兗州礦業（集團）有限責任公司及其下屬各礦針對以前在礦井井下煤炭自燃防治方面存在的問題進行了認真分析和歸納，就煤礦井下煤炭自燃的機理與規律等問題與有關單位共同開展了深入的研究，并且在此基礎上探索出了煤礦井下防滅火的適用新技術，有效地保障了礦井的安全生產。需要說明的是，諸如“三相泡沫防滅火技術”等在其它礦區應用的先進技術本文限于篇幅沒有進行論述。

    1 煤炭自燃的研究

    1）煤炭自燃研究有新進展

    由西安科技學院完成的“煤氧復合過程及放熱強度測算方法”，通過測定兗州礦業（集團）公司東灘煤礦3#煤層所采煤炭的耗氧速率和CO、產生速率，根據煤的分子表面活性結構可能與氧復合過程的鍵能變化量，計算出了煤炭復合放熱強度，在此類研究中是一個突破。

    煤炭自燃過程的實質是煤體氧化放熱和散熱這對矛盾運動發展的過程。當發熱大于散熱的時候，煤體的熱量得以積聚，溫度升高，最終導致自燃。因此，研究煤炭的自燃，首先應當研究煤的放熱強度。煤體熱量產生的最主要根源是煤氧復合，但是由于常溫下的煤氧復合速度緩慢，人們一直未能解決放熱強度的直接測定問題。

    此項研究結果表明：根據煤炭表面分子結構的類型，推出了煤體表面分子存在的7種活性結構，這些活性結構是常溫下與氧發生化學反應的主體；煤表面活性結構與氧復合的過程中存在著化學吸附和三步化學反應過程，根據每一步反應時化學鍵能的變化，可以推算出化學吸附及反應每生成1molCO、等氣體產物的平均鍵能變化量；通過實驗可以測定出煤體在不同溫度下的耗氧速率、CO及的產生速率，若煤氧復合消耗的氧全部轉化成CO和，兩者的產生量和各自的實際生成量成正比，則依據耗氧速率、CO和產生速率就可以計算出煤氧復合放熱強度；若煤氧復合消耗的氧除了實際生成CO和以外，其余的均與煤發生吸附，那么據此同樣可以計算出煤氧復合的放熱強度；由于煤氧復合時實際消耗的氧一部分與煤發生化學吸附，一部分與煤反應生成中間產物，還有一部分與煤反應生成CO與，故煤氧復合的實際放熱強度則應當介于上述兩者的計算結果之間。

    2）煤層自燃發火規律研究

    兗州礦業（集團）公司通風處開展了對煤層自燃發火規律的研究，并且在此基礎上提出了實施防滅火的有效措施。

    綜合機械化開采分層開采時煤層的自燃發火明顯存在以下規律：第一，就發火點在采空區的分布而言，中部的發火幾率低，周邊的發火幾率高，分別占到綜合機械化開采分層采空區發火總次數的10.7%和89.3%，可稱為“發火的空間分布規律”。第二，就發火點的生成與工作面的回采關系而言，本分層回采時引起本分層采空區發火的幾率低，下分層及鄰區準備和回采時引起上分層或相鄰采空區發火的幾率高，分別占到綜合機械化開采分層采空區發火總次數的14.3%和 85.7%，可稱為“發火的時間分布規律”。

    綜合機械化放頂煤開采時的煤層自燃發火有以下特點：

    第一，就綜合機械化放頂煤開采的采空區而言，發火主要威脅仍然來自相鄰的采空區，而非本工作面的采空區，分別占到綜合機械化放頂煤開采工作面采空區發火總次數的86.7%和13.3%。

    第二，采空區發火的重點部位在相鄰的采空區“兩道”和停采線，分別占到綜合機械化放頂煤開采工作面采空區發火總次數的60.0%和26.7%（分層綜合機械化開采為42% 和40%）；與分層綜合機械化開采工作面的采空區發火相比較，“兩道”的危險性有所上升，而停采線的危險性有所下降。

    第三，順槽及切眼頂板煤柱發火十分嚴重，占與綜合機械化放頂煤開采工作面相關聯的發火總次數的34.8%，是采煤工藝變化帶來的一類特殊類型發火。

    另外，綜合機械化放頂煤開采時煤層的自燃發火期有縮短的趨勢，這仍然是由綜合機械化放頂煤開采的巷道布置特點所決定的。

    此項研究認為：要充分發揮各種防滅火技術的效能及最大限度減少自燃發火次數，就須高度重視實施各種防滅火措施的相對時間問題；有必要對采空區內部風流運移規律進行深入研究，以便更準確地指導各種防滅火措施的實施。

    3）煤炭自燃發火危險性評價指標

    兗州礦業（集團）有限責任公司開展了“煤炭自燃發火危險性評價指標”的研究，認為應當以煤炭對自燃的敏感程度和外在的開采條件作為評價的基礎，并且還應當對自然發火危險性評價指標方法存在的某些局限性進行了評價。

    煤炭的自燃發火是煤的內在特征（包括煤的自然物理特征和埋藏地質條件）與開采共同作用的結果，人們以此為基礎研究出了多種煤炭自燃發火危險性評價的預測方法。其中，以煤的內在因素為基礎的分類方法就有交叉點溫度法、Olpinski指標、吸氧法、絕熱氧化法、煤的初始升溫率（IRH）和總溫度上升值（TTR）預測方程等。

    盡管有大量的實驗方法可以用來對煤的自燃發火傾向性進行分類，但是沒有哪一種測試方法能夠綜合考慮影響煤炭自然發火的各種因素。在實驗室的條件下無法模擬井下的條件，所以不能夠只用單一的某個或者一組實驗數據來對煤的自燃發火危險性進行分類評價。因此，許多學者綜合了煤炭自然發火傾向性和煤層開采條件等外在的影響因素，研究出了潛伏期法、模糊聚類分類法、經修正過的Bystron和Urbaski分類方法等。英國諾丁漢大學綜合考慮了煤體本身的物理特性、地質條件、采礦技術三種因素而開發的專家系統，采用實驗室分析結果、地質資料和開采參數來評價煤層開采現場的自燃發火危險程度，其評價指標的計算采用經過修正的Bystron和Urbaski方法，在對煤層自燃發火危險性進行評價的同時可以向咨詢者提出建議性的預防措施。

    此項研究指出：即使是最現代化的專家系統評價分類方法，其評判指標中的外在因素權值仍然取決于人的主觀評價，尚應進一步加以研究，并且在廣泛調研論證的基礎上決定各種評定方法的實用性和可靠性。

    4）采空區自燃研究獲成果

    由中國礦業大學和兗州礦業（集團）公司東灘煤礦共同開展的綜合機械化開采工作面采空區自燃“三帶”分布規律的研究，最近獲得了新的成果。

    礦井火災是煤礦的主要災害之一。據統計全國統配和重點煤礦中有自然發火危險的礦井大約占到47%，而且絕大部分發生在采空區附近。因此，研究和分析綜采工作面采空區的自然發火規律，并且有針對性地采取一些切實可行的措施，不僅極大地提高了綜采工作面生產的安全性。而且也降低了綜采工作面的防滅火費用及減少了自然發火所造成的損失。

    該項成果是根據采空區頂板的冒落壓實狀況，通過采空區流場的計算機模擬分析，得出了采空區內自燃“三帶”的分布狀態；通過對采空區內遺煤溫度和氣樣成分的觀察分析，驗證了計算機模擬分析的結果；結合采空區遺留浮煤的分布狀態，充分地闡明了“兩道兩線”（進風道、回風道、切眼線和停采線）是采空區內發火最危險的部位，也是采取防滅火措施的重點部位。

    在此項研究的過程中，課題組人員通過對頂板的冒落壓實狀況、遺留浮煤分布狀況、采空區流場及試驗工作面的測溫取樣分析以后獲知：工作面的開采初期，自燃“ 三帶”在采空區四周均存在；隨著工作面的推進，形成了上下巷道“三帶”、中部窄的形式。而且，考慮到采空區四周也是浮煤堆放較為集中的地點，因此采空區的易自燃部位可以判定為進風道、回風道、切眼線和停采線附近，這也是對采空區實施防滅火措施的主要理論根據。東灘煤礦在上述理論分析的基礎上，采取了上、下順槽注阻化劑，并且在切眼線和停采線附近重點噴灑阻化劑等措施，均取得了比較好的防滅火效果，安全采出煤炭120萬t。

    5）自燃隱患預測技術與應用

    為了減少自燃發火事故、確保工作面順利回采，兗州礦業（集團）公司南屯煤礦開展了煤層自燃發火隱患預測應用技術的研究，對礦井安全生產以及提高生產效益發揮了積極的作用。

    他們使用紅外線測溫儀對巷壁煤柱煤體破碎區及頂煤破碎區進行測量。在斷面頂部和兩幫各設 3個點，每隔3～5m設1個測量斷面，將所有數據輸入計算機，應用煤巷紅外探測數據處理與位置反演系統得到火源探測結果的平面圖、立體圖、測點變化趨勢圖和隱患點位置、溫度等。根據紅外探測數據和現場煤體破碎程度判定，在可疑點布置測溫、測氣點，測溫電阻和測氣采管送入Φ20mm鋼管，環氧樹脂固化 20～50mm，每天監測1～2次。

    采空區自燃隱患預測主要采取氣體指標分析預報辦法。采空區取氣樣有埋管取樣和鉆孔取樣。埋管是在工作面回風側預留一段距離的管路，在管路中布置束管，這種方式工作量大、方位性差，但可控程度高、使用時間長，同時可以判斷采空區“三帶”，對采空區整體處理有指導意義。利用鉆孔則需要向采空區施工鉆孔，這種方式工作量小、方位性好，但是影響因素多，容易出現塌孔。觀測管入口設在工作面切眼以外50m處，每天抽取氣樣分析。25天后工作面推進108m，觀測點氧氣濃度由20.4%降至3.3%，甲烷濃度由0.21%升至5.10%，說明觀測口已進入窒息帶。定期在采煤面回風隅角及回風流等地點人工取樣，然后進行氣體分析，用CO絕對產生量預報指標法進行計算，測出進、回風巷各自的風量，從而判斷采空區是否發生自燃發火隱患。已封閉的聯絡巷、廢棄的溜煤眼等地點可以預留1路束管，利用其取樣分析。

    2 紅外探測技術在礦井防滅火中的應用

    1）在東灘煤礦的應用

    兗州礦業（集團）公司東灘煤礦在4308工作面軌道順槽的巷道中應用了紅外探測的先進技術，預測準確，方便適用，為煤礦防火預測和探測隱蔽火源帶來了比較好的應用前景。

    兗州礦區的各個煤礦原先對于煤炭自燃的預測預報普遍采用的是氣體分析法，依照煤炭在不同溫度條件下產生氣體的種類和多少來判斷煤炭自燃發展的情況，無法確切地判斷煤炭自燃的實際位置。

    研究人員發現，發光物體在發出可見光的同時，還會發出一系列不可見的電磁波，例如紅外電磁波等。火源也是如此。在隱蔽的地點，當煤炭自燃的條件形成以后，隨著煤層溫度的增高，紅外輻射場的強度也會逐漸地增大。物體的輻射能力與其溫度的四次方成正比，自燃煤體的溫度升高時，其輻射的能量會大幅度增加（在實際的應用過程中應同時考慮所測煤體的密實程度），因此可以利用紅外電磁波來探測隱蔽的火源。依據紅外探測技術原理研制的儀器不同于一般的直讀式儀器，要想知道測點的溫度，還必須根據各個探測點的位置和測得的紅外場強度畫出一道相應的曲線，并對之進行分析和解釋。

    東灘礦4308綜合機械化開采放頂煤工作面軌道順槽的另一側是4309工作面的采空區。在4309工作面的采空區內有多處浮煤自燃，高溫點的位置難以準確判定。為此，他們采用防爆紅外探測儀進行了隱蔽火源的探測。在4308軌道順槽的沿空側每隔2.5m布置一個測點，對4309采空區進行探測，并且將探測到的紅外輻射場強度數據繪成曲線，120～160m處為正常場，30～90m段出現低溫氧化反應，95～100m段出現強烈氧化升溫反應，已經出現了明顯的高溫點；然后用打鉆測溫進行驗證，情況基本相符。

    紅外探測技術后來在兗州礦區的南屯煤礦、興隆莊煤礦井下相繼進行了應用，也取得了很好的效果。

    2）在鮑店煤礦的應用

    兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦將紅外線探測技術應用于防滅火工作中，通過測定場強的變化，在煤體大量吸氧活化階段就可以早期探測到自燃的隱患地點，有利于及時采取措施進行預防，為煤礦生產提供了安全保障。

    在紅外線探測技術之前，煤層的自燃主要是利用安全和束管監測系統對氣體進行監測分析，根據氣體的監測結果（尤其是分析CO和）來確定自燃隱患的地點；或者通過觀察自燃外部征兆，例如巷道掛汗、水汽、幫變紅、煙霧、明火等，證明出現了煤層自燃的現象。以上探測方法（包括氣體監測）都是在煤體吸氧自熱出現自燃隱患以后才有效，在此之前無法探測到自燃隱患。一旦發現有害氣體（CO和），煤體已經處于自熱化學反應的階段，很快就可能造成煤層自燃發火，在時間上給防止自燃發火工作帶來了難度。紅外線探測是一項早期預測預報的技術。它能夠確定煤層自燃隱患的地點、漏風通道、瓦斯積聚地以及探測隱蔽的水源等，尤其是在煤體吸氧活化階段就可以探測到隱患地點。

    該礦在防滅火中的紅外線探測采用了以下兩種方法：

    ①對于一個特殊的地點（介質性質與周圍不同），例如采煤工作面封閉以后的密閉與聯絡巷等一般采用同一地點不同時間的測定方法，并且繪制隨著時間變化的曲線圖。他們曾經從圖上發現有幾天出現異常場，場強量突然增大，可以判斷密閉內已經出現了自燃隱患，經過治理以后恢復了正常。

    ②對于同一介質進行不同地點的探測。例如，沿空掘進的巷道、“孤島”工作面的兩順槽或者嚴重冒頂的巷道，采用定期沿著巷道每隔一定的距離范圍測定的方法，其中沿空巷道重點對沿空側選取上、中、下三個點測定，冒頂巷道對頂板選取左、中、右三個點進行測定。

     3 自燃發火防治的研究

    1）煤層自燃防滅火研究有新進展

    兗州礦業（集團）公司通風處通過研究以后提出了一個新的觀點：要充分發揮各種防滅火技術的效能及最大限度減少自然發火次數，就必須高度重視實施各種防滅火措施的相對時間問題。

    煤層自燃發火的時間分布規律表明，采空區浮煤自燃的危險性具有隨工作面開采相對時間變化的特點，即在浮煤形成時（也就是本面開采時）較小，在鄰面準備及回采時增大。因此，防滅火措施的實施應在相對有利的時間內進行，遵循的原則是在工作面開采期間不對本面采空區做過多的防火工作，待到開采下分層或鄰區時再對其做大量的防火工作（接續上應留出防火工作的時間），即工作面回采時的防火重點應針對與之相鄰的采空區，而非本面采空區。

    提出此原則主要考慮兩點：一是本面采空區自燃幾率較低，實施過多的防火措施沒必要，另外工作面開采時對本面采空區采取措施的難度較大，且不便于措施本身作用的發揮。二是鄰區工作面開采時，相鄰采空區的自燃幾率增大，對其采取措施的必要性亦增大；鄰區工作面準備及回采時，順槽距相鄰采空區較近，便于實施各種措施，同時也利于防火作用的發揮。照此原則開展防滅火工作，既能充分發揮各種防滅火技術的效能，又能減少不必要的防火投入。當然，綜合機械化放頂煤開采順槽及切眼頂煤的防火處理應另當別論，由于這類發火多發生在順槽切眼掘進期間或回采工作面前方的順槽中，與工作面的回采關系不大，因此其防火處理工作宜早不宜遲，最好是發現順槽冒頂或松動離層即行處理。此外，還有必要對采空區內部風流運移規律進行深入研究，以便更準確地指導各種防滅火措施的實施。

    2）礦井防滅火關鍵技術研究

    兗州礦業（集團）有限責任公司針對礦區井下煤層自燃防滅火工作中存在的問題，對礦井防滅火關鍵技術進行了研究。

    實驗證明，不同煤種的自燃情況不相同，同一種煤耗氧越快越容易自燃。如果時間足夠長，任何煤都會自燃。具體到兗州礦區的煤種而言，溫度達到200℃左右時會出現煤焦油味，此時CO濃度能達到1%；溫度300℃時能見到青煙；到400℃能夠見到明火。如果在100℃時不采取措施，幾天就會上升到300℃而出現青煙。濟寧二號煤礦2301停采線從出現到明顯有煤焦油味僅兩天，到明顯冒青煙僅七天。

    防滅火關鍵技術可分以下幾個階段：

    ①工作面布置。在進行工作面設計的時候，要保證順槽的風流方向與相鄰采空區周邊的風流方向同性，即同為進風或者同為回風。工作面不能采全高，必須丟煤的時候要丟底不丟頂。

    ②掘進中。沿空掘進面須噴漿堵漏，對沿空有高溫的區段可采用注膠體泥漿的辦法進行治理。沿空掘進的巷道與采空區密閉或者上分層的溜煤眼貫通前以及在貫通二次揭露的斷層時，在可能的情況下應當通過觀測密閉內氣體情況或者打鉆的辦法了解內部煤的自燃情況。

    ③采煤過程。工作面生產時的進風隅角一側是防滅火的重點。最好能向采空區噴灑阻化劑，并在噴灑后掛簾。工作面推進速度較慢時，每隔一段距離用黃土袋子將巷道堵死，防止漏風引起采空區浮煤自然發火。

    ④工作面停采。停采前盡量加快工作面推進速度、抓緊回撤、快速封閉并對停采線采取注漿等措施。

    ⑤救災時期。礦井火災時期的通風系統穩定是非常重要的，風量不穩定會使采空區內的氣體突然涌出。盲目調節風量會使高溫點產生的有害氣體因壓力變化而涌出，而且救災時風壓的來回調整不利于對火源點位置與火災發展情況的準確判斷，尤其是對于為防滅火減小風壓差的調風措施更應慎重。

    3）綜合機械化放頂煤開采工作面巷道沿空側松散煤體漏風強度測算

    西安科技學院和兗州礦業（集團）公司東灘煤礦提出了通過實測井下巷道沿空側松散煤體鉆孔氧氣濃度來推算漏風強度的方法，分析了巷道松散煤體在自燃的過程中熱風壓對漏風強度的動態影響，并且在該礦4308綜合機械化放頂煤開采工作面的沿空巷道自燃性預測中得到了成功的應用，對于松散煤體自然發火預測技術的研究具有重要的意義。

    綜合機械化放頂煤無煤柱開采的時候，沿空巷道的沿空側有一條寬度約為10m、高度為數米的松散浮煤帶。這些煤體在空氣漏風流氧氣的作用下放出熱量，若蓄熱條件較好則可能引起煤體升溫，從而導致煤體自燃。對于巷道松散煤體自燃預測而言，只要掌握其有關參數就能夠作出比較精確的預測。例如，其中的放熱強度、耗氧速度可以在實驗室內測定，松散煤體厚度、巖層原始溫度在現場都可以直接測定，但是測定松散煤體中漏風強度的難度很大，而測定氧濃度的分布相對則比較容易，因此可以通過實際測定的氧濃度分布來反推漏風強度。

    其思路是：根據巷道沿空側松散煤體的漏風特點，通過測定松散煤體內某一點的氧氣濃度、瓦斯濃度和溫度，再根據煤在該溫度下的耗氧速度，便可推算出漏風強度。以這個漏風強度為初始值，并且考慮到系統風壓的變化（主要為煤體溫度變化引起的熱風壓變化），即可得到漏風強度的動態變化規律。

    此項研究表明：漏風強度的氧濃度測算法是根據實測巷道松散煤體鉆孔氧氣濃度和煤的耗氧速度推算出漏風強度，該方法能夠比較真實的反映出松散煤體的實際漏風狀況，但是必須首先由實驗測定出煤的耗氧速度；在煤氧化自燃的過程中，由于煤體溫度升高而產生熱風壓，因此在研究巷道松散煤體漏風強度的時候，還必須考慮到由于熱風壓引起的漏風強度動態變化。

    4）煤層注水技術避免火災的發生

    由兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦與煤炭科學研究總院重慶分院共同完成的“綜合機械化放頂煤開采工作面煤層注水技術研究”，已經由專家通過了技術鑒定。

    根據煤層裂隙中水的滲透情況，應用這項成果的裝置可以自動調節注水參數，從而使得注水的效果達到最佳。此項成果具有動靜壓注水自動切換、自動顯示及儲存各項注水參數和多種保護功能，可以軟化煤層和頂煤、減少大塊的煤量、降低工作面的瓦斯濃度和工作場所的溫度、延長發火的周期、避免火災的發生，還提高了資源的回收率。興隆莊煤礦應用了此項技術以后，煤層中的平均水分增量為1.174%，總粉塵降塵量達到了62.1%～86.0%，呼吸性粉塵降塵量達到了 54.1%～67.6%，有效地改善了作業的環境，減少了粉塵的危害。專家認為，此項技術成果在厚煤層及中厚和薄煤層中均具有推廣應用的價值。

    5）煤體自燃發火的防治技術

    兗州礦業（集團）有限責任公司不僅在綜合機械化放頂煤開采技術研究方面得到了快速發展，而且在煤體自燃發火的防治等方面也有了顯著的發展和提高，并且帶動了相關專業及安全保障技術的發展，形成了完整的厚煤層綜放開采技術體系及安全保障體系。

    由于綜合機械化放頂煤的一次開采強度大、采空區冒落空間高、采空區遺煤多、工作面順槽沿著底板一次掘出及服務時間長等原因，加之兗州礦區一直推廣無煤柱開采，因此對自燃發火防治技術的要求更高、更復雜。統計資料顯示，綜合機械化放頂煤開采的自燃發火與分層綜合機械化開采相比顯現出不同的特點，即易發火區由分層綜合機械化開采的“二道二線”（工作面運輸機道、回風道及切眼、停采線）轉變為巷道頂煤和綜合機械化放頂煤開采工作面相鄰采空區松散煤體（特別是沿空送巷保留的小煤皮）。綜合機械化放頂煤開采工作面的采空區雖然遺煤比較多，但是由于工作面的推進速度快，使得采空區的遺煤遠在自燃發火期以內就被甩到窒息帶，所以未發生自燃發火現象。

    兗州礦區的煤體自燃發火防治技術可以分為以下兩個方面：

    ①針對巷道頂煤容易自燃的情況，采取了以下措施：大力推廣煤巷錨網支護技術，變被動支護為主動支護，減少頂煤松動冒落和頂板形成空洞的可能，從根本上杜絕了巷道頂煤的自燃現象；開發應用以巷道噴涂、注凝膠隔離段和惰化劑為主要內容的防火技術；采用巷道頂煤自燃預測預報技術；研究膠體泥漿快速滅火技術。

    ②針對相鄰采空區端頭松散煤體容易自燃的情況，采取了以下措施：采用聚氨酯噴涂堵漏新材料、新工藝；開發應用密集淺孔注凝膠技術；采用井下移動式膜分離制氮防滅火技術；開發應用膠體泥漿快速滅火技術。