适用读者： 煤矿矿长、总工程师、安全副总、通防科长、防灭火专责工程师、安全监控技术主管、矿山救护队队长

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、采空区浮煤低温氧化链反应动力学与深部隐蔽火区形成机理

在综采放顶煤或大采高工作面开采过程中，采空区不可避免遗留大量松散浮煤（遗煤厚度通常在 $0.5 \sim 2.0\text{ m}$）。受工作面供风压差驱动，新鲜漏风风流渗透进入采空区孔隙网络。煤中富含的不饱和脂肪烃侧链、芳香烃自由基以及含硫活性基团在常温下即开始吸附氧气，发生化学吸附与低热放热复合反应。

[采空区氧化升温带漏风流供氧 (氧气浓度 5%~18%)]
                          ↓
[浮煤表面活性中心接触吸附 (生成过氧化物与羰基活性中间体)]
                          ↓ (放热速率 > 采空区多孔介质导热散温速率)
[自加速链式热失控阶段 (煤温由 45°C 飙升至临界温度 80°C~110°C)]
                          ↓ (气体裂解产物中加速释放 CO、C2H4、烷烃)
[隐蔽火核形成与明火爆发] ────► 诱发瓦斯燃烧爆炸或大面积封闭工作面毁矿

1.1 煤氧复合反应活化能与阿伦尼乌斯化学热失控方程

煤自燃吸氧化学放热反应速率常数 $k_r(T)$ 遵循阿伦尼乌斯（Arrhenius）定律：

$$k_r(T) = A_{freq} \cdot e^{- rac{E_a}{R \cdot T}}$$

采空区多孔介质中浮煤温度场的非稳态非均匀传热控制微分方程为：

$$(1 - \phi) ho_{coal} C_{p, coal} rac{\partial T}{\partial t} +

abla \cdot ( ho_g C_{p, g} ec{u} T) =

abla \cdot (\lambda_{eff}

abla T) + q_{chem}(T) - q_{loss}$$

式中：

  • $E_a$ 为煤氧复合反应表观活化能（$\text{kJ/mol}$）；
  • $q_{chem}(T) = Q_{heat} \cdot k_r(T) \cdot C_{O_2}^n$ 为煤氧化学自加速反应产热源项；
  • $\lambda_{eff}$ 为松散煤体与孔隙气体的有效等效导热系数；
  • $q_{loss}$ 为水分汽化潜热与向围岩散失的散热通量。

当煤温突破临界温度（$T_{crit} \approx 70^\circ\text{C} \sim 90^\circ\text{C}$）后，微观自由基浓度呈指数级爆炸式倍增，反应热迅速超出散发能力，促使深部浮煤迅速跨越裂解自燃点（$180^\circ\text{C} \sim 220^\circ\text{C}$），形成难于定位、难于渗透、极易复燃的深部隐蔽火核。

煤矿采空区微胶囊高分子凝胶灭火渗透阻氧化学反应微观机理示意图
图1：高分子阻化凝胶微观网络成胶包覆浮煤与微胶囊延缓破胶渗透流动动力学机理图

二、微胶囊自敏延缓破胶高分子凝胶材料体系与自由基阻化动力学

传统无机黄泥灌浆存在“泥浆易沉淀、静压流失快、无法堆积挂壁、脱水干裂后失去阻化活性”等根本缺陷；而常规化学高分子凝胶往往“成胶过快（$< 5\text{ min}$），导致输送管道严重结皮堵塞（抱管）”。

本项目研发应用的“微胶囊自敏延缓破胶高分子高水阻化凝胶（Microcapsule-Delayed Polymer Gel）”系统，彻底解决了长距离管道自流与深部大范围立体渗透的技术瓶颈。

2.1 四元复合凝胶材料微观网络构成

凝胶系统核心配方与成胶调控：
1. 主交联高分子基料 (阴离子型聚丙烯酰胺 APAM, 分子量 1200~1500万) ： 0.3% ~ 0.5%
2. 无机硅酸盐骨料基体 (超细水玻璃模数 2.8~3.2, 浓度 25~30°Bé) ： 3.0% ~ 5.0%
3. 微胶囊化缓释交联引发剂 (酚醛/有机多价金属配合物包覆) ： 0.1% ~ 0.25%
4. 复合自由基化学捕获剂 (自由基猝灭剂与多羟基聚合物) ： 0.2% ~ 0.4%
5. 清水载体 (矿井处理达标工业回用水) ： 94.0% ~ 96.0%
6. 成胶硬化时间控制 ： 30min ~ 180min 连续精确无级可调

2.2 自由基清除阻化率量化评判方程

高分子凝胶中的复合自由基捕获剂能够主动与煤中过氧化自由基反应，切断煤氧链式反应循环。阻化效率 $\eta_{inhib}$ 测定公式为：

$$\eta_{inhib} = rac{V_{O_2, raw} - V_{O_2, gel}}{V_{O_2, raw}} imes 100\% \ge 85.0\%$$

式中 $V_{O_2, raw}$ 和 $V_{O_2, gel}$ 分别为煤样在 $100^\circ\text{C}$ 恒温条件下未经处理与经凝胶包裹后的吸氧初速度（$\text{cm}^3/(\text{g}\cdot\text{min})$）。

#### 防灭火材料性能对比分析对照表

核心技术指标 传统黄泥灌浆 单纯注氮气/液氮 普通聚氨酯发泡胶 微胶囊高分子高水凝胶
吸热冷却能力 中等（水分流失极快） 差（气体比热容低） 差（固化放热达 120°C） 极佳（含水率 > 92%，恒湿保水）
阻氧包覆能力 差（沉淀干裂收缩） 零（风流一过即漏风） 良好（但成本昂贵） 卓越（网状胶态高分子完整封堵）
渗透扩散深度 $< 5.0\text{ m}$ (自流沿沟) 随风流散逸 $< 3.0\text{ m}$ (即时发泡) $\ge 25.0\text{ m}$ (低阻自流长距离渗透)
防复燃长效性 $< 15$ 天 需持续消耗不间断 6~12 个月 $\ge 24$ 个月（胶体长期抗蒸发保水）
管道输送安全性 易沉淀淤管磨管 需深冷特种低温绝热管 反应剧烈易抱管爆管 完全不抱管，延缓成胶安全可控

三、地面自动化连续制胶站与井下立体注浆管网设计

煤矿地面连续自动化高分子防灭火制胶系统与蠕动计量泵成套设备
图2：地面智能型全自动化大流量胶体泥浆与高分子阻化凝胶制浆泵送站装备特写

3.1 连续在线静态混合与精准配比工艺

为了防止两液过早混合，系统采用“地面集中输送、孔口静态混合”或“并联双管路自流、井下高压三通交联”两套输运模式：

  1. 主剂 A 液与促进剂 B 液双回路设计：采用两条耐磨防腐高压管路平行铺设至注浆地点，在靠近采空区注浆孔口前 $5 \sim 10\text{ m}$ 处通过“多级错位螺旋静态混合器”瞬间碰撞混合，彻底规避沿途管道堵塞风险；
  2. 蠕动恒流计量注胶泵：配备具有防爆认证的高精度数字变频计量柱塞泵，注入精度误差小于 $\pm 1.5\%$，流量范围可在 $10 \sim 60\text{ m}^3/\text{h}$ 之间随火区吸浆量自动调节。

四、全流程多高位钻孔注浆作业与束管监测联动 SOP

煤矿井下防灭火注浆工作面工程师现场取样检测成胶质量
图3：通防安全工程技术人员在密闭火区外围实施凝胶注入与束管气相色谱在线检测作业现场

4.1 胶体泥浆与凝胶注入标准化作业流程 (SOP)

[多通道气相色谱束管监测与红外热成像精准火源定位] 
         ↓ (测定 CO、C2H4 浓度比值，计算格雷厄姆指数确定火核中心坐标)
[施工高位斜向下穿层定向注浆钻孔群 (孔径 Φ113mm, 间距 10~15m)] 
         ↓ (钻孔穿透直接顶，准确进入采空区冒落带高温蓄热火区上方 1.5m)
[实施高压氮气预通气洗孔与降温排风] 
         ↓ (将火区局部氧浓度压低至 5% 以下，防止注浆扰动诱发二次闪燃)
[启动地面自动化制胶泵站，以 30 m³/h 大排量注入稀释阻化前驱液] 
         ↓ (低粘度前驱液迅速渗透煤层细微裂隙，降低火核表面温度)
[切换注入微胶囊自敏高分子阻化凝胶浓相浆液] 
         ↓ (浆体在流动中逐步破胶交联，黏度由 20 mPa·s 跃升至 1500 mPa·s)
[形成立体高弹性固水胶凝胶囊硬化体] 
         ↓ (稠厚凝胶堆积充填浮煤空隙，扑灭深部暗火并完全阻绝漏风通道)
[维持长期稳压闭孔与气体连续跟踪检验] 
         ↓ (连续 7 天监测回风密闭内 CO ≤ 5 ppm，乙烯完全消失，准予通过验收)

五、格雷厄姆自燃指数评价与气相色谱反演模型

火区熄灭状态绝不能仅凭人工感官，必须通过高灵敏度在线气相色谱分析系统，提取自燃全流程特征标志气体：

5.1 格雷厄姆指数 (Graham's Fire Ratio, $R_1$) 精确算例

$$R_1 = rac{\Delta ext{CO}}{\Delta ext{O}_2} = rac{ ext{CO}_{measured} - ext{CO}_{fresh}}{0.265 \cdot ext{N}_{2, measured} - ext{O}_{2, measured}} imes 100\%$$

#### 火区发展阶段与标志气体临界判据对照表

氧化与燃烧阶段 核心标志气体组合 $R_1$ 格雷厄姆比值 火区温度范围 必须实施的技术响应手段
常温安全状态 仅微量 $ ext{CO} < 5 ext{ ppm}$ $R_1 < 0.25\%$ $< 35^\circ\text{C}$ 维持常态化采空区低流量注氮防灭火
早期氧化蓄热 $ ext{CO} = 10 \sim 30 ext{ ppm}$，出现 $ ext{C}_2 ext{H}_6$ $0.25\% \le R_1 < 0.50\%$ $35 \sim 80^\circ\text{C}$ 启动高分子阻化剂喷洒，加快推采速度
加速临界自燃 检出乙烯 $ ext{C}_2 ext{H}_4 = 1 \sim 15 ext{ ppm}$ $0.50\% \le R_1 < 1.00\%$ $80 \sim 150^\circ\text{C}$ 启动微胶囊高分子凝胶定向深孔压注
激烈明火燃烧 检出乙炔 $ ext{C}_2 ext{H}_2 > 0.5 ext{ ppm}$ $R_1 \ge 1.00\%$ $> 150^\circ\text{C}$ 紧急构筑防爆双密闭，大方量注胶惰化
煤矿安全总监与火区治理专家组会审火区启封验收报告
图4：矿井防灭火技术委员会与中国矿大专家在调度中心会审采空区自燃火区熄灭验收数据

六、真实矿区工程案例：陕西彬长矿区易自燃大采高采空区火灾治理

6.1 隐蔽火区险情与紧急态势

  • 矿井背景：某年产 600 万吨特大型智能化矿井，主采 4# 煤层平均厚度 $11.5\text{ m}$，煤层自燃发火期仅为 28 天（属于 I 类极易自燃煤层）；
  • 火灾险情：2103 大采高综放工作面推进期间遭遇断层阻隔，推进速度放缓至每天不足 $1.2\text{ m}$。停滞 18 天后，回风隅角上部及采空区 4# 束管检测到 CO 浓度由 8 ppm 激增至 640 ppm，并持续检测到乙烯（$\text{C}_2\text{H}_4 = 28.5\text{ ppm}$）与极微量乙炔（$\text{C}_2\text{H}_2 = 1.2\text{ ppm}$），采空区深部测温探头显示最高点温度达 $168.5^\circ\text{C}$，面临全工作面被迫紧急封闭停产的绝境。

6.2 方案实施与技术攻坚数据

  1. 火区立体打孔与降温：在回风巷施工 8 组高位定向穿层注胶钻孔，孔深 $65 \sim 85\text{ m}$，单孔准确命中采空区 $168.5^\circ\text{C}$ 核心高温区；
  2. 高分子凝胶大方量压注：调用地面自动化快速制胶系统，连续 48 小时不间断压注微胶囊自敏高分子阻化凝胶。累计注入聚合物凝胶干粉 38.5 吨、改性模数水玻璃 180 吨、优质黄土泥浆 1450 立方米；
  3. 治理成效闭环实测：
  • 连续注胶 24 小时后，火区最高点温度由 $168.5^\circ\text{C}$ 断崖式骤降至 $52.0^\circ\text{C}$；
  • 连续注胶 48 小时后，特征气体乙炔彻底归零，乙烯完全消失，CO 浓度降至 6 ppm 正常背景值；
  • 气相色谱连续 14 天采样分析显示格雷厄姆指数 $R_1$ 稳定在 $0.08\% \sim 0.12\%$，火区彻底熄灭并固结封闭，避免了价值 4.2 亿元综放支架与成套装备被封死在井下的重大损失，为矿井安全多挽回原煤产值超 6 亿元。

七、常见工程突发故障与应急处置标准 SOP

在井下防灭火注浆与注胶过程中，必须高度警惕管路提前成胶抱管、有毒有害气体溢出以及火区复燃等复杂工况：

[注浆主管路压力表突增超过 12 MPa，出浆口流量锐减归零] 
         ↓ (表明促凝交联剂比例过高或停歇时间过长，浆液在管道内发生提前凝胶“抱管”)
[立即远程切断高分子药剂注入泵，将三通球阀切换为高压冲洗模式] 
         ↓ (以 15 MPa 高压泵送温水掺入 0.5% 聚丙烯酸降粘剂反向强力冲管)
[若局部严重卡死，立即拆卸快速法兰接头，分段高压顶通疏导]

[注胶作业钻孔孔口突然向巷道大量返冒高浓度的热气与黄色浓烟] 
         ↓ (表明钻孔贯通高温富氧通道，受热膨胀产生孔口强力倒风反喷)
[严禁人员正对孔口，作业人员立即佩戴隔离式化学氧自救器撤离至上风侧] 
         ↓ (远程关闭钻孔孔口高压防喷密封闸板阀，杜绝有毒气体扩散)
[通过防喷阀旁通管线注入高压液氮与干冰颗粒进行急速冷淬压火]

[治理熄灭后 3 周，回风隅角 CO 出现微量回升 (由 5 ppm 升至 22 ppm)] 
         ↓ (表明深部采空区因工作面推采扰动形成新漏风通道，出现局部复燃先兆)
[立即在回风隅角构筑挂网双道防漏风风障，增设气动泡沫充填隔离墙] 
         ↓ (启动移动式深孔注胶泵车，向新产生的漏风通道实施靶向复注高水凝胶)
[加大工作面推进度至每日 4.5m 以上，快速将隐患区甩入深部窒息带]

八、总工程师现场自查台账与防灭火验收清单

易自燃煤层采煤工作面日常回采与火区治理验收，总工技术班子必须逐条核实签字销号：

  • 束管色谱日分析：采空区多点束管气相色谱气体分析报告是否每日 100% 审查会签？
  • 微胶囊凝胶配比合格：各班次现场抽检凝胶成胶硬化时间是否稳定在设计靶区（$45 \sim 90\text{ min}$）？
  • 防灭火三道防线完备：地面制浆站、大流量注氮系统与井下移动注胶泵站是否全天候处于热备用状态？
  • 回风侧漏风压差受控：工作面进回风巷风压平衡调节设施是否良好，采空区漏风压差是否处于低阻区间？
  • 特征气体清零达标：火区密闭内乙烯、乙炔是否绝对为零，且空气温度稳定低于 $30^\circ\text{C}$？
  • 救护队定期取样巡查：矿山救护队是否每周开展采空区封闭密闭内外气体红外线对比抽查并建立永久台账？

    • 九、高频技术问题答疑 (FAQ)

    Q1：采空区防灭火中，有了“注氮系统”为什么还需要“高分子阻化凝胶”？

    答： 注氮防灭火属于“气态惰化物理稀释”手段，其优势是弥散速度快、覆盖范围广；但其致命短板是“气体随漏风风流持续散逸，完全没有阻留能力”，一旦停止供氮，空气重新渗入后极易死灰复燃。而高分子阻化凝胶属于“固态水化胶结物理化学复合包裹”手段，凝胶不仅含水率高达 $95\%$ 可强力冷却降温，而且在浮煤表面形成长期不挥发的抗氧化隔离膜，从根本上终结自由基链式反应。现场必须采取“先注氮压低氧气浓度控制火势 + 后注胶包裹固绝灭火根治”的双重组合拳。

    Q2：微胶囊自敏延缓破胶技术是如何做到“管道不抱管、地层里快速成胶”的？

    答： 核心机理是“物理隔离包裹与温度敏感双重自激活”。研发人员将高活性交联剂封装在微米级高分子蜡质或改性树脂微胶囊内部。在常温（$15 \sim 25^\circ\text{C}$）管道泵送过程中，微胶囊外壳致密稳定，交联剂无法接触基料高分子，浆液黏度极低如同自来水；当浆液渗透进入采空区深部高温火区（温度高于 $45^\circ\text{C}$）或受到地层酸性多价离子催化时，微胶囊壳体迅速熔融膨胀破裂，瞬间释放交联剂引发三维网络凝胶反应，实现在高温目标区原位定点爆发式固化。

    Q3：高分子阻化凝胶对井下作业人员和矿井水处理是否有环境毒性？

    答： 无毒环保。现代煤矿专用高分子高水阻化凝胶全部采用无毒级食品添加剂改性基料与天然无机矿物硅酸盐配制，不含任何游离酚、重金属或放射性物质。硬化后的水化物呈现中性或微弱碱性（$ ext{pH} = 7.5 \sim 8.2$），在水中不可溶，自然降解产物为微量硅酸盐与水，完全符合国家饮用水源保护区及绿色矿山生态环境保护验收法规要求。

    Q4：大采高放顶煤采空区，高位钻孔的注胶层位应该如何精准确定？

    答： 注胶层位应精确定位在“垮落带上部与氧化升温带中下部的交汇点”。通常垂直高度位于直接顶垮落体堆积顶面以下 $1.0 \sim 2.5\text{ m}$，水平位置处于工作面回风侧停采线后方 $30 \sim 80\text{ m}$ 的核心蓄热区。该层位不仅能让重力自流凝胶充分自上而下包裹松散浮煤，而且避开了工作面直接漏风强对流区，确保凝胶结石体完整固化形成阻风隔氧地毯。

    十、技术行动指南与专家支持通道

    采空区浮煤隐蔽火区防治与高分子阻化凝胶成套工程，是一门集热力学、胶体化学、流体力学与矿山通防安全于一体的硬核科技。

    📋 第一步：煤层自燃倾向性与吸氧活化能精准测定

    采集新鲜原煤样品开展程序升温色谱实验，准确测定特征标志气体临界出现温度与格雷厄姆指数判定基线。

    📊 第二步：地面与井下防灭火注胶成套管网系统深化设计

    结合工作面推进度与自燃发火期，科学编制大流量微胶囊高分子凝胶制备方案、注浆钻孔拓扑图及应急封堵闭环规程。

    💬 第三步：矿井防灭火技术会诊与专家全生命周期支持

    如您的矿井面临采空区深部隐蔽发火、CO 浓度反复超标、高水温异常涌出或火区难以启封等棘手技术危机，欢迎联系张洁贞专家团队，获取国家级矿山火区治理脱敏工程案例库、特种防灭火材料选型及通防防灭火专项评审指导。