“双碳”背景下我国地下煤火防治技术研究进展

2023-04-16张志军

中国煤炭地质 2023年1期

张志军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

地下煤火作为煤矿开采的主要灾害之一，是指在自然条件下，由于人为因素或自然因素使得煤炭与空气接触，随着能量的积聚，引起的煤炭资源燃烧，并不断发展形成的大面积煤田火灾。在全球很多国家均有不同程度存在，在我国主要分布在新疆、宁夏、内蒙古等地[1-2]。地下煤火对资源、环境、经济等多方面均产生着不利的影响，随着温室气体排放引起全球变暖等问题的加剧，地下煤火受到了越来越多的关注。一方面造成大量煤炭资源的浪费和冻结，根据调查研究，每年因地下煤火燃烧造成的煤炭资源直接损失1 000万t至1 300万t，同时间接影响的煤炭资源量约2亿t；另一方面，对地表沉陷、植被、土壤等造成很大的破坏，同时燃烧过程释放出大量的粉尘与有毒有害气体，主要有CO2、CO、SO2、CH4、H2S 等，污染大气环境[3]。

“双碳”是中国提出的两个阶段碳减排奋斗目标。二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年实现碳中和，为实现这一宏伟目标，要逐步减少二氧化碳、甲烷等温室气体的排放力度。基于遥感数据估算，VAN DIJK P等得出我国煤火产生的温室气体占全球总排放量的0.1%[4]，有效控制地下煤火，有助于早日实现“双碳”目标。我国西部地区因煤层较厚、埋深较浅、气候干旱等特点，随着开采强度的不断加大，极易引发煤火自燃，其产生的一系列问题已严重影响我国能源安全和生态环境，因地下煤火燃烧环境复杂，如何高效开展煤火防治是保护煤炭资源生态环境的关键[5]。

1 我国地下煤火分布现状

我国地下煤火多分布在干旱的西部地区，以新疆、宁夏、内蒙古分布范围最广，其中新疆煤田火灾最为严重。根据新疆最新第五次煤田火区普查结果表明：截至2019年底，新疆有未治理的在燃火区40处，火区总面积477.73万m2，每年燃烧损失456.16万t煤炭，年排放温室气体CO2达1 204.26万t，主要分布在准格尔煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、库拜煤炭基地等[6]。宁夏回族自治区煤田火区主要分布在汝箕沟矿区、二道岭、呼鲁斯太、石炭井等含煤区，其中汝箕沟矿区地下煤火较为严重。内蒙古自治区地下煤火主要分布在古乌达、鄂尔多斯、桌子山、准格尔等矿区，其中乌达矿区地下煤火较为严重[7-8]。

我国地下煤火主要具以下特点：①根据空间位置，燃烧严重的矿区主要分布在北纬35°～45°。②根据气候条件，地下煤火主要发生在干旱—半干旱的西部地区[9]。我国地下煤火大部呈阴燃状态，范围大，着火点分散，距离远，火源隐蔽，煤火复燃频发等，实时动态监控和火区治理十分困难[10]。

2 地下煤火防治技术研究进展

一般而言，地下煤火的燃烧需具备可燃物、持续供氧条件和热量的积聚三个方面条件，煤火的防治应从这三个方面开展，只要破坏其中任一已产生的燃烧条件，就可以达到地下煤火防治的目的。目前采用的地下煤火防治技术主要有注浆、阻化剂、惰气、胶体、泡沫等。许多研究人员在不同的矿区采用不同的灭火技术对地下煤火防治进行了深入研究，取得了大量成果[11]。

2.1 注浆灭火技术研究进展

注浆技术主要是将制备好的浆液通过管路注入燃烧区，利用浆液包裹煤炭，使其与空气接触面积减少，同时浆液有利于降低燃烧区的温度。灌浆技术因其操作简单、安全可靠等特点在地下煤火防治中应用较广，但该技术易受浆液重力影响，向低处流动，不能很好的覆盖燃煤，对于高位地下煤火防治效果有限。目前浆液制备用的材料主要有粉煤灰、煤矸石、黄泥等。

陈辉等通过打钻注浆注胶等方法，对阜康气煤一号井煤田5″、6″火区进行了治理，通过综合治理，5″、6″火区内地表塌陷得到了有效充填，形成水柱和冒青烟的现象得到了有效控制，煤田灭火达到了预期效果[12]。

陈明河等利用地面打钻孔灌注天固封堵材料隔离沙吉海煤业B6101 工作面火区，治理后通过分析火区隔离前后钻孔内和回风立井内CO、O2等气体体积分数和内外压差的变化情况，结果表明火区隔离效果较好。B6101工作面火区的有效隔离，确保了矿井及时启封和矿井设备安全[13]。

刘鑫等根据天府磨心坡矿火灾的情况及现状，研制了粉煤灰灌浆防灭火材料，并对粉煤灰浆液悬浮性和胶凝性进行了实验研究，取得了良好的灭火效果，且防灭火成本低廉[14]。

2.2 阻化剂灭火技术研究进展

阻化剂灭火技术是在灭火材料中加入一定的添加剂，将其喷洒在煤体表面，形成一层保护膜，增加煤体表面化学惰性，阻止其与氧气接触，同时吸热降温，使煤体长期处于潮湿状态，以达到防灭火目的。该技术采用喷洒、压注以及气雾阻化等多种方式，具有工艺简单、灭火效果好等优点，但存在喷洒不均匀、阻化材料用量大且价格贵、阻化时效性有限等缺点。目前常用的阻化剂大致分为两类：一类是单一类阻化剂，主要有泥浆阻化剂、碱式阻化剂、卤盐阻化剂、羟基阻化剂等；另一类是复合类阻化剂，主要有凝胶阻化剂、气溶胶阻化剂、高聚物阻化剂等[15]。

张嬿妮等采用差示扫描量热仪(DSC)测试了在稀土水滑石、MgCl2和卤盐载体无机盐三种不同阻化剂作用下，煤自燃过程中分阶段特征、特征温度、热效应和表观活化能等参数变化规律，研究表明卤盐载体无机盐阻化剂可有效抑制煤自燃反应进程[16]。

宋明光等通过先添加聚丙烯酸酯在煤体表面形成一层覆盖膜，接着通过添加MgCl2在其表面形成吸水隔热层，以两步混合法制备得到了聚丙烯酸酯-MgCl2复合阻化剂，并研究其热解特性及阻燃性能，试验证明：其阻化率能够显著提高并具有优异的稳定性能[17]。

马超提出了高倍微胶囊阻化剂泡沫防灭火技术，研究了微胶囊阻化剂泡沫的封堵窒息、隔氧阻化、吸热降温等防灭火机理和应用工艺，在兴隆庄煤矿开展了应用，防灭火效果显著[18]。

王婕等从隔氧降温和终止自由基链式反应角度出发，将无机盐类阻化剂氯化镁和氯化钙与自由基捕获剂N，N-二苄基羟胺(DBHA)和2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)结合形成一种持续高效抑制煤自燃的复合阻化剂。实验结果表明：复合阻化剂对煤自燃过程起到协同抑制作用，具有物理化学双重阻化效果[19]。

2.3 惰气灭火技术研究进展

惰气灭火技术是将惰性气体注入地下煤火燃烧区，通过置换降低燃烧区氧气浓度这一燃烧条件，从而使其氧气不足达到防治地下煤火。目前常用的惰性气体主要有N2、CO2等。根据注入状态分为液态惰气防灭火和气态惰气防灭火，液态惰气相比气态惰气在地下煤火防治过程中吸热降温效果较好，液态惰气的注入对设备和输送管路的要求比较严格，材料成本也相对较高。惰气灭火技术具有惰化、抑爆、降温、扩散范围大以及可绕过障碍物到达隐蔽的自燃区域等优点，适用于密闭条件较好的火区，否则容易造成惰性气体的逸散，减弱灭火效果[20]。

邵昊等研究了二氧化碳和氮气对煤自燃性能的影响，惰性气体可以增大煤样的表观活化能，二者对煤的氧化反应速度产生是不同的，通过对比试验研究二氧化碳比氮气具有更好地抑制煤炭自燃的能力[21]。

安世岗等通过采取地面钻孔直注液态氮和液态CO2等综合措施消除了补连塔煤矿12 煤采空区煤炭自燃隐患，保证了工作面的安全开采[22]。

王月红等以林南仓煤矿1026工作面为研究对象，利用软件模拟不同注氮工艺参数条件下的采空区温度场和氧浓度场的变化规律，确定了采空区注氮防灭火最佳工艺参数，通过现场试验验证了模拟结果的准确性[23]。

2.4 胶体灭火技术研究进展

胶体灭火技术是将胶体通过钻孔或裂隙进入煤火燃烧区，一部分胶体在未凝结前，通过水分汽化降低煤体表面温度，残余固体在煤体表面与氧气之间形成隔离层，阻止煤体自燃；另一部分胶体在流动过程中不断包裹高温煤体，隔绝其与氧气接触，逐渐阻止燃烧过程。目前常用的胶体类型有稠化胶体，复合胶体、高分子胶体、凝胶等，胶体灭火材料主要由基料(水玻璃、粉煤灰等)、水、促凝剂组成。一般而言，胶体材料具有固水性、热降温性、渗透和堵漏性、热稳定性、有效期长等防灭火性能，尤其是稳定性和降温性效果显著，但不具备膨胀性，对隐蔽火源防治效果有限。

周光华等通过地面钻孔注FCJ-12复合胶体封堵漏风通道，再通过钻孔注入MCJ12高分子胶体对白芨沟矿地下煤火进行灭火。实践证明，分步灌注FCJ-12复合胶体和FCJ-12高分子胶体可有效封闭下分层开采过程中的漏风通道，阻止浆液的流失和控制高温区域的发展，从而确保白芨沟矿下分层工作面的安全开采[24]。

文虎等针对煤层自燃特点，采用复合胶体防灭火技术对东滩矿4308回风平巷、鲍店矿5309回风平巷相邻采空区等煤体自燃进行了防治，取得了很好的效果[25]。

赵立克等采用ABT-Q 型高效复合防灭灭火材料的凝胶及其气动配套防灭火装备，成功处理了红庆河煤矿采空区大范围自燃火灾，实践表明该材料吸水倍率高，降温效果好，封堵漏风通道的性能良好，配套设备具有自动配比，出口压力高，移动方便等特点，适应了火灾防治的要求[26]。

2.5 泡沫灭火技术研究进展

泡沫灭火技术是利用化学方法产生膨胀惰性泡沫，利用泡沫的吸热、隔氧等性能进行防火。泡沫防灭火具有黏度高、堆积性好、密度小、成本低等优点，但对于采空区漏风的封堵性能较差，效果不持久。

张辛亥等对新型矿用无机固化泡沫防灭火材料性能进行了研究，探讨了无机发泡固化膏体充填材料组分速凝剂、发泡剂对其强度的影响，分析了增强剂的作用机理，在哈拉沟煤矿开展了现场应用试验，取得了很好的效果[27]。

秦波涛等提出了用三相泡沫来防治煤炭的自燃，由粉煤灰或黄泥、氮气和水通过物理机械方式形成的防灭火三相泡沫，具有集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，充分利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火的特性。通过对优选的4种发泡剂及相互复配对泡沫性能的实验研究，得出了最优的复配发泡剂及配比[28]。

陈宝义采取复合浆液对白芨沟煤矿010202工作面上覆采空区浮煤自燃进行防治，在传统采空区注浆灭火的基础上加入相关添加剂来提高浆液的黏性、流动性和保湿性，复合浆液兼有三相泡沫及高倍泡沫的优点，其起泡性能、可塑性和堆积性在隔断氧气方面表现良好，抑制了浮煤氧化，保证了工作面安全生产[29]。

3 地下煤火防治技术展望

地下煤火防治研究虽然取得了一系列进展，防治技术与材料均呈现多样化，随着“双碳”目标的提出和地下煤火呈现的新特点，地下煤火防治任重道远。今后要重点加强新型灭火技术研发及综合应用、新灭火材料研制、灭火工程设备开发与集成等方面的研究和攻关。

3.1 新型灭火技术研发及综合应用

我国地下煤火防治技术在近几十年来取得了较大的进展，形成了较为全面的煤火防治技术及体系，但各种防治方法均存在优点与不足。近年来，随着煤炭开采的高产高效和矿井生产系统的复杂化对煤火防治提出了更高的要求，一方面要加大新技术的研发，从地下煤火防治机理入手，加强新技术引进和研发；另一方面，针对不同的矿区所处的地质条件及地下煤火的特点，要加快构建地下煤火综合防治技术体系，将多种防治技术和灭火材料综合应用，发挥其各自优点，进而提高灭火效果的有效性和可靠性。

3.2 加强新型灭火材料研制

地下煤火燃烧的复杂性，决定了新灭火材料性能必须向稳定性强、扩散范围大、耐高温、低成本、环保等方面发展，新材料的研制要侧重于降低煤体温度，同时阻止煤体表面与氧气的大面积接触，进而起到延缓或阻止煤火燃烧过程，同时加强现有材料的融合，目前研发的泡沫凝胶灭火材料，兼有凝胶与泡沫两种材料的防灭火特性，对煤火燃烧的阻化性更好[30]。

3.3 加强灭火工程设备攻关研制

随着地下煤火所处环境的日趋复杂，灭火技术和材料能否很好的应用，很大程度取决于相配套的设备，要加强开发与集成更为高效、可靠的煤火防治设备系统，一方面加强设备在大流量、高浓度、远距离输送、轻便化等方面的攻关研究，以解决注浆材料沉淀、堵管、管损等输送关键问题；另一方面加强设备自动控制化研究，以解决注浆材料的自动配比、参数实时监测等问题，动态调整防灭火工艺流程，提高防灭火措施的效果和效率。