【正文】 國礦井近年來發(fā)生的瓦斯爆炸的誘發(fā)原因其中之一就是煤炭自燃火災(zāi)。因此，本文主要研究煤礦火災(zāi)的辨識和控制技術(shù)，這對于煤礦的安全生產(chǎn)和安全管理工作具有于分重要的意義。并根據(jù)所研究出的控制技術(shù)，對煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場所存在的火災(zāi)隱患進行迅速地分析以及進行有效地預(yù)防和控制，確保煤礦生產(chǎn)的安全、有序、高效進行，實現(xiàn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)目標，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，促進社會發(fā)展。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀煤炭自燃是我國煤礦開采過程中的主要自然災(zāi)害之一，不僅威脅井下作業(yè)人員的生命安全，而且影響生產(chǎn)的正常進行、凍結(jié)大量煤炭資源、造成采礦設(shè)備的損失。另據(jù)不完全統(tǒng)計和實踐表明，礦井自然發(fā)火占發(fā)火總數(shù)的94%，其中采空區(qū)自燃占內(nèi)因火災(zāi)的 60%。在礦山火災(zāi)的分類辨識方面，我國的研究人員根據(jù)發(fā)生的地點不同, 可分為地面火災(zāi)和井下火災(zāi)；按一次火災(zāi)所造成的人員傷亡、受災(zāi)戶數(shù)和財物損失金額, 可劃分為特大火災(zāi)、重大火災(zāi)和一般火災(zāi)；根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的原因, 可分為外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)。在礦山火災(zāi)的預(yù)控方面，主要有以下措施和方法：與預(yù)報：（1) 指標氣體分析法。（2)測溫法。此方法可以直觀地了解煤層的溫度及其發(fā)火程度，對火災(zāi)預(yù)報有重要的意義。利用等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測定采空區(qū)漏風(fēng)量的技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用。：(1)開拓開采技術(shù)措施。其中又包括開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓；（4）預(yù)防性灌漿；（5）阻化劑；（6）惰性氣體；（7）凝膠；（8）三相泡沫。其中包括水滅火、泡沫滅火、水淹滅火、挖除火源、注漿滅火；（2）風(fēng)流控制和隔絕滅火。常用密閉來隔絕滅火。英國的 TekPacking 高水速凝充填料，相應(yīng)的井下制漿泵輸送設(shè)備及采空區(qū)巷旁袋裝充填工藝；原蘇聯(lián)東方研究所的洗煤廠尾礦地面制漿泵送下井，混合速凝水泥充填工藝；日本、波蘭的粉煤灰、水泥地面制漿泵壓下井，采空區(qū)巷旁袋裝充填工藝；英國的輕質(zhì)發(fā)泡水泥漿充填及發(fā)泡水泥砌塊隔墻堵漏風(fēng)等。國外（如德國、英國）已將其列為撲救井下火災(zāi)的一種標準方法，德國在 80 年代研制了移動式制氮裝置，這些裝置可快速運到任何地點的礦井使用。hm3 hm3惰泡防滅火是 70 年代興起的防滅火技術(shù)，進入 80 年代以來，前蘇、法等主要產(chǎn)煤國家開發(fā)了惰氣泡沫壓注技術(shù)防治采空區(qū)浮煤自燃，取得了較為顯著的成效，該技術(shù)能起到降溫，減少漏風(fēng)，降低采空區(qū)氧濃度等作用。對己形成高溫的浮煤，僅依靠惰泡隔氧滅火，需注泡量很大，且一旦停止注泡很易復(fù)燃。依據(jù)相關(guān)資料和實習(xí)經(jīng)歷，并研究各種預(yù)控技術(shù)，及時預(yù)防和控制火災(zāi)事故的發(fā)生，盡量降低火災(zāi)事故所帶來的損失，保護生命和財產(chǎn)的安全，確保煤礦企業(yè)安全、有序、高效的進行生產(chǎn)活動。煤炭自然發(fā)火與外因火災(zāi)相比，具有發(fā)生、發(fā)展緩慢并有規(guī)律的演變過程，可在他的初期發(fā)現(xiàn)。所以，自燃火災(zāi)對煤礦安全生產(chǎn)和礦工的生命的危害性更大。 影響煤炭自燃的內(nèi)在因素影響煤炭自燃的主要內(nèi)在因素是煤的自燃性能，煤的自燃性能主要受下列因素影響 [2]：（1)煤的變質(zhì)程度。就整體而言，煤的自燃傾向性隨煤的變質(zhì)程度增高而降低，即自燃傾向性從褐煤、長焰煤、煙煤、焦煤至無煙煤逐漸減小。彭本信，Ogunsola(1991)及戴中蜀(1999)等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)隨著煤化程度提高，煤的氧化放熱量是按照褐煤長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤的趨勢呈有規(guī)律的變化。局部而言，煤層自燃傾向性與煤的變質(zhì)程度之間表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系，即同一煤化程度的煤在不同的地區(qū)和不同的礦井，其自燃傾向性可能有較大的差異。完整的煤體一般不會發(fā)生自燃，一旦受壓破裂，呈破碎狀態(tài)存在，其自燃性能顯著提高，這是因為破碎的煤炭不僅與氧氣接觸的表面積增大，而且著火溫度也明顯降低。根據(jù)波蘭的試驗，當煙煤的粒度直徑為 ～2mm時，其著火點溫度大多在 330～360℃；粒度直徑小于 1mm 時，著火點溫度可能降低到 190～220℃。這也是煤礦井下自燃多發(fā)在粉煤及碎煤集中的地方的原因。高桑功等(1977) 研究認為：煤的破碎性通常用硬球指數(shù)表示，硬球指數(shù)即是試驗煤樣與標準煤樣在同一外力的作用下，其暴露的表面積之比值。Schmidt [3]認為氧化速率與內(nèi)煤粒外表面積的立方根成正比；Carpenter 和 Sergeant (1996)研究發(fā)現(xiàn)當煤粒徑低于某個臨界粒徑(一般為 138～387um )時，氧化速率基本與粒徑無關(guān)：Karsner(1981)的研究表明當粒徑在 時氧化速率與粒徑無關(guān)；Bouwman(1996)指出大孔在煤的氧化行為中占支配地位，空氣的滲透為擴散控制；Kaji（1985)通過對不同變質(zhì)程度的煤在30～250℃的氧化行為進行研究后，指出當煤粒度lmm 時氧化速率與粒徑無關(guān)，并認為孔徑100 埃的孔在煤氧化中起主要作用；A. Kucuk[4]（2022)等通過對土耳其褐煤實驗研究，得出混合粒度煤樣的氧化速率大于單一粒度煤樣的氧化速率。煤巖成分對煤的自燃傾向性表現(xiàn)出一定的影響，但不是決定性的因素。各種單一的煤巖成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按鏡煤亮煤暗煤絲煤的順序遞減。鏡煤與亮煤脆性大，易破碎，而且灰分小，在其次生的裂隙中常常充填有黃鐵礦，開采中易碎為微細的顆粒，細微狀的煤?；螯S鐵礦都有較高的自燃氧化性能，因此它的氧化接觸面積大，著火溫度較低，故鏡煤與亮煤在絲煤吸附氧化升溫的促使誘導(dǎo)下很容易自燃。煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過程進行，它類似用惰性氣體稀釋空氣對氧化發(fā)生的影響。但也有人認為，煤吸附瓦斯與吸附氧的機理不同，因此影響不大。有的研究表明，當煤層中的剩余瓦斯含量大于 5 時，自燃難以發(fā)生；瓦斯涌出速度高時，很難發(fā)tm3生煤的氧化，但是瓦斯涌出速度小于 ～ 時，瓦斯涌出對煤hgml?的氧化過程沒有影響。煤中的水分是影響其氧化程度的重要因素，在煤的自熱階段，由于水分的生成和蒸發(fā)必然要消耗大量的熱。但是，煤中的水分又能充填于煤體微小的孔隙中，把氮氣、二氧化碳、甲烷等氣體排除，當干燥以后對煤的吸附起活化作用。所以，地面煤堆在雨雪之后容易發(fā)生自燃，井下灌溉滅火，疏干之后自燃現(xiàn)象更為強烈。從這方面看，水分又有利于煤炭自燃的發(fā)生。煤中硫有三種存在方式：硫化鐵即黃鐵礦、有機硫以及硫酸鹽。黃鐵礦的比熱容小，它與煤吸附相同的氧量而溫度增值比煤大 3 倍。我國許多高硫礦區(qū)如貴州的六枝，四川的芙蓉和中梁山，江西的萍鄉(xiāng)、英崗嶺，湖南的楊梅山均屬于自燃比較嚴重的礦區(qū)。Herman (1994)綜合使用 XRD，SEM，EDXA 和 Mossbauer 波譜等手段考察了煤中礦物質(zhì)在低溫氧化過程中的變化，指出含 Ca 礦物對煤的低溫氧化起催化作用，還有的學(xué)者認為菱鐵礦等含二價鐵離子的礦物對自燃也有較大影響，尤其是在 Co、Mn 等離子的催化作用下，它們更容易氧化并有利于過氧化物的產(chǎn)生。上述各種因素在煤炭自燃過程中起著重要的作用。 影響煤炭自燃的外在因素煤炭自燃傾向性是煤的一種自然屬性。然而在生產(chǎn)中，一個煤層或礦井自然發(fā)火危險程度并不完全取決于煤的自燃傾向性，還受煤層的地質(zhì)賦存、開拓、開采和通風(fēng)條件的制約。許多開采同一煤田、相同煤層的不同礦井，甚至同一礦井不同的開采時期，在煤的性質(zhì)、煤層賦存條件基本相同的礦井，但由于以上因素的差異，造成自然發(fā)火的次數(shù)明顯不同。實踐經(jīng)驗表明，開拓布置對自然發(fā)火煤層的礦井影響很大。2)采煤方法。如高落式、刀柱式，長壁式采煤法留煤皮假頂以及回采率較低的水力采煤法對防火均不利。通風(fēng)對自燃的主要影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)、煤柱、煤壁裂隙的漏風(fēng)。當風(fēng)速過小時，漏風(fēng)供氧量很小，氧化生熱小，不易自熱和自燃；當漏風(fēng)風(fēng)流過大時，供氧充足，氧氣生成的熱量可被風(fēng)流帶走，同樣不能形成熱量積聚，不會發(fā)展成為自燃火災(zāi)。對應(yīng)于實際中主要是通過漏風(fēng)和擴散供氧，因此，對于開采自燃煤層的礦井，要求低風(fēng)壓通風(fēng)(采空區(qū)風(fēng)壓不宜于超過 200Pa，礦井風(fēng)壓不得超過 3000Pa)，待超過時及時封閉。n（2)地質(zhì)因素主要有：1）傾角：煤層傾角較大時，特別是急傾斜煤層，由于采煤方法等原因往往造成較多丟煤，且采空區(qū)封閉困難，所以其自燃危險性較大。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，有 80%的自燃火災(zāi)發(fā)生在厚煤層中。所以，厚煤層是自然發(fā)火危險性最大的煤層，開采有自然傾向性厚煤層的礦井，應(yīng)特別重視內(nèi)因火災(zāi)的防治工作。有褶曲、斷層和巖漿巖侵入等地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)域，煤層自然發(fā)火危險性較大。4）開采深度：煤層賦存太淺或太深都會增加自然發(fā)火的危險性。 煤炭自然發(fā)火早期識別與預(yù)防 煤炭自燃危險性預(yù)測研究(1)自燃傾向性實驗預(yù)測法 [6]煤自燃傾向性是指煤層開采之前，其自然發(fā)火的可能程度，所有煤種均具有自燃傾向性，只是不同煤種、不同環(huán)境條件下的自燃傾向性呈現(xiàn)不同。 在二十世紀八十年代之后，美國礦業(yè)局 [7]研究出利用絕熱爐這種實驗裝置測定煤炭的最小自熱溫度，進而評估煤的自燃傾向性；加拿大 [8]采用靜態(tài)恒溫法、可燃性法、絕熱法和動態(tài)法去研究煤的自燃傾向性；土耳其[9]采用非恒溫動態(tài)法來測試自燃臨界溫度和一氧化碳產(chǎn)生率，進而預(yù)測自燃傾向性；南非 [10]采用由計算機自動控制的絕熱量熱法來預(yù)測自燃傾向性的。但由于以上方法存在著缺點和各種客觀原因，我國一直用著火點溫度降低值法(即固態(tài)氧化劑法)來劃分煤自燃傾向性。因此，為了建立更完善的新的煤樣自燃傾向性鑒定方法，我國在六十年代初曾經(jīng)進行過靜態(tài)吸氧法和雙氧水法的研究，但后來研究工作結(jié)束后并沒有得到推廣應(yīng)用。但該方法只能測試可逆的物理吸附和脫附量，而且因為伴隨著化學(xué)吸附和反應(yīng)，難以計算氧消耗量；另外，煤的吸附性能同時也因為煤巖組份、破碎煤體孔隙結(jié)構(gòu)、粒度的組成、水的含量等多種因素的不同而不同，而煤樣的自燃性是受多種因素所影響的。 在實際開采條件下煤的自然發(fā)火現(xiàn)象與現(xiàn)有自燃傾向性測試方法相差甚遠。這種方法是在人為強制下使煤和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而動態(tài)和靜態(tài)吸氧法，在反應(yīng)過程方面是相似的，但是實驗研究和測試的方法與現(xiàn)場實際是不同的。并且煤氧反應(yīng)是十分復(fù)雜的，物理作用可逆，而化學(xué)作用正好相反，是不可逆的。因此，無論靜態(tài)還是動態(tài)吸氧法對煤自燃傾向性的考察與現(xiàn)場實際是相差很遠的。由于問題的復(fù)雜性，人們在給外在因素進行評分時帶有一定程度的主觀臆斷，而且各個采煤國家僅是根據(jù)本國自身的具體情況制定相應(yīng)的評判方法。尤其是波蘭已取得進展，它把復(fù)雜的外界因素歸納為地質(zhì)條件、開采條件、通風(fēng)條件等七個方面因素，用 S 表示，再和煤自燃i傾向性指標 SZ (帶灰份指標)相加，即得礦井自然發(fā)火危險程度指標。近年來，王省身、蔣軍成、王德明、王俊、趙向軍、李文平等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測煤層自燃危險程度 [12]，雖然他們采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各不相同，但均是采用影響開采煤層自燃危險性的三個主要因素，即煤炭自身的自燃傾向性，開采煤層的地質(zhì)賦存條件和開拓條件、通風(fēng)技術(shù)條件，作為預(yù)測指標，再對預(yù)測指標作進一步細分，來預(yù)測煤自燃的危險程度。天水承、李紅霞應(yīng)用煤自燃傾向性、煤層厚度、煤層傾角、煤的固性系數(shù)及開采參數(shù)運用模糊聚類方法對自然發(fā)火危險性進行了分類。該方法針對綜放面采空區(qū)，在已測到的漏風(fēng)強度 Q 和煤體溫度 T 的基礎(chǔ)上，利用Rough Set（RS)的約簡理論對測量數(shù)據(jù)約簡。實測數(shù)據(jù)驗證表明，該方法比常規(guī)預(yù)測方法簡便且精度高。以上這些方法都是利用大量的統(tǒng)計資料，分析煤自燃主要因素的影響程度，粗略預(yù)測煤層自然發(fā)火危險程度，對發(fā)火期以及可能發(fā)火的區(qū)域則無法進行預(yù)測，所以該方法只能定性不能定量。這種方法只能根據(jù)巷道實際情況和自然發(fā)火統(tǒng)計資料，粗略判斷巷道可能的發(fā)火區(qū)域和高溫點位置。 煤層自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報技術(shù)煤層自然發(fā)火預(yù)報技術(shù)是指在煤層開采后，根據(jù)煤自燃進程中的溫度、氣體等變化特征，判識自燃狀態(tài)，對自然發(fā)火進行識別并預(yù)警的技術(shù)。（1）指標氣體分析法煤炭自燃指標氣體是指能預(yù)測和反映其自燃發(fā)火狀態(tài)的某種氣體，這種氣體的產(chǎn)率隨煤溫的上升而發(fā)生規(guī)律性的變化。50 年代開始，我國煤礦在學(xué)習(xí)蘇聯(lián)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開始應(yīng)用檢測 CO 的方法來發(fā)現(xiàn)自燃火災(zāi)，其主要檢測技術(shù)為波羅克曼分析儀。但是使用的氣體仍然采用 CO 以及其派生氣體，氣體的分析開始試采用紅外技術(shù)。國內(nèi)外相關(guān)的氣體指2HC4標如下表 所示：在氣體分析手段方面，我國 1995 年成功研制了煤礦專用 GC4008 型指標氣體國家名稱 主要指標氣體 輔助指標氣體中國 CO、 42HCCO/△ 、 /2O6HC42俄羅斯 CO /美國 CO CO/△ 2英國 CO、 42CO/△日本 CO、 HCCO/△ 、 /2O6HC42波蘭、德國、法國 CO CO/△表 各國煤自燃指標氣體 [15]氣相色譜儀，可以分析煤自燃火災(zāi)的氣體產(chǎn)物，具有常量分析和微量分析的功能，最小檢知濃度可達 。95 年完成的國家“八五”攻關(guān)項目一 GC85 型多參數(shù)色譜檢測系統(tǒng)能夠自動進樣一次完成火災(zāi)氣體的全組分分析，并目可與束管檢測采樣系統(tǒng)接口聯(lián)合使用。（2)測溫法測溫法是指利用溫度傳感器對被監(jiān)測地點進行溫度監(jiān)測以發(fā)現(xiàn)煤層發(fā)火危險程度的預(yù)報方法?，F(xiàn)有預(yù)報煤層發(fā)火的測溫法有兩種 [17]：1)直接用檢測到的溫度進行預(yù)報；2）根據(jù)溫度的變化特性進行預(yù)報。近年來普遍推廣的是測試簡單、操作方便的紅外測溫儀等。（3)示蹤氣體法利用 等熱穩(wěn)定性較好的示蹤氣體測定采空區(qū)漏風(fēng)量的技術(shù)已經(jīng)成6SF功應(yīng)用。示蹤物質(zhì)的選擇對測定煤體熱狀態(tài)具有重大的影響。（4)測氡法探測火源位置氡為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，因此在測量時既可測氡氣，又可測其子體而反映母體核素的形態(tài)及變化狀況，氡子體有很強的吸附能力，它們能牢固地附著在器物表面，因此可用不同的方法將氡或其子體收集進行測量。探測器按工作原理可分為