新疆维吾尔自治区煤田地质局综合地质勘查队—准南煤田煤层煤田火区动态演化规律及灭控关键技术

一、项目概况

该项目针对新疆准南煤田埋藏浅、煤层厚、急倾斜、露头多、易自燃等特点，新疆维吾尔自治区煤田地质局综合地质勘查队、新疆维吾尔自治区矿山服务安全保障中心和西安科技大学通过“产学研用”合作，依托多个煤田火区治理项目，历时十余年展开联合攻关。掌握了煤田火区漏风通道热力驱动漏风供氧特征，阐明了煤层贫氧氧化热动力过程；研发出三维煤田火蔓延过程相似模拟实验系统，构建了火区燃烧中心时空演化气体渗流-氧气扩散数学模型，揭示煤田火区动态非均匀燃烧与漏风供氧反馈作用机制；研发了煤田火区防治的新型胶体材料，研制了适合于煤田火区治理工程的防灭火成套系统及装备，实现大流量、高浓度、远距离注浆灭火功能，成功扑灭了准南煤田吉木萨尔水西沟、米东区羊毛工、福源煤矿、苏拉布拉克2等煤田火区，并对地表进行了生态恢复。项目研究成果对煤田火灾的科学防控具有重要指导意义和应用价值。

二、成果简介

新疆维吾尔自治区煤炭资源丰富，是我国第14个大型煤炭基地。煤炭预测储量2.19万亿t，约占全国预测储量的40%，居全国首位。新疆多数煤层埋藏浅、厚度大、露头多，大部分为倾斜或急倾斜赋存；煤层变质程度普遍较低，以中低变质程度的长焰煤、不粘煤和弱粘煤等易自燃煤层为主；长期以来区内煤炭采用浅部开采，采空区易与地表沟通，加之气候干燥少雨，煤火灾害十分突出。

近年来，由于煤炭资源开发规模增加，部分关闭煤矿采煤塌陷，裂隙未能及时回填、封堵不到位等因素，新疆境内旧火区不断蔓延、扩大，新火区不断产生，煤田火灾形势愈加严峻。截止2019年底第五次煤田火区普查，新疆未治理的40处在燃煤田火区面积达477.73万m²，每年烧失煤炭456.16万t，较第四次普查新生火区18处，新生火区总面积162.84万m²，增加268%，每年烧失煤炭资源111.1万t，受威胁储量达15.26亿t。此外，大面积煤火燃烧将释放大量有毒有害气体，产生汞、硒等污染水资源的有害化学物质，对生态环境造成严重危害。

项目围绕煤田火灾的发展演化特征和防治难点，采用理论分析、实验测试、数值模拟和现场观测等手段，分析了典型煤田火区特点及发展规律，掌握了煤火低温自燃过程与高温燃烧化学反应机理；建立了煤田火区物理和数学模型，进行了煤田火区动态模拟，揭示了煤田火区岩石热破坏及与渗流耦合作用下煤田火区的发展规律；研究了各种灭控材料（黄土、粉煤灰、岩粉）的成胶机理与防灭火特性，开发出煤田火区防治的新型胶体材料；研制了适合于煤田火区治理工程的防灭火成套系统及装备，实现大流量、高浓度、远距离注浆灭火功能，其注浆浓度及添加材料比例可调，自动化程度高，运行稳定、可靠；项目实施以来成功扑灭了准南煤田吉木萨尔水西沟、米东区羊毛工、乌鲁木齐县名佳煤矿、苏拉布拉克2等煤田火区，并对地表进行了生态恢复。

项目成果发表学术研究论文20余篇，参与煤田灭火行业标准《煤田火灾灭火规范》1项，承担自治区重点研发项目1项，授权中国发明专利6项，实用新型专利8项，培养博硕士研究生4名。主要技术成果在新疆准东煤田、吐哈煤田、库拜煤田及宁夏、内蒙、山西等多个省市的煤田火区防治中得到推广应用，对煤田火灾科学防控具有重要指导意义和应用价值，产生了显著的经济和社会效益。

三、研究内容

（一）掌握了浅埋急倾斜煤层煤田火区特点及发展规律；

（二）开发出煤田火区防治的新型胶体材料，研制了适合于煤田火区治理工程的防灭火成套系统及装备；

（三）组织实施了准南煤田吉木萨尔水西沟、米东区羊毛工、乌鲁木齐县名佳煤矿、苏拉布拉克2等煤田火区灭火工程；

（四）研究了煤田火区漏风通道中气体温度、压力、组分及燃烧中心附近氧气浓度变化特征，阐明了煤田火区热力驱动漏风通道气体运移规律；

（五）建立了煤田火区物理和数学模型，进行了煤田火区动态模拟，揭示了煤田火区岩石热破坏及与渗流耦合作用下煤田火区的发展规律；

（六）研究了各种灭控材料（黄土、粉煤灰、岩粉）的成胶机理与防灭火特性。

四、推广应用情况

    该项目创新集成了浅埋急倾斜煤层煤田火区动态演化规律及灭控技术，项目科技攻关与工程实施同步进行，研究成果在新疆准南煤田火区治理中得到广泛应用，效益显著。项目研究成果不仅为准南煤田吉木萨尔水西沟、米东区羊毛工、乌鲁木齐县名佳煤矿、苏拉布拉克2等煤田火区的扑灭提供了有力保障，减少煤炭烧失3亿多吨。另外，项目经转化形成的相关装备在准东煤田、吐哈煤田、库拜煤田等矿区煤田火灾防治中得到成功应用，对保障新疆煤炭能源安全，推动自治区经济和社会发展具有重要意义。