摘 要：采空区火灾是矿井下较为常见的灾害之一。为此，针对采空区火灾的实际情况认真地分析了影响自然发火的因素，详细地阐述了开采技术、有效的通风和监测、预防性注浆、均压防火、阻化剂防火、凝胶防灭火、氮气等技术用来进行综合防灭火工作收到了良好的效果，促进了矿井的安全生产。
关键词：煤矿；采空区火灾；综合防灭火；探析
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.100
0 前言
煤矿火灾事故给矿工的生命财产造成了巨大的损失，而且在矿井火灾中最为严重的是回采工作面的采空区遗煤自燃的情况，由于采空区遗煤自燃是一个缓慢发展的过程，在这个过程中人们通常在早期很难发现明显的征兆，这就会给矿井的防灭火工作带来许多不利条件和环节，如何克服上述困难是困扰矿井防灭火工作的一个技术难题，国内许多煤炭院所针对这种情况展开了技术研究取得可喜成绩，本论文重点对防灭火常用技术进行了详细阐述，已达到抛砖引玉的作用。
我们先认识下煤的燃烧，煤的自燃过程一般分为3个阶段：（1）准备期；（2）自热期；（3）燃烧期。煤的自燃准备期是指空气与有自燃倾向性的煤炭相互接触时不稳定的羧基（-COOH）与羟基（-OH）氧化物就会形成，初始阶段人们既不能够观测到周围环境的温度变化情况，也观测不到煤炭自身温度的明显变化，在煤炭的着火点降低、煤炭重量略有提高，化学特性变得活泼的前提下煤炭经过缓慢地氧化过程。煤的自燃期是指煤炭自燃在经历了第一阶段的潜伏期后其氧化速度迅速提高，二氧化碳（CO2）、水（H2O）、一氧化碳（CO）等化学物质由不稳定的氧化物分解而成。煤炭的温度随着煤氧化生成的热量的增加而迅速提高，煤炭的温度超过其自热临界温度时就会有迅速上升的趋势。煤的干馏现象随着氧化过程的加快而迅速上升，氢气、碳氢化合物、一氧化碳等芳香族类可燃性气体就会大量生成。煤的氧化进程发展到一定程度集聚的热量不能得到及时扩散，导致温度上升到煤的着火点而使煤层自燃。不同的煤层自燃程度也不相同，通常用煤层自燃倾向性来度量煤的自燃难易程度。所谓煤层自燃倾向性是指煤在常温下的氧化能力，是煤的一种自然属性。
煤的自燃倾向性与煤的变质程度（变质程度越高自燃倾向性越小）、煤的水分（水分越大自燃倾向性越低）、煤岩成分（煤岩硬度越大自燃倾向性越小）、煤的含硫量（含硫量越大自燃倾向性越高）、煤的粒度（粒度越小自燃倾向性越大）等有关。然而在实际工作中并不是煤层自燃倾向性越高的煤矿越容易发火，因为除了煤炭本身的自燃倾向性以外，煤层的开采条件、煤层地质构造、通风方式、开拓方式都对煤层的自然发火危险程度具有重要的影响。
1 对煤层自然发火产生影响的因素分析
1.1 煤的自燃倾向性
作为煤炭产生自燃的基本条件煤的自燃倾向性是由煤炭处于日常温度条件下的氧化能力所决定的，它是煤炭的一种自然属性。并且它的强弱程度直接影响着煤层自然发火的危险程度。
1.2 煤层地质赋存条件
厚煤层、急倾斜煤层、地质构造破坏带自然发火危险度高，主要因为厚煤层很难全部回采、余留大量浮煤和煤柱、回采时间长远远超过煤层的自然发火期（暴露的煤炭从接触空气到发生自燃的时间段）；急倾斜煤层、地质构造破坏带容易煤炭自燃，煤层在挤压、张拉的条件下产生了大量的裂隙为破碎的煤体吸收氧气、发生氧化创造了有利的条件。
1.3 开拓开采条件
自然发火危险性较小的情况多发生在煤柱留设少、切割煤层较少的石门、岩巷开拓的环节。方便打钻注浆灭火的情况发生在岩巷进入采区的厚煤层开采时。回采时间的长短、煤炭回收率高低是采煤方法对煤炭自燃影响的外在表现。遗留煤炭越多的采煤方法越容易引起自然发火，在长壁式采煤方法中的留刀柱支撑顶板，留煤皮假顶，以及利用水力进行采煤的时候，均不利于防止自燃火灾的发生。一个回采工作面回采速度慢，拖延的时间越长，煤层自燃的危险性就越大，控制灾情的难度就越大。
1.4 通风方式
煤壁和煤柱裂隙以及采空区漏风是矿井通风影响煤炭自燃的外在表现，即使在漏风量非常小的情况下，长期的漏风将导致两巷和工作面断层、变薄带跳面的地方极易发生自燃。
2 防止矿井采空区自燃的技术
2.1 开采技术
在长期的煤矿开采实践中人们得出了一个重要结论，即在对于如何预防煤炭自燃火灾发生中起决定作用的是科学合理的开采方法与开拓系统。以最大的回采率、最小的煤层暴露面、容易隔离的采空区、最快的回采速度来要求开采和开拓方式是煤炭自燃严重的矿井预防煤炭自燃发火的基本要求。预防采煤工作面采空区遗留煤炭自燃的开采开拓方法主要有采用岩石集中巷和岩石上山、区段巷道采用重叠布置、区段巷道分采分掘布置、高效快速无煤柱的采煤方法。
（1）为了尽一切力量预防煤层自燃，通常我們可以采用加快工作面回采速度、以后退式开采方式进行回采，同时为了使煤柱的损失降到最低回采工作面可以采用条带布置方式。
（2）我们在开拓机电硐室时首先应该选用现浇混凝土、锚网喷支护，普通岩石巷道开拓时首先选用锚索、锚网喷联合支护的方式，同时尽量在煤层中布置轨道下山、运输下山、回风下山。
（3）为了保证有较高的防火安全性我们可以加快回采速度与使用机械化装备，同时为了简单地布置巷道、提高回采率我们可以使用壁式采煤法。
2.2 有效的通风和监测
一定要保证工作面的合理配风，同时要减少向采空区漏风，保证工作面运顺采空区的顶板垮落，不能形成空顶。易发火地点安设一氧化碳监测报警仪，矿井要建立火灾束管监测系统，作为早期预测矿井发火的主要手段。
监测方面的措施：
（1）班长、瓦斯检查员必须配备便携式CO检测报警仪，掘进工作面、回采工作面上隅角等地点必须吊挂CO传感器。
（2）定期用火灾束管监测系统结合人工取样对井下易发火地点进行监测化验，分析可能出现的早期火情。
通风方面的措施：
（1）为了预防煤炭自燃我们在工作面回采时优先选用“U”型通风方式，采用后退式开采方式。
（2）为了预防煤炭自燃我们要将已经回采完毕的工作面及时构筑密闭墙，并加强密闭管理。
2.3 预防性注浆
预防煤炭自燃适用效果最好的一种手段就是预防性灌浆。通常情况下我们把粉煤灰或黄土等不燃性材料和水按照一定的配比进行搅拌混合在一起形成浆液，同时依靠井上下敷设的输送浆液的管路把浆液输送到很有可能发生煤炭自然发火的采空区，用来预防采空区煤炭自然发火的方法称为预防性灌浆。降低采空区遗留煤炭的温度并且将氧气和煤炭隔离开来是预防性灌浆的重要作用。把地面制好的浆液通过输送管路送到工作面采空区，浆液缓慢地向采空区流动填实采空区的裂隙，同时遗留在采空区的煤炭被浆液包裹起来将阻止氧气与遗留煤炭的进一步氧化，由于浆液的存在加大了采空区遗留煤炭的含水量从而进一步抑制了遗留煤炭的氧化发热的过程。一般选择粒径不大于2mm，细小颗粒（粒径小于1mm）占75%；9～14的塑性指数，2.4～2.8的相对密度，25%～30%的含砂量，25%～30%的胶体混合物等不助和不可燃性材料做浆材。
预防性灌浆方法有多种，我们通常根据灌浆与采煤顺序将灌浆方法分为采前预灌、随采随灌和采后灌浆三种类型。
在煤炭没有被回采前就将浆液输送到煤层进行灌浆称为采前预灌，它通常适用于煤炭自燃严重、老空区过多的矿井；紧跟着采煤工作面的回采及时向采空区灌浆的方法称为随采随灌法，一般情况下可分为埋管灌浆、钻孔灌浆和洒浆，能增加采空区的气密性并及时形成再生胶结顶板；通常将工作面回采结束后等到工作面封闭完毕后再向封闭得采空区进行灌浆的方法称为采后灌浆。
泥浆浓度越大，其粘度、稳定性和致密性也越大，包裹遗煤隔离氧气的效果也越好，但同时流散范围也越小，输浆管路容易堵塞；水固比大，则输送相同体积的土所用的水量大，包裹和隔绝效果不好，矿井涌水量增加，在工作面后方采空区灌浆时容易流出而恶化工作面环境。浆液的水固比一般情况下为4∶1，冬季为5∶1。
2.4 均压防火
均压防火技术既适用于火区的防灭火工作，又可用于采空区防止遗煤自燃。开区均压防灭火技术通常用于指导灭火、调风、正确地选择通风构筑物的位置和通风系统等通风防火工作，又适用于抑制采空区遗留煤炭的自燃和自热的发展。均压技术如果掌握得好还能用之控制采掘工作面瓦斯涌出。
2.4.1 开区均压防火
通常在回采工作面设立均压系统来阻止采空区遗留煤炭的自然发火，减少采空区的漏风，预防CO等有毒有害气体超限，确保生产正常进行。开区均压系统种类很多，根据工作面不同的漏风形式构成。主要原理是想方设法改变端点压差或者改变漏风方向；减少漏风可以抑制自燃进程的发展，改变风向能够调整一氧化碳等有毒有害气体的涌出。均压措施主要有调节风门均压、改变工作面通风系统均压、风门与通风机联合均压、角联支路风向随相邻支路风阻比而改变的原理均压。
2.4.2 闭区均压防火
在有煤炭自然发火可能性又立即封闭的区域，采取均压防灭火技术预防发生火灾事故的方法称为闭区均压防火。闭区均压防灭火技术的具体方法有：调节风门与主要通风机联合均压、并联风门与调节风门联合均压、改造通风系统均压和联通管均压、调压通风机与调节风门联合均压等。
2.5 阻化剂防火
通常情况下在容易氧化的煤体表面上存在大量的吸水性很强的阻化剂时就能够在其外表形成含水液膜从而隔离了氧气与煤炭的接触，起到阻止氧化的作用，同时水在蒸发时吸收热量，使煤体降温，从而抑制煤的自热和自燃，延长自然发火期的作用。
常用作阻化剂的氯化物有氯化钙、氯化镁、氯化铵、氯化钠三氯化铝以及水玻璃（xNa2O·ySiO2）等。一般选用氯化钙、氯化镁等原材料丰富、运输方便、价格便宜、阻化效果好的阻化剂。一些工厂废液如铝厂炼镁槽渣，化工厂的氯化镁和硼酸废液，造纸厂的黑液、酿酒厂的废液等都有一定的阻化效果，既保护环境部受污染又节省资源。对于高硫煤层的阻化水玻璃的阻化效果最好，氢氧化钙其次。
提高阻化效果、降低成本是合理选择阻化剂浓度的重要方面。在生产实践中我们发现溶液阻化率选定为20%时阻化效果较好，溶液阻化率选定为10%时阻化率有所下降。目前我国煤矿常用移动式、永久式、半永久式三种喷洒压注系统。
2.6 凝胶防灭火
作为近几年新发展起来的凝胶防灭火技术是集降温、堵漏、固结水、阻化等性能为一体，较好地解决了灌浆、注水的泄漏流失问题的新型防灭火技术。目前已经成为煤矿不可或缺的防灭火技术之一，该技术具有如下特点：
（1）安全性好：由于在煤体中胶体能够堵塞漏风通道、膠凝固化，故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸气，不存在水蒸气水伤人和煤气爆炸危险。
（2）火区复燃性低：高温区内只要有胶体渗透到的地点都不会复燃。
（3）灭火速度快：由于胶体具有特殊的灭火性能，其灭火速度比较快。
（4）火区启封时间短：注胶灭火工程实施完，不需等待（《煤矿安全规程》规定各项指标达到启封条件后还需观察稳定一个月才能启封），即可启封火区。
2.7 氮气防灭火技术
氮气的化学性质稳定是一种无毒、无味、无色、无嗅的气体，在正常温度和正常压力下氮气不容易与其它物质发生化学反应，正是利用它的这种特性来进行矿井的防灭火工作，其效果非常显著。
2.7.1 氮气防灭火的作用和特点
氮气填充到采空区可以将采空区裂缝中的氧气排挤出去，使得采空区内及其冒落处的氧气含量大幅度地下降从而惰化采空区，使采空区遗留的煤炭不发生氧化自燃。
注氮氣过程中回采工作面的采空区经常处于正压状态从而导致新鲜风流不容易进入采空区，对阻止采空区遗留煤炭的自然发火非常有利。当采空区充满大量氮气后采空区周围介质和采空区的温度会迅速下降，从而收到冷却降温的效果。
将氮气注入到火和瓦斯共存的爆炸危险区就能够有效地遏制火区内的可燃性气体的爆炸，从而保证工作面的安全生产。
注氮气防灭火技术不仅对保护环境非常有利，而且操作工艺还十分简单。
如果采空区漏风非常严重的话在负压作用下注入采空区的氮气就非常不利于保存，并且会随着风流向采煤工作面或者邻近采空区，另外虽然氮气本身不具有毒性但容易使人窒息死亡，所以就需要与均压防灭火技术和其他堵漏风措施相互配合使用，使氮气泄露量控制在最低限度。
2.7.2 注氮的要求
要向采空区注入的浓度不小于97%的氮气；
要有可靠稳定的氮气来源；
至少有一套监测系统能够连续不断地监测采空区气体成分变化情况；
至少有一套专用的氮气输送管路及其附属安全设施；
定期进行监测、分析和整理有关记录必须安排专人进行，发现问题及时报告处理等规章制度；
有固定或移动的温度观测站（点）和监测手段。
2.7.3 氮气的制取
目前有变压吸附、深冷空分和膜分离三种工艺技术来进行基本氮气制取。
3 结语
随着采空区防火技术不断进步和科学技术的发展。抑制煤的氧化过程，使采空区遗留煤炭缓慢氧化无是各种防灭火技术的本质所在。合理地选择防灭火方法并掌握煤层的自燃倾向性和自燃发火期，对采空区防火工作有极大的帮助。树立采空区遗煤的自燃是可以防止和控制的思想。积极主动的采取防火措施、充分发挥人的主观能动性是成功防止采空区遗煤自燃的关键。
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