“双碳”背景下我国地下煤火防治技术研究进展_张志军.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.07文章编号:1674-1803(2023)01-0039-04“双碳”背景下我国地下煤火防治技术研究进展张志军(中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039)摘 要:煤炭作为我国主体能源的地位短期内难以改变,在“双碳”目标政策背景下,降低煤炭消费总量及其生产、消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。地下煤火对资源、环境、经济等造成严重的影响,同时燃烧过程中产生大量 CO2,新时期高效开展煤火防治显得尤为重要。煤火防治是一项复杂的系统工程,为了给地下煤火防治提供决策参考,阐述了目前常用于防治地下煤火的注浆、阻化剂、惰气、胶体等技术的机理、研究进展及优缺点,单一防治技术均有一定的局限性和适用性,今后应重点加强新型灭火技术研发及综合应用、灭火材料、灭火工程设备等方面的攻关研究,不断提高防火技术的有效性、适应性和经济性,以达到保障煤矿安全生产、保护生态环境及早日实现碳中和战略目标。关键词:碳达峰;碳中和;地下煤火;防治技术中图分类号:TD752.2 文献标识码:AResearch Progress of Underground Coal Fire Prevention and Control Technologyin China under the Background of“Carbon Peaking and Carbon Neutrality”ZHANG Zhijun(General Prospecting Institute of CNACG,Beijing 100039)Abstract:It is difficult to change the status of coal as the main energy in China in the short term.Under the background of“carbon pea-king and carbon neutrality”target policy,cutting back on the total amount of coal consumption and the carbon emission intensity in the process of coal production and consumption is the inevitable choice to achieve the“carbon peaking and carbon neutrality”tar-get.Underground coal fires have a serious impact on the resources,environment and economy,meanwhile a large amount of CO2 is pro-duced in the combustion process,so it is particularly important to carry out coal fire prevention and control efficiently in the new period.Coal fire prevention and control technique is a complex systems engineering.In order to provide decision-making reference for under-ground coal fire prevention and control,this paper describes the mechanism,research progress,advantages and disadvantages of grou-ting,inhibitor,inert gas and colloid,which are commonly used to prevent and control underground coal fires,the single prevention and control technique has some limitations and applicability,in the future,we should focus on the research and development of new fire-fighting technology and its comprehensive application,fire-fighting materials and fire-fighting engineering equipment,so as to improve the effectiveness,adaptability and economy of fire prevention technology continuously,ensure to achieve the coal mine safety produc-tion,protection of the ecological environment and early realization of carbon peaking and neutrality strategic objectives.Keywords:carbon peaking;carbon neutrality;underground coal fire;prevention and control technique基金项目:中国煤炭地质总局科技创新项目“清洁能源勘查与开发利用技术研究”(ZMKJ-2021-ZX04)作者简介:张志军(1971),男,吉林舒兰人,高级工程师,从事煤矿防治水与采空塌陷灾害防治研究工作。E-mail:收稿日期:2022-03-08责任编辑:宋博辇 地下煤火作为煤矿开采的主要灾害之一,是指在自然条件下,由于人为因素或自然因素使得煤炭与空气接触,随着能量的积聚,引起的煤炭资源燃烧,并不断发展形成的大面积煤田火灾。在全球很多国家均有不同程度存在,在我国主要分布在新疆、宁夏、内蒙古等地1-2。地下煤火对资源、环境、经济等多方面均产生着不利的影响,随着温室气体排放引起全球变暖等问题的加剧,地下煤火受到了越来越多的关注。一方面造成大量煤炭资源的浪费和冻结,根据调查研究,每年因地下煤火燃烧造成的煤炭资源直接损失 1 000 万 t 至 1 300 万 t,同时间接影响的煤炭资源量约 2 亿 t;另一方面,对地表沉陷、植被、土壤等造成很大的破坏,同时燃烧过程释放出大量的粉尘与有毒有害气体,主要有 CO2、CO、SO2、CH4、H2S 等,污染大气环境3。40 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷“双碳”是中国提出的两个阶段碳减排奋斗目标。二氧化碳排放力争于 2030 年达到峰值,努力争取 2060 年实现碳中和,为实现这一宏伟目标,要逐步减少二氧化碳、甲烷等温室气体的排放力度。基于遥感数据估算,VAN DIJK P 等得出我国煤火产生的温室气体占全球总排放量的 0.1%4,有效控制地下煤火,有助于早日实现“双碳”目标。我国西部地区因煤层较厚、埋深较浅、气候干旱等特点,随着开采强度的不断加大,极易引发煤火自燃,其产生的一系列问题已严重影响我国能源安全和生态环境,因地下煤火燃烧环境复杂,如何高效开展煤火防治是保护煤炭资源生态环境的关键5。1 我国地下煤火分布现状我国地下煤火多分布在干旱的西部地区,以新疆、宁夏、内蒙古分布范围最广,其中新疆煤田火灾最为严重。根据新疆最新第五次煤田火区普查结果表明:截至 2019 年底,新疆有未治理的在燃火区 40处,火区总面积 477.73 万 m2,每年燃烧损失 456.16万 t 煤炭,年排放温室气体 CO2达 1 204.26 万 t,主要分布在准格尔煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、库拜煤炭基地等6。宁夏回族自治区煤田火区主要分布在汝箕沟矿区、二道岭、呼鲁斯太、石炭井等含煤区,其中汝箕沟矿区地下煤火较为严重。内蒙古自治区地下煤火主要分布在古乌达、鄂尔多斯、桌子山、准格尔等矿区,其中乌达矿区地下煤火较为严重7-8。我国地下煤火主要具以下特点:根据空间位置,燃烧严重的矿区主要分布在北纬 35 45。根据气候条件,地下煤火主要发生在干旱半干旱的西部地区9。我国地下煤火大部呈阴燃状态,范围大,着火点分散,距离远,火源隐蔽,煤火复燃频发等,实时动态监控和火区治理十分困难10。2 地下煤火防治技术研究进展一般而言,地下煤火的燃烧需具备可燃物、持续供氧条件和热量的积聚三个方面条件,煤火的防治应从这三个方面开展,只要破坏其中任一已产生的燃烧条件,就可以达到地下煤火防治的目的。目前采用的地下煤火防治技术主要有注浆、阻化剂、惰气、胶体、泡沫等。许多研究人员在不同的矿区采用不同的灭火技术对地下煤火防治进行了深入研究,取得了大量成果11。2.1 注浆灭火技术研究进展注浆技术主要是将制备好的浆液通过管路注入燃烧区,利用浆液包裹煤炭,使其与空气接触面积减少,同时浆液有利于降低燃烧区的温度。灌浆技术因其操作简单、安全可靠等特点在地下煤火防治中应用较广,但该技术易受浆液重力影响,向低处流动,不能很好的覆盖燃煤,对于高位地下煤火防治效果有限。目前浆液制备用的材料主要有粉煤灰、煤矸石、黄泥等。陈辉等通过打钻注浆注胶等方法,对阜康气煤一号井煤田 5、6火区进行了治理,通过综合治理,5、6火区内地表塌陷得到了有效充填,形成水柱和冒青烟的现象得到了有效控制,煤田灭火达到了预期效果12。陈明河等利用地面打钻孔灌注天固封堵材料隔离沙吉海煤业 B6101 工作面火区,治理后通过分析火区隔离前后钻孔内和回风立井内 CO、O2等气体体积分数和内外压差的变化情况,结果表明火区隔离效果较好。B6101 工作面火区的有效隔离,确保了矿井及时启封和矿井设备安全13。刘鑫等根据天府磨心坡矿火灾的情况及现状,研制了粉煤灰灌浆防灭火材料,并对粉煤灰浆液悬浮性和胶凝性进行了实验研究,取得了良好的灭火效果,且防灭火成本低廉14。2.2 阻化剂灭火技术研究进展阻化剂灭火技术是在灭火材料中加入一定的添加剂,将其喷洒在煤体表面,形成一层保护膜,增加煤体表面化学惰性,阻止其与氧气接触,同时吸热降温,使煤体长期处于潮湿状态,以达到防灭火目的。该技术采用喷洒、压注以及气雾阻化等多种方式,具有工艺简单、灭火效果好等优点,但存在喷洒不均匀、阻化材料用量大且价格贵、阻化时效性有限等缺点。目前常用的阻化剂大致分为两类:一类是单一类阻化剂,主要有泥浆阻化剂、碱式阻化剂、卤盐阻化剂、羟基阻化剂等;另一类是复合类阻化剂,主要有凝胶阻化剂、气溶胶阻化剂、高聚物阻化剂等15。张嬿妮等采用差示扫描量热仪(DSC)测试了在稀土水滑石、MgCl2和卤盐载体无机盐三种不同阻化剂作用下,煤自燃过程中分阶段特征、特征温度、热效应和表观活化能等参数变化规律,研究表明卤盐载体无机盐阻化剂可有效抑制煤自燃反应进程16。宋明光等通过先添加聚丙烯酸酯在煤体表面形成一层覆盖膜,接着通过添加 MgCl2在其表面形成吸水隔热层,以两步混合法制备得到了聚丙烯酸酯-MgCl2复合阻化剂,并研究其热解特性及阻燃性能,试验证明:其阻化率能够显著提高并具有优异的稳定性能17。马超提出了高倍微胶囊阻化剂泡沫防灭火技术,研究了微胶囊阻化剂泡沫的封堵窒息、隔氧阻1 期张志军:“双碳”背景下我国地下煤火防治技术研究进展41 化、吸热降温等防灭火机理和应用工艺,在兴隆庄煤矿开展了应用,防灭火效果显著18。王婕等从隔氧降温和终止自由基链式反应角度出发,将无机盐类阻化剂氯化镁和氯化钙与自由基捕获剂 N,N-二苄基羟胺(DBHA)和 2,