王艷軍

摘要：煤炭自燃是具有自燃傾向性的煤在有適宜的供氧量、有蓄熱氧化環(huán)境和時(shí)間的條件下發(fā)生的物理化學(xué)變化的結(jié)果。該文針對目前綜放采空區(qū)各種防滅火技術(shù)與材料存在的不足，分析了綜放面煤層自燃火災(zāi)特點(diǎn)，并對三相泡沫的組成、特點(diǎn)、發(fā)泡機(jī)理、及防治采空區(qū)煤炭自燃機(jī)理等幾方面進(jìn)行了闡述和分析。

關(guān)鍵詞：煤炭自燃 防滅火 三相泡沫

1 問題的提出

煤層自燃火災(zāi)是礦井主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦人員安全以及造成重大經(jīng)濟(jì)損失。全國煤礦中有56%的礦井存在煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)，在已開采過的220個(gè)綜放工作面中發(fā)生了182次自燃火災(zāi)事故。煤層自燃火災(zāi)成為制約高產(chǎn)高效礦井安全生產(chǎn)與發(fā)展的主要因素之一。

2 綜放采空區(qū)煤層自燃火災(zāi)特點(diǎn)

綜放工作面采用后退式開采，“U”型通風(fēng)方式，實(shí)行無煤柱開采，采場進(jìn)風(fēng)巷及采空區(qū)與鄰近采空區(qū)(已封閉)連成一片，構(gòu)成比較復(fù)雜的漏風(fēng)型式，采場的內(nèi)部漏風(fēng)與煤炭自燃有著密切的聯(lián)系，直接影響著采空區(qū)氧化“三帶”的分布，具體表現(xiàn)如下：

2.1 大多數(shù)煤層都具有自燃傾向性，且由于綜放工作面的單產(chǎn)高，走向長度較大，有的工作面目前已超過2000m，工作面回采時(shí)間均超過煤層的最短自燃發(fā)火期，煤體在空氣中的暴露時(shí)間較長。

2.2 綜放開采時(shí)，采空區(qū)丟煤比較多，這些浮煤呈破碎狀態(tài)，為采空區(qū)自燃火災(zāi)的發(fā)生提供了條件。

2.3 自燃火災(zāi)大都發(fā)生在距暴露面一定深度的中部，這里漏風(fēng)強(qiáng)度適中，風(fēng)速慢，氧氣濃度適宜，易滿足煤的自燃條件而形成自燃高溫點(diǎn)，且采空區(qū)遺煤的氧化帶與自燃帶一般在工作面的30m之后。

2.4 綜放開采工作面兩端頭的頂煤難以回收，兩端頭丟失的頂煤冒落后堆積。在沒有相鄰界采、空區(qū)時(shí)，綜放面的漏風(fēng)為采空區(qū)的小并聯(lián)漏風(fēng)。綜放工作面兩端頭是采空區(qū)漏風(fēng)的源與匯，這兩處的漏風(fēng)均比較大。

2.5 綜放面本面順槽、切眼、停采線自燃危險(xiǎn)性較大。綜采工作面巷道沿煤層底板掘進(jìn)，通常頂部留有幾米厚(一般大于3m)的頂煤，在掘進(jìn)動(dòng)壓及相鄰采煤工作面回采動(dòng)壓影響下，頂煤受壓而破碎、離層，區(qū)段煤柱也被壓酥，在掘進(jìn)過程中，還經(jīng)常出現(xiàn)頂煤冒落，支護(hù)后，在棚網(wǎng)上堆積了一定量的松散浮煤。

3 當(dāng)前主要采用的防滅火技術(shù)及評(píng)述

隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，煤層自燃火災(zāi)治理技術(shù)取得了顯著的成績。目前國內(nèi)外防滅火技術(shù)主要常采用預(yù)防性灌漿技術(shù)、阻化劑技術(shù)、注水技術(shù)、惰性氣體技術(shù)等，在某些條件下也采用堵漏技術(shù)、凝膠技術(shù)等。

在20世紀(jì)50年代，灌漿技術(shù)成為我國煤礦防滅火手技術(shù)的主要手段，并且一直沿用到今天。所謂的預(yù)防性灌漿技術(shù)就是指將水和灌漿材料按適當(dāng)?shù)谋壤旌?，配制成一定濃度的漿液，經(jīng)過鋪設(shè)的輸漿管路利用自然壓差或泥漿泵送到可能發(fā)生煤炭自燃的區(qū)域，以防止自然火災(zāi)的發(fā)生。阻化劑技術(shù)在美國、波蘭、前蘇聯(lián)等國家得到了較好的應(yīng)用；近些年來，阻化劑技術(shù)在我國也得到推廣應(yīng)用。該技術(shù)主要是讓水溶液附著在易被氧化的煤體表面，惰化煤體表面的活性結(jié)構(gòu)，阻止煤與氧氣的接觸的作用。近年來，凝膠技術(shù)在我國得到較廣泛應(yīng)用。凝膠分為無機(jī)凝膠和高分子凝膠兩大類，其防滅火機(jī)理是凝膠通過鉆孔或煤體裂隙進(jìn)入高溫區(qū)，其中一部分未成膠時(shí)在高溫下水分迅速汽化，快速降低煤表面溫度，殘余固體形成隔離層，阻礙煤氧接觸而進(jìn)一步氧化自燃；而流動(dòng)的部分混合液隨著煤體的溫度的升高，在不遠(yuǎn)處及煤體孔隙里形成膠體，包裹煤體，隔絕氧氣，使煤氧化、放熱反應(yīng)終止；干涸的膠體還可以降低原煤體的孔隙率，使得通過的空氣量大大減少，從而抑制復(fù)燃。

4 三相泡沫防滅火新技術(shù)

4.1 三相泡沫的組成及特點(diǎn) 防治煤炭自燃的三相泡沫由固態(tài)不燃物(粉煤灰或黃泥等)、惰性氣體(N2)和水三相防滅火介質(zhì)組成。三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，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，大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)較高，單位體積的泡沫材料成本大幅下降，具有較高的經(jīng)擠效益。

與現(xiàn)有的防滅火技術(shù)及材料相比，三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優(yōu)點(diǎn)。泥漿通過注入氮?dú)獍l(fā)泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，并在采空區(qū)中可向高處堆積，對低、高處的浮煤都能覆蓋，能夠避免注入的漿體從底部流失；注入在采空區(qū)的氮?dú)獗环庠谂菽?，能較長時(shí)間滯留在采空區(qū)中，充分發(fā)揮氮?dú)獾闹舷⒎罍缁鸸δ?。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì)，這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分，可較長時(shí)間保持泡沫的穩(wěn)定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對氧的吸附，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然發(fā)火，這是三相泡沫防滅火性能的優(yōu)越性。

4.2 三相泡沫防治煤炭自燃的機(jī)理 采空區(qū)煤體發(fā)生自燃，應(yīng)服從四面體的概念，即煤、氧氣、熱量、鏈反應(yīng)的4要素缺一不可。通過對要素中任何一個(gè)要素的切斷控制，都會(huì)阻止煤炭自燃。三相泡沫技術(shù)可以同時(shí)對煤炭自燃的4個(gè)要素進(jìn)行控制，因此防治煤炭自燃的效果顯著。

4.2.1 封堵采漏風(fēng)通道與煤體裂隙，包裹煤體，隔絕煤氧結(jié)合。對于綜放面采空區(qū)而言，大量浮煤是普遍存在的，因此必須采取措施隔絕煤氧結(jié)合，降低煤氧相互作用的機(jī)會(huì)。三相泡沫中的固體不燃物(粉煤灰或黃泥)，恰恰是針對這種特性，封堵采空區(qū)漏風(fēng)通道與煤體裂隙，包裹煤體，阻止氧氣進(jìn)入，隔絕煤氧結(jié)合，極大地降低了煤氧反應(yīng)中的煤與氧的濃度，從而大大降低反應(yīng)速率和放熱速率，達(dá)到防治煤炭自燃的目的。

4.2.2 對于已有升溫趨勢的煤，具有吸熱降溫作用。若煤體與周圍環(huán)境的溫度升高，活動(dòng)分子和活化能就會(huì)增加，煤氧分子的化學(xué)反應(yīng)速率和放熱速率就會(huì)加快。煤炭自燃的誘因之一是由于煤的自然氧化產(chǎn)生的熱量聚集。溫度上升的速度既取決于反應(yīng)產(chǎn)熱量，又取決于周圍環(huán)境的散熱條件。在采空區(qū)一般僅存在漏風(fēng)小通道，散熱條件較差，易于形成熱量積聚。當(dāng)產(chǎn)熱速率大于散熱速率時(shí)，采空區(qū)內(nèi)將迅速聚集大量熱量，隨即溫度上升，化學(xué)反應(yīng)速度加快，同時(shí)產(chǎn)生更多的熱量，造成惡性循環(huán)，直至引發(fā)煤炭自燃。

4.2.3 潤濕煤體，阻化煤體自燃。為防治煤炭自燃，需降低煤氧化放熱速率。由于使用的發(fā)泡劑是由幾種表面活性劑復(fù)配而成，一方面，發(fā)泡劑本身就是一種很好的阻化劑，能有效地阻止煤體官能團(tuán)的產(chǎn)生和自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，對煤的自燃有很好的阻化效果；另一方面，水均勻的分散在煤體上，也是一種非常好的阻化劑。

4.2.4 降低采空區(qū)氧氣濃度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤體。若采空區(qū)中氧氣濃度過高，則化學(xué)反應(yīng)速率和放熱速率就會(huì)增大。因此，在必要時(shí)，需要降低其區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度。

5 結(jié)束語

綜上所述，我國的礦井防滅火技術(shù)與手段，確實(shí)有了較大的發(fā)展與提高。但應(yīng)看到，目前發(fā)火形勢依然嚴(yán)峻，還需要繼續(xù)不斷地完善和提高防治技術(shù)水平，研究和開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)與手段，以便從根本上改變煤礦煤自燃火災(zāi)的不利形勢。此外，還要有足夠的投入和嚴(yán)格的管理。各礦必須清醒地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，給予極大的重視。只有舍得在這方面加大投入，才會(huì)獲得優(yōu)厚的回報(bào)。

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