朱紅青，胡 超，張永斌，胡林濤，袁曉樂，王曉寬

（1.中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京100083；2.山西潞安礦業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000）

煤炭作為我國國民經濟和社會高速發(fā)展的基礎性能源，2017年全國累計生產煤炭34.45億t,占我國一次能源消費的60.4%。雖然煤炭行業(yè)大力實施去產能政策，但從我國能源的中長期發(fā)展戰(zhàn)略可以得到，我國計劃在2020年和2030年煤炭在一次能源結構中的比重還將保持在62%和55%左右，其比例依然超過50%[1]。

礦井火災是我國煤炭行業(yè)的主要災害之一，近年來，隨著礦井開采深度逐漸向深部資源延伸及綜放開采技術的推廣應用，使得煤礦井下煤炭自然發(fā)火危險性不斷增加[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，目前我國90%以上的煤層為自燃或易自燃煤層，由煤自燃引起的火災占礦井火災總數(shù)的85%～90%，在全國的25個主要產煤省區(qū)的130多個大中型礦區(qū)均不同程度的受到煤自然發(fā)火的威脅，礦井內因火災嚴重制約著煤炭工業(yè)的健康高效發(fā)展[4-5]。為了對礦井內因火災進行有效的防治，針對礦井內因火災的形成機理，系統(tǒng)全面地總結了均壓、惰氣等7大類礦井內因火災防治技術的防滅火機理、防滅火材料及防滅火工藝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 礦井內因火災形成機理

礦井內因火災是煤不經點燃而自行著火的現(xiàn)象，是有自燃傾向性的煤在一定的環(huán)境條件下與氧氣通過物理吸附、化學吸附進行氧化反應過程中產生的熱量大于向周圍環(huán)境中散失的熱量，發(fā)生熱量積聚使得煤體溫度逐漸上升，最終使煤體溫度達到煤的著火點而燃燒的現(xiàn)象。在眾多煤自燃假說中，煤氧復合作用假說認為當原始煤體暴露在空氣中后，煤體通過與氧氣的結合發(fā)生氧化反應產生熱量，當環(huán)境條件適合熱量積聚時，煤體溫度逐漸升高，最終導致煤炭發(fā)生自燃[6]。由于該假說揭示了煤炭氧化生熱的本質，得到了大多數(shù)學者的認同，成為指導人們防治礦井內因火災工作的重要依據(jù)?；诿貉鯊秃献饔眉僬f，廣大學者對礦井內因火災發(fā)展過程進行了大量研究，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，一般可以將礦井內因火災發(fā)展過程分為：潛伏期、自熱期和燃燒期3個階段[7-8]。

1）潛伏期。當有自燃傾向的破碎煤體與空氣接觸后，煤體從空氣中吸附的O2與含氧游離基進行反應，生成更多穩(wěn)定性不同的游離基。該階段煤體的氧化過程比較緩慢，察覺不到煤體及周圍環(huán)境溫度的上升，該階段煤體的變化主要表現(xiàn)在煤體的質量略有增加、著火點溫度降低及化學活性增強。

2）自熱期。經歷過潛伏期之后的煤體由于化學活性的增強，使得煤體的吸氧速率加快，氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物分解成H2O、CO2、CO。如果煤體周圍環(huán)境條件適合熱量積聚，氧化過程生成的熱量大于周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，則煤體溫度將繼續(xù)升高，當超過煤體自熱的臨界溫度（一般在60～80℃之間）時，煤體溫度急劇上升，開始出現(xiàn)煤的干餾，產生芳香族的碳氫化合物、氫氣、一氧化碳等可燃性氣體。同時，煤體中的水分被蒸發(fā)生成一定數(shù)量的水蒸氣，使煤體周圍環(huán)境濕度增加。

3）燃燒期。當自熱期的發(fā)展使煤體溫度上升至著火溫度，若此時還能得到充分的供氧條件，礦井內因火災則進入燃燒期，該階段的主要現(xiàn)象為產生明火、煙霧、CO2、CO及各種可燃性氣體，并會出現(xiàn)煤油味、松節(jié)油味或煤焦油味等。

2 防治礦井內因火災技術

礦井內因火災的形成需要同時具備：一定厚度具有自燃傾向的煤體、連續(xù)的供氧條件、適宜熱量積聚的環(huán)境條件及一定的時間4個條件。因此，目前對礦井內因火災防治技術的研究工作主要從至少消除其中1個條件進行開展，從而對礦井內因火災進行有效的預防與治理。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，目前對礦井內因火災的防治技術主要有：開采技術措施、灌漿、堵漏與均壓、注惰、噴灑阻化劑、凝膠、三相泡沫等。

2.1 開采技術措施

開采易自燃煤層時，需結合煤層賦存條件采取預防煤層自燃發(fā)火的綜合治理措施，大量防治礦井內因火災的生產實踐證明：合理的開拓系統(tǒng)、巷道支護方式和開采方式對于防止煤層自然發(fā)火起著決定性作用[9-10]。從防止礦井自然發(fā)火的角度出發(fā)，對開采、開拓的要求一般有：①最大的煤炭回收率，最小的煤層暴露面，減少礦井內因火災形成的具有煤自燃傾向的煤體，從而減低煤層自然發(fā)火可能性；②限制或阻止空氣流入和滲透至疏松的煤體，切斷礦井內因火災形成的連續(xù)供氧條件，對此可以從消除漏風通道和減小漏風壓差2個方面進行考慮；③正規(guī)的開采方式及合理的開采順序，最大程度的不為熱量積聚提供合適的環(huán)境條件；④最快的回采速度，當工作面推進速度大于等于安全推進速度時，破碎煤體暴露在“自燃帶”的時間就會小于等于煤的最短發(fā)火期，從而破壞了礦井內因火災形成中一定時間的必要條件。

2.2 堵漏防滅火

堵漏防滅火技術主要通過減少漏風通道，切斷礦井內因火災形成必須的連續(xù)供氧條件，達到有效抑制礦井內因火災的目的。針對堵漏防滅火技術，廣大學者對礦用充填堵漏材料進行了大量的研究。其中灌注黃泥漿及砂漿、混凝土等無機堵漏材料，工作量大、操作復雜，不易于井下施工；馬麗散、羅克休、聚氨酯等有機堵漏材料，制備工藝復雜、成本昂貴，限制了其在煤礦行業(yè)的廣泛應用[11]。針對上述材料存在的問題，周福寶等[12]研制出了一種以黏土和水泥為基料，添加劑和玻璃纖維為輔助材料的新型復合漿體材料，該材料可適用于空巷道噴涂、密閉墻施工、高冒處理、永久煤巷噴涂；易欣等[13]將水泥基料中摻入復合發(fā)泡劑產生的均勻泡沫，成功研制出一種具有質輕、密閉效果好、易制備、施工速度快且經濟的無機固化泡沫。

2.3 均壓防滅火

均壓防滅火技術即在礦井主要通風機合理運行情況下，采用風機、風窗、調壓氣室等調壓手段，改變通風系統(tǒng)內的壓力分布，降低漏風通道兩端壓差，減少漏風，從而達到窒息、惰化或抑制煤體自然發(fā)火。其實質是通過風量合理分配和調節(jié)，達到堵風防漏、以風治火的目的。針對近距離易自燃煤層群工作面撤架期間，由于通風系統(tǒng)不穩(wěn)定、工作面停滯時間長造成的采空區(qū)遺煤自燃嚴重的問題，任萬興等[14]根據(jù)易自燃近距離煤層群綜放工作面回撤期間風流變化規(guī)律及風阻變化特征，提出了分階段（擴大回撤通風階段和回撤設備階段）實施均壓的防滅火技術，該技術通過風門與局部通風機聯(lián)合均壓手段達到減少內部漏風的目的。為了解決均壓防滅火技術中常用的通風機-風窗聯(lián)合均壓方法存在的手動均壓頻繁調壓、調壓滯后與調壓精度低等技術難題，朱紅青等[15]設計了礦井自動控制均壓防滅火系統(tǒng)，大大提高了通風機-風窗聯(lián)合均壓技術防治煤炭自然發(fā)火的效果。

2.4 注漿防滅火

注漿防滅火技術就是將水與不燃性注漿材料（黏土、粉煤灰、矸石及砂等固體原料）按照適當?shù)呐浔然旌?、攪拌，制成的一定濃度的漿液，再借助輸漿管道輸送到可能或者已經發(fā)生煤炭自燃的發(fā)火區(qū)域。該技術主要通過漿體材料包裹煤體，隔絕氧氣與煤體接觸，防止煤體氧化以及水的吸熱降溫作用，達到有效防治礦井火災的目的。針對注漿防滅火工藝系統(tǒng)及注漿材料流動擴散特性，國內外學者做了大量的研究工作。呂英華等[16]為了解決神東礦區(qū)由于復合煤層開采造成的傳統(tǒng)注漿防滅火方式無法實現(xiàn)采空區(qū)大范圍覆蓋的技術難題，研制一種由井上鉆孔注漿和井下引管注漿構成的采空區(qū)井上下聯(lián)合注漿技術，在補連塔煤礦進行了現(xiàn)場試驗并取到了良好的應用效果；題正義等[17]通過FLUENT流體軟件對不同煤層傾角條件下的漿體流動特性進行了研究，確定了不同煤層傾角下合理的采空區(qū)注漿位置，成功解決了目前現(xiàn)場施工過程中注漿位置盲目靠經驗與工程類比定參數(shù)確定的缺點。

2.5 惰氣防滅火

惰氣防滅火技術是指將惰性氣體注入已經封閉或有自燃危險的區(qū)域，達到防治礦井內因火災或撲滅已生火災的技術，目前在煤礦火災防治方面使用較多的惰性氣體主要有CO2和N2。根據(jù)吳兵等[18]對CO2和N2對煤燃燒性能影響的研究成果表明：CO2比N2具有更好防治煤燃燒全過程的能力，能更好地抑制煤炭自燃。但是由于液態(tài)CO2存在易結冰堵塞灌注管道及爆震的缺點，極大的限制了注二氧化碳防滅火技術的推廣與使用。近年來，鄧軍等[19]針對注二氧化碳防滅火技術中存在的技術難題，研發(fā)了液態(tài)CO2氣化及輸送中保壓防結冰工藝，極大地推動了注二氧化碳防滅火技術的發(fā)展與進步。

氮氣是目前注惰防滅火技術中使用較多的惰性氣體，按注氮方式分類，注氮防滅火技術主要有：埋管注氮、拖管注氮、鉆孔注氮、插管注氮、密閉注氮、旁路式注氮等方式，但從現(xiàn)場的實際使用情況來看，目前采煤工作面回采過程中常用的注氮方式是埋管注氮。但是，傳統(tǒng)的埋管注氮存在2個缺陷：①注氮點在空間上存在間隔，致使氮氣在采空區(qū)未形成連續(xù)性分布，注氮惰化效果差，所需注氮量大；②注氮埋管交替丟棄在采空區(qū)內，材料不能回收，造成極大的資源浪費，投入成大。為了解決上述問題，朱紅青等[20]在傳統(tǒng)拖管注氮技術的基礎上，根據(jù)注氮管抗剪切能力優(yōu)于抗拉伸能力，提出了旋轉牽引式非間隔式注氮裝備及防滅火工藝系統(tǒng)，并成功在開灤集團、神華集團、冀中能源等全國20余個煤礦推廣應用，有效抑制了礦井內因火災的發(fā)生。

2.6 阻化劑防滅火

阻化劑防滅火技術就是將阻化劑溶液噴灑在煤體上，利用阻化劑的負催化作用，阻止氧氣與煤結構上的活動鏈環(huán)的羧基反應，延長自然發(fā)火期，從而達到防治煤炭自燃的目的。常見的煤自燃阻化劑主要有鹵鹽阻化劑、銨鹽阻化劑、凝膠阻化劑及一些復合阻化劑，阻化劑防火工藝有在采煤工作面向采空區(qū)遺煤噴灑阻化劑、向可能或已經開始氧化發(fā)熱的煤體打鉆壓注阻化劑及利用專門的設備向采空區(qū)送霧化阻化劑[21]。針對新型阻化劑及阻化防火工藝設備的開發(fā)研制等研究熱點，近年來，賀飛等[22]在單一MgCl2阻化劑基礎上加入一定配比的還原性鐵粉及硅藻土，成功研制出一種具有良好阻化性能和耗氧效果的脫氧性阻化劑；張玉濤等[23]以純天然、無毒植物萃取物為原材料，采用先進的螯合技術研制出環(huán)保型煤自燃阻化劑（EFI），成功應用于易自燃的低變質煙煤，并取得了良好的抑制煤自燃的效果；為了解決傳統(tǒng)阻化劑噴灑覆蓋范圍小、阻化效果不佳的問題，鄧存寶等[24]以高壓N2為載體輸送氣霧阻化劑，并結合工作面支架后部多點自動噴灑技術，建立具有阻化劑自動噴灑、高壓輸送與快速擴散等特性的采空區(qū)阻化劑高效噴灑工藝系統(tǒng)。

2.7 凝膠防滅火

凝膠防滅火技術是指將基料、促凝劑和水按一定比例混合配成水溶液后，發(fā)生“膠凝作用”形成凝膠，然后再用泵壓注到自然發(fā)火區(qū)域，通過凝膠材料的固水、吸熱降溫、堵漏風及抑制煤氧復合反應等特性，達到防滅火的效果。20世紀80年代后期，隨著我國綜放開采技術的推廣應用，灌漿、均壓等原有防滅火技術不能滿足煤礦安全生產需求，凝膠防滅火技術在我國開始逐漸推廣使用并取得較好的應用效果[25]。從凝膠防滅火技術應用伊始至今，國內外廣大學者對凝膠材料進行了大量的研究，并相繼取得了豐碩的成功。2003年，王德明等[26]針對我國西北地區(qū)缺土少水而山砂較多的特點，在注砂防滅火技術的基礎上，結合自行研發(fā)的KDC稠化添加劑，成功研制出具有懸浮稠化作用的新型凝膠材料，并在神東礦區(qū)得到良好的現(xiàn)場應用效果；2010年，于水軍等[27]針對高冒區(qū)托頂煤自燃火災問題，研制出由無機復合膠凝材料、發(fā)泡劑、調凝劑、泡沫穩(wěn)定劑、吸水因子和化學阻化劑等成分組成的無機發(fā)泡防滅火膠凝材料，并成功在平煤集團天安十三礦回風巷冒落高溫區(qū)應用實施；2015年，任萬興等[28]通過在水漿中加入添加劑和引入氮氣制備出具有立體網狀結構的固態(tài)凝膠顆粒與氣體組成的泡沫凝膠防滅火材料，該材料兼顧了泡沫材料良好的流動擴散特性及凝膠材料良好的固水、覆蓋與封堵特性。

2.8 三相泡沫防滅火

三相泡沫是將不溶性固態(tài)不燃物（如黃泥或粉煤灰）分散在液體（水）中，通入惰性氣體（N2）或空氣并添加極少量的添加劑（發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑）通過三相泡沫發(fā)泡器充分攪拌混合，形成固體顆粒均勻附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣-液-固三相體系的泡沫材料。該材料集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，充分利用固體不燃物的覆蓋性、惰性氣體的窒息性和液體的吸熱降溫性進行礦井火災的防治。該技術由王德明及團隊于2001年首次提出，并對三相泡沫組成及特性、防滅火特性、防滅火工藝及現(xiàn)場應用做了大量的研究工作。由于三相泡沫防滅火技術成功克服了注漿防滅火中由高向低流動的“拉溝”、惰氣防滅火中惰性氣體易隨漏風遺散、凝膠防滅火技術中流動性差等缺點，已發(fā)展成為礦井火災防治工作中常用的技術手段[29-30]。

3 礦井內因火災防治技術發(fā)展趨勢

3.1 加強基礎理論研究

“預防為主，綜合治理”是礦井火災防治工作的指導方針，尤其礦井內因火災從具有自燃傾向煤體到最終發(fā)展形成火災災害需要漫長的潛伏期及自熱期，在形成過程中具有明顯的標志特征及進行防治工作的反應時間，因此為了對礦井內因火災進行更加有效的預防工作，需要對礦井內因火災形成過程中內在與外在多因素耦合作用機理進行深入研究，了解礦井內因火災形成的前期導因及其影響規(guī)律，掌握煤低溫氧化階段的熱動力特征、不同演化發(fā)展過程的階段性特征及其表征參數(shù)。同時，由于煤層賦存及開采條件的復雜性導致了礦井多種災害并存且互為影響，因此需要對火災、瓦斯等多種災害并存環(huán)境下的耦合致災機理及其演化過程、次生災害產生過程及機理進行更加深入的研究，從而為礦井內因火災防治工作提供理論基礎。

3.2 加快新型材料及工藝設備研發(fā)

隨著科學技術裝備及其化工行業(yè)的發(fā)展進步，在已有防滅火材料的基礎上，應結合礦井內因火災形成演變過程中的關鍵參數(shù)，研制有針對性、實用性的綠色環(huán)保、經濟高效的新型防滅火材料。工藝設備方面應結合日益復雜的礦井條件，對現(xiàn)有工藝系統(tǒng)及技術裝備進行升級改造，逐漸實現(xiàn)智能化、自動化及大型化，從而為礦井內因火災防治工作提供重要的技術保障。

4 結語

礦井內因火災防治技術作為我國煤礦火災防治工作中的熱點及重點，國內外廣大學者做了大量的科研工作并取得豐碩的研究成果。就礦井內因火災形成機理、礦井內因火災防治技術的防治原理、技術材料及設備工藝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)全面的介紹，并從加強礦井內因火災形成機理、多災害耦合致災機理等基礎理論研究與加快經濟高效的新型環(huán)保防滅火材料、大型智能化工藝設備系統(tǒng)研發(fā)2個方面對礦井內因火災防治技術進行展望，以期望對今后礦井內因火災防治工作提供一定的借鑒作用。