煤炭自燃预测预报及防治技术
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提要本文总结煤炭自燃预测预报技术，其中预测技术包括煤的自燃危险性预测、煤的自燃危险区域判定、煤层自燃发火期预测等技术；预报技术包括气体分析法、测温法、气味分析法等技术；煤自燃防治措施主要有灌浆技术、阻化剂技术、惰化技术等。
关键词：煤炭自燃；预测预报；防治措施
中图分类号：F27 文献标识码：A
我国有56％的煤矿存在自然发火问题，矿井火灾事故是一大突出灾害。当发生火灾时，由于井下空间狭小，通风与巷道的联通关系复杂，人员的避灾和撤离受到了限制，而且井下火灾极易引起瓦斯、煤尘爆炸，使矿井遭受巨大的财产损失，甚至导致井下工作人员的伤亡。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。本文对煤炭自燃的预测预报技术和防治措施的应用及发展进行了总结分析。
一、煤炭自燃预测预报技术
(一)预测技术。预测技术是在煤层尚未出现自然发火征兆之前(潜伏期)，采取不同方法对煤炭自燃危险性、易自燃危险区域、自然发火期等重要火灾参数指标做出超前判识的一种技术。
1、煤的自燃危险性预测。煤炭自燃危险性预测技术主要包括煤自燃倾向性实验测试法、综合评判预测法。
(1)自燃倾向性实验测试法。煤自燃倾向性的测试方法很多，主要包括：绝热测试法、着火点温度法、双氧水法(H2O2)、静态吸氧法、高温活化能法、差热分析法(DTA)、热重法(TG)、交叉点法(CPT)。其中，绝热测试法被公认为是最科学、最准确的测试方法，但是由于其耗时长而未能得到广泛应用。 20世纪九十年代，我国采用煤科总院抚顺分院研究并已纳入《煤矿安全规程》的色谱吸氧鉴定法作为法定方法。戚颖敏、钱国胤采用双回路流动色谱法研究煤低温吸附流态氧的特性，将煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃和不易自燃。由于吸氧法不能反映煤自燃的本质，并且煤炭自燃是由煤在不同温度下与氧的反应共同决定的，因此吸氧法测试结果不能全面反映煤的自燃倾向性，与实际有一定误差。
(2)综合评判预测法。陈立文等对影响煤层自燃危险程度内、外因素，进行主观判断、分析评分，应用模糊数学理论，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。王省身、蒋军成等人运用神经网络的方法，以影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素作为预测指标，预测煤层自燃的危险程度。施式亮、刘宝琛等用防火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时间序列煤自然发火预测模型来判断自然发火程度。田水承、李红霞应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数运用模糊聚类法对自然发火危险性进行了分类。
2、煤自燃危险区域判定。煤自燃危险区域的探测方法主要有：经验统计法、无线电波法、地质雷达探测法、遥感技术、地面物探法、气体探测法。近几年，根据火区产生的能量或放射性气体，如氡气，并逐渐形成了氡气探测法。20世纪八十年代以来，太原理工大学防灭火课题组进行了地面同位素测氡法探测煤层白燃火源位置与范围的研究。目前，探测深度可达500m，理论研究可达800～1200m，且能探测出高温氧化点。
3、煤层自然发火期预测。余明高、王清安等人和煤炭科学研究总院重庆分院的黄之聪和岳超平等人，根据煤与氧反应的热平衡，建立了最短自然发火期解算模型以及相应的实验方法，准确率达到75％～86％，对现场安全生产具有一定的指导作用。邓军等运用灰色系统理论，建立了在确定蓄散热条件下的煤最短自然发火期灰色预测模型，能真实地反映出煤层自燃性与煤的灰分、挥发分、硫分和含氧量等的影响关系，可用于煤自然发火期的定性预测。王大尉提出了基于活化能指标的自然发火期的求法。该方法是先求出煤的活化能，然后结合煤的氧化反应速度方程来确定煤的自然发火期。陆卫东等提出了基于L-M(Levemberg-Marquardt)BP神经网络预测采煤工作面最短自然发火期，并开发了煤自然发火期预测仿真系统软件，为制定预防采场自然发火的技术措施提供了可靠的技术参数。杨永良建立了煤实验条件下最短自然发火期计算模型。该方法实验周期短、用煤量少，应用的参数均来自实测结果，确保了计算结果的准确性。
(二)预报技术。预报方法主要有标志气体分析法、测温法、光电法、电离法、烟雾法、磁力预测法等。近年来，随着气味传感器的问世，又逐步形成了气味分析法。我国主要采用气体分析法和测温法，并以气体分析法为主。
1、气体分析法。气体分析法是以煤自然发火过程中的气体产物规律来预测预报煤自然发火的过程。八十年代煤矿普及气相色谱分析法，并成功研制了束管监测系统。“八五”期间研制的GC-85型矿井火灾多参数色谱监测系统，不仅提高了分析精度，而且使分析组分扩充为CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等以及包括SF6在内的矿井火灾的微量气体全组分分析。
2、测温法。测温法可分为两类：①直接用检测到的温度值进行预报或报警；②通过监测点温度的变化特性进行预报。温度监测用的传感器主要有热电偶、测温电阻、热敏材料、红外线等。红外线探测法是利用红外线探测仪进行探测。红外线探测仪有红外测温仪和红外热成像仪，应用最多的是红外测温仪。我国兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。测温仪表与测温传感器联合测温法，这是目前国内外最为广泛应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿即采用此法测量煤温。
3、气味分析法。2005年日本等国研制成功一种气味传感器。该检测方法不但能有效地预防煤矿内因火灾，而且能及时发现煤矿外因火灾，并且预报早期温度比传统的气体检测法提前20℃～30℃，具有重大的社会和经济效益。 无线传感器网络温度监测技术是近年来逐步发展起来的监测，煤自然发火的新的预测方法。太原电子研究设计院于2008年初就开始了对采空区温度无线自组网传感器监测系统的研究和开发，逐步开辟了煤白燃温度场无线网络监测预警技术的新领域。
二、煤炭自燃火灾防治措施
“预防为主，消防并举”是矿井防灭火工作的指导方针，是防治白燃火灾必须遵循的原则。为了防治煤炭白燃，国内外广泛采用注水、灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术。近年来，又较广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾、泡沫树脂等防灭火技术。
(一)灌浆技术。在20世纪五十年代，灌浆技术成为我国煤矿防灭火技术的主要手段，是一种简单易行、比较可靠的防灭火技术。其具有隔氧，散热、降温，加速
冒落煤岩的胶结的作用。
(二)阻化剂技术。目前，常用的阻化剂主要是氯化物。阻化剂防灭火技术包括：①喷洒阻化剂防灭火技术，是将含有阻化剂的水溶液均匀喷洒到煤体表面，以达到防灭火的目的；②汽雾阻化防灭火技术，是将受一定压力下的阻化剂水溶液通过雾化器转化成为阻化剂汽雾，汽雾发生器喷射出的微小雾粒可以漏风风流为载体飘移到采空区内，从而达到采空区防灭火的目的。此防灭火技术在八十年代铜川矿务局试验成功。
(三)惰化技术。惰化技术就是将惰性气体或其他惰性物质送入拟处理区，抑制煤层自燃的技术。惰性物质主要有黄泥浆、粉煤灰、阻化剂和阻化泥浆等。其中，粉煤灰注浆和阻化剂具有较大优势，可以取自某些废弃物再利用，多用于厚煤层采全高或分层开采。惰性气体技术从20世纪七十年代开始在德、法、英等发达国家煤矿中大量使用，其实质是向火区注入以N2和CO2为主的惰性气体，达到防灭火的目的。惰性气体泡沫防灭火材料主要是氮气泡沫、二氧化碳泡沫等。该技术避免了“拉沟’现象；适于采空区或煤堆深部的煤炭自燃。但由于泡沫很容易破灭，加上只有液相水，一旦水分挥发，防灭火性能就消失。
(四)三相泡沫防灭火技术。三相泡沫是将不溶性的固态不燃物(如粉煤灰或黄泥)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(发泡剂和稳泡剂)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一液一固三相的体系。该技术集注浆、注泡沫、注惰性气体和注阻化剂的综合防灭火功能，又克服了各自技术的不足。
(五)凝胶技术。凝胶材料分为无机凝胶和高分子凝胶，具有固水性、吸热降温性、密封堵漏性和阻化性，因此，通过向煤体裂隙或冒落区中注入凝胶材料，可以降低漏入煤体或冒落区的风量，并吸收煤体氧化产生的热量，从而减缓煤氧化自燃的速度，使已自燃氧化的煤体在缺氧环境下停止氧化。
(六)堵漏风防灭火技术。堵漏风防灭火技术用于采空区密闭堵漏风、隔离煤柱裂隙堵漏风、无煤柱工作面巷道巷帮隔离带堵漏风等多个场合，初期的堵漏防灭火措施主要为灌注黄泥浆、砂浆等，近年来研究成功了各种性能优良的新型充填堵漏材料，如无机固化粉煤灰、轻质膨胀快速密闭堵漏材料等。目前，堵漏的主要手段是水泥喷浆和泡沫喷涂，水泥喷浆工作量大，回弹多，抗动压性差；泡沫堵漏性能好，抗动压性好，但其成本较高，高温时分解，释放出有害气体。
(七)均压防灭火技术。均压防灭火技术是采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，从而断绝氧源，起到防灭火的作用。该技术能降低大量的漏风，缩小采空区氧化带范围，但工作面两端压差不可能降低为零，因此对工作面顺槽顶煤、上分层采空区、煤柱自燃预防作用不大。我国自20世纪五十年代初开始研究和应用均压通风防灭火技术，先后在全国许多煤矿进行了实践。在煤矿的正常开采过程中均压通风已经成为一项系统的、常规的、成本低并行之有效的矿井防灭火技术措施。
三、结语
目前的预测、预报技术虽对煤炭自燃火灾的防治起到较大作用，但为进一步提高预测预报准确率有必要深入研究煤的自燃机理及实际条件下煤炭自燃预测预报技术；煤矿防灭火技术的设计、实施与实现是一项复杂的系统工程，只有通过加强应用基础理论研究，开发适用性防灭火材料、技术、工艺与装备，有效控制煤矿火灾扩大与继发性灾害，将各种技术有机地结合起来，才能实现全矿井防灭火系统的技术创新。
主要参考文献：
[1]胡争国，仲晓星，王德明等，煤自燃倾向性鉴定方法不合理分析[J]，煤炭科学技术，2008.36.8