关于中国煤矿火灾防治现状研究文献综述

关于中国煤矿火灾防治现状研究文献综述

摘要：煤炭工业是国民经济和社会发展的基础产业，煤炭工业的可持续发展直接关系着建设全面小康社会目标的实现和国家能源安全。我国煤矿安全生产危险源多、灾害严重的形势非常严峻，尤以火灾为甚。每年自燃形成的火灾近400次，煤自燃氧化形成火灾隐患近4000次，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿吨以上。煤矿火灾防治及其继发性灾害的防控技术，对煤矿的安全生产具有非常重要的意义。本文简述了我国煤矿矿井火灾防治现状，研究和总结煤层自燃机理和矿井内因引起的火灾预防治理技术，分析了常用的防灭火技术及其优缺点，并介绍了一些新型防、灭火材料。

关键词：煤炭自燃；防灭火技术；防灭火材料

正文：

一、煤炭自燃规律及其机理

我国煤矿中有56 %的矿井存在煤层自燃发火危险。近20年来，随着我国采煤新技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高。但开采强度大，端头支架处顶煤放出率低(有的不放)采空区遗煤量较多，使得煤层自然发火几率增高，矿井自燃火灾事故增多。目前，煤炭自燃已成为制约我国煤炭工业高产高效的主要灾害之一。

1.煤自燃规律

煤矿火灾主要是煤自然发火，由于空气渗漏进入松散煤体，空气中的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生物理吸附、化学吸附及化学反应，同时放出热量，在一定的蓄热环境下，煤体不断地氧化、放热、升温，当煤温超过临界温度后，煤体继续升温，达到煤的着火点温度，最终导致煤体燃烧。[1]

在煤矿里，自燃火灾主要是指煤炭在一定条件和环境下自身发生物理化学变化(吸氧、氧化、发热) ，聚集热量导致着火而形成的火灾。自燃火灾大多发生在采空区、遗留的煤柱、破裂的煤壁。煤巷的高冒以及浮煤堆积的地点。

2.煤的自燃机理

关于煤的自燃问题，长期以来，一般都认为煤中黄铁矿的存在是自燃的原因，由于黄铁矿氧化成为三氧化二铁及三氧化硫时能放出热量，在有水分参加的情况下，可以形成硫酸，它是很强的氧化剂，更加速煤的氧化，促进煤的自燃。

需要指出，有的含有黄铁矿的煤，虽然经过长斯放置，并不一定发生自燃，而不含或少含黄铁矿的煤也有自燃现象。因此，煤的自燃并非完全因含有黄铁矿而引起。其主要原因是由于吸收了空气中的氧气，使煤的组成物质氧化产生热量，再被水湿润，就放出更多的湿润热，也会加速煤的自燃。此外，煤的自燃还与煤本身的性质有关。如煤的品级;煤的显微组分、水分、矿物质、节理和裂隙;煤层埋藏深度和煤层厚度;开采方法和通风方式等。煤的自燃从本质上来说是煤的氧化过程。

3.矿井火灾发生的“三要素”

矿井火灾发生必须具备的三个条件是：一是要有可燃物；二是要有一定的温度和足够热量的引火热源；三是要有一定量的氧浓度空气。俗称火灾三要素，才能构成火灾。其相互关系如下图所示。[2]

图1煤矿自燃火灾发生条件图

4. 影响煤炭自燃发火的因素

影响煤自燃的因素很多，包括煤自燃倾向性、煤层地质条件、开拓开采条件、煤体漏风条件及温度、聚热条件及煤体空隙度等，影响过程极其复杂。但这些因素不外两大类，即影响煤炭自身与氧反应的因素和影响外界供氧因素，这正是煤炭自燃防灭火技术研究的根据所在。[3]

二、中国煤矿火灾防治技术的现状

我国从20世纪50年代起在煤矿推广灌浆防灭火技术，60—70年代对均压通风防灭火技术、阻化剂防灭火技术、泡沫防灭火技术进行了研究应用，80—90年代研究了自燃火灾预测预报技术、惰气防灭火技术、凝胶防灭火技术、火区快速密闭技术、堵漏风技术、带式输送机火灾防治技术、内外因火灾监测监控技术等，90年代以后主要集中在原有防灭火技术装备性能提升以及新型防灭火材料研制等方面。煤矿火灾防治技术经过50余年的发展，已形成了火灾预测、监测、预防、治理相结合的综合火灾防治技术体系，并且在灾变时期风流流动及控制、救灾决策辅助系统、灾后抢险救灾技术等方面取得了较大进展。

1.煤自燃的识别和预测方法[4～6]

1) 磁探测法。依据煤炭在氧化自燃过程中，烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强，通过检测煤岩磁性的变化来判断煤炭的自燃程度进行早期预报。

2) 电阻率探测法。其依据是煤炭自燃发火后, 煤层的结构状态和含水性会发生较大变化，通过分析其变化进而进行自燃的早期预报。

3)氡气探测法。根据煤层自燃后, 随煤温升高, 氡气浓度上升, 依此判断火区位置，确定自燃程度进行自燃的早期的预报。

4) 测定空气和围岩的温度的方法。根据煤炭在氧化自燃过程中产生一定的热量，使围岩和空气温度升高的性质，通过检测煤岩和环境温度来判断煤炭的自燃程度进行早期预报。

5)测定井下空气成份的变化的方法。依据煤炭在氧化自燃过程中，除放出一定热量外，同时热解释放出CO，CH等碳氢类气体的特点，通过检测分析采掘空间是否有煤炭自燃而产生的气体产物，进行煤炭自燃的早期预报。

2.煤自燃灭火方法分析

一般情况下，易自燃的实体煤不会发生自燃，这是由于实体煤比表面积较小，煤与氧接触面积小，其氧化放热量也小，煤氧化放出的热量能很快发散到周围岩层，因而煤温不会升高而引起自燃；在采空区深部，尽管松散煤体量也较大，但由于煤的耗氧使采空区深部氧浓度很低，通常也不会发生自燃。所以煤氧接触和煤温达到一定高度是煤发火的两个要素。因而对于易自燃煤层，要防止其自燃应从减少煤氧接触入手，减少煤氧接触面积和阻止氧气向松散煤体附近扩散和渗漏。当发生自燃或煤温较高时，还要降低煤温。可通过尽量减少向煤体破碎带漏风，减少煤氧接触几率，防止煤体热量聚集。

惰化防灭火技术

惰化技术，就是将惰性气体或其它惰性物质送入拟处理区，抑制煤的自燃的

技术。惰性物质惰化技术，除已作为常规防灭火技术措施使用的黄泥浆外，近年发展起来的有粉煤灰、页岩泥浆、选煤尾矿泥、阻化剂和阻化泥浆等，已经比较广泛地被应用。它们的作用，除惰化外还兼有降温，对煤矿本身则微有污染，应当予以注意。[7]

但是注惰效果主要取决于能否保证惰气质量，合理必需的注人量及其连续性，以及能否辅以强有力的检测技术，否则很难取得理想的效果。各矿必须认识到这一点，不可将注惰作为一项万能的措施，盲目地滥用。

阻燃物质防灭火技术

该技术是指将一些阻燃物质送人拟处理区，以达到防灭火目的。使用的阻燃物质主要有黄泥浆、粉煤灰浆、页岩泥浆、选煤厂尾矿浆、阻化剂和阻化泥浆。阻化剂主要有无机盐吸水液、氢氧化钙阻化液、硅凝胶、表面活性剂、高聚物乳液粉末状防热剂。它们的作用，除惰化外还兼有降温，对煤矿本身则微有污染，应当予以注意。[8]

从目前技术的发展及经济的可承受性来看，具有较大优势的还是粉煤灰注浆和阻化剂。它们最可取的是可以取自某些废弃物及其再利用，对环保亦起到一定有利作用，并免于与农挣地。但阻化剂技术也存在着一定的缺陷，不容易均匀分散在煤体上，且喷洒工艺难实施;腐蚀井下设备，影响井下工人的身体健康。

泡沫防灭火技术

泡沫防灭火技术是以化学方法产生膨胀惰性泡沫，以进行防灭火处理的一种技术手段。由于其可堆积、流动性好，并且有一定的固泡时间，所以更适用于深部高温区域的防灭火工作。常用的泡沫防灭火技术有化学惰气泡沫防灭火技术和三相泡沫防灭火技术。化学惰气泡沫防灭火材料由多种原料组成，其原料皆为固态粉状，井下灭火时一般采用钻孔压注方法将其溶液注入自然发火的区域。发生

化学反应生成的惰气泡沫可迅速向周围空间、漏风通道及煤壁裂隙扩展，充填火区空间，窒息火区，而且惰泡具有较好的稳定性，可以起隔绝空气的作用。此外，化学惰泡的落液还具有较高的阻化能力，可以有效地抑制残煤的复燃，从而达到防灭火的目的。三相泡沫由液体膜、固体粉末和气体组成，并可添加无机固体干粉以增加其固化性能。无机固体三相泡沫用于防灭火充填封堵作业时，可适当增加固体废弃物用量以降低成本，适当提高流动性，使之能被压入所有漏风通道堵住漏风。而用于高顶垮落空洞防灭火充填作业时，应减少固体废弃物的添加量，提高凝固速度以缩短无机固体三相泡沫的凝胶时间，以利于无机固体三相泡沫的堆积，从而密闭支护空洞，窒息着火点。含惰气的无机固体三相泡沫不仅有普通无机固体三相泡沫的作用，并且在破泡时能释放出惰气，稀释该地点瓦斯、氧气等浓度，促进着火点窒息，防止瓦斯爆炸。[9 ]

总之该技术的优点是能快速、远距离扑灭矿井火灾。至目前为止, 在我国煤矿井下应用高泡灭火技术扑灭火灾达余次, 成为世界上应用该项技术次数最多的国家之一。

堵漏风防灭火技术

采取有效的封堵漏风通道的措施，防止漏风而引起煤自燃火灾。在生产实践中，我国煤矿工作者和学者总结出了夹缝密闭墙堵漏技术、喷射水泥砂浆堵漏技术、高惰泡沫堵漏技术等适合我国矿山实际的漏风封堵技术。南屯矿自行研制生产的聚胺酯喷涂设备，体积小、重量轻，在井下使用非常方便。

灌浆技术

利用浆液包裹煤块保水增湿的方法减缓煤体氧化速度、浆体固化沉淀物充填煤体缝隙来隔绝漏风阻止氧化达到防灭火的效果，这种方法被称为灌浆防灭火法。按回采工艺关系，一般可分为采前预灌、随采随灌、采后灌浆等几种；按实施方

法又可分为埋管灌浆、钻孔灌浆与工作面撒浆等。这是我国煤矿普遍应用的方法，传统的灌浆材料是黄土，上世纪80年代开始使用页岩、矸石等材料，并在许多地区得到推广。[10]

该技术的优点是:(1)包裹煤体，隔绝煤与氧气的接触；(2)吸热降温；(3)工艺简单；(4)成本较低。但同时也存在缺点：(1)只流向地势低的部位，不能向高处堆积，对中、高及顶板煤体起不到防治作用；(2)浆体不能均匀覆盖浮煤，容易形成“拉沟”现象，覆盖面积小；(3)易跑浆和溃浆，造成大量脱水恶化井下工作环境，影响煤质。

均压防灭火技术

均压防灭火技术又名均压通风防灭火技术，它是用通风的方法减少自燃危险区域漏风通道两端的压差，使漏风量趋近于零，从而达到切断氧源达到防灭火的作用。常用的风压调节方法有：风门、风窗调节法，风机调节法，风机、风窗调节法，风机风筒调节法等。[11]这些方法实质就是通过增加风压的措施和减少风压的措旗，或者说是分为增压调节法和减压调节法来进行防灭火的。

凝胶防灭火技术

凝胶防灭火技术是一种较好的固水堵漏防灭火技术。所采用的凝胶是不同于化学中的胶体体系的水凝胶。向水中加入少量添加材料，经过一段时间物理、化学反应后便形成凝胶。凝胶形成时间可通过改变添加材料的量来控制。[12]该胶体具有固水性、吸热降温性、密封堵漏性、阻化性以及成胶时间可调等主要特性。胶体对煤层自燃有良好的防治效果。

成胶前，凝胶原料呈溶液状态，此时通过管路用泵进行输送，调节成胶时间，使成胶原料流至预定的发火部位形成凝胶，固结在煤体中，利用凝胶的吸热降温和堵塞漏风特性来灭火。

但该技术也存在着一定的缺点：(1)流量小，流动性差，较难大面积使用；(2)时间长了胶体会龟裂；(3)胺盐凝胶会产生有毒有害气体；(4)成本较高。

阻化剂防灭火技术

阻化剂主要是卤化物与水溶液充分混合，浸入到煤体的裂隙中，并覆盖在煤的表面，把煤的外部表面封闭，隔绝气，阻止煤炭自燃。阻化剂包括氯化钙、氯化镁、氯化钠、水玻璃等无机盐类化合物。卤化物具有吸水能力，其吸收大量水分覆盖在煤的表面，也减少了氧与煤接触，延长煤的自然发火期，吸收的水分还具有冷却作用。目前常用的阻化剂主要是氯化物。[13]

阻化剂防火工艺有两类： (1)在采煤工作面向采空区遗煤喷洒阻化液防止煤炭自燃； ( 2) 向可能或已经开始氧化发热的煤壁打钻孔压注阻化液，以抑制煤的自燃。但是阻化剂不稳定，由于液膜容易干涸破裂，阻化剂有可能变成催化剂，甚至有可能起到反作用，因此阻化剂对于扑灭大面积煤层自燃火灾效果不佳。而且阻化剂离开了水的作业，阻化效果会随之消失。

3.一些新型防灭火材料

MEA新型防灭火材料

选材为MEA新型防灭火材料，该型材呈灰白粉末状、无毒、无味、无污染、无腐蚀性，配水30~200倍使用，保水、固水时间长，并有失水再生能力。MEA系列防灭火剂成胶后具有致密性、成膜性和附壁性，胶体可耐800°~1000°的高温，在一定温度下促使燃烧体表面焦化、形成隔热、隔气的焦化层，可有效阻止复燃。

[14]

MEA防灭火剂是固体材料，同水均匀混合，吸水反应成胶，配比简单、设备少、操作方便，和注水玻璃凝胶相比可节省80％以上的工作量，能够适应快速防灭火工作的要求。在工艺上只需一个水箱，一台注浆泵（压力、流量５~20m３/min）

即可满足工作要求。MEA防灭火剂同水配比均匀混合是关键，也是发挥MEA防灭火剂综合功效的前提。由于转载巷水压达到，故采取边加水边加料方式，在加料时必须注意向水流与现水面的交汇处加料，以充分利用交汇接触面往上翻起的水花把料剂带走、合，混以达到均匀混合、致密成胶的目的，即水加满、料加完。

FHJ 16型胶体防灭火材料

胶体材料具有较大的热容，能快速降低煤层温度和隔绝火源，并目有良好的耐高温性和稳定性，所以是一种重要的矿井防灭火材料，可广泛地用于煤矿火灾的防治。在矿井防灭火过程中，一般需要将胶体材料通过竹路输送到井下并注入到发火区，使胶体停留在发火区附近，以发挥其灭火效果。最近研制的新型胶体材料(FJH 16)由于其用量少、材料运输量小、使用工艺方便和灭火效果优良而在众多煤矿中推广应用。FHJ 16型胶体是采用FHJ 16型胶体添加剂与水混合制成的，它是一种流变性非常复杂的非牛顿流体。胶体材料的流变性对注胶灭火工艺影响很大，流动阻力越小，则堵塞竹路的危险性越小，越有利于竹道输送。而在煤层发火区附近，胶体流动阻力越大，则越容易隔绝火源、堵塞漏风，灭火效果就越好。所以，FHJ 16型胶体具有良好的灭火功能。[15]

气溶胶

气溶胶指的是悬浮于气体介质中的直径必须在1μm与μm之间的一种液体或固体微粒物质。气溶胶中气体与固体产物的比约为6:4，其中固体颗粒主要是金属

、少氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐、炭粒以及少量金属碳化物；气体产物主要是N

2和CO。它的灭火效率高；造价经济，维护费用低；无毒无害；无泄露，量的CO

2

安全可靠。

新型高分子防火材料

不可燃、不助燃，无毒、无味、无腐蚀作用，具有极强的吸水性、保水性，吸水后急剧膨胀。当水量不足时呈粒状，水量充足时呈糊状，且具有流动性，比

重略重于水，在高温状态甚至在火烧的情况下能确保不缩水;膨胀率极高，约为1:400，极少一部分便能充填大量空间。通常充填一个3 m3空间高冒，仅需这种新型防灭火材料20 kg，一个人即可轻松背走。对于一个封闭面积8 m2老塘墙也仅需200 kg，非常适用于应急状态下的快速注浆。

除了自燃煤矿火灾还有可能是因为人为的不合理的操作或设备的老化而引起的，所以除了了解这些灭火材料和技术，还需要加大对员工的技术教育力度和对设备的资金投入。[20]加强安全管理，建立、健全安全生产责任制：按照《安全生产法》的规定，主要负责人必须建立健全本矿安全生产责任制并严格落实，必须督促、检查安全生产工作，并及时消除事故隐患；制定、完善各种规章制度和操作规程，各种作业做到有章可循，并加强矿井现场管理，及时制止、纠正各种“三违”行为，切实落实安全管理责任。杜绝引火源，设置防火门，尽可能多的采用不燃性材料，设置消防材料库，建立井下消防系统：预防明火（即严禁吸烟、严禁用灯炮取暖等）、放炮引火、电气引火、摩擦引火；井口房、支架和井口建筑物都应采用不燃性材料进行建筑；进风井口必安装防火门，井口附近设置消防材料库，井下主要运输大巷和机电硐室都备有灭火器材，在地面设置消防水池和井下消防管路系统。

小结：

近年来，我国煤矿的防灭火技术与手段已有了较大的发展和提高。但面对井下复杂的实际情况，在消灭和控制火区的过程中，一定要从理论与实际综合考虑，因地制宜，采用几种防灭火技术和材料综合作用，关键是要分析煤炭自燃的发生发展状况、位置及根据矿井的实际条件，选择合适的技术和手段综合灭火，只有这样，才能有效地控制和消灭火区，为正常的煤矿安全生产提供保障。与之同时，

还要加大矿井灭火资金的投人和严格的措施管理。这样才能使矿井防灭火技术和管理再上一个新台阶。

随着煤炭工业技术的发展和新的防灭火问题的出现，这些技术都还存在一些不足。为了充分发挥现有防灭火技术的优点，克服其缺点，我们还需要在此基础上继续开发研制新的防灭火技术和材料。

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