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摘要：文章通过对井下煤炭自燃发火的特性和規律全面分析，针对沙吉海煤矿B13-2煤层的特点，采用三相泡沫新技术提高灌浆和注氮防灭火的效率，有效地防止井下煤炭自燃，是煤矿防灭火技术的发展方向。
关键词：煤矿；自燃发火；防灭火；煤氧复合理论
中图分类号：TD752
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2011)22-0003-03
煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，我国煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，造成的损失不可估计；煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘爆炸严重威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全。沙吉海煤矿B13-2煤层为矿井一水平主采层，设计可采储量146Mt，煤层可采厚度1.07～5.20m，平均厚3.28m煤层倾角为9°-13°，平均12°，该煤层为容易自然发火煤层，发火期在29-34天，具有较高的自燃发火危险性；该煤层有煤尘爆炸危险性。通过对B13-2。煤层防灭火综合技术研究，采取优化灌浆技术，减低灌浆量和次数；主要实施三相泡沫防灭火技术，提高灌浆和注氮效率，有效防止沙吉海煤B13-2矿煤层自燃发火的目的，同时对新疆地区类似开采条件下的煤层自燃发火防治工作也具有一定的指导意义，在新疆地区具有较高的推广应用价值。
一、国内外研究水平综述
目前国内外常用的煤层自燃防治技术主要有以下几类：惰化、堵漏、降温等以及它们几类的综合，共同发挥防灭火作用，最终实现防灭火的目的。采用常規的黄泥灌浆技术，注入采空区的黄泥浆极易拉沟流动，难以形成面状扩散，更不能形成立体覆盖，因此灌浆不能有效的防治煤层自燃；同时，采用单一注氮防灭火技术，注入采空区的氮气易随漏风流失，难以发挥氮气防灭火的窒息性；而沙吉海煤矿引入的三相泡沫防灭火材料是一种体积大，密度小，表面被浆液围成的气泡群，它由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体和水三相防灭火介质组成。粉煤灰或黄泥等固态物质的浆体通过注入氮气发泡后就形成了三相泡沫，其体积大幅增加，可向高处堆积；固态物质构成三相泡沫面膜的一部分，可较长时问处于稳定状态，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化；由于泡沫的比重比较小，且流动性好，堆积性强，可以在采空区内三维流动，因此三相泡沫在采空区中可向高处堆积，它对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免注入的浆体从底部流失；同时，注入采空区的氮气因被封闭在泡沫之中，能够较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒熄防灭火功能。与现有的防灭火技术及材料相比，三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，它利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒熄性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了防灭火效率。三相泡沫发泡倍数较高，单位体积的泡沫材料成本低，可为大面积的自燃隐患或火区的防治节约大量资金。因此，沙吉海煤矿可通过采用三相泡沫新技术提高灌浆和注氮防灭火的效率，达到减少防灭火工作量、降低防灭火成本的目的。
二、理论和实践依据
(一)煤自燃的煤氧复合理论
煤炭自燃发火是一种复杂的物理化学现象，煤炭自燃必须具备四个方面的条件：
(1)煤炭自身具有自燃倾向性；
(2)煤炭呈破碎、松散堆积状态；
(3)适宜的连续不断的供氧；
(4)良好稳定的煤炭蓄热环境以及足够的维持时间；自燃倾向性是煤炭自燃发火的内因，后三者是煤炭自燃发火的外部条件即外因。内因和外因同时具备，才能最终导致煤炭自燃。关于煤炭自燃的内因，煤氧复合作用学说，并将煤的自燃发火过程分为低温氧化、氧化自热和明火燃烧三个阶段，如图1所示。
进入自热期的煤体在达到临界温度之前，如果破坏了其供氧或蓄热条件，煤的自热增温过程就会放慢，从而进入冷却阶段。在此阶段煤体会逐渐冷却并缓慢氧化至惰性的风化状态。
(二)影响煤自燃的因素
煤的自燃必须同时具备以上四个条件，其实在生产实践中这四个方面的条件是非常复杂的。比如即使是同一矿井、同一开采煤层，相同自燃倾向性的条件下，由于不同开采地点的采煤方法不同，通风状况不同，其自燃发火的危险性也不一样。如果采用的采煤方法丢煤量少，对已采过的旧巷或采空区能及时而又严密加以密闭，则自燃发火的危险性就小；而如果再能实行合理可靠的通风，保持风流稳定、把漏向采空区的风量减少到最低限度，煤自燃发火的危险性还可进一步降低。因此，为了防治煤的自燃发火，我们有必要详细分析其具体影响因素。通常，煤的碳化程度、硫、磷含量、内在水分、煤质结构(层理、节理发育程度、疏松程度)、着火温度等均属于煤自燃倾向的内因；而煤层赋存状况、地质构造、采煤方法、通风及管理等均属于煤自燃的外因。
(三)防灭火技术的实践依据
目前，国内外煤矿一般采用防火灌浆技术作为主要防灭火手段。实践表明，采空区灌注黄泥浆，就会形成如图2、图3所示的“拉沟”现象，模拟实验表明很快发现浆液在矸石堆的底部渗了出来，注入量越多，渗出的速度也就越快，黄泥浆只往下流，并未有向上流动或堆积的现象出现，因此，无论注多少浆液，由于黄泥浆很难到达火源，因此不能防治高位火源，更不能将火源扑灭。
三相泡沫防灭火材料是一种体积大，密度小，表面被浆液围成的气泡群，它由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体和水三相防灭火介质组成。粉煤灰或黄泥等固态物质的浆体通过注入氮气发泡后就形成了三相泡沫，其体积大幅增加，能够向高处堆积；如图4所示的实践表明，在采空区煤岩堆积类多孔介质中，三相泡沫能够向高处堆积并且可以均匀覆盖，由此可见三相泡沫可显著提高黄泥灌浆的效率。三、研究内容和实施方案
(一)煤炭自燃特性及其早期预测预报指标的研究
在中国矿业大学瓦斯与火教育部重点实验室采用相关仪器测试并研究工作面煤层的水分、灰分、挥发分、发热量、真密度、自燃倾向性等基础参数；研究B13。工作面煤层自热温升特性、煤自燃临界温度、交叉点温度等特征参数；研究B13-2煤层不同氧化阶段煤炭自燃的气体产物成分和浓度的变化規律；提出B13-2煤炭自燃早期预测预报指标体系。
(二)B13-2煤层工作面采空区自燃危险区域的判别
1．B13-2。煤层工作面采空区“自燃三带”的现场观测与分析，在实测采空区氧气浓度的基础上，分析研究B13-2。煤层工作面采空区散热带、氧化升温带、窒息带回采过程中的动态变化規律。
2．B13-2。煤层工作面采空区煤自燃危险区域的判别与模拟。根据现场漏风、采空区气体等分析研究结论，结合数值模拟技术研究工作面采空区“自燃危险区域”的分布范围及其随回采距离、配风量的变化規律，结合采空区氧气浓度的实测数据确定煤层自燃危险区域。
(三)预防煤层自燃的三相泡沫防灭火应用技术研究
提出适用于沙吉海煤矿的黄泥浆材的三相泡沫技术参数，建立适用于B13-2。煤层工作面开采期间本工作面采空区煤自燃防治的三相泡沫应用体系，形成三相泡沫钻孔施工工艺与灌注技术，实现防灭火泡沫快速、定向定点、大流量的立体灌注。
四、结语
沙吉海煤矿对B13-2。煤层采空区进行灌注三相泡沫材料，起到堵漏、降温于一体的预防性防灭火技术，保障B13-2。煤层不发生自燃发火。三相泡沫对一般性封闭采空区煤炭自燃、较大范围采空区火灾和巷道火灾、采空区高位和不明位置隐蔽火源、综放及俯采工作面煤碳自燃的扑灭和预防，效果都十分显著。
参考文献
[1]最新煤矿通风防治工程关键技术指导手册[M]．煤炭工
业出版社,2010．
[2]国家安全生产监督管理总局．煤矿安全規程[M]．煤炭
工业出版社．2006．
[3]张延松，王德明，朱红青．煤矿矿爆炸、火灾及其防治技术
[M]．中国矿业大学出版社，2007．
作者简介：臧燕杰(1977-)，男，山东菏泽人，国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿工程师，全国注册安全工程师，研究方向：煤矿井下“一通三防”。
责任编辑 王书柏
关键词：煤矿；自燃发火；防灭火；煤氧复合理论
中图分类号：TD752
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2011)22-0003-03
煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，我国煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，造成的损失不可估计；煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘爆炸严重威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全。沙吉海煤矿B13-2煤层为矿井一水平主采层，设计可采储量146Mt，煤层可采厚度1.07～5.20m，平均厚3.28m煤层倾角为9°-13°，平均12°，该煤层为容易自然发火煤层，发火期在29-34天，具有较高的自燃发火危险性；该煤层有煤尘爆炸危险性。通过对B13-2。煤层防灭火综合技术研究，采取优化灌浆技术，减低灌浆量和次数；主要实施三相泡沫防灭火技术，提高灌浆和注氮效率，有效防止沙吉海煤B13-2矿煤层自燃发火的目的，同时对新疆地区类似开采条件下的煤层自燃发火防治工作也具有一定的指导意义，在新疆地区具有较高的推广应用价值。
一、国内外研究水平综述
目前国内外常用的煤层自燃防治技术主要有以下几类：惰化、堵漏、降温等以及它们几类的综合，共同发挥防灭火作用，最终实现防灭火的目的。采用常規的黄泥灌浆技术，注入采空区的黄泥浆极易拉沟流动，难以形成面状扩散，更不能形成立体覆盖，因此灌浆不能有效的防治煤层自燃；同时，采用单一注氮防灭火技术，注入采空区的氮气易随漏风流失，难以发挥氮气防灭火的窒息性；而沙吉海煤矿引入的三相泡沫防灭火材料是一种体积大，密度小，表面被浆液围成的气泡群，它由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体和水三相防灭火介质组成。粉煤灰或黄泥等固态物质的浆体通过注入氮气发泡后就形成了三相泡沫，其体积大幅增加，可向高处堆积；固态物质构成三相泡沫面膜的一部分，可较长时问处于稳定状态，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化；由于泡沫的比重比较小，且流动性好，堆积性强，可以在采空区内三维流动，因此三相泡沫在采空区中可向高处堆积，它对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免注入的浆体从底部流失；同时，注入采空区的氮气因被封闭在泡沫之中，能够较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒熄防灭火功能。与现有的防灭火技术及材料相比，三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，它利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒熄性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了防灭火效率。三相泡沫发泡倍数较高，单位体积的泡沫材料成本低，可为大面积的自燃隐患或火区的防治节约大量资金。因此，沙吉海煤矿可通过采用三相泡沫新技术提高灌浆和注氮防灭火的效率，达到减少防灭火工作量、降低防灭火成本的目的。
二、理论和实践依据
(一)煤自燃的煤氧复合理论
煤炭自燃发火是一种复杂的物理化学现象，煤炭自燃必须具备四个方面的条件：
(1)煤炭自身具有自燃倾向性；
(2)煤炭呈破碎、松散堆积状态；
(3)适宜的连续不断的供氧；
(4)良好稳定的煤炭蓄热环境以及足够的维持时间；自燃倾向性是煤炭自燃发火的内因，后三者是煤炭自燃发火的外部条件即外因。内因和外因同时具备，才能最终导致煤炭自燃。关于煤炭自燃的内因，煤氧复合作用学说，并将煤的自燃发火过程分为低温氧化、氧化自热和明火燃烧三个阶段，如图1所示。
进入自热期的煤体在达到临界温度之前，如果破坏了其供氧或蓄热条件，煤的自热增温过程就会放慢，从而进入冷却阶段。在此阶段煤体会逐渐冷却并缓慢氧化至惰性的风化状态。
(二)影响煤自燃的因素
煤的自燃必须同时具备以上四个条件，其实在生产实践中这四个方面的条件是非常复杂的。比如即使是同一矿井、同一开采煤层，相同自燃倾向性的条件下，由于不同开采地点的采煤方法不同，通风状况不同，其自燃发火的危险性也不一样。如果采用的采煤方法丢煤量少，对已采过的旧巷或采空区能及时而又严密加以密闭，则自燃发火的危险性就小；而如果再能实行合理可靠的通风，保持风流稳定、把漏向采空区的风量减少到最低限度，煤自燃发火的危险性还可进一步降低。因此，为了防治煤的自燃发火，我们有必要详细分析其具体影响因素。通常，煤的碳化程度、硫、磷含量、内在水分、煤质结构(层理、节理发育程度、疏松程度)、着火温度等均属于煤自燃倾向的内因；而煤层赋存状况、地质构造、采煤方法、通风及管理等均属于煤自燃的外因。
(三)防灭火技术的实践依据
目前，国内外煤矿一般采用防火灌浆技术作为主要防灭火手段。实践表明，采空区灌注黄泥浆，就会形成如图2、图3所示的“拉沟”现象，模拟实验表明很快发现浆液在矸石堆的底部渗了出来，注入量越多，渗出的速度也就越快，黄泥浆只往下流，并未有向上流动或堆积的现象出现，因此，无论注多少浆液，由于黄泥浆很难到达火源，因此不能防治高位火源，更不能将火源扑灭。
三相泡沫防灭火材料是一种体积大，密度小，表面被浆液围成的气泡群，它由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、惰性气体和水三相防灭火介质组成。粉煤灰或黄泥等固态物质的浆体通过注入氮气发泡后就形成了三相泡沫，其体积大幅增加，能够向高处堆积；如图4所示的实践表明，在采空区煤岩堆积类多孔介质中，三相泡沫能够向高处堆积并且可以均匀覆盖，由此可见三相泡沫可显著提高黄泥灌浆的效率。三、研究内容和实施方案
(一)煤炭自燃特性及其早期预测预报指标的研究
在中国矿业大学瓦斯与火教育部重点实验室采用相关仪器测试并研究工作面煤层的水分、灰分、挥发分、发热量、真密度、自燃倾向性等基础参数；研究B13。工作面煤层自热温升特性、煤自燃临界温度、交叉点温度等特征参数；研究B13-2煤层不同氧化阶段煤炭自燃的气体产物成分和浓度的变化規律；提出B13-2煤炭自燃早期预测预报指标体系。
(二)B13-2煤层工作面采空区自燃危险区域的判别
1．B13-2。煤层工作面采空区“自燃三带”的现场观测与分析，在实测采空区氧气浓度的基础上，分析研究B13-2。煤层工作面采空区散热带、氧化升温带、窒息带回采过程中的动态变化規律。
2．B13-2。煤层工作面采空区煤自燃危险区域的判别与模拟。根据现场漏风、采空区气体等分析研究结论，结合数值模拟技术研究工作面采空区“自燃危险区域”的分布范围及其随回采距离、配风量的变化規律，结合采空区氧气浓度的实测数据确定煤层自燃危险区域。
(三)预防煤层自燃的三相泡沫防灭火应用技术研究
提出适用于沙吉海煤矿的黄泥浆材的三相泡沫技术参数，建立适用于B13-2。煤层工作面开采期间本工作面采空区煤自燃防治的三相泡沫应用体系，形成三相泡沫钻孔施工工艺与灌注技术，实现防灭火泡沫快速、定向定点、大流量的立体灌注。
四、结语
沙吉海煤矿对B13-2。煤层采空区进行灌注三相泡沫材料，起到堵漏、降温于一体的预防性防灭火技术，保障B13-2。煤层不发生自燃发火。三相泡沫对一般性封闭采空区煤炭自燃、较大范围采空区火灾和巷道火灾、采空区高位和不明位置隐蔽火源、综放及俯采工作面煤碳自燃的扑灭和预防，效果都十分显著。
参考文献
[1]最新煤矿通风防治工程关键技术指导手册[M]．煤炭工
业出版社,2010．
[2]国家安全生产监督管理总局．煤矿安全規程[M]．煤炭
工业出版社．2006．
[3]张延松，王德明，朱红青．煤矿矿爆炸、火灾及其防治技术
[M]．中国矿业大学出版社，2007．
作者简介：臧燕杰(1977-)，男，山东菏泽人，国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿工程师，全国注册安全工程师，研究方向：煤矿井下“一通三防”。
责任编辑 王书柏