煤自燃火灾防治技术研究进展及趋势

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。     

下行通风遗煤自燃防治技术研究

针对下行通风综采面遗煤自燃问题,以某矿为例,通过理论分析,确定了遗煤自燃影响因素及易燃危险区域,并对易燃危险区域实施多点观测,识别了易燃危险区域的遗煤氧化环境,提出了辅运巷埋管注氮、胶运巷埋管注浆、回风巷埋管注氮的综合防灭火措施。经检验,该措施不仅能够有效地防治瓦斯积聚,且能有效地防止遗煤自燃。     

煤表面自燃特性结构综述

根据近代煤化学结构理论,分析总结了煤低温氧化过程中煤表面化学活性结构的变化规律,发现:桥键、侧链中的甲基、亚甲基、羟基、羰基、醚氧键等自燃特性结构首先与氧发生作用,表现为脂肪烃类侧链及官能团的减少和含氧官能团的先增加后减少,同时伴随热量的不断产生,为煤自燃体系的持续反应奠定基础。可见,煤表面自燃特性结构的数量多寡和活性强弱对煤自燃的低温氧化阶段有重要作用。     

煤自燃倾向性测试及监测技术研究进展

煤自燃是煤矿安全生产、运输和储存中的重大灾害之一。根据煤自燃防控实际需要,较全面地总结了煤自燃倾向性的测试方法,认为构建一个通用指标来评价煤自燃倾向性可以弥补单一测试方法的评估偏差;同时,重点分析了以温度为特征的OTDR技术与以指标气体为特征的TDLAS技术在煤自燃监测领域应用的原理及优缺点,通过两种技术的提升,建构特征温度与指标气体的定量关系,形成多参量数据融合的煤自燃监测技术能有效提升监测预警能力,并提出了无线传感器网络测温法与声发射技术在煤自燃监测领域应用的可行性。对煤自燃倾向性的检测与煤自燃火灾的监测预警研究具有重要作用,对实现煤自燃智能化协同防控治理和保障煤矿安全、高效、智能、绿色生产具有重要意义。     

煤自燃灾害防治技术现状与挑战

为促进煤炭资源高效利用,推动防灭火技术绿色、经济、科学的发展,基于我国煤自燃火灾害形势,阐述了煤自燃基础理论研究现状,根据煤自燃的发展特征及形成条件,提出了针对不同阶段防灭火的科学应对技术措施;综述了煤自燃预防、控制与灭火技术的研究进展,其中预防、控制主要是以阻化、灌浆注胶技术为主,灭火则由注水、灌浆转向惰性气体等灭火技术;从煤自燃火灾特征信息获取、探测手段实施、火源范围定位、防火材料及防火装备研发等方面总结了当前防灭火技术存在的主要问题与挑战。煤自燃火灾的防治应当遵循精准、快速、智能的原则,以实现煤自燃火灾由被动治理向主动防控的根本性转变。     

防治煤自燃塑性水玻璃凝胶研究

针对普通水玻璃凝胶容易失水、承压能力较弱、副产物有污染的缺点,选择新型塑性水玻璃促凝剂对水玻璃凝胶进行相关改性试验,结果表明:凝胶材料中水、促凝剂(NHC)、保水材料(SPA)、塑性材料(SU)四者的质量比为1 500∶160∶2∶3时,具有较好的保水和塑性效果,解决了普通矿用水玻璃凝胶存在的问题。     

煤低温氧化结构变化规律与煤自燃过程之间的关系

为了更深入地认识煤自燃的发生和发展过程,利用红外光谱对煤在不同氧化温度情况下的结构变化进行了测试,煤中大部分官能团随氧化温度上升其数量不断减少,这些官能团均是还原性较强的基团,是与煤中主体芳环连接的活性结构.与此同时,醛、酮、酯类羰基、芳香酮、醛类羰基等类含氧基团或者从无到有,或者官能团数量不断增加.煤体中不同结构具有不同的氧化活性,不同结构需要不同的温度条件才能够发生明显的氧化反应并释放相应的热量,由此可以得出：煤自燃过程是因为煤结构中不同官能团（活性结构）由于活化需要的温度与能量不一样,先被活化而发生氧化反应的官能团释放能量使其它需要更高活化温度和能量的官能团活化而进一步与氧发生反应释放更多能量,不同官能团依次分步渐进活化而与氧发生反应的自加速升温过程.     

易燃厚煤层采空区自燃三带分布特性及防灭火技术

通过在采空区预埋束管进行取样,检测采空区内气体成分随工作面推进进度变化情况,确定出孙家沟煤矿13304采面采空区煤自燃"三带"分布特性,获得采空区自燃带宽度范围。当工作面出现CO异常时,采用了工作面降风均压、自燃带埋管注氮、上下隅角封堵减漏风的综合防灭火措施,取得了良好的防灭火效果。     

黄陵二矿巷道浮煤自燃机理与防控技术研究

在分析巷道顶板煤自燃发生机理与特点的基础上,提出了巷道火灾防治的整体思路,并以黄陵二矿巷道自燃为研究对象,采用水系灭火材料中高分子胶体煤火工艺,有效治理了该巷道自燃点,取得了很好的防灭火效果。     

煤炭储运过程中自燃的防治研究进展

针对煤炭自燃现象造成的经济、资源损失和环境问题,分析了煤炭自燃过程及重要的影响因素,在此基础上介绍了常用防自燃方法、防灭火材料和阻化剂,对它们的作用原理进行了详细阐述,依据这些技术存在的不足和局限性提出了新型阻化剂和防灭火方法的发展趋势.     

泡沫凝胶防治煤炭自燃的特性与机理

针对现有煤矿防灭火技术存在的不足,提出并研发了泡沫凝胶防灭火技术。阐述了泡沫凝胶防灭火技术的特点,并通过固水特性实验、扩散模拟实验以及封堵漏风实验研究了泡沫凝胶的防灭火特性,研究结果证明泡沫凝胶兼有良好的固水、扩散、覆盖和封堵漏风通道的防灭火优点;建立了采空区浮煤自燃的动力学模型,结合模型分析了泡沫凝胶的大面积扩散覆盖、固水降温、封堵漏风、降低氧气浓度的采空区煤自燃防治机理,并将该技术在煤矿现场进行了实际应用,结果表明该技术能有效地防治采空区煤炭自燃。     

煤炭自燃防治技术评价体系

引入一种基于相对隶属度的模糊优选模型，从各种防治技术的防治效果、经济效益、安全可靠性、工艺过程、时间稳定性等方面，通过采用具体的评价指标，对其进行综合评估，避免选择防灭火技术措施时的片面性；在此基础上，提出自燃易发火煤层防治技术选择的指导原则，并对特定综合机械化放顶煤回采工作面的防灭火措施进行综合评价，优化防灭火措施，在实际应用中取得了显著效果.     

分层开采煤层自燃火灾的预防

煤层自燃是煤与空气中氧气相互作用的结果,自燃倾向性的煤层被开采、破碎后在常温下与空气接触,发生氧化,产生热量,使其温度升高,出现发火和易燃的现象。所以应及时准确地进行火灾早期预报,防止煤层积热自燃。     

回采技术选择与瓦斯涌出及煤自燃防治关系

论述回采技术选择与瓦斯涌出、自然发火防治之间的关系,指出中厚以上煤层采煤方法的选择对“一通三防”管理,尤其是瓦斯涌出、自然发火防治有着至关重要的影响,并用例说明必须选择合适的回采方法,以保证煤炭的安全生产。     

下分层工作面煤自燃早期辨识与防治

难胶结人工顶板层状漏风诱发煤体自燃是下分层工作面巷道掘进及生产过程中防灭火难题。针对煤自燃初期气体产物量小易受风流稀释而难以检测的问题,在向下分层煤层顶板布置专用测试装置,监测煤体内部气体的温度和气体成分,判定煤自燃状态。研究结果表明,煤体内测点最高可检出175×10^-6,巷道风流仍不能及时发现煤氧化气体产物;易自燃下分层煤体因二次氧化,自燃进程快,监测煤体内部气体能够实现煤自燃的早期辨识;煤层顶板冒落岩石胶结程度低,形成平面漏风是下分层煤体自燃的直接原因,通过向上分层采空区沿煤层走向注入高分子材料形成漏风封堵墙,有效控制了下分层煤体的自燃。     

煤自燃模型化合物苯甲醚和苯甲醇的低温氧化

根据煤自燃理论及煤分子化学结构,选用苯甲醚和苯甲醇为煤自燃模型化合物,分别研究其中的甲氧基和羟甲基在20~130 ℃的氧化反应。程序升温测试其不同温度下的氧化产物,通过色谱分析对不同温度下模型化合物的氧化特性进行研究。结果表明,苯甲醚及苯甲醇低温氧化均产生一氧化碳、二氧化碳、苯和苯酚。在50 ℃之前,苯甲醚中的甲氧基氧化活性较弱,之后随着温度的升高而不断增加,但增加的幅度较为缓慢;苯甲醇中的羟甲基在70 ℃之前氧化活性较弱,当反应温度上升到70 ℃时,其氧化活性迅速增强;尤其是当温度达到120 ℃时,苯甲醇中的活性基团的氧化活性急剧增强。     

浸水过程对长焰煤自燃特性的影响

为揭示长期浸水长焰煤的自燃特性及影响机制,实验研究了长焰煤原始煤样和长期浸水风干煤样的低温氧化特性,分析了长期浸水对煤微观结构、氧化升温过程及活化能等方面的影响规律。研究结果表明:长期被水浸泡煤样的表面孔隙结构更发达,平均孔径、介孔孔容和微孔孔容都有不同程度的增大;同时,浸水煤样表面的部分有机物和无机物会溶解在水中,煤中自由基浓度增加,基团分布与原煤相比存在明显变化;与原煤样相比,经过90,180 d浸水过程后的煤体,低温氧化过程的气体产生量和产生速率更高,交叉点温度由原煤的160.9℃降低至157,151.5℃,活化能分别降低了3.84,4.18 k J/mol,表现出更高的自燃倾向性。研究结果可为西部浅埋藏近距离煤层群开采上覆采空区长期浸水煤的自燃防治提供借鉴。     

复杂条件下综放工作面煤自燃防治技术研究

蒙泰不连沟煤业F6209工作面由于地表裂隙导通工作面,存在地表向采空区持续漏风的问题,工作面在末采回撤期间,由于设备及工艺影响,推采缓慢,导致采空区遗煤大面积氧化,采空区CO和瓦斯浓度持续升高,严重影响工作面的设备回撤及安全封闭,在矿上采用采空区注氮、喷洒阻化剂等常规防灭火方法效果不理想的情况下,加之地表回填工程量大、周期长,治理方法为首先通过漏风及遗煤分布判断采空区发火范围,再在划定区域打设检测钻孔分析,之后通过相邻工作面巷道向采空区打设深部钻孔,通过钻孔向火区大量注入普瑞特防灭火材料覆盖遗煤区域,对氧化遗煤进行隔氧冷却。最终,工作面气体及采空区遗煤氧化得到很好控制,设备全部安全回撤。     

超长综放面煤层自燃火灾防治技术研究

在确定超长综放面煤层自燃危险区域的基础上,提出了有针对性、高效的综合防灭火技术体系,建立了超长综放面煤层自燃火灾快速应急防灭火系统,成功地对兴隆庄煤矿4324超长综放面煤层自燃火灾进行治理,为超长综放面的安全生产提供了重要的技术保障。