文 虎，田 晴，趙向濤，王偉峰

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤自燃一直是世界性難題，自20世紀(jì)60年代以來(lái)世界就遭受了煤火災(zāi)害的嚴(yán)重危害[1]。煤火災(zāi)害不同于其他類(lèi)型的固體火災(zāi)，具有自燃、陰燃和復(fù)燃的特點(diǎn)，火源隱蔽、貧氧氧化、易復(fù)燃[2]，防控難度極大，煤火的發(fā)展還取決于巷道、采空區(qū)和道巷道附近空氣動(dòng)力學(xué)的差異。它與局部和整個(gè)礦區(qū)的巖體空氣滲透有關(guān)[3]，煤層上部的不穩(wěn)定巖石層，大裂縫和煤層火災(zāi)引起的沉降對(duì)地面基礎(chǔ)設(shè)施和人員造成極大的危害。中國(guó)作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，針對(duì)煤火防治新技術(shù)在不斷的升級(jí)改進(jìn)，提出了各種較為準(zhǔn)確的煤火監(jiān)測(cè)技術(shù)。采用ASTERL1B熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田火區(qū)的地表溫度，提出基于梯度的自適應(yīng)閾值法，以熱紅外圖像梯度極值為閾值圈定火區(qū)范圍；利用指標(biāo)氣體監(jiān)測(cè)煤火是一種較為常見(jiàn)的方法；近年來(lái)，新材料不斷在煤礦進(jìn)行應(yīng)用，新型高分子泡沫堵漏防火材料，具有黏度低、膨脹倍數(shù)適宜、固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滲入至煤體內(nèi)細(xì)微裂隙實(shí)現(xiàn)對(duì)漏失通道的封堵，泡沫凝膠仍然能夠發(fā)揮更加高效的作用[8]。凝膠化后，氣泡牢固地被捕獲在高黏度凝膠膜內(nèi)，這改善了泡沫的彈性力和吸熱能力，有效減少氧氣在采空區(qū)中的流動(dòng)，覆蓋高溫火源，高含水量使其能夠保持浮煤表面濕潤(rùn)，防止煤自燃。我國(guó)的煤火防治工作取得了巨大的進(jìn)步，有必要作出綜合性闡述。因此，在本文中介紹國(guó)內(nèi)煤層火災(zāi)分布主要規(guī)律，煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)，比較監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納總結(jié)了煤層火災(zāi)治理新技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)煤層火災(zāi)的分布的原因

大部分煤層火災(zāi)沿著中國(guó)煤炭帶發(fā)生在中國(guó)北方(約N36°—N45°)伊敏灣，沉北，烏蘭圖加，烏達(dá)，準(zhǔn)格爾和伊犁煤田。中國(guó)北方煤層火災(zāi)集中的主要原因是：煤層分布，采礦活動(dòng)和氣候條件?，F(xiàn)今，中國(guó)大陸的煤火，雖然新疆還有較多的煤火區(qū)( 處、點(diǎn)) 尚在燃燒，其他的省份，僅有內(nèi)蒙古、山西、寧夏等省、自治區(qū)尚存零星火區(qū)(處、點(diǎn))。這些受影響的煤田的一個(gè)明顯特征是煤在早期和中侏羅世紀(jì)成煤期形成，煤炭含量低，含碳量低，含氧官能團(tuán)高，揮發(fā)性物質(zhì)含量高。此外，新疆和內(nèi)蒙古的淺埋煤層和露頭很常見(jiàn)，增加了自燃的風(fēng)險(xiǎn)；另外，采礦活動(dòng)也是引發(fā)中國(guó)煤炭火災(zāi)的最重要因素。

2 煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

煤層火災(zāi)的監(jiān)測(cè)對(duì)于環(huán)境和健康影響評(píng)估以及滅火工程非常重要。例如，諸如監(jiān)測(cè)到的煤火深度，溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俾手?lèi)參數(shù)，并且提供用于滅火活動(dòng)的關(guān)鍵信息，以下為主要的煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2.1 地下監(jiān)測(cè)技術(shù)

鉆孔鉆井是一種重要的地下監(jiān)測(cè)技術(shù)。地下監(jiān)測(cè)技術(shù)主要集中在指標(biāo)氣體和氡氣探測(cè)上。

1)指標(biāo)氣體監(jiān)測(cè)：煤的自燃釋放的氣體，包括CO2，CO，CH4，H2，C2H4，C2H2和其他高碳?xì)浠衔餁怏w，指標(biāo)氣體來(lái)源于含氧烴的熱解和分解，因此，尋找排放氣體與特定煤的溫度之間的關(guān)系，基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模關(guān)于煤的自加熱和點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)氣體預(yù)測(cè)煤的溫度，這對(duì)于自燃的早期預(yù)警是重要的。

監(jiān)測(cè)煤自燃的常用指標(biāo)氣體是CO，C2H4和格雷厄姆比。格雷厄姆的比率通常在0～0.4之間，為產(chǎn)生的一氧化碳量與吸收的氧量之比。另外，通常還選擇其他氣體如C2H2，C2H6，C3H8和C4H10作為指標(biāo)氣體。而后提出另一種指標(biāo)氣體，CO/CO2的比率，可以表明煤炭地下火災(zāi)的發(fā)展。研究有超過(guò)十種指標(biāo)氣體可用于監(jiān)測(cè)煤的自燃早期階段，這些指標(biāo)氣體因具體情況而異，具體取決于煤層火災(zāi)的范圍和條件。選定的指標(biāo)氣體有其自身的局限性，因此，多種指標(biāo)氣體和氣體溫度監(jiān)測(cè)可以幫助更可靠地解釋煤層火災(zāi)的范圍和后續(xù)發(fā)展。

2)氡氣監(jiān)測(cè)法：使用氡氣探測(cè)煤層火區(qū)的主要原因是煤層富含氡氣(222Rn)，因?yàn)槊旱亩嗫捉Y(jié)構(gòu)吸收了222Rn，由于浮力效應(yīng)上覆巖石中的氡氣通過(guò)排放氣流向上傳播，特別是以CO2和CH4為載氣，煤層火災(zāi)引起的裂縫或裂縫是從地下到地表的222Rn運(yùn)動(dòng)的良好途徑[11]。

2.2 地面監(jiān)測(cè)技術(shù)

地面監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是監(jiān)測(cè)原位溫度，所使用的儀器包括地下溫度記錄儀，接觸式溫度計(jì)和手持式輻射計(jì)。由于煤層火災(zāi)從地下燃燒到地面的傳導(dǎo)熱傳遞非常緩慢。因此，從裂縫或通風(fēng)口排出的廢氣攜帶的對(duì)流熱通常是監(jiān)測(cè)表面熱異常的主要來(lái)源。大多數(shù)煤層火災(zāi)情況是通過(guò)裂縫或通風(fēng)口的溫度場(chǎng)映射來(lái)確定的。我國(guó)的煤層火災(zāi)裂縫溫度介于17℃和891℃之間，平均裂縫溫度為187℃。

空間，水平和垂直溫度測(cè)量對(duì)于檢測(cè)各種項(xiàng)目效果非常明顯。大面積和沿裂縫場(chǎng)的水平溫度測(cè)量有利于劃分煤層火災(zāi)區(qū)域并確定火災(zāi)傳播方向，垂直溫度測(cè)量(沿裂縫深度或鉆孔)有利于了解火災(zāi)深度和范圍。

2.3 空間監(jiān)測(cè)技術(shù)

1)探地雷達(dá)：探地雷達(dá)是一種地球物理方法，利用反射的電磁信號(hào)了解地下煤層火災(zāi)的基本情況[12]。根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的自回歸變化和平均移動(dòng)(ARMA)模型光譜來(lái)檢測(cè)由煤層火災(zāi)引起的地下裂縫區(qū)和洞穴，提出了ARMA譜密度算法構(gòu)造譜剖面。利用這種方法，成功地檢測(cè)到了烏達(dá)向斜18號(hào)煤層火災(zāi)的裂縫、碎石帶和洞穴[13]。

2)機(jī)載遙感：機(jī)載遙感具有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集，快速的反應(yīng)能力，靈活的圖像分辨率以及大面積覆蓋的特點(diǎn)。煤層火災(zāi)檢測(cè)的機(jī)載遙感研究主要集中在機(jī)載熱遙感，無(wú)人機(jī)(UAV)和熱像儀的使用，以及高光譜(OMIS1)遠(yuǎn)程傳感[14]。

3)多光譜和熱遙感：利用飛機(jī)機(jī)載多光譜掃描儀(MSS)，針對(duì)不同的時(shí)段應(yīng)用不同的檢測(cè)波長(zhǎng)掃描監(jiān)測(cè)，全天候飛行。白天，中午，夜間分別使用3～5μm波長(zhǎng)，43pm波長(zhǎng)，8～12.5μm波長(zhǎng)進(jìn)行飛行監(jiān)測(cè)，區(qū)分時(shí)段應(yīng)用不同波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)具有低溫?zé)岙惓z測(cè)能力和高溫?zé)岙惓z測(cè)能力。

4)星載遙感：星載遙感的主要優(yōu)勢(shì)是能夠大面積探測(cè)擴(kuò)散的煤層火災(zāi)。用于監(jiān)測(cè)我國(guó)煤層火災(zāi)的星載平臺(tái)有超高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)，中分辨率成像光譜儀(MODIS)，雙譜和紅外遙感(BIRD)，星載熱發(fā)射和反射輻射計(jì)(ASTER)。

2.4 煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析

煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)可分為四類(lèi)：地下，地面，空中和星載監(jiān)測(cè)。表1不同檢/監(jiān)測(cè)方法的可監(jiān)測(cè)表面特征，空間和時(shí)間可監(jiān)測(cè)性以及優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同監(jiān)測(cè)方法的可監(jiān)測(cè)表面特征，空間和時(shí)間可監(jiān)測(cè)性以及優(yōu)缺點(diǎn)

3 煤層火災(zāi)治理技術(shù)研究現(xiàn)狀

煤層火災(zāi)治理是煤層火災(zāi)監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)，也是保護(hù)環(huán)境和節(jié)約煤炭資源的最重要活動(dòng)。了解煤層火災(zāi)區(qū)，火災(zāi)深度，礦井深度，溫度，燃燒程度，火災(zāi)傳播方向，滲透率和孔隙度，為治理滅火活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。煤層火災(zāi)治理工程由一系列步驟組成，即準(zhǔn)備，挖掘，水滲透，鉆孔，水和灌漿(或凝膠)注入，以及黃土覆蓋，如圖1所示。從理論上講，現(xiàn)在這些技術(shù)包括滅火的所有三個(gè)內(nèi)容：減少熱能、去除燃料和隔離氧氣。

圖1 滅火和治理流程圖

3.1 挖掘注水

為了保證開(kāi)展安全治理工作，通過(guò)澆一次水，爆破不穩(wěn)定覆巖上的采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行。

3.1.1 挖掘

挖掘燃燒的煤，燒焦的巖石或不平整的土壤旨在熄滅(近)表面煤層火災(zāi)或?yàn)殡S后的滅火工作提供平坦的工作表面。由于缺水和土壤，挖掘是魯岐溝煤田防治煤層火災(zāi)的主要方法。

3.1.2 水滲透

如果煤層火災(zāi)是火源深度低于15m的近地表火災(zāi)，則水滲透是降低溫度的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。在新疆維吾爾自治區(qū)的煤層火災(zāi)中，水滲入煤層火災(zāi)后，最高溫度317.7 ℃降至65.9℃。

3.2 鉆孔注漿

如果煤層火災(zāi)是地下火災(zāi)，注漿是鉆孔后熄滅煤層火災(zāi)的常用方法。它由水和灌漿(或凝膠)注射組成。水和灌漿(或凝膠)注射的主要目的分別是溫度下降和空氣通道的密封。

3.2.1 灌漿注射

研究表明，灌漿半徑(受注入影響的區(qū)域半徑)約為4.37～4.5m根據(jù)灌漿半徑，壓力，滲透率和水土比例的經(jīng)驗(yàn)公式，這意味著水與土壤的比例和注入壓力對(duì)灌漿半徑具有顯著影響。如下公式：

R=10.74P0.086K0.059W1.028

(1)

式中，R為灌漿半徑，m；P為注射壓力，Pa；K為滲透率，m2；W為水與土壤的比例，%。

3.2.2 凝膠注射

灌漿中的固體顆粒傾向于沉積，影響灌漿注入的有效性。凝膠是一種改進(jìn)的材料，通過(guò)在灌漿中添加一些特殊的化學(xué)材料，很好地結(jié)合了水和固體顆粒[15]。主要用于撲滅煤層火災(zāi)的凝膠：凝膠，增稠凝膠和復(fù)合凝膠。凝膠的主要成分是硅酸鈉溶液(水玻璃)，凝結(jié)劑(NH4HCO3)，黃土(或粉煤灰)和水。硅酸鈉溶液和凝結(jié)劑僅占總凝膠質(zhì)量的5%～10%。凝膠可以釋放出有毒氣體，即氨。因此，非氨、鋁凝結(jié)劑和大分子被開(kāi)發(fā)。

增稠凝膠：增稠凝膠由增稠懸浮劑(FCXF12，JXF1930)，固體顆粒(黃土、沉積物或飛灰)和水組成(見(jiàn)圖2(c))。

復(fù)合凝膠：復(fù)合凝膠(見(jiàn)圖2(d))由稠化劑(FHJ16，F(xiàn)CJ12)，黃土和水為消除煤層火災(zāi)最廣泛使用的凝膠。固體顆粒與水的比例為1∶1～2∶1，膠凝劑含量?jī)H占總水質(zhì)量的0.06%。覆蓋黃土的目的是防止空氣泄漏到熄滅的煤層火災(zāi)中，并為將來(lái)的填埋工程提供土壤基礎(chǔ)。

圖3 凝膠簡(jiǎn)視圖

3.2.3 高分子新材料治理技術(shù)

1)三相泡沫降溫技術(shù)：三相泡沫是指在水中添加極少量的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等添加劑，通過(guò)物理機(jī)械發(fā)泡，形成水附著在氣泡壁上形成固、液、氣三相降溫體系。對(duì)于煤層火災(zāi)的治理，不但降低煤體的溫度，同時(shí)也降低圍巖的溫度。實(shí)現(xiàn)對(duì)中、高及采空區(qū)頂板煤體滅火降溫作用。三相泡沫具有優(yōu)秀的堆積性，可在采空區(qū)中向高處堆積，對(duì)燃燒的頂板及高處煤層進(jìn)行降溫；通過(guò)鉆孔向周?chē)紫都傲芽p擴(kuò)散，對(duì)燃燒體進(jìn)行降溫[18，19]。三相泡沫滅火提高了水的利用率，降低了礦井排水壓力。

2)穩(wěn)定凝膠泡沫技術(shù)：通過(guò)使用增稠劑(TA)和交聯(lián)劑(CLA)在氣膜中形成凝膠結(jié)構(gòu)，形成一種穩(wěn)定的凝膠泡沫。從微觀結(jié)構(gòu)和液體排放動(dòng)力學(xué)分析表明：與傳統(tǒng)法的水性泡沫相比，穩(wěn)定的凝膠泡沫有較小的平均氣泡尺寸，較低的水分流失速率，并且穩(wěn)定的凝膠泡沫對(duì)于煤層火災(zāi)的抑制效果更好，火源溫度越高時(shí)，對(duì)于減少煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的CO和C2H2排放量效果更好，顯示出更好的保水性，以防止煤的繼續(xù)氧化燃燒，此外穩(wěn)定的凝膠泡沫在煤體表面形成完整的隔離層，阻斷煤與氧氣的繼續(xù)接觸，抑制煤層火災(zāi)的產(chǎn)生[20]。

3)智能凝膠技術(shù)：通過(guò)玉米秸稈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(ATMPS)和丙烯酸(AA)的接枝共聚反應(yīng)，合成了智能水凝膠[20，21]。然后將化學(xué)發(fā)泡劑添加到水凝膠中，形成自發(fā)泡凝膠，隨后與可膨脹石墨混合以形成智能凝膠。與溫度敏感的聚丙烯酰胺凝膠相比，該智能凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性，以及在高溫下的附著力和溶脹性。滅火實(shí)驗(yàn)表明，智能凝膠可以覆蓋燃燒煤的表面，從而顯著降低點(diǎn)火源溫度、熱輻射和CO生成量譜分析表明，10%膨脹石墨的樣品在加熱過(guò)程中能抑制羥基的氧化。智能凝膠的阻燃性能優(yōu)于其它凝膠，防止了再燃。

4 煤層火災(zāi)防治存在的問(wèn)題及展望

盡管地下氣體檢測(cè)具有良好的準(zhǔn)確性并且反映了地下煤的燃燒情況，但是非常耗時(shí)并且受到短期觀測(cè)和天氣波動(dòng)的限制條件。地面探測(cè)有幾種方式，如原位溫度測(cè)量，自電位技術(shù)，二維電子成像技術(shù)，透射電子顯微鏡，磁技術(shù)和探地雷達(dá)等，已經(jīng)進(jìn)行了研究，在這些技術(shù)中，原位溫度測(cè)量具有最高的精度并且被最充分地研究，相比之下，對(duì)其他監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究則不是很充分。特別是自電位技術(shù)和磁性技術(shù)。由于成本高，近年來(lái)很少報(bào)道機(jī)載熱遙感，盡管它在高空間分辨率和靈活的數(shù)據(jù)采集方面具有優(yōu)勢(shì)，用于探測(cè)煤層火災(zāi)的星載遙感的精度較低。未來(lái)開(kāi)發(fā)的更先進(jìn)的傳感器可能具有更高的能力來(lái)劃分煤層火災(zāi)區(qū)域并估算煤層火災(zāi)引起的溫室氣體，從而實(shí)現(xiàn)精確治理煤層火災(zāi)[25]。

在空間上，涉及地下，地面，機(jī)載和星載探測(cè)的 “四級(jí)”探測(cè)為探測(cè)和監(jiān)測(cè)煤層火災(zāi)提供了各種選擇。監(jiān)測(cè)水平越高，監(jiān)測(cè)到的廣度越大，精度越低。有必要考慮空間尺度，精度，空間和時(shí)間可檢測(cè)性的權(quán)衡，做出最佳決策。最好結(jié)合各種方法，這些方法可以相互補(bǔ)充并減輕它們各自的缺點(diǎn)。滅火工程涉及準(zhǔn)備，挖掘，水滲透，鉆孔，水和灌漿(或凝膠)注入等工作，使用高分子新材料治理技術(shù)，并且加大了阻燃新材料的開(kāi)發(fā)研究。煤火治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，開(kāi)發(fā)新型防滅火材料，將各種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能有效控制煤火的發(fā)生、減小火區(qū)的擴(kuò)大，抑制火區(qū)對(duì)環(huán)境的污染。