该项技术的成熟度和完善度也比较高，能够在有效利用的过程中及时预报早期煤层自燃起火的状态。其也是不同种类气体的特性和产生量的差异化，以此来更为清晰客观地对煤自燃现状加以判断。而测温法则是对近距离煤层还有其附近介质的温度情况进行检测。利用其来对煤体还有周遭环境中的围岩温度场出现的变动情况加以分析，从而选取符合客观实际的灭火技术和方法，进而对灭火作业操作进行科学指导。测温法还能够作为评价灭火效果一种方式[5]。经过对火区出现的气体组成成分和浓度高低的变化规律加以观察，能够提高预判火势发展情况的有效性和精确性。

(2)控制漏风技术

因为煤矿井下的区域空间是呈现半封闭状态的，因此发生火灾险情的时候，按照煤产生自燃起火的三个要素分析，必须对漏风情况加以控制，才能进一步降低并且隔断朝火区供氧的路径，实现灭火目标。现阶段控制漏风方法有封堵和均压等。其中封堵技术主要指代的是煤层产生自燃起火的现象，漏风供氧是原因之一，因此杜绝漏风，防止其进行浮煤氧气供给，能够从根本上对煤层内部因素产生的火灾加以防范控制。该项技术方法可划分出密闭墙封堵、巷道煤帮表面喷涂堵漏、采空区及煤柱裂隙充填堵漏等多个子方法。而均压技术，其实质上是空气出现流动情况而产生的动力，也就是普遍见到的压力梯度。均压技术的实施就是尽可能去降低压力梯度，从而减缓漏风的情况，进一步对自燃火灾进行防治和控制。均压技术可划分出开区均压技术和闭区均压技术这两种。不过，如果只依靠均压技术来达成达到将漏风情况完全阻断的目标还是有相当大的难度。

图2 漏风测定示意图

(3)火区惰化技术

其实质是将具有较低含氧量，即≤97%的惰性气体以注惰管路的方法注射到火区，隔绝驱散氧气，进而减少氧气浓度，使火区窒息。主要应用到的惰性气体有液氮、氮气、液态二氧化碳、二氧化碳等。

(4)阻化防灭火技术

利用阻化剂可以在很大程度降低煤的氧化活性，继而对抑煤氧复合形成的自燃现象加以抑制。在起火现场所应用到的阻化剂有吸水盐型阻化剂和表面活性剂类等。

(5)火区降温技术

主要有灌水及注浆技术和胶体防灭火技术两种。灌水和注浆能够促使火灾发生的区域温度降低，并且有效控制并熄灭火源。水本身的热容量比较大，因此液态水在变化成为蒸汽的整个环节中，会对热量大规模地吸收，因此可以迅速降低火区温度，而水蒸气又能够发挥驱替空气，隔绝氧气的作用[6]。胶体防灭火技术，其原理在于胶体材料与水相融合能够产生胶凝作用，将胶凝浆液涂抹到煤表面，可隔离氧气，并且所使用的材料还具备惰化煤结构活性基团的功能，还不会存在水煤气爆炸的风险。因此其强大的绝氧降温的功能，使其在煤矿近距离煤层防灭火工作中应用较为普遍。