煤自燃灾害防治技术现状与挑战_邓军.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 煤自燃火灾的防治对保障国民经济稳定发展具有重要的地位， 煤矿安全一直受到党中央、 国务院高 度重视， 特别是党的十八大以来， 习近平主席多次强 调 “安全生产事关人民福祉” ， 李克强总理在十三届 全国人民代表大会第三次会议中明确提出“保障能 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807900） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51804247） ； 陕西省自然科学基金资助项 目 （2018JM5071） 煤自燃灾害防治技术现状与挑战 邓军 1， 2， 白祖锦1， 肖 旸 1， 2， 宋泽阳1， 2 （1．西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2．西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 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。 关键词 煤自燃灾害； 煤自燃机理； 防治理论； 阻化技术； 防灭火技术 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0118-08 Present Situation and Challenge of Coal Spontaneous Combustion Disasters Prevention and Control Technology DENG Jun1,2, BAI Zujin1, XIAO Yang1,2, SONG Zeyang1,2 （1.College of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China; 2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention of the Ministry of Education, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract To promote the efficient utilization of coal resources and develop the green, economic, and scientific fire-fighting tech－ nologies, current situation of coal fire disasters in China was briefly introduced, and the basic theoretical research status of coal spontaneous combustionCSC mechanism and characteristics are explained. A technical scheme for fire prevention at different stages is proposed. Then, this paper summarizes the technological progresses of CSC prevention, control, and fire extinguishment. Among them, prevention and control are mainly based on plugging wind, grouting and glue injection, and fire extinguishment tech－ nology is changed from water injection and grouting to inert gas. Finally, the main problems and challenges of current fire preven－ tion and control technology, including acquisition of characteristic ination of coal spontaneous combustion fire, implementation of detection means, location of fire sources, research and development of fire protection materials and equipment are summarized. The prevention and control of coal spontaneous combustion fire should follow the principles of precision, speed and intelligence, so as to realize the fundamental change from passive control to active prevention and control of coal spontaneous combustion fire. Key words coal spontaneous combustion disaster; coal spontaneous combustion mechanism; prevention and control theory; inhibit－ ing technology; fire prevention and control technology DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.018 邓军， 白祖锦， 肖旸， 等． 煤自燃灾害防治技术现状与挑战 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （10） 118-125. DENG Jun, BAI Zujin, XIAO Yang, et al. Present Situation and Challenge of Coal Spontaneous Combustion Disasters Prevention and Control Technology ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 118-125. 移动扫码阅读 118 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 源安全， 其首要是推动煤炭清洁高效利用” ， 可见煤 炭安全利用关系到千家万户，关系到每一个家庭的 切身利益。 当前我国正处于经济转型升级的关键时期， 新 能源和可再生能源对化石能源，特别是对煤炭的增 量替代效应明显，对煤炭的需求在长时期内将难以 发生变化， 煤炭仍是我国能源安全战略的基石[1]。然 而，煤炭在开采的过程中长期遭受煤火灾害的困 扰，如何有效地预防煤火灾的发生，是保证煤炭安 全开采的关键， 也是难点。随着矿井开采深度的增加 和综采技术的发展， 煤自燃灾害形势也更加严峻[2]。 同时，我国煤田火灾害也十分严重。煤火灾已经直 接影响到我国煤炭资源的可持续发展和国家生态文 明建设。因此，煤火灾害的防治是当前亟待需要解 决的问题。为此对现有的防灭火新技术进行综述， 对防灭火新材料进行介绍，分析当前煤火灾害防治 面临的问题，并对煤火灾害防治新技术、新材料的 发展进行展望。 1煤火灾害分布及危害 根据成因和形成条件， 煤火灾害可分为 2 类 一 类是煤自燃火灾，主要有矿井煤自燃火灾、地面储 煤堆自燃火灾和煤矸石山自燃火灾，其中矿井煤自 燃火灾更为常见，后果更加严重；另一类是煤田火 灾， 属于典型的非控燃烧， 波及面积广、 深度大[3]。 1） 煤自燃火灾。煤自燃是矿井的五大灾害之一， 煤自燃易引起瓦斯、煤尘等爆炸事故，严重威胁着 矿井的安全开采。据统计， 我国的 25 个主产煤省区 的 130 余个矿区中，受煤自燃隐患困扰的煤矿超过 70。其中 40 个大中型矿区煤层自然发火严重。全 国 657 处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井 数量占 54.9。 最短自然发火期小于 3 个月的矿井数 量占 50以上， 自燃火灾严重影响煤矿安全生产[4]。 近年来，随着放顶煤技术的发展和开采深度的增 加， 采空区遗煤增多， 温度升高， 扰动增强， 煤自然 发火形势愈加严重。例如山东新矿集团的高地温特 厚分层开采煤层已达 1 200 m 深， 地温已超过 35 ℃， 通过冰块等降温方法也只能降工作面 200 m 范围 以内的温度。 2 ） 煤田火灾。煤田火灾分布广泛、 火灾程度严 重。我国的煤田火灾主要分布在新疆、 甘肃、 青海、 宁夏、陕西、山西、内蒙古等 7 个产煤大省（自治 区） ， 现共有 200 多个煤田火区， 从帕米尔高原到大 兴安岭的沙漠干旱带上，形成了东西长 5 000 km、 南北宽 150～350 km 的煤火燃烧带。近年来， 受到干 燥少雨的气候、 埋藏浅、 露头多等自然因素和大规模 煤炭开采等人为因素的影响，新疆维吾尔自治区煤 田火灾问题尤为严重，目前新疆煤田火区还有 46 处， 火区面积 669 万 m2。煤田火灾造成环境污染， 严 重浪费资源。据统计[5]， 仅新疆每年因煤田火灾损失 煤炭资源 442 万 t， 排放二氧化碳 1 320 万 t、 一氧化 碳 10.3 万 t、 总烃 2.05 万 t、 二氧化硫 4.41 万 t、 烟尘 1.05 万 t， 在低空造成有害气体严重超标， 在中空对 流形成大范围的酸雨， 在高空破坏臭氧层。同时， 煤 田火灾破坏周围森林与其他植被，滑坡与泥石流等 地质灾害也大大增加， 引起次生灾害的频发。 2煤自燃火灾防治理论与技术研究进展 2.1煤自燃火灾防治理论与方法 煤氧吸附是煤自燃过程中关键的一步，煤在氧 化的过程中吸附氧气， 不断发生链式反应， 从而放出 热量， 造成煤体升温。煤自燃的发展， 需要经过潜伏 期、 自热期和燃烧期 3 个时期[6]。煤自燃发展阶段可 量化煤自燃预警指标， 确定煤自燃预警指标临界值， 建立煤自燃预警指标体系。通常认为在煤临界温度 之前采取措施是防治煤自燃的关键。临界温度之前 的区域称为潜伏期 （准备期） ， 临界温度与裂解温度 之间的区域为自热期，裂解温度之后的区域为燃烧 期。另外，煤炭自燃需具有自燃倾向性且成破碎状 态、 热量可以积聚、 持续的通风供氧和足够的时间， 四者缺一不可。因此，可根据煤自燃发展过程的阶 段特征及发生条件来采取防治措施，在自热区域采 用阻化剂预防煤自燃，在自燃区域主要是采取无机 膨胀充填、 灌浆、 注胶等措施进行控制， 在高温区域 主要是采用液态二氧化碳、 液氮、 挖除火源等方法进 行熄灭， 煤自燃防控理论与方法如图 1， 煤自燃各阶 段防控技术见表 1[7]。 2.2煤自燃低温氧化预防技术 根据煤氧复合机理，学者开发了众多类型的阻 化剂， 这些阻化剂通过吸水隔氧、 保湿降温、 抑制或 中断链式反应作用等协同发挥，延缓煤的氧化历 程， 抑制煤自燃[8]。 1） 物理类阻化剂。物理阻化剂可改变煤体周围 的物理环境来达到预防煤自燃的效果，但由于阻化 剂易受温度、地形等因素的影响，存在阻化寿命短 的关键问题，从而造成火区易复燃，只能再次使用 阻化技术预防煤体温度上升。各物理阻化剂的优缺 点见表 2。由表 2 可以看出 ①吸水性盐 氯盐所含 119 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 大量水分高温下蒸发吸热，防治热量积聚，降低煤 氧复合反应，当温度达到临界温度时，温敏材料中 的阻化剂被释放出来，克服了氯盐与高含水物理阻 化剂抑制作用时间短且流动性强的缺点[24]， 铵盐受 热分解可吸收煤氧化反应产生的热量，起到降温的 作用，同时分解产生的氨气和二氧化碳也会稀释氧 气浓度； ②高聚物 由高聚物、 特殊的表面活性剂和 一定比例的添加剂组成的物质，将表面活性剂吸附 在煤粒表面使其湿润，不仅吸收煤氧复合反应放出 的热量，也可隔绝煤体表面的氧气，从而延缓煤反 应进程。③泡沫材料 利用泡沫的吸热、 隔氧等性能 进行防火[25]； ④气溶胶阻化剂 是以超声波雾化技术 将阻化剂如氯盐雾化后注入危险区域；其颗粒粒度 极小， 具有比表面积大、 悬浮时间长、 扩散速度快等 特点，通过物理、化学作用实现灭火；⑤膏体阻化 剂 依靠抗压性能强及隔氧的作用， 常用于井下防灭 火和堵漏风工作。 2） 化学类阻化剂。化学类阻化剂的阻化原理是 阻化剂与低温下煤的活性基团反应生成稳定的中 间产物， 惰化煤氧反应官能团活性， 逐步中断活化 反应链， 减弱煤氧化学反应， 进而抑制煤自燃。各化 学阻化剂的阻化特点见表 3。 由表 3 可以看出 ①抗 氧化类阻化剂抢先与煤中的自由基或者活性基团 反应，破坏煤氧的复合进程，抑制煤自燃，例如， 2， 2， 6， 6－四甲基哌啶-氮-氧化物 （TEMPO） 可以与 烷基自由基结合来降低自由基的活性和浓度，从而 抑制了自由基的连锁反应； ②碱性阻化剂 常用与抑 制高硫煤的自燃， 例如， Ca （OH）2分别从物理、 化学、 表 1煤自燃各阶段防控技术 Table 1Prevention and control technologies at various stages of CSC 类型主要材料优点缺点经济成本/元 m-3应用矿区 均压及堵 漏风 调压装置;粉煤灰、 水泥等 无机材料； 泡沫、 胶体等有 机合成材料 初期效果明显 不能本质上抑制煤自燃;施工 量大、 工艺复杂； 成本高、 高温 下分解产生有害气体 80～1 000各个矿井都在用 注水注浆 技术 矿井水或自来水； 黄泥、 粉 煤灰、 矸石、 砂浆、 水泥等 来源广泛、 成本较低； 工艺简单 易受地形影响； 灭火不彻底;易 跑浆和溃浆； 易成水害， 破坏 生态 10～30 枣庄、 大屯、 贵州六枝矿 区、 神东、 宁煤 惰性气体 技术 氮气、 二氧化碳适应条件广 易泄露、 滞留时间短； 降温灭 火效果差 成本较低阜新、 枣庄、 神东、 宁煤 胶体防灭 火技术 铵盐凝胶、 高分子凝胶 包裹煤体、 封堵裂隙效 果好;耐高温； 局部火源 效果明显 易产生有毒有害气体； 流动性 差， 大面积使用难;成本高 200～300 兖矿、 徐矿、 枣庄、 神东、 宁煤、 川煤等国内矿井及 孟加拉等国外矿井 泡沫材料 灭火技术 凝胶、 三相、 固化、 无机等 流动性好、 易堆积； 阻 化面积大 稳定性差、 易破灭； 效果不持久 成本较低 国内外应用较多、 神东、 宁煤 阻化技术物理及化学阻化剂等 隔氧、 吸热、 降温； 惰化 煤分子结构反应 难以均匀喷洒； 易流失、 阻化 周期短 成本整体偏高 抚顺、 新疆、 陕西铜川、 宁 夏矿区等、 神东集团 图 1煤自燃防控理论与方法 Fig.1Theories and s of prevention and control for CSC 120 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 表 3化学阻化剂特征 Table 3Characteristics of chemical inhibitors 类型材料成分优点缺点 抗氧化类 人工合成 氨基甲酸脂、 TEMPO、 碳酸氢铵、 磷酸二氢铵、 抗氧化剂 1010 和 DLTP 等[26-28]； 天然 花青、 维生素 C、 儿茶素 阻化效率高 高温下易分解、 污染环境、 工艺复杂、 成本高 碱性Ca （OH ）2、 Al （OH ）3、 Mg （OH ）2等简单方便污染环境， 具有局限性 酸性过硫酸钠、 金属螯合剂柠檬酸、 腐植酸钠[29-30]简单方便污染环境， 成本高 离子液体以咪唑类离子液体为主[31-32]阻化效率高污染环境， 成本高 类型材料成分优点缺点 吸水性盐类 氯盐 MgCl2、 CaCl2、 NaCl低成本、 无毒、 阻化效率高阻化时间短， 后期具有催化作用 温敏材料[9] CaCl2 6H2O、 Na2S2O3 5H2O、 NaHCO3HWPI CaCl2、 水、 惰性气体 抑制时间长、 灵活性强未从根本阻止煤自燃 铵盐 NH4H2PO4、 NH4Cl、 NH4HCO3吸热效果好、 稀释氧气浓度稳定性低， 产有毒气体 无机磷[10] 主要是磷酸盐无毒、 低卤、 少烟稳定性低， 易分解 高聚物高聚物分子、 聚乙酸乙烯酯等阻化效果好易氧化， 产生可燃气体 泡沫材料 惰性泡沫[11] 高倍阻化泡沫、 高倍微胶囊阻化泡沫、 FR-1 阻化泡沫、 三相泡沫 对环境危害较小灭火能力不强 凝胶/多相凝胶泡沫 复合发泡剂改性聚氧乙基硅酮水玻璃 混凝剂[12]、 XP/HPG有机硼表面活性剂[13-14] 阻化效果好、 发泡倍数高、 稳定性强 工艺复杂 固化泡沫 无机固化泡沫[15]、 有机固化泡沫效果好易堵塞管路 膏体泡沫 聚丙烯酰胺复合表面活性剂混合粉体[16]、 水泥粉煤灰煤矸石 热稳定性好工艺复杂 泥浆泡沫 泥浆表面活性剂稳定剂[17]性能好 PVA 隔氧泡沫 PVA改性剂促凝剂发泡剂[18]隔氧能力好、 稳定性强 多晶型泡沫 溶胶泡沫/聚己内酯溶液和有机酸兼具化学、 物理阻化特性还处于理论阶段 气溶胶 无机盐、 含碘化合物、 有机磷、 碳酸氢盐/硅酸盐[19]、 新型相变气溶胶[20]、 新型 P/IC 无机冷态气溶胶[21] 成本低工艺复杂， 效果差 膏体 基料粉煤灰浆液等复合膏体剂水玻璃复合材料、 聚丙烯酰胺、 复合膏体剂[22]； 激发剂复合增强剂复合膨胀剂高聚物[23] 效果好工艺复杂， 成本高 表 2物理阻化剂优缺点 Table 2Advantages and disadvantages of physical inhibitors 负催化作用 3 个方面抑制高硫煤自燃； ③酸性阻化 剂以腐植酸钠为代表， SH 与羧基反应形成氢键， 阻止煤对氧的吸附；同时， SH 还与羟基反应形成 稳定的醚键， 从而减少自由基的数量， 减缓煤的氧 化过程；④离子液体阻化剂是一种新型高效的化 学阻化剂， 可溶解破坏煤中氢键、 芳香结构、 脂肪 族链烃以及烃基、羰基等含氧官能团等活性官能 团，使其氧化活性降低，从而达到抑制煤自燃的目 的。现研究表明咪唑类离子液体对煤溶解、破坏最 为明显[32]。 3） 新型阻化方法。新型阻化方法主要包括 ① 热处理方法将煤进行预氧化使煤中活性分子惰 化， 从而降低氧化活性[33]； ②复合阻化剂 克服了单 一阻化剂的缺陷，兼具物理和化学阻化剂两者的优 点；③微胶囊复配阻燃技术使用合适的壁材将阻 燃剂包裹起来，在特定的温度下释放阻燃剂，起到 抑制作用；④无机纳米阻燃剂阻燃剂的粒径与表 面积对阻燃率的影响很大，同时，基于对环境的保 护，将部分无机阻燃材料和有机阻燃材料处理为粒 径 1100 nm 的微小微粒来阻化煤自燃。新型阻化 剂的特点见表 4。 2.3煤自热阶段控制技术 当煤体温度超过临界温度， 煤体温度持续升高， 此阶段煤氧化反应急剧增强， 但煤体还未燃烧， 运用 自燃阶段的预防技术已很难有效的控制煤体温度， 这时需采用无机膨胀充填、 灌浆、 注胶等技术控制火 区温度。胶体防灭火是防治煤自燃的重要阻化材 料， 自燃区域胶体材料特征见表 5。 目前大量使用的 121 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2惰性气体抑制煤自燃的机理[54] Fig.2The mechanism of inert gas inhibiting CSC[54] 表 5 自燃区域胶体材料特征 Table 5Characteristics of colloidal materials in zone of CSC 材料成分优点缺点 无机凝胶类 无机发泡胶凝材料、 新型 FSA 微孔状胶体阻燃剂、 粉煤灰胶体[45]、 无氨凝胶、 塑性水玻璃凝胶等 耐温性极好污染环境， 性质不稳定 有机凝胶类 新型聚乙烯醇隔氧凝胶、 温敏性水凝胶[46-47]、 矿用羧甲基纤维素钠/柠檬酸铝 凝胶[48]、 CMC/ZrCit/GDL 凝胶[49]、 PAA-co-AM凝胶[50]、 新型高吸水灭火凝胶[51] 阻化性能强、 渗流性好、 吸热量大 成本高 复合胶体 悬沙胶体、 稠化胶体、 三元复合胶体[52]、 新型水玻璃/聚合物复合凝胶[53]阻化作用增强、 渗流能力强工艺复杂 表 4 新型阻化剂优缺点 Table 4Advantages and disadvantages of new types of inhibitors 类型材料成分/方法优点缺点 热处理预氧化简单、 易操作 难以工业应用， 处于理论阶段 复合阻化剂 无机有机 镁铝水滑石凝胶、 MgCl2-聚丙烯酸酯/抗氧化剂[34]、 粉煤灰-PVA- SiO2溶液、 阻化剂-表面活性剂[35]、 聚丙烯酸钠-花青素[36]、 NaCl-聚乙 酸乙酯[37]、 CaCl2-抗坏血酸、 高吸水性树脂-抗坏血酸[38]、 无机盐-自由 基捕获剂、 儿茶素-聚乙二醇 复合多个优点， 阻化效率高 难以应用工业， 合成 工艺复杂， 成本高， 污染环境 无机 MgCl2-NH4H2PO4-低聚磷酸铵[39]、 氯盐-碱性阻化剂[11]、 卤盐复合阻化 剂[40]、 新型协调阻化剂[41]、 锌镁铝水滑石-神府煤、 SPA-LDHs 复合多个优点， 阻化效率高 合成工艺复杂， 成本高， 污染环境 微胶囊复配[42] 芯材 氯化镁褪黑素复合阻化剂、 聚磷酸铵、 含氢氧化铝， 水硼酸锌、 氯 化石蜡-70 和膨胀石墨 能在不同温度下释 放阻化剂 合成工艺复杂， 污染环境， 成本高 壁材 天然壁材 琼胶、 石蜡、 蜂蜡、 淀粉、 低聚糖等 合成高分子材料 以树脂类为主 无机材料 如硅酸盐、 玻璃、 黏土、 矾土、 石墨等 无机纳米 无机黏土、 碳纳米管、 片状石墨[43] 阻化效率高 合成工艺复杂， 污染环境， 成本高 有机包括磷系阻燃材料 （烯酸脂类 ） 和卤系阻燃材料 无机凝胶主要由水玻璃等基料与铵盐、铝酸盐等促 凝剂按一定比例形成的。在受热的过程中可以吸收 大量的热， 实现煤体自身降温， 同时还可以达到隔氧 的目的[44]。 2.4煤燃烧阶段灭火技术 当煤体温度超过裂变温度之后，煤体温度急剧 升高， 出现明火， 此时运用自热阶段的防火控制技术 很难有效地控制火势， 需采用液态二氧化碳、 液氮、 挖除火源等技术控制火势蔓延、 发展， 直至熄灭。 1） 惰性气体。我国早在 20 世纪 80 年代就开始 使用惰性气体来防治煤自燃， 主要有气态 CO2、 气态 N2、 液态 CO2和液态 N2。惰性气体抑制煤自燃的机 理如图 2[54]。当惰性气体与煤接触后， 首先覆盖在煤 体表面阻绝煤与氧气反应；其次，覆盖于煤体的惰 性气体， 与煤内氧气置换， 进入孔隙中， 进一步阻止 煤氧反应；最后，煤体表面的惰性气体和孔隙内的 惰性气体在煤样升温的过程中发生热传递行为， 吸 收部分热量延缓自燃。其中，二氧化碳的阻化效果 更佳。液态惰性气体在注入采空区后，会迅速吸收 热量， 与气态惰性气体相比， 阻燃效果更佳[55]。现阶 段应用最多的也是液态 CO2防灭火技术，在许多矿 井得到了成功应用。 2） 稠化胶体。稠化胶体防灭火材料是以有机高 分子材料为主体， 添加水和粉煤灰 （黄土） 制成的胶 体，它可以通过专用设备压注至指定区域，通过隔 氧、 降温达到阻化的效果[56]。学者已经研究了 FHS 122 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 型稠化胶体灭火剂、 XK2-PR 稠化胶体、 含有天然多 糖和纤维素醚的新型稠化胶体、具有松散三维网状 结构的防灭火稠化剂等[57]。 目前， 稠化胶体以成功运 用于东滩矿、 阳煤集团等煤自燃防治。 3目前面临的问题 煤火灾害防治研究取得了一定成效，但由于煤 火分布广、火源不易确定等因素，决定了煤火灾防 治的复杂性及困难性，因此煤火灾害的防治技术仍 存在大量技术难题待解决。 3.1煤火预测预报及监测预警 煤火预测预报、监测预警技术在实际应用中已 经取得了很大的进步，为煤自燃火灾的预防及火势 蔓延的监测提供了大量的技术支撑，但是还存在着 众多的问题 1 ） 火源位置隐蔽， 特征信息难可视化判定。随 着煤矿开拓水平的延深和矿井开采深度的增加， 采 空区煤自燃火源的位置也愈向深处移动，现有的预 测技术难以准确获取指标气体及温度等特征信息难 以准确获取。单一依据数学模型建立火源判定准则 难以实际模拟火源动态发展。况且，煤自燃是热－ 流－固－化耦合作用的结果， 现有的煤自燃危险区域 量化判定方法难以达到可视化判定。 2 ） 受限条件多， 探测手段难高效实施。随着科 技的进步，火区探测由最早的人工勘察发展为红外 遥感、 放射性元素探测、 无线自组网等先进技术， 但 是由于火区范围广、 干扰因素多 （火区温度、 天气状 况、 地质构造） 、 使用条件苛刻、 成本高 （遥感探测、 气体探测、 温度探测） 等因素， 现有探测技术很难精 准、 经济、 方便、 长期、 实时地探测火区。 3） 技术落后， 火区范围难精准圈定。目前煤田 火区已经形成了先进的监测技术，但由于受到技术 的制约，许多监测手段还需要解决关键技术问题。 例如利用次声探测时，煤田火区燃烧次声的频率 域、 信号的接收、 处理、 以及判定条件； 磁法探测中 的磁异常迭加问题、电磁干扰；无线电波探测时波 的衰减； CF2ClBr 示踪气体的显著热解温度在 550 ℃ 以上，对于煤自燃初期火源点的探测不适合。这些 方法在圈定范围时过程复杂、不够智能，且单一的 监测手段通常无法准确判断出煤田火灾的燃烧程 度、 火源位置、 温度分布等信息。 3.2煤火防治新材料 阻化剂防灭火技术是近年来新发展的预防技 术， 相比传统技术， 阻化剂防灭火技术工作范围小、 不影响生产、能够有效预防火灾。但当前的阻化剂 种类繁多、 效果不一、 价格昂贵， 主要存在以下问题 1） 阻化剂易于分解， 威胁矿井环境和进一步造 成生态环境污染。2020 年， 国家煤矿安监局关于印 发煤矿井下反应型高分子材料安全管理办法（试 行） 的通知中明确要求 “禁止化学反应剧烈、 放热 量大的高分子材料用于与煤直接接触的地点” 。 2） 阻化剂合成工艺复杂， 工业应用成本太高， 很 难实现工业应用，且阻化剂在大面积喷洒和浇注的 过程中， 造成阻化材料浪费， 形成更高的成本。 3） 设备智能化程度低， 现有的阻化剂喷洒装置 很难实现报警、 监测、 喷洒一体化工作。 4结语 今后， 煤自燃火灾的防治技术研究将遵循智能、 精准、 快速的原则。主要应从以下几方面开展工作 预测预报是有效监测预警的关键，建立系统性的煤 自燃预测指标体系，将各个方法建立统一整体； 开 发煤自燃可视化火源位置判定系统，动态演化煤自 燃发展过程； 研发长距离、 抗干扰的温度、 气体监测 传感系统， 有效获取煤自燃危险区域动态信息； 开发 智能化、 集成化、 高效化的煤田火区监测系统， 方便 简洁地获取火区信息； 开发针对不同煤种的高效、 靶 向、 绿色、 环保、 经济的阻化剂； 研发针对阻化、 充填 材料的智能化雾化、 喷洒及发生等专用装置， 分区域 分阶段采取防控技术， 降低应用成本， 提高效率； 加 快推进煤田火区热能利用技术， 提高热能利用效率； 开展矿区生态恢复， 防止火区荒漠化扩大。 参考文献 ［1］ 谢和平， 吴立新， 郑德志．2025 年中国能源消费及煤 炭需求预测 ［J］ ．煤炭学报， 2019， 44 （7） 1949－1960． ［2］ 邓军， 李贝， 王凯， 等．我国煤火灾害防治技术研究现 状及展望 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （10） 1－7． ［3］ 朱令起．矿井火灾预测预警及密闭启封安全性研究 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， 2010． ［4］ 宫洪祥．煤氧化学吸附微观机理研究及自燃倾向性分 析 ［D］ ．阜新 辽宁工程技术大学， 2019． ［5］SONG Zeyang, Kuenzer Claudia．Coal fires in China over the last decade a comprehensive review ［J］ ． In－ ternational Journal of Coal Geology， 2014， 133 72－99． ［6］ 费金彪．煤自燃阶段判定理论与分级预警方法研究 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2019． ［7］ 杜杰．防治煤层自燃的新型阻化剂的制备及性能研究 ［D］ ．太原 太原理工大学， 2019． 123 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 ［8］ LI Qingwei, XIAO Yang, ZHONG Kaiqi, et al． Overview of commonly used materials for coal spontaneous com－ bustion prevention ［J］ ． Fuel, 2020, 275 117981． ［9］ CUI Chuanbo, JIANG Shuguang, SHAO Hao, et al． Ex－ perimental study on thermo －responsive inhibitors in－ hibiting coal spontaneous combustion ［J］ ． Fuel Process－ ing Technology, 2018, 175 113－122． ［10］ 王福生， 艾晴雪， 赵雪琪．无机磷化合物对煤自燃的 阻化作用研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2017， 13 （9） 101－108． ［11］ 李成会．煤自燃新型复合阻化剂的制备与研究 ［D］ ． 西安 西安科技大学， 2016． ［12］ 白子明．防治煤自燃的微胶囊化复合阻化剂研究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2019． ［13］SHI Quanlin, QIN Botao． Experimental research on gel －stabilized foam designed to prevent and control spontaneous combustion of coal ［J］ ． Fuel, 2019, 254 115558． ［14］ 任万兴， 郭庆， 左兵召， 等．泡沫凝胶防治煤炭自燃的 特性与机理 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （S2） 401－406． ［15］ 鲁义．防治煤炭自燃的无机固化泡沫及特性研究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2015． ［16］ 鲁义， 陈立， 邹芳芳， 等．防控高温煤岩裂隙的膏体泡 沫研制及应用 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2017， 13 （4） 70－75． ［17］ 朱红青， 胡超， 周全涛， 等．泥浆泡沫性能及影响因素 研究 ［J］ ．矿业科学学报， 2019， 4 （4） 343－348． ［18］ 孟献梁， 张静， 刘亚菲， 等．防煤自燃聚乙烯醇泡沫材 料的制备及性能 ［J］ ．西安科技大学学报， 2011， 31 （6） 663－667． ［19］ 王晓峰．磷酸盐超细固体气溶胶技术防治采空区遗 煤自燃基础实验研究 ［D］ ．太原 太原理工大学， 2016． ［20］ TANG Yibo． Inhibition of low－temperature oxidation of bituminous coal using a novel phase－transition aerosol ［J］ ． Energy ＆ Fuels, 2016, 30 （11） 9303－9309． ［21］ 唐一博， 胡世花， 王晓峰， 等．含 P/Cl 无机气溶胶超 细颗粒防治烟煤自燃研究 ［J/OL］ ．中国矿业大学学 报 1－7 ［2020－08－28］ ．https //doi．org/10．13247/j．cn－ ki．jcumt．001164． ［22］ 张天赐．粉煤灰膏体充填防灭火技术研究 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2019． ［23］ 刘鑫， 肖旸， 邓军．矿用轻质膏体防灭火材料研究与 应用 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （12） 77－80． ［24］ CUI Chuanbo, JIANG Shubo, ZHANG Weiqing．Experi－ mental study on the effect of a thermo－responsive se－ cundine inhibitor on coal spontaneous combustion ［J］ ． Energy ＆ Fuels, 2017, 31 （12） 14262－14269． ［25］ XUE Di, HU Xiangming, CHENG Weimin， et al．Fire prevention and control using gel－stabilization foam to inhibit spontaneous combustion of coal characteristics and engineering applications ［J］ ． Fuel, 2020, 264 116903． ［26］ 王婕， 张玉龙， 王俊峰， 等．无机盐类阻化剂和自由基 捕获剂对煤自燃的协同抑制作用 ［J/OL］ ．煤炭学报 1－11 ［2020－06－30］ ．https //doi．org/10．13225/j．cnki． jccs．2019．1431． ［27］ LI Jinhui, LI Zenghua， YANG Yonglai， et al．Laboratory study on the inhibitory effect of free radical scavenger on coal spontaneous combustion ［J］ ． Fuel Processing Technology, 2018, 17