摘" 要：為分析煤礦熱動力災害防治理論及技術(shù)相關研究現(xiàn)狀，提高對煤自燃、瓦斯爆炸及誘發(fā)耦合災害等方面的認識，系統(tǒng)總結(jié)了當前煤礦熱動力災害研究的成果，分析研究領域國內(nèi)外進展及不足。研究結(jié)果表明：當前熱動力災害基礎理論方面需深入多災種耦合復雜致災機理及影響機制的研究，防治技術(shù)方面需著力發(fā)展精細化、低碳化、智能化防治技術(shù)及裝備，管理方面需以科學理論為基礎，制定合理可行的監(jiān)管監(jiān)察防災治災臨界指標。研究結(jié)論為煤礦熱動力災害防治理論及技術(shù)進一步發(fā)展提供參考。

關鍵詞：熱動力災害；煤自燃；瓦斯爆炸；耦合災害；智能防控

中圖分類號：TD75" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " " " "文章編號：1008-0562（2024）05-0534-011

Overview of the current status and trends in research on prevention and control of thermal power disasters in coal mines

ZHOU Xihua1，2， ZHANG Xiaowen1，2*， BAI Gang1，2， HUANG Ge1，2

（1. College of Safety Science and Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105， China;

2. Key Laboratory of Mine Thermodynamic disasters and Control of Ministry of Education， Liaoning

Technical University， Huludao 125105， China）

Abstract： In order to analyze the current research status of the theory and technology of thermal power disaster prevention and control in coal mines， and to improve the understanding of coal spontaneous combustion， gas explosion and induced coupling disasters， the current research results of thermal power disasters in coal mines are systematically summarized， and the progress and shortcomings in the research field at home and abroad are analyzed. The research results show that the current basic theory of thermal power disasters needs to go deep into the research on the complex disaster-causing mechanism and influence mechanism of multi-disaster coupling. In terms of prevention and control technology， it is necessary to focus on the development of refined， low-carbon and intelligent prevention and control technology and equipment. In terms of management， it is necessary to formulate reasonable and feasible critical indicators for supervision and disaster prevention and control based on scientific theory. The research conclusions provide reference for the further development of the theory and technology of thermal power disaster prevention and control in coal mines.

Key words： thermal power disaster; coal spontaneous combustion; gas explosion; coupling disaster; intelligent prevention and control

0" 引言

隨著礦產(chǎn)資源開采的深入，煤礦熱動力災害成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一。熱動力災害形式如外因火災、遺煤自燃、瓦斯燃燒與爆炸及誘發(fā)耦合爆炸等致災機理復雜多變，極易引發(fā)惡性事故，造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴重威脅礦工的生命安全[1-3]。在當今行業(yè)研究水平日益進步的大背景下，熱動力災害事故仍時有發(fā)生，熱動力災害在國內(nèi)各類煤礦事故中造成的后果極為嚴重。鑒于此，本文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果基礎上，指出當前各致災因素相關研究及治理技術(shù)存在的難點與問題，并對熱動力災害防治理論及技術(shù)未來的發(fā)展進行展望。

1" 熱動力災害致災規(guī)律研究

近年來研究人員結(jié)合煤礦熱動力災害的成因、發(fā)展機理、影響因素等分析熱動力災害特性。王連聰?shù)萚4]認為礦井熱動力災害具有復雜性、耦合性、疊加性、隱蔽性、繼發(fā)性、難救援性。林柏泉等[2]同樣指出采空區(qū)熱動力災害具有隱蔽性、耦合性、動態(tài)性、復雜性的特征。針對熱動力災害不同致災因素，相關研究不斷豐富拓展。

1.1" 煤礦井下外因火災

根據(jù)近年來煤礦外因火災事故案例統(tǒng)計，外因火災包括機械設備火災、電氣設備火災、火工品爆燃、吸煙等引發(fā)明火火災?；鹎榘l(fā)展迅猛并伴有大量煙霧和毒害氣體產(chǎn)生，若火災發(fā)生初期處置不當，極易造成火勢蔓延，甚至引發(fā)瓦斯爆炸，擴大事故規(guī)模。煤礦外因火災誘因可歸為機械、電氣設備的自身結(jié)構(gòu)、材料選擇、維修保養(yǎng)狀態(tài)、人的違章行為及管理缺陷[5]。

受限空間火災實驗研究是煤礦井下外因火災研究的重點。學者們根據(jù)電氣設備、可燃氣體、皮帶、木材等不同材料、不同規(guī)模的礦井火災實驗，得到火災時期的煙氣運移分布、風流狀態(tài)和不同物理參數(shù)的變化規(guī)律[6]。通過建立不同類型的礦井巷道模型，利用FDS等軟件進行火災仿真模擬，預測火災的發(fā)展趨勢和危害，為制定應急預案提供技術(shù)支持[7]。

1.2" 煤體氧化自燃

煤自燃基礎理論不斷豐富，學者們從煤氧復合作用[8]、活化能理論[9]、自由基理論[10]和量子化學理論[11]等不同角度解釋煤氧化特征及自然發(fā)火傾向。遺煤在各種內(nèi)外因影響下的自燃機理的研究也取得了新進展。高變質(zhì)程度的無煙煤通常不易自燃，但對伴生硫鐵礦的無煙煤測試發(fā)現(xiàn)，硫鐵礦主要成分黃鐵礦、隕硫鐵和針綠礬中的Fe作為自由基引發(fā)劑，不斷促進煤自燃[12]。水浸煤二次氧化相較于原煤自由基及分子鍵能均發(fā)生變化，水浸煤二次氧化顯著增加了自燃危險性[13]。構(gòu)造煤相較于原煤具有更高的孔隙發(fā)育程度，氧化反應階段構(gòu)造煤活化能更低，過斷層期間易發(fā)生自燃隱患[14]。

抑制煤自燃機理方面，氧化環(huán)境中混入不同濃度的N2和CO2對煤氧化進程及其復燃升溫過程的影響不同，CO2相比N2具有更好的抑制遺煤氧化效果[15]。金屬離子抑制煤自燃機理方面，Zn2+在抑制煤中α位硫酚結(jié)構(gòu)的氧化自燃方面優(yōu)于Mg2+，Zn2+能有效穩(wěn)定煤中硫酚結(jié)構(gòu)并阻止氧化反應，但隨著時間推移，其阻化效果會減弱[16]。

1.3" 瓦斯燃燒及爆炸

在瓦斯爆炸特性及傳播規(guī)律方面，學者們多利用不同尺寸爆炸反應釜及爆炸管路，改變實驗工況，從實驗室尺度分析瓦斯爆炸各特征參數(shù)變化。

相關研究[17-18]通過模擬及實驗手段對Y型、" H型巷道及巷道中布置障礙物等條件下的瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律進行了分析，得到爆炸后火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，流場、壓力、溫度等參數(shù)的分布和耦合情況，以及多爆源工況下巷道內(nèi)熱沖擊動力機制及引爆后危險區(qū)域的動態(tài)分布。姚祺等[19]對封閉管道內(nèi)不同瓦斯體積分數(shù)分布下的二次爆炸特性進行了研究。通過自主搭建的瓦斯二次爆炸測試實驗裝置，設定不同的二次引爆距離，得到不同瓦斯體積分數(shù)分布下二次引爆距離對爆炸特性的影響規(guī)律。

瓦斯燃燒誘發(fā)機理方面，瓦斯的最小點火能量很低，當瓦斯與空氣適量混合后僅需2.8×10-4 J[20]的能量，最低點燃溫度為650 ℃。遺煤氧化蓄熱達到此溫度已處于劇烈氧化的燃燒狀態(tài)，通常容易早期辨識。瓦斯的引燃不僅源自煤自燃高溫點，在較早的研究統(tǒng)計中認為含石英的巖石摩擦點火能夠引燃瓦斯，但實際難以觀測，實驗室同樣難以進行驗證。王德明等[1]通過實驗發(fā)現(xiàn)，含石英頂板巖石破斷時壓電效應產(chǎn)生電火花的點火能量同樣能夠引燃瓦斯。事故經(jīng)驗教訓再次表明，采煤作業(yè)在遇特殊構(gòu)造期間，應提前對堅硬地質(zhì)構(gòu)造進行預處理，盡可能降低截齒阻力。在現(xiàn)有技術(shù)不能絕對消除截齒火花的背景下，應嚴格控制瓦斯?jié)舛炔怀?，杜絕事故的發(fā)生。

1.4" 煤塵燃爆

外因火災如皮帶摩擦誘燃堆積煤塵時，煤塵是直接火源。當存在其他點火源時，煤塵可作為直接反應物發(fā)生爆炸，也可作為瓦斯爆炸后的耦合致災因素的間接反應物。何朝遠[21]通過實驗發(fā)現(xiàn)，煤塵組分、粒徑及環(huán)境氧濃度等均會影響煤塵爆炸極限。煤塵濃度同樣影響煤塵爆炸極限，且煤塵爆炸極限與煤種有關。眾多學者分析了煤塵熱解特性。煤塵受熱揮發(fā)出的烷烴氣體進一步促進煤塵受熱反應過程[22-23]。LI等[24]通過摩擦點火誘發(fā)甲烷煤塵混合物爆炸，分析爆炸壓力等特征參數(shù)變化規(guī)律。江丙友[25]研發(fā)了瓦斯爆炸卷揚沉積煤塵爆炸試驗系統(tǒng)，采用薄膜建立瓦斯和煤塵兩段式非預混環(huán)境，模擬井下誘發(fā)煤塵二次爆炸事故，分析了在密閉管道內(nèi)瓦斯爆炸卷揚沉積煤塵爆炸的傳播規(guī)律。

部分學者針對抑制煤塵爆炸開展了研究。ZHAO等[26]分析ABC干粉對甲烷煤塵混合物爆炸特性抑制機理，干粉可有效削弱火焰?zhèn)鞑?，抑制混合物爆炸特性。WEI等[27]制備鎳鐵型抑制劑，用于抑制煤塵爆炸，并分析了其抑爆性能。趙峰宇等[28]發(fā)現(xiàn)含植酸抑爆劑能夠有效降低煤塵熱解產(chǎn)物含量，實現(xiàn)對煤塵的有效抑爆。

1.5" 采空區(qū)復合熱動力災害

周福寶[29]、李樹剛等[30]指出誘發(fā)采空區(qū)煤自燃與瓦斯耦合災害的充分必要條件是裂隙場、甲烷體積分數(shù)場、氧氣體積分數(shù)場和溫度場四場交匯，并分析了采空區(qū)誘發(fā)瓦斯爆炸的危險區(qū)域分布。瓦斯爆炸不是反應物分子的直接反應，而是反應物受外界能量激發(fā)，產(chǎn)生大量自由基，在反應中間過程既作為反應物不斷消耗，又作為生成物不斷產(chǎn)生的鏈式反應過程。

在誘發(fā)瓦斯爆炸理論[29-31]基礎上，強調(diào)自由基鏈式反應作用過程，構(gòu)建采空區(qū)煤自燃與瓦斯耦合災害四面體，見圖1，即瓦斯?jié)舛?、自燃火源點溫度、漏風供氧濃度、自由基鏈式反應均滿足條件時，構(gòu)成閉合四面體誘發(fā)采空區(qū)煤自燃與瓦斯耦合災害。甲烷發(fā)生爆炸是一種迅速且劇烈的鏈式反應。若鏈式反應進程受外界因素如惰性氣體的干擾阻礙或加速反應進程，將直接影響耦合災害的爆炸效果。瓦斯空氣組分中混入不同比例氮氣及二氧化碳氣體，將延遲瓦斯爆炸時間，改變瓦斯爆炸的鏈式反應進程，對瓦斯爆炸起到抑制作用，而混入CO、烴類等可燃性氣體將促進鏈式反應進程[32-33]。

采空區(qū)復合熱動力災害影響因素眾多。隨著煤炭開采深度逐步增加，煤巖高溫對生產(chǎn)的影響日趨嚴重。煤體在地溫影響下官能團發(fā)生變化，其中低階褐煤孔隙更為發(fā)育，受地溫影響更易氧化[34]。同時深部煤體受高應力影響，開采擾動致使煤體裂隙增加。礦井水受煤巖影響溫度升高，高溫熱液將侵蝕煤體，使其微觀孔隙度增加。高溫高應力及地下水共同作用加快煤體氧化速率，使其具有更高的自燃風險[35]?？諝鉂穸仁怯绊懨鹤匀嫉牧硪恢匾庖??？諝鉂穸韧ㄟ^改變煤樣的活性結(jié)構(gòu)，影響煤的自燃傾向性。VEGA等[36]發(fā)現(xiàn)低變質(zhì)煤種氧化進程更易受空氣濕度影響，且空氣中水分在促進煤質(zhì)氧化進程時會促進含羰基類化合物的生成。濕度增加會促進煤自燃初始階段的氧化進程。張辛亥等[37]通過實驗發(fā)現(xiàn)存在臨界空氣濕度最易使煤發(fā)生氧化反應。高海拔地區(qū)煤礦開采通常伴隨低氣壓、低溫和氧氣稀薄等特征，這些條件影響工人作業(yè)和設備的正常運轉(zhuǎn)，使熱動力災害的預測和防控面臨一定難度[38]。不同海拔高度礦井需針對通風參數(shù)進行合理設計。高海拔地區(qū)風流相對貧氧條件有利于防控煤自燃，但為保護勞動工人作業(yè)期間健康，應采取通風彌散供氧與工人隨身攜帶氧氣方式。高海拔礦井發(fā)生瓦斯爆炸災害時，巷道內(nèi)同一位置的爆炸火焰沖擊波壓力隨著海拔上升而顯著降低，達到最高沖擊波壓力和火焰溫度的時間隨著海拔高度的增加而縮短[39]。

理論模型及計算方面，李宗翔[40]基于滲流擴散理論編制G3程序用于采空區(qū)流場問題結(jié)算，描述了采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出擴散、漏風流場運移等采空區(qū)流場分布問題。梁運濤等[41]引入擴展達西滲流方程并結(jié)合孔隙率分布，利用Fortran程序模擬得到采空區(qū)漏風流場非對稱分布規(guī)律。劉偉[42]建立采空區(qū)遺煤自燃多場耦合模型，提出有限體積新算法，并對采空區(qū)自然發(fā)火情況進行結(jié)算。WOLF等[43]應用FLAC軟件，考慮采空區(qū)碎巖壓實特性，給出考慮溫度場的采空區(qū)滲透率模型，認為遺煤耗氧量與平均滲透率的平方根近似成正比。徐義洋等[44]結(jié)合分形理論對不同應力加載下破碎煤體的孔隙率模型進行構(gòu)建，進而分析孔隙率對采空區(qū)遺煤自燃的影響。劉宇[45]應用Fluent對采空區(qū)惰化后區(qū)域內(nèi)直線散點上的遺煤耗氧速度進行求和并定義為耗氧準則數(shù)，對采空區(qū)自燃危險性進行量化分析。LIU" "等[46]通過CFD手段計算孤島工作面氧化特性，發(fā)現(xiàn)氮氣注入后采空內(nèi)氧化危險區(qū)域面積可減少25%。WANG等[47]利用PFC軟件分析煤層孔隙率，通過Fluent計算發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)傾斜方向上10 m范圍內(nèi)漏風影響危險性較大。張河猛[48]構(gòu)建遺煤等效氧化時間的EOET放熱模型，在COMSOL中對采空區(qū)在不同推進時間下的氧化狀態(tài)進行模擬計算。相較于傳統(tǒng)Arrhenius耗氧產(chǎn)熱模型，EOET模型計算結(jié)果消耗氧氣更少，氧化帶更寬。趙文彬等[49]通過模擬計算方法，分析厚煤層窄工作面壓差及漏風對采空區(qū)三帶的影響，并結(jié)合現(xiàn)場情況給出預測模型。褚廷湘等[50]通過COMSOL與MATLAB聯(lián)用實現(xiàn)對煤自燃連續(xù)性求解，認為自燃氧化狀態(tài)隨推進距離呈分階段分布。

相似實驗是研究大型復雜物理問題的有效方法。地礦領域?qū)＜覍W者針對采空區(qū)問題，搭建相似模擬模型進行實驗研究。秦躍平等[51]通過三維模型進行了模擬綜放開采采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的實驗，通過傳感器測定壓力分布及瓦斯?jié)舛确植?，測試得到采空區(qū)后部瓦斯壓力梯度非常小，易形成“瓦斯倉庫”。張九零[52]在巷道中設置高溫火源并注入氮氣模擬封閉火區(qū)內(nèi)燃燒及防治后氣體運移規(guī)律，通過取樣檢測及拍照分析得到可燃氣體運移規(guī)律，注入氮氣后在可燃氣體層中下部的稀釋作用好于上部。陳長華等[53]根據(jù)采空區(qū)漏風狀態(tài)搭建采空區(qū)相似模型，并根據(jù)發(fā)火危險程度對采空區(qū)進行劃分。王樹剛等[54]采用了履帶式電加熱方法。周佩玲[55]在采空區(qū)模型中布置鐵粉與煤混合材料，依靠材料自發(fā)熱模擬真實采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境溫度。余照陽[56]搭建了模擬煤巖層垮落角度的采空區(qū)模型，通過測定進風隅角與采空區(qū)內(nèi)部各點的壓力差，描述通風條件下采空區(qū)內(nèi)部各點的壓力分布情況。李林[57]通過1∶100幾何相似比模型填充石子細沙模擬采空區(qū)內(nèi)部多孔介質(zhì)空間，通過加熱模塊模擬自燃點，對煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸災害形成過程進行了描述與規(guī)律總結(jié)。SU等[58]、李彥龍[59]搭建箱體在[-90°，90°]間旋轉(zhuǎn)的采空區(qū)模型，并利用泡沫與碎煤充填，研究采空區(qū)模型內(nèi)各工況下的氧氣濃度分布。鄭苑楠[60]搭建各基礎單元模塊可栓接的中尺度采空區(qū)熱動力災害模擬平臺，通過加熱煤樣并在模型高中低層位抽氣取樣，分析氣體產(chǎn)物分布情況，發(fā)現(xiàn)進風側(cè)自燃相較于回風側(cè)自燃，瓦斯積聚現(xiàn)象更明顯。張洋[61]搭建了松散介質(zhì)注氮系統(tǒng)實驗模型，分析液氮注入采空區(qū)模型后的相變過程，定量分析有效惰化區(qū)域。

本團隊自主搭建模型尺寸幾何相似比、模型傾角、通風及瓦斯涌出參數(shù)均可自由調(diào)節(jié)的采空區(qū)相似模擬實驗平臺，見圖2。模型內(nèi)部布設氣體濃度傳感器，實時采集模擬采空區(qū)氣體組分分布數(shù)據(jù)。通過調(diào)整模型傾角及內(nèi)部填充空隙分布特征，模擬大傾角煤層采空區(qū)覆巖堆積狀態(tài)及采空區(qū)氣體滲流運移規(guī)律。通過實驗發(fā)現(xiàn)大傾角煤層采空區(qū)瓦斯易沿傾向向回風側(cè)積聚，并得到自燃誘發(fā)瓦斯爆炸危險區(qū)域分布及適用于大傾角煤層采空區(qū)的合理惰化參數(shù)。

2" 煤礦熱動力災害防治技術(shù)

2.1" 煤礦井下外因火災防治技術(shù)

井下電氣火災防治技術(shù)原則上不能對設備及線路造成二次傷害，常用滅火材料如七氟丙烷、IG-541、二氧化碳、氣溶膠等在安全性、環(huán)保性、可維保性等方面有不同優(yōu)勢[62]。外因火災風險監(jiān)測可通過分布式感溫光纖、煙霧、火焰等傳感器手段進行信號采集。通過視覺圖像的精細視差圖、雙目測距等模型可實現(xiàn)高溫熱源和火源的定位[63]。煤礦井下巡檢機器人可替代人工完成自主行走、定位、圖像識別及火災狀態(tài)檢測報警等功能，在復雜惡劣環(huán)境提高工作效率。當前皮帶火災通過皮帶沿程掛接溫度、煙霧等傳感器進行監(jiān)測。若皮帶狀態(tài)異常，人為感知并手動操作噴淋系統(tǒng)進行降溫滅火的效率較低。皮帶機頭可采用干粉滅火裝置，通過傳感器對皮帶火災狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，利用上位機軟件實現(xiàn)火情分析和超前預警，并通過監(jiān)測控制分站進行參數(shù)采集和滅火裝置聯(lián)動，實現(xiàn)自動滅火系統(tǒng)智能化。

2.2" 煤自燃防治技術(shù)

《煤礦防滅火細則》[64]規(guī)定開采容易自燃和自燃煤層的礦井，要根據(jù)礦井具體條件采取注漿、注惰性氣體、噴灑阻化劑等兩種及以上防滅火技術(shù)手段。目前常規(guī)煤自燃防滅火手段相對成熟，多采取并行施加多種手段防止遺煤自燃。部分學者[65]在采空區(qū)注漿液中添加活性劑等材料，提高漿液的封堵降溫滅火性能。凝膠防滅火材料可兼具固水、降溫、阻氧效果，但成本相對較高[66]。煤自燃阻化劑的研究可從物理阻化、化學阻化及復合作用角度進行區(qū)分。常規(guī)鹵代鹽阻化劑通過其吸濕作用降低煤溫，抑制煤自燃，屬物理阻化。尿素、碳酸氫銨等可降低煤中活性官能團，屬常見的化學阻化。吸水性樹脂混合鎂鋁層狀雙氫氧化物、維生素C等抗氧化劑兼具物理阻化及化學阻化特性[67-69]。溫敏胞衣型阻化劑可在煤溫升高時融化表面石蠟基體，釋放阻化劑溶液，抑制煤自燃[70]。除上述直接作用于煤體的防滅火措施外，砌碹注漿減少煤柱漏風通道，兩巷端頭砌筑擋風墻，均壓調(diào)風等減少漏風措施同樣被應用于減緩遺煤氧化。

采空區(qū)注入氮氣及二氧化碳是應用較廣且防滅火效果顯著的防滅火技術(shù)。由于兩種氣體物理性質(zhì)存在差異，注入采空區(qū)后具有不同的運移規(guī)律，適用于不同的自燃危險區(qū)域防治。相較于氣體形式，液氮及液態(tài)二氧化碳由于具有低溫特性，注入采空區(qū)具有更好的防滅火效果，可通過地面槽車或儲罐向井下進行灌注。但液態(tài)二氧化碳管輸過程若發(fā)生相變形成干冰將影響長距離輸送。因此，本團隊研發(fā)液態(tài)二氧化碳管路輸送井下保壓分裝技術(shù)，通過井下保壓分裝、儲罐壓力調(diào)控及垂直大高差管路調(diào)壓，實現(xiàn)地面液態(tài)二氧化碳至井下轉(zhuǎn)儲罐直注式高效灌注。并研發(fā)多相態(tài)二氧化碳長距離輸送過程中管路溫度及壓力控制技術(shù)，實現(xiàn)多相態(tài)二氧化碳及氮氣井下5 km長距離安全輸送。

自燃預測預警技術(shù)方面，在技術(shù)裝備上隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，通過集成多種傳感器和監(jiān)測設備，實現(xiàn)對礦山環(huán)境、設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為災害的預警和防控提供更加精準、高效的信息支持。傳統(tǒng)的井下采空區(qū)發(fā)火狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有束管采氣、光纖測溫、鉆孔探測。較為先進的紅外束管監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)井下取氣井下實時分析，并通過井下物聯(lián)網(wǎng)將測試數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度中心以供決策，提高預警效率。地面監(jiān)測技術(shù)常采取熱紅外成像、地磁探測、電阻率法[71]，以及根據(jù)不同煤溫下放射性元素析出速率，采用同位素測氡法對煤礦采空區(qū)高溫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定位，為火區(qū)治理提供科學依據(jù)。以監(jiān)測指標氣體數(shù)據(jù)為基礎，眾多學者采用數(shù)學方法對指標氣體數(shù)據(jù)的未來變化趨勢進行了預測，如層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、隨機森林算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、粒子群算法、聚類分析、回歸分析及相關性分析等[72]。

2.3" 瓦斯防治技術(shù)

當前瓦斯治理措施主要從通風調(diào)節(jié)瓦斯及煤層、采空區(qū)瓦斯抽采兩方面防治礦井瓦斯超限。通過調(diào)整礦井通風方式及風量分配，可以直接改善礦井風流中瓦斯?jié)舛?。學者根據(jù)各礦井開采方式及巷道布置不同，分析U型、J型及“U+I”型通風方式對巷道中瓦斯涌出及瓦斯?jié)舛确植继卣鞯挠绊慬73-74]。

采空區(qū)瓦斯抽采根據(jù)不同的瓦斯源，采用不同抽采布置方式。隨著鉆機技術(shù)的發(fā)展，以孔代巷抽采技術(shù)[75]以千米瓦斯鉆孔替代煤層頂?shù)装鍘r層巷道抽采，通過射孔等煤體致裂方式形成裂隙網(wǎng)絡，促進煤層抽采的同時減少工程施工成本。

傳統(tǒng)煤層瓦斯抽采技術(shù)由于煤層具有低透氣性，抽采效果較差，致使生產(chǎn)期間瓦斯超限。煤層水利化致裂增透促抽技術(shù)，如水力壓裂、水利割縫、水利沖孔、水利掏槽等技術(shù)相對成熟，應用廣泛。無水化致裂增透措施，如深孔預裂[76]、微波破煤[77]、液態(tài)二氧化碳及液氮低溫凍融致裂[78]、熱蒸汽注熱增透技術(shù)[79]適用于不同的場景。

瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)是制約抽采效果的另一因素。瓦斯抽采周期內(nèi)，瓦斯鉆孔密封段煤體與封孔材料呈現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)變形破壞特征[80]。水泥基材料[81]、聚氨酯高分子材料[82]、相變凝膠封孔材料[83]等結(jié)合兩堵一注、三堵兩注等封孔方法被應用于不同力學特征的煤巖體瓦斯鉆孔封孔。瓦斯治理需要多種方法結(jié)合形成綜合治理方案。自燃及瓦斯隱患的治理同樣并非獨立完成，應綜合考慮漏風供氧等因素協(xié)同防治災害演化。

2.4" 減災及綜合防治技術(shù)

通風技術(shù)方面，近年來智能通風技術(shù)不斷發(fā)展，災變通風理論[84]利用礦井通風設施對礦井災后通風系統(tǒng)實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，有效減小熱動力災害影響范圍?？焖俜忾]泄爆門[85]等減災通風設施的研發(fā)應用可進一步減輕瓦斯爆炸破壞效果。

在衰減爆炸沖擊波及熄滅火焰作用方面，國內(nèi)外學者研發(fā)了不同材料的隔爆粉體，如二氧化硅、碳酸鹽、NH4H2PO4或改性復合粉體，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)隔爆水棚[86-89]。爆炸沖擊波觸發(fā)貯存裝置拋灑粉體，形成粉體云幕，可在短距離范圍內(nèi)撲滅爆炸火焰，并大幅衰減爆炸沖擊波壓力。

瓦斯爆炸災后有毒有害氣體的快速蔓延是導致群死群傷事故的重要原因之一。除了通風調(diào)節(jié)外，災后快速消融CO有毒氣體是減災的重要手段。本團隊對CO催化氧化過程及反應機理進行了研究，優(yōu)化配比，研制了Cu-Mn-Sn型粉體消融劑[90]。通過實驗定量考察消融劑對CO的消融效果，驗證了Cu-Mn-Sn型消融劑在高CO濃度、高溫和高濕極端環(huán)境中應用的可行性。

深部高溫高濕高應力復雜開采條件下的災害防控，多采取綜合防治措施。若采取全風流降溫，井下風流與巷道圍巖換熱量巨大，降溫效果較差。目前多采用局部降溫空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)定點降溫除" 濕[91]。此外，降溫防火一體化技術(shù)及裝備利用低溫液態(tài)二氧化碳冷量對作業(yè)場所風流降溫，并將二氧化碳氣體排進采空區(qū)，可延緩遺煤氧化進程[92]。

智慧礦山具有透徹感知、深度互聯(lián)、高度智能的特征，是煤礦事故預防和救援的迫切需求[93]。隨著5G通信技術(shù)發(fā)展，智慧礦山建設為熱動力災害防控提供有力支持，特別是人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的融入，為災害早期防治決策、預警風險監(jiān)測數(shù)據(jù)感知、災害應急救援決策提供支持[94]。災后應急救援方面，透明礦山技術(shù)[95]應用地質(zhì)勘探手段立體綜合勘探，對地質(zhì)三維數(shù)據(jù)庫進行建模，建立礦山透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，為災后救援決策提供技術(shù)支持。在當前智慧礦山概念框架下，可實現(xiàn)對熱動力災害致災風險因素的有效監(jiān)測與預警，但自我分析和配套決策技術(shù)尚未成熟，仍處在探索階段。

3" 煤礦熱動力災害研究發(fā)展趨勢

煤礦熱動力災害的防控研究取得了顯著進展，但仍存在一些問題亟待解決。首先，各類熱動力災害間的耦合致災機理尚不清楚，難以準確預測和評估災害的發(fā)生概率和危害程度。其次，災害復雜致災體系的基礎研究尚不深入，缺乏系統(tǒng)性的防控策略和措施。災害疊加效應和繼發(fā)效應的理論基礎尚不明晰，未建立有效的多災種疊加協(xié)同防控機制。同時，應急救援技術(shù)和裝備的研發(fā)還需進一步加強，以提高應急救援的效率和安全性。煤礦熱動力災害防控研究的理論、技術(shù)裝備、管理上發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）加強災害復雜體系基礎理論和耦合致災機理的研究，深入理解各類災害之間的相互作用和影響機制，為災害的預測、預警和防控提供更加科學的依據(jù)。深化災害疊加效應和繼發(fā)效應誘導機制的研究，建立相應的防控機制和應急響應策略，提高災害防控的針對性和有效性。

（2）推動災害防治技術(shù)及裝備的精細化、智能化、低碳化發(fā)展，強化應急救援技術(shù)和裝備的創(chuàng)新。鑒于當前存在煤自燃高溫點難以準確探測等難題，遺煤自燃及耦合災害仍采用粗獷式全方位防治方法，未來的防治趨勢必然向精準高效化發(fā)展。同時，加強煤礦熱動力災害智能化防控技術(shù)的研究和應用，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段實現(xiàn)對礦山環(huán)境、災害防治設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析及有效決斷，為災害的預警和防控提供更加精準、高效的信息支持。災害防治應符合綠色低碳發(fā)展理念，應用環(huán)保低耗能材料及低碳技術(shù)對災害進行治理，提高防治效率，降低成本，符合綠色理念。研發(fā)高效、智能、安全的救援技術(shù)和裝備，提升救災減災能力的發(fā)展。

（3）加強管理的科學性。熱動力災害誘因復雜，日常安全管理上比較容易出現(xiàn)漏洞。煤礦企業(yè)及監(jiān)管部門應結(jié)合國家政策規(guī)范，制定合理科學的監(jiān)察管理指標，在保證安全的前提下，平衡經(jīng)濟效益與災害防治。

4" 結(jié)論

煤礦熱動力災害的防控研究是一個復雜而重要的課題。通過加強基礎理論研究，深化災害疊加效應和繼發(fā)效應誘導機制的研究，推動防災減災及應急救援技術(shù)裝備的創(chuàng)新研發(fā)，加強智能化防控技術(shù)的應用，不斷提高煤礦熱動力災害的防控水平，為礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

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