兖州矿区煤自燃精准防控技术体系
时间：2023-02-14 19:00:09 来源：千叶帆 本文已影响人
王洪权，宋兆雪，陈安明，姜希印，赵青山
（兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500）
煤自然发火是矿井5 大灾害之一，严重制约矿井安全生产。我国煤火灾害中以煤自燃引发的内因火灾最为严重[1]，煤自燃释放的有毒害气体严重影响矿井生产以及大气环境[2-3]。因此，煤自燃火灾的有效防控关乎矿井安全生产以及煤炭资源可持续发展，对于促进我国生态建设具有十分重要的意义[4-6]。
兖矿能源集团股份有限公司在兖州地区主采二叠系山西组煤层，采煤矿井有鲍店、东滩、兴隆庄、南屯、济二、济三、杨村等矿井。所开采的三号煤自然发火期短，为二类易自燃煤层，煤自燃着火点温度为320 ℃左右[7]。自1981 年以来，共发生自燃火灾事故37 起。煤自燃火源隐蔽，位置和程度难判定，火灾防治难度大[8-9]，对其有效防控是兖州矿区历来科技攻关的重难点。为实现煤自然发火的科学精准防控，兖州矿区充分发挥产学研相结合的优势，相继开发了主动化、协同一体化、精准化以及智能化过渡的煤自燃火灾防控技术体系，有效遏制了煤火灾害的发生，为我国同类型矿井煤火灾害防控能够提供科学、可靠的技术借鉴。为此，从兖州矿区煤自燃火灾精准防控的创新技术分析了煤自燃防控技术体系建设，为同类型矿井煤自燃火灾防控提供技术借鉴与参考。
针对兖州矿区煤火灾害复杂情况与防治难点，提出了以超前预防为主的煤自燃火灾防控主题思路，即立足预防，构筑煤自燃火灾预防控的3 道防线[10]。煤层自然火灾防控总体技术体系如图1。
图1 煤层自然火灾防控总体技术体系Fig.1 A technical system for coal spontaneous combustion prevention and control
煤层自然火灾防控总体技术体系能够充分体现“抓住重点、预防为主、防治结合、合理有效、操作性强、节约资金”思想的防灭火体系[11]。
1）根据矿区煤层赋存条件和开采技术特点，结合集团公司多来的防治煤层自然发火研究成果和工作实践，制定了《矿井防治煤层自然发火技术管理规定》、《采空区永久封闭管理规定》、《高瓦斯矿井防治煤层自然发火管理规定》等10 余项管理制度。针对煤巷自然发火的预防，分别对长期使用煤巷、顶煤自燃危险区、沿空掘进巷道处理提出具体要求。针对工作面自然发火预防，按回采前、回采初期、回采期间、末采和停采期间、封闭后等不同阶段，从系统装备、处理措施、监测手段、工艺要求等方面作出详细规定，制定采空区不同类型的巷道和漏风环境的封闭标准。
2）创建科学的煤自然发火实验测试新技术。模拟煤体自常温至燃点以上完全依靠煤自身氧化升温的发火过程，以及缺氧窒息的降温过程和再次供风的复燃过程，测试相关参数，为煤层火灾隐患识别方法和控制新技术的开发提供了基础。
3）针对煤层自然发火特点及对防治技术的要求，结合凝胶防灭火技术治理煤层火灾的优越性，以降低煤温、包裹煤体、封堵漏风和预防水煤气爆炸为根本的新型胶体防火材料及其应用工艺、系统和装备，促进凝胶技术由灭火方法向防火方法的转变；
以减氧惰化、降低煤温和抑制瓦斯爆炸为根本的液态二氧化碳防灭火技术；
通过灌浆注胶灭火钻孔快速施工机具和高分子胶体灭火剂，实现煤层火灾的快速控制。建立一整套现场易于实现和操作的煤层火灾预防和控制新技术。
4）采用热红外探测技术，解决采煤巷道煤自燃隐患位置识别的难题；
通过煤自燃指标气体和吸附参数检测，有效实现了煤自燃温度判定和自然发火初期低浓度气体可测性；
应用实验测试和数值解算防范，对煤自燃隐患区域发展进程及空间位置转移进行研究，分析了隐患区域发生、发展和动态变化过程，实现煤自然发火的早期预报。
由于煤自然发火过程具有很强的自燃、阴燃和复燃特性，火源相当隐蔽，火区特征信息难以提取的原因，造成煤自燃防控针对性差，自然发火程度很难判定，治理成本高等问题。因此，根据煤自燃指标气体成因（氧化和热解）、检测精度（常量和微量）、实验测试和现场监测环境特点[12]，兖州矿区相继开展煤自燃过程、隐患位置识别、火区探测方面的研究，实现了煤自燃早期预测预报的“位置判定、温度判定、时间判定”3 大技术攻关，建立了煤自然发火预测预报体系，有效解决煤自燃风险早期识别的技术难题。
通过利用煤自然发火实验测试新技术，解决了煤自燃程度指标确定难题。利用热红外探测技术，解决煤巷自然发火隐患位置识别的难题；
通过分析隐患区域的发生、发展和动态变化过程，建立了一套煤层火灾隐患识别的新技术，实现了被动治理到早期预报的根本转变。
2.1 煤自然发火全过程测试系统
为实现煤自然升温、绝氧降温和通风供氧复燃全过程实验模拟，和西安科技大学合作研发，在集团公司南屯煤矿建立了世界最大的ZMR-15 型煤自然发火实验测试系统，实验模拟煤体自常温（30 ℃）至燃点以上完全依靠煤自身氧化升温的着火过程、缺氧窒息的降温过程和再次供风的复燃过程，研究煤体自然升温、绝氧降温和供风复燃的特性及规律。
采用ZRM-15 大型煤自然发火实验测试系统，测试初始煤温条件下的自然发火期，并对最小浮煤厚度、下限氧体积分数和极限漏风强度等煤自然发火极限参数测定；
与西安科技大学产学研联合，明确了煤自燃非线性渐变进程的6 个突变点，定义了“吸附、复合、临界、热解、裂变、燃点”6 个特征温度。在原有的“潜伏期、自热期、燃烧期”煤自燃进程3 阶段划分的基础上，建立了“潜伏、复合、自热、活性、热解、裂变、燃烧”7 个阶段的精细划分方法[13]。煤自燃程度精细划分方法如图2。
图2 煤自燃程度精细划分方法Fig.2 Coal spontaneous combustion divided method
为了针对符合实际工况的煤自燃程度判定及隐患区域划分提供量化判定标准，通过分析和确定煤自燃过程中的特征温度，研究和分析煤自燃过程中各种标志性气体及表征参数与煤温的关系，构建了各矿用于实际的煤自燃预测预报指标。
2.2 煤自燃指标气体连续监测技术
实现煤自燃风险等级连续监测预警[14]，克服了束管监测系统普遍存在检测稳定性差，漂移大，误差大，重复性不好、老化等问题。随着矿井采深增加，采空区面积扩大化，原束管色谱微机监测系统的路数也需要扩充。因此，研发了煤自燃指标气体的连续在线监测分析技术，将束管色谱分析技术和红外线分析技术有机结合，将色谱和红外线监测的高灵敏度、快速连续性手段并存互补。结合井下束管管网进行技术改造，在180 s 时间内可以分析单个测点气样。设备监测范围宽，飘移小，速度快，稳定性好，可以做到无人操作和免维护，实现24 h 无人职守连续运行。
通过对兖州矿区煤自燃束管监测系统技术改造，优化了煤自燃火灾预报的连续性和准确率，提高了防火工作的整体效益。
2.3 煤自燃隐患识别与准确定位技术
为解决煤自然发火隐患位置识别与危险区域判定，开展了“基于气体表征参数的煤自燃程度识别和煤温判定技术”及“煤自燃氡探测技术”、“煤自燃危险区域无线监测技术”，为分析判定火源位置提供技术支持，提高了煤火灾害防控的针对性。
1）煤层隐蔽火源氡探测[15]。利用天然放射性氡随温度升高在煤岩体中的强析出性，在矿井开采区域地表探测氡的分布，确定火源位置、范围及发展趋势。该探测方法具有操作简单、成本低、精度高和抗干扰能力强的优点，探测深度超过500 m，利用该技术探测了6 个工作面的自燃高温区域。
2）煤自燃火源红外热成像探测[16]。采用红外热成像技术煤巷表面表面进行非接触的成像并分析其热图案。利用该技术分别对兖州矿区兴隆庄矿3 个工作面，东滩矿2 个工作面，济二矿1 个工作面，星村矿1 个工作面总共7 个工作面进行了探测，确定了7 个高温区域，为进一步治理隐患提供指导。同时，利用红外探测技术，探测国宏化工厂原料煤仓火区位置，对有效的控制和熄灭火区提供了指导。此技术与方法已在兖矿集团所属每对矿井进行应用并作为日常的监测手段。
3）采空区煤自燃无线监测预警[17]。采空区监测范围大，呈现动态变化特征，主要存在：①人工监测区域范围大，工作量大；
②监测周期长，难以掌握采空区变化趋势；
③监测连续性差，不能实现采空区自燃预警；
④监测的测点多、距离远、环境复杂。以上特点给采空区自燃监测带来了巨大的困难，使得采空区的管理、监控非常困难。基于此，研发了采空区煤火灾害网络化监测预警系统，此项技术解决了采空区煤自燃信息采集和识别的问题，成果应用于兖州矿区所属矿井的煤层火灾监测。煤自燃监测预警系统结构示意图如图3。
图3 煤自燃监测预警系统结构示意图Fig.3 Monitoring and early warning system of coal spontaneous combustion
兖矿集团开发出以粉煤灰为主的系列胶体防灭火新材料、新工艺、新装备，实现了采空区大流量粉煤灰浆液灌注、固化充填，研发了采空区封闭控制技术，实现采空区有效封闭与隔离。这些技术研究与应用，有效解决煤层自燃预防的难题。
3.1 粉煤灰系胶胶体防灭火材料及系统
1）粉煤灰灌浆注胶防灭火材料。为充分发挥粉煤灰成本低，凝胶材料堵漏风效果好、流失量小等优点，将二者有机结合起来，研发具有充填裂隙、包裹煤体、隔氧降温、作用时间长、受压不开裂等特点的基于粉煤灰的胶体防灭火材料，解决了凝胶防灭火材料用量大、成本高、受压易开裂等问题。通过在浆液中按比例加入极少量的胶凝剂，即可形成复合胶体，液固转化混合浆液，在指定地点充分发挥胶体降温和堵漏风作用，可对采掘、移架、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。常用在工作面后部采空区、开切眼、停采线等易自然发火位置。
2）胶体粉煤灰灌浆防灭火系统。兖州矿区为充分发挥灌浆系统和各种灌浆注胶材料的优点，提高系统利用率和防灭火效率，实现了所属的鲍店、东滩等12 对矿井等多功能粉煤灰灌浆注胶防灭火系统新建和改扩建工程，实现了利用“粉煤灰”代替“黄土”的灌浆防灭火，取得了巨大的经济和社会效益。该系统能够实现高浓度浆液的制备及管路输送，提高了灌浆效率。系统可以使用多种适用性灌浆材料，向灌浆系统设定比例加入少量外加剂，可实现大流量浆液、稠化胶体、复合胶体、凝胶、固化充填等多种功能，克服了粉煤灰浆液流动范围广的缺点，提高了粉煤灰浆液的防灭火效率。通过采空区大流量的灌注粉煤灰浆液，覆盖和包裹采空区浮煤，堆积堵漏，隔绝氧气，抑制煤温，浮煤自燃得到了有效预防。
3.2 采空区密闭控制煤自燃技术
采空区封闭能够有效减少采空区漏风防治煤自燃火灾，防止有害气体涌入生产区域。采空区密闭墙体的构建应符合足够承压强度、气密性能和使用寿命等原则。根据需要全面应用充填密闭和钢筋混凝土密闭的柔性与刚性相结合密闭墙构建方式；
永久密闭应优先选择充填方式封闭，应选择在动压影响小、围岩稳定、巷道规整的巷段内位置。煤火灾害密闭控制技术如图4。
图4 煤火灾害密闭控制技术Fig.4 Airtight control technology for coal fire disaster
永久密闭墙体必须与巷壁紧密相连结合，能够有效承受冲击压力，与采空区相连通的所有通道，均压法注入粉煤灰固化或胶体泥浆等充填材料，彻底隔离采空区与外界的漏风。
通过开展大面积采空区封闭会战活动，在提高新建密闭的构筑标准的基础上，对原有不符合要求的采空区老密闭，全部进行加固处理。建立了兖州矿区综放大面积采空区气体监测与密闭控制技术规范，有效地杜绝了因漏风引发的采空区煤体自燃事故，因灾变造成采空区密闭冲击破坏事故。通过对采空区的气体监测、安全隔离、封闭和控制，未发生过采空区浮煤自燃及摧毁闭墙的事故。
以往的大量经验积累发现，煤自燃通常发生在工作面开切眼、停采线、断层等地质构造及其相邻的采空区。当出现工作面推进缓慢、过地质构造带或揭露采空区时，一旦发生煤自燃火灾，采用常规的注氮惰化技术难以带走采空区热量、注胶降温范围小且难以控制漏风，火灾防控难度大。兖州矿区在基于煤自燃隐患监测预警、危险区域划分及隐患超前防控的技术思路引领下，研发出液态二氧化碳火区快速熄灭和控制技术，火区快速钻孔施工技术，高分子胶体灭火技术，形成一整套适合煤火灾害快速控制的关键技术体系，实现了自然火灾的应急控制。
4.1 煤自燃液态二氧化碳惰化降温技术
利用液态二氧化碳的“吸附阻氧、惰化降氧、汽化降温”等防灭火特性[18]，能快速有效地实现对煤体的降温和惰化，具有其它防灭火技术不可比拟的优点。液态二氧化碳防灭火系统如图5。
图5 液态二氧化碳防灭火系统Fig.5 Liquid carbon dioxide fire-fighting system
兖州矿区开展了煤炭自燃二氧化碳气体防灭火机理、液态二氧化碳的储运、汽化以及工艺，矿用液态二氧化碳防灭火装置等5 个方面的技术攻关，开发了液态CO2防治煤自燃的工艺及装备。此项技与传统的注氮防灭火技术相比，惰化效果好，成本降低了4 倍，效率提高了约50 倍，应用工艺简单、初期投资少。矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置无需增压装置，直接释放到煤炭自燃区域，比原来的自产气装置速度提高了近10 倍，灭火速度快，降温效果好，安全性好。项目在兖矿集团各大煤矿实施后，成功控制南屯煤矿、东滩煤矿、赵楼煤矿等自燃隐患，解决了煤炭自燃防控难题。
4.2 高分子胶体快速灭火技术
火灾快速治理技术为采取更进一步的综合治理措施彻底治理煤层火灾赢得时间。通过研发一次性成孔钻具和高分子胶体材料，不仅材料用量少，配比简单且防灭火效果好；
对应的装备适用于小空间、运输和使用方便。
在矿井用水中按比例加入少量的灭火剂，水液固转化形成高分子胶体，配比胶体能够在隐患位置停留，包裹高温煤体、堵塞煤体缝隙隔绝氧气、降低煤温、扑灭火源，并防止复燃[19]。开发的高分子胶体灭火剂用量极少，仅为水量的0.8%左右，现场工人易掌握，其能够实现本面开采煤火灾害的快速控制和熄灭，同时也能对巷道顶部等小范围区域的防火。
4.3 惰气泡沫快速抑制技术
惰泡防灭火系统示意图如图6。
图6 惰泡防灭火系统示意图Fig.6 Schematic diagram of inert foam fire extinguishing system
向采空区注入惰性泡沫的技术，通过泡沫发生装置和带压的惰气源结合，连续大量地产生惰气泡沫，沿着设定通道向采空区和煤堆内部形成隔离堵漏带，可以快速惰化，阻止风流进入采空区，预防煤自燃[20]。以惰气泡沫为载体将物理和化学阻化剂注入采空区，发泡倍数20～50 倍，稳泡时间大于20 h。
兖州矿区在煤自燃火灾防控方面取得了丰硕成果，建立了矿井开采煤自燃超前预测、早期预防及快速应急的精准防控技术体系。从煤自燃特征信息精准预测预报、态势监测预警，形成煤火灾害防控的时空分级监测预警体系，实现了煤自燃隐患分险等级的分级；
研发了煤自燃火灾超前处置、应急防控的方法与创新技术装备，形成了用于兖州矿区煤火灾害分区-分时的精准防控技术体系。通过在兖州矿区所属的12 对受煤自燃威胁的矿井进行了工程应用，从2006 年至今煤自然发火灾害零发生，实现了煤自燃火灾的精准防控。
