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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 煤自燃火灾防治技术研究进展及趋势 郭军 1,2,3， 蔡国斌1， 金 彦 1， 郑学召1,2,3 （1.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054； 3.陕西省煤火灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 煤自燃火灾作为煤矿生产过程中重大灾害之一， 严重制约煤炭的安全高效绿色开采。针 对煤自燃理论及煤火灾害防治技术研究多元化等特点， 归纳分析煤自燃火灾的防治难点， 对现有 的煤层火灾预测预报方法及灾害防治技术的优点和局限性进行探讨， 展望煤自燃火灾防治技术 的发展前景， 指出未来我国煤层火灾防治研究的重点方向主要包括 煤自燃的形成演化与阻化 机理， 煤自燃阶段的精细划分， 煤自燃的动态监测与智能预警， 煤自燃的主动、 分级、 协同防控。 关键词 煤自燃； 防治技术； 监测预警； 防灭火材料； 发展趋势 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0180-05 Research Progress and Trend of Coal Spontaneous Combustion Fire Prevention Technology GUO Jun1,2,3, CAI Guobin1, JIN Yan1, ZHENG Xuezhao1,2,3 （1.College of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China; 2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education of China, Xi’ an 710054, China; 3.Key Laboratory for Prevention and Control of Coal Fires in Shaanxi Province, Xi’ an 710054, China） Abstract As one of the five major disasters in coal mine production, coal spontaneous combustion severely restricts the safety, ef－ ficiency and eco-friendliness in the mining process. Due to the diversified characteristics of theoretical s for the prevention mechanism and prevention technology of coal spontaneous combustion fire disaster, this paper analyzes the difficulties for the pre－ vention and control of coal fire disaster. The advantages and disadvantages of prediction s and disaster prevention technolo－ gy for the existing coal seam fire are discussed. The development prospects of coal spontaneous combustion fire prevention tech－ nology are prospected. On this basis, the key direction of research on coal seam fire prevention in China in future includes the ation, evolution and inhibition mechanism of coal spontaneous combustion; fine division of coal spontaneous combustion stage; dynamic monitoring and intelligent early warning of coal spontaneous combustion; active, grading and coordinated prevention and control of coal spontaneous combustion. Key words coal spontaneous combustion; prevention technology; monitoring and warning; fire extinguishing material; development trend 煤炭是我国能源结构的主体，截止 2018 年底， 查明可利用煤炭储量约 1.67 万亿 t，占世界总储量 的 17.2[1]； 2018 年我国原煤生产量和消费量分别 占一次能源生产总量与消费量的 69.1和 59.0[2]， 为我国的经济建设提供强大的动力和能源支持。 但煤具有自燃倾向性，如果不及时治理煤自燃火 灾， 将会造成大量的煤炭资源浪费[3]。波兰在1947 2006 年发生 7 757 起煤田火灾， 其中 79的煤田火 灾是由煤自燃引起的[4]； 在印度， 煤自燃引起的煤田 火超过 80[5]；仅在我国煤炭的自燃火灾烧损的煤 炭总量近 1 300 万 t， 间接损失的煤炭资源约 2 亿 t[6]。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.038 郭军， 蔡国斌， 金彦， 等.煤自燃火灾防治技术研究进展及趋势 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 180-184. GUO Jun, CAI Guobin, JIN Yan, et al. Research Progress and Trend of Coal Spontaneous Combustion Fire Prevention Technology ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 180-184.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808201） ； 陕西 省自然科学基础研究计划资助项目 （2018JQ5080， 2018JM5009） ； 陕 西省教育厅专项科学研究计划资助项目 （17JK0495） 180 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 初步估算，我国煤层火灾每年至少造成经济损失约 200 亿元， 同时排放约1 800 万 t CO2[7]和大量的 CO、 SO2等有毒有害气体[8]， 极大危害人们的健康和安全， 严重破坏生态环境。 国内外学者在煤自燃领域展开深入全面的研 究。在煤自燃形成机理方面， Arisoy 和 Baris[9-10]从煤 低温氧化过程中氧消耗、反应机制和反应产物等方 面研究煤自燃形成机理； 王德明等[11]运用量子化学 理论方法描述煤自燃过程的微观氧化机理，探索了 煤氧化循环链式反应途径，构建了煤氧化动力学理 论； 邓军等[12-13]阐明了参与煤氧化的 14 个官能团变 化规律，定量分析了煤高温氧化的微观机理，确定 了煤二次自燃的微观结构特征，为煤自燃倾向性鉴 定和煤自燃高效阻化研究提供科学的理论支撑。在 煤自燃火灾预警方面， Hitchcock 和 Beamish[14]等人 将煤氧化自燃过程中产生的 CO、 CO2、 CH4等气体进 行分析， 指出我国煤自燃程度标志气体主要是 CO、 C2H4和 C2H2； 笔者及所在团队确定了易自燃煤层分 级预警的温度范围、 气体预警指标 （CO、 O2、 △φ （CO） / △φ （O2） 、 C2H4、 φ （C2H4） /φ （C2H6） ）及临界值， 实现生 产矿井煤自然发火的 6 级预警， 即灰色、 蓝色、 黄色、 橙色、红色和黑色预警，分级预警的温度范围为灰 色 30～40 ℃、 蓝色 50～60 ℃、 黄色 70～80 ℃、 橙色90～ 110 ℃、 红色 130～160 ℃和黑色 210～350 ℃[12-13,15]； 并 利用实验设备和现场监测设备，精准识别煤自燃程 度并监测预警，以期实现煤自燃火灾的精准预警和 治理。 为此对煤自燃火灾成灾致灾特点和防治难点、 防治技术措施的优点和局限性等方面对煤自燃火灾 进行梳理和分析，并对煤自燃火灾防治技术进行展 望，以期对现场防灭火工作以及防灭火技术的理论 研究提供借鉴和参考。 1煤自燃火灾防治难点 随着煤炭开发战略西移步伐的加快、大型煤炭 基地主体作用的强化和高效高产智能化技术的推 广，煤自燃火灾特点进一步发展，使煤自燃火灾防 治难度加大。 1） 煤自燃火源点更难准确判定。煤自燃火灾有 90以上是处于地下阴燃状态[12,15]。 现代煤矿开采技 术日益趋向大型化和智能化，煤炭开采深度的加 深，煤层受开采机械的扰动和原始煤层的稳定性被 打破，地层沉降加上板壳运动等一些不稳定因素， 开采区煤层裂隙得以快速发育，持续发育的漏风裂 隙为自燃火源提供持续供氧，使得煤自燃的火源点 在多处分布， 增加煤自燃火源点准确判定的难度， 提 高煤自燃火灾的危险性。 2） 煤自燃火区更易二次氧化复燃。煤自燃具有 高温贫氧氧化的特点， 有试验表明[12-13]， 当煤温在高 温阶段 （200 ℃） 、 氧浓度为 3和保持适当供风量时 就可以维持持续的煤氧复合反应。在供氧足够充分 的条件下， 煤自燃火区在很短时间内就会出现明火， 这也是煤自燃火区容易出现复燃的主要原因。当煤 炭工作面推进的速度慢、 活火区治理速度缓慢， 随着 工作面缓慢推进和坑涧裂隙与塌陷裂隙持续发育， 易形成新的供氧通道， 火区极易再次复燃。 3） 煤自燃潜伏期缩短。煤炭的开采正在向更深 部推进，据统计我国煤炭资源埋深超过 1 000 m 的 深部煤炭资源量约为 2.68 万亿 t, 占总量 51.34[16]。 受高地温的影响，煤炭即使还没被开采也能获得比 较充足的热能[16]， 长期处于高地温环境下的煤体， 比 浅层煤体有更优良的氧化放热能力，在煤炭开采机 械和高温高应力的扰动下，深部煤层漏风通道得以 发育， 煤体的氧化和蓄热速度加快， 缩短煤自燃的潜 伏期， 增加煤体自然发火的危险性。 2煤自燃火灾防治技术及特点 目前的煤自燃火灾防治技术在宏观上是降低或 隔绝火区氧浓度， 打破蓄热条件或置换火区热能； 微 观上是破坏或者抑制煤氧化活性基团反应，降低煤 体的自燃倾向性， 实现防治煤自燃。 2.1堵漏控氧技术 堵漏控氧灭火作为主要的防灭火技术手段， 目 前仍有广泛的应用。堵漏控氧的技术手段除了水泥 喷浆等传统防灭火技术之外，还有新型的发泡水泥 充填防灭火技术， 其主要目的是封堵漏风通道， 减小 或杜绝向松散煤体的漏风供氧。 发泡水泥是以普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥 为基础， 发泡剂、 煤粉等为辅料， 混合搅拌而成的防 灭火材料， 具有良好的流动性、 渗透性和抗压性， 可 用于松散煤体和裂隙充填堵漏。发泡水泥材料含有 丰富的水分既能增强流动性， 又能降低煤体温度； 其 水分被蒸发后，形成了比较稳定和强度较大的固结 浆体， 避免采动扰动形成或者扩大漏风通道。Zheng 等[17]利用发泡水泥有效控制裂隙发育和降低煤自燃 火区氧浓度， 发泡水泥防灭火材料如图 1。 但发泡水 泥的抗压强度和稳定性有待提高，其发泡膨胀倍数 较低， 持续时间较短。 181 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2热管移热降温原理[18] Fig.2Cooling and heat transfer principle of heat pipes 2.2移热降温技术 移热降温技术除了注惰气泡沫、注三相泡沫等 传统的防灭火技术外，还有目前新型的热管移热技 术等，主要目的是置换煤堆内部自燃产生的热量， 减少煤堆热量积累， 有效控制火区发展。 热管移热技术是把热管应用于移除和置换煤堆 内部的自燃热量， 降低煤堆温度， 有效防止煤堆、 矸 石山等自燃火灾蔓延扩展， 或防止火区复燃。 李贝[18] 利用热管提高煤堆散热效率和阻止热量积聚，热管 移热降温原理如图 2； 程方明[19]等通过 ANSYS 软件 模拟热管对松散煤体降温的效果。然而，热管移热 技术所需热管数量较多，成本比较高，所需降温时 间比较长，且受到煤矿井下复杂地质条件和开采环 境的限制，热管移热技术的推广和应用有很大的局 限性。 2.3降温控氧技术 降温控氧技术主要有注 N2和液态 CO2技术、 胶 体、（泡沫） 凝胶等， 其主要目的降低煤体温度， 堵漏 降氧或稀释火区氧浓度，置换煤体内自热储存的热 能， 以达到熄灭井下火区的作用。 1） 注 N2和液态 CO2技术。注 N2防灭火技术工 程原理如图 3。注 N2和液态 CO2是利用相变吸热原 理降低火区温度，气态 N2和 CO2可稀释火区氧浓 度， Yu 等[20]利用液氮泡沫阻化剂迅速扑灭煤自燃火 灾，并有效抑制煤自燃复燃。但液态 CO2热容量较 小， 降低火区温度需要大量的材料； 在现场实际使用 过程中，对火区密封要求比较高，且煤体导热系数 低， 因此只能对局部降温灭火效果比较好。 2） 胶体防灭火技术。该技术可以利用不同的材 料调配出针对不同煤自燃区域特性的防灭火胶体凝 胶， 其状态呈浆糊状半流动膏体， 有效地充填松散煤 体裂隙， 形成胶体隔离带， 起到堵漏隔氧的作用， 能 够快速灭火且不易复燃。火区高温环境中，胶体浆 液富含 98～99液态水， 通过蒸发， 对火区热能进 行大量置换， 可降低火区温度， 减缓煤自燃速度， 起 到阻化作用。 胶体防灭火材料如图 4。 此类技术工艺 的代表如西安科技大学的高分子胶体 （如图 4 （a） ） 、 中国矿业大学秦波涛团队[21]研制的发泡凝胶 （如图 4 （b） ） 等。此外， 西安科技大学研制的粉煤灰复合胶 体 （如图 4 （c） ） 、 黄泥浆复合胶体材料 （如图 4 （d） ） 等可以充分利用粉煤灰等固体废弃物，形成具有不 易沉降、 便于长距离管道输送、 高水含量和长时间隔 氧降温等特性的防灭火材料。 2.4微观阻化技术 微观阻化技术主要包括热控阻化技术和离子液 阻化技术等，其目的是切断煤体参与氧化基团的关 键化学键，降低煤体自燃倾向性，从微观上治理煤 的自然发火。 1） 热控阻化剂技术。主要是向煤体喷洒煤体喷 洒 MgCl2、 CaCl2等热控阻化剂水溶液形成阻化膜， 以 切断煤体与氧复合，其热化过程水蒸气置换煤体热 能， 降低煤体温度。 CUI 等[22]利用 TRIs （热控阻化剂） 成功抑制煤自燃。但是阻化剂只有在产生的阻化膜 图 1发泡水泥防灭火材 Fig.1Materials for fire resistance of foam cement 图 3注 N2防灭火技术工程原理 Fig.3Engineering principle of firefighting technology by N2 injection 182 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 4胶体防灭火材料 Fig.4Materials for gel fire resistance 完全包裹煤体时才能发挥最佳效果，在实际操作 中，很难做到将阻化剂水溶液完全覆盖煤体，而且 目前使用的阻化剂阻化率低寿命短和一些阻化剂对 设备有腐蚀性， 挥发气体影响井下工人健康。 2） 离子液阻化技术。离子液体对煤体中易氧化 的基团进行溶解破坏，降低其氧化活性，从而降低 煤的自燃倾向性， 有效防治煤自燃火灾。邓军等[23-24] 指出咪唑类离子液体可破坏烟煤在低温氧化时的分 子结构侧链中的官能团，咪唑类离子液对煤的破坏 机理如图 5； 吕慧菲等[25]指出氧浓度低于 10和咪 唑类离子液体浓度为 7.5时， 咪唑类离子液对煤的 活性基团溶解破坏作用达到最大，有效降低煤的自 燃倾向性， 对煤自燃微观治理提供有效手段。 3发展趋势 经过几十年的发展，我国矿井煤自燃火灾防治 技术不断地进步和提高，理论研究也得到了极大地 丰富，但煤自燃机理仍需进一步研究。在面对复杂 的井下作业环境和煤自燃成灾条件，存在煤自燃程 度不明确等问题，煤自燃灾害的治理较为被动； 且 煤自燃灾害治理技术手段相对比较盲目，实现经济 精准高效防治效果具有一定的挑战性。因此，煤自 燃灾害防治仍需从以下几个方面进行深入研究 1） 煤自燃的形成演化与阻化机理。煤自燃是一 个复杂的物理化学过程，只有深入认识和揭示煤自 燃的形成与演化机理，探索更加高效的煤自燃阻化 机理， 研发先进的防灭火材料， 以实现精准高效的煤 自燃防治， 甚至从根本上防止煤炭自燃。 2） 煤自燃阶段的精细划分。煤自燃进程具有非 线性、 突变特征， 而且在煤自燃火灾防治过程中， 煤 自燃特性与现场数据的关联分析存在很大的难度， 难以准确预测现场煤自燃程度。因此，精确划分煤 自燃的发展阶段，针对煤自燃的各个阶段精准采用 合理的防治技术， 可有效治理煤自燃。 3） 煤自燃的动态监测与智能预警。利用表征煤 自燃的指标气体等预警指标，建立煤自燃的自动化 监测与智能化预警系统，即研发采空区高密度、 网 络化、多元信息获取与融合分析技术，用大数据分 析等手段动态评估煤自燃程度， 调用现场推采度、 回 采率、 漏风量态等关键参数， 动态判定和可视化呈现 采空区煤自燃危险区域，实现矿井煤自燃的动态监 测及智能预警。 4） 煤自燃的主动、 分级、 协同防控。基于煤自燃 精细划分与智能监测预警数据，判定煤自燃危险程 度和区域， 构建 “时空-分级-适配” 的主动协同防控 方法， 从煤自燃防控时机、 重点区域， 针对不同级别 煤自燃预警结果， 优选煤自燃防控技术手段， 以实现 煤自燃的高效早期精准防控。 4结语 经过多年的努力，煤自燃理论得到了极大的丰 富和发展， 防治技术也得到了长足的发展， 对我国煤 自燃防治工作提供了强大的理论和技术支持，有效 地防治了煤矿现场煤自燃灾害，对我国煤炭的安全 高效开采意义重大。然而，煤自燃部分重点难点问 题尚未有效解决， 采空区煤自燃火源点的精准定位、 煤自燃智能监测预警、高效防控技术手段等方面还 需要继续深入研究。此外，随着煤炭开采向深部转 移，煤自燃也出现了一些新的特点和难点，因此煤 自燃的科学研究任重道远，还需要煤炭科技工作者 们继续努力。 图 5咪唑类离子液对煤的破坏机理[25] Fig.5Destruction mechanism of imidazolium ionic liquid to coal 183 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 参考文献 ［1］ 中华人民共和国自然资源部.中国矿产资源报告 ［R］ . 北京 中华人民共和国自然资源部， 2018. ［2］ 电力规划设计总院.中国能源发展报告 ［R］ .北京 电 力规划设计总院， 2018. ［3］SHI Quanlin, QIN Botao, LIANG Hongjun, et al. 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