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第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 我国矿井内因火灾防治技术研究现状 朱红青 1, 胡 超 1, 张永斌2, 胡林涛1, 袁晓乐1, 王晓宽1 (1.中国矿业大学 (北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083; 2.山西潞安矿业有限责任公司, 山西 长治 046000) 摘要 为了矿井内因火灾防治工作更好更快的发展, 结合矿井内因火灾形成机理, 详细全面地 介绍了开采技术措施、 堵漏、 均压、 注浆、 惰性气体、 阻化剂、 凝胶及三相泡沫防灭火技术进行矿 井内因火灾防治的原理、 技术材料及其工艺设备系统的研究现状, 并从加强基础理论研究、 加快 新型材料及工艺设备研发 2 个方面进行了矿井内因火灾防治技术发展方向的展望, 以保障煤矿 安全生产及推动煤炭工业的健康可持续发展。 关键词 矿井火灾; 内因火灾; 防灭火技术; 研究现状; 发展趋势 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X (2020) 03-0088-05 Research Status on Prevention and Control Technology of Coal Spontaneous Fire in China ZHU Hongqing1, HU Chao1, ZHANG Yongbin2, HU Lintao1, YUAN Xiaole1, WANG Xiaokuan1 (1.School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2.Shanxi Lu’ an Mining Co., Ltd., Changzhi 046000, China) Abstract In order to develop the spontaneous fire prevention and control work better and faster, combined with the spontaneous fire ation mechanism, this paper introduces the control principle, research status on technical materials and process equipment system of spontaneous fire prevention and extinguishing technology, such as mining technical measures, plugging, pressure balance, grouting, inert gas, inhibitor, gel and three-phase foam. Meanwhile, to protect the coal mine safety production and push the coal industrial sustainable development, the development direction of internal-caused fire fire prevention and control technology in mine is prospected from the aspects of strengthening basic theoretical research and accelerating the research and development of new materials and process equipment. Key words mine fires; internal-caused fire; fire prevention and extinguishing technology; research status; development tendency 煤炭作为我国国民经济和社会高速发展的基础 性能源, 2017 年全国累计生产煤炭 34.45 亿 t, 占我 国一次能源消费的 60.4。虽然煤炭行业大力实施 去产能政策,但从我国能源的中长期发展战略可以 得到, 我国计划在 2020 年和 2030 年煤炭在一次能 源结构中的比重还将保持在 62和 55左右, 其比 例依然超过 50[1]。 矿井火灾是我国煤炭行业的主要灾害之一, 近年 来, 随着矿井开采深度逐渐向深部资源延伸及综放开 采技术的推广应用, 使得煤矿井下煤炭自然发火危险 性不断增加[2-3]。据统计, 目前我国 90以上的煤层为 自燃或易自燃煤层, 由煤自燃引起的火灾占矿井火灾 总数的 85~90,在全国的 25 个主要产煤省区的 130 多个大中型矿区均不同程度的受到煤自然发火 的威胁, 矿井内因火灾严重制约着煤炭工业的健康高 效发展[4-5]。为了对矿井内因火灾进行有效的防治, 针 对矿井内因火灾的形成机理,系统全面地总结了均 压、 惰气等 7 大类矿井内因火灾防治技术的防灭火机 理、 防灭火材料及防灭火工艺系统的发展现状。 1矿井内因火灾形成机理 矿井内因火灾是煤不经点燃而自行着火的现 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.018 朱红青, 胡超, 张永斌, 等.我国矿井内因火灾防治技术研究现状 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (3) 88-92. ZHU Hongqing, HU Chao, ZHANG Yongbin,et al. Research Status on Prevention and Control Technology of Coal Spontaneous Fire in China [J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (3) 88-92. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 (51774290) 移动扫码阅读 88 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 象,是有自燃倾向性的煤在一定的环境条件下与氧 气通过物理吸附、化学吸附进行氧化反应过程中产 生的热量大于向周围环境中散失的热量,发生热量 积聚使得煤体温度逐渐上升,最终使煤体温度达到 煤的着火点而燃烧的现象。在众多煤自燃假说中, 煤氧复合作用假说认为当原始煤体暴露在空气中 后,煤体通过与氧气的结合发生氧化反应产生热 量,当环境条件适合热量积聚时,煤体温度逐渐升 高, 最终导致煤炭发生自燃[6]。由于该假说揭示了煤 炭氧化生热的本质,得到了大多数学者的认同, 成 为指导人们防治矿井内因火灾工作的重要依据。基 于煤氧复合作用假说,广大学者对矿井内因火灾发 展过程进行了大量研究,根据现有的研究成果, 一 般可以将矿井内因火灾发展过程分为潜伏期、 自 热期和燃烧期 3 个阶段[7-8]。 1) 潜伏期。当有自燃倾向的破碎煤体与空气接 触后, 煤体从空气中吸附的 O2与含氧游离基进行反 应,生成更多稳定性不同的游离基。该阶段煤体的 氧化过程比较缓慢,察觉不到煤体及周围环境温度 的上升,该阶段煤体的变化主要表现在煤体的质量 略有增加、 着火点温度降低及化学活性增强。 2) 自热期。经历过潜伏期之后的煤体由于化学 活性的增强,使得煤体的吸氧速率加快,氧化速度 增加, 不稳定的氧化物分解成 H2O、 CO2、 CO。如果煤 体周围环境条件适合热量积聚,氧化过程生成的热 量大于周围环境散发的热量,则煤体温度将继续升 高,当超过煤体自热的临界温度(一般在 60~80 ℃ 之间) 时, 煤体温度急剧上升, 开始出现煤的干馏, 产生芳香族的碳氢化合物、氢气、一氧化碳等可燃 性气体。同时,煤体中的水分被蒸发生成一定数量 的水蒸气, 使煤体周围环境湿度增加。 3) 燃烧期。当自热期的发展使煤体温度上升至 着火温度,若此时还能得到充分的供氧条件,矿井 内因火灾则进入燃烧期,该阶段的主要现象为产生 明火、 烟雾、 CO2、 CO 及各种可燃性气体, 并会出现 煤油味、 松节油味或煤焦油味等。 2防治矿井内因火灾技术 矿井内因火灾的形成需要同时具备一定厚度 具有自燃倾向的煤体、连续的供氧条件、适宜热量 积聚的环境条件及一定的时间 4 个条件。因此, 目 前对矿井内因火灾防治技术的研究工作主要从至少 消除其中 1 个条件进行开展,从而对矿井内因火灾 进行有效的预防与治理。根据现有的研究成果, 目 前对矿井内因火灾的防治技术主要有开采技术措 施、 灌浆、 堵漏与均压、 注惰、 喷洒阻化剂、 凝胶、 三 相泡沫等。 2.1开采技术措施 开采易自燃煤层时,需结合煤层赋存条件采取 预防煤层自燃发火的综合治理措施,大量防治矿井 内因火灾的生产实践证明合理的开拓系统、巷道 支护方式和开采方式对于防止煤层自然发火起着决 定性作用[9-10]。从防止矿井自然发火的角度出发, 对 开采、 开拓的要求一般有 ①最大的煤炭回收率, 最 小的煤层暴露面,减少矿井内因火灾形成的具有煤 自燃倾向的煤体, 从而减低煤层自然发火可能性; ② 限制或阻止空气流入和渗透至疏松的煤体,切断矿 井内因火灾形成的连续供氧条件,对此可以从消除 漏风通道和减小漏风压差 2 个方面进行考虑;③正 规的开采方式及合理的开采顺序,最大程度的不为 热量积聚提供合适的环境条件;④最快的回采速 度, 当工作面推进速度大于等于安全推进速度时, 破 碎煤体暴露在 “自燃带” 的时间就会小于等于煤的最 短发火期,从而破坏了矿井内因火灾形成中一定时 间的必要条件。 2.2堵漏防灭火 堵漏防灭火技术主要通过减少漏风通道,切断 矿井内因火灾形成必须的连续供氧条件,达到有效 抑制矿井内因火灾的目的。针对堵漏防灭火技术, 广大学者对矿用充填堵漏材料进行了大量的研究。 其中灌注黄泥浆及砂浆、 混凝土等无机堵漏材料, 工 作量大、 操作复杂, 不易于井下施工; 马丽散、 罗克 休、 聚氨酯等有机堵漏材料, 制备工艺复杂、 成本昂 贵, 限制了其在煤矿行业的广泛应用[11]。 针对上述材 料存在的问题, 周福宝等[12]研制出了一种以黏土和 水泥为基料,添加剂和玻璃纤维为辅助材料的新型 复合浆体材料,该材料可适用于空巷道喷涂、密闭 墙施工、 高冒处理、 永久煤巷喷涂; 易欣等[13]将水泥 基料中掺入复合发泡剂产生的均匀泡沫,成功研制 出一种具有质轻、 密闭效果好、 易制备、 施工速度快 且经济的无机固化泡沫。 2.3均压防灭火 均压防灭火技术即在矿井主要通风机合理运行 情况下, 采用风机、 风窗、 调压气室等调压手段, 改 变通风系统内的压力分布,降低漏风通道两端压 差, 减少漏风, 从而达到窒息、 惰化或抑制煤体自然 发火。其实质是通过风量合理分配和调节,达到堵 风防漏、以风治火的目的。针对近距离易自燃煤层 89 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 群工作面撤架期间,由于通风系统不稳定、工作面 停滞时间长造成的采空区遗煤自燃严重的问题, 任 万兴等[14]根据易自燃近距离煤层群综放工作面回撤 期间风流变化规律及风阻变化特征,提出了分阶段 (扩大回撤通风阶段和回撤设备阶段) 实施均压的 防灭火技术,该技术通过风门与局部通风机联合均 压手段达到减少内部漏风的目的。为了解决均压防 灭火技术中常用的通风机-风窗联合均压方法存在 的手动均压频繁调压、调压滞后与调压精度低等技 术难题, 朱红青等[15]设计了矿井自动控制均压防灭 火系统,大大提高了通风机-风窗联合均压技术防 治煤炭自然发火的效果。 2.4注浆防灭火 注浆防灭火技术就是将水与不燃性注浆材料 (黏土、 粉煤灰、 矸石及砂等固体原料) 按照适当的 配比混合、 搅拌, 制成的一定浓度的浆液, 再借助输 浆管道输送到可能或者已经发生煤炭自燃的发火区 域。该技术主要通过浆体材料包裹煤体,隔绝氧气 与煤体接触,防止煤体氧化以及水的吸热降温作 用,达到有效防治矿井火灾的目的。针对注浆防灭 火工艺系统及注浆材料流动扩散特性,国内外学者 做了大量的研究工作。吕英华等[16]为了解决神东矿 区由于复合煤层开采造成的传统注浆防灭火方式无 法实现采空区大范围覆盖的技术难题,研制一种由 井上钻孔注浆和井下引管注浆构成的采空区井上下 联合注浆技术,在补连塔煤矿进行了现场试验并取 到了良好的应用效果; 题正义等[17]通过 FLUENT 流 体软件对不同煤层倾角条件下的浆体流动特性进行 了研究,确定了不同煤层倾角下合理的采空区注浆 位置,成功解决了目前现场施工过程中注浆位置盲 目靠经验与工程类比定参数确定的缺点。 2.5惰气防灭火 惰气防灭火技术是指将惰性气体注入已经封闭 或有自燃危险的区域,达到防治矿井内因火灾或扑 灭已生火灾的技术,目前在煤矿火灾防治方面使用 较多的惰性气体主要有 CO2和 N2。根据吴兵等[18]对 CO2和 N2对煤燃烧性能影响的研究成果表明 CO2 比 N2具有更好防治煤燃烧全过程的能力, 能更好地 抑制煤炭自燃。但是由于液态 CO2存在易结冰堵塞 灌注管道及爆震的缺点,极大的限制了注二氧化碳 防灭火技术的推广与使用。 近年来, 邓军等[19]针对注 二氧化碳防灭火技术中存在的技术难题,研发了液 态 CO2气化及输送中保压防结冰工艺,极大地推动 了注二氧化碳防灭火技术的发展与进步。 氮气是目前注惰防灭火技术中使用较多的惰性 气体, 按注氮方式分类, 注氮防灭火技术主要有 埋 管注氮、 拖管注氮、 钻孔注氮、 插管注氮、 密闭注氮、 旁路式注氮等方式,但从现场的实际使用情况来 看,目前采煤工作面回采过程中常用的注氮方式是 埋管注氮。但是, 传统的埋管注氮存在 2 个缺陷 ① 注氮点在空间上存在间隔,致使氮气在采空区未形 成连续性分布, 注氮惰化效果差, 所需注氮量大; ② 注氮埋管交替丢弃在采空区内,材料不能回收, 造 成极大的资源浪费, 投入成大。为了解决上述问题, 朱红青等[20]在传统拖管注氮技术的基础上, 根据注 氮管抗剪切能力优于抗拉伸能力,提出了旋转牵引 式非间隔式注氮装备及防灭火工艺系统,并成功在 开滦集团、 神华集团、 冀中能源等全国 20 余个煤矿 推广应用, 有效抑制了矿井内因火灾的发生。 2.6阻化剂防灭火 阻化剂防灭火技术就是将阻化剂溶液喷洒在煤 体上, 利用阻化剂的负催化作用, 阻止氧气与煤结构 上的活动链环的羧基反应, 延长自然发火期, 从而达 到防治煤炭自燃的目的。常见的煤自燃阻化剂主要 有卤盐阻化剂、 铵盐阻化剂、 凝胶阻化剂及一些复合 阻化剂,阻化剂防火工艺有在采煤工作面向采空区 遗煤喷洒阻化剂、向可能或已经开始氧化发热的煤 体打钻压注阻化剂及利用专门的设备向采空区送雾 化阻化剂[21]。针对新型阻化剂及阻化防火工艺设备 的开发研制等研究热点, 近年来, 贺飞等[22]在单一 MgCl2阻化剂基础上加入一定配比的还原性铁粉及 硅藻土,成功研制出一种具有良好阻化性能和耗氧 效果的脱氧性阻化剂; 张玉涛等[23]以纯天然、 无毒植 物萃取物为原材料,采用先进的螯合技术研制出环 保型煤自燃阻化剂 (EFI) , 成功应用于易自燃的低变 质烟煤, 并取得了良好的抑制煤自燃的效果; 为了解 决传统阻化剂喷洒覆盖范围小、阻化效果不佳的问 题, 邓存宝等[24]以高压 N2为载体输送气雾阻化剂, 并结合工作面支架后部多点自动喷洒技术,建立具 有阻化剂自动喷洒、高压输送与快速扩散等特性的 采空区阻化剂高效喷洒工艺系统。 2.7凝胶防灭火 凝胶防灭火技术是指将基料、促凝剂和水按一 定比例混合配成水溶液后, 发生 “胶凝作用” 形成凝 胶,然后再用泵压注到自然发火区域,通过凝胶材 料的固水、吸热降温、堵漏风及抑制煤氧复合反应 等特性, 达到防灭火的效果。20 世纪 80 年代后期, 随着我国综放开采技术的推广应用, 灌浆、 均压等原 90 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 有防灭火技术不能满足煤矿安全生产需求,凝胶防 灭火技术在我国开始逐渐推广使用并取得较好的应 用效果[25]。 从凝胶防灭火技术应用伊始至今, 国内外 广大学者对凝胶材料进行了大量的研究,并相继取 得了丰硕的成功。2003 年, 王德明等[26]针对我国西 北地区缺土少水而山砂较多的特点,在注砂防灭火 技术的基础上,结合自行研发的 KDC 稠化添加剂, 成功研制出具有悬浮稠化作用的新型凝胶材料, 并 在神东矿区得到良好的现场应用效果; 2010 年, 于 水军等[27]针对高冒区托顶煤自燃火灾问题, 研制出 由无机复合胶凝材料、发泡剂、调凝剂、泡沫稳定 剂、吸水因子和化学阻化剂等成分组成的无机发泡 防灭火胶凝材料,并成功在平煤集团天安十三矿回 风巷冒落高温区应用实施; 2015 年, 任万兴等[28]通 过在水浆中加入添加剂和引入氮气制备出具有立体 网状结构的固态凝胶颗粒与气体组成的泡沫凝胶防 灭火材料,该材料兼顾了泡沫材料良好的流动扩散 特性及凝胶材料良好的固水、 覆盖与封堵特性。 2.8三相泡沫防灭火 三相泡沫是将不溶性固态不燃物(如黄泥或粉 煤灰) 分散在液体 (水) 中, 通入惰性气体 (N2) 或空气 并添加极少量的添加剂(发泡剂和稳定剂) 通过三 相泡沫发泡器充分搅拌混合,形成固体颗粒均匀附 着在气泡壁上的大量富集的含有气-液-固三相体 系的泡沫材料。该材料集固、 液、 气三相材料的防灭 火性能于一体,充分利用固体不燃物的覆盖性、 惰 性气体的窒息性和液体的吸热降温性进行矿井火灾 的防治。该技术由王德明及团队于 2001 年首次提 出, 并对三相泡沫组成及特性、 防灭火特性、 防灭火 工艺及现场应用做了大量的研究工作。由于三相泡 沫防灭火技术成功克服了注浆防灭火中由高向低流 动的“拉沟” 、惰气防灭火中惰性气体易随漏风遗 散、凝胶防灭火技术中流动性差等缺点,已发展成 为矿井火灾防治工作中常用的技术手段[29-30]。 3矿井内因火灾防治技术发展趋势 3.1加强基础理论研究 “预防为主, 综合治理” 是矿井火灾防治工作的 指导方针,尤其矿井内因火灾从具有自燃倾向煤体 到最终发展形成火灾灾害需要漫长的潜伏期及自热 期,在形成过程中具有明显的标志特征及进行防治 工作的反应时间,因此为了对矿井内因火灾进行更 加有效的预防工作,需要对矿井内因火灾形成过程 中内在与外在多因素耦合作用机理进行深入研究, 了解矿井内因火灾形成的前期导因及其影响规律, 掌握煤低温氧化阶段的热动力特征、不同演化发展 过程的阶段性特征及其表征参数。同时,由于煤层 赋存及开采条件的复杂性导致了矿井多种灾害并存 且互为影响, 因此需要对火灾、 瓦斯等多种灾害并存 环境下的耦合致灾机理及其演化过程、次生灾害产 生过程及机理进行更加深入的研究,从而为矿井内 因火灾防治工作提供理论基础。 3.2加快新型材料及工艺设备研发 随着科学技术装备及其化工行业的发展进步, 在已有防灭火材料的基础上,应结合矿井内因火灾 形成演变过程中的关键参数,研制有针对性、实用 性的绿色环保、经济高效的新型防灭火材料。工艺 设备方面应结合日益复杂的矿井条件,对现有工艺 系统及技术装备进行升级改造,逐渐实现智能化、 自动化及大型化,从而为矿井内因火灾防治工作提 供重要的技术保障。 4结语 矿井内因火灾防治技术作为我国煤矿火灾防治 工作中的热点及重点,国内外广大学者做了大量的 科研工作并取得丰硕的研究成果。就矿井内因火灾 形成机理、 矿井内因火灾防治技术的防治原理、 技术 材料及设备工艺系统的发展现状进行了系统全面的 介绍, 并从加强矿井内因火灾形成机理、 多灾害耦合 致灾机理等基础理论研究与加快经济高效的新型环 保防灭火材料、大型智能化工艺设备系统研发 2 个 方面对矿井内因火灾防治技术进行展望,以期望对 今后矿井内因火灾防治工作提供一定的借鉴作用。 参考文献 [1] 王显政.煤炭主体能源地位突出以煤为基、 多元发展 是我国能源安全战略的必然选择 [J] .中国煤炭工业, 2014 (4) 24-25. 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[30] 王德明.矿井防灭火新技术三相泡沫 [J] .煤矿安 全, 2004, 35 (7) 16-18. 作者简介 朱红青 (1969) , 男, 湖南双峰人, 教授, 博 士生导师, 主要从事煤矿火灾与瓦斯防治方面的研究。 (收稿日期 2019-03-15; 责任编辑 陈洋) 92 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 基金项目 国家科技重大专项资助项目2016ZX05045006 基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪 周德胜, 梁光清, 郭清华 (中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆 400039) 摘要 设计了一款低功耗全量程便携式甲烷检测仪, 该便携仪选用低功耗 MEMS 催化元件作 为主要敏感元件, 采用脉冲供电的方式进一步降低整机功耗。详细叙述了便携仪的总体设计方 案、 主要硬件电路以及核心数据处理算法。试验结果表明 设计的便携仪测量精度高, 平均功耗 低, 连续工作时间长, 完全满足煤矿井下工作人员对所处环境甲烷浓度监测的需求。 关键词 甲烷便携仪; MEMS 甲烷元件; 脉冲供电; 低功耗; 全量程 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003-496X (2020 ) 03-0093-04 Design of Portable Methane Instrument Based on Pulse Power Supply ZHOU Desheng, LIANG Guangqing, GUO Qinghua (China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute Co., Ltd., Chongqing 400039, China) Abstract A novel low power consumption portable methane instrument is designed, which uses the MEMS catalytic methane detector as the main sensitive component, and uses pulse supply to reduce power consumption. In this paper, the overall design scheme, primary circuit and the most important algorithm is described. The test results show that the designed portable instrument has high precision, low power consumption, long working time, and can fully meet the requirements of underground workers in coal mine for monitoring the ambient methane concentration. Key words portable methane instrument; MEMS element; pulse power supply; low power consumption; full-scale 我国煤矿大部分为井工开采,尽管煤矿井下环 境和生命安全监测系统逐渐普及,技术逐步提高, 煤矿事故大幅度下降,但煤矿安全事故仍然时有发 生[1-2]。煤矿安全事故中瓦斯事故总量最多, 瓦斯 (甲 烷) 监测是井下环境安全监测的重中之重,为保证 井下工作人员的生命安全,应要求下井人员必须随 身携带具有报警功能的甲烷监测设备,因此,设计 一款功耗低, 连续工作时间长, 稳定性高, 价格便宜 的便携式甲烷监测设备具有重要意义。 煤矿井下的甲烷监测主要有红外、激光、电化 学、 催化等技术[3-4]。红外和激光由于其较高的测量 精度被大量应用于对测量精度要求较高的场所, 但 目前采用这 2 种原理的元件功耗都很大, 价格昂贵, 不适用于数量需求大,功耗要求低的便携式设备, 电化学和传统的催化元件虽然价格便宜,但同样功 耗巨大。兼顾成本和功耗,选用价格便宜功耗较低 的新型 MEMS 催化甲烷元件作为主要敏感元件设 计一款便携式甲烷检测仪 (以下简称便携仪) , 且以 脉冲方式给元件供电以降低功耗。为弥补 MEMS 催 化元件测量范围只覆盖 0 到 5的局限,当浓度较 高的时候,采用热导元件进行检测,将便携仪的测 量范围扩展到 0 到 100[5]。 1便携仪总体方案 基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪原理如图 1, 便携式甲烷检测仪主要由电池模块、 显示模块、 蓝牙模块、 电源管理电路、 信号处理电路、 调零电路 和敏感元件等组成,各部分均选用低功耗元器件, 通过合理的低功耗电路设计和模块工作节奏调度, 在保证较高的检测精度下使便携仪整机功耗达到最 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.019 周德胜, 梁光清, 郭清华.基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (3) 93-96. ZHOU Desheng, LIANG Guangqing, GUO Qinghua. Design of Portable Methane Instrument Based on Pulse Power Supply [J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (3) 93-96. 移动扫码阅读 设计 开发 93 ChaoXing
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