兗礦綜合機械化放頂煤工作麵煤層自然發火防治技術
我國煤層自然發火情況嚴重，據統計國有重點煤礦中大約有56%的礦井存在煤層自然發火危險，而特厚煤層開采自然發火更為嚴重。近年來，隨著我國特厚煤層綜采放頂煤技術的試驗和推廣，煤炭的產量和效益大幅度提高，日產原煤高達1.0－1.6萬t，日產值達200多萬元，工作麵設備投資在4000－5000萬元，年產500萬t的礦井基本上可實現一礦一麵，確保工作麵安全生產顯得尤為重要。但這種采煤法的開采強度大、采空區遺留殘煤多、冒落高度大、漏風嚴重，隨之出現了難以解決的火災、瓦斯、粉塵等一係列問題。據統計，我國煤礦有50%以上的綜采放頂煤工作麵存在著自然發火危險，嚴重威脅著礦井的安全生產。因此，防滅火技術的研究工作也是綜放工作麵安全生產的關鍵之一。
1、我國煤層自然發火防治技術概況
1.1防滅火技術
20世紀50年代我國開始研究並在煤礦推廣黃泥灌漿防滅火技術，60-70年代研究阻化劑防火、均壓通風、高倍數泡沫滅火等技術，80－90年代研究礦井自然發火預測係統、惰氣防滅火、快速高效堵漏風、帶式輸送機火災防治等技術，並逐步形成適應普通采煤法和高產高效采煤法的綜合防滅火技術。目前我國煤礦煤層開采時期采用的火災防治技術措施，從總體上說有惰化、阻燃、堵漏、降溫及其綜合防治技術，共同發揮作用來實現防滅火的目的。
1.1.1惰化防滅火技術
惰化技術主要是指將惰性氣體送入擬處理區，抑製煤自燃的技術。主要用在當發生外因火災或因煤自燃火災而導致的封閉區。我國研製了燃油型DQ－150、DQ－1000型惰氣發生裝置，裝備了我國煤礦救護隊，成為滅火救災的重要設備。此外還研製了BGP－200型高倍發泡機以及YZWP－180型惰泡發生裝置。
近年來，注氮防滅火技術已在我國煤礦迅速推廣應用。除部分煤礦用深冷固定製氮機組和管輸下井注氮係統外，有些礦井開始裝備近年來新研製的地麵移動式碳分子篩變壓吸附製氮機組（BXND－500型、KYZD－800型）、井下移動變壓吸附製氮機組（JXZD－400)、膜分離製氮機組（KMDS－600型）等。由束管監測係統連續監測測定，確定采空區氧化、自燃、窒息三帶寬度後，用埋管或打鑽向采空區自燃帶連續注氮，惰化自燃帶，達到防火的目的。在撲滅巷道火災中，建臨時密閉後，向封閉區注氮氣，使火區氣體氧濃度降至10%以下可滅明火，降至1％－2%可快速滅火，燃燒深度大的火源，注氮量應達到火區體積的2－3倍。
1.1.2阻燃物質防滅火技術
阻燃物質防滅火技術主要是指將一些阻燃物質送入擬處理區，從而達到防滅火目的。除已作為常規防滅火措施使用的黃泥漿外，近年來發展起來的有粉煤灰、頁岩泥漿、選煤廠尾礦漿、阻化劑和阻化泥漿等，已經得到較廣泛的應用。
1.1.3堵漏風防滅火技術
工作麵推過後，及時封閉和采空區相連通的巷道、無煤柱工作麵順槽巷旁充填隔離帶、隔離煤柱裂隙注漿堵漏風等均屬於堵漏風防滅火。我國近年研究了雙料型高水速凝充填料和液壓快速注漿設備，並進行了無煤柱工作麵順槽巷旁充填隔離帶的試驗，已獲成功。還研製了KBJ一100/5, KBJ一50/3型速凝粉煤灰漿設備和注漿工藝，灰漿輸送距離達800m，用於構築永久密閉、煤壁裂隙、巷道高冒區灌注、膠結等作業。該設備和材料還可用於快速構築密閉。
1.1.4災變時期風流穩定、控製及救災指揮技術
我國研究火災時期風流穩定性和風流控製還處於建立物理數學模式進行通風網路解算和災變風流模擬的階段，未達到實用化階段。近年來還開展了救災專家係統的研究，試圖將眾多防滅火專家的技術經驗，經計算機軟件形成人工智能，組成救災專家決策係統，以便在各火災發生時快速選擇救災方案，避免人為因素的片麵性。由於該研究的工作量大、難度大，還沒有正規產品間世。自動防火監控風門、自控防火水幕也是開發研究的內容，已達實用化階段。
1.2火災的預測預報技術
1.2.1煤自然發火危險性的判定
20世紀80年代前，煤自然發火危險性的判定沿用前蘇聯的著火溫度法鑒定煤自然發火傾向，其結果和開采後證實的情況基本相符，但對於高硫煤差異較大。
近年來，研究色譜動態吸氧法測定吸氧量和吸氧速度，判定自然發火傾向，並研製了ZRJ－1型色譜自燃性測定儀，在煤礦已推廣使用。
在研究煤的自然發火期及其影響因素中，近年來采用了2種技術途徑：一是用煤堆實驗裝置在模擬條件下測定並解算發火期；二是測定煤的吸氧速度、氧化反應速度，以熱傳導及熱平衡原理推算最短自然發火期，並結合地質、開采、通風等影響因素的修正係數確定煤的發火期。
1.2.2自然發火預測預報
(1)預測預報指標
過去礦井火災預測預報指標主要采用CO，但最新研究表明CO已不是在任何情況下都可作為惟一的和最靈敏可靠的判別煤自燃火災的指標。最新的研究結果為：使用CO、C2H4及C2H23個指標，綜合地將煤自然發火分為3個階段：①礦井風流中出現10-6級CO時的緩慢氧化階段；②出現10-6級CO和C2H4時的加速氧化階段；③出現10-6級CO、C2H4和C2H2的激烈氧化階段，此時即將出現明火。應用這3個指標，不僅可預測火災，而且還可判別其階段，據此而采取不同的防滅火技術措施。本項技術已在較多礦井中得到應用，但對不同的煤層必須分別進行模擬實驗，優選其指標的具體應用值，才能正確地應用該項技術。
(2)預測預報手段
預報自然發火的手段，在20世紀70年代前是用井下人工采氣樣、地麵儀器03manbetx
，並結合溫度檢測和人的感知來判斷發火危險性。80年代煤礦普及氣相色譜03manbetx
方法，並研究應用束管監測係統抽吸井下氣體、地麵集中03manbetx
、微機自動數據處理和預報自然發火。束管監測係統已成為工作麵自然發火預報和采空區注氮防火的主要監測手段。
1.2.3外因火災檢測係統
我國煤礦近年曾發生膠帶輸送機或機電硐室火災，並造成重大經濟損失或人員重大傷亡。為此，近年相繼開發出幾種裝置和儀器設備，如煤炭科學研究總院重慶分院研製開發的KHJ－1型礦井火災監控係統及自動滅火裝置以及MPZ－1A型膠帶輸送機自動滅火裝置，它們由速差、溫度、煙霧、紫外線、熱敏電纜等5種傳感器和電源控製箱聯接，控製箱由單片微機實現監測控製、智能判斷、控製噴灑泡沫或水噴霧滅火，為我國煤礦外因火災的預測預報及防治增添了新的手段和能力。這些係統都是我國自己研製開發的產品，適應我國的具體情況，可供有關礦井選用。
2、煤層自然發火機理
2.1煤體自燃的起因和過程
煤自燃的發生和發展是一個極其複雜的動態變化的物理化學過程，其實質就是一個緩慢地自動放熱升溫最後引起燃燒的過程。該過程的關鍵有兩點：一是熱量的自發產生；二是熱量的逐漸積聚。
導致煤在常溫下產生熱量的因素很多，如水對煤的潤濕熱、煤分子的水解熱、煤中含硫礦物質水解及氧化熱、煤中細菌作用放出的熱量、煤對氧的物理吸附熱、煤對氧的化學吸附熱以及煤與氧的化學反應熱等等。這些因素對於煤體自發產生熱量都起著一定的積極作用，在某些條件下甚至是決定性的作用。但大量的研究工作發現煤的自燃主要是由煤氧複合作用放出熱量而引起，煤與空氣接觸後首先發生煤體對氧的物理吸附，之後又發生煤氧化學吸附和化學反應。
導致煤體自燃除熱量的自發產生之外，另一關鍵要素就是自發產生的熱量被逐漸積聚。煤體自燃所需熱量的積聚不但與煤氧複合作用放出熱量有關，還與煤體的散熱條件有關。實際條件下，煤體的放熱與煤體表麵活性結構種類和數量、煤體的溫度、氧氣濃度等因素有關；自燃煤體的散熱條件則主要包括煤體的空隙率、漏風強度以及周圍環境的溫度等。當煤體的放熱量大於煤體的散熱量時，煤體熱量被積聚，煤體溫度上升；當煤體放熱量小於散熱量時，則煤體溫度保持穩定。煤體熱量積聚過程，也就是煤體自然的發展過程，而自燃正是煤體放熱與散熱這對矛盾運動發展過程的結果之一。
綜上所述，煤自然發火主要是由空氣滲透進入鬆散煤體，空氣中的氧與煤分子表麵的活性結構接觸，發生物理吸附、化學吸附及化學反應，同時放出熱量，在一定的蓄熱環境下，煤體不斷地氧化、放熱、升溫，當煤溫超過臨界溫度後，煤體繼續升溫，達到煤的著火點溫度，最終導致煤體燃燒。
巷道在掘進過程中，煤體暴露於新鮮空氣中，在采動壓力作用下受壓而破碎、離層，風流在各種動力作用下滲透進入煤體，使煤體氧化放熱。當煤體放熱速率大於周圍環境散熱速率時，引起升溫，最後導致自燃。由於巷道煤層所處位置、鬆散煤體堆積形態、漏風動力、散熱條件等與一般煤層不同，具有自己的特性，尤其是綜放無煤柱開采。因此，巷道煤層自燃除了具有一般煤層自燃的共性之外，還有自己的特性。
2.2煤層自燃特點
2.2.1由於受煤礦開采條件及采煤工藝的限製，工作麵布置走向長度大，上千米煤巷采用綜掘一次完成，因而巷道煤體暴露於空氣的時間較長，一般均超過煤層最短自然發火期。
2.2.2巷道內因火災大多起始於距巷道表麵一定深度的中部。在采動壓力的作用下，暴露麵處的煤體破碎程度較大，漏風阻力小，漏風強度較大，超過引起煤自燃的上限漏風強度，熱量不能積聚，無法形成自熱高溫點；離暴露麵較遠的深部煤體，由於漏風通道不暢通，漏風阻力較大，氧氣滲透到該處時濃度已很小，低於煤自燃的下限氧濃度，處於窒息狀態，亦無法形成自熱高溫點；而在距暴露麵一定深度的中部，漏風強度適中，風流速度慢，氧氣濃度適宜，最容易滿足煤自燃的條件而形成自熱高溫點。
2.2.3煤體導熱性差，火源隱蔽，往往是在發現巷道煤體表麵溫度異常時，內部火勢已形成。自燃火源點逆著風流方向發展，有害氣體順著風流方向流動，有時隻見有毒有害氣體而不見明火，使尋找火源點的工作非常困難。
2.2.4巷道外因火災，火勢發展迅猛，很快就會形成大火，但隻要氧濃度小於12％火勢就熄滅。在發火初期隻有著火處煤溫很高，由於煤（岩）體導熱性差，周圍煤（岩）體的溫度升高緩慢，煤體的熱容量小，因此出現外因火災初期，火勢易於撲滅。巷道鬆散煤體自燃火災則不同，它是煤氧結合放出熱量引起自然升溫而形成的火災，由於煤體的長期氧化，逐漸地向周圍煤（岩）體散熱，同時自身熱量也逐漸積聚，煤（岩）體溫度升高，儲存了很大的熱能，火源點周圍煤（岩）體的溫度很高，欲降低如此大範圍高溫煤（岩）體的溫度難度很大，且易使暫時撲滅的火災複燃。
2.2.5井下巷道屬於半封閉空間，煤自燃產生的有毒有害氣體和滅火時產生的水蒸氣等隻能朝一個方向移動，救災人員工作空間回旋餘地小，給救災人員帶來很大威脅。
2.2.6厚煤層綜放開采順槽沿底板掘進，巷道頂煤自然發火較多，火源位置高。頂煤受礦壓和采動影響，易破碎離層；有些煤層煤質鬆軟，掘進過程中時常冒頂形成空洞區；有的上分層已采，下分層采用綜采放頂煤技術，由於煤層起伏變化、中間煤層破碎等原因，使綜放順槽與頂部采空區連通。
2.2.7無煤柱開采留小煤皮的沿空巷道與鄰近層采空區連通，火源沿巷道頂板及沿空側（或頂部）采空區發展迅速，火勢控製困難。
2.2.8兩道頂煤在回采前破碎區已受到長時間的氧化升溫，由於端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區後，產生5－8m寬的丟煤帶，采空區這2條遺煤帶相對其他地點溫度更高，自然發火期縮短；當接近停采線時，為了撤架而不放頂煤，使得采空區形成較大麵積懸空，且留有大量浮煤，而撤架時間又較長，使自燃性增強。當相鄰綜放麵沿空送巷和回采時，由於一次采落煤層厚度大，采動影響範圍廣，相應漏風量增加，容易引起巷道自燃火災。
2.2.9巷道自然發火主要發生在巷道高冒區、地質構造帶、煤體破碎帶、裂隙發育之處，以及巷道有突變的區域（巷道變形、起伏、擴大、縮小、轉彎、分叉、彙合及巷道內安設風門、風窗、風嶂、堆放雜物等）。這些區域漏風強度變化較大，浮煤易自燃。
2.3煤自嫩的危險區域
2.3.1采空區遺煤帶
工作麵開采初期，以工作麵開切眼附近采空區為主；工作麵開采過程中，以靠近工作麵順槽的相鄰采空區遺煤帶為主；工作麵停采撤架期間，以停采線附近采空區為主。
2.3.2巷道頂煤
極易自燃區為煤巷頂板局部高冒區、煤巷地質構造破壞區、煤巷起坡破碎區、煤巷煤柱沿空側廢棄硐室及開切眼、停采線；易自燃區為煤巷地質構造軸部破碎區、巷道硐室及溜煤眼、煤巷頂部破碎區、工作麵回采期間煤巷超前變形區；可能自燃區為煤巷上幫中部破碎區、煤巷上幫上部破碎區、煤巷下幫破碎區。
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