煤层火灾监测与治理研究现状及发展趋势

文 虎，田 晴，赵向涛，王伟峰

(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)

煤自燃一直是世界性难题，自20世纪60年代以来世界就遭受了煤火灾害的严重危害[1]。煤火灾害不同于其他类型的固体火灾，具有自燃、阴燃和复燃的特点，火源隐蔽、贫氧氧化、易复燃[2]，防控难度极大，煤火的发展还取决于巷道、采空区和道巷道附近空气动力学的差异。它与局部和整个矿区的岩体空气渗透有关[3]，煤层上部的不稳定岩石层，大裂缝和煤层火灾引起的沉降对地面基础设施和人员造成极大的危害。中国作为世界上最大的煤炭生产国，针对煤火防治新技术在不断的升级改进，提出了各种较为准确的煤火监测技术。采用ASTERL1B热红外遥感数据反演内蒙古乌达煤田火区的地表温度，提出基于梯度的自适应阈值法，以热红外图像梯度极值为阈值圈定火区范围；利用指标气体监测煤火是一种较为常见的方法；近年来，新材料不断在煤矿进行应用，新型高分子泡沫堵漏防火材料，具有黏度低、膨胀倍数适宜、固结体力学强度较高的优点，能够渗入至煤体内细微裂隙实现对漏失通道的封堵，泡沫凝胶仍然能够发挥更加高效的作用[8]。凝胶化后，气泡牢固地被捕获在高黏度凝胶膜内，这改善了泡沫的弹性力和吸热能力，有效减少氧气在采空区中的流动，覆盖高温火源，高含水量使其能够保持浮煤表面湿润，防止煤自燃。我国的煤火防治工作取得了巨大的进步，有必要作出综合性阐述。因此，在本文中介绍国内煤层火灾分布主要规律，煤层火灾监测技术，比较监测技术的优缺点，归纳总结了煤层火灾治理新技术的研究现状及发展趋势。

1 国内煤层火灾的分布的原因

大部分煤层火灾沿着中国煤炭带发生在中国北方(约N36°—N45°)伊敏湾，沉北，乌兰图加，乌达，准格尔和伊犁煤田。中国北方煤层火灾集中的主要原因是：煤层分布，采矿活动和气候条件。现今，中国大陆的煤火，虽然新疆还有较多的煤火区( 处、点) 尚在燃烧，其他的省份，仅有内蒙古、山西、宁夏等省、自治区尚存零星火区(处、点)。这些受影响的煤田的一个明显特征是煤在早期和中侏罗世纪成煤期形成，煤炭含量低，含碳量低，含氧官能团高，挥发性物质含量高。此外，新疆和内蒙古的浅埋煤层和露头很常见，增加了自燃的风险；另外，采矿活动也是引发中国煤炭火灾的最重要因素。

2 煤层火灾监测研究现状

煤层火灾的监测对于环境和健康影响评估以及灭火工程非常重要。例如，诸如监测到的煤火深度，温度和火焰传播速率之类参数，并且提供用于灭火活动的关键信息，以下为主要的煤层火灾监测技术。

2.1 地下监测技术

钻孔钻井是一种重要的地下监测技术。地下监测技术主要集中在指标气体和氡气探测上。

1)指标气体监测：煤的自燃释放的气体，包括CO2，CO，CH4，H2，C2H4，C2H2和其他高碳氢化合物气体，指标气体来源于含氧烃的热解和分解，因此，寻找排放气体与特定煤的温度之间的关系，基于实验室规模关于煤的自加热和点火的实验，可以根据监测气体预测煤的温度，这对于自燃的早期预警是重要的。

监测煤自燃的常用指标气体是CO，C2H4和格雷厄姆比。格雷厄姆的比率通常在0～0.4之间，为产生的一氧化碳量与吸收的氧量之比。另外，通常还选择其他气体如C2H2，C2H6，C3H8和C4H10作为指标气体。而后提出另一种指标气体，CO/CO2的比率，可以表明煤炭地下火灾的发展。研究有超过十种指标气体可用于监测煤的自燃早期阶段，这些指标气体因具体情况而异，具体取决于煤层火灾的范围和条件。选定的指标气体有其自身的局限性，因此，多种指标气体和气体温度监测可以帮助更可靠地解释煤层火灾的范围和后续发展。

2)氡气监测法：使用氡气探测煤层火区的主要原因是煤层富含氡气(222Rn)，因为煤的多孔结构吸收了222Rn，由于浮力效应上覆岩石中的氡气通过排放气流向上传播，特别是以CO2和CH4为载气，煤层火灾引起的裂缝或裂缝是从地下到地表的222Rn运动的良好途径[11]。

2.2 地面监测技术

地面监测技术主要是监测原位温度，所使用的仪器包括地下温度记录仪，接触式温度计和手持式辐射计。由于煤层火灾从地下燃烧到地面的传导热传递非常缓慢。因此，从裂缝或通风口排出的废气携带的对流热通常是监测表面热异常的主要来源。大多数煤层火灾情况是通过裂缝或通风口的温度场映射来确定的。我国的煤层火灾裂缝温度介于17℃和891℃之间，平均裂缝温度为187℃。

空间，水平和垂直温度测量对于检测各种项目效果非常明显。大面积和沿裂缝场的水平温度测量有利于划分煤层火灾区域并确定火灾传播方向，垂直温度测量(沿裂缝深度或钻孔)有利于了解火灾深度和范围。

2.3 空间监测技术

1)探地雷达：探地雷达是一种地球物理方法，利用反射的电磁信号了解地下煤层火灾的基本情况[12]。根据雷达信号的自回归变化和平均移动(ARMA)模型光谱来检测由煤层火灾引起的地下裂缝区和洞穴，提出了ARMA谱密度算法构造谱剖面。利用这种方法，成功地检测到了乌达向斜18号煤层火灾的裂缝、碎石带和洞穴[13]。

2)机载遥感：机载遥感具有精准的数据采集，快速的反应能力，灵活的图像分辨率以及大面积覆盖的特点。煤层火灾检测的机载遥感研究主要集中在机载热遥感，无人机(UAV)和热像仪的使用，以及高光谱(OMIS1)远程传感[14]。

3)多光谱和热遥感：利用飞机机载多光谱扫描仪(MSS)，针对不同的时段应用不同的检测波长扫描监测，全天候飞行。白天，中午，夜间分别使用3～5μm波长，43pm波长，8～12.5μm波长进行飞行监测，区分时段应用不同波长监测具有低温热异常检测能力和高温热异常检测能力。

4)星载遥感：星载遥感的主要优势是能够大面积探测扩散的煤层火灾。用于监测我国煤层火灾的星载平台有超高分辨率辐射计(AVHRR)，中分辨率成像光谱仪(MODIS)，双谱和红外遥感(BIRD)，星载热发射和反射辐射计(ASTER)。

2.4 煤层火灾监测技术的对比分析

煤层火灾监测可分为四类：地下，地面，空中和星载监测。表1不同检/监测方法的可监测表面特征，空间和时间可监测性以及优缺点。

表1 不同监测方法的可监测表面特征，空间和时间可监测性以及优缺点

3 煤层火灾治理技术研究现状

煤层火灾治理是煤层火灾监测的最终目标，也是保护环境和节约煤炭资源的最重要活动。了解煤层火灾区，火灾深度，矿井深度，温度，燃烧程度，火灾传播方向，渗透率和孔隙度，为治理灭火活动提供科学依据。煤层火灾治理工程由一系列步骤组成，即准备，挖掘，水渗透，钻孔，水和灌浆(或凝胶)注入，以及黄土覆盖，如图1所示。从理论上讲，现在这些技术包括灭火的所有三个内容：减少热能、去除燃料和隔离氧气。

图1 灭火和治理流程图

3.1 挖掘注水

为了保证开展安全治理工作，通过浇一次水，爆破不稳定覆岩上的采空区应进行。

3.1.1 挖掘

挖掘燃烧的煤，烧焦的岩石或不平整的土壤旨在熄灭(近)表面煤层火灾或为随后的灭火工作提供平坦的工作表面。由于缺水和土壤，挖掘是鲁岐沟煤田防治煤层火灾的主要方法。

3.1.2 水渗透

如果煤层火灾是火源深度低于15m的近地表火灾，则水渗透是降低温度的一种经济有效的方法。在新疆维吾尔自治区的煤层火灾中，水渗入煤层火灾后，最高温度317.7 ℃降至65.9℃。

3.2 钻孔注浆

如果煤层火灾是地下火灾，注浆是钻孔后熄灭煤层火灾的常用方法。它由水和灌浆(或凝胶)注射组成。水和灌浆(或凝胶)注射的主要目的分别是温度下降和空气通道的密封。

3.2.1 灌浆注射

研究表明，灌浆半径(受注入影响的区域半径)约为4.37～4.5m根据灌浆半径，压力，渗透率和水土比例的经验公式，这意味着水与土壤的比例和注入压力对灌浆半径具有显着影响。如下公式：

R=10.74P0.086K0.059W1.028

(1)

式中，R为灌浆半径，m；P为注射压力，Pa；K为渗透率，m2；W为水与土壤的比例，%。

3.2.2 凝胶注射

灌浆中的固体颗粒倾向于沉积，影响灌浆注入的有效性。凝胶是一种改进的材料，通过在灌浆中添加一些特殊的化学材料，很好地结合了水和固体颗粒[15]。主要用于扑灭煤层火灾的凝胶：凝胶，增稠凝胶和复合凝胶。凝胶的主要成分是硅酸钠溶液(水玻璃)，凝结剂(NH4HCO3)，黄土(或粉煤灰)和水。硅酸钠溶液和凝结剂仅占总凝胶质量的5%～10%。凝胶可以释放出有毒气体，即氨。因此，非氨、铝凝结剂和大分子被开发。

增稠凝胶：增稠凝胶由增稠悬浮剂(FCXF12，JXF1930)，固体颗粒(黄土、沉积物或飞灰)和水组成(见图2(c))。

复合凝胶：复合凝胶(见图2(d))由稠化剂(FHJ16，FCJ12)，黄土和水为消除煤层火灾最广泛使用的凝胶。固体颗粒与水的比例为1∶1～2∶1，胶凝剂含量仅占总水质量的0.06%。覆盖黄土的目的是防止空气泄漏到熄灭的煤层火灾中，并为将来的填埋工程提供土壤基础。

图3 凝胶简视图

3.2.3 高分子新材料治理技术

1)三相泡沫降温技术：三相泡沫是指在水中添加极少量的发泡剂、稳泡剂等添加剂，通过物理机械发泡，形成水附着在气泡壁上形成固、液、气三相降温体系。对于煤层火灾的治理，不但降低煤体的温度，同时也降低围岩的温度。实现对中、高及采空区顶板煤体灭火降温作用。三相泡沫具有优秀的堆积性，可在采空区中向高处堆积，对燃烧的顶板及高处煤层进行降温；通过钻孔向周围孔隙及裂缝扩散，对燃烧体进行降温[18，19]。三相泡沫灭火提高了水的利用率，降低了矿井排水压力。

2)稳定凝胶泡沫技术：通过使用增稠剂(TA)和交联剂(CLA)在气膜中形成凝胶结构，形成一种稳定的凝胶泡沫。从微观结构和液体排放动力学分析表明：与传统法的水性泡沫相比，稳定的凝胶泡沫有较小的平均气泡尺寸，较低的水分流失速率，并且稳定的凝胶泡沫对于煤层火灾的抑制效果更好，火源温度越高时，对于减少煤燃烧时产生的CO和C2H2排放量效果更好，显示出更好的保水性，以防止煤的继续氧化燃烧，此外稳定的凝胶泡沫在煤体表面形成完整的隔离层，阻断煤与氧气的继续接触，抑制煤层火灾的产生[20]。

3)智能凝胶技术：通过玉米秸秆、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(ATMPS)和丙烯酸(AA)的接枝共聚反应，合成了智能水凝胶[20，21]。然后将化学发泡剂添加到水凝胶中，形成自发泡凝胶，随后与可膨胀石墨混合以形成智能凝胶。与温度敏感的聚丙烯酰胺凝胶相比，该智能凝胶具有良好的热稳定性，以及在高温下的附着力和溶胀性。灭火实验表明，智能凝胶可以覆盖燃烧煤的表面，从而显著降低点火源温度、热辐射和CO生成量谱分析表明，10%膨胀石墨的样品在加热过程中能抑制羟基的氧化。智能凝胶的阻燃性能优于其它凝胶，防止了再燃。

4 煤层火灾防治存在的问题及展望

尽管地下气体检测具有良好的准确性并且反映了地下煤的燃烧情况，但是非常耗时并且受到短期观测和天气波动的限制条件。地面探测有几种方式，如原位温度测量，自电位技术，二维电子成像技术，透射电子显微镜，磁技术和探地雷达等，已经进行了研究，在这些技术中，原位温度测量具有最高的精度并且被最充分地研究，相比之下，对其他监测技术的研究则不是很充分。特别是自电位技术和磁性技术。由于成本高，近年来很少报道机载热遥感，尽管它在高空间分辨率和灵活的数据采集方面具有优势，用于探测煤层火灾的星载遥感的精度较低。未来开发的更先进的传感器可能具有更高的能力来划分煤层火灾区域并估算煤层火灾引起的温室气体，从而实现精确治理煤层火灾[25]。

在空间上，涉及地下，地面，机载和星载探测的 “四级”探测为探测和监测煤层火灾提供了各种选择。监测水平越高，监测到的广度越大，精度越低。有必要考虑空间尺度，精度，空间和时间可检测性的权衡，做出最佳决策。最好结合各种方法，这些方法可以相互补充并减轻它们各自的缺点。灭火工程涉及准备，挖掘，水渗透，钻孔，水和灌浆(或凝胶)注入等工作，使用高分子新材料治理技术，并且加大了阻燃新材料的开发研究。煤火治理是一项复杂的系统工程，开发新型防灭火材料，将各种技术结合起来，才能有效控制煤火的发生、减小火区的扩大，抑制火区对环境的污染。